汽車車門密封系統(tǒng)設(shè)計研究

張杰，高丹，于涵，于波

（華晨汽車工程研究院閉合件工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著汽車的日益普及，人們對汽車性能的要求也越來越高。汽車密封系統(tǒng)是確保汽車密封性能的重要組成部分，車門密封系統(tǒng)作為汽車密封系統(tǒng)的核心部分對于整車的密封性，駕乘的舒適性起到重要作用。本文討論的車門密封系統(tǒng)主要包含安裝在車門和車身側(cè)圍止口上，用于密封車門和車身之間縫隙的車門密封條和門框密封條。本文介紹了車門密封系統(tǒng)的設(shè)計要求以及車門密封條的材料選擇和密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮因素。本文進一步對密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面進行仿真分析并對斷面進行優(yōu)化。

1 車門密封系統(tǒng)設(shè)計要求

根據(jù)車門密封系統(tǒng)的布置位置和使用工況，車門密封系統(tǒng)主要用于密封車門與車身側(cè)圍之間的間隙。具有密封、防塵、隔音、減振及裝飾等功能。同時密封系統(tǒng)需要滿足車門能夠正常開關(guān)并為車門提供必要的保持力。

車門密封系統(tǒng)的設(shè)計首先需要滿足法規(guī)要求。其中包含禁用物質(zhì)要求，整車及部件級有機物散發(fā)（VOC）要求，氣味要求及阻燃要求等。

車門密封系統(tǒng)的設(shè)計同時需要滿足其功能要求。能夠良好的實現(xiàn)整車防雨，防風，防塵，降噪等各項性能目標，同時滿足NVH要求。

2 材料

對于車門密封系統(tǒng)材料，總體要求耐候性高、耐磨性好、耐熱老化性好、吸水率低、低溫時可撓性好及不受車輛油漆的侵蝕等；另外為了提高耐磨性，降低與車身的摩擦聲及提高在寒冷地帶密封條的防凍性能，一般在密封條表面噴有聚氨酯涂層。

車門密封系統(tǒng)常用材料主要是EPDM（三元乙丙橡膠），EPDM由乙烯、丙烯單體加入少量非共軛二烯烴聚合而成。具有優(yōu)良的耐候性、耐熱性、耐臭氧性、耐紫外線性以及良好的加工性能和低壓縮永久變形的特點。EPDM是生產(chǎn)車門密封條的首選材料。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 車門密封系統(tǒng)布置

車門密封系統(tǒng)布置幾道密封與汽車的市場定位密切相關(guān)，一般豪華車對車門噪音，防水防塵性的要求較高，常采用多道密封；對于經(jīng)濟型轎車，可減少密封層數(shù)。車門密封系統(tǒng)采用不同密封層數(shù)，其優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 密封層數(shù)優(yōu)缺點對比

目前，市場上主流汽車的車門密封多采用2.5道密封。密封條主要包含車門密封條，門框密封條，B柱密封條等。

3.2 車門密封系統(tǒng)安裝方式和結(jié)構(gòu)特點

3.2.1 車門密封條

車門密封條安裝在車門上，俗稱“頭道密封條”。車門密封條的安裝方式如下圖1所示，主要有三種：

圖1 車門密封條安裝方式

1）“C”型槽嵌入型：是指將密封條手動嵌入車門內(nèi)板的安裝特征內(nèi)，這種密封條的固定強度不佳，采用此種結(jié)構(gòu)需要分析和檢測防脫性能，并需要在密封條的接角區(qū)域增加輔助定位。

2）扣釘卡接型：是指密封條底部安裝塑料扣釘，安裝時塑料扣釘卡入車門內(nèi)板的扣釘孔內(nèi)，從而使密封條固定在車門上。這種密封條一般應(yīng)用于密封要求不是很高的部位或雙重密封中的輔助密封。

3）膠帶粘貼型：密封條底部粘貼雙面膠帶，通過膠帶和車門鈑金連接固定，這種密封條的密封性能較好，但是往往需要使用費用高昂又無通用性的專用工裝進行安裝，且售后維修較為困難。

車門密封條通過關(guān)門時泡管（或含唇邊）被壓迫變形，密封條和車身鈑金之間貼合并存在回彈力使車門周圈被密封。

3.2.2 門框密封條

門框密封條安裝在車身側(cè)圍止口上，密封形式大體有三種：雙泡管密封，單泡管密封，無泡管密封。其中單泡管密封最常見，安裝方式如圖2所示。

圖2 門框條安裝方式

門框密封條由硬質(zhì)的夾持部分鑲嵌在車身側(cè)圍止口上，這種密封條能掩蓋鈑金翻遍的切邊和焊點。車門關(guān)閉時，車門內(nèi)板壓迫門框密封條的泡管變形，泡管彈性變形后的回復(fù)能力良好，門框密封條泡管變形后對車門起到密封作用。

3.2.3 B柱密封條

B柱密封條是指遮擋前后門之間縫隙的密封條。B柱密封條一般有兩種位置形式：一種是安裝在后側(cè)門上，另一種是安裝在側(cè)圍B柱位置。安裝在后側(cè)門上的B柱密封條可集成在導(dǎo)槽密封條或車門密封條上。

3.3 車門密封系統(tǒng)斷面設(shè)計

車門密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式與車門結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。 車門結(jié)構(gòu)類型一般包含半框式（也稱整體內(nèi)板式），分體框式，整體式等。半框式車門結(jié)構(gòu)的車門上框一般由導(dǎo)槽密封條充當外表面，導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜；分體框式車門結(jié)構(gòu)和整體式車門結(jié)構(gòu)對應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)相對簡單。

3.3.1 車門密封條壓縮變形特性設(shè)計

車門在關(guān)閉過程中，密封條受到壓縮產(chǎn)生變形時對擠壓面的反力作用等于其壓縮負荷。車門密封條變形量與壓縮負荷的關(guān)系稱之為壓縮變形特性，它與密封結(jié)構(gòu)的可靠性和車門關(guān)閉力關(guān)系密切，是車門密封條最基本特性，是密封系統(tǒng)設(shè)計的重點研究內(nèi)容。

根據(jù)參考文獻[1]提供的測試結(jié)果：車門關(guān)閉時，氣流所引起的氣壓阻力和密封條的反力是影響轎車關(guān)閉力的主要因素，兩者消耗的能量基本是車門的關(guān)閉能量，其中密封條的作用比重可達30%～50%；而車門的重力、限位器、鉸鏈、門鎖的作用可以相互抵消。車身設(shè)計時，可以參考市場同類型的產(chǎn)品，預(yù)設(shè)車門密封條壓縮變形特性曲線的規(guī)格區(qū)間，再通過計算分析和綜合驗證，最終確定壓縮變形特性規(guī)格。

3.3.2 車門密封系統(tǒng)邊界環(huán)境的確定

設(shè)計密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面時，需要確定密封條與周邊環(huán)境的關(guān)系。設(shè)計過程中既要考慮反作用力，又要考慮密封性能。下面以某車型的車門上框位置密封結(jié)構(gòu)斷面為例，介紹確定車門密封系統(tǒng)邊界環(huán)境需要考慮的因素。車門密封結(jié)構(gòu)斷面如圖3所示。

在確定車門密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，需要考慮邊界環(huán)境因素如表2所示。根據(jù)車門密封系統(tǒng)周邊環(huán)境影響因素及參照市場同類產(chǎn)品?？梢暂敵龀醢?的車門密封系統(tǒng)斷面。進一步利用CAE分析優(yōu)化密封系統(tǒng)斷面。

圖3 車門密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面

表2 車門密封系統(tǒng)斷面考慮因素

4 CAE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 CAE分析

由于汽車密封條的材料復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特殊，接觸載荷、邊界的非線性等因素，應(yīng)用CAE技術(shù)可以提高預(yù)測能力，降低開發(fā)調(diào)試成本。根據(jù)車門密封條斷面結(jié)構(gòu)，運動方向等完成基本模塊的搭建，通過CAE分析軟件，模擬分析密封條受力變形行為。根據(jù)參考文獻[2]提供的實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比，仿真結(jié)果與實際使用的密封條測試結(jié)果對比，其誤差在10%以內(nèi)，可信度極高。

4.1.1 車門密封條CAE分析

某車型的車門密封系統(tǒng)的車門密封條進行CAE分析，密封條受力變形行為及壓縮負荷曲線（CLD）的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 車門密封條CAE分析結(jié)果

表3 車門密封條不同位置處壓縮負荷值對比

工程實際中，以車門關(guān)閉過程中密封條三個重要的壓縮測試位置（理論位置N、N-2和N+2處）所對應(yīng)的壓縮負荷值作為判斷CLD曲線設(shè)計合理與否的標準。本例中車門密封條三個重要壓縮位置處對應(yīng)的 CAE分析值與設(shè)計指標值對比如表3所示。車門密封條的壓縮負荷值達到設(shè)計要求。

4.1.2 門框密封條CAE分析

某車型的車門密封系統(tǒng)的門框密封條進行CAE分析，密封條受力變形行為及壓縮負荷曲線（CLD）的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 門框密封條CAE分析結(jié)果

本例中門框密封條三個重要壓縮位置處對應(yīng)的 CAE分析值與設(shè)計指標值對比見表4所示。門框密封條的壓縮荷重值比設(shè)計指標值小。產(chǎn)品斷面需要進行優(yōu)化。

表4 門框密封條不同位置處壓縮負荷值對比

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計在保證材料一致的情況下，需對門框條泡管的結(jié)構(gòu)進行改動。選取密封斷面結(jié)構(gòu)的海綿泡管厚度T和高度H兩個變量為優(yōu)化參數(shù)，截面優(yōu)化變量歸納如表5所示。

表5 門框密封條截面優(yōu)化變量歸納

參考文獻[3]，密封條斷面優(yōu)化選取兩個變量，每個變量3個水平組合出9個斷面結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。通過CAE分析獲得9組樣本對應(yīng)的三個重要壓縮位置的壓縮值，從中選擇最優(yōu)方案。完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

5 結(jié)論

（1）EPDM是車門密封條首選材料。

（2）車門密封系統(tǒng)，要與車門結(jié)構(gòu)相匹配。設(shè)計車門密封系統(tǒng)時要從車門密封條的布置形式，安裝結(jié)構(gòu)選擇方面進行規(guī)劃。定義密封系統(tǒng)斷面時，要充分考慮密封條與周邊環(huán)境的關(guān)系。

（3）車門密封條壓縮變形特性是密封系統(tǒng)設(shè)計的重點研究內(nèi)容，在CAE分析中可通過三個重要的壓縮測試位置的分析值與設(shè)計值進行對比及判定。