汽车正向开发中车门玻璃曲面的设计与校核

顾君

(上汽大众汽车有限公司，上海 201805)

0 引言

车门玻璃曲面作为汽车侧面造型的设计基础，对整车造型风格具有极大的影响。因此，整车侧风窗玻璃曲面的确定是造型设计顺利开展的首要条件，也是后续车门系统方案开发的重要输入，必须从项目开始时就进行系统考虑。

1 玻璃曲面设计原则

基于车门玻璃曲面对于造型及车门系统开发的重要性，在全新车型的正向开发流程中，总布置工程师需在项目最初期即对造型数据中的玻璃曲面进行技术可行性评价及曲面拟合。通常，初版造型数据中的玻璃曲面都无法满足工程需求，当偏离量太大时，会导致按技术要求调整后的玻璃曲面无法匹配当前造型，需要重新进行整车侧面造型的设计。在这种情况下，为避免进入嵌套式循环，车门玻璃曲面应由总布置工程师拟合并初步校核之后，提出调整方案且与造型师达成一致，作为后续造型设计的基础，从而避免车门玻璃面以及侧面造型的重复校核及调整，影响开发效率。

一般而言，车门玻璃曲面向车身中心的倾斜角度和曲率主要取决于车身外形的需要，并且影响车门厚度、车身内部宽度(如乘客的头部空间、肩部空间等)和乘客的进出方便性等。因此设计时须考虑以下因素：

(1)玻璃曲面位置应能保证乘客有足够的头部、肩部、肘部以及臀部使用空间；

(2)玻璃在静态位置以及下降过程中的任意位置必须与周边零件留有足够的间隙；

(3)玻璃曲面的透光高度应满足前后玻璃升降要求。

2 玻璃曲面拟合方式

当今汽车消费群体对于造型的美学要求越来越高，汽车侧风窗玻璃也逐步从之前的单曲率曲面过渡为双曲率曲面，以满足造型师对侧面造型要求较高的愿望。常见的双曲率曲面有圆环玻璃曲面、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两种形式，由于其造型在三维方向上的高自由度而受到青睐。

2.1 桶形玻璃曲面

桶形玻璃曲面是早些年普遍采用的侧风窗玻璃替代面，如图1所示。双曲率玻璃曲面在垂直于轴线的方向为圆弧线，曲率保持一致，而垂直于轴线的不同截面半径却是变化的，各截面玻璃曲线是一组同心圆弧，沿轴线方向车身中部的曲率较大，越靠车头或车尾区域，按照造型需要，玻璃曲面越呈现收窄的趋势。因此也可以将此桶形面理解为：由圆柱面的母线按造型趋势向车辆侧面弯曲一定弧度后绕轴旋转得来的回转二次曲面。常用的玻璃曲率半径在1 000～2 000 mm，并要求前后边界差值不能过大。

图1 桶形玻璃曲面示意

桶形玻璃曲面在形面设计及拟合上虽然较为简单，但在玻璃实际升降过程中却存在一定缺陷。一方面，由于B柱饰板的造型决定了车窗门框呈向后倾斜的姿态，为使得玻璃切边能沿车窗导槽正常运动，车门玻璃的升降除了包含绕轴线的旋转运动外，还伴随前后方向的运动，因此实际运动过程更接近类似螺旋线的运动方式(绕轴旋转和轴线平移的合成)，桶形玻璃曲面侧窗玻璃运动模拟如图2所示。另一方面，桶形面曲率却沿轴向不断变化，所以导致玻璃曲面在下降过程中无法完全贴合桶形玻璃曲面，即车门玻璃下降过程中与窗框导槽的间隙存在不均匀性。由此产生的偏差，必须借助窗框橡胶密封导槽的变形才能得以补偿，这也会造成玻璃升降过程中导槽中的摩擦阻力较大，影响升降平顺性，并且升降过程中存在噪声，影响使用体验。

图2 桶形玻璃曲面侧窗玻璃运动模拟

2.2 螺旋玻璃曲面

由第2.1节可知，桶形玻璃曲面的运动误差是因螺旋线的运动方式和桶形面曲率沿轴线的变化不一致产生的。为了解决桶形玻璃曲面在运动模拟和面差校核中存在的问题，可以在拟合车门玻璃面的初期，就将拟合曲面的基础由桶形面升级为螺旋面，从而使玻璃面的等曲率方向调整为与玻璃升降运动方向尽可能一致。螺旋玻璃曲面示意如图3所示，它是由螺旋面的母线在轴线方向绕螺旋引导线扫掠而成的。

图3 螺旋玻璃曲面示意

螺旋玻璃曲面的应用减小了玻璃运动模拟中与玻璃大面的偏差，在运动过程中可以较好地保持与周边环境的相对关系，既减少了玻璃升降过程中的波动，又减小了窗框橡胶密封导槽中的摩擦阻力，使得玻璃升降运动更为流畅，如图4所示。

图4 螺旋玻璃曲面侧窗玻璃运动模拟

需要注意的是，螺旋线的螺距参数取决于B柱饰板的倾斜角度。一旦B柱饰板的倾斜角度发生了更改，就需要重新调整玻璃等曲率方向，重新拟合玻璃面，保证玻璃等曲率方向与玻璃切边的一致性。

综上分析，桶形面由于其拟合方法较为简单，现今一般用于初版造型玻璃曲面的双曲率快速拟合及初步校核工作。当造型玻璃曲面及B柱倾斜角度确定后，需将其重新拟合成螺旋曲面，以优化玻璃升降的平顺性。

3 造型玻璃曲面校核

满足工程需求的车门玻璃曲面，应满足人机工程学、空间距离和玻璃透光等各方面的要求。在前期设计阶段，由于结构数据的缺乏，需利用二维截面设计与三维Dummy数据相结合的方式进行系统性的全面分析。在存在较大偏差的情况下，必须综合各方面因素提出玻璃曲面修改要求并拟合玻璃曲面，反馈造型。如果该玻璃曲面与造型原始玻璃曲面偏差较大，应要求造型师根据玻璃曲面建议重新匹配侧面造型。

3.1 人机工程校核

从造型处得到初步的玻璃造型面之后，可直接开展人机工程校核。首先需要在关键位置制作截面，初步考察玻璃面是否能满足人机工程设定的目标值。

(1)头部空间(前排)(后排)

分别通过前后排SAE 95%男性人体模型的头部包络中心线做截面。以前排为例，如图5所示，需要以造型给出的门框顶部区域玻璃面位置及车门顶部门缝位置为基础，构造车身钣金系统以及车顶内饰截面，由此获得95%男性头部沿与侧向夹角30°方向上的活动空间值。如果头部空间和人机工程学制定的目标偏差较大，则需要相应调整玻璃面上部点在向的位置。

图5 头部空间校核截面

(2)肩部空间；肘部空间；臀部空间

通过前、后排点做截面。以前排为例，如图6所示，需要以造型给出的玻璃面以及窗沿线位置为基础，构造车门钣金系统以及车门内饰截面，由此获得横向肩部()、肘部()及臀部()的空间值。如果内部空间值和人机工程学制定的目标偏差较大，则需要相应调整窗沿线区域玻璃点在向的位置。

图6 肩部、肘部、臀部空间校核截面

3.2 升降空间要求

除了满足人机工程学要求之外，玻璃面位置还须使得玻璃能够按功能要求正常升降，并且按造型特征，切边之后的车门玻璃在升降过程中任意位置与周边零件不发生空间干涉等问题。

(1)向间距要求

为满足此要求，应保证玻璃升降包络面与周边零件(如车门防撞横梁、车门把手支架、车门限位器、车门门锁等)在方向留有足够的间隙，通常要求大于10 mm。在方案设计初期，往往需要在没有内部详细结构数据的前提下对车门造型进行预判，根据经验，一般要求车门外表面在玻璃曲面之外保持至少50 mm的间距。

玻璃曲面向距离控制如图7所示。

图7 玻璃曲面Y向距离控制

(2)向间距要求

车门玻璃在向的运动轨迹主要由B柱饰板倾斜角度决定。玻璃下降过程中在方向需要避让车门把手锁芯、门锁模块、限位器加强板等周边零件，并保证具有足够的间隙，通常要求大于7 mm。如果玻璃升降过程中无法满足间距要求，应优先选择调整周边零件位置进行避让，在各零件达到极限位置的情况下，再与造型师协商，调整B柱饰板倾斜角度。

玻璃升降过程中的运动轨迹(如图8虚线1所示)可通过升降运动模拟获得。

图8 玻璃曲面X向距离控制

3.3 玻璃曲面透光高度校核

车门玻璃曲面透光高度是指车门玻璃最高点至窗沿线的垂向高度，可直接从造型数据中获得。但对于由此获得的透光高度，需校核玻璃透光高度能否满足玻璃下降行程的需求。一般情况下要求前门玻璃都能完全降至窗沿线以下。对于后门玻璃，最高要求是和前门玻璃一样，能够完全降至窗沿线之下，但是由于车门结构形式以及玻璃窗分块方式的限制，不是所有车型的车门玻璃都能满足这个要求。对于这些车型，设计时应保证露出窗沿的部分高度尽可能小，通常要求不能降下的部分不大于窗口透光区域高度的30%。如果玻璃面透光高度无法满足玻璃下降行程需求，则应反馈给造型师，调整窗沿线高度或车门窗框顶部轮廓线。

在方案设计初期，由于没有详细的内部结构数据，可通过比较玻璃曲面透光高度与窗沿至门洞下止口边的高度来初步判定，前门玻璃是否能完全降至窗沿之下，以确定造型的窗线和车门窗框顶部轮廓线位置是否合理。表1为不同车型前门升降高度的参考值，其中，车门玻璃曲面透光高度示意如图9所示。

表1 不同车型前门升降高度的参考值 单位：mm

图9 车门玻璃曲面透光高度示意

随着方案设计工作的推进，应初步搭建车门内板等车门系统结构数据，并在三维环境下验证车门玻璃是否可以完全下降至窗沿线以下。需要保证车窗下降至最低点位置时，玻璃(包括摇窗机运动结构)与车门钣金留有10 mm以上的安全间隙,如图10所示。

图10 前后门玻璃升降苛刻位置

4 结束语

在全新车型的正向开发过程中，车门玻璃曲面的确定是最重要的工作环节之一。车门玻璃曲面不仅是整车中部造型中的决定性因素，后期更改对于整车项目的开发进度会有很大影响。玻璃大面制约乘客舱的内部横向空间，影响车门系统诸如门锁、限位器、铰链等多个零件的空间布置，同时它还与侧围门洞止口边及车门结构的设计有密切关系。

作为整车前期开发人员，从项目开始之初，就应对车门玻璃大面的设计进行全面的技术分析工作。在曲面的拟合、设计及校核工作过程中，必须细致考虑和缜密分析各种相关因素，并且和造型、结构、人机等部门进行多方多轮讨论，权衡各方利弊，兼顾工程与美感，才能确定最终方案，完成符合造型和工程要求的车门玻璃面设计，作为后续设计的输入。