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汽车研发:汽车顶棚的设计与开发!
发布时间:2019-08-12
 


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汽车顶棚的设计与开发


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汽车顶板是车室内主要构件之一,它连接着白车身的前、中、后立柱等重要部位,车身顶盖的质量好坏直接影响了车身的强度和刚度,对整车安全性有重要作用。

汽车在发生侧翻倾翻事故时,顶盖会承受相当大的载荷,将会发生一定的变形,进而直接影响车内人员的生存空间,如果变形过大,将直接危害乘车人员生命。

与此同时,它还是阻隔车外空气振动噪声的主要屏障。因此对汽车顶板的刚度、强度和隔音效果都有一定的要求。所以今天我们来了解一下关于汽车顶棚的一些知识吧!




一、汽车顶棚介绍

我们先了解一下有关顶棚的基本内容。

1
顶棚的分类和材料

1)软式顶棚

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。

2)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。



3)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。

顶棚系统的构成如下:



顶棚的结构及材料类型如下:



2
顶棚的成型、加工与安装

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采用高压水切割或模切(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。后部或遮阳板安装点为安装基准点。



3
顶棚的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。

为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。

主要性能要求如下图所示:


  • 耐热老化性能试验

试验后表面与供货状态相比,不允许出现任何变化,如装饰材料部分脱层、起泡、凸起、变色、明显的卷边处变平、边缘拱起等。

  • 低温存放性能试验

试验后表面与供货状态相比,不允许出现任何变化,如装饰材料部分脱层、起泡、凸起、变色、明显的卷边处变平、边缘拱起等。

  • 耐湿热性能试验

试验后表面与供货状态相比,不允许出现任何变化,如装饰材料部分脱层、起泡、凸起、变色、明显的卷边处变平、边缘拱起等。

  • 耐气候交变性能试验

试验后表面与供货状态相比,不允许出现任何变化,如装饰材料部分脱层、起泡、凸起、变色、明显的卷边处变平、边缘拱起等。

  • 耐低温冲击性能试验

试验后每一个试样都不允许产生裂纹或破裂现象。

  • 饰材与基材间粘结性能

初始状态:F≥3N/5cm;气候交变试验后:F≥3N/5cm。

  • 耐摩擦色牢度

干态:变色≥4级,沾色≥4级;湿态:变色≥4级,沾色≥4级。

  • 耐水污染性能试验后应无任何污点出现

  • 抗微生物性能

  • 燃烧特性燃烧速度≤75mm/min

  • 耐光色牢度试验

试验后外观不允许出现翘曲、轮廓和曲面歪斜、接合面分离等缺陷,用放大镜(6-9)倍或类似的仪器看不见与初始状态相比有什么变化。

低档车:灰色标度≥3级按GB250标准评价;

中高档车:灰色标度≥4级按GB250标准评价。

  • 气味性要求

低档车:要求评分≤4.0级;

中档车:要求评分≤3.5级;

高档车:要求评分≤3.0级。

  • 甲醛含量要求

甲醛含量≤10mg/Kg

  • 气雾冷凝值要求

气雾冷凝值≤2mg

  • 有机物散发要求

有机物散发≤50ugc/g

  • 含水量变化率要求



4
顶棚关键断面

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:

  • 遮阳板安装点

  • 后挡风玻璃处

  • 侧气帘X向剖面处

  • 把手挂钩处

  • 天窗开口处

  • 顶棚与立柱装饰板的配合

  • 侧气帘发生器处等




二、汽车顶棚的作用

汽车顶棚的作用如下:

1
遮风挡雨

汽车顶板是封闭汽车白车身的重要组成部分,封闭的车室内空间可以使汽车内温度保持在可控制的范围内,不随车室外温度剧烈变化。汽车行驶过程中,顶板的存在可以阻止车室外空气进入车室内,高速行驶的汽车如果没有顶板遮挡,气流速度会变得非常快,这会导致车内乘员的严重不适。遇到刮风下雨天气时,汽车顶板就能起到遮风挡雨的作用,使车室内免受室外天气变化的影响,显著地增加了乘车的舒适性。

2
减少行车空气阻力

汽车顶板的另一个主要作用就是减少汽车运行时的空气阻力。试想如果汽车没有顶板,车室外空气就能够没有阻碍地进入车室内,气流在车室内受到阻碍,形成了巨大的汽车运行阻力。汽车顶板的存在可以阻止车室外空气进入车室内,汽车顶板的低弧度、流线形状显著地减小了汽车运行时的空气阻力,为汽车高速行驶创造了必要条件。



3
防止高空坠物危害

高空坠物是威胁车内乘员生命安全的一个主要因素,虽然这种情况出现的概率较低,然而一旦出现高空坠物事故,后果就不堪设想。汽车顶板的出现保护了汽车上部空间的安全,顶板具有一定的强度和刚度,能够避免高空坠物对车内成员的伤害。在设计汽车顶板时,高空坠物危害是一个重要的考虑因素。



4
防止因侧翻倾翻导致的车内空间压缩

侧翻倾翻是汽车事故中非常严重的一类,通常会造成人员的伤亡,是汽车设计中非常重要的考虑因素。侧翻会对顶板边沿产生冲击压力,倾翻则会对整个顶板产生非常强大的动态冲击压力。

顶板的存在会保护车内上部空间,避免在侧翻倾翻过程中由于顶部空间的急剧缩小而压缩车内乘员的生命空间。设计制造良好的汽车顶板可以在汽车侧翻倾翻中有效地保护汽车顶部空间,保护车内乘员的生命安全。



5
隔离车室外噪声

汽车车室内噪声是影响乘车舒适性的一个重要因素。车室内噪声主要由4个因素导致的,即发动机振动经机架传至车室、发动机振动导致车内空气振动、路面不平度导致车架振动及汽车与车室外空气摩擦产生振动。

汽车顶板的作用主要就是限制汽车与车室外空气摩擦产生的车室内噪声。车室外空气噪声对车内乘员乘坐舒适性的影响是巨大的,在车辆运行过程中车顶天窗打开时,车内乘员之间甚至很难分辨对方说话声,只能听到车外空气噪声,因此汽车顶板的出现会显著减弱车室内噪声,增加车内乘员乘坐舒适性。



三、顶棚的设计准则

汽车顶棚设计准则主要包含以下几点:

1
汽车顶板的静态特性

汽车顶板的静态特性主要指顶板的抗压性。设计汽车顶板时,不仅要使其造型美观、空气动力性好,更重要的是使汽车顶板在高空坠物以及车辆发生侧翻倾翻时能够有效地保护车内乘员安全。

在发生高空坠物时,如果顶板抗压性不够,就会导致坠物冲击处发生大变形甚至直接击穿顶板;车辆在发生侧翻倾翻时,如果顶板抗压性不够(即静态特性差),就会造成车辆顶部严重变形,顶板纵向侵入车室内压缩车内空间,造成乘员伤亡。



2
汽车顶板的动态特性

汽车顶板的动态特性主要是指振动特性,而振动特性的基础就是模态特性。汽车车室内的振动是由噪声声源经过汽车车身板件的传播到达车室内的,其中汽车顶板是传播车外空气摩擦噪声的重要部分。

3
顶棚的轻量化和环保设计

汽车顶板需保证一定强度和刚度以防止侧翻倾翻及高空坠物荷载对车厢的损害。汽车顶板的主要作用是遮风挡雨、成为车辆外形的重要部分及减少行车空气阻力,在设计汽车顶板时应考虑何种形式汽车顶板最美观、使行车阻力达到最小。

此外,目前消费者在使用汽车时越来越关心汽车的使用费用,且作为汽车主要燃料的原油价格节节攀升,因此汽车轻量化设计就成为汽车部件设计的一个主要方面,为此会使用一些新型材料来满足设计要求。



未来汽车的发展趋势是轻量化和环保,汽车顶棚在追求外观性和吸隔音的同时,顶棚材料更需要向高强度、低导热系数、低克重、低挥发性、高回收利用率的环保型材料方向发展。PP材料具有较高的强度、可回收性、低VOC含量及环保性,是Pu材料所欠缺的。因此,PP材料得到更多汽车企业的青睐,PP玻纤板基材的顶棚应用得越来越多。汽车未来的发展部不仅仅是电子电器的发展,同样也是材料的发展。

4
常用汽车顶棚材料

汽车顶棚的结构通常由蒙皮和衬垫组成,衬垫是指车内顶棚内饰件。顶棚内饰的功能要体现车厢内的造型设计,与外界的隔热隔音和吸音,对乘员头部的保护。因此,顶棚内饰是很有讲究的人体各部分有不同的伤害指标,因此汽车内部与人体接触部位不同的地方要采用不同的内饰材料。

顶棚的材料应选择与人的头部相配的材料,要经过试验和研究来确定。不变形的材料不能吸能,承受的力随着变形量的增加而增加的些材料也不能在碰撞的全过程中保护乘员。有些材料虽然满足力和变形的要求,但是它的反弹力很大,吸能的能力很差,也不适合做内饰。



为了满足顶棚的隔热隔音、吸音及触感安全和低成本的需要,内饰一般用“泡沫塑料”或者毛毡,用粘接或激嵌的方法安装在车顶上,以硬顶汽车为例一般用热压成形法把饰面泡沫层和基底三层材料复合在一起成为一定形状的构件,用粘接或独安的方法安装在车顶上,其中饰面材料主要采用织物、TPO或PVC膜。泡沫层多用硬质聚氨醋泡沫塑料板。基底多采用PU发泡片材PP发泡片材瓦楞纸、浸渍树脂的再生棉或玻璃纤维,这些材料的选用应能保证乘员头部与顶棚碰撞时有效地保护人体。



目前最新的顶棚材料是PP瓦楞板,加上PP发泡片材(缓冲层)再加上TPO表面层三者压成一体组成。汽车顶棚内饰除了具有吸能作用外,还要具有阻燃、降噪、隔热以及易于回收利用等性质。其中阻燃、隔热和回收利用主要由材料本身的性质来保证。

降噪要通过材料和设计两个方面来保证要取得隔声降噪的良好效果有三个方面:

1)顶棚材料要有隔离车外噪声作用于金属顶盖,激发金属顶盖振动产生的噪音;

2)减少由于金属顶盖与顶棚内饰之问装配不良引起颤动发出的噪音;

3)对进入车厢内的噪音进行衰减。



所以现在的汽车制造在车身设计时通常采用隔声、吸声办法降低车内噪声,顶棚构件与金属顶置之间要有牢固的安合,顶棚基底的材料要能阻断声波穿透,顶棚内饰要能吸收辐射到上面的声能,消减反射声能常采用多孔U吸声材料,当声波射到多孔材料表面的空哨,引起空版内空中材料微小纤维振动,能使相当一部分声能转化为热能。配合使用开孔璧吸声材料,这种材料的特点是在小孔背面保持一定的空气层,主要吸收中低频率噪声,使其产生共振消耗能量。




四、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。



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