劉 旭，陳俊志

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(shí)現(xiàn)。玻璃面設(shè)計(jì)一直是一個(gè)難點(diǎn)，玻璃面設(shè)計(jì)時(shí)效率較低。國內(nèi)外有一部分文獻(xiàn)對(duì)車門玻璃設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，如：A. Gfrerrer等提出了如何通過一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)，獲得最小的撓度，對(duì)造型表面進(jìn)行必要但可接受的修改[1]；Choong-Ryung Lee等對(duì)車門窗玻璃的平穩(wěn)運(yùn)行和跟蹤進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估[2]；Helmut Pottmann研究了如何計(jì)算近似曲面，并特別強(qiáng)調(diào)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中使用的基本形狀[3]；長城汽車喬偉利用隨機(jī)點(diǎn)捕捉法，進(jìn)行玻璃點(diǎn)云逆向，得出了最優(yōu)玻璃面[4]。同濟(jì)大學(xué)雷雨成，提出一種雙曲率玻璃的規(guī)范化擬合方法,建立了圓環(huán)面車門玻璃的數(shù)學(xué)模型[5]。同濟(jì)大學(xué)高云凱，對(duì)現(xiàn)代環(huán)面玻璃轎車車門的設(shè)計(jì)方法和流程進(jìn)行了探索[6]。同濟(jì)大學(xué)的高大威，根據(jù)鼓形線原理得到玻璃導(dǎo)軌曲線，達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求[7]。長豐汽車?yán)顐鹘?jīng)運(yùn)用CATIA對(duì)雙曲率玻璃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，提出了設(shè)計(jì)玻璃導(dǎo)軌、導(dǎo)槽、內(nèi)外水切、玻璃升降器的方法[8]。同濟(jì)大學(xué)孫從周闡述了基于圓環(huán)面的車門玻璃曲面設(shè)計(jì)及玻璃導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)流程[9]；上海理工的高大威，提出了基于雙曲率玻璃參數(shù)化模型的優(yōu)化方法，優(yōu)化后玻璃的擬合及運(yùn)動(dòng)誤差都控制在0.5mm以內(nèi)[10]。

上述文獻(xiàn)提出了很多優(yōu)秀的方法思路，但有的理論性較強(qiáng)，實(shí)踐起來存在一定難度，對(duì)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(shè)計(jì)流程，采用此種玻璃面設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)偏差控制在較小范圍內(nèi)。

1 車門玻璃設(shè)計(jì)概要

1.1 車門玻璃面設(shè)計(jì)的影響因素

1.1.1 人機(jī)布置對(duì)玻璃造型的影響

玻璃面設(shè)計(jì)要保證各功能件足夠尺寸空間，保證乘客正常的活動(dòng)不與車身發(fā)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(yùn)動(dòng)對(duì)玻璃大面的影響

目前絕大多數(shù)的車門玻璃的升降運(yùn)動(dòng)都是沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，且導(dǎo)軌有一定的傾角，保證其運(yùn)動(dòng)不會(huì)與車門各部件發(fā)生碰撞。玻璃在升降過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，所以我們必須調(diào)整玻璃在X方向和Y方向的曲率來控制玻璃面的運(yùn)動(dòng)偏差，使得與造型面誤差范圍控制在±0.2 mm內(nèi)。

1.2 鼓形雙曲率玻璃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

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(zhuǎn)所得到的回轉(zhuǎn)曲面。其中坐標(biāo)原點(diǎn)為O，大圓圓心O′到坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離為l，O′O方向?yàn)閥軸，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(zhuǎn),得到鼓形面方程：

(2)

如圖2，玻璃在鼓形面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，可將其視作為繞鼓形球面中心直線線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡線可用偏差較小的近似螺旋線代替，可以使運(yùn)動(dòng)偏差控制在極小范圍內(nèi)。玻璃面右側(cè)的兩個(gè)頂點(diǎn)a和頂點(diǎn)b分別投影到x軸線上的投影點(diǎn)c和投影點(diǎn)d，連接a點(diǎn)與c點(diǎn)為直線m，連接b點(diǎn)和d點(diǎn)為直線n。

圖2 玻璃導(dǎo)軌螺旋線 圖3 邊線圓弧及其中點(diǎn)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(jù)螺距計(jì)算公式：

(3)

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

1.3 車門玻璃面設(shè)計(jì)流程

(1) 獲取CAS(Concept A Surface，汽車概念造型面)及完成玻璃面設(shè)計(jì)相關(guān)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(dǎo)線。

(5) 以圓弧輪廓沿著兩根螺旋導(dǎo)線掃掠，完成玻璃面設(shè)計(jì)。

(6) 玻璃面校核驗(yàn)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(zhì)心點(diǎn)，用點(diǎn)求出與面相切的平面，再用此平面向車內(nèi)方向偏置1～2 mm，平面與玻璃點(diǎn)云會(huì)形成一個(gè)交線，根據(jù)交線的形狀來判斷玻璃面的形狀。如果交線的趨勢(shì)是一個(gè)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(gè)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(diǎn)

提取玻璃CAS兩邊的邊線并作出他們的中點(diǎn)，然后用三點(diǎn)圓命令根據(jù)邊線的兩個(gè)端點(diǎn)和邊線的中點(diǎn)作出兩個(gè)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(diǎn)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(diǎn)，及相交曲線的兩個(gè)端點(diǎn)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(duì)玻璃面兩側(cè)誤差影響較大，因此通過調(diào)整一些參數(shù)，來確定準(zhǔn)確的玻璃面軸線。

(1) 初定旋轉(zhuǎn)軸線

如圖6，取圖3步驟中的兩個(gè)中點(diǎn)連成一條直線，即我們所需的初步旋轉(zhuǎn)軸線。但這個(gè)玻璃面的軸線并非很精確，玻璃面由于要沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，因此玻璃面兩側(cè)邊線偏差應(yīng)盡量小。

圖6 初定獲取選擇軸線 圖7 設(shè)置角度長度變量

(2) 設(shè)置變量參數(shù)，設(shè)置擬合軸線

由于旋轉(zhuǎn)軸線的調(diào)整需要頻繁的修改數(shù)值的大小，為了提高操作的高效性，故使用函數(shù)命令。以下設(shè)置是使用函數(shù)命令做需要做出的相應(yīng)基本設(shè)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(shù)類型為長度和角度的參數(shù)，用于調(diào)整參數(shù)。

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

圖8 初擬軸線及平面

(3) 投影邊界線，調(diào)整參數(shù)

如圖9，分別投影兩個(gè)玻璃CAS的邊線，如圖10。

圖9 投影邊界線 圖10 兩投影線端點(diǎn)間 間隙x1和x2

兩投影線端點(diǎn)間的距離是x1和x2，調(diào)整，根據(jù)圖9所給出的半徑參數(shù)R和角度參數(shù)α的數(shù)值來改變x1和x2距離，使x1和x2都在0.1 mm之內(nèi)，并盡可能小?？梢韵日{(diào)整其中一個(gè)參數(shù)，使得這兩個(gè)測(cè)量值無限接近，使這兩條投影線趨向于平行，然后再調(diào)整另一個(gè)參數(shù)使兩個(gè)測(cè)量值滿足誤差要求。在調(diào)整參數(shù)數(shù)值的時(shí)候會(huì)比較難控制，而且會(huì)花費(fèi)很長時(shí)間。最后，調(diào)整R和α，使得x1=0.056 mm和x2=0.017 mm。

(4) 確定玻璃面旋轉(zhuǎn)軸線

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

圖11 確定玻璃面旋轉(zhuǎn)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(jù)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(jìn)行初步裁邊，藍(lán)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(cè)的兩個(gè)頂點(diǎn)a和頂點(diǎn)b分別投影到玻璃面軸線上為投影點(diǎn)c和投影點(diǎn)d，然后把點(diǎn)和投影的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)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(jì)算玻璃面螺距

測(cè)量lcd的距離、αmn的夾角數(shù)值，再依據(jù)前述螺距計(jì)算公式(3)：

(4) 繪制兩條螺旋線作為引導(dǎo)線

如圖14，分別以粗略裁邊玻璃后端底部的點(diǎn)b和b′為起點(diǎn)，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(dǎo)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(fù)偏差分別是0.147 mm和-0.192 mm，誤差范圍控制在±0.2 mm內(nèi)，貼合度較好，符合設(shè)計(jì)要求。如果偏差過大，需要調(diào)整玻璃的旋轉(zhuǎn)軸線來控制玻璃面的誤差滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 玻璃面運(yùn)動(dòng)校核

如圖17，車門玻璃的DMU需要三個(gè)運(yùn)動(dòng)接合，兩個(gè)點(diǎn)線接合，一個(gè)點(diǎn)面接合；點(diǎn)線接合是圖中兩邊的點(diǎn)分別在兩條螺旋線上運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)面接合是圖中中間的點(diǎn)在大面上的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)選擇任意一個(gè)點(diǎn)線接合即可。

圖17 玻璃運(yùn)動(dòng)校核

4 結(jié) 語

根據(jù)鼓形玻璃面工作原理，運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算及幾何建模等方法，擬合出圓弧曲線，確定玻璃面旋轉(zhuǎn)中心，并構(gòu)建螺旋線，最后通過圓弧沿螺旋線掃掠構(gòu)建玻璃曲面。該玻璃面與玻璃CAS的正負(fù)偏差分別是0.147 mm和-0.192 mm，誤差范圍控制在±0.2 mm內(nèi)，完全達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足玻璃曲面沿著導(dǎo)軌進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，說明了該設(shè)計(jì)方法的正確性與合理性，具有一定的研究參考價(jià)值。