汽車正向開發(fā)中車門玻璃曲面的設(shè)計(jì)與校核

顧君

(上汽大眾汽車有限公司，上海 201805)

0 引言

車門玻璃曲面作為汽車側(cè)面造型的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對整車造型風(fēng)格具有極大的影響。因此，整車側(cè)風(fēng)窗玻璃曲面的確定是造型設(shè)計(jì)順利開展的首要條件，也是后續(xù)車門系統(tǒng)方案開發(fā)的重要輸入，必須從項(xiàng)目開始時(shí)就進(jìn)行系統(tǒng)考慮。

1 玻璃曲面設(shè)計(jì)原則

基于車門玻璃曲面對于造型及車門系統(tǒng)開發(fā)的重要性，在全新車型的正向開發(fā)流程中，總布置工程師需在項(xiàng)目最初期即對造型數(shù)據(jù)中的玻璃曲面進(jìn)行技術(shù)可行性評價(jià)及曲面擬合。通常，初版造型數(shù)據(jù)中的玻璃曲面都無法滿足工程需求，當(dāng)偏離量太大時(shí)，會導(dǎo)致按技術(shù)要求調(diào)整后的玻璃曲面無法匹配當(dāng)前造型，需要重新進(jìn)行整車側(cè)面造型的設(shè)計(jì)。在這種情況下，為避免進(jìn)入嵌套式循環(huán)，車門玻璃曲面應(yīng)由總布置工程師擬合并初步校核之后，提出調(diào)整方案且與造型師達(dá)成一致，作為后續(xù)造型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，從而避免車門玻璃面以及側(cè)面造型的重復(fù)校核及調(diào)整，影響開發(fā)效率。

一般而言，車門玻璃曲面向車身中心的傾斜角度和曲率主要取決于車身外形的需要，并且影響車門厚度、車身內(nèi)部寬度(如乘客的頭部空間、肩部空間等)和乘客的進(jìn)出方便性等。因此設(shè)計(jì)時(shí)須考慮以下因素：

(1)玻璃曲面位置應(yīng)能保證乘客有足夠的頭部、肩部、肘部以及臀部使用空間；

(2)玻璃在靜態(tài)位置以及下降過程中的任意位置必須與周邊零件留有足夠的間隙；

(3)玻璃曲面的透光高度應(yīng)滿足前后玻璃升降要求。

2 玻璃曲面擬合方式

當(dāng)今汽車消費(fèi)群體對于造型的美學(xué)要求越來越高，汽車側(cè)風(fēng)窗玻璃也逐步從之前的單曲率曲面過渡為雙曲率曲面，以滿足造型師對側(cè)面造型要求較高的愿望。常見的雙曲率曲面有圓環(huán)玻璃曲面、桶形玻璃曲面、螺旋玻璃曲面等。其中桶形玻璃曲面和螺旋玻璃曲面兩種形式，由于其造型在三維方向上的高自由度而受到青睞。

2.1 桶形玻璃曲面

桶形玻璃曲面是早些年普遍采用的側(cè)風(fēng)窗玻璃替代面，如圖1所示。雙曲率玻璃曲面在垂直于軸線的方向?yàn)閳A弧線，曲率保持一致，而垂直于軸線的不同截面半徑卻是變化的，各截面玻璃曲線是一組同心圓弧，沿軸線方向車身中部的曲率較大，越靠車頭或車尾區(qū)域，按照造型需要，玻璃曲面越呈現(xiàn)收窄的趨勢。因此也可以將此桶形面理解為：由圓柱面的母線按造型趨勢向車輛側(cè)面彎曲一定弧度后繞軸旋轉(zhuǎn)得來的回轉(zhuǎn)二次曲面。常用的玻璃曲率半徑在1 000～2 000 mm，并要求前后邊界差值不能過大。

圖1 桶形玻璃曲面示意

桶形玻璃曲面在形面設(shè)計(jì)及擬合上雖然較為簡單，但在玻璃實(shí)際升降過程中卻存在一定缺陷。一方面，由于B柱飾板的造型決定了車窗門框呈向后傾斜的姿態(tài)，為使得玻璃切邊能沿車窗導(dǎo)槽正常運(yùn)動，車門玻璃的升降除了包含繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動外，還伴隨前后方向的運(yùn)動，因此實(shí)際運(yùn)動過程更接近類似螺旋線的運(yùn)動方式(繞軸旋轉(zhuǎn)和軸線平移的合成)，桶形玻璃曲面?zhèn)却安Ａн\(yùn)動模擬如圖2所示。另一方面，桶形面曲率卻沿軸向不斷變化，所以導(dǎo)致玻璃曲面在下降過程中無法完全貼合桶形玻璃曲面，即車門玻璃下降過程中與窗框?qū)Р鄣拈g隙存在不均勻性。由此產(chǎn)生的偏差，必須借助窗框橡膠密封導(dǎo)槽的變形才能得以補(bǔ)償，這也會造成玻璃升降過程中導(dǎo)槽中的摩擦阻力較大，影響升降平順性，并且升降過程中存在噪聲，影響使用體驗(yàn)。

圖2 桶形玻璃曲面?zhèn)却安Ａн\(yùn)動模擬

2.2 螺旋玻璃曲面

由第2.1節(jié)可知，桶形玻璃曲面的運(yùn)動誤差是因螺旋線的運(yùn)動方式和桶形面曲率沿軸線的變化不一致產(chǎn)生的。為了解決桶形玻璃曲面在運(yùn)動模擬和面差校核中存在的問題，可以在擬合車門玻璃面的初期，就將擬合曲面的基礎(chǔ)由桶形面升級為螺旋面，從而使玻璃面的等曲率方向調(diào)整為與玻璃升降運(yùn)動方向盡可能一致。螺旋玻璃曲面示意如圖3所示，它是由螺旋面的母線在軸線方向繞螺旋引導(dǎo)線掃掠而成的。

圖3 螺旋玻璃曲面示意

螺旋玻璃曲面的應(yīng)用減小了玻璃運(yùn)動模擬中與玻璃大面的偏差，在運(yùn)動過程中可以較好地保持與周邊環(huán)境的相對關(guān)系，既減少了玻璃升降過程中的波動，又減小了窗框橡膠密封導(dǎo)槽中的摩擦阻力，使得玻璃升降運(yùn)動更為流暢，如圖4所示。

圖4 螺旋玻璃曲面?zhèn)却安Ａн\(yùn)動模擬

需要注意的是，螺旋線的螺距參數(shù)取決于B柱飾板的傾斜角度。一旦B柱飾板的傾斜角度發(fā)生了更改，就需要重新調(diào)整玻璃等曲率方向，重新擬合玻璃面，保證玻璃等曲率方向與玻璃切邊的一致性。

綜上分析，桶形面由于其擬合方法較為簡單，現(xiàn)今一般用于初版造型玻璃曲面的雙曲率快速擬合及初步校核工作。當(dāng)造型玻璃曲面及B柱傾斜角度確定后，需將其重新擬合成螺旋曲面，以優(yōu)化玻璃升降的平順性。

3 造型玻璃曲面校核

滿足工程需求的車門玻璃曲面，應(yīng)滿足人機(jī)工程學(xué)、空間距離和玻璃透光等各方面的要求。在前期設(shè)計(jì)階段，由于結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的缺乏，需利用二維截面設(shè)計(jì)與三維Dummy數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行系統(tǒng)性的全面分析。在存在較大偏差的情況下，必須綜合各方面因素提出玻璃曲面修改要求并擬合玻璃曲面，反饋造型。如果該玻璃曲面與造型原始玻璃曲面偏差較大，應(yīng)要求造型師根據(jù)玻璃曲面建議重新匹配側(cè)面造型。

3.1 人機(jī)工程校核

從造型處得到初步的玻璃造型面之后，可直接開展人機(jī)工程校核。首先需要在關(guān)鍵位置制作截面，初步考察玻璃面是否能滿足人機(jī)工程設(shè)定的目標(biāo)值。

(1)頭部空間(前排)(后排)

分別通過前后排SAE 95%男性人體模型的頭部包絡(luò)中心線做截面。以前排為例，如圖5所示，需要以造型給出的門框頂部區(qū)域玻璃面位置及車門頂部門縫位置為基礎(chǔ)，構(gòu)造車身鈑金系統(tǒng)以及車頂內(nèi)飾截面，由此獲得95%男性頭部沿與側(cè)向夾角30°方向上的活動空間值。如果頭部空間和人機(jī)工程學(xué)制定的目標(biāo)偏差較大，則需要相應(yīng)調(diào)整玻璃面上部點(diǎn)在向的位置。

圖5 頭部空間校核截面

(2)肩部空間；肘部空間；臀部空間

通過前、后排點(diǎn)做截面。以前排為例，如圖6所示，需要以造型給出的玻璃面以及窗沿線位置為基礎(chǔ)，構(gòu)造車門鈑金系統(tǒng)以及車門內(nèi)飾截面，由此獲得橫向肩部()、肘部()及臀部()的空間值。如果內(nèi)部空間值和人機(jī)工程學(xué)制定的目標(biāo)偏差較大，則需要相應(yīng)調(diào)整窗沿線區(qū)域玻璃點(diǎn)在向的位置。

圖6 肩部、肘部、臀部空間校核截面

3.2 升降空間要求

除了滿足人機(jī)工程學(xué)要求之外，玻璃面位置還須使得玻璃能夠按功能要求正常升降，并且按造型特征，切邊之后的車門玻璃在升降過程中任意位置與周邊零件不發(fā)生空間干涉等問題。

(1)向間距要求

為滿足此要求，應(yīng)保證玻璃升降包絡(luò)面與周邊零件(如車門防撞橫梁、車門把手支架、車門限位器、車門門鎖等)在方向留有足夠的間隙，通常要求大于10 mm。在方案設(shè)計(jì)初期，往往需要在沒有內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的前提下對車門造型進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般要求車門外表面在玻璃曲面之外保持至少50 mm的間距。

玻璃曲面向距離控制如圖7所示。

圖7 玻璃曲面Y向距離控制

(2)向間距要求

車門玻璃在向的運(yùn)動軌跡主要由B柱飾板傾斜角度決定。玻璃下降過程中在方向需要避讓車門把手鎖芯、門鎖模塊、限位器加強(qiáng)板等周邊零件，并保證具有足夠的間隙，通常要求大于7 mm。如果玻璃升降過程中無法滿足間距要求，應(yīng)優(yōu)先選擇調(diào)整周邊零件位置進(jìn)行避讓，在各零件達(dá)到極限位置的情況下，再與造型師協(xié)商，調(diào)整B柱飾板傾斜角度。

玻璃升降過程中的運(yùn)動軌跡(如圖8虛線1所示)可通過升降運(yùn)動模擬獲得。

圖8 玻璃曲面X向距離控制

3.3 玻璃曲面透光高度校核

車門玻璃曲面透光高度是指車門玻璃最高點(diǎn)至窗沿線的垂向高度，可直接從造型數(shù)據(jù)中獲得。但對于由此獲得的透光高度，需校核玻璃透光高度能否滿足玻璃下降行程的需求。一般情況下要求前門玻璃都能完全降至窗沿線以下。對于后門玻璃，最高要求是和前門玻璃一樣，能夠完全降至窗沿線之下，但是由于車門結(jié)構(gòu)形式以及玻璃窗分塊方式的限制，不是所有車型的車門玻璃都能滿足這個(gè)要求。對于這些車型，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證露出窗沿的部分高度盡可能小，通常要求不能降下的部分不大于窗口透光區(qū)域高度的30%。如果玻璃面透光高度無法滿足玻璃下降行程需求，則應(yīng)反饋給造型師，調(diào)整窗沿線高度或車門窗框頂部輪廓線。

在方案設(shè)計(jì)初期，由于沒有詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，可通過比較玻璃曲面透光高度與窗沿至門洞下止口邊的高度來初步判定，前門玻璃是否能完全降至窗沿之下，以確定造型的窗線和車門窗框頂部輪廓線位置是否合理。表1為不同車型前門升降高度的參考值，其中，車門玻璃曲面透光高度示意如圖9所示。

表1 不同車型前門升降高度的參考值 單位：mm

圖9 車門玻璃曲面透光高度示意

隨著方案設(shè)計(jì)工作的推進(jìn)，應(yīng)初步搭建車門內(nèi)板等車門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并在三維環(huán)境下驗(yàn)證車門玻璃是否可以完全下降至窗沿線以下。需要保證車窗下降至最低點(diǎn)位置時(shí)，玻璃(包括搖窗機(jī)運(yùn)動結(jié)構(gòu))與車門鈑金留有10 mm以上的安全間隙,如圖10所示。

圖10 前后門玻璃升降苛刻位置

4 結(jié)束語

在全新車型的正向開發(fā)過程中，車門玻璃曲面的確定是最重要的工作環(huán)節(jié)之一。車門玻璃曲面不僅是整車中部造型中的決定性因素，后期更改對于整車項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度會有很大影響。玻璃大面制約乘客艙的內(nèi)部橫向空間，影響車門系統(tǒng)諸如門鎖、限位器、鉸鏈等多個(gè)零件的空間布置，同時(shí)它還與側(cè)圍門洞止口邊及車門結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有密切關(guān)系。

作為整車前期開發(fā)人員，從項(xiàng)目開始之初，就應(yīng)對車門玻璃大面的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的技術(shù)分析工作。在曲面的擬合、設(shè)計(jì)及校核工作過程中，必須細(xì)致考慮和縝密分析各種相關(guān)因素，并且和造型、結(jié)構(gòu)、人機(jī)等部門進(jìn)行多方多輪討論，權(quán)衡各方利弊，兼顧工程與美感，才能確定最終方案，完成符合造型和工程要求的車門玻璃面設(shè)計(jì)，作為后續(xù)設(shè)計(jì)的輸入。