汽車玻璃密封方案探究

韋思意 余輝 向慧芳

【摘 要】玻璃升降系統(tǒng)問題數(shù)量一直高居車門區(qū)域質量問題排行榜，因此開發(fā)一個優(yōu)異的玻璃密封截面至關重要。文章從某車型開發(fā)過程中幾種設計方案之間的對比分析入手，展示了玻璃密封設計過程中需要考慮的各種因素，為后續(xù)的玻璃密封設計提供借鑒與參考。玻璃密封設計需要考慮的因素很多，需要我們進一步研究與探索。

【關鍵詞】玻璃密封；玻璃升降；設計；截面

【中圖分類號】U463 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）02-0115-04

隨著社會的發(fā)展，汽車逐漸普及，人們對汽車玻璃密封的要求也逐步提高。在滿足正常的玻璃密封的情況下，人膠對玻璃的正常升降的順暢度、玻璃密封相互間的配合及外觀等要求也不斷提高。然而，初期的汽車開發(fā)因技術水平不高及經(jīng)驗有限等原因，各方面的考慮不很全面，僅能滿足以前的使用需求。在汽車工業(yè)高速發(fā)展的今天，玻璃密封的各項性能已經(jīng)明顯不能滿足客戶對玻璃密封的要求。本文以公司某主打車型為例，該車在產(chǎn)品開發(fā)之初就定義了很高的標準，希望能開發(fā)一款滿足市場需求的、深受用戶喜愛的成功車型。筆者針對玻璃密封設計開發(fā)及造車過程中遇到的問題，提出解決方案，為大家展示玻璃密封設計的一些細節(jié)。

1 最初方案及分析結果

玻璃密封是整車密封的重要組成部分，一般的密封包括防水、防塵、防風、防噪，而玻璃的密封還需要考慮到行駛震動的吸收、關門過程的緩沖等問題。因此，玻璃密封的設計是否合理，不僅關系到密封的基本要求，還將直接關系到整車風噪性能（即NVH）、玻璃升降的順暢度、汽車外觀等一些十分關鍵的指標，必須予以充分的重視。NVH是玻璃密封設計甚至整車設計都必須考慮的一個問題。風噪性能差，行車過程中客戶聽到的噪音比較大，會影響到客戶的滿意度。玻璃升降的順暢度，則直接關系到客戶對整車功能的控制。玻璃升降過程出現(xiàn)卡滯、升降緩慢等問題，將直接導致客戶的投訴。外觀直接影響到客戶對整車的第一印象?？偠灾?，汽車產(chǎn)品必須滿足客戶的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等各方面的感知要求。

該車型在設計之初，基于時間等因素的考慮，玻璃密封的結構需要借鑒上一代產(chǎn)品的結構形式，上一代產(chǎn)品的密封截面如圖1所示。密封截面中相互配合的零件包括玻璃、玻璃導槽、玻璃導槽密封條、門鈑金。

工藝上，我們一般通過焊接包邊將玻璃導槽和鈑金連為一體，并將玻璃導槽密封條裝入導槽卡緊，然后再裝配好玻璃。實現(xiàn)玻璃的密封，主要是靠玻璃導槽密封條實現(xiàn)，以變形部分在固定和運動件間實現(xiàn)密封，但是結構上相互間的配合也會對密封條的密封效果影響非常大。下面我們來分析一下此結構的優(yōu)點和缺點。

采用上述結構的優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：{1}大量借用成熟零件，可以減少設計風險，縮短設計時間，盡快將產(chǎn)品投放市場。{2}對車型的共線生產(chǎn)十分有益。{3}結構相對簡單，零件在使用過程中會比較穩(wěn)定。

但是，這種設計結構也存在比較大的風險，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：{1}影響外觀，膠條包住鈑金，大量出現(xiàn)在客戶的視線中，影響整車美感。{2}不利減重，且成本較高；唇邊比較厚，厚的唇邊需要更多的原材料，造成重量及成本增加。{3}無法有效阻隔風噪，NVH性能較差。{4}夾持力（即膠條唇邊提供給玻璃的保持力）不足，主要受唇邊和玻璃的重合量及膠條的壓縮負荷決定。{5}膠條倒刺特征較多，會增大膠條的插入力，不利于裝配。

基于以上需要改進的問題，我們對該結構進行第一次優(yōu)化。

2 第一次改進方案

在最大限度地保持原結構優(yōu)勢的基礎上，我們對膠條局部進行了優(yōu)化，主要修改了大小唇邊的結構形式及減少了膠條與鈑金配合面的倒刺數(shù)量。

改進后的玻璃密封截面如圖2所示。

對該結構進行優(yōu)化設計后，實現(xiàn)了以下幾點的改進：{1}優(yōu)化唇邊結構，有效地增加對玻璃的夾持力，不易產(chǎn)生異響等問題。{2}由于膠條倒刺的減少，有效地減少了插入力，有利于裝配。{3}最大限度地保持了原結構的形式，降低設計風險。

結構優(yōu)化之后，我們進行了實際的造車驗證，然而在造車后，我們在實車上發(fā)現(xiàn)不但沒有解決原先的問題，還出現(xiàn)了新的問題：{1}膠條包住鈑金的結構形式?jīng)]有解決，外觀問題依然存在。{2}玻璃升起的過程比較困難，分析為夾持力偏大引起，屬于新出現(xiàn)的問題。{3}不利于裝配的問題雖然得到緩解，但仍然存在。{4}鈑金的焊接有誤差，會改變膠條對玻璃的夾持力，使夾持力水平不一致（不同的車上焊接偏差不一樣，夾持力水平也不一樣），也屬于新出現(xiàn)的問題。{5}截面結構沒有優(yōu)化，無法有效地阻隔風噪，NVH性能較差。

以上問題如果得不到解決，就無法實現(xiàn)項目的開發(fā)目標，生產(chǎn)出的產(chǎn)品也不會讓客戶滿意，這有悖于公司的宗旨。因此，制訂一套新的方案以有效地解決以上問題顯得十分必要。

3 第二次改進方案

基于以上考慮，為有效地解決目前存在的問題，實現(xiàn)項目的定位目標，在原方案的基礎上，提出了第二次改進方案。第二次方案對整個結構進行了改進，包括鈑金結構等（如圖3所示）。

第二次改進方案實施過程中，每一個問題我們都找出了原因并制定了對策，理論上可以比較圓滿地解決第一次結構改進后存在的不足。

（1）對于外觀問題，盡量少地裸露膠條可以有效地提高美觀度。鑒于此，我們取消了膠條的包鈑金結構，修改成小唇邊和鈑金匹配的結構。這不僅提高了汽車產(chǎn)品的美觀度，還達到了減重降本的目的；同時，對于密封條截面的目標，我們對其截面厚度也進行了優(yōu)化，可以進一步實現(xiàn)減重降本的目標。

（2）夾持力缺少衡量指標，導致產(chǎn)品夾持力不是低于預期就是高于預期。對此，我們再一次優(yōu)化唇邊結構，同時定義壓縮負荷，以衡量并約束產(chǎn)品的夾持力水平。壓縮負荷是膠條每100 mm的單位長度變形可以提供的力的大小。同時也定義了膠條變形量與力的變化的關系，可以有效地約束產(chǎn)品的夾持力水平。新的截面壓縮負荷為6 N/100 mm。

（3）不利于裝配的問題經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，膠條推送到底部后倒刺還沒能進入卡槽，需要進一步施加力量使膠條發(fā)生變形后，底部受壓變形時倒刺才能卡入到位。對此，我們在膠條底部預留了一部分空間，使膠條推送到底地時倒刺就可以順利卡住，有效地解決了裝配困難的問題。

（4）內板和導槽通過焊接的形式連接，焊接工藝穩(wěn)定性不高，會存在不同程度的偏差甚至超差，而原設計膠條唇邊直接和鈑金接觸，這樣鈑金的偏差會直接導致膠條產(chǎn)生位置偏移，進而導致額外的變形而影響到了夾持力。對此，我們也在鈑金和膠條間預留了一部分間隙以有效地提供容差，焊接的偏差在一定范圍內不會影響到膠條的位置。預留的間隙如圖3中的h所示。

（5）在不增加導槽唇邊數(shù)量的情況下，玻璃端面和膠條的距離是影響風噪的關鍵因素。對此，我們做了大量的試驗以確認最合適的間隙預留，在保證不產(chǎn)生故障的情況下，進一步減少玻璃端面和膠條的間隙，從而提高風噪性能。預留的間隙如圖3中的h所示。

在以上所有的優(yōu)、缺點中，我們比較關注的是膠條提供給玻璃的夾持力，夾持力過小，會導致關門時因對玻璃的約束不足，玻璃因慣性晃動較大而產(chǎn)生異響和碰撞損壞產(chǎn)生功能失效等問題；夾持力過大則會導致升降困難，甚至產(chǎn)生升降卡滯、失效的問題。因此，在項目初期，我們初步計算出夾持力水平是否可以滿足使用要求顯得十分必要。下面我們就來簡單地分析一下玻璃的受力情況，以確定是否會導致有過大的晃動及升降時受力是否過載等問題。

為了便于分析該處的受力情況，我們將玻璃受力進行簡化，假定玻璃關門時的運動方向只受到密封條的夾持力。小唇邊提供給玻璃的保持力為F 1，大唇邊提供給玻璃的保持力為F 2，當關門時玻璃的移動速度為v。

由物理學動量定理知識可知：

F×t=△v×M

假設玻璃質量M為3 kg，關門速度△v為1.2 m/s，玻璃回彈瞬間用時t約0.03 s，那么對于關門時受到的合力F=△v×M/t，經(jīng)計算得出合力約120 N。即F 2-F 1=

120 N。

壓縮負荷是膠條每100 mm長度可以提供的保持力，設計狀態(tài)下即玻璃平衡時的位置收到的大小唇邊合力為0，當玻璃偏移1 mm時，夾持力的合力變化定義為4 N，那么假設玻璃的夾持周長為1 600 mm，則合力F=4 N×1 600 mm/100 mm=64 N；當玻璃偏移2 mm時，夾持力的合力變化定義為7 N，合力同理計算得出為112 N。因此，需要提供出120 N的力則膠條變形約2 mm。按此水平計算玻璃的晃動量，可以大概校核出其他零件和玻璃間的安全距離是否足夠，以避免使用過程產(chǎn)生晃動、異響等問題。

當然，現(xiàn)實情況要比上述情況復雜得多，由于空氣壓強、升降器限制等原因，受力情況很難具體分析，簡化分析我們僅能得到一個參考數(shù)據(jù)，安全距離還需要增加經(jīng)驗值才能滿足實際的使用情況。

對于夾持力水平是否合理，是否會導致升降過載等問題的校核，我們也需要進行簡化分析。在玻璃上升過程遇到的阻力F主要由玻璃的重力G及密封系統(tǒng)的阻力f組成，而系統(tǒng)阻力f主要由玻璃和密封條的摩擦力f 1、玻璃和水切的摩擦力f 2組成，摩擦系數(shù)一般為0.4，玻璃和密封條及水切的接觸長度分別為850 mm和800 mm（玻璃與密封條的接觸長度因玻璃位置的改變而變化，這里以玻璃接近頂部的位置為例），假設密封條夾持力為F 1，水切夾持力F 2=800 mm×6 N/100 mm，則受力情況如下：

F=G+f 1+f 2=3 kg×10 N/kg+0.4×F 1+0.4×F 2

阻力F一般設計為90 N左右比較合理，帶入上述公式則可以計算出正常的夾持力水平，用于校核現(xiàn)截面的夾持力水平是否合理，以避免后期出現(xiàn)因夾持力過大或者過小而導致的升降問題。在此例中，經(jīng)計算夾持力F 1為102 N，因此壓縮負荷=102 N/（850 mm/100）/2=6 N/100 mm。計算的壓縮負荷水平和截面壓縮負荷水平一致，證實截面比較合理。

理論計算可行之后，實際的造車中我們也做了大量的分析和試驗，以確保新設計的夾持力能夠處在比較合理的范圍。我們將夾持力轉換為升降系統(tǒng)阻力來衡量，同時夾持力的水平也可以通過升降器的工作電流來進行衡量，升降阻力及工作電流測量結果見表1。

從表1的升降阻力及升降電流值我們不難看出，第二次改進的方案表現(xiàn)要優(yōu)于第一次改進的方案，但是我們?yōu)榱诉M一步了解2種方案的差別，又同時從外觀、裝配難易程度、噪音等方面進行比較，驗證結果見表1，外觀效果對比如圖4所示。

經(jīng)過以上的綜合對比，從分析結果可以得出以下結論：第二次改進方案基本上圓滿地解決了第一次改進方案中存在的問題，方案二明顯優(yōu)于方案一。

4 結語

本文主要結合了車型開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題作為案例，在優(yōu)化改進方案的過程中進行歸納，總結了汽車玻璃密封的開發(fā)經(jīng)驗，為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了思路和參考。

參 考 文 獻

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]樂玉漢.橋車車身設計[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]李衛(wèi)平.橋車車身密封結構及其仿真[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[責任編輯：陳澤琦]