汽车工程师

电动遮阳帘	运动零件
软轴	滑块	卷轴	帘布	边条	拉杆
固定零件	驱动电机	啮合		联动
横梁	前横梁		止挡
后横梁	滑动	止挡	滑动	滑动	滑动
导轨	左导轨	滑动	滑动		滑动	滑动
右导轨	滑动	滑动		滑动	滑动
回管	滑动

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汽车电动遮阳帘结构分析及系统阻力研究

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唐荣华 , 王占 , 黄旸 , 王林 , 王琛

汽车工程师 | 中国汽车工程学会年会优秀论文（选登） 2023,(10): 42-48

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汽车工程师 | 中国汽车工程学会年会优秀论文（选登） 2023, (10): 42-48

汽车电动遮阳帘结构分析及系统阻力研究

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唐荣华, 王占, 黄旸, 王林, 王琛

作者信息

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434

Structural Analysis and Systematic Resistance Research of Automobile Electric Sunshade

Ronghua Tang, Zhan Wang, Yang Huang, Lin Wang, Chen Wang

Affiliations

GAC Automotive Research & Development Center, Guangzhou 511434

出版时间: 2023-10-15 doi: 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230209

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摘要

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针对汽车电动遮阳帘的开口尺寸对运行性能的影响难以确定的问题，对电动遮阳帘的结构及展开与收卷过程中的基本运动部件进行详细受力分析，得到了遮阳帘在运动过程中的受力状态与遮阳帘位置的关系，从而建立遮阳帘的系统阻力与其开口尺寸的数学表达式。对比遮阳帘设计方案的计算数据与实物样件的测量数据，结果表明：模型方案的计算结果与实物样件的实测结果趋势基本一致，验证了遮阳帘系统阻力数学模型的有效性。

关键词

汽车电动遮阳帘 / 结构分析 / 系统阻力 / 数学模型

Abstract

收起

For the problem that it is difficult to determine the influence of the opening size of automobile electric sunshade on the operating performance, this paper, by analyzing the structure of the electric sunshade and the basic motion parts in detail in the process of unrolling and winding of the sunshade, obtained the relationship between the stress state and the position of the sunshade in the motion process, thus established a mathematical expression of the system resistance and its opening size of the sunshade. The calculation data of the design sunshade is compared with the measurement data of the real sample, which show that, the calculated data of the sunshade model is basically consistent with the measured data of the real sample, verifying the effectiveness of the mathematical model of the sunshade system resistance.

Key words

Automobile electric sunshade / Structural analysis / Systemic resistance / Mathematical model

引用本文

唐荣华, 王占, 黄旸, 王林, 王琛. 汽车电动遮阳帘结构分析及系统阻力研究. 汽车工程师, 2023 , (10) : 42 -48 . DOI: 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230209

Ronghua Tang, Zhan Wang, Yang Huang, Lin Wang, Chen Wang. Structural Analysis and Systematic Resistance Research of Automobile Electric Sunshade[J]. Automotive Engineer, 2023 , (10) : 42 -48 . DOI: 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230209

正文

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1 前言

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天窗是车身系统中最大的机电一体化总成件之一。固定式全景天窗具有大尺寸、广视野、低成本、高可靠性以及可提供舒适的头部空间等优点，近年来应用广泛，与可开启式全景天窗相同，为解决车内遮光与隔热问题，需同时搭载遮阳帘^[1-2]，随着车顶视野的不断增大，遮阳帘的开口尺寸也不断增大，并成为新的独立总成件，其布置形式、结构方案越来越丰富，技术难度也越来越高。

目前，国内对汽车电动天窗的机构运动、防夹与控制方面的研究较多^[3-5]，蒋菲等^[6]介绍了遮阳帘的硬挺整理工艺，提供了满足使用要求的帘布参数，李海帆等^[7]提出了遮阳帘的同步驱动技术，新的结构使遮阳帘的张力更稳定。但是，汽车电动遮阳帘方面的独立研究很少，尤其缺乏对遮阳帘的系统研究。

本文对汽车电动遮阳帘进行结构分析，建立电动遮阳帘的基本模型，对遮阳帘展开与收卷过程中的运动部件进行详细受力分析，得到遮阳帘在运动过程中的受力状态与遮阳帘位置的关系，从而建立遮阳帘的系统阻力与其开口尺寸的数学表达式，识别影响各部件受力的潜在因素。

2 遮阳帘结构及其工作原理

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2.1 遮阳帘的基本结构

遮阳帘的结构类型多样，但均采用口字型框架结构，主要由支撑框架、遮阳系统、驱动系统及控制系统组成。其中，支撑框架包括前梁、后梁、左/右导轨、软轴回管、软轴与滑块，遮阳系统包括卷轴、帘布、边条与拉杆，驱动系统与控制系统集成在电机总成上，如图1所示。

2.2 遮阳帘的工作原理

汽车电动遮阳帘总成典型结构如图2所示，边条与帘布Y向连接，一端连接滑块，一端连接卷轴，整体嵌入两侧导轨的边条槽内，帘布受Y向张力达到绷紧状态，如图3所示。在X方向，帘布一端连接拉杆，一端连接卷轴，在卷轴卷收力作用下，帘布X向受力达到绷紧状态，如图4所示。帘布周圈均受张力而均匀展开在支撑框架内，关闭状态时，拉杆处于m位置，对应软轴区间为a-b-c-d-e-m，打开状态时，拉杆处于n位置，对应软轴区间为g-d-e-n。

电机在Q处通过齿轮与软轴啮合，在控制系统的指令下运转，带动软轴在滑槽内线性移动，从而通过控制电机的转动来实现遮阳帘的开闭运动。根据遮阳帘的运行过程分析，汽车电动遮阳帘基本结构件及其约束类型如表1所示。

3 遮阳帘运行部件受力分析

收起

本文研究的电动遮阳帘结构见图2，相关参数如下：Y向开口为830 mm，X向行程为1 200 mm，帘布面密度为280 g/m²，最大出布角为30°，软轴转角曲率半径约为90 mm，转角圆弧处包角为90°，软轴长为1 880 mm，直径为4.7 mm，线密度为80 g/m，边条支撑角度α=arctan0.5，边条与帘布厚度相等且均为0.6 mm，摩擦因数统一取为0.2，卷轴杆外径为20 mm，卷轴弹簧实测刚度为0.06 N·mm/(°)，帘布初拉力为(15±5) N。基于以上参数与电动遮阳帘三维数据，并结合表1，对遮阳帘5个基本运动子件进行受力分析。

3.1 软轴受力分析

软轴是遮阳帘运动过程中的关键传动部件，受到多个复合力的作用。以单侧软轴为例，遮阳帘在运行过程中软轴受力可分解成滑槽摩擦力f_m、转角A处的软轴挤压带来的阻力f_A与转角B处的软轴自由端变形带来的阻力f_B。

软轴在导轨、导槽及回管内的运动方式等同于线缆在管道内的运行模型^[8]，如图5所示，其中V为软轴的运动方向，得到软轴直线段平衡方程为：

（1）$F+{\mu }_{1}dN+\rho dssin\theta =F+dF$

（2）$dN=\rho dscos\theta $

式中，θ为导轨与水平面夹角；μ₁为软轴与导轨的滑动摩擦因数；ρ为软轴的线密度；F为单位长度软轴所受初始张力；dN为单位长度软轴所受支撑力；ds为单位软轴的长度；dF为单位长度软轴的驱动力。

合并式（1）与式（2）求积可得：

（3）${F}_{2}-{F}_{1}=\rho \left({\mu }_{1}cos\theta +sin\theta \right)S$

式中，F₂为软轴驱动端受力；F₁为软轴从动端受力；S为软轴驱动端到从动端的长度。

由式（3）可知，软轴在滑槽内的移动与运动方向无关，与软轴长度线性相关。根据样件尺寸，求得软轴在滑槽内的摩擦力为：

（4）${f}_{m}=\rho \left({\mu }_{1}cos\theta +sin\theta \right)S$

经计算，f_m=0.3 N。

软轴在转角A处的运动受力如图6所示，忽略圆弧处软轴的质量，得到软轴全包角处的平衡方程为：

（5）$\left(F+dF\right)cos\frac{d{\alpha }_{A}}{2}-Fcos\frac{d{\alpha }_{A}}{2}-{\mu }_{2}dN=0$

（6）$dN-\left(F+dF\right)sin\frac{d{\alpha }_{A}}{2}-Fsin\frac{d{\alpha }_{A}}{2}=0$

式中，α_A为圆弧包角； μ₂为软轴与软轴槽的滑动摩擦因数。

由式（5）和式（6）可得：

（7）${F}_{2}={F}_{1}{e}^{{\mu }_{2}{\alpha }_{A}}$

由式（7）可知，软轴在转角A处所受阻力与软轴转弯半径无关，与所经过弯道的包角和软轴摩擦因数相关。根据样件结构及其尺寸参数，Q处软轴的啮合力F_Q等于遮阳帘系统阻力，可得软轴在转角A处的拉拽力f_A_L与推送阻力f_A_T分别为：

（8）${f}_{AL}={F}_{2}\left(1-{e}^{-{\mu }_{2}{\alpha }_{A}}\right)$

（9）${f}_{AT}={F}_{1}\left({e}^{{\mu }_{2}{\alpha }_{A}}-1\right)$

经计算，f_A_L=0.27F_Q，f_A_T=0.37F_Q。

软轴在转角B处的运动受力简图如图7所示，等效一端固定的圆柱悬臂梁末端受力产生变形的过程^[4]。圆弧包角α_B为变量，没圆弧中心半径为q，软轴末端受管壁正压力为F_B，软轴的圆柱形截面惯性矩I=πd⁴/64，软轴弹性模量E_Z=16.3 GPa，软轴末端导向头长度为10 mm，末端悬臂长度为L=q·sinα_B+10，软轴末端变形量为ω=-q(1-cosα_B)，且不计圆弧处软轴的质量，得到软轴末端的挠度方程为：

（10）$\omega =-\frac{{F}_{B}{L}^{3}}{3{E}_{Z}I}$

（11）${F}_{B}=\frac{3{E}_{Z}Iq}{4}\times \frac{si{n}^{2}\left(\frac{{\alpha }_{B}}{2}\right)}{{\left(qsin\frac{{\alpha }_{B}}{2}cos\frac{{\alpha }_{B}}{2}+5\right)}^{3}}$

由式（11）可知，软轴末端在圆弧内的受力的影响因素较多且关系较为复杂，与软轴运动方向无关，受转弯半径和弯道包角影响较大。根据样件结构及其尺寸参数，求得软轴转角B处的阻力f_B为：

（12）${f}_{B}={\mu }_{2}{F}_{B}$

3.2 滑块受力分析

滑块是遮阳帘运动过程中的关键连接部件，分别装配连接遮阳帘拉杆和遮阳帘边条，并通过一体注塑与软轴连接，在导轨内滑动，如图8所示。

为避免滑块在运行过程中产生振动异响，且考虑到生产装配工艺，滑块与导轨为局部过盈配合，通常其直线运行阻力f_h=(5±2) N。

3.3 帘布受力分析

帘布是遮阳帘总成中的主要部件，帘布展开遮阳时分别受到Y向张紧力T_Y与X向张紧力T_X。以下出布为例，没卷轴杆外径d₀=20 mm，单层帘布厚度t=1.2 mm，帘布X向受力如图9所示，帘布收卷圈数n、卷轴展开转角ϕ_n与帘布展开行程S_n的几何表达式分别为：

（13）$n=\frac{{d}_{n}-{d}_{1}}{2t}$

（14）${\varphi }_{n}=\frac{360\left({d}_{n}-{d}_{1}\right)}{2t}$

（15）${S}_{n}=\frac{\pi \left({d}_{n}+{d}_{1}\right)}{2}\times \frac{\left({d}_{n}-{d}_{1}\right)}{2t}$

式中，d₁为预卷2圈后外径；d_n为卷绕n圈时外径。

卷轴帘布出布角α_n=β₀+β_n，其中β₀与卷轴布置相关，角度表达式为：

（16）$sin{\beta }_{n}=\frac{{d}_{1}+2nt}{2{L}_{0}}$

（17）${\alpha }_{n}={\beta }_{0}+arcsin\frac{{d}_{1}+2nt}{2{L}_{0}}$

式中，β₀为卷轴布置角，取值为19°；β_n为收卷n圈后的帘布切角；L₀为帘布出布点到卷轴中心的距离，取值为95 mm。

帘布运行时，切点O动态变化，以O点为原点建立直角坐标系，忽略帘布变形，得到帘布向运动方受力平衡方程为：

（18）${f}_{ON}+{T}_{1}cos{\theta }_{1}-{T}_{2}cos{\theta }_{2}=0$

（19）${T}_{1}sin{\theta }_{1}+{T}_{2}sin{\theta }_{2}={T}_{ON}$

（20）${f}_{ON}={\mu }_{3}{T}_{ON}$

（21）${\theta }_{1}={\theta }_{2}$

式中，T₁为帘布出布张力；T₂为帘布展开时的X向张力；θ₁为坐标系下出布张力夹角；θ₂为坐标系下X向张力夹角；f_ON为帘布受到导布横梁的摩擦力；μ₃为帘布与导布横梁的摩擦因数；T_ON为帘布受到导布横梁的正压力。

由式（18）~式（21）可得：

（22）$\frac{{T}_{2}}{{T}_{1}}=\frac{1+{\mu }_{3}tan\frac{{\alpha }_{n}}{2}}{1-{\mu }_{3}tan\frac{{\alpha }_{n}}{2}}$

忽略出布角变化的影响，经计算，T_X=1.11 T₁。

由于帘布介于两侧边条之间，取导轨在X向的剖面，帘布的Y向张紧等效悬链曲线模型^[9]，受力模型如图10所示。其中，M、N分别为边条两侧固定点，O_y为帘布的最低点，P为圆弧MN上的任意一点，λ为Y向帘布单位长度的质量，l为帘布弧O_yP的长度。以O_y为原点建立直角坐标系，静止状态的平衡方程为：

（23）${T}_{P}sin{\theta }_{P}=\lambda gl$

（24）${T}_{P}cos{\theta }_{P}={T}_{O}$

（25）$tan{\theta }_{P}=\frac{\lambda gl}{{T}_{O}}$

式中，T_P为P处帘布张力；θ_P为P处帘布张力的水平切角；T_O为最低点O_y处水平张力。

由于遮阳帘两侧导轨水平布置，帘布最低点O_y距左侧边条固定点M的竖直高度y_M与帘布最低点O_y距右侧边条固定点N的竖直高度y_N相等且为该截面上帘布的最大下垂量，由式（23）~式（25）可得：

（26）$L=\frac{{{D}_{y}}^{2}}{4{y}_{N}}sinh\frac{4{y}_{N}}{{D}_{y}}$

（27）${\theta }_{N}=arctan\frac{4L{y}_{N}}{{{D}_{y}}^{2}}$

（28）${T}_{N}=\frac{\lambda g{{D}_{y}}^{2}}{8{y}_{N}}cosh\frac{{y}_{N}}{{D}_{y}}$

式中，L为帘布圆弧MN的长度；D_y为边条固定点M与N的水平距离；θ_N为N处帘布张力的水平切角；T_N为N处帘布张力。

由式（28）可知，帘布Y向张力受导轨跨距、帘布面密度以及帘布下垂量影响。为保证帘布运行平稳且运行过程中帘布整体处于张紧状态，不能忽略帘布弹性变形，一般通过调整帘布宽幅尺寸Δl来调整Y向的预紧力。根据样件结构及其尺寸参数，等效下垂量y_N=18 mm，帘布横向弹性系数为0.05 N/mm，得到帘布Y向张力T_Y为：

（29）${T}_{Y}=\left({T}_{N}+0.05\right)S$

3.4 边条受力分析

遮阳帘边条在导轨处主要受到垂直运动方向的正压力与平行运动方向的摩擦力，如图11所示。其中，N_B为作用在边条上的正压力，T_B为帘布对边条的拉力，T_B=T_Y，${\theta }_{B}$为帘布跨点处角度，${\alpha }_{B}$为边条支撑角度，F_Z为导轨对边条的正压力，N_Z为导轨对帘布的正压力。

得到遮阳帘边条Y方向平衡方程为：

（30）${N}_{B}cos{\alpha }_{B}={T}_{B}cos{\theta }_{B}$

（31）${F}_{Z}={N}_{B}sin{\alpha }_{B}$

（32）${N}_{Z}={T}_{B}sin{\theta }_{B}$

由式（30）~式（32）可得单侧边条在导轨上的阻力f_B：

（33）${f}_{B}={\int }_{0}^{S}{\mu }_{B}\left({N}_{B}+{N}_{Z}+{F}_{Z}\right)dx$

式中，${\mu }_{B}$为边条与导轨的摩擦因数；dx为帘布运行距离；S为帘布运行行程。

边条在后梁上的受力主要作用在导向块位置，如图12所示。导向块位置与帘布出布点在Y向基本处于同一位置，由于X向受力主要作用在边条上，摩擦因数一致时，帘布与边条在后梁处的摩擦阻力f_HL等效于帘布在导布横梁处受到的摩擦力f_ON与边条在导轨上的阻力f_B之和，由式（19）~式（21）可得：

（34）${f}_{HL}={f}_{B}+\frac{2{\mu }_{3}{T}_{1}sin\frac{{\alpha }_{n}}{2}}{1-{\mu }_{3}tan\frac{{\alpha }_{n}}{2}}$

根据样件结构及其尺寸参数，忽略出布角变化的影响，得到边条在两侧导轨上的总阻力f_BZ=2f_B。经计算，${f}_{BZ}=65.56{S}^{2}\times {10}^{-7}$，f_HL=0.074n。

3.5 卷轴扭矩模型

遮阳帘回退时，帘布主要通过卷轴扭转力回收，其结构如图13所示，其关键部件为回收弹簧，为螺旋扭转弹簧，受力如图14所示。

扭转弹簧按受弯矩的曲梁计算^[10-11]，其扭转角$\varphi $以及弹簧的扭转刚度k的数学表达式分别为：

（35）$\varphi =\frac{3 667M{n}_{1}D}{E{d}^{4}}$

（36）$k=\frac{E{d}^{4}}{3 667{n}_{1}D}$

式中，d为簧丝直径；M为扭转弹簧弯矩；D为扭转弹簧中径；n₁为扭转弹簧有效圈数；E为簧丝弹性模量。

由式（13）、式（14）得：

（37）${T}_{1}=\frac{{F}_{0}{d}_{2}+720kn}{{d}_{n}-2nt}$

式中，F₀为卷轴初始拉力。

由式（37）可知，卷轴扭矩受弹簧丝直径、弹簧中径、有效卷绕圈数及扭转角度影响。对于受动负荷弹簧，应进行疲劳强度校核^[12]，以满足遮阳帘1.0×10⁴~1.5×10⁴次的操作耐久要求。根据样件结构与尺寸及卷轴弹簧扭转刚度，求得卷轴转动时对横梁的摩擦阻力为：

（38）${f}_{Z}={\mu }_{Z}{T}_{1}$

4 遮阳帘系统阻力分析

收起

根据本文提出的遮阳帘结构，以车前方向为正方向，啮合点Q处为系统阻力基准点，遮阳帘打开状态为运行起始点，以软轴末端为运动行程参照，设R为与运行方向无关的各分阻力总和，得到遮阳帘打开与关闭时的系统阻力表达式分别为：

（39）$R=2{f}_{m}+2{f}_{h}+2{f}_{B}+{f}_{HL}+{f}_{Z}$

（40）${f}_{off}=\left\{\begin{array}{l}R+2{f}_{AL}+{T}_{X} \left(g\to c\right)\\ R+2{f}_{AL}+{T}_{X}+2{f}_{B} \left(c\to b\right)\\ R+2{f}_{AL}+{T}_{X}+2{f}_{AT} \left(b\to a\right)\end{array}\right.$

（41）${f}_{open}=\left\{\begin{array}{l}R+2{f}_{AT}-{T}_{1}+2{f}_{AL} \left(a\to b\right)\\ R+2{f}_{AT}-{T}_{1}+2{f}_{B} \left(b\to c\right)\\ R+2{f}_{AT}-{T}_{1} (c\to g)\end{array}\right.$

式中，f_off为遮阳帘关闭时的系统阻力；f_open为遮阳帘打开时的系统阻力。

根据式（40）和式（41），分别对a、b、B、c、g位置进行采点计算，实测a与b的距离为600 mm，B与b、B与c的距离相等，为100 mm，c与g的距离为400 mm，同时对样件相应位置进行阻力实测，得到遮阳帘系统运行阻力曲线，如图15所示，实测系统阻力与计算结果在变化趋势上有很好的一致性。

5 结束语

收起

本文对汽车电动遮阳帘的运行过程及其受力状态进行了系统分析，并建立了遮阳帘的系统阻力与其开口行程的数学表达式，结果表明：遮阳帘系统阻力受力状态复杂，影响因素繁多，主要为遮阳帘开口尺寸、软轴曲率半径、转角数量与圆弧包角、帘布面密度、伸缩率及帘布下垂量、摩擦因数、卷轴初拉力/末拉力等，其中卷轴内弹簧卷收力影响最大，各运动部件之间的匹配关系及帘布属性影响最敏感，即遮阳帘系统阻力主要由卷收方式及卷收力决定，遮阳帘系统阻力的稳定性主要由运动部件几何关系决定。

参考文献

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文献

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2023年第卷第10期

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224

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首发时间：2025-11-25
出版时间：2023-10-15

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修回日期：2023-05-22

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

电动遮阳帘			运动零件
			软轴总成		帘布总成
			软轴	滑块	卷轴	帘布	边条	拉杆
固定零件	驱动电机		啮合		联动
	横梁	前横梁		止挡
	横梁	后横梁	滑动	止挡	滑动	滑动	滑动
	导轨	左导轨	滑动	滑动		滑动	滑动
		右导轨	滑动	滑动		滑动	滑动
		回管	滑动