一种具有过载保护功能的汽车天窗的制作方法

本实用新型属于汽车天窗技术领域， 尤其涉及一种具有过载保护功能的汽车天窗。

背景技术：

天窗在汽车中普遍存在，不仅增强了汽车整体结构的美观性，还提高了驾驶者及乘客的乘车舒适性。不具备防夹功能的汽车天窗系统在关闭过程中，易夹伤乘客，成为严重的安全隐患。2013年10月26日媒体报道，四川江油市某3岁女童因被汽车天窗夹住而窒息身亡；同年10月9日，河南安阳也发生某11岁女童被汽车天窗夹伤的事例。现阶段，汽车天窗防夹技术多采用霍尔感应传感器、压敏传感器及对应的控制电路等实现。实用新型专利CN 103929101A公开了一种天窗防夹功能的实现方法，该方法通过单片机撷取安装在天窗电机转子附近线圈上的霍尔感应器输出信号判断电机是否需要反转，以此释放被夹障碍物，实现汽车天窗的防夹功能。实用新型专利CN 101983873A公开了一种天窗防夹系统及其控制方法，包括车身控制模块、天窗防夹模块和LIN 总线，所述部件构成LIN 网络并从整车CAN 总线接收远程信息，判别处理后向天窗防夹模块发送信号，实现汽车天窗的防夹功能。实用新型专利ZL 200910154603.6授权了一种电动天窗防夹电路，包括微控制器、电机驱动电路、LIN 驱动电路、信号采样电路、电源电路、位置传感电路、按键电路、状态指示电路、调试接口电路和数据存储电路等，能够高精度、低误差、低成本的实现汽车天窗防夹功能。实用新型CN 204184175 U公开了一种用于车辆的天窗防夹组件，主要部件包括压敏传感器和驱动装置，依靠压敏传感器采集的压力信号控制驱动装置的启动和停止，可有效避免防夹功能失效现象的发生。实用新型CN 202596406 U公开了一种汽车天窗防夹装置，主要部件包括阻力检测模块、执行电机、核心处理单元、通讯模块和上下限位模块等，可有效检测汽车天窗是否遇到障碍物，实现防夹功能。上述实用新型专利和实用新型涉及的汽车天窗防夹技术与装置，均依靠电子元器件及其控制电路实现，虽能使汽车天窗产生防夹功能，但由于电子元器件易在高温、严寒等苛刻条件影响下失效，导致防夹功能不稳定或完全丧失。

基于目前汽车天窗防夹技术或装置存在功效不稳定、防夹功能可能丧失等问题，实用新型专利ZL 201610821921.3 公开了一种具有防夹功能的汽车天窗，实现防夹功能的核心部件是棘轮轴及其保护棘轮轴的外壳，棘轮轴和外壳之间自由转动；在棘轮轴的中部套设有上棘轮和下棘轮，上棘轮和下棘轮之间相互啮合，下棘轮随外壳转动，上棘轮随棘轮轴转动，在上棘轮与棘轮轴的轴肩之间传递载荷的压缩弹簧；天窗在关闭过程中遇障碍物的阻碍作用时，上棘轮和下棘轮会脱齿而中止动力传递，从而实现防夹功能。该汽车天窗防夹结构采用机械部件实现，不涉及电子元器件及其控制电路，因此具有稳定性高、使用寿命长等优点。但是，发挥防夹功能的棘轮主要包括上棘轮、下棘轮、压缩弹簧、棘轮轴、外壳等，组件较为繁琐，导致制造工艺复杂，一定程度上提高了汽车天窗的制造成本。因此，有必要研制一种具有过载保护装置的汽车天窗，其实现防夹功能的核心部件是机械式结构，还要具有结构组件简单、制备工艺不复杂等特点。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种具有过载保护功能的汽车天窗, 采用机械结构作为核心部件，实现稳定性、持久性的防夹功能，并且机械结构组件具有结构简单、制备工艺不复杂等优点。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种具有过载保护功能的汽车天窗，包括与汽车顶部配合的U型支撑框架，U型支撑框架上设有玻璃支架、驱动玻璃支架平动的驱动装置以及电机，其特征在于在所述电机和驱动装置之间设有过载保护装置机械组件,所述过载保护装置机械组件包括下齿爪、上齿爪、阶梯轴、压缩弹簧、传动齿轮、下轴承及轴承座和上轴承及轴承座, 其中下齿爪与电机键连接，上齿爪套入阶梯轴一端，上齿爪与下齿爪之间曲面贴合，阶梯轴的另一端依次穿过压缩弹簧、下轴承及轴承座、传动齿轮和上轴承及轴承座，压缩弹簧位于上齿爪和下轴承及轴承座之间，且始终处于压缩状态，产生压迫上齿爪的弹性力，使上齿爪与下齿爪紧密接触，下轴承及轴承座、上轴承及轴承座固定于U型支撑框架上，传动齿轮通过驱动装置与玻璃支架连接。

对上述方案作进一步限定，形成新的技术方案：所述下齿爪与上齿爪的贴合面为具有起伏高度的曲面，该贴合面具有耐磨特性。

对上述方案作进一步限定，形成新的技术方案：所述下齿爪与上齿爪主体为圆柱形结构，其中下齿爪一端面中部为线性凸起，上齿爪一端面中部为线性凹陷，凸起与凹陷部分无缝对接，相互啮合；下齿爪与上齿爪中心处分别设有下齿爪轴孔和上齿爪轴孔，其中下齿爪轴孔与电机上的电机减速器配合，上齿爪轴孔与阶梯轴一端配合。

对上述方案作进一步限定，形成新的技术方案：所述驱动装置为两套，对称设置于U型支撑框架的两个自由段上，两套驱动装置均于玻璃支架连接。

对上述方案作进一步限定，形成新的技术方案：所述驱动装置包括软轴、限位托架和导轨，导轨固定于所述U型支撑框架的自由端，导轨上设置前端滑块和中间滑块，软轴一端与所述传动齿轮啮合，软轴另一端与前端滑块连接，前端滑块可沿导轨滑动，中间滑块固定于导轨上，限位托架一端与前端滑块铰接，限位托架的中部支撑于中间滑块上，限位托架的另一端通过连杆与限位托块连接，限位托块固定于导轨上，连杆绕限位托块旋转，限位托架上固定玻璃支架。

对上述方案作进一步限定，形成新的技术方案：所述的软轴设于软轴导管内，软轴导管布置在U型支撑框架上。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型提供一种具有过载保护功能的汽车天窗，可有效避免汽车天窗在关闭过程中夹伤乘客事故的出现。由于实现过载保护功能的核心部件是下齿爪、上齿爪、压缩弹簧、阶梯轴等机械结构组件，相对于现阶段依靠电子元器件及相应控制电路的汽车天窗防夹技术，本实用新型提供的一种具有过载保护功能的汽车天窗具有功效稳定性和持久性，并具有结构简单、生产制备成本低等优点。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型中过载保护装置与电机减速器配合的结构示意图；

图3是本实用新型中过载保护装置的结构示意图；

图4是本实用新型中下齿爪的结构示意图；

图5是本实用新型中上齿爪的结构示意图；

图6是本实用新型中汽车天窗执行机构的结构示意图；

其中：1、U型支撑框架；2、电机；2-1、L型电机固定板；2-2、电机减速器；2-3、电机减速器输出轴； 3、过载保护装置机械组件；3-1、下齿爪；3-1-1、下齿爪轴孔；3-1-2、下齿爪摩擦面；3-2、上齿爪；3-2-1、上齿爪轴孔；3-2-2、上齿爪摩擦面；3-3、阶梯轴；3-4、压缩弹簧；3-5、传动齿轮；3-6、下轴承及轴承座；3-7、上轴承及轴承座；4、软轴；5、软轴导管；6、导轨；7、前端滑块；8、中间滑块；9、限位托块；10、限位托架；11、连杆；12、玻璃支架；13、支撑板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

以下实施例用于说明本实用新型，但绝非用于限制本实用新型的范围。

如图1和图2所示，一种具有过载保护功能的汽车天窗，包括与汽车顶部配合的U型支撑框架1，为汽车天窗开闭提供动力的电机2通过L型电机固定板2-1安装在U型支撑框架1上，电机2的输出端设有电机减速器2-2，电机减速器2-2的电机减速器输出轴2-3与过载保护装置机械组件3的下齿爪3-1固定连接；U型支撑框架1上设有导轨6、限位托架10、玻璃支架12，为防止U型支撑框架1在服役过程中产生变形，其末端设有支撑板13。

如图1和图2所示，实现汽车天窗过载保护功能的过载保护装置机械组件3，位于电机减速器输出轴2-3与软轴4之间，在汽车天窗的关闭过程中发挥过载保护功能，即天窗玻璃遇到障碍物阻挡时，能够有效切断电机减速器输出轴2-3输出动力的传导，从而避免夹伤乘客事故的发生。

如图2和图3所示，过载保护装置机械组件3包括下齿爪3-1、上齿爪3-2、阶梯轴3-3、压缩弹簧3-4、传动齿轮3-5、下轴承及轴承座3-6、上轴承及轴承座3-7。下齿爪3-1通过下齿爪轴孔3-1-1与电机减速器输出轴2-3键连接，上齿爪3-2的上齿爪轴孔3-2-1套入阶梯轴3-3；压缩弹簧3-4套入阶梯轴3-3，位于上齿爪3-2和下轴承及轴承座3-6之间，始终处于压缩状态，产生压迫上齿爪3-2的弹性力，使上齿爪3-2的上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪3-1的下齿爪摩擦面3-1-2紧密接触；在汽车天窗正常开启或闭合过程中，上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪摩擦面3-1-2之间具有相对运动趋势，以此产生用于电机2动力传输的静摩擦力；当汽车天窗关闭过程中遭遇障碍物时，摩擦面3-2-2与摩擦面3-1-2之间产生周期性滑动，以此切断电机2动力的传输，中断汽车天窗的关闭，达到过载保护的作用。传动齿轮3-5位于阶梯轴3-3上，与软轴4啮合，实现电机2动力的传输。设置下轴承及轴承座3-6与上轴承及轴承座3-7用于固定阶梯轴3-3，下轴承及轴承座3-6与上轴承及轴承座3-7通过螺栓安装到U型支撑框架1上。

如图4和图5所示，下齿爪3-1的下齿爪摩擦面3-1-2、上齿爪3-2的上齿爪摩擦面3-2-2并非平面，而是具有特定起伏高度的曲面，这取决于汽车天窗关闭过程中触发过载保护的阻力大小、压缩弹簧的弹性系数、下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2间的摩擦系数。此外，下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2应该具有相对较大的摩擦系数，还应具有较强的耐磨特性。汽车天窗关闭过程中，天窗玻璃遭遇障碍物时，不能继续向前移动，传动齿轮3-5、阶梯轴3-3、上齿爪3-2等机械部件感受到障碍物传导的阻力；但下齿爪3-1继续传导电机1的输出动力，因此导致下齿爪3-1的下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪3-2的上齿爪摩擦面3-2-2的相对滑动，并导致压缩弹簧3-4的压缩，压缩弹簧3-4的最大压缩行程等于下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2的起伏高度；压缩弹簧3-4压缩产生弹性力会阻碍下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2的相对滑动，当压缩弹簧3-4达到最大压缩行程时产生的弹性力小于障碍物传导的阻力时，下齿爪3-1的下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪3-2的上齿爪摩擦面3-2-2会产生周期性相对滑动，即脱开空转，实现电机1输出动力的中断，达到过载保护的目的。

如图2、图3、图4、图5和图6所示，汽车天窗开启/关闭过程中，电机2转动，经电机减速器2-2减速，输出功率由电机减速器输出轴2-3传导给过载保护装置机械组件3的下齿爪3-1，下齿爪3-1的下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪3-2的上齿爪摩擦面3-2-2紧密啮合，压缩弹簧3-4的弹性力充当下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2的法向压力，产生静摩擦力；适当调整压缩弹簧3-4的压缩行程，可使下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2之间的静摩擦力大于汽车天窗开启过程中的阻力。静摩擦力的存在，能够确保输出功率传导至传动齿轮3-5，动齿轮3-5与固定在软轴导管5中的软轴4啮合，软轴4与位于导轨6中的前端滑块7固定连接，可实现输出功率的有效传输；前端滑块7与限位托架10的前端固定连接，共同沿着导轨6平移；位于导轨6中的中间滑块8与限位托架10固定连接，中间滑块8不能移动，只发挥托举限位托架10的功能；限位托架10的末端通过连杆11与限位托块9连接，限位托块9不能在导轨6中移动，连杆11绕限位托块9旋转，在汽车天窗开启过程中带动限位托架10向上向前移动，在汽车天窗关闭过程中带动限位托架10向下向后移动；玻璃支架12为汽车天窗玻璃提供安装载体，通过螺栓与限位托架10固定连接，与限位托架10保持同步同向移动，以此实现汽车天窗的开启与闭合。

汽车天窗关闭过程中，若遇到幼童、杂物等障碍物时，则会受到阻力作用，该阻力以此通过玻璃支架12、限位托架10、前端滑块7、软轴4等机械部件传导给过载保护装置机械组件3的传动齿轮3-5。因为传动齿轮3-5通过花键固定安装于阶梯轴3-3上，而上齿爪3-2仅是套入阶梯轴3-3上，能够沿着阶梯轴3-3在一定范围内移动；压缩弹簧3-4的弹性力使上齿爪3-2的上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪3-1的下齿爪摩擦面3-1-2紧密啮合并产生静摩擦力，当因障碍物产生的阻力大于该静摩擦力时，上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪摩擦面3-1-2产生滑动；上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪摩擦面3-1-2均为具有特定高度的曲面，因此滑动现象的出现会导致压缩弹簧3-4的再次压缩，进而产生弹性力，当上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪摩擦面3-1-2出现最大高度时，压缩弹簧3-4因再次压缩产生的弹性力达到最大值；压缩弹簧3-4因再次压缩产生的弹性力必然导致上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪摩擦面3-1-2之间摩擦力的增大，若因障碍物产生的阻力大于该摩擦力时，上齿爪摩擦面3-2-2与摩擦面下齿爪3-1-2之间会出现周期性的滑动。因此，造成上齿爪3-2与下齿爪3-1之间的脱啮合，导致电机1产生动力传输途径的切断，可有效避免因天窗玻璃继续关闭而造成对幼童、障碍物的夹伤，实现汽车天窗的过载保护作用。

下面以具体实验为例，来说明本实用新型的实用性及效果。

在该实施例中，汽车天窗的总长630 mm，总宽830 mm，天窗玻璃的总长530 mm，总宽820 mm；加上用于固定安装天窗玻璃的导轨6、前端滑块7、中间滑块8、限位托块9、限位托架10、连杆11、玻璃12、支架等机械机构，总重量为12 Kg，这部分机械机构在汽车天窗开启/闭合过程中产生的摩擦阻力为18N；汽车高速行驶（80 km/h以上）时，因风阻产生的阻力为10N。因此，汽车天窗在开启/闭合过程中总的阻力为28N。

选择铸铁为下齿爪3-1的材料，45钢为上齿爪的材料，下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2的表面粗糙度均设置为Ra=12.5 µm，下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2间摩擦因数为0.3。

汽车天窗在开启/闭合过程中总的阻力28N，需要下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2提供的静摩擦力应稍大于28N，因此压缩弹簧3-4提供的弹性力应为28N/0.3=93N。假定汽车天窗关闭过程中，遭遇幼童、杂物等障碍物产生的最大阻力为21N，即阻力超过21N时下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2脱啮合，汽车天窗的过载保护装置机械组件3发挥作用。此时，下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2因阻力21N增加的摩擦力为21N，则计算获知压缩弹簧3-4增加的弹性力为21N/0.3=70N, 设置下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2的最大相对曲面高度为10 mm，则因障碍物阻力导致压缩弹簧3-4再次压缩的最大行程为10 mm, 因此压缩弹簧3-4的弹性系数应为70N /10 mm =7.0 N/mm。根据弹性系数及相应国家标准，选择压缩弹簧3-4的材料为碳素弹簧钢。汽车天窗在开启/闭合过程中总的阻力28N，故下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2提供的静摩擦力应为28N，压缩弹簧3-4提供的弹性力应为93N，结合压缩弹簧3-4的弹性系数应7.0 N/mm，则汽车天窗正常开启/闭合时需要压缩弹簧3-4的压缩行程为应稍大于93N /7.0 N/mm =13.3 mm。

汽车天窗正常开启/闭合过程中，电机2转动，经电机减速器2-2减速，输出功率由电机减速器输出轴2-3传导给过载保护装置机械组件3的下齿爪3-1，下齿爪3-1的下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪3-2的上齿爪摩擦面3-2-2紧密啮合；压缩弹簧3-4的预设压缩行程是19 mm，所提供的最大弹性力是95N，故下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2之间的最大静摩擦力可达95N *0.3=28.5N，大于汽车天窗开启/闭合过程中的总阻力28N。

汽车天窗关闭过程中遭遇障碍物时，受到阻力作用，假定该阻力为21N。该阻力以此通过玻璃支架12、限位托架10、前端滑块7、软轴4等机械部件传导给过载保护装置机械组件3的传动齿轮3-5，在压缩弹簧3-4的弹性力作用下，最终传递到上齿爪3-2上，并表现为上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪摩擦面3-1-2之间的摩擦力。由下齿爪摩擦面3-1-2与上齿爪摩擦面3-2-2之间的摩擦系数0.3，计算获取弹簧需提供的弹性力为21N/0.3=70N;因此压缩弹簧3-4增加的压缩行程为70N /7.0 N/mm=10 mm；当障碍物产生的阻力大于21N时，压缩弹簧3-4据此增加的压缩行程应大于10 mm，而该压缩行程不应该大于上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪摩擦面3-1-2之间的曲面高度，本实用新型中设定的是10 mm，因此会使上齿爪摩擦面3-2-2与下齿爪摩擦面3-1-2产生周期性滑动现象，并造成上齿爪3-2与下齿爪3-1之间的脱啮合，导致电机1输出功率传输途径的切断，可有效避免因天窗玻璃继续关闭而造成对幼童、障碍物的夹伤，实现汽车天窗的过载保护作用。