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JT6770型客车风窗止口曲线的设计计算 |
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作者：重庆公路科学研究所 刘兆贤 |
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摘 要：通过JT6770型客车风窗的设计，介绍了双曲面风窗止口曲线的设计计算过程，并给出了计算风窗左侧止口曲线的计算程序。
关键词：客车风窗 止口曲线 设计计算
根据交通部“九五”重点科技项目“JT6770型高级客车技术开发”计划，交通部组织了交通部重庆公路科学研究所和部分生产厂家联合开发了JT6770型客车。为使该车型能适用于条件较好的道路及部分旅游线路，对整车的造型及主要性能指标提出了较高的要求。为使前风窗既体现优雅明快的风格，又能满足高速行驶时降低风阻的要求，选用了双曲面全景夹胶安全玻璃，并采用粘接工艺进行装配。为取得精确的风档止口曲线，设计中我们利用计算机进行辅助设计计算，取得了较为满意的结果。
1 坐标系的确定
文中所用坐标系与车身制图规定的坐标系相同。
沿车架纵梁上缘上表面较长的一段所画的直线为Z坐标的零线，位于Z坐标零线上方为正，下方为负。
通过前桥中心并垂直于高度方向坐标零线所画的直线为X坐标的零线，顺汽车前进方向观察，位于X坐标零线后方为正，前方为负。
汽车的纵向中心线为Y坐标的零线，顺汽车前进方向观察，位于Y坐标零线左侧为正，右侧为负。
2 前风窗的外型曲线
风窗乃至整个前围的造型与整车的造型是密切相关的，并在整车造型中具有举足轻重的影响。因此一个车型的造型设计成功与否，很大程度上取决于风窗外形曲线的确定。通过计算机辅助设计，我们对外型进行了优化设计并制定了几种外形设计方案，在充分听取专家意见后，最后确定了图1 所示的风窗外形曲线。
从图1可以看到，前风窗每一平行于XOY平面的截面曲线均有R10 000、R308及R41三段圆弧组成，并且R41圆弧正好与侧围曲面相切，切点的X坐标与第一立柱的前端面的X坐标相同。而三段圆弧相互间的切点连接线均为空间曲线。从侧视图中可知，外廓曲线与第一立柱曲线的侧视弧各不相同，且两弧的圆心不重合，其中第一立柱前端面弧R7690的圆心为(X=6246.14,Z=10.95)，外廓曲线R8168的圆心为(X=6504.65,Z=-428.08)，风窗上框圆弧R9810的圆心为(Y=0，Z=-7700)，两侧圆弧R12000的圆心为(Y=±10850，Z=600)。
图1 JT6770型客车风窗外形示意图
3 风窗玻璃的安装形式
风窗玻璃的安装形式，比较常用的有骑胶、挂胶和粘接三种。JT6770型客车选用了粘接形式。图2为风窗下缘的安装的形式，图3 为风窗上缘的安装形式，图4为风窗两侧的安装形式。从图中可以看出，风窗上下缘的内外止口均直接与风窗上下框梁焊接，前围骨架框梁定位后，很容易根据其安装关系，计算出上下止口的空间曲线。而两侧的安装止口是通过内外两止口的空间曲面对焊而成，为使两侧止口对焊后能符合外形及风挡玻璃的安装要求必须通过计算给出精确的止口曲线。下面就着重介绍两侧止口曲线的计算过程。  
图 2 图 3 图 4
4 风窗两则止口曲线的计算(以左侧止口为例)
取风窗中任一水平截面，该截面的Z坐标为Z，得到图5所示截面图。根据前面确定的外形曲线和风窗安装形式，逐步推导出止口曲线各特征点的坐标。为便于计算，先作下列定义：
(a，b)——R308圆弧的圆心；
(a1，b1)——R308圆弧与R41圆弧的切点；
(a2，b2)——R10 000圆弧与R308圆弧的切点；
(a3，b3)——内外止口内缘线的交点(作止口定位点)；
(a4，b4)——R41圆弧与侧围的切点；
(a5，b5)——外止口特征点1；
(a6，b6)——外止口特征点2；
(a7，b7)——外止口特征点3。
4.1 (a4，b4)点坐标的计算
已知：截面的Z坐标为Z；第一立柱前端面侧视圆弧为R7690，其圆心坐标为：(x=6 246.14，z=10.95)；前围正视两侧圆弧为R12000，其圆心坐标为：(y＝±10850,z=600)(见图1)； R41圆与侧围曲面相切，且切点的X坐标与第一立柱的前端面的X坐标相同(见图5)。求(a4，b4)点坐标。
解：第一立柱前端面侧视圆弧方程为：
(6 246.14-a4)2+(Z-10.95)2=7 6902 (1)
前围正视左侧圆弧方程为：
(b4+10 8502+(Z-600)2=12 0002 (2)
由(1)式求得：
由(2)式求得：
4.2 (a，b)点坐标的计算
4.2.1 R10000大圆弧圆心的计算
已知：截面的Z坐标为Z；前围外轮廓侧视圆弧为R8168，其圆心坐标为：(x=6 504.65,z=-428.08)；R10000大圆弧圆心的Y坐标为O，设其X坐标为Od。
求：R10000大圆弧圆心的X坐标Od。
解：R8168圆弧的方程为：
(6 504.65-X)2+(Z+428.08)2=8 1682(3)
由(3)式求得： 而R10000大圆弧圆心的Y坐标为O，故由(4)式求出的X值即为R10 000大圆弧上Y 坐标为O时的X坐标(见图1 )。由此可得：
4.2.2. R41圆弧圆心的计算
已知：R41圆弧与侧围曲面相切于第一立柱的前端面，即切点的X坐标与第一立柱的前端面的X坐标相同(见图5)。
求：R41圆弧的圆心。
解：由已知条件可得R41圆弧的圆心坐标为(a4，b4-41)
4.2.3 (a，b)点坐标的计算
已知：R308圆弧与R41圆弧相切于 (a1，b1)点； R10000圆弧与R308圆弧相切于(a2，b2)点(见图5)。
求：(a、b)点坐标。
解：由已知条件可得下列方程组：
(Od-a)2+b2=(10 000-308)2(5)
(a-a4)2+［(b4-41)-b］2=(308-41)2(6)
上述(5)、(6)联立方程组可通过计算机编程解出，从而得到(a,b)点的坐标。
4.3 (a1，b1)点坐标的计算
已知：(a，b)和(a4，b4)点的坐标； R308圆弧与R41圆弧相切于(a1，b1)点(见图5)。
求：(a1，b1)点的坐标。
解：由已知条件可得到下列方程：
由上式可解得(a1，b1)点的坐标：
4.4 (a2，b2)点坐标的计算
已知：(a，b)点的坐标； R10000圆弧圆心的坐标为 (Od，O)； R10000圆弧与R308圆弧相切于 (a2，b2)点(见图5)。
求：(a1，b1)点的坐标。
解：由已知条件可得到下列方程：
由上式可解得(a2，b2)点的坐标：
图5 风窗两侧止口截面图(左侧)
4.5 (a3，b3)点坐标的计算
已知：点(a，b)和点(a3，b3)连线的延伸线与外止口内缘线重合，设该延伸线与外圆弧R308交于点P(见图5)，点(a3，b3)至P点的距离为t1。
求：(a3，b3)点的坐标。
解：参见图4可得： t1=8+6.75+7=21.75
由已知条件可得到下列方程：
b3=b4-41 (7)
(a-a3)2+(b3-b))2=(308-21.75)2 (8)
将(7)代入(8)求得：
4.6 (a5，b5)点坐标的计算(见图6)
已知：(a，b)、(a3，b3)点的坐标，止口用1mm的钢板制成(即h=1)。
求：(a5，b5)点的坐标
解：通过点(a，b)和(a3，b3)的直线方程为： (9)
与直线(9)平行且垂直距离为h的直线方程为： (10)
R308圆弧的方程为：
(a-a5)2(y-b)2=3082 (11)
由方程(9)解得：
而点(a5，b5)为直线(10)与R308圆弧的交点，将h、α及a5，b5代入方程(10)、(11)，得到下列方程组： (13)
(a5-a)2+(b5-b)2=3082 (14)
上述(12)、(13)、(14)联立方程组可通过计算机编程解出，从而得到(a5，b5)点的坐标。
4.7 (a6，b6)点坐标的计算(见图6)
已知：(a5，b5)点的坐标；(a6，b6)为直线(10)上的一点，设(a5，b5)、(a6，b6)点间的距离为t2
求：(a6，b6)点的坐标。
解：由于h=1，因此可令：t2≈t1=8+6.75+7=21.75
由已知条件可得到下列方程：
由上述方程解得：
a6=a5+21.75sin α
b6=b5-21.75cos α
式中α由(12)给出。
4.8 (a7，b7)点坐标的计算(见图6)
已知：(a6，b6)点的坐标；连接点(a3，b3)，(a7，b7)成一直线，则该直线垂直于直线(9)，并与直线(10)交于(a6，b6)点，设(a6，b6)、(a7，b7)点间的距离为h1。
求：(a7，b7)点的坐标。
解：参见图4可得：h1=17+8=25
由已知条件可得到下列方程：
由上述方程解得：
a7=a6-25cos α
b7=b6-25sin α
式中α由(12)给出。
5 计算程序
通过前面的计算，我们已得到了风窗两侧外止口的外形曲线。而风窗两侧内止口的外形曲线可根据图5中给出的约束条件，采用与外止口类似的计算方法求得，这里就不再细述。
根据前述推导出的各点的求解方程，利用QBASIC语言编制出计算程序，即可求的任意Z截面上风窗两侧内止口的各特征点的坐标，从而得到风窗两侧内止口的特征曲线。计算程序略。
6 结束语
客车风窗越来越多地采用双曲面造型，而双曲面的几何特征决定了风窗止口曲线定位参数的计算繁琐复杂，计算工作量大。因此，很有必要在设计中利用计算机进行辅助设计计算，这样既可以提高工作效率，降低设计人员的劳动强度，同时也能减少计算误差，提高计算结果的准确性，进一步提高客车设计质量。(end)
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(3/4/2005) |
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