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发表于 2020-6-29 10:10:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车顶棚概论与设计

孙大鹏1,黄千千2

(1.福特汽车工程研究南京有限公司,江苏 南京 211100;2.南京交通技师学院,江苏 南京 210049)

【中国汽车材料网】摘 要:文章介绍了汽车顶棚的分类、材料、成型、加工、安装、性能和实验等基本属性和要求。针对顶棚的制造工艺、装配工艺、设计风险,提出以关键断面定义为设计手段,对汽车顶棚各个重要区域的关键断面,结合自身造型、周边件的尺寸、制造和装配工艺、安全法规、人机工程等相关因素进行定义。通过简介和深入设计分析的两个方面,实现对汽车顶棚基本知识和结构设计的描述,为内饰设计工程师优化设计提供借鉴。
关键词:成型和加工;性能和实验;关键断面
引言
汽车顶棚,英文名:Headliner。 指在车身顶盖钣金下面加装的内饰件,其作用除提高车内装饰性外,还起到隔音、吸音、隔热的作用。顶棚集成有车顶控制台、遮阳板、把手、空调风道、线束、头部吸能块、隔音隔热块、阅读灯及相关电子设备,顶棚的设计与制造是整车的重要一环。


1 顶棚分类和材料
软式顶棚的基材为单层或复合材质。与车身的连接方式为胶粘式。复合材质为PVC、无纺布、针织面料、发泡海绵等。优点是重量轻、成本低、触感柔软,缺点是安装困难、对尺寸匹配要求高、变形量大、NVH性能差,不利于大规模批量化生产线的节拍安装。
模压成型顶棚为复合材料,由无纺布和基材组成。将复合板材放入金属模具中加热、挤压、保型。具备较好的刚度和韧性,尺寸变形量相较于软式顶棚小,装配精度控制好,造型效果美观、上档次,有很好的隔热、隔音特性。
成型顶棚由表皮和基材组成。表皮材料有:PVC膜、针织布、无纺布复合海绵;基材由 PP+玻纤、PF(酚醛树脂)、瓦楞纸、再生纤维、PU复合板材复合而成,此类材料尺寸稳定性好、抗变形力高、隔热隔音效果好,多数材料可回收利用。


2 顶棚成型、加工和安装
顶棚本体的成型采用模压成型,将板材放入金属(或树脂)阴阳模具中,经过加热、加压固化成型。
顶棚轮廓和开孔的成型:高压水切割或模切(模具带有铳头)。具备工艺简单、修改灵活、成本低廉的特点,但切割精度差导致尺寸控制差、容易产生毛边等。模切割是在模具上预置刀头,在顶棚模压成型的同时开孔完成切割,其定位准确,误差小,但调整成本高,通常作为顶棚安装的基准孔位来设计,面和线的轮廓度控制在±1.5mm。
顶棚固定点安装分布在顶棚四周的把手、遮阳板、中央控制器、车顶灯。如果没有后顶灯,需2-3个塑料卡扣、尼龙搭扣、磁铁实现自身固定。装配顺序为:1.后部固定点>2.遮阳板安装点>3.顶灯安装点>4.门洞密封条>5.乘客把手>6.内饰护板。后部或遮阳板安装点为安装基准点。


3 顶棚主要性能和实验要求
顶棚主要作用就是隔声隔热。噪音的来源主要分为内部噪音和外部噪音:内部噪源来自发动机变速箱。外部来自车外的风噪、噪音源的传递。减少钢板的自身振动,在汽车顶盖钣金背面粘贴止振垫,一般为沥青垫(有气味)或者丁基橡胶垫。噪音衰减一般在顶棚背面贴有吸音棉、发泡海绵块、再生毛毡等。顶棚需要做以下实验:燃烧性能,耐光色牢度,气味;外观方面有面料剥离强度、耐水解性、压痕恢复、尺寸稳定性、下垂量和霉变实验等。


4 顶棚关键断面定义
汽车顶棚在设计初期就需要做出各个关键位置的断面。用来布置相关的周边件并且满足相应法规和车内乘员的空间需求,断面也是造型设计师的重要参考线。包括:
1.遮阳板安装点、2.后挡风玻璃处、3.侧气帘X向剖面处、4.把手挂钩处、5.天窗开口处、6.顶棚与立柱装饰板的配合、7.侧气帘发生器处等。
4.1 遮阳板安装点处
此处安装底座与顶棚通常需要设定1.5mm的咬合量,与顶棚开口通常留有 6mm的重叠量,此处顶棚的厚度一般为8mm,遮阳板前端与顶棚留有 4mm的间隙,后端与顶棚留有15mm*15mm的手指间隙(非手指区域为8mm),且遮阳板与顶棚有1.5mm的干涉量。顶棚前端料厚5mm,与前挡风玻璃间隙 4mm,与前顶盖钣金前端间隙 5mm,前挡玻璃黑色遮挡膜须超出顶棚前端 10mm。顶棚前段最低位置高于驾驶员上视野线,遮阳板垂直放下应处于驾驶员正前视野区域内。另外,顶棚和中央控制面板的压边量为1.5mm,重叠量为6mm,两者搭接的周边一圈至少保证4mm 的平整量,如图1所示。
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图1 顶棚遮阳板安装点处Y0典型断面


4.2 后挡风玻璃处
此处顶棚与顶盖的最小间隙为7mm,与后排横梁钣金最小间隙为 4mm,与后玻璃间隙为 4mm,顶棚尾部(厚度为5mm)翻边与Z向最小夹角为10°,尾部的顶棚下限应该高于后视线(内后视镜),头部空间须要满足假人头部的包络要求,如图2所示。
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图2 顶棚后挡风玻璃处Y0典型断面


4.3 侧气帘X向剖面处
头顶处顶棚厚度为 8mm,顶棚与车顶钣金的最小间隙15mm,侧气帘(直径35mm)与顶棚最小间隙6mm。顶棚边缘需要插入密封条5mm,且顶棚端口距离密封条凹槽底部留有1mm间隙,密封条的唇边和顶棚的搭接部位干涉量2.5mm,如图3所示。把手衣帽钩开口处和顶棚间最小间距18mm,把手底座和顶棚干涉量1.5mm,压边量6mm。顶棚和气囊模块的距离不能太大,否则气囊爆破时可能会偏向别的方向,降低气囊的保护效果。安装点的布置要分布在边缘,容易产生撕裂线,使气囊顺利爆破出。气囊撕裂线部分的厚度比正常位置一般要减薄30%。和护板的配合不应太紧密,为了保证顶棚在气囊爆破时能顺利让开,可以把顶棚 边缘做成齿形。顶棚和密封条搭接的区域,为实现装配效果,顶棚翻边做局部减薄处理,料厚由7mm过渡到5mm。
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图3 顶棚侧气帘X向剖面典型断面


4.4 天窗开口处
天窗开口处压边的钣金距离顶棚预留 1.5mm的间隙用来涂胶,顶棚翻边顶端高出钣金顶端10mm间距,用来防止钣金外露影响视觉效果;顶棚顶端离玻璃天窗留有 3mm间隙,翻边与Z 向夹角为70°±5°,翻边长度最短为18mm 且翻边不能骑到翻边的倒角(半径≥8mm)上,翻边转折倒角≥5mm,如图4所示。
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图4 顶棚天窗开口典型断面


4.5 顶棚与立柱装饰板的配合
顶棚和立柱装饰件的匹配关系到乘客对整车品质的直接感受,顶棚为软质材料,立柱装饰件为硬塑料件,为了达到良好的工艺匹配,两者之间通常做一些细节处理来实现良好的装配效果。顶棚上做出凹形台阶,护板搭接边缘需要做局部减薄处理以消除装配后的台阶差。立柱装饰板压顶棚干涉值为0.8mm~1.2mm,同时盖住顶棚的长度≥8mm。


5 结语
汽车顶棚已经发展成高度模块化的系统,各种功能模块都集成在顶棚上,包括娱乐、安全、隔音隔热等等,顶棚系统的设计要充分考虑布置、人机工程、头部空间、安全碰撞、结构强度、工艺美观等因素,在设计初期需要通过断面布置、法规校核来规范。本文仅给顶棚工程师们提供设计参考,需要在汽车设计实践中不断地学习、积累、总结。


参考文献
[1] 周强,成薇.汽车内饰模具结构及工艺概论[M].北京:人民交通出版社, 2014.10:110-117.

[2] 泛亚内饰教材编写组.汽车内饰设计概论(第二版)[M].北京:人民交通出版社, 2012.1:127-131.

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