汽車車門密封條磨損和異響問(wèn)題的研究與控制

張 巖， 盧生林， 王 婭， 晉 蕾

（奇瑞汽車股份有限公司整車驗(yàn)證和工程中心， 汽車節(jié)能環(huán)保國(guó)家工程研究中心，安徽省汽車NVH 與可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蕪湖 241009）

1 引言

汽車車門密封條作為整車密封系統(tǒng)的重要組件之一，具有減振、防水、防塵和隔音等功能[1]。在車輛的生命周期里，車門在日常使用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)開(kāi)閉以及上下車時(shí)接觸摩擦過(guò)程中，密封條不可避免地會(huì)發(fā)生磨損，進(jìn)而導(dǎo)致密封失效，如漏氣、風(fēng)噪、漏塵及漏水等，會(huì)給客戶造成困擾，給車企的品質(zhì)信譽(yù)帶來(lái)負(fù)面影響。密封條磨損也會(huì)導(dǎo)致涂層完整性變差，同時(shí)帶來(lái)密封條異響問(wèn)題。隨著車輛NVH性能的提高，駕駛艙內(nèi)靜謐性得以保證，密封條異響問(wèn)題成為了用戶的重要抱怨點(diǎn)。密封條異響是指車輛在顛簸路面或者扭曲路面上行駛時(shí)，車門與門框間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生Squeak異響（吱吱聲或唧唧聲），使用戶的駕乘舒適性受到影響或產(chǎn)生煩躁情緒，甚至?xí)?duì)駕駛的安全性帶來(lái)影響。

2 密封條磨損和異響問(wèn)題

2.1 車門系統(tǒng)耐久性能試驗(yàn)中的磨損問(wèn)題

汽車在上市前，都要通過(guò)車門系統(tǒng)耐久試驗(yàn)的驗(yàn)證，車門的開(kāi)閉耐久性能要求一般是模擬10年使用壽命，對(duì)于車門耐久性能試驗(yàn)開(kāi)閉的目標(biāo)循環(huán)次數(shù)，不同的公司有著不同的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)已售車型客戶使用大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，確定前車門開(kāi)閉循環(huán)次數(shù)目標(biāo)為10萬(wàn)次循環(huán)，后車門為6萬(wàn)次循環(huán)。在試驗(yàn)過(guò)程中，要考慮車門玻璃在不同止點(diǎn)位置及不同環(huán)境下（室溫、低溫、高溫和高濕） 的耐久影響。A車型在車門系統(tǒng)耐久性能試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的密封條磨損問(wèn)題，在油漆鈑金出現(xiàn)難以擦除掉的黑色印痕，如圖1所示。

圖1 A車型在試驗(yàn)中密封條磨損導(dǎo)致車身上出現(xiàn)黑色膠痕

2.2 整車耐久性能試驗(yàn)中的磨損和異響問(wèn)題

整車保新度是指在一定里程的整車耐久可靠路試后，整車在外觀、匹配、功能等方面所具備的與新車性能保持一致的能力。整車保新度評(píng)價(jià)目的在于在開(kāi)發(fā)階段能夠識(shí)別性能衰減和老化的問(wèn)題，進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行規(guī)避，提升產(chǎn)品的保新度性能和顧客對(duì)產(chǎn)品的滿意度。

A車型的ab兩輛試驗(yàn)車，分別在耐久路試進(jìn)程0%、25%和100%時(shí)進(jìn)行整車保新度評(píng)價(jià)，針對(duì)密封條的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1，耐久路試進(jìn)程0%時(shí)，a車密封條無(wú)異響，b車的密封條出現(xiàn)輕微異響，說(shuō)明新?tīng)顟B(tài)下的密封條一致性較差。在耐久路試進(jìn)程25%和100%時(shí)，無(wú)異響的a車發(fā)生了異響，有輕微異響的b車異響加劇，兩輛車密封條也發(fā)生了一定程度的磨損，隨著試驗(yàn)進(jìn)程增加磨損情況愈加嚴(yán)重，說(shuō)明密封條在耐久路試過(guò)程中發(fā)生性能衰減，導(dǎo)致異響和磨損的加劇。

表1 密封條的評(píng)價(jià)結(jié)果

3 磨損和異響主要失效原因分析

3.1 密封條涂層因素

密封條涂層是通過(guò)噴涂的方式，將高分子噴涂材料噴涂在密封條表面，通過(guò)高溫將溶劑蒸發(fā)后，在密封條表面固化形成致密的保護(hù)干膜。根據(jù)密封條在整車壽命中的要求，密封條涂層必須具有低摩擦系數(shù)、高耐磨性、柔韌性、外觀一致性、耐候性、高低溫穩(wěn)定性、耐化學(xué)試劑性、降噪性、環(huán)保性以及容易與密封條本體形成強(qiáng)結(jié)合等性能[2]。

3.1.1 涂層摩擦系數(shù)不合理

劉磊等建立了密封條異響力學(xué)模型和振動(dòng)微分方程，分析了密封條異響產(chǎn)生的機(jī)理，主要影響因素為密封條涂層與鈑金之間摩擦系數(shù)不合理導(dǎo)致[3]。在前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，密封條涂層選型時(shí)，需要對(duì)涂層材料進(jìn)行摩擦系數(shù)試驗(yàn)[4]，優(yōu)先選擇涂層與鈑金之間靜、動(dòng)摩擦系數(shù)較小，且靜、動(dòng)摩擦之差較小的組合，從而減少密封條異響問(wèn)題發(fā)生的概率。

3.1.2 涂層與基材的異響兼容性差

密封條異響的根本原因?yàn)槊芊鈼l涂層與基材之間發(fā)生粘滑（stick-slip） 現(xiàn)象，在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中動(dòng)靜摩擦交替出現(xiàn)，并在接觸表面附近引起彈性變形，彈性變形是一種儲(chǔ)存能量的現(xiàn)象，當(dāng)能量釋放時(shí)就會(huì)產(chǎn)生噪聲。如果涂層與基材的異響兼容性好，就可以通過(guò)最小化彈性變形來(lái)避免或最小化噪聲，從而減少存儲(chǔ)的彈性能量的釋放[5]。粘滑試驗(yàn)（stick-slip test） 通過(guò)噪聲風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（RPN） 的評(píng)定反映粘滑現(xiàn)象的強(qiáng)弱，試驗(yàn)規(guī)范和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)VDA 230-206標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試工裝示意如圖2所示。在前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，需要增加針對(duì)涂層材料與鈑金的粘滑試驗(yàn)（stickslip test），進(jìn)而判斷此涂層材料與鈑金產(chǎn)生異響的風(fēng)險(xiǎn)大小，選擇與鈑金基材異響兼容性較好的涂層材料。

圖2 粘滑試驗(yàn)測(cè)試工裝示意圖

3.1.3 涂層與基材的耐磨損特性差

車輛行駛狀態(tài)下，密封條與車門、側(cè)圍門洞鈑金處于無(wú)時(shí)無(wú)刻的振動(dòng)和磨損的狀態(tài)中，日常使用過(guò)程中，衣物及行李等也會(huì)與密封條發(fā)生接觸和摩擦，并產(chǎn)生磨損，所以貼合用戶工況下的實(shí)驗(yàn)室密封條涂層耐磨損加速試驗(yàn)是控制密封條涂層在后期磨損問(wèn)題的重要手段。本文搜集和整理了不同主機(jī)廠的密封條涂層的耐磨試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)，最終采用了針對(duì)鍍鉻棒和帆布這兩種不同基材，以及經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的磨耗試驗(yàn)[2]，作為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前期密封條涂層耐磨損的必須要開(kāi)展的試驗(yàn)之一。

3.1.4 涂層厚度因素

密封條涂層厚度也稱涂層干膜厚度，是密封條噴涂質(zhì)量的最基本表征，是確保涂層達(dá)到其后續(xù)性能要求的基礎(chǔ)[6]。密封條涂層的耐磨損特性與涂層厚度直接相關(guān)。異響通常不直接受膜厚度變化的影響，但當(dāng)涂層厚度較低時(shí)，噴涂品質(zhì)及工藝一致性難以保證，即使是很小的未涂覆區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生高噪聲水平。在極端情況下，涂層完整性差會(huì)降低耐磨性至較低水平[7]。不同涂層材料所能達(dá)到的厚度是不同的，溶劑型有機(jī)硅涂層所能達(dá)到的厚度偏低，水溶性聚氨酯涂層所能達(dá)到的厚度較高，為了提高耐磨性，并降低異響風(fēng)險(xiǎn)，新開(kāi)發(fā)B車型使用水溶性聚氨酯涂層，并要求涂層厚度大于等于10μm，B車型密封條不同截面處的涂層厚度檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，結(jié)果顯示涂層厚度大于等于12μm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 新開(kāi)發(fā)B車型密封條涂層厚度檢測(cè)結(jié)果

3.2 閉合件門框開(kāi)口變形量因素

車輛在顛簸路面或者扭曲路面行駛時(shí)，車身和門框產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，這樣會(huì)導(dǎo)致密封條與車身鈑金之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這無(wú)疑加劇了密封條的磨損和異響問(wèn)題的發(fā)生。福特汽車的相關(guān)研究表明：開(kāi)口變形量與車輛異響不僅在新車狀態(tài)下有著很強(qiáng)的相關(guān)性，也是對(duì)于長(zhǎng)里程車輛異響性能衰減的一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)[8]。門框變形量，即在靜態(tài)全局扭轉(zhuǎn)載荷下，門框?qū)蔷€的相對(duì)位移量，且在0～50Hz的低頻范圍內(nèi)與異響性能之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性[9-10]。在數(shù)字樣車階段，可利用白車身級(jí)的CAE仿真方法對(duì)開(kāi)口變形量進(jìn)行分析，新開(kāi)發(fā)B車型的開(kāi)口變形量CAE仿真模型如圖4所示，分析結(jié)果如表2所示，均能滿足目標(biāo)值要求。目標(biāo)值根據(jù)仿真與試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性分析來(lái)確定，不同的車型、不同的密封條結(jié)構(gòu)形式和不同的密封條涂層材料，目標(biāo)值均會(huì)有一定差異。

表2 新開(kāi)發(fā)B車型開(kāi)口變形量CAE仿真結(jié)果

圖4 新開(kāi)發(fā)B車型的開(kāi)口變形量CAE仿真模型

3.3 密封間隙和生產(chǎn)制造因素

車門的密封間隙是指車門和門框在車門關(guān)閉狀態(tài)下的相對(duì)距離，此時(shí)密封條壓縮在密封間隙之間，在密封條剛度已經(jīng)確定的情況下，實(shí)車密封間隙的大小決定了密封條給予車門和門框的反力大小，而反力的大小直接影響密封條與車身鈑金的摩擦力。設(shè)計(jì)合理的密封條剛度和密封間隙對(duì)于改善密封條磨損和異響有著重要的幫助作用。在數(shù)字樣車階段，可利用整車級(jí)的CAE仿真方法對(duì)密封間隙進(jìn)行分析，工況與門框開(kāi)口變形量分析類似，在靜態(tài)全局扭轉(zhuǎn)載荷下，評(píng)估密封間隙是否能滿足設(shè)計(jì)要求，新開(kāi)發(fā)B車型密封間隙CAE仿真結(jié)果位移云圖如圖5所示。

圖5 新開(kāi)發(fā)B車型密封間隙CAE仿真結(jié)果位移云圖

在密封條剛度和密封間隙完成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)后，后續(xù)實(shí)車的密封間隙的一致性則反映了生產(chǎn)制造的水平，實(shí)車密封間隙小于設(shè)計(jì)值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致密封條與鈑金之間摩擦力變大，增加了密封條發(fā)生磨損和異響的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)車密封間隙大于設(shè)計(jì)值時(shí)，可能會(huì)造成漏風(fēng)、漏水等密封問(wèn)題，所以在實(shí)車下線時(shí)，控制和檢測(cè)密封間隙是保證實(shí)車密封間隙符合設(shè)計(jì)要求的必要手段。

3.4 環(huán)境因素

在用戶的實(shí)際使用過(guò)程中，惡劣的環(huán)境也會(huì)對(duì)密封條的各項(xiàng)性能產(chǎn)生影響。對(duì)比有無(wú)灰塵的摩擦系數(shù)和響度測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有灰塵密封條的摩擦系數(shù)曲線會(huì)發(fā)生較大改變，產(chǎn)生多次粘滑現(xiàn)象，且響度值比無(wú)灰塵密封條高，噪聲增加明顯[11]。另外，當(dāng)密封條表面的灰塵遇到雨水，就會(huì)變成泥水，泥水的加入會(huì)加劇密封條的磨損，所以有必要模擬泥水附著情況下的密封條磨損工況，在泥水附著磨損試驗(yàn)中，粉塵和水按照一定的質(zhì)量比例混合，并在滑動(dòng)磨損試驗(yàn)過(guò)程中不斷地添加泥水，直至試驗(yàn)完成。

4 密封條磨損和異響控制方法

完善后的密封條的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證流程如圖6所示。流程中只列舉了解決密封條磨損和異響問(wèn)題的控制方法和流程。

圖6 密封條磨損和異響控制方法和流程

5 新開(kāi)發(fā)B車型密封條驗(yàn)證結(jié)果

新開(kāi)發(fā)B車型密封條按照上述密封條磨損和異響控制方法進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，如前文所示，門框開(kāi)口變形量和密封間隙CAE仿真均滿足要求，涂層材料和零部件各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果也均合格。在車門系統(tǒng)耐久性能試驗(yàn)中，密封條未發(fā)生異響，且試驗(yàn)結(jié)束后只有輕微磨損，滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。在整車耐久試驗(yàn)過(guò)程中，保新度評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，耐久路試進(jìn)程0%、25%和100%時(shí)無(wú)異響問(wèn)題，且在試驗(yàn)結(jié)束后，只有輕微磨損，滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。在整車用戶模擬試驗(yàn)、整車耐候試驗(yàn)、整車OKTS（OK To Ship） 試驗(yàn)的保新度評(píng)價(jià)中，均未發(fā)現(xiàn)異響和磨損的問(wèn)題產(chǎn)生。

6 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)的密封條磨損和異響問(wèn)題，對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的失效原因進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，最終確定密封條涂層因素、門框開(kāi)口變形量因素、密封間隙因素、生產(chǎn)制造因素和環(huán)境因素為失效主要因素。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外各主機(jī)廠密封條驗(yàn)證規(guī)范、相關(guān)技術(shù)資料并結(jié)合自身的開(kāi)發(fā)驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，在理論推導(dǎo)、CAE仿真分析、涂層材料試驗(yàn)、零部件試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)和整車試驗(yàn)驗(yàn)證各個(gè)環(huán)節(jié)中添加了解決密封條磨損和異響的控制方法，完善了密封條的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證流程，形成了密封條磨損和異響的系統(tǒng)性的控制方法，新開(kāi)發(fā)B車型通過(guò)上述控制方法進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，最終結(jié)果顯示磨損和異響問(wèn)題明顯減少、性能衰減減輕且一致性較好，因此，此開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證流程可有效地控制密封條的磨損和異響問(wèn)題。

傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證流程正在面臨新技術(shù)、新配置、新市場(chǎng)、新環(huán)境的挑戰(zhàn)，隨著新技術(shù)的應(yīng)用、車輛新的配置、用戶使用習(xí)慣的改變、氣候條件和使用環(huán)境的變遷等，不可避免地會(huì)帶來(lái)新的失效模式，所以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工程師將持續(xù)地關(guān)注新的失效模式，并不斷更新和完善控制方法。