基于CAD的汽車側(cè)窗玻璃面與導(dǎo)軌導(dǎo)線的設(shè)計(jì)研究

胡廣新+王亮

摘 要：提出了一種基于CAD的汽車側(cè)窗雙曲率玻璃面與導(dǎo)軌導(dǎo)線的擬合方法。該方法利用螺旋線的旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)特性，并結(jié)合CATIA的二次開發(fā)工具，具有高效，精準(zhǔn)等特性。在實(shí)際項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了擬合出的玻璃面與造型偏差控制在0.05mm，基于擬合的玻璃面做出的玻璃能夠?qū)崿F(xiàn)在玻璃面上的無偏差運(yùn)動(dòng)。說明該方法及開發(fā)出的工具設(shè)計(jì)合理，精準(zhǔn)、高效。

關(guān)鍵詞：車門玻璃；導(dǎo)軌導(dǎo)線；雙曲率玻璃面；擬合 CATIA二次開發(fā)

中圖分類號(hào)：U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

汽車側(cè)窗玻璃面是汽車車門開發(fā)的基礎(chǔ)，也是汽車造型和車身設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。筆者所在公司的汽車車身造型設(shè)計(jì)越來越強(qiáng)調(diào)流線型，因此，車門玻璃均采用雙曲率的玻璃面。所謂雙曲率玻璃面，是指在升降方向和車身長(zhǎng)度2個(gè)方向上，玻璃面的曲率都大于零。采用雙曲率玻璃面的車窗玻璃的升降運(yùn)動(dòng)是上下沿某軸轉(zhuǎn)動(dòng)和側(cè)向滑移運(yùn)動(dòng)的合成，這種復(fù)雜的復(fù)合運(yùn)動(dòng)對(duì)玻璃曲面和導(dǎo)軌導(dǎo)線的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。如果設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)致玻璃在運(yùn)動(dòng)的過程中與玻璃面產(chǎn)生較大的偏差，而導(dǎo)致玻璃升降困難甚至卡死。

近年來，汽車廠商對(duì)于雙曲率玻璃面已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用，部門學(xué)術(shù)界也對(duì)不同形式的雙曲率玻璃面做了一定的研究。如高云凱等[1] 和雷雨成等[2]采用圓環(huán)面來擬合雙曲率玻璃面，但筆者在實(shí)際車型開發(fā)的過程中，發(fā)現(xiàn)使用該方法所擬合出的玻璃運(yùn)動(dòng)偏差較大，約在3mm左右。后來，同濟(jì)大學(xué)的高大威[3]和廣汽長(zhǎng)豐研發(fā)中心的李傳經(jīng)[4]提出了基于鼓形面的車門玻璃，并基于鼓形線原理設(shè)計(jì)了玻璃導(dǎo)軌。筆者在實(shí)際的車型開發(fā)應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)該方法擬合出的玻璃面雖然與造型的流線型匹配度較好，但受限于玻璃面本身運(yùn)動(dòng)特性和旋轉(zhuǎn)軸的選取，玻璃的運(yùn)動(dòng)偏差也基本上都在0.6mm左右。無論是圓環(huán)面還是鼓形面來擬合玻璃面，在實(shí)際的車型開發(fā)中，均存在如下的問題：

1.受圓環(huán)面和鼓形面幾何本身特征因素的影響，雖然玻璃下降的過程中，有下降方向和車身方向兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，但該2個(gè)運(yùn)動(dòng)不能完全補(bǔ)償，從而導(dǎo)致較大偏差；

2.無論是圓環(huán)面還是鼓形面，均只能先擬合出玻璃面，再根據(jù)玻璃面擬合導(dǎo)軌導(dǎo)線，2次擬合的誤差疊加，從而導(dǎo)致較大偏差。

筆者結(jié)合所在公司的某一款車型，對(duì)側(cè)面玻璃進(jìn)行了雙曲率玻璃面和玻璃引導(dǎo)線的同時(shí)擬合。并結(jié)合CATIA的二次開發(fā)工具，使用迭代算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)擬合玻璃面和導(dǎo)軌導(dǎo)線的偏差控制。通過運(yùn)動(dòng)分析，擬合出的玻璃面與原玻璃面最大偏差小于0.05mm，基于擬合的玻璃面做出的玻璃能夠?qū)崿F(xiàn)在玻璃面上的無偏差運(yùn)動(dòng)。說明該方法及開發(fā)出的工具設(shè)計(jì)合理，準(zhǔn)確。

2 設(shè)計(jì)理論

由于雙曲率汽車側(cè)窗玻璃半徑，從后視圖看，在B柱附近半徑最大，且往車身前后方向逐步減小。以前門為例，側(cè)窗玻璃的前后邊界的半徑不同，后邊界較大，前邊界稍小，且由于B柱造型原因，導(dǎo)致前后邊界線從側(cè)面看是后傾的。而玻璃的邊界則決定了玻璃的運(yùn)動(dòng)軌跡和升降器導(dǎo)軌的形狀，因此，玻璃邊界的定義，也是導(dǎo)軌導(dǎo)線定義的基礎(chǔ)。為保證玻璃升降過程中的平順，在理論上，就要求玻璃能嚴(yán)格沿著2個(gè)邊界運(yùn)動(dòng)，即玻璃在上下升降的過程中，盡量減少車身前后方向與邊界的偏離，和在車身左右方向與玻璃面的偏離。

為達(dá)到上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，通常將玻璃的升降運(yùn)動(dòng)擬合成沿某一軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿該軸線方向上的偏移運(yùn)動(dòng)的組合。而玻璃面在此前的學(xué)術(shù)研究中，也經(jīng)常被擬合成如下的幾種形式：

A.圓柱面（見圖1）：玻璃的升降可以上下運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但玻璃的前后邊界半徑必須相等，是單曲率玻璃面，由于與現(xiàn)代造型偏差較大，因此，現(xiàn)在轎車廠商幾乎不再使用；endprint

B.圓環(huán)面（見圖2）：將圓柱面以一定的半徑R彎曲為一個(gè)圓環(huán)，圓環(huán)的表面即為圓環(huán)玻璃面。圓環(huán)面擬合法是將圓環(huán)上截取的玻璃部分近似當(dāng)成圓柱。此種擬合方法僅適用于玻璃前后邊界的半徑偏差非常小，也就是R足夠大，圓柱的半徑r遠(yuǎn)小于R的情況；

C.鼓形面（見圖3）：一條半徑為R的圓弧曲線或低階的NURBS（Non-Uniform Rational B-Splines ）曲線繞著一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所得到曲面即為鼓形面?；诠男蚊娴膫?cè)窗玻璃的前后邊界半徑不同，鼓形面滿足現(xiàn)代造型從B柱往車身前后收斂的風(fēng)格，也是目前汽車廠商普遍使用的玻璃面的擬合方法。但從幾位學(xué)者的論文 [3～5] 和筆者的實(shí)際工作項(xiàng)目應(yīng)用上，基于鼓形面的玻璃運(yùn)動(dòng)，在車身的前后方向和左右方向均會(huì)存在一定的偏差。雖然這種偏差，不至于讓玻璃產(chǎn)生卡死的現(xiàn)象，也在大部分主機(jī)廠商能夠接受的范圍內(nèi)。但是一定的偏差勢(shì)必會(huì)增加玻璃和導(dǎo)槽的摩擦，增加噪聲和減少升降系統(tǒng)和導(dǎo)槽的壽命。

玻璃的升降運(yùn)動(dòng)只有做到了如下要求，才能保證玻璃的升降運(yùn)動(dòng)和玻璃面無偏差：一是玻璃上的所有點(diǎn)均沿著一個(gè)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；其次，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度一致時(shí)，玻璃上的每一個(gè)點(diǎn)沿著該軸線方向所偏移的距離均相等。同時(shí)受限于造型特征，如前門玻璃的邊界線前后平行且后傾，而后門玻璃的邊界線前后平行且前傾，并且玻璃的前后邊界半徑不同。為此，提出了一種雙曲率弧形桶狀玻璃面，如圖4所示。該玻璃面的前后邊界是螺距相等的螺旋線，母線是符合造型特征的一圓弧，玻璃面是該圓弧通過前后邊界掃略形成的曲面。

玻璃的前后邊界是2條螺距相等，半徑不等的螺旋線。每一條螺旋線都是一個(gè)圓柱螺旋線，且這兩條螺旋線的旋轉(zhuǎn)軸相同。玻璃的前后邊界展開后為2條平行的直線，在沿旋轉(zhuǎn)軸的方向的投影，為2個(gè)圓心相同，半徑不同的2個(gè)圓弧。

如圖5所示，根據(jù)螺旋線的特性，設(shè)玻璃旋轉(zhuǎn)角度為β時(shí)，沿旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)的距離A，可知：

從而可以推導(dǎo)出，螺距的方程為：

3 擬合設(shè)計(jì)方法

按照理論分析，以某車型的前門側(cè)窗玻璃為例，其中已知的條件為：a. 車身造型數(shù)據(jù)b. 根據(jù)造型B柱蓋板和三角區(qū)蓋板初步定義的車門玻璃的前后邊界位置c.根據(jù)造型的側(cè)圍K線和窗臺(tái)位置初步定義的玻璃上下邊界位置，如圖6所示：

分析造型的玻璃邊界線，從后視圖來看，玻璃的前后邊界似為2條半徑不同的曲線，如圖7所示：

從俯視圖來看，玻璃曲面為一條曲線，如圖8所示。可見造型所使用的玻璃為雙曲率玻璃面。

根據(jù)螺旋線的原理，只要能擬合出一個(gè)直線作為旋轉(zhuǎn)軸，且此軸要盡可能滿足：前邊界上所有點(diǎn)，距離該軸的距離相等，和后邊界上所有點(diǎn)，距離該軸的距離相等?？蓪M合條件分解為造型前邊界的上下端點(diǎn)距離該軸的距離相等，和后邊界的上下端點(diǎn)距離該軸的距離相等，并且前后邊界均為螺旋曲線。如圖9中所示，其中L1=L2，L3=L4。

根據(jù)以上理論和方法，設(shè)置擬合的允許誤差為0.05mm。具體擬合方法為：①過玻璃的前后邊界，擬合2個(gè)圓，并過2圓的圓心做一直線1 ②分別過玻璃前后邊界的2 個(gè)下端點(diǎn)，并和直線1垂直做2個(gè)面（平面1，平面2），將2個(gè)圓分別投影到這2個(gè)平面上；③分別在前后投影線，靠近玻璃邊界上、中、下處各選3個(gè)點(diǎn)，再做2個(gè)圓。并過這2個(gè)圓心再做一條直線2；④將玻璃后邊界上下短點(diǎn)分別投影到直線2上，并分別相連得到2條直線，測(cè)量這兩條直線的長(zhǎng)度L3和L4；⑤量取L3和L4的長(zhǎng)度，判斷長(zhǎng)度差是否在誤差允許范圍內(nèi)，若不在，則返回第③步，重新調(diào)整選取點(diǎn)的位置。直至L3和L4的長(zhǎng)度差在允許誤差范圍內(nèi)；⑥測(cè)量L3和L4的距離和角度，并根據(jù)公式計(jì)算出螺旋線的螺距大?。虎吒鶕?jù)Catia的螺旋線命令，輸入上步計(jì)算出的螺距值，選擇起始點(diǎn)為前后邊界的下斷點(diǎn)，螺旋軸為第3步做出的直線，分別作出前后2條螺旋線。這兩條螺旋線即為玻璃的前后邊界線，也是玻璃導(dǎo)軌導(dǎo)線的基礎(chǔ)線。⑧過螺旋線旋轉(zhuǎn)軸和靠近造型玻璃中間位置的任一點(diǎn)做一平面，并求該平面與玻璃面的交線，并將交線擬合成一個(gè)圓，取靠近玻璃的一段。將該圓作為截面線，前后螺旋線作為引導(dǎo)線，重新掃略出一個(gè)曲面，該曲面即為重新擬合的玻璃面；⑨檢查新掃略的玻璃面與原造型玻璃面的偏差，應(yīng)將其控制在允許的誤差范圍內(nèi)。若超過此范圍，則需要調(diào)整上步中選取的點(diǎn)的位置，重新擬合成。

對(duì)新的玻璃面進(jìn)行裁剪，并增加料厚即可得出玻璃的數(shù)據(jù)。裁剪的前后邊界使用擬合出的螺旋邊界線，上邊界使用和原造型玻璃的邊界在新玻璃面上的投影，而下邊界則根據(jù)車門內(nèi)壓條的密封性和防水要求，結(jié)合玻璃的可制造性等，后門還要考慮升降器的重心位置等要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)玻璃下降到最低位置不能漏出窗臺(tái)等要求，設(shè)計(jì)玻璃引導(dǎo)線的長(zhǎng)度。至此，整個(gè)玻璃的擬合和引導(dǎo)線設(shè)計(jì)完成。

4 基于CAD的擬合設(shè)計(jì)

玻璃面的擬合是帶有一定偏差的擬合，筆者所提到的這種方法，很大程度上已經(jīng)非常貼近造型可以控制偏差在0.05mm以內(nèi)。但如果手動(dòng)操控，也需要一定程度的反復(fù)調(diào)整，且手動(dòng)判斷容易出錯(cuò)。因此，提出了基于CAD二次開發(fā)技術(shù)的擬合方法。

CATIA接口通過兩種方式與外部程序通信：進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序（In Process Application）方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序（Out Process Application）方式[6]。對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)一共有四種方式：Automation API，Knowledge Ware，Interactive User Defined Feature和 CAA V5 C++ And Java API。

編寫自動(dòng)化應(yīng)用接口（Automation API）的宏使用的腳本語言是可視化程序設(shè)計(jì)語言應(yīng)用（Visual Basic for Application，VBA），該腳本幾乎提供了所有Visual Basic語言及圖形的界面功能。VBA本身有一個(gè)完整的集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE），有方便的代碼提示、語法高亮顯示及強(qiáng)大的調(diào)試功能，因而手工編寫代碼很方便。因此，本文采用自動(dòng)化應(yīng)用接口（Automation API）的方法，基于Visual Basic語言所編制的智能化操作系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的輸入條件為本文第2部分所提到的已知條件，同時(shí)設(shè)置允許的偏差大小為 0. 05mm。初始界面如圖11所示：endprint

點(diǎn)擊開始，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)第2步中提到的擬合方法運(yùn)算，其中，關(guān)鍵的算法是第③步中圓的擬合上，采用的是基于CATIA的三點(diǎn)做圓命令，不斷將三個(gè)點(diǎn)以0.05mm的間隔進(jìn)行調(diào)整，利用VB的For/ Next循環(huán)，直至誤差在允許的范圍內(nèi)，具體算法如圖12所示：

循環(huán)結(jié)束后，當(dāng)擬合的新玻璃面與原造型玻璃面在允許的誤差范圍內(nèi)，退出循環(huán)并彈出結(jié)果對(duì)話框，如圖13所示。利用CATIA的偏差分析命令，結(jié)果如圖14所示，可以看到，該系統(tǒng)得出的結(jié)果和CATIA的偏差結(jié)果一致，本例中最大偏差均為0.0434mm，在允許的范圍內(nèi)。

5 運(yùn)動(dòng)分析驗(yàn)證

擬合出的雙曲率弧形桶狀玻璃面、導(dǎo)軌導(dǎo)線和裁剪后的玻璃，為后續(xù)的在車型開發(fā)流程中的表面光順和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。將裁剪后的玻璃，沿著導(dǎo)軌導(dǎo)線下降運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過程中分別選取導(dǎo)線長(zhǎng)度的10等分處測(cè)量下降后的玻璃與新擬合的玻璃面和導(dǎo)軌導(dǎo)線的偏差，從偏差分析的結(jié)果來看，無論是與玻璃面左右方向的偏差，還是與導(dǎo)軌的前后方向的偏差均為零，如圖15所示：

6 結(jié) 論

利用本文介紹的方法，不僅能夠保證現(xiàn)代造型的車身設(shè)計(jì)雙曲率的要求，利用CAD的二次開發(fā)技術(shù)，使擬合的玻璃面與原造型控制在0.05mm以內(nèi)，同時(shí)保證了高精度和高效率。將玻璃面和玻璃導(dǎo)軌同時(shí)擬合，消除了玻璃下降過程中的偏差，更好地提高了高精度的開發(fā)，減少因偏差而引起的玻璃升降中的摩擦和噪聲，延長(zhǎng)周邊零件的使用壽命，符合高精度的開發(fā)要求，為中國(guó)汽車行業(yè)的高精準(zhǔn)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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