轎車玻璃導槽密封條結構改進方法

黃燕敏

（上海汽車集團股份有限公司技術中心）

1 前言

汽車玻璃導槽密封條是一種兼有功能要求和外觀要求的汽車零部件。作為功能零件，其具有密封、防水、防塵、降噪、輔助車窗玻璃升降等諸多功能；作為外觀零件，其具有裝飾外露鈑金、覆蓋可見焊點、匹配車門窗框飾板等作用。因此，導槽密封條的設計優(yōu)劣將直接影響整車品質[1]。傳統(tǒng)的導槽密封條結構改進往往完全依靠工程師經驗和樣品裝車來進行改進方案評價，這樣的改進方法無法在樣品制造前就對零件性能進行判斷。本文借助MARC有限元分析方法、材料對比測試、快速樣件裝車評價、零件性能測試驗證、臺架性能測試驗證，對某車型導槽密封條的結構改進進行了研究。

2 導槽密封條的唇邊改進

2.1 改進方案

導槽密封條依靠唇邊的壓縮變形來協(xié)助車窗玻璃在車門卡槽內平穩(wěn)運動，因此其設計需要確保合理的壓縮負荷以及平衡的內外側唇邊支撐力。一般將導槽密封條在車窗玻璃外側的唇邊定義為外唇邊，而將在車窗玻璃內側的唇邊定義為內唇邊。

影響導槽密封條唇邊壓縮負荷的因素有材料硬度、唇邊厚度、唇邊角度、唇邊形狀、唇邊數(shù)量、應力拐點、變形槽位置、變形槽深度等，其中唇邊厚度是指與車窗玻璃接觸的密封條結構厚度，唇邊角度是指與車窗玻璃接觸的密封條結構與起支撐作用的密封條結構所形成的夾角角度，變形槽深度是指起支撐作用的密封條結構根部的變形特征深度，變形槽位置是指變形特征在起支撐作用的密封條結構上的位置。

圖1為導槽密封條結構示意圖。圖中，A為唇邊厚度，B為唇邊角度，C為變形槽深度。

本文所討論的導槽密封條材料硬度為70±5 Shore A，其是導槽密封條常規(guī)選用的材料硬度?？紤]到唇邊部位與固定部位的材料為同一硬度，故不考慮通過改變材料硬度來調整密封條唇邊的壓縮負荷，否則會產生零件脫落及安裝起皺等問題。

圖2為導槽密封條最初設計方案的壓縮負荷等效柯西應力分布。

根據(jù)應力分布圖計算所得內唇邊壓縮負荷C1=3.0 N/100 mm，外唇邊壓縮負荷C2=11.3 N/100 mm，平衡系數(shù)C=58.0%，其中平衡系數(shù)C=×100%。一般導槽密封條的壓縮負荷設計值為4±2 N/100 mm，這樣既不會由于唇邊支撐力太小造成車窗玻璃晃動過大，也不會由于唇邊支撐力太大造成車窗玻璃升降困難。此外，導槽密封條外唇邊與內唇邊的壓縮負荷應盡量保持平衡 （平衡系數(shù)C≤10%），從而確保車窗玻璃的內、外表面受到較為均衡的支撐力，不會產生跑偏。

最初設計方案的外唇邊壓縮負荷過高，主要原因有兩個:一是唇邊與支撐腿的結合處在擠壓過程中產生過大的應力集中；二是唇邊應力拐點之上的應力過大。

針對這兩個主要原因，建議采取結構改進方案:在唇邊與支撐腿的結合處進行弱化處理，并對應力拐點的位置作調整。如圖3所示，在位置1處將變形槽深度增加0.2 mm，以減少此處的應力集中；在位置2處將外唇邊繞著根部逆時針旋轉7°，以確保應力拐點向唇邊端部移動，從而減少厚度較大的小唇邊根部應力集中。

2.2 效果驗證

對唇邊改進后的導槽密封條重新進行了相應MARC有限元分析，圖4為改進后導槽密封條的壓縮負荷等效柯西應力分布。根據(jù)圖4計算所得內唇邊壓縮負荷C1′=3.0 N/100 mm，外唇邊壓縮負荷C2′=3.0 N/100 mm，平衡系數(shù) C′=0。結果表明，經過設計改進，唇邊壓縮負荷都達到了比較理想的設計狀態(tài)，并且內外唇邊的壓縮負荷達到平衡。

唇邊設計改進后的導槽密封條經過MARC有限元分析后，還需經過零件性能測試進行進一步的效果驗證。試驗項目主要包括壓縮負荷試驗、玻璃滑動阻力和施加載荷的玻璃滑動阻力。

壓縮負荷試驗主要是評價導槽密封條唇邊在受到車窗玻璃擠壓時給予玻璃的反作用力。如壓縮負荷過小會導致玻璃晃動量過大，產生碰撞異響；如壓縮負荷過大又會導致玻璃運動困難，甚至產生運動阻滯或摩擦異響。測試方法為，從需要進行測試的零件上任取長度為100 mm的測試樣品，安裝到與鈑金導軌一致的測試工裝內，預壓一次后以80 mm/min的速度擠壓唇邊，從而得到密封條的壓縮負荷。通常的設計要求壓縮負荷在4±2 N的范圍內，不同結構形式的產品略有不同。

玻璃滑動阻力測試主要是評價車門玻璃在導槽密封條內的運動情況。測試方法為，從需要進行測試的零件上任取長度為100 mm的測試樣品，安裝到與鈑金導軌一致的測試工裝內，然后使用拉力計拉住平板玻璃 （尺寸按測試標準規(guī)定）以200±10 mm/min的速度勻速向上運動，從而得到玻璃的滑動阻力。通常的設計要求為玻璃滑動阻力在4±2 N范圍內。圖5為導槽密封條的玻璃滑動阻力測試示意圖。

由于零件的制造公差和搖窗機系統(tǒng)的裝配公差，車窗玻璃有可能不在設計位置運動，即玻璃與導槽密封條某側唇邊的干涉量要稍大于設計值，這時就需要進行施加一定側向載荷下的玻璃滑動阻力測試來評價導槽密封條在這種情況下的性能。測試方法與玻璃滑動阻力測試基本相同，只是在玻璃面的法向施加一個10 N的力。通常的設計要求為施加一定側向載荷下的玻璃滑動阻力不大于6 N?？紤]到在某些極限情況下玻璃對導槽密封條唇邊的壓力會非常大，所以有時將施加的載荷提高到30 N，但是這樣的極限情況出現(xiàn)的概率并不高，故僅作為參考數(shù)值。表1為改進后導槽密封條的零件性能測試結果。

表1 改進后導槽密封條的零件性能測試結果 N

從表1可以看出，改進后導槽密封條的零件性能較為理想，壓縮負荷的實際測量值與CAE模擬分析結果也較為吻合，其差異主要是由于MARC有限元分析時邊界條件的理想化與實際零件的制造偏差造成的。

3 導槽密封條的涂層改進

導槽密封條的基體材料通常為EPDM或TPE[2]，在與車窗玻璃接觸的唇邊表面應用特殊的噴涂材料來降低兩者之間的摩擦系數(shù)，提供合適的摩擦力以確保車窗玻璃在車門卡槽內平穩(wěn)運動。若涂層設計不合理，就會產生玻璃升降困難、阻滯和異響問題。

在進行搖窗機耐久試驗過程中，導槽密封條最初的設計方案出現(xiàn)了由于唇邊表面涂層磨損而導致的玻璃升降異響問題。因此對涂層材料進行了改進，即適當提高其固含量，并加入自潤滑油脂，以降低摩擦時所產生的損耗，從而提高涂層的耐磨性。

零件的耐磨性測試是評價導槽密封條的唇邊在受到車窗玻璃反復摩擦后仍保持較低摩擦系數(shù)、提供合適摩擦力的主要試驗項目。測試方法為，從需要進行測試的零件上任意取長為90～150 mm、寬度為4～10 mm的樣件，將樣件用雙面膠帶固定在測試臺上，然后在磨頭的頂部加載一定質量的砝碼，再用磨頭壓緊試樣，啟動測試機進行測試。如非特別說明，磨頭的運動頻率為60±5次/min，運動行程范圍為60～100 mm。為確保試樣厚度均勻平整，必要時可對樣件的非涂層表面進行機械加工。在磨頭運動規(guī)定次數(shù)后松開磨頭，觀察試樣表面的涂層情況。圖6為導槽密封條的耐磨性測試示意圖。

對涂層設計改進前、后的導槽密封條分別進行零件的耐磨性測試，對比結果見表2所列。

表2 改進前、后導槽密封條的耐磨性測試結果

對涂層改進后的導槽密封條重新進行了搖窗機耐久試驗，發(fā)現(xiàn)在整個試驗過程中均未出現(xiàn)玻璃升降困難、阻滯和異響問題，進而驗證了涂層設計改進方案的有效性。

4 導槽密封條的接角改進

導槽密封條通常在轉角區(qū)域采用接角模壓實現(xiàn)不同擠出斷面之間的自然過渡，從而實現(xiàn)零件在此區(qū)域的功能要求和外觀要求。

4.1 改善功能性的改進方案及驗證

導槽密封條最初的設計方案在進行整車超聲波泄漏試驗過程中，出現(xiàn)了接角區(qū)域超聲波泄漏超標的問題。分析表明，主要原因是導槽密封條的外唇邊在接角區(qū)域和車窗玻璃的間隙較大，在各匹配零件累積公差的影響下容易產生泄漏，因此建議采取的結構改進方案為更改導槽密封條接角造型面，以減小密封條唇邊和車窗玻璃的間隙，從而提高零件的隔音減噪性能。圖7為導槽密封條的接角設計改進示意圖，從圖中可以看出，新方案將導槽密封條接角唇邊與玻璃面的間隙由1.28 mm降低到了0.07 mm。

對接角改進后的導槽密封條樣件重新進行了整車超聲波泄漏試驗，結果表明接角區(qū)域超聲波泄漏符合要求，驗證了接角設計改進方案的有效性。

4.2 改善外觀性的改進方案及驗證

導槽密封條最初的設計方案在進行整車環(huán)境交變試驗過程中，出現(xiàn)了接角區(qū)域收縮后與匹配車門鈑金松脫、離縫的問題，主要原因是導槽密封條的接角區(qū)域缺少和擠出區(qū)域一樣的安裝倒鉤，容易在高低溫交變環(huán)境下產生松脫，因此建議采取的結構改進方案為在接角區(qū)域增加和擠出區(qū)域一樣的安裝倒鉤，以強化零件的安裝牢度。圖8為導槽密封條的接角設計改進示意圖。

圖9為改進前、后導槽密封條的整車環(huán)境交變試驗結果比較。從圖9中可以看出，改進前導槽密封條與車門上框產生了4～5 mm的離縫，而改進后導槽密封條與車門上框貼合緊密，不再出現(xiàn)松脫和離縫問題，驗證了接角改進方案的有效性。

5 導槽密封條結構改進的一般方法

除了上述改進方法的選擇，改進量的設置也是導槽密封條唇邊設計改進效果的一項重要影響因素。由于橡膠材料的特殊力學性能及導槽密封條結構的多樣性，改進量的設置主要還是依靠工程師的實踐經驗，但設置量與改進效果的關系還是有規(guī)律可循的。

表3歸納了導槽密封條唇邊改進的一般方法。表3中序號越小的改進方法，其優(yōu)先考慮程度越高。改進量的設置為推薦值，當改進量超過附表所列的范圍，改進效果將明顯下降，而對零件其它性能造成不良影響的風險將顯著提高。其中調整變形槽位置和調整唇邊形狀的改進量設置較為復雜，需要視零件的具體情況而定。

表3 導槽密封條唇邊改進的一般方法

針對涂層的改進，可以根據(jù)以往項目的零件測試結果及臺架測試結果選擇經過認證的涂層材料，以避免出現(xiàn)由于涂層耐磨性不佳導致的玻璃升降異響和玻璃升降阻滯等問題。

針對接角的改進，可以參考根據(jù)以往項目經驗積累所編寫的設計手冊，選擇合理的接角結構設計。表4歸納了常用的導槽密封條接角改進的一般方法，不同類型的導槽密封條改進量的設置有所差異，但改進方法基本一致。

表4 導槽密封條接角改進的一般方法

6 結束語

本文運用仿真分析、材料對比測試、快速樣件裝車等分析手段，對某款車型導槽密封條的唇邊設計、涂層設計和接角設計進行了初步研究，并提出了相應的改進方案。通過仿真分析、零件性能測試、整車性能測試驗證改進方案的有效性，從而歸納出導槽密封條結構設計改進的一般方法。

1 黃燕敏，郭永進，周致宏.轎車導槽密封條的計算機仿真與結構改進研究.上海汽車， 2009（9）:12～15.

2 戴元坎，關建民.CAE技術在汽車密封條結構優(yōu)化中的應用.橡膠工業(yè)， 2003，50（6）:354～356.