基于CAD的汽车侧窗玻璃面与导轨导线的设计研究

胡广新+王亮

摘 要：提出了一种基于CAD的汽车侧窗双曲率玻璃面与导轨导线的拟合方法。该方法利用螺旋线的旋转和运动特性，并结合CATIA的二次开发工具，具有高效，精准等特性。在实际项目中，实现了拟合出的玻璃面与造型偏差控制在0.05mm，基于拟合的玻璃面做出的玻璃能够实现在玻璃面上的无偏差运动。说明该方法及开发出的工具设计合理，精准、高效。

关键词：车门玻璃；导轨导线；双曲率玻璃面；拟合 CATIA二次开发

中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）05-0008-04

Design and Research of Automotive Door Glass Surface and Guide Rail Based on CAD

HU Guang-xin， WANG Liang

（ FAW-Volkswagen Automobile co.Ltd， Changchun130011， China ）

Abstract： A method of fitting the double-curvature glass surface and guide rail of automobile side window based on CAD is proposed. The method uses the helix rotation and motion characteristics， combined with CATIA secondary development tools， with high efficiency， precision and other characteristics. In the actual project， the glass surface and the design deviation are controlled at 0.05mm， and the glass based on the fitted glass surface can realize the unbiased movement on the glass surface. Indicating that the method and the development of the tool design is reasonable， accurate and efficient.

Key Words： Automotive Door Glass； Guid Rail； Double-curvature Glass Surface； Fitting CATIA Secondary Development

1 前言

汽车侧窗玻璃面是汽车车门开发的基础，也是汽车造型和车身设计的难点。笔者所在公司的汽车车身造型设计越来越强调流线型，因此，车门玻璃均采用双曲率的玻璃面。所谓双曲率玻璃面，是指在升降方向和车身长度2个方向上，玻璃面的曲率都大于零。采用双曲率玻璃面的车窗玻璃的升降运动是上下沿某轴转动和侧向滑移运动的合成，这种复杂的复合运动对玻璃曲面和导轨导线的设计提出了很高的要求。如果设计不合理，将导致玻璃在运动的过程中与玻璃面产生较大的偏差，而导致玻璃升降困难甚至卡死。

近年来，汽车厂商对于双曲率玻璃面已经得到了较广泛的应用，部门学术界也对不同形式的双曲率玻璃面做了一定的研究。如高云凯等[1] 和雷雨成等[2]采用圆环面来拟合双曲率玻璃面，但笔者在实际车型开发的过程中，发现使用该方法所拟合出的玻璃运动偏差较大，约在3mm左右。后来，同济大学的高大威[3]和广汽长丰研发中心的李传经[4]提出了基于鼓形面的车门玻璃，并基于鼓形线原理设计了玻璃导轨。笔者在实际的车型开发应用中，发现该方法拟合出的玻璃面虽然与造型的流线型匹配度较好，但受限于玻璃面本身运动特性和旋转轴的选取，玻璃的运动偏差也基本上都在0.6mm左右。无论是圆环面还是鼓形面来拟合玻璃面，在实际的车型开发中，均存在如下的问题：

1.受圆环面和鼓形面几何本身特征因素的影响，虽然玻璃下降的过程中，有下降方向和车身方向两个运动，但该2个运动不能完全补偿，从而导致较大偏差；

2.无论是圆环面还是鼓形面，均只能先拟合出玻璃面，再根据玻璃面拟合导轨导线，2次拟合的误差叠加，从而导致较大偏差。

笔者结合所在公司的某一款车型，对侧面玻璃进行了双曲率玻璃面和玻璃引导线的同时拟合。并结合CATIA的二次开发工具，使用迭代算法，实现对拟合玻璃面和导轨导线的偏差控制。通过运动分析，拟合出的玻璃面与原玻璃面最大偏差小于0.05mm，基于拟合的玻璃面做出的玻璃能够实现在玻璃面上的无偏差运动。说明该方法及开发出的工具设计合理，准确。

2 设计理论

由于双曲率汽车侧窗玻璃半径，从后视图看，在B柱附近半径最大，且往车身前后方向逐步减小。以前门为例，側窗玻璃的前后边界的半径不同，后边界较大，前边界稍小，且由于B柱造型原因，导致前后边界线从侧面看是后倾的。而玻璃的边界则决定了玻璃的运动轨迹和升降器导轨的形状，因此，玻璃边界的定义，也是导轨导线定义的基础。为保证玻璃升降过程中的平顺，在理论上，就要求玻璃能严格沿着2个边界运动，即玻璃在上下升降的过程中，尽量减少车身前后方向与边界的偏离，和在车身左右方向与玻璃面的偏离。

为达到上述设计目标，通常将玻璃的升降运动拟合成沿某一轴线的旋转运动和沿该轴线方向上的偏移运动的组合。而玻璃面在此前的学术研究中，也经常被拟合成如下的几种形式：

A.圆柱面（见图1）：玻璃的升降可以上下运动和旋转运动，但玻璃的前后边界半径必须相等，是单曲率玻璃面，由于与现代造型偏差较大，因此，现在轿车厂商几乎不再使用；endprint

B.圆环面（见图2）：将圆柱面以一定的半径R弯曲为一个圆环，圆环的表面即为圆环玻璃面。圆环面拟合法是将圆环上截取的玻璃部分近似当成圆柱。此种拟合方法仅适用于玻璃前后边界的半径偏差非常小，也就是R足够大，圆柱的半径r远小于R的情况；

C.鼓形面（见图3）：一条半径为R的圆弧曲线或低阶的NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines ）曲线绕着一旋转轴旋转所得到曲面即为鼓形面。基于鼓形面的侧窗玻璃的前后边界半径不同，鼓形面满足现代造型从B柱往车身前后收敛的风格，也是目前汽车厂商普遍使用的玻璃面的拟合方法。但从几位学者的论文 [3～5] 和笔者的实际工作项目应用上，基于鼓形面的玻璃运动，在车身的前后方向和左右方向均会存在一定的偏差。虽然这种偏差，不至于让玻璃产生卡死的现象，也在大部分主机厂商能够接受的范围内。但是一定的偏差势必会增加玻璃和导槽的摩擦，增加噪声和减少升降系统和导槽的寿命。

玻璃的升降运动只有做到了如下要求，才能保证玻璃的升降运动和玻璃面无偏差：一是玻璃上的所有点均沿着一个轴做旋转运动；其次，当旋转角度一致时，玻璃上的每一个点沿着该轴线方向所偏移的距离均相等。同时受限于造型特征，如前门玻璃的边界线前后平行且后倾，而后门玻璃的边界线前后平行且前倾，并且玻璃的前后边界半径不同。為此，提出了一种双曲率弧形桶状玻璃面，如图4所示。该玻璃面的前后边界是螺距相等的螺旋线，母线是符合造型特征的一圆弧，玻璃面是该圆弧通过前后边界扫略形成的曲面。

玻璃的前后边界是2条螺距相等，半径不等的螺旋线。每一条螺旋线都是一个圆柱螺旋线，且这两条螺旋线的旋转轴相同。玻璃的前后边界展开后为2条平行的直线，在沿旋转轴的方向的投影，为2个圆心相同，半径不同的2个圆弧。

如图5所示，根据螺旋线的特性，设玻璃旋转角度为β时，沿旋转轴移动的距离A，可知：

从而可以推导出，螺距的方程为：

3 拟合设计方法

按照理论分析，以某车型的前门侧窗玻璃为例，其中已知的条件为：a. 车身造型数据b. 根据造型B柱盖板和三角区盖板初步定义的车门玻璃的前后边界位置c.根据造型的侧围K线和窗台位置初步定义的玻璃上下边界位置，如图6所示：

分析造型的玻璃边界线，从后视图来看，玻璃的前后边界似为2条半径不同的曲线，如图7所示：

从俯视图来看，玻璃曲面为一条曲线，如图8所示。可见造型所使用的玻璃为双曲率玻璃面。

根据螺旋线的原理，只要能拟合出一个直线作为旋转轴，且此轴要尽可能满足：前边界上所有点，距离该轴的距离相等，和后边界上所有点，距离该轴的距离相等。可将拟合条件分解为造型前边界的上下端点距离该轴的距离相等，和后边界的上下端点距离该轴的距离相等，并且前后边界均为螺旋曲线。如图9中所示，其中L1=L2，L3=L4。

根据以上理论和方法，设置拟合的允许误差为0.05mm。具体拟合方法为：①过玻璃的前后边界，拟合2个圆，并过2圆的圆心做一直线1 ②分别过玻璃前后边界的2 个下端点，并和直线1垂直做2个面（平面1，平面2），将2个圆分别投影到这2个平面上；③分别在前后投影线，靠近玻璃边界上、中、下处各选3个点，再做2个圆。并过这2个圆心再做一条直线2；④将玻璃后边界上下短点分别投影到直线2上，并分别相连得到2条直线，测量这两条直线的长度L3和L4；⑤量取L3和L4的长度，判断长度差是否在误差允许范围内，若不在，则返回第③步，重新调整选取点的位置。直至L3和L4的长度差在允许误差范围内；⑥测量L3和L4的距离和角度，并根据公式计算出螺旋线的螺距大小；⑦根据Catia的螺旋线命令，输入上步计算出的螺距值，选择起始点为前后边界的下断点，螺旋轴为第3步做出的直线，分别作出前后2条螺旋线。这两条螺旋线即为玻璃的前后边界线，也是玻璃导轨导线的基础线。⑧过螺旋线旋转轴和靠近造型玻璃中间位置的任一点做一平面，并求该平面与玻璃面的交线，并将交线拟合成一个圆，取靠近玻璃的一段。将该圆作为截面线，前后螺旋线作为引导线，重新扫略出一个曲面，该曲面即为重新拟合的玻璃面；⑨检查新扫略的玻璃面与原造型玻璃面的偏差，应将其控制在允许的误差范围内。若超过此范围，则需要调整上步中选取的点的位置，重新拟合成。

对新的玻璃面进行裁剪，并增加料厚即可得出玻璃的数据。裁剪的前后边界使用拟合出的螺旋边界线，上边界使用和原造型玻璃的边界在新玻璃面上的投影，而下边界则根据车门内压条的密封性和防水要求，结合玻璃的可制造性等，后门还要考虑升降器的重心位置等要求进行设计。同时，根据玻璃下降到最低位置不能漏出窗台等要求，设计玻璃引导线的长度。至此，整个玻璃的拟合和引导线设计完成。

4 基于CAD的拟合设计

玻璃面的拟合是带有一定偏差的拟合，笔者所提到的这种方法，很大程度上已经非常贴近造型可以控制偏差在0.05mm以内。但如果手动操控，也需要一定程度的反复调整，且手动判断容易出错。因此，提出了基于CAD二次开发技术的拟合方法。

CATIA接口通过两种方式与外部程序通信：进程内应用程序（In Process Application）方式和进程外应用程序（Out Process Application）方式[6]。对CATIA进行二次开发一共有四种方式：Automation API，Knowledge Ware，Interactive User Defined Feature和 CAA V5 C++ And Java API。

编写自动化应用接口（Automation API）的宏使用的脚本语言是可视化程序设计语言应用（Visual Basic for Application，VBA），该脚本几乎提供了所有Visual Basic语言及图形的界面功能。VBA本身有一个完整的集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE），有方便的代码提示、语法高亮显示及强大的调试功能，因而手工编写代码很方便。因此，本文采用自动化应用接口（Automation API）的方法，基于Visual Basic语言所编制的智能化操作系统。整个系统的输入条件为本文第2部分所提到的已知条件，同时设置允许的偏差大小为 0. 05mm。初始界面如图11所示：endprint

点击开始，系统会根据第2步中提到的拟合方法运算，其中，关键的算法是第③步中圆的拟合上，采用的是基于CATIA的三点做圆命令，不断将三个点以0.05mm的间隔进行调整，利用VB的For/ Next循环，直至误差在允许的范围内，具体算法如图12所示：

循环结束后，当拟合的新玻璃面与原造型玻璃面在允许的误差范围内，退出循环并弹出结果对话框，如图13所示。利用CATIA的偏差分析命令，结果如图14所示，可以看到，该系统得出的结果和CATIA的偏差结果一致，本例中最大偏差均為0.0434mm，在允许的范围内。

5 运动分析验证

拟合出的双曲率弧形桶状玻璃面、导轨导线和裁剪后的玻璃，为后续的在车型开发流程中的表面光顺和结构设计提供基础。将裁剪后的玻璃，沿着导轨导线下降运动，并在运动过程中分别选取导线长度的10等分处测量下降后的玻璃与新拟合的玻璃面和导轨导线的偏差，从偏差分析的结果来看，无论是与玻璃面左右方向的偏差，还是与导轨的前后方向的偏差均为零，如图15所示：

6 结 论

利用本文介绍的方法，不仅能够保证现代造型的车身设计双曲率的要求，利用CAD的二次开发技术，使拟合的玻璃面与原造型控制在0.05mm以内，同时保证了高精度和高效率。将玻璃面和玻璃导轨同时拟合，消除了玻璃下降过程中的偏差，更好地提高了高精度的开发，减少因偏差而引起的玻璃升降中的摩擦和噪声，延长周边零件的使用寿命，符合高精度的开发要求，为中国汽车行业的高精准开发奠定基础。

参考文献：

[1]高云凯， 赵懿， 彭和东.环面玻璃轿车车门设计方法研究[J].汽车工程， 2005， 27（4）： 483-485.

[2]雷雨成， 张平， 陈寿昌， 等.双曲率车门玻璃的圆环面拟合法[J].汽车工程， 2005， 27（5）：623.

[3]高大威， 高云凯， 周晓燕， 刘海立. 基于鼓形面的车门玻璃及导轨设计[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2012，1（40）： 92-96.

[4]李传经. 腰鼓形双曲率车门玻璃升降系统设计 .北京汽车.2011. No.6. 16-17.

[5]王金松. 车门玻璃面的运动轨迹确定及升降器布置.南方农机-车辆与动力工程. 2015.12. P43.

[6]李自胜， 朱莹， 向中凡. 基于CATIA软件的二次开发技术. 四川工业学院学报.2003.22（1） P.16-18.endprint