汽車頂棚密封條失效機(jī)理及對策研究

摘 要：通過對汽車頂棚側(cè)翻邊脫出密封條失效模式分析和研究，得出頂棚造型、材料結(jié)構(gòu)、成型工藝、頂棚側(cè)翻邊和密封條的配合關(guān)系、頂棚裝配順序是影響側(cè)翻邊脫出密封條的關(guān)鍵因素。綜合考慮頂棚造型、成型工藝、翻邊剛性、密封條參數(shù)、頂棚定位系統(tǒng)、環(huán)境件裝配和整理要求，對失效模式制定了相應(yīng)的對策，此對策對解決現(xiàn)生產(chǎn)頂棚側(cè)翻邊脫出密封條失效模式提供了解決思路，對后續(xù)新車型頂棚開發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：頂棚；側(cè)翻邊；脫出密封條；對策

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2024）04-0041-06

Research on the Failure Mechanism and Countermeasures of Automobile Headliner and Sealing Strip

WANG Fan， WANG Xiao-li

（Dong Feng Peugeot Citroen Automobile Co.， LTD， Wuhan 430058， China）

Abstract： Through the analysis and research of the failure mode of the headliner side flanging coming out of the sealing strip， it is concluded that the key factors affecting the headliner side flanging coming out of the sealing strip are the headliner shape， material structure， forming process， the matching relationship between the headliner side flange and the sealing strip， and the headliner assembly sequence. Taking into account the headliner shape， forming process， flange rigidity， sealing strip parameters， headliner positioning system， environmental component assembly and arranging requirements， corresponding countermeasures have been formulated for the failure mode. This strategy provides a solution for solving the failure mode of the headliner side flange coming out of the sealing strip in current production， and has important guiding significance for the development and design of new subject headliner in the future.

Key Words： Headliner; Side Flanging; Come Out Of The Sealing Strip; Countermeasure

引 言

頂棚即頂棚內(nèi)飾板，又稱頂蓋內(nèi)飾板或頂蓋裝飾件，覆蓋在頂蓋內(nèi)表面起裝飾以及吸音隔熱作用。頂棚是汽車內(nèi)飾非常主要的組成部分，其主要作用是遮擋鈑金，裝飾駕駛艙頂部空間，同時(shí)提高與車外空間的隔熱、吸音能力，降低車內(nèi)噪音，對提高乘員乘坐舒適性和安全性也起著重要作用。

隨著人們認(rèn)知的提高，人們不僅要求汽車內(nèi)飾美觀舒適，對感知質(zhì)量要求也越來越高。某主機(jī)廠早期研發(fā)的車型，頂棚造型沒有側(cè)翻邊，門框密封條和頂棚Z向配合，且頂棚和密封條搭接量較大。這種造型設(shè)計(jì)，乘客能明顯感知到密封條黑邊，感知質(zhì)量較差。

為提升感知質(zhì)量，某主機(jī)廠從某車型A開始，頂棚設(shè)計(jì)了側(cè)翻邊結(jié)構(gòu)，側(cè)翻邊和門框密封條Y向配合，且減少了側(cè)翻邊和密封條的搭接量。此造型設(shè)計(jì)提升了感知質(zhì)量，但此設(shè)計(jì)在工業(yè)化過程出現(xiàn)了側(cè)翻邊鼓包、波浪變形缺陷，售后出現(xiàn)側(cè)翻邊脫出密封條缺陷，用戶對此缺陷抱怨非常大。為解決此缺陷，先后對頂棚進(jìn)行修模、優(yōu)化頂棚材料及結(jié)構(gòu)、提升密封條的硬度、增加側(cè)翻邊和密封條的搭接量，付出很多人力和財(cái)力，都難以徹底解決此缺陷。

因此，對頂棚側(cè)翻邊脫出密封條失效機(jī)理進(jìn)行分析和研究，找到解決此失效模式的對策，對后續(xù)新車型頂棚的開發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 頂棚側(cè)翻邊脫出密封條失效模型

頂棚在車身上的固定主要靠左右遮陽板、前后把手和后部兩個(gè)卡扣，而頂棚側(cè)翻邊保持造型效果主要靠前后門框密封條和頂棚自身的剛性。

頂棚側(cè)翻邊脫出密封條失效模型：頂棚側(cè)翻邊因自身原因發(fā)生變形、Y向外張，頂棚與密封條的搭接量相應(yīng)減少；頂棚側(cè)翻邊變形后擠壓密封條，密封條受異常力擠壓發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步減少頂棚和密封條的搭接量，嚴(yán)重時(shí)頂棚側(cè)翻邊從密封條中脫出失效，失效模型見圖1：

2 失效機(jī)理分析

以某車型A為例，車型A開發(fā)的頂棚是某主機(jī)廠首款帶有側(cè)翻邊造型的頂棚，頂棚在高溫耐久后Y向和Z向變形嚴(yán)重，門框密封條因頂棚變形而受到異常力擠壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)，造成密封條和頂棚搭接量只有2～3mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于定義值6.7mm，再加上頂棚自重及其它因素影響，造成頂棚脫出密封條高頻缺陷，尤其在高溫老化后成爆發(fā)趨勢，此缺陷發(fā)生部位多集中在前后門框中部，失效部位見圖2：

2.1 頂棚造型影響

頂棚側(cè)邊沿造型主要有兩種表現(xiàn)形式，一種是側(cè)邊沿不帶翻邊結(jié)構(gòu)，詳見圖3（a）側(cè)圖示。此結(jié)構(gòu)頂棚R角較大（>110°），頂棚成型時(shí)拉伸較小，基本不會(huì)有應(yīng)力集中，頂棚成型后不容易回彈。

根據(jù)現(xiàn)生產(chǎn)車型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，與此造型匹配的密封條唇邊剛性較強(qiáng)，密封條和頂棚的搭接量也較大（≥10mm）。因此，無翻邊造型的頂棚，不會(huì)發(fā)生頂棚脫出密封條缺陷。

頂棚造型另一種形式，側(cè)邊沿帶翻邊結(jié)構(gòu)，詳見圖3（b）側(cè)圖示。此造型結(jié)構(gòu)的頂棚R角較小（90°<R角<92°），頂棚成型時(shí)拉伸較大，應(yīng)力集中在R角折彎處，頂棚從模具取出后側(cè)翻邊由于應(yīng)力釋放容易回彈，表現(xiàn)為Y向外張。而頂棚側(cè)翻邊Y向外張，容易擠壓密封條根部，造成密封條翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而造成密封條和頂棚的搭接量減少，增大了頂棚側(cè)翻邊脫出密封條風(fēng)險(xiǎn)。

另外，此翻邊造型設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)理念是提升感知質(zhì)量，因此通常選擇窄邊密封條，窄邊密封條和頂棚的搭接量設(shè)計(jì)值較小（6.7mm）。另外，窄邊密封條唇邊較軟，剛性較弱，自身容易變形和翻轉(zhuǎn)，會(huì)進(jìn)一步減少和頂棚的搭接量。

因此，帶翻邊造型結(jié)構(gòu)的頂棚，其翻邊容易脫出密封條，尤其是頂棚經(jīng)歷高溫環(huán)境老化后，翻邊脫出密封條的風(fēng)險(xiǎn)更大。某車型A頂棚售后出現(xiàn)側(cè)翻邊脫出密封條，正是這種造型結(jié)構(gòu)。

2.2 頂棚成型工藝影響

2.2.1 頂棚材料結(jié)構(gòu)

頂棚為多層材料復(fù)合壓制成型，其成型工藝一般分為干法工藝和濕法工藝，兩種工藝雖有差異，但材料結(jié)構(gòu)是一樣的。從A面到B面所構(gòu)成的材料依次是：針織面料或無紡布面料、膠水或膠粉、玻纖氈/玻釬絲、膠水或膠粉、PU發(fā)泡層、膠水或膠粉、玻纖氈/玻釬絲、PE膜或膠、底部無紡布，詳細(xì)見圖4。

頂棚各層材料的面密度、厚度、物理性能及化學(xué)性能決定著頂棚的剛性，剛性越強(qiáng)，對于有翻邊結(jié)構(gòu)的頂棚來說，經(jīng)歷氣候老化后Y向和Z向尺寸變化量就越小，頂棚側(cè)翻邊脫出密封條的風(fēng)險(xiǎn)就越小。反之，頂棚脫出密封條的風(fēng)險(xiǎn)就越大。

2.2.2 干法成型工藝

頂棚的成型工藝，行業(yè)內(nèi)頂棚成型工藝主要有兩種：一種是干法工藝，工藝特點(diǎn)是把原材料加熱后放進(jìn)冷模具中復(fù)合成型，此工藝做成的頂棚剛性和尺寸穩(wěn)定性相對濕法工藝頂棚較差，拉伸較大的造型區(qū)域容易發(fā)生回彈，頂棚經(jīng)受氣候老化后，Y向和Z向尺寸變化較大。

另外，干法工藝做成的頂棚，如果頂棚有側(cè)翻邊造型結(jié)構(gòu)，由于翻邊拉伸較大，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易被破壞，翻邊剛性會(huì)大大降低，頂棚在氣候環(huán)境中受應(yīng)力作用會(huì)慢慢回彈，Y向向外翻轉(zhuǎn)。而與這種造型結(jié)構(gòu)相匹配的密封條，和頂棚的搭接量也相對較少（6.7mm），而密封條本身也較軟，容易變形和翻轉(zhuǎn)，進(jìn)一步減少和密封條的搭接量。所以，干法工藝成型的頂棚，頂棚如果帶翻邊結(jié)構(gòu)，則翻邊容易脫出密封條。

2.2.3 濕法成型工藝

頂棚另一種成型工藝是濕法工藝，工藝特點(diǎn)是把原材料放進(jìn)熱模具中復(fù)合成型，此濕法工藝做成的頂棚，剛性和尺寸穩(wěn)定性都較好，造型面不易發(fā)生回彈，頂棚經(jīng)受氣候老化后，Y向和Z向尺寸變化都較小。如果頂棚有側(cè)翻邊造型結(jié)構(gòu)，則翻邊不容易脫出密封條。

濕法工藝分兩種，即一步濕法和兩步濕法。兩者最大的區(qū)別在于面料的復(fù)合，一步濕法的基材和面料一起壓制成型，而兩步濕法先把基材壓制成型，然后再復(fù)合面料。相應(yīng)的，兩步濕法有以下優(yōu)勢：

1、由于復(fù)合面料時(shí)的設(shè)備壓力遠(yuǎn)小于基材成型的壓力，因此面料中的軟泡壓縮量相對一步濕法小很多，成型后頂棚感知更好。

2、對于整體造型面較復(fù)雜的頂棚，某些區(qū)域面料拉伸較大，一步濕法成型的頂棚外觀缺陷較多，而兩步濕法成型的頂棚外觀缺陷較少，外觀質(zhì)量容易控制。

3、和ABC柱上護(hù)板匹配性，兩步濕法成型的頂棚能更好的適配環(huán)境件，模具及工藝更改也更加靈活。

通過對材料結(jié)構(gòu)和成型工藝研究，得出頂棚翻邊脫出密封條的主要因素是頂棚翻邊剛性和尺寸穩(wěn)定性。而影響頂棚翻邊剛性和尺寸穩(wěn)定性的主要因素是PU板材、玻纖層、粘結(jié)膠，由于干法工藝和濕法工藝所用的PU板材是一樣的，所以兩種工藝的主要差異在于：

1、干法工藝所用的玻纖是玻纖絲，濕法工藝所用的玻纖是玻纖氈。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、均勻性及成型后頂棚剛性評價(jià)，玻纖絲的性能都弱于玻纖氈。因此，用干法工藝成型的頂棚剛性弱于濕法工藝的頂棚剛性。

2、干法工藝使用的粘膠是膠粉，濕法工藝使用的膠水。膠粉是熱塑性的，高溫環(huán)境中容易改變物理性能，降低頂棚翻邊剛性。由于翻邊剛性減弱，翻邊在應(yīng)力作用下容易回彈，造成頂棚翻邊變形Y向外張，因此頂棚翻邊尺寸穩(wěn)定性較差。而濕法工藝使用的膠水，膠水是熱固性的，在高溫環(huán)境中不會(huì)改變物理性能，頂棚翻邊不會(huì)發(fā)生變形造成Y向外張，因此尺寸穩(wěn)定性較好。

由上可知，干法工藝和濕法工藝差異較大，尤其對于有翻邊結(jié)構(gòu)的頂棚，影響更大。為方便對比，對兩種工藝的關(guān)鍵要素做了技術(shù)分型，詳細(xì)見表1。

2.3 頂棚與密封條的配合關(guān)系

頂棚和密封條的配合區(qū)域比較敏感，頂棚和密封條的搭接量，頂棚自身的Y向、Z向尺寸波動(dòng)以及密封條本身的尺寸波動(dòng)都很容易導(dǎo)致頂棚從密封條唇邊中脫出。

為了保證頂棚與密封條更好的配合，主斷面設(shè)計(jì)時(shí)需要與密封條工程師一起討論，定義配合關(guān)系，包括頂棚翻邊面與密封條硬膠的角度，頂棚邊緣與密封條根部的間隙，密封條唇邊與頂棚的干涉量和搭接量。

綜合考慮頂棚、密封條以及鈑金的尺寸公差，結(jié)合以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，密封條和頂棚側(cè)翻邊搭接量設(shè)計(jì)最小值為8mm，考慮公差10±2mm；同時(shí)，頂棚邊緣和密封條根部要保留至少1mm的間隙，以防干涉；密封條的唇邊和頂棚的干涉量一般為1.5～2.5mm。因?yàn)轫斉锊牧蟿傂韵鄬^差，且為多層材料復(fù)合熱壓成型，為保證成型后翻邊的剛性， 避免材料分層影響外觀和裝配性，在斷面設(shè)計(jì)時(shí)，側(cè)翻邊面都會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p薄處理，厚度控制在3～5mm。頂棚和密封條的配合關(guān)系，詳見圖5。

某車型A開發(fā)的頂棚，為追求較高的感知質(zhì)量，選擇的是窄邊密封條，和頂棚的搭接量只有6.7mm；且密封條本身較軟，容易變形，導(dǎo)致頂棚和密封條搭接量減少，加重了側(cè)翻邊脫出密封條的風(fēng)險(xiǎn)。因此，頂棚設(shè)計(jì)時(shí)一定要充分考慮和密封條的配合關(guān)系。

2.4 總裝裝配順序影響

從圖6頂棚定位系統(tǒng)可看出，主定位X向有X1（遮陽板卡扣），Y向有Y1（遮陽板卡扣）、Y2（金屬或塑料卡扣），Z向有Z1（遮陽板卡扣）、Z2（遮陽板卡扣）、Z3（金屬或塑料卡扣），為保證頂棚定位和裝配可靠性，頂燈護(hù)板支架、遮陽板、把手作為Z向頂棚輔助定位，A/B/C柱護(hù)板和密封條作為頂棚X和Y向上的輔助定位。

從頂棚定位系統(tǒng)可知，頂棚裝配時(shí)應(yīng)先確保X、Y、Z向的主定位裝配到位，即先裝配左右遮陽板和后部固定卡扣，再裝配具有輔助定位的環(huán)境件。環(huán)境件裝配順序也至關(guān)重要，若裝配順序不合理，不僅會(huì)造成頂棚鼓包、波浪變形等缺陷，對側(cè)翻邊脫出密封條也有很大影響。

跟蹤和分析某車型A頂棚翻邊脫出密封條失效模式，發(fā)現(xiàn)總裝裝配A柱上護(hù)板后，沒有及時(shí)裝配前后把手，頂棚受自身重力影響Z向變形嚴(yán)重，后續(xù)裝配時(shí)側(cè)翻邊不能卡進(jìn)密封條中。且裝配完B/C上護(hù)板后，也沒有及時(shí)整理密封條，頂棚側(cè)翻邊受異常力擠壓卡在密封條筋位造成永久變形，加重后續(xù)側(cè)翻邊脫出密封條風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 頂棚定位系統(tǒng)

由上可知，頂棚裝配順序?qū)?cè)翻邊脫出密封條缺陷影響很大，總裝裝配應(yīng)遵守并固化產(chǎn)品專業(yè)要求的裝配順序：即先裝配左右遮陽板和后部卡扣；再裝配A柱上護(hù)板，并立即整理頂棚翻邊到密封條中；再裝配前后把手，并立即整理頂棚翻邊到密封條中；最后裝配B柱上護(hù)板和C柱上護(hù)板，并立即整理頂棚翻邊到密封條中。

3 頂棚側(cè)翻邊脫出密封條失效對策

頂棚設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮造型、工藝、成本、尺寸穩(wěn)定性、吸隔音、售后質(zhì)量及環(huán)境件的限制。若考慮不周或選擇不當(dāng)，頂棚量產(chǎn)后可能會(huì)發(fā)生難以解決的質(zhì)量缺陷，如鼓包、波浪變形、和A/B/C柱上護(hù)板匹配不良。對于有翻邊結(jié)構(gòu)的頂棚，可能會(huì)出現(xiàn)售后翻邊脫出密封條嚴(yán)重缺陷，解決此缺陷不僅要付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，還會(huì)影響企業(yè)和品牌形象。

所以，頂棚在開發(fā)和設(shè)計(jì)階段如何平衡和選擇是非常重要的，這也是設(shè)計(jì)工程師面對的難題。本論文根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)專業(yè)內(nèi)部充分討論，并充分考慮車型市場定位及頂棚開發(fā)制造成本，制定如表2設(shè)計(jì)策略。

在某車型A之后開發(fā)的頂棚B、頂棚C、頂棚D，均是按照上述策略設(shè)計(jì)的，試生產(chǎn)階段和售后都沒有出現(xiàn)側(cè)翻邊脫出密封條失效模式。因此，此設(shè)計(jì)策略是可靠的，對后續(xù)新車型頂棚開發(fā)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié)論

通過對某車型A頂棚翻邊脫出密封條缺陷模型分析和研究，得出如下結(jié)論。

1、對于有側(cè)翻邊造型的頂棚，成型工藝必須選擇濕法工藝，若頂棚整體造型面復(fù)雜，拉伸嚴(yán)重，應(yīng)該選擇兩步濕法成型工藝；

2、對于有側(cè)翻邊造型的頂棚，翻邊脫出密封條的風(fēng)險(xiǎn)較高，對翻邊剛性、翻邊Y向和Z向尺寸應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制和監(jiān)控；

3、對于有側(cè)翻邊造型的頂棚，頂棚和密封條搭接量最小設(shè)計(jì)值為8mm；頂棚邊緣和密封條根部至少設(shè)計(jì)1mm間隙；密封條的唇邊和頂棚的干涉量至少1.5mm；

4、對于有側(cè)翻邊造型的頂棚，總裝裝配順序必須遵守先裝配遮陽板和后部卡扣，然后裝配A柱上護(hù)板，然后裝配前后把手，然后裝配B/C柱上護(hù)板，且每裝配一步必須把頂棚側(cè)翻邊整理到密封條內(nèi)。

4.2 展望

為徹底解決頂棚翻邊脫出密封條缺陷，后續(xù)還需要在以下方面進(jìn)行探索和研究：

1、頂棚材料結(jié)構(gòu)對缺陷影響：進(jìn)一步研究頂棚PU板材、玻纖、膠水物性及膠水用量對缺陷的影響；

2、頂棚尺寸符合性對缺陷的影響：進(jìn)一步研究頂棚翻邊Y向尺寸和Z向尺寸對缺陷的影響；

3、車身鈑金止口對缺陷影響：進(jìn)一步研究鈑金止口角度、車身開度及車身精度對缺陷的影響；

4、密封條對缺陷的影響：進(jìn)一步研究密封條鋼結(jié)構(gòu)開口尺寸和密封條唇邊硬度對缺陷的影響；

5、翻邊R角對缺陷影響：進(jìn)一步研究R角造型和R角厚度對缺陷的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]王繼太.汽車內(nèi)飾頂棚產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)[].汽車測試報(bào)告，2022（011）：000.

[2]劉靜波.汽車頂棚設(shè)計(jì).汽車工藝與材料，2004年第4期.

[3]孫成武，劉婷婷，陳林萍，曹維福.汽車頂棚設(shè)計(jì)[J].研究與開發(fā)，2014（03）.

[4]曹渡.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：10.

[5]未寶雨，楊智飛，卞騰飛.汽車內(nèi)飾的造型設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)研究[J].汽車知識(shí)，2022（009）：022.

王 帆

畢業(yè)于湖南科技大學(xué)，工業(yè)工程專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院乘用車開發(fā)中心，工程師，研究方向?yàn)槠噧?nèi)飾件產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。曾獲得省級企業(yè)管理現(xiàn)代化創(chuàng)新成果1項(xiàng)；公開發(fā)表論文6篇；發(fā)明專利六項(xiàng)。

專家推薦語

馮繼軍

東風(fēng)商用車技術(shù)中心工藝研究所

失效分析專業(yè) 研究員級高級工程師

本文對汽車頂棚密封條翻邊脫出的感知質(zhì)量進(jìn)行了具體化描述，并對缺陷的機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，從制造工藝的源頭找到了缺陷形成的具體原因，提出了改進(jìn)對策，并取得了預(yù)期的質(zhì)量提升效果。論文的分析過程條理清楚，分析結(jié)論可靠，改進(jìn)效果明顯。文章具有一定實(shí)用性，對同行的工作具有一定的啟發(fā)意義。