汽車前蓋大燈緩沖密封條設(shè)計(jì)研究

羅巍巍， 陳泱 ，李婉婉

(泛亞汽車技術(shù)有限公司，上海 200129)

0 引言

車輛前蓋系統(tǒng)在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中基于整車布置、整車造型、整車降本等各方面考慮，存在前蓋過關(guān)行程(Hood Over Slam Zone)大于設(shè)計(jì)公差規(guī)范(Design Tolerance Specification,DTS)定義的大燈與前蓋間隙要求情況，此時(shí)前蓋有砸燈導(dǎo)致配光鏡破損及前蓋包邊磕漆的風(fēng)險(xiǎn)。前蓋過關(guān)行程影響因素很多，前蓋系統(tǒng)鎖的位置、結(jié)構(gòu)、數(shù)量;橡膠緩沖塊的高度、剛度、布置;前蓋撐桿的類型，前蓋造型、材料類型以及質(zhì)量等要素均可以影響過關(guān)行程[1-2]。當(dāng)需要控制過關(guān)行程時(shí)，相對(duì)其他系統(tǒng)的優(yōu)化對(duì)整車的成本或者整車架構(gòu)的影響，采用密封條隔斷進(jìn)行緩沖保護(hù)更具便捷性和可行性，且往往可以獲得成本和質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。

本文作者針對(duì)某款新車型的緩沖密封條以MSC.MARC有限元軟件對(duì)密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，并代入前艙集成CAE模型進(jìn)行前蓋過關(guān)量核算，來判斷密封條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是否合理，并據(jù)此確定對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，從而縮短了新車的開發(fā)、驗(yàn)證周期。

1 大燈緩沖密封條類型及機(jī)制

當(dāng)密封條需要具備緩沖功能時(shí)，基于成本、造型、定位的不同，不同主機(jī)廠采用的策略不同。一般來說密封條的布置可根據(jù)前蓋與大燈造型分縫的形式分為前蓋-大燈前后分縫(圖1)和前蓋-大燈上下分縫(圖2)兩類。

圖1 前蓋-大燈前后分縫

圖2 前蓋-大燈上下分縫

不同的分縫造型能夠?qū)崿F(xiàn)車輛前臉個(gè)性化的外觀效果。在不同的設(shè)計(jì)造型下，前蓋與大燈上下間隙、角度、前后相對(duì)位置都會(huì)有變化，由此影響密封條結(jié)構(gòu)、布置、定位、材料設(shè)計(jì)等要素。密封條的類型及作用機(jī)制歸納如下。

1.1 前蓋-大燈前后分縫造型密封條類型及機(jī)制

當(dāng)前蓋與大燈的分縫造型為前后分縫造型時(shí)，此時(shí)密封條可以布置在大燈上，其確保前蓋系統(tǒng)整個(gè)過關(guān)行程中，當(dāng)前蓋與大燈接觸時(shí)，密封條本體能隔斷在前蓋與大燈之間，避免鈑金件和塑料件硬-硬接觸，從而實(shí)現(xiàn)緩沖功能，如圖3所示。

圖3 前后分縫-密封條軟隔斷

不同主機(jī)廠針對(duì)前后分縫造型采用策略略有不同，結(jié)構(gòu)上可分為密封泡緩沖與唇邊隔斷兩種類型，固定方式可以采用卡扣、螺釘、膠帶等3種類型，如圖4所示，工藝材料選擇上可采用PP(30GF)+TPV雙射注塑以及EPDM擠出泡形等類型。具體方案的選擇取決于成本、質(zhì)量、工藝、大燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各方面的平衡與評(píng)估。

圖4 前后分縫-緩沖密封條結(jié)構(gòu)及固定形式

1.2 前蓋-大燈上下分縫造型密封條類型及機(jī)制

當(dāng)前蓋與大燈的分縫造型為上下分縫造型時(shí)，密封條需布置在前蓋上，如圖5所示，這種情況下密封條起緩沖作用的機(jī)制主要有兩種。一種是前蓋過關(guān)到極限位置(過關(guān)行程下偏差)，密封條變形態(tài)膠條被夾持在前蓋與大燈本體之間，實(shí)現(xiàn)前蓋與大燈本體的軟接觸(圖6)。當(dāng)密封條彈性體壓縮變形后，不能完全填充前蓋與大燈之間的縫隙時(shí)(此種情況經(jīng)常出現(xiàn)在前蓋與密封條壓縮面大于40°時(shí))，此時(shí)可以采取第二種方案。利用密封條泡管彈性體在壓縮變形過程中提供的壓縮負(fù)荷反力(Compression Load Deflection)，如圖7所示，通過代入整車前蓋CAE 模型來計(jì)算前蓋過關(guān)行程區(qū)域， 經(jīng)過CAE核算的前蓋過關(guān)行程區(qū)域(圖8)與大燈不干涉時(shí)，此時(shí)可判定密封條的力學(xué)性能滿足前蓋系統(tǒng)緩沖大燈的要求。此方法需要優(yōu)化設(shè)計(jì)合理的密封條結(jié)構(gòu)以獲得滿足系統(tǒng)要求的力學(xué)性能曲線。

圖5 上下分縫-緩沖密封條結(jié)構(gòu)及固定形式

圖6 上下分縫-緩沖密封實(shí)現(xiàn)緩沖機(jī)制

圖7 密封條力-位移特性曲線

圖8 前蓋過關(guān)區(qū)域示意

文中主要針對(duì)某具體車型項(xiàng)目上下分縫造型緩沖密封條設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，在開發(fā)過程中通過平衡密封條外觀以及功能需求，從而得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 前蓋-大燈前后分縫緩沖密封條設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 前蓋-大燈前后分縫緩沖條常見外觀問題

這里討論的大燈密封條外觀匹配問題，指在前蓋打開和關(guān)閉的情況下，密封條無外露、離縫、褶皺等外觀缺陷。如圖9和圖10所示，新項(xiàng)目在布置密封條時(shí)，需要通過充分考慮斷面布置避免類似問題。

圖9 前蓋打開時(shí)密封條外觀問題

圖10 前蓋關(guān)閉時(shí)密封條外觀問題

2.2 大燈的受力沖擊載荷要求

前蓋關(guān)閉過程中，載荷通過密封條—外配光鏡—燈座傳遞至車身，為了保證關(guān)閉過程中，大燈表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞，要求大燈的外配光鏡和燈座承受的最大沖擊應(yīng)力均小于其使用材料的強(qiáng)度極限，這樣不會(huì)發(fā)生塑性變形和斷裂。在整車集成開發(fā)設(shè)計(jì)中核算時(shí)，通過風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)加權(quán)材料強(qiáng)度極限定義沖擊應(yīng)力閾值。一般極限沖擊應(yīng)力閾值按照經(jīng)驗(yàn)定義為物性表中材料強(qiáng)度極限的90%[3]。本項(xiàng)目中外配光鏡材料為COVESTRO公司的PC AL2647，燈座材料為SUNPOLY公司的PPGF30。根據(jù)各材料的物性表，分別設(shè)定外配光鏡的極限沖擊應(yīng)力為63 MPa;燈座材料其極限沖擊應(yīng)力為72 MPa。前大燈結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 前大燈結(jié)構(gòu)示意

2.3 項(xiàng)目密封條設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.3.1 密封條泡管隔斷緩沖方案研究

項(xiàng)目前蓋與大燈造型A面夾角在50°左右(圖12)，為了實(shí)現(xiàn)密封條的泡管軟接觸，密封條斷面布置需要盡量往前移，以取得密封泡變形后夾在前蓋與大燈之間的效果。但是密封條泡形越往前伸，那么當(dāng)前蓋打開和關(guān)閉時(shí)，密封條基座或者泡管外露的風(fēng)險(xiǎn)越大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮功能與外觀之間的關(guān)系，進(jìn)行充分評(píng)估。

圖12 造型邊界條件

關(guān)于基座外露問題，基于現(xiàn)有零件制造裝配公差可以通過統(tǒng)計(jì)學(xué)上的一維尺寸鏈分析，得到密封條基座邊緣(圖5)離前蓋包邊距離A的不同設(shè)計(jì)值時(shí)的超差概率。將尺寸鏈上前蓋包邊輪廓度，密封條卡扣固定孔位置度以及尺寸公差，密封條輪廓度公差代入一維尺寸鏈分析工具(圖13)可知在不同設(shè)計(jì)間隙值A(chǔ)下，密封條基座離鈑金邊緣小于1 mm時(shí)的超差概率。由表1可知當(dāng)密封條距離前蓋邊緣設(shè)計(jì)值A(chǔ)=2.5 mm時(shí)，密封條邊緣無突出前蓋的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)可以布置密封條泡形。

圖13 尺寸鏈理論分析結(jié)果

表1 不同設(shè)計(jì)尺寸A發(fā)生外觀問題概率

基于造型邊界布置密封條泡形斷面，并通過MSC.MARC軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，使得前蓋極限位置時(shí)，泡管夾持在前蓋與大燈配光鏡之間。根據(jù)FEA動(dòng)圖分析結(jié)果(圖14)可知，當(dāng)前蓋與大燈A面夾角過大時(shí)，密封條泡管布置需要盡量往前才能得到緩沖效果。此時(shí)會(huì)帶來零件的功能耐久與整車外觀兩個(gè)方面的問題：

(1)功能耐久問題。前蓋包邊與密封條泡管的接觸為點(diǎn)接觸，極限位置下密封條泡管堆積在一起，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，易發(fā)生密封條泡管耐久破損風(fēng)險(xiǎn)。

(2)關(guān)蓋外觀問題(圖15)。顧客一般觀測(cè)視角能夠看到密封條泡管外露出前蓋翻邊，且密封條泡管與前蓋上邊緣存在間隙，造成局部“鏤空”的效果，不可接受。

圖14 泡管隔斷泡形優(yōu)化結(jié)果

圖15 密封條泡管外露問題

因此，在密封條軟隔斷方案針對(duì)此造型不可實(shí)施時(shí)，需采用增大密封條反力的方式，并且充分考慮泡管變形問題，在避免泡管外露的同時(shí)減小前蓋過關(guān)區(qū)域區(qū)間。

2.3.2 提升密封條緩沖反力方案研究

為了充分增大密封條反力，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上空心EPDM泡管反力過小，已經(jīng)不能滿足整車集成的要求，同時(shí)橡膠泡管向前變形容易造成外觀問題，綜合考慮兩種需求將密封條斷面以及實(shí)施工藝改為實(shí)心65SHA EPDM注塑(圖16)，這樣既提升了CLD，又能夠避免緩沖泡管的變形前伸問題，并且EPDM注塑的橡膠本體可以根據(jù)前蓋內(nèi)板造型隨形，有效避免密封條褶皺及離縫問題。根據(jù)大燈保護(hù)A面以及前蓋造型，布置卡扣以及密封條注塑緩沖塊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度支撐筋，并設(shè)定不同的參數(shù)L1(前蓋極限行程下的密封緩沖塊與大燈配光鏡理論干涉量)，測(cè)試其不同水平下的壓縮負(fù)荷曲線，設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，其FEA結(jié)果如圖17所示。

圖16 實(shí)心EDPM注塑密封條緩沖塊方案

表2 密封條緩沖塊設(shè)計(jì)參數(shù)

圖17 實(shí)心EDPM注塑密封條緩沖塊FEA結(jié)果

將不同設(shè)計(jì)優(yōu)化值的力學(xué)性能曲線代入整車CAE模型，轉(zhuǎn)換成等效彈簧單元進(jìn)行前蓋過關(guān)區(qū)域核算,如圖18所示。

圖18 整車前蓋FEA模型

該項(xiàng)目前蓋與大燈上下間隙設(shè)計(jì)要求為(5.5±1.5)mm。在分析區(qū)域選取2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)間隙分析，如圖19所示，可以看出方案3和方案4均可滿足優(yōu)化的前蓋過關(guān)行程不與大燈配光鏡干涉。 考慮到物料成本/質(zhì)量以及制造容差(避免正常關(guān)閉狀態(tài)下密封條緩沖塊與大燈干涉)，最終選擇方案3：過壓3.0 mm。

圖19 整車前蓋FEA模型結(jié)果

方案3的密封條緩沖塊產(chǎn)品件后續(xù)通過了實(shí)車的前蓋開關(guān)耐久試驗(yàn)，整車級(jí)耐久試驗(yàn)，并且沒有發(fā)生外露、褶皺、離縫等外觀問題;完成了預(yù)設(shè)的大燈保護(hù)的功能。

3 結(jié)束語

通過新項(xiàng)目開發(fā)，文中系統(tǒng)地從大燈密封條緩沖的機(jī)制以及不同造型對(duì)應(yīng)的緩沖密封條設(shè)計(jì)方案做了概述，對(duì)密封條實(shí)現(xiàn)緩沖功能時(shí)應(yīng)關(guān)注的外觀和功能問題進(jìn)行了討論和闡述，并針對(duì)具體項(xiàng)目在前蓋與大燈壓縮面角度過大的情況下，提供了力-位移曲線緩沖機(jī)制的緩沖橡膠條。此設(shè)計(jì)拓展和豐富了密封條的設(shè)計(jì)方案，為大燈緩沖密封條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了實(shí)踐指導(dǎo)。