乘用車尾門密封條防漏水設(shè)計方法

劉紅波 令峰超

摘 要：乘用車尾門密封條除了隔音、減震功能外，還有防止灰塵和雨水進入駕駛艙的作用。在汽車工程開發(fā)過程除了滿足必須的性能要求外，還須滿足物料成本、以及制造和裝配工藝的需要。文章探討了兩項轎車尾門密封條設(shè)計防漏水設(shè)計方法，以及尾門漏水問題排查的一般方法;通過實例對密封面輪廓突變情況下的漏水問題進行了排查，并運用有限元仿真方法，對密封條截面進行了優(yōu)化設(shè)計;為尾門密封結(jié)構(gòu)工程設(shè)計和優(yōu)化提供了行之有效的方法。

關(guān)鍵詞：密封條;漏水;有限元分析;斷面

Abstract： The weatherstrip seal of rear compartment is used to seal the gap between decklid and rear compartment against rain， dust， shock， and noise into the car. Due to the opening of the rear compartment is normally curved to meet the require -ment of surface styling， it is of a great challenge for design release engineer to trade off between satisfied sealing performance and simplified section structure with low cost. The research is mainly focused on a systemic method of sealing construction design and water insolation check for the deck compartment of a hatchback car， which is demonstrated by a real solution for a constant transverse section weatherstrip with reinforcement pipe locally to take consideration of big curvature change along the sealing profile.

Keywords： Weatherstrip; Water Isolation; FEA; Section

前言

兩廂轎車（Hatchback Car，下稱HB）尾門密封條的主要作用是防塵、防水、減震、隔聲，對美觀要求不高，在整個密封面輪廓線方向上，通常采用等截面設(shè)計，降低物料成本和裝配難度[1，3，4]。在設(shè)計過程時，在考慮尾門關(guān)閉沖擊、關(guān)門力的同時，防漏水功能是對尾門密封條系統(tǒng)最基本的要求。在防水功能方面，除了車身、尾門、密封條整個密封系統(tǒng)有的導水結(jié)構(gòu)，由于制造和裝配誤差等原因，尾門與行李艙鈑金間的密封條安裝間隙無法做到完全一致，尤其是由于造型或者功能件（如后尾燈）的安裝需要，在整個密封結(jié)構(gòu)縱向方向輪廓線后發(fā)生空間上的曲率變化，在某些曲率變化急劇部位，合理的局部斷面設(shè)計，對整個密封結(jié)構(gòu)防漏水設(shè)計也極為重要。另外，非線性有限元分析方法通過多年的實踐，日臻成熟，已經(jīng)成為密封條斷面優(yōu)化設(shè)計的必備工具[2]。

本文研究了HB尾門防漏水密封機構(gòu)設(shè)計基本要求和方法，給出了密封間隙、密封力、漏水點排查的有效工程案例，并對某車型后尾燈處漏水問題進行了分析，提出改善、優(yōu)化密封條設(shè)計的措施。

1 HB尾門密封條設(shè)計

HB車型尾門密封條，安裝在行李艙車身鈑金的止口邊上，與后蓋內(nèi)側(cè)鈑金的密封面配合，形成整個尾門密封系統(tǒng)。

尾門密封結(jié)構(gòu)根據(jù)車型、密封要求不同略有差異，概括地可分為密封部、和安裝部兩部分。從結(jié)構(gòu)斷面看（如圖1所示），密封部通常采用圓形、或者菱形薄壁的泡管結(jié)構(gòu)，泡管的頂部常設(shè)計有壓力唇邊;而安裝部對這個密封條起到固定作用，通常由密度中等的實心膠和骨架材料組成，其結(jié)構(gòu)為U形，通過密封齒與車身鈑金止口邊形成夾持力。

1.1 防水原理

HB車型尾門密封條防水原理如下：鈑金止口卡接尾門密封條，止口與尾門內(nèi)板密封面之間的間隙依靠海綿泡管的彈性壓縮形成擠壓力，從而進行密封。擠壓力的大小由海綿泡管的海綿性能、泡管的形狀和壁厚、以及泡管的壓縮量決定。

行李箱密封條一般在靠近裝配部的底部設(shè)計有水唇邊，以保證在裝配后緊密貼合于車身鈑金。密封條安裝部和車身止口邊邊間隙，通過在安裝部注入密封不干膠或密封止水塊進行密封。與內(nèi)飾搭接處的裝飾邊主要起包覆車身行李箱內(nèi)飾件的作用，以滿足密封條與內(nèi)飾件搭接處的外觀要求。

1.2 設(shè)計要求

尾門密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)如圖2所示，密封間隙D是保證密封斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封壓力要求的重要結(jié)構(gòu)參數(shù);密封泡管的壓縮量A，用以控制密封壓力;C為密封條固定部裝高度，安裝在車上行李艙止口邊上。

為保障尾門關(guān)閉后的防水密封要求具體，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求如下：

（1）壓縮負荷特性確定

壓縮變形特性是整個密封結(jié)構(gòu)基本設(shè)計特性，反映了車門密封條壓縮變形量與壓縮負荷間的關(guān)系（參考標準QC/T 710-2004）。壓縮負荷越大密封的可靠性越好，但是越大的壓縮負荷需要的關(guān)閉力越大，太大的關(guān)閉力則會帶來用戶的抱怨。對于HB尾門，重力對后蓋關(guān)閉的貢獻幾乎可以忽略，尾門總壓縮負載的大小可以通過與關(guān)閉力（靜態(tài)設(shè)計范圍200N-250N）的力矩平衡計算得到，因而得到密封條單位長度的壓縮載荷。即力矩平衡：

其中，f為尾門密封條的密封負荷，l為密封條總長度， F為關(guān)門力設(shè)計要求，L為關(guān)門力設(shè)計作用點到尾門轉(zhuǎn)動軸的距離。

接下來就可以借助有限元方法（FEM）進一步優(yōu)化并確認壓縮量A和壓縮部斷面結(jié)構(gòu)。

（2）密封間隙設(shè)定

根據(jù)正常密封狀態(tài)下的壓縮量A，設(shè)定尾門和車身門框件有合理的密封間隙，通常在10-16mm。要求密封間隙在整個密封面輪廓上盡可能地均勻。在特殊部位，根據(jù)需要可以通過局部的密封間隙變化，調(diào)整整個密封結(jié)構(gòu)上的密封壓力變化。

（3）密封條壓縮部

在整個壓縮A壓縮范圍內(nèi)變形要穩(wěn)定，不出現(xiàn)奇異變形、或皺褶;空腔壁上設(shè)置通氣孔應當布置在面向車內(nèi)的一側(cè)。

（4）密封條安裝部

密封條安裝部與車身門框的鈑金止口邊配合面要設(shè)計有密封止水塊，必要是時需要涂有密封膠。

（5）車身密封面

密封面是密封條與后蓋鈑金的接觸面，屬于密封保證的區(qū)域。要求密封面表面平整，在密封面的輪廓線上，密封面的輪廓線的空間曲率變化應盡可能地平緩。

2 尾門漏水分析

淋雨試驗汽車開發(fā)驗證的一項常規(guī)試驗項目，用以模擬降雨和高壓洗車環(huán)境來測試淋雨密封性能。淋雨試驗在產(chǎn)品開發(fā)驗證、生產(chǎn)導入、正常生產(chǎn)的不同階段，對車輛淋雨試驗的淋雨時間、降水量、壓力要求也不相同（表1）。為了便于漏水點的排查，早期車型淋雨試驗時采用不裝內(nèi)飾的BIKINI CAR。漏水問題的判定也會根據(jù)車內(nèi)不同位置而不同，重要區(qū)域不但要不漏水，還要求不滲水。

漏水的原因根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的密封間隙、密封條、密封面、密封條安裝部車身止口邊高度四個方面進行排查。

第一類，密封間隙與設(shè)計不符。如后蓋密封面誤差、車身止口邊高度誤差超差。

第二類，密封條不合格，或者斷面設(shè)計不合理。如：（1）密封條斷面不合理、壓縮量不足帶來密封力不足。（2）密封條過度壓縮、變形奇異，發(fā)生皺褶;（3）安裝不密封膠不均勻，導致的密封條與車身止口安裝部結(jié)構(gòu)滲水。

第三類，密封面密封面輪廓線曲率變化大，導致密封條壓縮力不均等。

3 案例分析

3.1 問題說明

某一HB車型鈑金止口到后蓋內(nèi)板的標準密封間隙為D為15.4mm，壓縮量A為6.8mm。經(jīng)淋雨試驗，漏雨點主要為大燈處密封面處漏水，即圖3a密封條位置4、8處。受造型影響，密封面輪廓線在該位置處有較大空間曲率變化，在設(shè)計早期，通過密封壓縮量的方法對該處密封間隙設(shè)計進行了設(shè)計補償，將密封間隙由15.4mm降低到14.4mm，使得壓縮量增大到7.8mm。并且，為防止在該處由于密封壓力增大導致密封斷面泡管有塌陷的現(xiàn)象，設(shè)計上該處進行了塞泡管處理，設(shè)計斷面如圖3b所示。

3.2 原因分析

利用塞油泥的方法對尾門10個位置的密封間隙（設(shè)計值15.4±1mm，其中圖3a中的4、8點設(shè)計值為14.4±1mm）進行了測量，并與游標卡尺密封條安裝的鈑金止口的高度（設(shè)計值16±1mm）進行了測量，測量結(jié)果如下表2。測量結(jié)果顯示：（1）尾門內(nèi)間隙，特別是大燈處間隙超差;（2）鈑金止口高度值也有不滿足要求的點存在。

斷面檢查如圖4a所示，斷面投影符合設(shè)計要求。大燈拐角處，將一段密封條（內(nèi)部加塞橢圓泡管）安裝在鈑金止口后，經(jīng)過多次后蓋關(guān)閉模擬后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)塞的橢圓形泡管位置發(fā)生偏移（如圖4b），密封條泡管表面會輕微塌陷出現(xiàn)皺褶。

3.3 優(yōu)化措施

針對該車型尾門間隙超差現(xiàn)象，要求車身對鈑金的止口焊接精度進行管控，對尾門的間隙面差調(diào)整時，控制尾門間隙滿足設(shè)計要求，保持設(shè)計參數(shù)密封間隙D和壓縮量A不變。同時，保證后蓋關(guān)閉狀態(tài)下壓縮變形特性滿足設(shè)計要求（7.0 ±2 N/100mm）的情況下，為改善尾燈位置密封條泡管過壓出現(xiàn)皺褶的情況，將密封條斷面按如下方向優(yōu)化：（1）減小密封條斷面的壓縮部的尺寸;（2）將壓縮的泡管由一個型腔更改為兩個型腔。（3）優(yōu)化內(nèi)塞泡管，由原來的橢圓型變更為圓形，并與外部泡管相對固定，消除橢圓形泡管發(fā)生偏移的現(xiàn)象。

3.4 虛擬仿真分析

采用Ogden橡膠材料模型，對更改的斷面進行有限元（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）仿真分析。假設(shè)密封條安裝部橡膠與密封條骨架的接觸無限大，且表面沒有分離;后蓋內(nèi)板為剛體，與密封條安裝部間的接觸根據(jù)“粘-滑”摩擦模型模擬;并對密封部泡管存在的可能的自接觸進行定義;通過欠壓（D+2mm）、正常、和過壓（D-2mm）三種位移載荷的工況，來模擬存在密封間隙誤差情況下的密封條壓縮變形特性，由圖5中優(yōu)化后的結(jié)果顯示，正常關(guān)閉的情況下，壓縮負荷較優(yōu)化前增加了2N/100mm，仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果高度吻合。

3.5 物理驗證

通過優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)，密封條泡管的內(nèi)徑尺寸由原來的11.4*8.4，更改為φ8.5;壁厚由1.96mm減小為1.76mm（圖6a）。針對最終確定的更改方案，將其樣件進行確認，斷面投影圖檢查見圖6b，符合設(shè)計要求要求。經(jīng)過實車驗證后，雙泡管的密封條斷面，變形穩(wěn)定，加塞的泡管由橢圓型更改為圓形后，尾燈位置尾門密封條安裝后泡管皺褶現(xiàn)象基本消除。經(jīng)過淋雨測試，漏雨現(xiàn)象消除。

4 結(jié)論

針對兩廂轎車尾門淋雨試驗密封面漏水問題，從車身鈑金的止口高度，尾門鈑金間隙，密封條斷面三方面進行了原因分析和排查。并制定了切實有效的整改措施，并借助FEM和實驗測試的方法對斷面進行了優(yōu)化設(shè)計和驗證，有效的解決了某車型尾門密封面漏水的問題，得到如下結(jié)論：

（1）工程實踐過程，可以根據(jù)本文提供的方法兩廂轎車尾門密封面漏水進行有效控制;

（2）通過合理的密封間隙設(shè)計變化和密封條局部內(nèi)塞泡管，是解決尾門具體位置漏水問題的有效方法;

（3）借助有限元方法對密封條斷面進行優(yōu)化設(shè)計，不但高效低成本，而且分析結(jié)果可靠。

參考文獻

[1] 兩廂轎車行李艙防水結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究，王愛國，王紹偉，汽車實用技術(shù)，2012（3）.

[2] 汽車車門密封條的非線性有限元分析，邢玉濤，吳沈榮，曾皓等，第五屆中國CAE工程分析技術(shù)年會論文集，2009年.

[3] 乘用車行李箱密封條的結(jié)構(gòu)設(shè)計，張兆紅，蔡建華，橡膠工業(yè)，2008年第55卷第12期.

[4] 運動型多用途汽車后背門密封條的設(shè)計概況，馮濤，郝偉剛，橡膠科技，2017年15（8）.