汽車鼓形雙曲車門玻璃面設計方法研究*

劉 旭，陳俊志

(蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

0 引 言

汽車車門玻璃的造型直接影響著外觀造型，更重要的是影響著車門布置及玻璃升降功能的實現。玻璃面設計一直是一個難點，玻璃面設計時效率較低。國內外有一部分文獻對車門玻璃設計進行了研究，如：A. Gfrerrer等提出了如何通過一個空間運動，獲得最小的撓度，對造型表面進行必要但可接受的修改[1]；Choong-Ryung Lee等對車門窗玻璃的平穩運行和跟蹤進行了實驗評估[2]；Helmut Pottmann研究了如何計算近似曲面，并特別強調了計算機輔助設計中使用的基本形狀[3]；長城汽車喬偉利用隨機點捕捉法，進行玻璃點云逆向，得出了最優玻璃面[4]。同濟大學雷雨成，提出一種雙曲率玻璃的規范化擬合方法,建立了圓環面車門玻璃的數學模型[5]。同濟大學高云凱，對現代環面玻璃轎車車門的設計方法和流程進行了探索[6]。同濟大學的高大威，根據鼓形線原理得到玻璃導軌曲線，達到工程設計要求[7]。長豐汽車李傳經運用CATIA對雙曲率玻璃進行運動分析，提出了設計玻璃導軌、導槽、內外水切、玻璃升降器的方法[8]。同濟大學孫從周闡述了基于圓環面的車門玻璃曲面設計及玻璃導軌設計的方法和設計流程[9]；上海理工的高大威，提出了基于雙曲率玻璃參數化模型的優化方法，優化后玻璃的擬合及運動誤差都控制在0.5mm以內[10]。

上述文獻提出了很多優秀的方法思路，但有的理論性較強，實踐起來存在一定難度，對于一般工程師，可操作性較為困難。筆者提出了一種基于三維軟件操作的雙曲率鼓形玻璃面幾何設計流程，采用此種玻璃面設計的車門，具有較好的可操作性，且易于獲得與車身外型面匹配性較好的玻璃面，可以使運動偏差控制在較小范圍內。

1 車門玻璃設計概要

1.1 車門玻璃面設計的影響因素

1.1.1 人機布置對玻璃造型的影響

玻璃面設計要保證各功能件足夠尺寸空間，保證乘客正常的活動不與車身發生碰撞，保證乘客乘坐舒適。主要考慮頭部空間、肩肘空間、臀部空間。

1.1.2 玻璃升降運動對玻璃大面的影響

目前絕大多數的車門玻璃的升降運動都是沿著導軌運動，且導軌有一定的傾角，保證其運動不會與車門各部件發生碰撞。玻璃在升降過程中不可避免的會產生一定的偏差，所以我們必須調整玻璃在X方向和Y方向的曲率來控制玻璃面的運動偏差，使得與造型面誤差范圍控制在±0.2 mm內。

1.2 鼓形雙曲率玻璃的結構特點

如圖1，雙曲線鼓形玻璃面是一條圓弧線(半徑R，圓心O′)繞軸線(x軸)旋轉所得到的回轉曲面。其中坐標原點為O，大圓圓心O′到坐標原點O的距離為l，O′O方向為y軸，其大圓圓弧曲線方程為：

圖1 鼓形面雙曲面

(1)

上述圓弧曲線繞x軸旋轉,得到鼓形面方程：

(2)

如圖2，玻璃在鼓形面上運動時，可將其視作為繞鼓形球面中心直線線的旋轉運動，其運動軌跡線可用偏差較小的近似螺旋線代替，可以使運動偏差控制在極小范圍內。玻璃面右側的兩個頂點a和頂點b分別投影到x軸線上的投影點c和投影點d，連接a點與c點為直線m，連接b點和d點為直線n。

圖2 玻璃導軌螺旋線 圖3 邊線圓弧及其中點提取

因此，為了獲取螺旋線，首先需要得到螺旋線的螺距，依據螺距計算公式：

(3)

式中:d螺距為螺旋線螺距；lcd為投影點c和投影點d的距離；αmn為直線m和直線n的夾角。

1.3 車門玻璃面設計流程

(1) 獲取CAS(Concept A Surface，汽車概念造型面)及完成玻璃面設計相關重要斷面。

(2) 初步擬合玻璃大面，分析玻璃面型式。

(3) 確定鼓形玻璃面的圓弧輪廓。

(4) 確定鼓形玻璃面兩邊的螺旋導線。

(5) 以圓弧輪廓沿著兩根螺旋導線掃掠，完成玻璃面設計。

(6) 玻璃面校核驗證。

(7) 玻璃面定型輸出。

2 車門玻璃面的擬合

2.1 分析玻璃面形狀

由整車外造型曲面提取玻璃面曲面，并在這自由曲面上找出質心點，用點求出與面相切的平面，再用此平面向車內方向偏置1～2 mm，平面與玻璃點云會形成一個交線，根據交線的形狀來判斷玻璃面的形狀。如果交線的趨勢是一個封閉的曲線，則此玻璃面就是雙曲率玻璃面；如果交線是一個拋物線形狀或者是不相交的兩條曲線，則此玻璃面就是單曲率玻璃面。由上述分析得出，玻璃面為雙曲率玻璃。

2.2 確定玻璃面掃掠所需的輪廓(圓弧線)

(1) 做圓弧，取中點

提取玻璃CAS兩邊的邊線并作出他們的中點，然后用三點圓命令根據邊線的兩個端點和邊線的中點作出兩個圓弧，如圖3所示。

(2) 擬合玻璃面掃掠所需的圓弧輪廓

如圖4所示，用ZX平面作草圖畫一條“直線1”并約束與中點相合，用拉伸“直線1”與“曲面1”相交出一條“交線1”，取這條“交線”的中點，及相交曲線的兩個端點作一條圓弧，即圖5所示的深紅色圓弧，即為玻璃面圓弧輪廓。

圖4 求交線 圖5 做圓弧線

2.3 確定螺旋線掃掠所需的軸線

玻璃面軸線對玻璃面兩側誤差影響較大，因此通過調整一些參數，來確定準確的玻璃面軸線。

(1) 初定旋轉軸線

如圖6，取圖3步驟中的兩個中點連成一條直線，即我們所需的初步旋轉軸線。但這個玻璃面的軸線并非很精確，玻璃面由于要沿著導軌運動，因此玻璃面兩側邊線偏差應盡量小。

圖6 初定獲取選擇軸線 圖7 設置角度長度變量

(2) 設置變量參數，設置擬合軸線

由于旋轉軸線的調整需要頻繁的修改數值的大小，為了提高操作的高效性，故使用函數命令。以下設置是使用函數命令做需要做出的相應基本設置。

以圖7參考平面做草圖，草圖中畫直線，并約束和水平線的角度。分別建立參數類型為長度和角度的參數，用于調整參數。

如圖8，連接初定軸線的一端和草圖中直線與圓的交點，即為新旋轉軸線。并在此軸線的端點作一個法向平面。

圖8 初擬軸線及平面

(3) 投影邊界線，調整參數

如圖9，分別投影兩個玻璃CAS的邊線，如圖10。

圖9 投影邊界線 圖10 兩投影線端點間 間隙x1和x2

兩投影線端點間的距離是x1和x2，調整，根據圖9所給出的半徑參數R和角度參數α的數值來改變x1和x2距離，使x1和x2都在0.1 mm之內，并盡可能小。可以先調整其中一個參數，使得這兩個測量值無限接近，使這兩條投影線趨向于平行，然后再調整另一個參數使兩個測量值滿足誤差要求。在調整參數數值的時候會比較難控制，而且會花費很長時間。最后，調整R和α，使得x1=0.056 mm和x2=0.017 mm。

(4) 確定玻璃面旋轉軸線

如圖11，根據上一步(3)中調整得到的兩個投影線，擬合出一個新的圓，即用一條投影線的兩個端點和另一個投影線的中點，再用三點圓命令在這個圓上作出一個新的圓弧。并依據這個圓弧拉伸出一張面，然后獲取這張圓弧面的軸線，即藍色虛線。

圖11 確定玻璃面旋轉軸線 圖12 玻璃面粗略裁邊

2.4 確定玻璃面螺旋線

(1) 玻璃面的粗略裁邊

如圖12，根據輸入條件中的外CAS面的四周(玻璃前邊界和后邊界，玻璃上窗框和下窗框的投影線)進行初步裁邊，藍色的曲面即為初步裁邊的玻璃面。

(2) 作螺旋線輔助線

如圖13，取圖中粗略裁邊的玻璃面右側的兩個頂點a和頂點b分別投影到玻璃面軸線上為投影點c和投影點d，然后把點和投影的點相對應的連成條直線為連線m和連線n。

圖13 投影做螺旋線輔助線 圖14 繪制2條螺旋線

(3) 計算玻璃面螺距

測量lcd的距離、αmn的夾角數值，再依據前述螺距計算公式(3)：

(4) 繪制兩條螺旋線作為引導線

如圖14，分別以粗略裁邊玻璃后端底部的點b和b′為起點，以玻璃面軸線為螺旋線軸線，螺距取1 764.46 mm，繪制2條螺旋線。

2.5 沿螺旋線掃掠輪廓生成玻璃大面

以2.2步驟中的圓弧為輪廓，以2.4步驟中的兩條螺旋線為引導線掃掠出玻璃大面，并利用曲線邊界，裁剪出玻璃面，如圖15。

圖15 最終得到的玻璃面 圖16 玻璃面貼合度檢查

3 玻璃面校核

3.1 玻璃面與CAS貼合檢查

玻璃面和玻璃CAS的貼合檢查，一般要求是控制在偏差0.5 mm，能夠較好滿足玻璃工作性能。由圖16可知，玻璃面與玻璃CAS的正負偏差分別是0.147 mm和-0.192 mm，誤差范圍控制在±0.2 mm內，貼合度較好，符合設計要求。如果偏差過大，需要調整玻璃的旋轉軸線來控制玻璃面的誤差滿足設計要求。

3.2 玻璃面運動校核

如圖17，車門玻璃的DMU需要三個運動接合，兩個點線接合，一個點面接合；點線接合是圖中兩邊的點分別在兩條螺旋線上運動，點面接合是圖中中間的點在大面上的運動。驅動選擇任意一個點線接合即可。

圖17 玻璃運動校核

4 結 語

根據鼓形玻璃面工作原理，運用數學計算及幾何建模等方法，擬合出圓弧曲線，確定玻璃面旋轉中心，并構建螺旋線，最后通過圓弧沿螺旋線掃掠構建玻璃曲面。該玻璃面與玻璃CAS的正負偏差分別是0.147 mm和-0.192 mm，誤差范圍控制在±0.2 mm內，完全達到工程設計要求標準，能夠滿足玻璃曲面沿著導軌進行升降運動，說明了該設計方法的正確性與合理性，具有一定的研究參考價值。