兩廂車整車尾門框密封性能分析

張家龍　莫建東　覃景裕

摘 要：文章主要分析兩廂車整車尾門框膠條與鈑金切邊匹配的密封漏水問題，從密封失效模式入手，對關(guān)聯(lián)零件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造配合以及應(yīng)力分析上進行分析總結(jié)，提出優(yōu)化設(shè)計方向及制造質(zhì)量控制關(guān)鍵項。關(guān)鍵詞：膠條;丁基膠;密封;尾門框中圖分類號：U466 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-108-04

Abstract： The article mainly analyzes the hatchback vehicle tail frame strip and sheet metal blanking matching seal leakage problem. Starting from the sealing failure mode， analyzing the product structure， manufacturing coordination and stress of the associated parts， and then put forward the optimizing design direction and key items for manufacturing quality control.Keywords： Strip; Butyl rubber; Seal; The tail frameCLC NO.：?U466 ?Document Code：?A??Article ID： 1671-7988（2020）08-108-04

引言

隨著中國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，2018年年產(chǎn)汽車達到2796.8萬輛，產(chǎn)量的提高意味著對于產(chǎn)品一致性控制要求越來越高，作為整車主要密封件的膠條起到密封、隔音的作用，其一旦出現(xiàn)問題就容易造成整車功能性失效，引起用戶不滿甚至抱怨。本文主要從SUV、MPV類兩廂車的尾門框膠條入手，論述尾門框密封性能的實現(xiàn)與改進。

1 尾門框密封失效模式

尾門框鈑金切邊與與尾門內(nèi)板間的間隙由尾門框膠條實現(xiàn)密封。主要的兩種密封失效模式如下圖1、2所示（箭頭為水流方向）。

圖1中可以看出尾門外板壓縮膠條泡管實現(xiàn)密封，當(dāng)密封失效水流流入車內(nèi)時主要受尾門框切邊到尾門外板的距離A以及尾門框切邊角度影響，故障區(qū)域可見，膠條可反復(fù)拆裝驗證，問題相對簡單。圖2所示故障為水流從尾門框鈑金切邊與膠條配合處進入，故障區(qū)域不可見，且拆膠條時會破壞膠條內(nèi)灌膠與鈑金的密封狀態(tài)，問題難以分析。本文主要就圖2所示故障重點分析密封失效原因及改進方向。

2 密封失效原因分析

密封主要由膠條實現(xiàn)，對膠條產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)以及應(yīng)力分析必不可少。

膠條斷面如下圖3所示，膠條材料為EPDM，骨架為密實膠，密封部分為海綿膠，膠條卡槽底部灌丁基膠[1]。

對于水流從尾門框鈑金切邊與膠條配合處進入的故障，設(shè)計上有三道密封阻止水流進入（如圖3），理論上三道密封已經(jīng)非常完善，但是故障仍然時有發(fā)生，這是為什么呢？我們從三道密封的實現(xiàn)去分析。

2.1 發(fā)泡膠密封

第一和第二道密封唇為海綿膠，其主要靠與鈑金面過盈配合密封，當(dāng)膠條安裝到位時兩道密封唇應(yīng)能壓緊鈑金面，壓緊面積及壓緊力與兩道密封唇角度有關(guān)，當(dāng)?shù)谝坏烂芊獯浇嵌绕r，膠條容易在裝配時發(fā)生卷邊問題，不美觀且不利于密封;角度偏大時過盈量不足，同樣不利于密封。

第一第二道密封唇都與鈑金良好配合時，密封效果基本滿足要求，但這兩道密封仍存在缺陷。

觀察尾門框周圈鈑金搭接面可知，D柱與頂蓋存在兩條搭接縫，涂裝涂膠難以徹底將搭接縫填補平整，且刮膠過烘烤后膠層收縮形成凹槽，故依靠過盈量密封的第一第二道密封唇易在該處失效，水流進入丁基膠與第二道密封唇之間，因為鈑金切邊在該處Z向高于拐角且丁基膠與鈑金切邊密封良好使得水流仍未能進入車內(nèi)。受重力原因進入腔體內(nèi)的滲水沿著第二道密封唇與丁基膠間的腔體往下積聚，由此可知尾門框下部積水量多，滲水風(fēng)險遠高于其他區(qū)域。

分析尾門框膠條結(jié)構(gòu)可知，膠條排水孔位于尾門鎖扣附近位置，而尾門框下端數(shù)模上是是中間高兩側(cè)低（或幾乎持平），兩側(cè)下拐角水壓最大且存在部分水量無法從排水孔排出，后續(xù)應(yīng)盡量避免尾門框下部中間高兩側(cè)低的設(shè)計。

小結(jié)：為了優(yōu)化尾門框膠條與鈑金配合情況，減少第二道密封唇與丁基膠間的積水，新車型設(shè)計時改進了膠條斷面。將靠近第二道密封唇的倒刺卡邊也做成發(fā)泡膠，使得前兩道密封唇失效時仍能有第三道密封唇密封，達到優(yōu)化密封的效果。

2.2 丁基膠密封

丁基膠是一種不干性液態(tài)密封膠，其在技術(shù)要求的溫度范圍內(nèi)始終以粘稠狀態(tài)存在，同時存在變形和流動性。利用流體力學(xué)對其密封受力分析[2]，當(dāng)貼合面間隙越小、面積越大、丁基膠粘度較高時密封性越好。但粘度過高時流動性變差，膠條裝配阻力變大，易潰縮，不利于產(chǎn)線裝配，及裝配質(zhì)量一致性控制。故從公式推導(dǎo)中得出的終態(tài)狀態(tài)存在局限性，需在流動性及密封間取得較好的平衡粘度狀態(tài)。

當(dāng)膠條裝入時，底部的丁基膠被壓向鈑金貼合縫和兩側(cè)，實現(xiàn)密封層三道：外板豎邊側(cè)壁與丁基膠、丁基膠與內(nèi)外板搭接縫、內(nèi)板豎邊側(cè)壁與丁基膠密封。

理論設(shè)計膠條灌膠高度H1=3±1mm，鈑金切邊高度公差也是h=±1mm，灌膠過盈量：H2= H1+h

當(dāng)灌膠高度走下限H1min=2mm，同時鈑金切邊也走下限h min =-1mm時，則最小灌膠過盈量：H2min=H1+h=1mm。

實際膠條裝配后存在退縮現(xiàn)象，過盈量進一步減小，且由于丁基膠本身的流動性，膠體部分被擠到膠條兩側(cè)R角處以及壓進內(nèi)外板貼合縫中，故當(dāng)灌膠高度不足時，三層密封情況均發(fā)生惡化，粘在膠條上的丁基膠和粘在鈑金上的丁基膠出現(xiàn)分離趨勢，甚至形成分離，水流從分離形成的裂縫中進入鈑金縫或進入內(nèi)板側(cè)。

小結(jié)：丁基膠灌膠高度是實現(xiàn)密封的重要環(huán)節(jié)，斷膠或灌膠高度不足極易導(dǎo)致車輛尾門框進水，引起用戶抱怨。從產(chǎn)品設(shè)計上灌膠高度3±1mm無法有效滿足制造質(zhì)量要求，新車型設(shè)計時改進了該灌膠高度，最低灌膠高度>2.5mm，以此保證膠條裝配后丁基膠與鈑金形成良好的密封。

2.3 膠條應(yīng)力分析

由于膠條內(nèi)部有鋼帶骨架以及密實膠支撐，當(dāng)裝配到拐角區(qū)域時膠條外側(cè)受拉力內(nèi)側(cè)受擠壓應(yīng)力，簡化膠條Z向斷面的微分平面（如圖10），膠條受力矩M發(fā)生形變（虛線）。取膠條Y向斷面分析，簡化受力模型如圖11：

F1：外板對膠條第一道密封唇的推力;

F2：外板對第二道密封唇的支撐力;

F3：外板給膠條倒刺的摩擦力;

F4：內(nèi)板給膠條倒刺的摩擦力。

將F1、F2、F3、F4平移到同一軸線，對應(yīng)力矩為M1、M2、M3、M4。

假定直線段時F4為正，則有 F3+F4=F1+F2 ， ?M3=M1+ M2+M4;

當(dāng)進入R角區(qū)域時，由前文可知F3隨壓緊力減小而減?。?/p>

若F4增大，其余力值不變，則有M3減小，M4增大，M3

若F4減小，其余力值不變，則有F3+F4

再假定直線段時F4為負，則有F3=F4+F1+F2 ， ?M3+M4=M2+M1

當(dāng)進入R角區(qū)域時，F(xiàn)3減小，M3減小，

若F4增大，其余力值不變，F(xiàn)3

若F4減小，其余力值不變，則有M3+M4

綜上：圓弧段膠條受力會導(dǎo)致膠條本身產(chǎn)生退縮。

小結(jié)：除上述分析以外，丁基膠在裝配完成瞬間存在一定的彈性也會使得膠條退縮，為了滿足F3、F4變化量盡量小，故采用鈑金在導(dǎo)槽內(nèi)偏置設(shè)計，使得外側(cè)倒刺的干涉量更多，在微量形變的情況下摩擦力變化小，實驗發(fā)現(xiàn)退縮量一般在0.3mm以內(nèi)，整個受力系統(tǒng)重新回到平衡。為了保證受力穩(wěn)定，閉口件的滾壓工藝可以加大F3方向的壓緊力相當(dāng)于加大靜摩擦力，值得學(xué)習(xí)沿用，尾門框型面設(shè)計上，建議盡量避免R角弧度急劇變化的設(shè)計，讓圓角平順過渡減少退縮量。

2.4 鈑金切邊縫分析

鈑金切邊搭接由于部分區(qū)域有加強板，切邊存在2層和3層的過渡，過渡區(qū)域鈑金縫隙設(shè)計值公差范圍達到1mm離空，不利于丁基膠密封。同時內(nèi)外板匹配容易發(fā)生錯邊，打磨切邊平齊也會導(dǎo)致切邊高度發(fā)生局部突變，丁基膠密封狀態(tài)變差。當(dāng)離空量較大時，鈑金縫出現(xiàn)“吃膠”現(xiàn)象，部分丁基膠進入鈑金縫但是未形成連續(xù)有效的密封，水流滲入鈑金縫隙中流入車內(nèi)。

小結(jié)：設(shè)計上無法避免存在2層板和3層板的過渡區(qū)域，所以只能從其他方面減少水流進入到鈑金縫，優(yōu)化丁基膠和膠條密封情況，同時在制造環(huán)節(jié)加強對鈑金縫隙的過程控制，做合設(shè)計范圍。

2.5 制造過程改進

尾門框膠條密封失效位置常見于尾門框左右下角，通過前文分析得出突破第一第二道密封唇的水無法突破第三道密封時將存于丁基膠與第二道密封唇之間（優(yōu)化前），受自身重力作用向下流，導(dǎo)致下端積水增多水壓增大。

故制造過程需在車身總拼完成后增加檢查工位，對內(nèi)外板離空間隙超差部位敲合，對內(nèi)板錯邊較大進行打磨，加強管控保證切邊高度。涂裝利用刮膠后剩余殘膠抹入鈑金縫可填補部分鈑金縫間隙，減小進水風(fēng)險。

3 總結(jié)

通過對膠條、鈑金以及制造環(huán)節(jié)進行綜合分析，從機理上發(fā)現(xiàn)了原有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一些不足，對應(yīng)這些不足及機理識別出了整車尾門框密封失效的原因，結(jié)合DFMA和PFMA

推動設(shè)計和制造過程進行質(zhì)量改進，基本將水流從尾門框鈑金切邊與膠條配合處進入這一故障消除，偶發(fā)案例只需進行前三鉆檢查即可。隨著高分子材料的不斷進步和發(fā)展，相信不久的將來會有其他膠體取代丁基膠，實現(xiàn)裝配前流動性好，裝配后粘度大，進一步優(yōu)化密封質(zhì)量。

參考文獻

[1]?莫記燕.某車型后門框膠條和后側(cè)窗玻璃質(zhì)量改進[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2011（09）：21-24.

[2]?馬靜怡.車用丁基密封膠的研制[J].中國膠粘劑，2006年，15卷第二期.