某越野車頂蓋密封性能特征分析與優(yōu)化

趙博文，王晶琦，張 琪，鄭 凱，張 璞，丁祖學(xué)

某越野車頂蓋密封性能特征分析與優(yōu)化

趙博文1,2，王晶琦1，張 琪1，鄭 凱1，張 璞1，丁祖學(xué)1

（1.北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，北京 101300；2.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124）

解決整車的淋雨密封性問題是整車研發(fā)、制造過程中的一個系統(tǒng)性、復(fù)雜性的工程，然而目前密封的機(jī)理與解決方法尚不完善?；诖?，文章介紹了一種越野車型漏水問題的研究方法與解決思路，提出了動態(tài)水流路徑分析法與DOE實驗設(shè)計結(jié)合的策略。對車身結(jié)構(gòu)、相關(guān)零部件的密封性能進(jìn)行分析評估，確定異常水流路徑及影響因子，通過正交實驗以及均值分析得到最優(yōu)化的密封條唇邊降低高度、硬度、長度參數(shù)，并在批量生產(chǎn)過程中進(jìn)行充分的驗證，改善了頂蓋間密封系統(tǒng)，將整車的淋雨一次通過率從62.5%提高至99.3%。

越野車；漏水；動態(tài)水流路徑；DOE

前言

整車的防雨密封性是整車性能的重要組成部分，車內(nèi)漏水可能引起電路短路、車身銹蝕、降低車身強(qiáng)度、加速部件腐蝕等問題。乘坐區(qū)域漏水則有可能讓車主的駕乘感受變差，更有可能降低顧客對整車質(zhì)量的滿意度[1]。密封條可以較好地解決防水、防塵、減震、隔聲和密封等問題，同時具有一定的舒適性和裝飾性[2-3]。但是，在密封條研發(fā)過程中，由于設(shè)計或裝配導(dǎo)致的密封性不良問題，會影響整車的安全與使用，導(dǎo)致其無法保證防雨密封性的要求。

目前整車廠質(zhì)量檢查檢測系統(tǒng)中，主要通過淋雨試驗對整車防水密封性進(jìn)行檢測[4]。但通過此方法僅能確定出漏水部位的大致區(qū)域，往往無法直觀地展示出具體漏水點的相關(guān)情況。在解決實際生產(chǎn)過程中的漏水問題時，缺乏一種有效的分析與解決思路和方法。

周龍等[5-6]提出了一種基于超聲波檢測汽車防雨密封性能的試驗方法，通過超聲波的泄漏程度確定探測部位的縫隙尺寸，對于在車門、車窗處較大的密封間隙具有一定的探測功能。但其所建立的經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型，缺乏對復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位的密封性精確探知的能力，很難探測出漏點。許豪[7]分析了行李箱密封條漏水路徑以及漏水的常見失效模式，提出了對應(yīng)的控制要求。饒良星[8]通過從車頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)、外護(hù)板制作工藝、密封膠的選型，提出改善車頂?shù)姆烙昝芊庑缘拇胧堈准t等[9]對提出對于行李箱密封條可通過菱形薄壁的泡管結(jié)構(gòu)、密封止水塊，在泡管部位設(shè)計排氣孔等結(jié)構(gòu)設(shè)計提升密封性的方法。但這些研究主要針對漏點進(jìn)行定性分析與改善，很少對導(dǎo)致漏水的實際水流路徑進(jìn)行討論分析，缺乏對后續(xù)密封性改善進(jìn)行設(shè)計驗證與定量研究。

因此，本文通過提出一種動態(tài)水流路徑模擬分析法與DOE實驗相結(jié)合的策略，結(jié)合車身結(jié)構(gòu)、相關(guān)零部件的密封性能等進(jìn)行研究。針對批量生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的車型漏水區(qū)域，模擬出3種正常水流路徑和1種異常水流路徑，從而確定漏水的根本原因，并基于密封結(jié)構(gòu)與密封條關(guān)鍵特性，采用DOE的實驗設(shè)計思路，通過均值分析得到最優(yōu)化的密封條特性參數(shù)并進(jìn)行了驗證，確定改善問題的最佳方案。

1 問題描述

某型越野車采用開放式的車身結(jié)構(gòu)，車頂由可拆卸的前后頂蓋組成。這種結(jié)構(gòu)的特點在于車身側(cè)圍總成與頂蓋采用螺栓、旋鈕等方式等固定，整車匹配搭接結(jié)構(gòu)多、累計公差大、精度要求高。所以在設(shè)計密封結(jié)構(gòu)時，不僅要考慮快速排水路徑的規(guī)劃，同時也要充分考慮后期生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，零件和裝配過程中必然出現(xiàn)的公差波動的影響。與如圖1所示，前頂蓋為左、右對稱結(jié)構(gòu)，在后頂蓋與前頂蓋搭接處，通過頂蓋間密封條保證整體的密封性，同時密封條設(shè)計了排水路徑以及排水口，用于室外降雨條件下水流不會流到車內(nèi)。

圖1 某型越野車開放式的車身結(jié)構(gòu)

但是此款車經(jīng)過淋雨測試后，經(jīng)檢查時發(fā)現(xiàn)前、后頂蓋搭接部位（B柱區(qū)域）存在不同程度的漏水現(xiàn)象。如圖2所示，在頂蓋間密封條及前排座椅出均出現(xiàn)水跡，其故障類別包括滲水、快滴和慢滴的漏水模式，故障等級為B類[4]。對此漏水部位進(jìn)行2周的跟蹤，統(tǒng)計得出此車型的淋雨一次通過率僅為62.5%（淋雨一次通過率=淋雨測試通過的車數(shù)/總車數(shù)×100%）。整車漏雨的檢查判定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

圖2 某型越野車漏水故障圖片

表1 整車漏雨的檢查判定標(biāo)準(zhǔn)[4]

序號類別具體描述等級合格標(biāo)準(zhǔn) 1流水從縫隙中出現(xiàn)沿著或離開車身內(nèi)護(hù)面并連續(xù)不斷地向地面流淌A車輛內(nèi)不允許出現(xiàn)滴、滲、流現(xiàn)象 2滲水從縫隙中緩慢出現(xiàn)并沿著車內(nèi)護(hù)面蔓延B 3快滴水從縫隙中緩慢出現(xiàn)，并以大于60滴/min的速度離開車身內(nèi)護(hù)面，繼續(xù)落到地上B 4慢滴水從縫隙中緩慢出現(xiàn)，并以小于60滴/min的速度離開車身內(nèi)護(hù)面，繼續(xù)落到車內(nèi)底板上B 5燈進(jìn)水前照燈和后組合燈體內(nèi)部出現(xiàn)水珠A車燈不允許出現(xiàn)進(jìn)水現(xiàn)象 6燈霧水前照燈、后組合燈內(nèi)部出現(xiàn)水氣霧狀，會造成內(nèi)部電鍍面氧化變暗脫層，影響車燈的光亮和光照強(qiáng)度B霧氣車輛在開燈60 min內(nèi)消失，認(rèn)定合格，否則不合格

2 動態(tài)水流路徑分析

針對漏水區(qū)域，采用動態(tài)水流路徑分析法，對水流路徑進(jìn)行分析，確定實際水流可能的走向和數(shù)量，進(jìn)而確定異常水流路徑。此方法基于多次淋雨實驗后采集的漏點與水跡分布，結(jié)合漏水區(qū)域的密封結(jié)構(gòu)，依據(jù)流體動力學(xué)原理找出正常和異常狀態(tài)下的水流路徑，進(jìn)行評估與分析。

首先，分析并確定在前、后頂蓋區(qū)域處的總體水流路徑，并找到車內(nèi)的漏水位置及漏點的分布。如圖3所示為左右前門-B柱區(qū)域前、后頂蓋間密封條水流路徑模擬分析圖，從圖(a)可知，后頂蓋密封條設(shè)計了排水路徑，水流會根據(jù)如圖所示的路徑，最終從排水口將水排出。但是在異常情況下，在安裝前頂蓋后，后頂蓋密封條唇邊在前蓋折角的引導(dǎo)下會向內(nèi)卷起，與泡管上表面搭接，形成滲水路徑，如(b)圖所示，水流會沿紅色箭頭所指示方向流入車內(nèi)，造成漏水。

其次，確定漏水區(qū)域后，結(jié)合前、后頂蓋、密封條的搭接結(jié)構(gòu)，以及密封條的設(shè)計的排水路徑，對內(nèi)部正常和異常情況下每條水路進(jìn)行分類討論。圖4為左右前門-B柱區(qū)域前、后頂蓋間密封條水流路徑俯視圖，結(jié)合圖4(b)的截面圖可知，水路1為當(dāng)水滲入密封條與后頂蓋搭接處時，水流會沿后頂蓋的底部溝槽進(jìn)行流動，最終將從后頂蓋兩端的排水口排出。水路2如圖4(c)所示，由于密封條工藝孔的存在，部分水流會滲入到密封條內(nèi)部，并在密封條內(nèi)部向兩端流動，從兩端的工藝孔流出進(jìn)而從泄水槽排水孔1排出。

圖4 左右前門-B柱區(qū)域前、后頂蓋間密封條水流路徑俯視圖

圖5(b)為設(shè)計水流路徑3的截面圖，進(jìn)入到密封條頂部的水流一部分會從密封條頂部和前頂蓋之間的間隙流到唇邊處的區(qū)域，通過泄水槽排水孔與水路2匯合，一同從排水口1流出。在異常狀態(tài)下，如圖5(c)，由于密封條唇邊過長，安裝前頂蓋后使頂蓋過長的唇邊發(fā)生倒伏，并與密封條發(fā)泡處搭接，形成水流通道，水流可以經(jīng)此路徑流入車內(nèi)如紅色箭頭所示）。此外，當(dāng)密封條內(nèi)的水流過大時，一部分水流會通過泄水槽排水口2反灌進(jìn)入車內(nèi)（如紅色箭頭所示），這兩種異常水流路徑導(dǎo)致了漏雨。

圖5 左右前門-B柱區(qū)域前、后頂蓋間密封條水流路徑俯視圖

3 要因確認(rèn)

圖6為故障車前、后頂蓋向間距與密封條唇邊高度實際測量值，前、后頂蓋向間距設(shè)計高度為12 mm，實測范圍為11.5 mm～12.5 mm。而唇邊高度設(shè)計為13.5 mm，實測最大值15 mm，最小為13.5 mm，與設(shè)計相比，其高度呈現(xiàn)上偏差趨勢。對故障車的密封條唇邊進(jìn)行裁剪，經(jīng)過淋雨驗證，故障消除，確定密封條擋水唇邊過高為要因。

圖6 故障車前、后頂蓋Z向間距與密封條唇邊高度實際測量值

圖7為密封條發(fā)泡的投影圖，對故障車密封條的發(fā)泡斷面做投影，將其與設(shè)計圖紙對比，如圖所示，其斷面與圖紙相符合，形狀與尺寸均在投影圖所標(biāo)注最大與最小輪廓內(nèi)，其尺寸符合的設(shè)計，確定為非要因。

圖7 密封條發(fā)泡的投影圖

圖8為淋雨合格車輛和故障車輛的前、后頂蓋間密封條硬度曲線圖。從圖中可知，密封條硬度設(shè)計要求為45±5度，淋雨實驗合格車輛的密封條硬度均大于45度，而故障車的密封條硬度均低于45度，且有個別車輛硬度小于40度。這將導(dǎo)致密封條無法提供足夠的支撐力，當(dāng)前頂蓋裝配后，其在重力的作用下對密封條產(chǎn)生向下的壓力，由于密封條硬度超差，無法提供足夠的支撐力，使的密封條壓縮量過大，前、后頂蓋間的向高度減少，確定為要因。

圖8 合格車輛和故障車輛前、后頂蓋間密封條硬度曲線

圖9 故障車輛前、后頂蓋間密封條長度曲線

圖9為故障車輛前、后頂蓋間密封條長度曲線。由圖可知，密封條長度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為1 661±5 mm，故障車密封條長度過短，導(dǎo)致在裝配過程中局部出現(xiàn)與后頂蓋立面不貼合，水流沿不貼合區(qū)域流入車內(nèi)（如異常水流路徑），更換長度為公差上線的密封條并使其貼合頂蓋立面，重新淋雨進(jìn)行驗證故障消除，確定為要因。

4 DOE實驗設(shè)計

4.1 參數(shù)選取

在制定對策方面，根據(jù)以上對漏水原因的分析與要因確認(rèn)結(jié)果，進(jìn)行DOE實驗設(shè)計與驗證[10-12]。發(fā)現(xiàn)密封條唇邊降低高度、硬度和長度，對漏水問題產(chǎn)生較大影響，因此選擇這 3 個參數(shù)作為優(yōu)化實驗因子，每個參數(shù)選取 3 個水平，設(shè)計的參數(shù)水平選取見表2。

表2 實驗參數(shù)水平選取

水平硬度/度唇邊降低高度/mm長度/mm 1451.01 661 2501.51 666 3552.01 671

4.2 實驗方案及結(jié)果

根據(jù)本文選取的優(yōu)化實驗因子和各因子水平，設(shè)計L9(33)的正交實驗，并且按照表3設(shè)計的參數(shù)進(jìn)行密封條的制備及實驗，每組實驗采用100臺份的整車進(jìn)行淋雨驗證。以批量生產(chǎn)過程中整車為樣本，并統(tǒng)計其淋雨一次通過率，實驗結(jié)果見表3。

表3 正交實驗參數(shù)及結(jié)果

實驗編號硬度/度唇邊降低高度/mm長度/mm淋雨一次通過率/% 1450.51 66168.0 2451.51 66686.0 34521 67174.0 4500.51 66670.0 5501.51 67199.0 65021 66178.0 7550.51 67167.0 8551.51 66183.0 95521 66656.0 k176.0%68.3%76.3% k282.3%89.3%70.7% k368.7%69.3%80.0% R13.6%21.0%9.3%

優(yōu)化目標(biāo)是使淋雨一次通過率越大，為了獲得各實驗因子對目標(biāo)影響程度，對9組正交實驗的結(jié)果采用極差分析法。如表3，計算出各因子在不同水平下的均值1、2、3，以及對應(yīng)的極差。根據(jù)極差的大小，可以判斷各因子對實驗結(jié)果的影響，密封條唇邊降低高度的極差為21%，表明其對淋雨一次通過率影響最大，密封條長度的極差僅為9.3%，對通過率的影響最小。因此，各因子的主次關(guān)系排序為：唇邊降低高度、硬度、長度。

在DOE方法中[12]，通過均值分析法可以將密封條唇邊降低高度、硬度、長度的最佳參數(shù)組合挑選出來。為了更直觀地反映各工藝參數(shù)對淋雨一次通過率的影響規(guī)律，將表3中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖10，從圖中可以發(fā)現(xiàn)唇邊降低高度、硬度均在水平2時值最大，長度因子在水平3時，值最大，因此得到一個優(yōu)化的水平組合：硬度50度、唇邊降低高度1.5 mm、長度1 671 mm。

圖10 工藝參數(shù)對淋雨一次通過率的影響規(guī)律

5 措施制定及驗證

為了進(jìn)一步驗證措施的有效性，選取最優(yōu)水平組合，對零件的關(guān)鍵特性進(jìn)行優(yōu)化：密封條硬度為50±5度、唇邊高度降低1.5 mm（唇邊高度標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化為12.0 mm±0.5 mm）、長度1 671 mm±5 mm。通過大批量驗證500臺份的淋雨測試，整體的淋雨一次通過率達(dá)到99.3%。因此，將頂蓋間密封條的上述3個關(guān)鍵特性列為重點工藝控制點，調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)并完善相關(guān)圖紙和密封條檢查作業(yè)指導(dǎo)書，對改進(jìn)措施進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。如圖11所示，最終通過10周的整改，整車的淋雨一次通過率提高至99.3%。

圖11 車型改善過程中整車淋雨一次通過率

為了進(jìn)一步驗證密封條長期暴露在室外工況下，環(huán)境對其性能的影響。依據(jù)國標(biāo)要求，對其進(jìn)行熱空氣老化試驗、耐臭氧老化試驗，以及邵氏硬度測試。經(jīng)過多次試驗，得到如表4的實驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的樣件在進(jìn)行熱空氣拉斷伸長率變化測試中，實測伸長率為?10%，耐臭氧老化測試中，密封條表面沒有出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，同時邵氏硬度達(dá)到77度，以上3種性能參數(shù)均到達(dá)設(shè)計要求，并符合國標(biāo)。

表4 密封條性能測試項目及結(jié)果

試驗項目測試標(biāo)準(zhǔn)評價標(biāo)準(zhǔn)實測值 熱空氣老化拉斷伸長率變化GB/T 3512拉斷伸長率變化（?35～0）%?10% 耐臭氧老化GB/T 7762—2003（40±2 oC，20%拉伸，48 h，無龜裂）無龜裂 硬度（邵氏）A型GB/T 531.1（75±5）度77度

6 結(jié)論

本文針對整車前、后頂蓋搭接處密封性問題，采用動態(tài)水流路徑分析法與DOE實驗設(shè)計結(jié)合的策略，對動態(tài)水流路徑及漏水的機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)合DOE方法針對3個影響因子設(shè)計并進(jìn)行實驗，研究了各水平組合對淋雨一次通過率的影響效果。密封條唇邊降低高度和硬度對密封性產(chǎn)生的影響較大，隨著其增大，淋雨一次通過率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。特別是當(dāng)唇邊高度降低1.5 mm，硬度為50度，長度為1 671 mm，密封效果最佳，淋雨一次通過率從62.5%提高至99.3%。其次，在整車密封性的設(shè)計中，水流排水路徑需充分考慮雨量過大時，各排水口的排水能力、各水路規(guī)劃的合理性，防止水流倒灌進(jìn)入車內(nèi)。

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Optimization and Analysis of Sealing Performance in the Area of Roof Panel for the Off-road Vehicle

ZHAO Bowen1,2, WANG Jingqi1, ZHANG Qi1, ZHENG Kai1, ZHANG Pu1, DING Zuxue1

( 1.Baic Group Off-road Vehicle Co., Ltd., Beijing 101300;2.The College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124 )

Among the process of automobile R&D and manufacturing, the issues of water sealing system is always complex and confused. There is not effective solution to this problem and sealing mechanism is still unclear. Based on the way of flow paths analysis, the route of leak water, body structure and water tightness of parts are widely studied. Furthermore, the relative importance of the three design parameters is investigated using design of experiment (DOE) method for each response. Here, by optimization of the size and hardness of the rubber seals, the rain test rate has much improved from 62.5% to 99.3%.

Off-road vehicle; Water leak; Flow paths analysis; DOE

U467

A

1671-7988(2022)02-27-06

U467

A

1671-7988(2022)02-27-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.007

趙博文，碩士，中級工程師，就職于北京汽車集團(tuán)越野車有限公司，研究方向：整車密封性、電化學(xué)材料、整車智能化。