汽車(chē)玻璃設(shè)計(jì)與發(fā)展研究

趙林平，盧生林，程源，王艷青，陳強(qiáng)

(奇瑞汽車(chē)股份有限公司，安徽蕪湖 241009)

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汽車(chē)玻璃設(shè)計(jì)與發(fā)展研究

趙林平，盧生林，程源，王艷青，陳強(qiáng)

(奇瑞汽車(chē)股份有限公司，安徽蕪湖 241009)

汽車(chē)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性工作，它不僅要考慮整車(chē)造型的時(shí)尚因素，又要考慮單個(gè)零件的工藝可行性及功能可靠。玻璃作為汽車(chē)的法規(guī)零件，從汽車(chē)造型設(shè)計(jì)到玻璃零件的設(shè)計(jì)，每一步都可能影響玻璃的性能。以汽車(chē)設(shè)計(jì)為主線(xiàn)，介紹汽車(chē)玻璃每個(gè)階段需要注意的事項(xiàng)，以確保玻璃能有更好的性能。

汽車(chē)設(shè)計(jì)；玻璃；性能

0 引言

2015年1月12日，中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)在北京發(fā)布2014年汽車(chē)業(yè)銷(xiāo)售數(shù)據(jù)。2014年，中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量分別達(dá)到2 372.29萬(wàn)輛和2 349.19萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)7.26%和6.86%，再度問(wèn)鼎全球第一大汽車(chē)銷(xiāo)售市場(chǎng)冠軍。2015年，中國(guó)汽車(chē)增速將與2014年基本持平，保持在7%左右，而車(chē)市總銷(xiāo)量將有望突破2 500萬(wàn)輛。

汽車(chē)玻璃作為汽車(chē)重要的零部件，占汽車(chē)總質(zhì)量的3%左右，主要用于新車(chē)制造市場(chǎng)和維修市場(chǎng)，因此汽車(chē)玻璃的需求與汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量和保有量密切相關(guān)。隨著近年來(lái)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，中國(guó)汽車(chē)玻璃行業(yè)的市場(chǎng)需求量以同樣與較高的速度增長(zhǎng)。

在當(dāng)代汽車(chē)設(shè)計(jì)中，玻璃的造型直接影響了整車(chē)的造型。很多汽車(chē)，為了乘客的舒適性，更是大面積地使用了玻璃材料，采用全景天窗設(shè)計(jì)、雙天窗設(shè)計(jì)等。這些設(shè)計(jì)一方面要求玻璃有很好的機(jī)械性能，又對(duì)玻璃光學(xué)性能的要求越來(lái)越高。

玻璃新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)很大程度上推動(dòng)了汽車(chē)玻璃的大面積使用，而汽車(chē)玻璃在汽車(chē)上的大面積使用，也對(duì)汽車(chē)玻璃提出了更高的要求。

1 汽車(chē)玻璃分類(lèi)

汽車(chē)安全玻璃分類(lèi)方法一般有兩種：一種是按照玻璃在整車(chē)上的安裝位置進(jìn)行分類(lèi)，一種是按照工藝進(jìn)行分類(lèi)。

1.1 按照安裝位置分類(lèi)

按照安裝位置汽車(chē)安全玻璃可劃分為前風(fēng)擋玻璃(前風(fēng)窗玻璃)、側(cè)窗玻璃、后風(fēng)擋玻璃等。具體位置見(jiàn)圖1。

圖1 汽車(chē)安全玻璃具體位置示意圖

1.2 按照工藝分類(lèi)

汽車(chē)安全玻璃按照工藝可分為夾層玻璃、鋼化玻璃、區(qū)域鋼化玻璃、中空安全玻璃、塑玻復(fù)合材料等。不同工藝的玻璃優(yōu)缺點(diǎn)及常用的位置見(jiàn)表1。

表1 常用汽車(chē)安全玻璃的優(yōu)缺點(diǎn)

2 汽車(chē)玻璃的設(shè)計(jì)

2.1 整車(chē)立項(xiàng)階段

不同的車(chē)型對(duì)玻璃的要求不同，一般沒(méi)有特殊要求的車(chē)型通常采用普通的綠色玻璃，鋼化玻璃厚度也是最常用的3.2～3.5mm，夾層玻璃通常是4.76～5.76mm。要根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)車(chē)型以及整車(chē)價(jià)格來(lái)確定采用什么樣的玻璃。

另外整車(chē)立項(xiàng)階段要根據(jù)開(kāi)發(fā)的車(chē)型定位，對(duì)玻璃的配置進(jìn)行分析，玻璃的配置在很大程度上影響了玻璃的價(jià)格。目前市場(chǎng)上常用的玻璃為普通綠色玻璃，中高端車(chē)型有部分車(chē)型采用吸熱綠色玻璃，高端車(chē)型前風(fēng)擋玻璃部分車(chē)型采用隔音隔熱玻璃等，商務(wù)車(chē)型有部分采用隱私或者灰色玻璃等。可以根據(jù)市場(chǎng)需要和成本進(jìn)行玻璃配置的選擇。

2.2 造型階段的玻璃設(shè)計(jì)

造型階段的設(shè)計(jì)主要是指從整車(chē)草圖設(shè)計(jì)開(kāi)始，到整車(chē)A面凍結(jié)的過(guò)程，在這個(gè)階段有一定的工程設(shè)計(jì)內(nèi)容。對(duì)于玻璃來(lái)說(shuō)，主要是考慮玻璃的造型和整車(chē)的造型需要，同時(shí)要考慮玻璃的使用面積以及生產(chǎn)加工的難度。

2.2.1 草圖設(shè)計(jì)階段

草圖設(shè)計(jì)階段針對(duì)玻璃的考慮較少，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)師的構(gòu)想，對(duì)整車(chē)的造型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

當(dāng)然造型設(shè)計(jì)師也要跟產(chǎn)品工程師進(jìn)行溝通，明確哪些外觀(guān)是采用玻璃的，以便產(chǎn)品工程師對(duì)產(chǎn)品的可行性進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。根據(jù)車(chē)型的定位，對(duì)玻璃的成本進(jìn)行分析，并提出是否更改的建議。

2.2.2 典型斷面設(shè)計(jì)階段

對(duì)于玻璃來(lái)說(shuō)，典型斷面的設(shè)計(jì)非常重要，該設(shè)計(jì)工作決定了玻璃的厚度、與鈑金的配合等因素，不僅影響玻璃本身，同時(shí)影響玻璃周邊的零件設(shè)計(jì)。

前風(fēng)擋、后風(fēng)擋粘接玻璃斷面設(shè)計(jì)時(shí)要考慮玻璃的定位裝置、玻璃與鈑金的間隙、與頂棚及立柱護(hù)板以及前風(fēng)擋下裝飾板等零件的配合方式等。

在整車(chē)的布置圖中，也要考慮玻璃的視野等方面的要求。例如前風(fēng)擋玻璃黑邊的設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足法規(guī)的要求等，上、下視野等人機(jī)方面是否滿(mǎn)足要求等。

2.2.3A面設(shè)計(jì)階段

對(duì)于玻璃的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，A面設(shè)計(jì)階段主要工作是根據(jù)典型斷面的設(shè)計(jì)、整車(chē)造型的CAS面來(lái)調(diào)整玻璃的曲面，滿(mǎn)足整車(chē)A面的要求。同時(shí)要考慮玻璃附件的外觀(guān)設(shè)計(jì)。例如玻璃周邊包邊膠條的設(shè)計(jì)、與鈑金的配合等因素，不僅影響玻璃本身，同時(shí)影響玻璃周邊的零件設(shè)計(jì)。

2.3 工程設(shè)計(jì)階段的玻璃設(shè)計(jì)

玻璃本身并沒(méi)有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以在工程設(shè)計(jì)階段，主要的設(shè)計(jì)工作是玻璃上附件的設(shè)計(jì)以及玻璃周邊零件配合的設(shè)計(jì)。文中主要從玻璃與周邊鈑金的配合設(shè)計(jì)、周邊內(nèi)飾零件的設(shè)計(jì)、玻璃本身附件的設(shè)計(jì)3個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。

2.3.1 玻璃與周邊鈑金的設(shè)計(jì)

玻璃與鈑金的配合主要是要考慮粘接玻璃(通過(guò)玻璃膠把玻璃粘接到車(chē)身上的玻璃)與鈑金之間的配合。如圖2所示，玻璃與鈑金要保證足夠的間隙a，同時(shí)考慮到公差的積累，玻璃與鈑金要有一定的面差b,以保證外觀(guān)。

圖2 玻璃與鈑金配合示意圖

為了使玻璃裝配得美觀(guān)、更好地吸收裝配誤差，可以在玻璃的周邊設(shè)計(jì)包邊，具體包邊的設(shè)計(jì)可以參考后文進(jìn)行。在安裝玻璃時(shí)，為了保證玻璃的安裝位置，也通常在玻璃打膠的位置設(shè)計(jì)一個(gè)限位塊，以保證玻璃與鈑金之間的間隙。

2.3.2 玻璃與周邊內(nèi)飾零件的設(shè)計(jì)

玻璃與周邊零件的配合，主要包括玻璃與立柱護(hù)板的配合設(shè)計(jì)、玻璃與頂棚的配合設(shè)計(jì)、前風(fēng)擋玻璃與風(fēng)擋下裝飾板的設(shè)計(jì)等。

護(hù)板與玻璃的配合示意圖如圖3所示，為了保證護(hù)板與鈑金不干涉，在設(shè)計(jì)時(shí)，護(hù)板距離鈑金止口一般有一定的間隙a。但是如果間隙太大，護(hù)板就會(huì)占用更大的空間，如果是在前風(fēng)擋玻璃的設(shè)計(jì)中，就會(huì)影響A柱障礙角，影響視野。后風(fēng)擋設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)視野造成一定的影響。為了保證護(hù)板與玻璃不發(fā)生干涉，通常設(shè)計(jì)足夠間隙b。

圖3 玻璃與護(hù)板配合示意圖

2.3.3 玻璃本身附件的設(shè)計(jì)

2.3.3.1 玻璃的磨邊設(shè)計(jì)

玻璃的磨邊設(shè)計(jì)通常有光滑邊、倒圓角、倒角幾種設(shè)計(jì)方式,示意圖見(jiàn)表2。

表2 玻璃磨邊型式

在通常情況下，裸露在外的玻璃邊以及運(yùn)動(dòng)玻璃邊通常設(shè)計(jì)成光滑邊。這種邊不僅更有利于玻璃滑動(dòng)，而且有比較好的外觀(guān)，并不會(huì)因玻璃掰邊留下的快口傷人。圓角邊以及倒角邊通常用在不可見(jiàn)的玻璃邊部設(shè)計(jì)，例如包邊覆蓋邊部前后風(fēng)擋的設(shè)計(jì)，以及有一體注塑包邊的側(cè)窗玻璃設(shè)計(jì)。

2.3.3.2 玻璃的包邊設(shè)計(jì)

一般情況下，前后風(fēng)擋玻璃的兩側(cè)及上部均有包邊，包邊的型式按照包邊的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)有3種：一邊包邊、兩邊包邊、三邊包邊，包邊型式見(jiàn)表3。

表3 玻璃包邊型式

2.3.3.3 玻璃的定位裝置設(shè)計(jì)

玻璃的定位通常是用定位銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)，一般情況下是在玻璃的上段粘接定位銷(xiāo)，定位銷(xiāo)通常采用雙面膠帶粘接、玻璃膠粘接、直接注塑等方式等。

2.3.3.4 后風(fēng)擋加熱絲的設(shè)計(jì)

后風(fēng)擋加熱絲是后風(fēng)擋上最常見(jiàn)的配置，它的作用是在冬天，能通過(guò)電阻絲加熱，實(shí)現(xiàn)后風(fēng)擋的除霜、除霧、除冰雪。

后風(fēng)擋加熱絲的功率可以參考建材的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)按400～450W/m2進(jìn)行設(shè)計(jì)，加熱絲的間距通常為25～30mm，加熱絲兩側(cè)的母線(xiàn)寬度盡量設(shè)計(jì)為15mm左右。

另外加熱絲母線(xiàn)盡量設(shè)計(jì)在玻璃黑邊內(nèi)，避免透過(guò)玻璃能看見(jiàn)后風(fēng)擋玻璃的加熱絲母線(xiàn)，影響外觀(guān)。加熱絲母線(xiàn)設(shè)計(jì)不要跟打膠軌跡線(xiàn)干涉，避免長(zhǎng)期使用，玻璃膠在高溫作用下會(huì)老化。

2.3.3.5 玻璃上孔的設(shè)計(jì)

在很多玻璃上通常有孔的設(shè)計(jì)，例如滑動(dòng)玻璃通常設(shè)計(jì)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃與玻璃升降機(jī)構(gòu)的聯(lián)結(jié)、兩廂車(chē)后風(fēng)擋通常設(shè)計(jì)雨刮過(guò)孔等。

在這些孔的設(shè)計(jì)中，一定要根據(jù)供應(yīng)商常用的鉆頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是鋼化玻璃孔的設(shè)計(jì)一定要適中，既要保證雨刮等零件的正常工作，又不能太大。因?yàn)樵诓Ａт摶臅r(shí)候，孔的周邊會(huì)存在比較集中的應(yīng)力，易導(dǎo)致玻璃自爆，無(wú)法正常工作。為降低由于開(kāi)孔造成的應(yīng)力問(wèn)題，降低鋼化玻璃因?yàn)殚_(kāi)孔產(chǎn)生自爆的可能性，要盡量保證開(kāi)孔的邊部距離玻璃邊緣最好2倍孔的直徑以上。開(kāi)孔示意圖如圖4所示。

3 玻璃新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)研究

3.1 新技術(shù)應(yīng)用

汽車(chē)的發(fā)展對(duì)汽車(chē)玻璃的發(fā)展起到?jīng)Q定性的作用，目前汽車(chē)玻璃的發(fā)展可以簡(jiǎn)單概括為：玻璃越來(lái)越大，形狀越來(lái)越復(fù)雜，質(zhì)量越來(lái)越輕，透光度越來(lái)越高，安全性越來(lái)越好。

3.1.1 太陽(yáng)能控制玻璃

這種玻璃是在PVB上鍍一層膜，可以對(duì)太陽(yáng)光的紅外線(xiàn)以及紫外線(xiàn)進(jìn)行反射，避免太陽(yáng)光對(duì)汽車(chē)內(nèi)飾零件的傷害，同時(shí)在天氣炎熱的夏天，更有效地對(duì)車(chē)內(nèi)環(huán)境進(jìn)行保溫，減少空調(diào)的使用時(shí)間，節(jié)能環(huán)保，通常稱(chēng)之為熱反射玻璃。太陽(yáng)能控制玻璃的熱反射原理可以參照?qǐng)D5。

圖5 太陽(yáng)能控制玻璃原理示意圖

3.1.2 隔音隔熱夾層玻璃

為了提高舒適性，前風(fēng)擋玻璃與側(cè)窗甚至后風(fēng)擋可以考慮用夾層玻璃，夾層玻璃的隔熱、隔音效果都明顯高于普通的鋼化玻璃。目前市場(chǎng)上有一種特制的PVB膠片，它與普通的PVB膠片對(duì)比，能把夾層玻璃的隔音效果提高30%。圖6為某公司開(kāi)發(fā)的隔音PVB膜的參數(shù)，最大能降低5dB。目前市場(chǎng)上有很多車(chē)型采用了隔音膠片，比較常見(jiàn)的車(chē)型有豐田汽車(chē)普銳斯、卡羅拉，通用汽車(chē)凱迪拉克、邁巴赫等。

圖6 隔音膠片與普通膠片對(duì)比圖(溫度20 ℃)

隔熱膠片也是最近幾年新開(kāi)出來(lái)的膠片之一，通過(guò)在膠片內(nèi)部增加隔熱微粒靠吸收太陽(yáng)光內(nèi)的紅外線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)隔熱功能的。圖7是某公司隔熱膠片與一般膠片的隔熱性能對(duì)比圖。隔熱膠片相對(duì)一般PVB膠片來(lái)說(shuō)，有效降低了紅外線(xiàn)的透過(guò)率，而紅外線(xiàn)是主要的熱量來(lái)源，故可以有效降低車(chē)內(nèi)溫度，起到節(jié)能環(huán)保的功能。更能有效地吸收人們感覺(jué)灼熱的1 300～1 800nm長(zhǎng)的紅外線(xiàn)。

圖7 隔熱膠片與普通膠片對(duì)比圖

某公司曾經(jīng)做了一個(gè)測(cè)試：在太陽(yáng)光下，對(duì)采用隔熱膠片和普通膠片兩種車(chē)型的方向盤(pán)溫度進(jìn)行測(cè)量，如圖8所示，停車(chē)20～50min，溫度相差10 ℃左右。在目前市場(chǎng)上，常見(jiàn)的車(chē)型有采用隔熱膠片的有長(zhǎng)安鈴木雨燕、神龍汽車(chē)畢加索、標(biāo)致307等。

圖8 隔熱膠片與普通膠片方向盤(pán)溫度對(duì)比圖

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車(chē)的發(fā)展，對(duì)汽車(chē)玻璃提出了更高的要求，綜合來(lái)看，汽車(chē)玻璃的發(fā)展可以用更安全、更輕量、更舒適來(lái)概括。

更安全，除了體現(xiàn)在PVB的發(fā)展外，還可以采用4層夾層玻璃，即在夾層玻璃的內(nèi)表面附加上一層厚的聚氨基甲酸酯膜。附加層是一種透明、柔軟、高強(qiáng)度、高彈性并且能自動(dòng)修復(fù)的特殊塑料，當(dāng)駕駛員頭部撞擊到玻璃內(nèi)表面時(shí)，附加層具有良好的緩沖作用，能大大提高安全性。

采用塑玻復(fù)合材料做為汽車(chē)的前風(fēng)擋玻璃，因內(nèi)部有一層塑料，在碰撞的過(guò)程中，前排乘客與前風(fēng)擋撞擊時(shí)，塑料會(huì)發(fā)生變形，吸收一定的能量，減少對(duì)乘客的傷害。

還有一些其他的技術(shù)，可以間接提高安全性能。例如前風(fēng)擋夾絲技術(shù)，該技術(shù)主要是在前風(fēng)擋兩層玻璃之間夾鎢絲，寒冷的冬天在車(chē)高速行駛時(shí)玻璃上結(jié)霜，前風(fēng)擋玻璃中間的鎢絲在通電情況下，能夠產(chǎn)生熱量，除去霜層，以保證行車(chē)安全。

更輕量，主要體現(xiàn)在滿(mǎn)足整車(chē)性能及玻璃本身的性能要求外，減薄夾層玻璃中每片玻璃的厚度。比如將3mm玻璃減薄到2.0～2.3mm，這樣質(zhì)量可以減輕20%～30%。但是由于玻璃的性能參數(shù)跟玻璃的厚度有直接的關(guān)系，在整車(chē)要求比較高的情況下，通常采用光學(xué)性能比較好的玻璃，例如：太陽(yáng)能控制玻璃等，以達(dá)到輕量化的最終目的。

另外采用塑玻復(fù)合材料，也能降低夾層玻璃的質(zhì)量。這種玻璃通常采用玻璃與聚碳酸酯夾層制造。玻璃的質(zhì)量能降低30%～50%。但是目前該項(xiàng)技術(shù)存在很多風(fēng)險(xiǎn)，例如對(duì)塑料材料的高低溫老化等性能有著非常高的要求。這種技術(shù)也存在成本高的問(wèn)題，只有少量高檔車(chē)上使用。

更舒適，除了體現(xiàn)在抬頭顯示系統(tǒng)、智能玻璃、隔音隔熱膠片、熱反射玻璃等新技術(shù)應(yīng)用外，一些雨量傳感器玻璃的使用、高速電子收費(fèi)系統(tǒng)的應(yīng)用等，都體現(xiàn)了更人性化、更方便，為駕駛員及乘客提供一個(gè)更舒適的駕乘環(huán)境。

4 總結(jié)

在汽車(chē)的設(shè)計(jì)中，玻璃的設(shè)計(jì)只是很少的一部分。在設(shè)計(jì)中，除了配合的厚度以及配置的選擇外，玻璃與周邊零件的配合、玻璃的安裝定位方式也非常重要。要根據(jù)整車(chē)的實(shí)際情況，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，要確保外觀(guān)美觀(guān)，又要保證玻璃的功能正常。

玻璃的發(fā)展趨勢(shì)，很多人概括為面積越來(lái)越大、造型越來(lái)越復(fù)雜、安全性越來(lái)越高。但是總的來(lái)看，作者認(rèn)為主要的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為更安全、更安靜、更舒適 、更環(huán)保。玻璃的發(fā)展和汽車(chē)的發(fā)展互相促進(jìn)。

【1】石新勇.安全玻璃[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006:141-150.

【2】魏昆鵬.從設(shè)計(jì)角度減少鋼化玻璃自爆的方法探討[C]//汽車(chē)內(nèi)外飾產(chǎn)品及新材料國(guó)際研討會(huì),2009:161-164.

【3】辛崇飛.節(jié)能環(huán)保形勢(shì)下Solar-X熱反射汽車(chē)夾層玻璃的研制和市場(chǎng)前景[C]// 汽車(chē)內(nèi)外飾產(chǎn)品及新材料國(guó)際研討會(huì)，2009:179-181.

【4】GB9656-2003 汽車(chē)安全玻璃國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[S].

【5】JC/T672-1997 汽車(chē)后窗加熱玻璃[S].

【6】GB11562 汽車(chē)駕駛員前方視野要求及測(cè)量方法[S].

ResearchofAutomobileGlassDesignandDevelopment

ZHAOLinping,LUShenglin,CHENGYuan,WANGYanqing,CHENQiang

(CheryAutomobileCo.,Ltd.,WuhuAnhui241009,China)

Automobiledesignisanelaboratework，thestylingofthemodelisnotonlytallywiththemode,butalsoallpartscanbemadeandhavenormalfunctions．Theglassislawpart，theprocessdesignoftheglassisveryimportant,becauseitmayaffectthecapabilityofautomobileglass．Takingdesignofautomobileasmainline,thenoticesindifferentdesignphaseofautomobileglassweredescribedtoinsurethattheautomobileglasshadgoodcapability．

Automobiledesign；Glass；Capability

2015-11-29

趙林平(1981-)，女，本科，研究方向?yàn)轫?xiàng)目管理。E-mail:zhaolinping@mychery.com。

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