汽車前擋風玻璃系統設計要素探討

相光海

（湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，湖南 長沙410205）

流線型車身玻璃與車身渾然成一體，從視覺上給人以整體的協調和美觀，且設計有一定后傾角、曲率光順的前擋風玻璃，還能減少氣流的渦流和紊流，風阻系數可以達到很低的水平。汽車前擋風玻璃不僅對整車造型美觀性產生影響，而且對乘員安全性、整車風阻系數、NVH特性等有重要影響，所以前擋風玻璃系統的設計在整車設計過程中有著至關作用。

1 系統簡介

前擋風玻璃系統由底涂、清洗劑、天線、玻璃膠、限位塊、擋膠條、內外飾膠條、前擋風玻璃、內后視鏡底座、釘柱或止動塊、雨量傳感器等構成。目前汽車前擋風玻璃均采用由外層玻璃、中間夾層、內層玻璃三部分組成的夾層玻璃。中間夾層普遍使用聚乙烯醇縮丁醛（PVB），夾層厚度一般為0.76 mm，夾層上部還可以設計遮陽彩帶。

為了遮擋內飾切邊、內后視鏡或雨量傳感器，使顧客目視美觀，也為了保護玻璃膠不被光照暴曬，夾層玻璃內側周圈設計一定寬度的黑色陶瓷釉，即玻璃黑邊。某些主機廠為了涂膠、安裝定位塊方便，還會要求在黑邊上印刷涂膠軌跡線或定位標記。有些車型為了滿足雨刮臂的定位或者避讓車身VIN碼，需要在玻璃黑邊上設計避讓缺口。為了弱化顧客視覺突變和包容黑邊制造偏差，還會設計一定寬度、漸變的過渡花點，即玻璃花邊。

2 系統設計要素概述

在整車開發過程中，前擋風玻璃系統是較早介入對造型CAS面進行工程分析的系統之一。在設計人員拿到初版造型面之后，需要按照各子系統設計要素對造型進行校核，這一階段的分析結果，往往會對最終整車造型及結構產生較大影響，下面就按照常規設計流程，對前擋風玻璃系統的設計要素進行解析。

2.1 PDS、DCD、DFMEA要求

在開發初期，主機廠會根據標桿車、車型市場定位，進行整車產品定義（PDS）和設計概念描述（DCD）、潛在失效模式（DFMEA）編寫。同一車型，根據不同的市場需求、成本，其配置會有所不同，這都反映在PDS和DCD文件中。車身附件工程師必須對項目組所發布PDS進行分析，并編制DFMEA和DCD兩份文件，這一階段主要分析內容如下：

（1）PDS：玻璃類型、遮光帶、內飾高低配置、頂蓋飾條、雨量傳感器等配置。

（2）DCD：描述前擋風玻璃系統結構、對標分析、設計規范、成本等。

（3）DFMEA：通過對過往問題的回顧，避免同樣設計問題在新產品中發生。

2.2 制造要求

汽車玻璃主要有輥壓成型、自重成型和壓制成型三種成型工藝，車身附件工程師必須要根據潛在供應商制造能力，按照制造需求對造型面進行校核，這一階段主要分析內容如下：

（1）對玻璃型面進行反射線和高斯曲率分析，反射線可以評估型面是否光順，曲率半徑過小、變化劇烈會影響玻璃的光學特性并導致制造成本加大，所以最小曲率值盡量要大于1 000 mm且曲率過渡平緩，對于具有特殊功能的玻璃對U向、V向曲率值要求更為嚴格。

（2）前擋玻璃拱高要求按位置不同可分為垂直面（Y0）拱高、邊部拱高、水平面拱高三部分，拱高過大則增加玻璃成型難度和成本。如圖1所示。前擋風玻璃拱高一般技術要求如下：

圖1 玻璃拱高位置示意圖

一是，水平面最大拱高（與A柱配合最寬處）A：若50 mm≤A≤115 mm則滿足要求，不需修改；若115 mm＜A≤185 mm則有風險，需要與供應商協商；若A＞185 mm則必須調整。

二是，垂直面最大拱高（球面值）B：若3 mm≤B≤15 mm則不需修改；若15 mm＜B≤19 mm則有風險，需要與供應商協商；若B＞19mm則必須調整。

三是，邊部拱高（距邊部100 mm處）C：若|B-C|≤5 mm則不需修改；若｜B-C｜＞5 mm則有風險，需要與供應商協商。

（3）玻璃規格也有相應要求，玻璃規格L1XL2不能超過設備制造能力。根據前擋風玻璃密度約為2.705 g/cm3，即可計算出玻璃的總質量。玻璃的總質量直接影響到主機廠總裝車間制造，目前國內大多數主機廠擋風玻璃裝配還是由兩名工人用吸盤進行操作，玻璃過重會對工人后續調整玻璃位置產生影響，建議前擋風玻璃總重不超過15 kg。

（4）在設計初期必須要考慮車輛維修要求，即合理設計前擋風玻璃系統裝配順序。針對不同主機廠還要考慮總裝車間是使用機器人涂膠還是人工涂膠，人工涂膠除了需要考慮人工涂膠偏差較大外，還得考慮工人涂膠便利性。

（5）車身附件工程師必須對常用玻璃裝配工具有所了解，常見裝配工具如膠槍、真空吸盤等。

（6）為了消除玻璃毛邊裂紋等，前擋風玻璃邊部會做磨邊處理，如果前擋玻璃邊部屬于裸露邊一般要求供應商按照1#細磨邊，如果不屬于裸露邊可放寬要求為4#倒邊。

2.3 性能要求

前擋風玻璃系統由于直接影響整車空氣動力學特性，還對乘員安全性起重要作用，所以對主要組件性能必須嚴格定義，主要組件的性能參數如底涂與玻璃膠接觸區域均勻涂覆，寬度至少10.0 mm；釘柱粘接剪切力（常溫、高溫、低溫）至少80 N；玻璃膠軌跡最小轉角R最小20 mm，壓縮后最小寬度≥9.6 mm[1]；FMVSS要求汽車以100 km/h速度與混凝土墻碰撞，車窗玻璃的粘接完整率必須在75%以上。

除以上要求外，NVH、雨刮系統對前擋風玻璃系統要求主要有以下幾點：

（1）玻璃越厚聲音透過損失也越大，相關測試結果，在受質量控制的區域內，表面密度或頻率每增加一倍，隔聲量就會增加6分貝[2]，但玻璃重量越大，成本也相應增加，不符合輕量化設計。目前可通過在中間夾層加入隔音材料來增加隔音效果。而垂直安裝角度會影響空氣流動和聲壓分布，垂直安裝角度越大對NVH提升貢獻率越大，但是角度越大對乘員頭部包絡空間影響越大，而且還會影響駕駛員視覺，且超過60°后，進一步變大角度氣動阻力系數的降低幅度也不太明顯[3]，所以一般該角度會控制在66°以內。

（2）通過增加外飾膠條或整體注塑包邊結構可以有效地消除高速行駛中的噪聲，但是要特別注意外飾膠條與頂蓋飾條、上安裝板飾板的搭接區域，建議參照對標車進行設計。外飾膠條在頂蓋與A柱搭接處容易發生卷邊，該問題可通過膠條接角或要求造型圓角R≥90 mm來解決。

（3）雨刮系統為了保證刮凈率對刮刷區域玻璃曲率一般要求最小曲率半徑R≥1500 mm。

2.4 結構要求

在進行玻璃制造可行性分析的同時，車身附件工程師要協同鈑金、內外飾、ME、總布置等區域工程師，根據初版CAS面進行斷面設計，下面依據前擋風玻璃系統設計要素，對與前擋風玻璃系統相關的三個典型斷面（斷面位置如圖2所示）進行分析：

圖2 斷面位置示意圖

（1）下面為常見T01A典型斷面，因T07A與T01A斷面類似，故本文僅針對T01A分析，具體設計要素如圖3所示。

圖3 T01A斷面

T01A設計要素及推薦值（mm）：

1、玻璃厚度2、黑邊寬度3、涂膠尺寸4、鈑金半徑5、內飾距鈑金距離6、內飾距玻璃距離7、限位塊到膠型距離8、限位塊距鈑金距離9、玻璃與內飾膠條距離10、玻璃距玻璃安裝面距離4.76、4.96超過內飾≥3.0（6~9）X（10~15）R1≥3.0 R2≥2.5≥3.0≥2.0≥3.0≥0.5≥1.0 6.0 11、外飾膠條與玻璃干涉量12、外飾膠條基體與鈑金距離13、玻璃膠型距內飾膠條距離14、玻璃膠型距外飾膠條距離15、外飾膠條卡接玻璃的深度16、外飾膠條唇邊與鈑金壓縮量17、玻璃與安裝面重合寬度18、玻璃粘接面與頂蓋翻邊夾角19、玻璃與鈑金間隙、面差20、玻璃膠到玻璃邊緣的偏置距離≥0.5≥2.0≥2.0≥2.0≤7.0≥1.0≥18.0 90°-115°（constant）GAP≥3.0，FLUSH≥2.0≥7.0（裸邊玻璃）

（2）下面對T04A（見圖4）與T01A、T07A斷面不同之處進行分析，具體設計要素如下：

圖4 T04A斷面

T04A設計要素及推薦值（mm）：

1、黑邊寬度超過儀表板邊界2、玻璃安裝面寬度3、儀表板與玻璃距離≥3.0≥20.0≥5.0 4、玻璃與雨刮臂運動包絡距離≥10.0 5、玻璃下邊緣與上安裝板飾板重合寬度≥5.0

（3）除以上常規斷面形式，一些車型還會在A柱區域設計擋水條，此類型設計需要關注以下兩點：第一，玻璃與擋水條距離至少3.0mm；第二，玻璃與玻璃安裝面重合寬度至少15.0mm。在完成以上設計主斷面后，下一步要對玻璃系統的定位進行詳細設計，并輸出給鈑金設計接口文件，特別注意玻璃黑邊會對整車外觀風格產生影響，需要與造型人員確認。

2.5 法規要求

在整車設計過程中，法規校核雖然屬于總布置工作內容，但作為玻璃系統工程師必須知道自己所負責系統的法規項目，目前對前擋風玻璃系統法規校核主要有前方視野、雨刮器刮刷面積、除霜和除霧系統要求三大項。

3 結束語

通過對前擋風玻璃系統設計要素深入探討，能夠對整車開發過程中前擋風玻璃系統設計起到指導作用。車身附件工程師必須要熟悉整車開發過程中，結構、法規、制造、NVH等對前擋風玻璃系統的不同要求，并從系統集成的角度對汽車前擋風玻璃系統精細化設計，同時也要跟蹤子系統組件的最新技術動向，并對產品性能實驗深入研究，這樣才能設計出完美的產品。

[1]張繼超，高玉華，彭慶華.前風擋玻璃粘接安全寬度計算[J].客車技術與研究，2005（2）：17-18.

[2]首諾公司.具降低噪聲和音質改善功能的PVB膠片[J].汽車與配件，2008（50）：38-41.

[3]傅立敏.汽車空氣動力學[M].北京：機械工業出版社，2006.