汽車正向開發中車門玻璃曲面的設計與校核

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面造型的設計基礎，對整車造型風格具有極大的影響。因此，整車側風窗玻璃曲面的確定是造型設計順利開展的首要條件，也是后續車門系統方案開發的重要輸入，必須從項目開始時就進行系統考慮。

1 玻璃曲面設計原則

基于車門玻璃曲面對于造型及車門系統開發的重要性，在全新車型的正向開發流程中，總布置工程師需在項目最初期即對造型數據中的玻璃曲面進行技術可行性評價及曲面擬合。通常，初版造型數據中的玻璃曲面都無法滿足工程需求，當偏離量太大時，會導致按技術要求調整后的玻璃曲面無法匹配當前造型，需要重新進行整車側面造型的設計。在這種情況下，為避免進入嵌套式循環，車門玻璃曲面應由總布置工程師擬合并初步校核之后，提出調整方案且與造型師達成一致，作為后續造型設計的基礎，從而避免車門玻璃面以及側面造型的重復校核及調整，影響開發效率。

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、車身內部寬度(如乘客的頭部空間、肩部空間等)和乘客的進出方便性等。因此設計時須考慮以下因素：

(1)玻璃曲面位置應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滿足前后玻璃升降要求。

2 玻璃曲面擬合方式

當今汽車消費群體對于造型的美學要求越來越高，汽車側風窗玻璃也逐步從之前的單曲率曲面過渡為雙曲率曲面，以滿足造型師對側面造型要求較高的愿望。常見的雙曲率曲面有圓環玻璃曲面、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風窗玻璃替代面，如圖1所示。雙曲率玻璃曲面在垂直于軸線的方向為圓弧線，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，越靠車頭或車尾區域，按照造型需要，玻璃曲面越呈現收窄的趨勢。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面彎曲一定弧度后繞軸旋轉得來的回轉二次曲面。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計及擬合上雖然較為簡單，但在玻璃實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，為使得玻璃切邊能沿車窗導槽正常運動，車門玻璃的升降除了包含繞軸線的旋轉運動外，還伴隨前后方向的運動，因此實際運動過程更接近類似螺旋線的運動方式(繞軸旋轉和軸線平移的合成)，桶形玻璃曲面側窗玻璃運動模擬如圖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導槽的間隙存在不均勻性。由此產生的偏差，必須借助窗框橡膠密封導槽的變形才能得以補償，這也會造成玻璃升降過程中導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。

圖2 桶形玻璃曲面側窗玻璃運動模擬

2.2 螺旋玻璃曲面

由第2.1節可知，桶形玻璃曲面的運動誤差是因螺旋線的運動方式和桶形面曲率沿軸線的變化不一致產生的。為了解決桶形玻璃曲面在運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由桶形面升級為螺旋面，從而使玻璃面的等曲率方向調整為與玻璃升降運動方向盡可能一致。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線掃掠而成的。

圖3 螺旋玻璃曲面示意

螺旋玻璃曲面的應用減小了玻璃運動模擬中與玻璃大面的偏差，在運動過程中可以較好地保持與周邊環境的相對關系，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槽中的摩擦阻力，使得玻璃升降運動更為流暢，如圖4所示。

圖4 螺旋玻璃曲面側窗玻璃運動模擬

需要注意的是，螺旋線的螺距參數取決于B柱飾板的傾斜角度。一旦B柱飾板的傾斜角度發生了更改，就需要重新調整玻璃等曲率方向，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，應滿足人機工程學、空間距離和玻璃透光等各方面的要求。在前期設計階段，由于結構數據的缺乏，需利用二維截面設計與三維Dummy數據相結合的方式進行系統性的全面分析。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，應要求造型師根據玻璃曲面建議重新匹配側面造型。

3.1 人機工程校核

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

(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域玻璃面位置及車門頂部門縫位置為基礎，構造車身鈑金系統以及車頂內飾截面，由此獲得95%男性頭部沿與側向夾角30°方向上的活動空間值。如果頭部空間和人機工程學制定的目標偏差較大，則需要相應調整玻璃面上部點在向的位置。

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，構造車門鈑金系統以及車門內飾截面，由此獲得橫向肩部()、肘部()及臀部()的空間值。如果內部空間值和人機工程學制定的目標偏差較大，則需要相應調整窗沿線區域玻璃點在向的位置。

圖6 肩部、肘部、臀部空間校核截面

3.2 升降空間要求

除了滿足人機工程學要求之外，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生空間干涉等問題。

(1)向間距要求

為滿足此要求，應保證玻璃升降包絡面與周邊零件(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。在方案設計初期，往往需要在沒有內部詳細結構數據的前提下對車門造型進行預判，根據經驗，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，應優先選擇調整周邊零件位置進行避讓，在各零件達到極限位置的情況下，再與造型師協商，調整B柱飾板傾斜角度。

玻璃升降過程中的運動軌跡(如圖8虛線1所示)可通過升降運動模擬獲得。

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至窗沿線的垂向高度，可直接從造型數據中獲得。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，但是由于車門結構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要求。對于這些車型，設計時應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，則應反饋給造型師，調整窗沿線高度或車門窗框頂部輪廓線。

在方案設計初期，由于沒有詳細的內部結構數據，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

隨著方案設計工作的推進，應初步搭建車門內板等車門系統結構數據，并在三維環境下驗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位置時，玻璃(包括搖窗機運動結構)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 結束語

在全新車型的正向開發過程中，車門玻璃曲面的確定是最重要的工作環節之一。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目的開發進度會有很大影響。玻璃大面制約乘客艙的內部橫向空間，影響車門系統諸如門鎖、限位器、鉸鏈等多個零件的空間布置，同時它還與側圍門洞止口邊及車門結構的設計有密切關系。

作為整車前期開發人員，從項目開始之初，就應對車門玻璃大面的設計進行全面的技術分析工作。在曲面的擬合、設計及校核工作過程中，必須細致考慮和縝密分析各種相關因素，并且和造型、結構、人機等部門進行多方多輪討論，權衡各方利弊，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計，作為后續設計的輸入。