汽車天窗漏水原因分析與方案優(yōu)化

【摘要】為解決汽車天窗漏水問題，以底裝式天窗結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，研究了車身與車頂密封條之間漏水、車頂密封條與天窗玻璃之間漏水、水流翻過導(dǎo)水槽漏水3種天窗漏水模式，發(fā)現(xiàn)漏水原因與天窗密封條、天窗導(dǎo)水槽、天窗排水管、車身、裝配等因素有關(guān)，結(jié)果表明，改善車頂密封條的形式、壓縮載荷性能、與環(huán)境件之間的配合以及接頭質(zhì)量，改進(jìn)導(dǎo)水槽的布置、結(jié)構(gòu)與導(dǎo)水量，改進(jìn)排水管的形式、布置、排水量，改善車身的翻邊尺寸與表面質(zhì)量，優(yōu)化裝配環(huán)境、手法與工裝定位，可有效解決天窗漏水問題。

關(guān)鍵詞：天窗 密封條 導(dǎo)水槽 漏水

中圖分類號：U463.83" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230384

Cause Analysis and Scheme Optimization of the Automobile Sunroof Water Leakage

Lu Chao， Zhou Guang， Du Yuliang

（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company Ltd.， Wuhan 430056）

【Abstract】In order to find the cause of sunroof water leakage， this paper systematically studies three types of sunroof water leakage modes based on the bottom-mounted sunroof" structure， including water leakage between the body and the roof seal strip， water leakage between the roof seal strip and the sunroof glass， water leakage over the guiding gutter. The result show that the sunroof water leakage are related to factors like the sunroof seal strip， the sunroof guiding gutter， the sunroof drain pipe， the body and the assembly. The sunroof water leakage can be effectively solved by improving the form of the roof seal strip， compression load performance， coordination with environmental components and joint quality， improving the layout， structure and water conductivity of the guiding gutter， improving the form， layout and displacement of the drainage pipe， improving the flanging size and surface quality of the body， optimizing the assembly environment， techniques and tooling positioning.

Key words： Sunroof， Seal strip， Guiding gutter， Water leakage

【引用格式】 盧超， 周廣， 杜宇亮. 汽車天窗漏水原因分析與方案優(yōu)化[J]. 汽車工藝與材料， 2024（7）： 38-43.

LU C， ZHOU G， DU Y L. Cause Analysis and Scheme Optimization of the Automobile Sunroof Water Leakage[J]. Automobile Technology amp; Material， 2024（7）： 38-43.

1 前言

汽車天窗系統(tǒng)具有快速改善車輛內(nèi)部空氣質(zhì)量與通風(fēng)狀況、增加車輛內(nèi)部采光與視野、提供緊急逃生與攝影通道等功能，逐漸成為車輛不可或缺的配置。汽車天窗系統(tǒng)是車輛使用過程中可直接感知的功能件，直接影響車輛的舒適性。據(jù)售后市場統(tǒng)計，汽車天窗系統(tǒng)常被抱怨的問題有異響和漏水。其中漏水屬于功能缺陷，會造成內(nèi)飾發(fā)霉和電氣功能異常等。杜賢貴等從密封和排水2個方面對天窗漏水問題進(jìn)行了簡要分析[1]，戴磊對天窗排水管的設(shè)計進(jìn)行了討論[2]，汪夢雪從制造工藝的角度對如何避免天窗漏水進(jìn)行了介紹[3]，上述研究均從某一維度對天窗漏水問題進(jìn)行了闡述，缺少系統(tǒng)性研究。本文以底裝式天窗結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合水流路徑，對天窗漏水模式、漏水原因以及預(yù)防措施進(jìn)行系統(tǒng)性梳理。

2 天窗結(jié)構(gòu)及其漏水原因

2.1 天窗類型與結(jié)構(gòu)

汽車天窗系統(tǒng)由玻璃、導(dǎo)軌、電機(jī)等組成，安裝于汽車頂蓋，通過電機(jī)驅(qū)動并完成規(guī)定動作。汽車天窗系統(tǒng)根據(jù)安裝路徑不同可分為頂裝式和底裝式，如圖1所示。頂裝式天窗由車頂上方向下安裝，底裝式天窗由車內(nèi)部向上安裝，在外部尺寸相同的情況下，底裝式天窗采光面積更大、成本更低、安裝與拆卸更便捷，但受結(jié)構(gòu)限制，漏水風(fēng)險更高。受成本因素影響，底裝式天窗系統(tǒng)日益受到青睞。為保證車輛使用體驗，防漏水是底裝式天窗結(jié)構(gòu)設(shè)計中的要點之一。

2.2 天窗漏水原因分析

底裝式天窗與車身之間通過車頂密封條密封，車頂密封條可以阻擋絕大部分的雨水，少量穿過密封面或者玻璃間隙進(jìn)入天窗內(nèi)部的雨水落入導(dǎo)水槽流向落水口，最終通過排水管排出車外。底裝式天窗漏水模式主要包括車身與車頂密封條之間漏水、車頂密封條與天窗玻璃之間漏水、水流翻過導(dǎo)水槽漏水，如圖2所示。

2.2.1 車身與車頂密封條之間漏水

通過分析車頂密封條的結(jié)構(gòu)及其與車身的配合方式，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致車身與車頂密封條之間進(jìn)水失效的原因主要有3個：

a. 密封條原因。密封條底部帶泡棉膠，生產(chǎn)時先將擠出的密封條按長度精切分段，通過聚乙烯（Polyethylene，PE）膜加熱頭尾對接成一整圈。密封條精切時，由于底部泡棉膠應(yīng)力釋放，端頭收縮，使泡棉膠的長度小于泡管長度，泡管對接為整圈后，泡棉膠兩端不能完全對接，存在一定空隙，如圖3所示。密封條粘接到車身后，該空隙仍然存在，雨水通過空隙進(jìn)入車身內(nèi)引起漏水。

b. 車身原因。車身作為密封條的配合件，其翻邊高度、角度以及粘接面的表面能、清潔度均需嚴(yán)格要求。如果車身未達(dá)到配合要求，會造成密封條粘接不良，粘接面漏水。

c. 裝配原因。密封條的裝配工藝直接影響粘接質(zhì)量。以常用的3M丙烯酸泡棉膠為例，要求粘接溫度范圍為16～43 ℃，粘接壓力（滾壓力）大于63.7 N，如裝配條件不滿足要求，會發(fā)生粘接不良造成漏水。

2.2.2 車頂密封條與天窗玻璃之間漏水

車頂密封條與天窗玻璃之間通過密封條泡管的壓縮形成密封阻止雨水進(jìn)入天窗內(nèi)部。導(dǎo)致車頂密封條與天窗玻璃之間進(jìn)水失效的原因主要有3個：

a. 密封條的斷面、材料、配合間隙設(shè)計不合理。密封條的密封性能主要由密封條自身的壓縮特征和壓縮量決定，壓縮特征取決于密封條斷面和材料壓縮性能，即壓縮載荷（Compression Load Deflection，CLD）曲線，密封條的壓縮量取決于車身與玻璃之間的配合間隙。密封條的斷面、材料、配合間隙設(shè)計不合理會導(dǎo)致密封條與玻璃之間的密封性能下降引起漏水。

b. 密封條接頭處泡管不對齊。密封條擠出后通過熱接將首尾相連，接頭處易錯位（圖3），從而導(dǎo)致漏水。

c. 密封條長度設(shè)計不合理。密封條粘接在車身上，其長度會影響粘接后密封條的表面狀態(tài)，若偏短，密封條安裝后會被拉伸，導(dǎo)致壓縮載荷和壓縮量變小，密封性能減弱，若偏長，密封條安裝后會被擠壓產(chǎn)生皺褶，皺褶處不能與車門玻璃之間形成有效密封引起漏水。

2.2.3 水流越過導(dǎo)水槽漏水

少量穿過玻璃密封面或者玻璃間隙進(jìn)入天窗內(nèi)部的雨水會落入導(dǎo)水槽通過排水管排出，通過分析水流路徑發(fā)現(xiàn)，水流越過導(dǎo)水槽進(jìn)水失效的原因主要有：

a. 導(dǎo)水槽位置設(shè)計不合理，少量穿過玻璃密封面或者玻璃間隙的雨水不能落入導(dǎo)水槽中；導(dǎo)水槽導(dǎo)水橫截面積不足，導(dǎo)水量小于進(jìn)水量，排水不及時導(dǎo)致水流堆積引起漏水；導(dǎo)水槽內(nèi)部存在使導(dǎo)水橫截面積突然減小的阻礙結(jié)構(gòu)，特別是在車身傾斜狀態(tài)下，水流沖擊阻礙結(jié)構(gòu)時，濺水越過導(dǎo)水槽引起漏水。

b. 排水管與天窗導(dǎo)水槽落水口配合不良，導(dǎo)致水流直接從落水口流向頂棚引起漏水；排水管走向和緊固點設(shè)計不合理，排水管需從車頂穿到車底，路徑長，配合零件多，裝配后走向發(fā)生變化存在折彎或者被周圍環(huán)境件擠壓，導(dǎo)致排水不暢，水流堆積引起漏水；排水管被樹葉或者泥沙等堵塞，水流堆積引起漏水。

3 優(yōu)化方案

3.1 天窗密封條優(yōu)化

首先，設(shè)計密封條斷面、材料以及壓縮量時，應(yīng)保證密封條在壓縮位置的CLD曲線走勢平緩，典型CLD曲線如圖4a所示：A區(qū)段密封條與鈑金接觸，壓縮載荷隨壓縮量增加而急劇增加；B區(qū)段CLD曲線趨于平緩，壓縮載荷隨壓縮量增加而緩慢增加，理論壓縮量一般設(shè)置在該區(qū)段中間位置，該區(qū)段越長，越有利于提高間隙容差性，為此，需要設(shè)計合理的斷面口型、選取合理的材料、合理適配密封間隙與壓縮量、均勻排布孔徑適中的排氣孔；C區(qū)段壓縮載荷隨壓縮量增加而急劇增加，應(yīng)避免壓縮量在極限偏差位置進(jìn)入此區(qū)段。其中，F(xiàn)0、F0-ΔF1、F0+ΔF1分別為理想的CLD曲線中中值止口、上限止口、下限止口對應(yīng)的密封條壓縮載荷，F(xiàn)0-ΔF2、F0+ΔF2分別為不理想的CLD曲線中上限止口、下限止口對應(yīng)的密封條壓縮載荷，h0、h0-Δh、h0+Δh分別為中值止口、上限止口、下限止口對應(yīng)的密封條壓縮量。

其次，密封條與車身之間建議采用粘接（卡接定位）的形式，如圖4d所示[4]，相比傳統(tǒng)的卡接在天窗上的形式，粘接在車身上（卡接定位）的形式具有斷面尺寸小、外觀匹配好、密封性能好、易于天窗平臺化等優(yōu)點，是目前常用的配合形式。

再次，密封條接頭處泡管錯位和泡棉膠間隙無法完全消除，通常要求接頭處泡管不平整度小于0.3 mm，通過對接定位工裝控制，通常要求接頭處泡棉膠間隙小于0.5 mm，通過對接前打磨對泡管端面進(jìn)行控制。

最后，密封條長度公差通常要求為±7 mm。

3.2 天窗導(dǎo)水槽優(yōu)化

首先，導(dǎo)水槽應(yīng)設(shè)計在車頂密封條與天窗玻璃配合面的正下方，通常取玻璃邊和密封條滴水時的最低點做出±17°包絡(luò)區(qū)域，包絡(luò)區(qū)域必須落在導(dǎo)水槽內(nèi)，如圖5所示，從而確保少量從配合面進(jìn)入天窗內(nèi)部的雨水全部落入導(dǎo)水槽。

其次，導(dǎo)水槽應(yīng)存在一定坡度，落水口處于最低位置，使導(dǎo)水槽的雨水能夠順利流向落水口；水流路徑上不應(yīng)有造成導(dǎo)水面積突然減小的結(jié)構(gòu)，避免水流遇阻產(chǎn)生濺水效應(yīng)而引起漏水；在靠近落水口的水流路徑上，布置若干交錯的凸起結(jié)構(gòu)以過濾較大雜物，避免排水管堵塞。

最后，導(dǎo)水槽的最小導(dǎo)水橫截面的導(dǎo)水量應(yīng)大于進(jìn)水量，導(dǎo)水量可應(yīng)用水力學(xué)連續(xù)性方程和曼寧公式進(jìn)行校核[5]：

Qg=1 000vSg （1）

v=（1/n）R2/3I1/2 （2）

R=ab/（a+2b） （3）

式中：Qg為導(dǎo)水槽導(dǎo)水量，v為導(dǎo)水槽內(nèi)水流速度，Sg為導(dǎo)水槽最小導(dǎo)水橫截面積，n為導(dǎo)水槽的粗糙系數(shù)，R為水力半徑，I為導(dǎo)水槽坡度，a、b分別為導(dǎo)水槽的最小導(dǎo)水橫截面的寬度、有效高度。

由式（1）～式（3）可得：

Qg=1 000（1/n）[ab/（a+2b）]2/3I1/2Sg （4）

進(jìn)水量計算公式為：

Qr=16.7Kq5Sr （5）

式中：Qr為天窗進(jìn)水量，K=0.9為徑流系數(shù)，q5為5 min平均降雨量，Sr為天窗進(jìn)水面積。

為避免導(dǎo)水槽導(dǎo)水不及時導(dǎo)致漏水，要求導(dǎo)水槽導(dǎo)水量與天窗進(jìn)水量滿足如下關(guān)系：

Qg≥K1Q （6）

式中：K1為安全系數(shù)，取值為1.5～2.0。

3.3 天窗排水管優(yōu)化

首先，排水管與天窗落水口的配合形式建議采用卡接式，如圖6所示，相比于直插式，安裝方便、配合牢固，不易脫落。

其次，排水管進(jìn)水口角度與水平面的夾角應(yīng)大于5°，且走向平滑，彎曲半徑不小于60 mm，在適當(dāng)位置設(shè)置緊固點并設(shè)置標(biāo)志，避免裝配后因位置發(fā)生偏移被其他零件擠壓導(dǎo)致排水不暢引起漏水。

再次，排水管出水口避免采用縮口設(shè)計，縮口處易被泥沙堵塞引起漏水，出水口與環(huán)境件之間的間隙大于15 mm，避免受排水管長度公差或位置公差影響造成排水管出口與環(huán)境件干涉導(dǎo)致排水不暢。

最后，排水管內(nèi)徑應(yīng)滿足排水管的排水量大于導(dǎo)水槽的導(dǎo)水量，根據(jù)經(jīng)驗，排水管內(nèi)徑不應(yīng)小于8 mm。排水管排水量可借鑒液壓傳動學(xué)的小孔流量公式進(jìn)行校核[2]：

Qt=1 000CqSt[2（gH+Δp/ρ）]1/2 （7）

式中：Qt為排水管排水量，Cq=0.82為長孔及管嘴流量系數(shù)，St為排水管內(nèi)截面積，g為重力加速度，H為天窗落水口到排水管出口的垂直高度，Δp為天窗落水口到排水管出口的壓強(qiáng)差，ρ為雨水密度。

為避免排水管排水不及時導(dǎo)致漏水，排水管排水量與天窗進(jìn)水量應(yīng)滿足：

Qt≥K2Qr （8）

式中：K2為安全系數(shù)，取值為1.5～2.0。

3.4 車身配合尺寸優(yōu)化

首先，車身翻邊斷面應(yīng)滿足密封條的安裝與定位要求，特別是翻邊的角度與高度，既要滿足密封條的定位需求，又要滿足輥壓工裝的空間要求，典型車身翻邊斷面如圖7所示。

其次，建議車身X向與Y向邊交匯處的轉(zhuǎn)角半徑R≥75 mm，便于安裝密封條。

最后，為保證密封條泡棉膠的粘接性能良好，要求車身粘接面不應(yīng)存在焊渣、流掛等缺陷，粘接面表面能大于40 mJ/m2，如車身表面能不滿足要求，可通過在車身表面增加底涂解決。

3.5 裝配過程優(yōu)化

首先，為獲得良好的粘接性能，密封條泡棉膠安裝過程對環(huán)境有一定要求，以常用的3M丙烯酸泡棉膠為例，其要求粘接面清潔、干燥，粘接溫度為16～43 ℃，粘接滾壓力大于63.7 N，粘接至少20 min后進(jìn)行淋雨檢查。

其次，建議將密封條的起始安裝點與結(jié)束安裝點設(shè)計在直邊上，如圖8所示。由于密封條為整圈安裝，如果起始安裝點與結(jié)束安裝點處于轉(zhuǎn)角處，易出現(xiàn)皺褶，影響密封。

最后，天窗安裝機(jī)械手上的導(dǎo)向銷與定位銷的位置度、尺寸需保證天窗的順利安裝與準(zhǔn)確定位，避免安裝后天窗位置發(fā)生移動和偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致和密封條配合不良引起漏水。

4 效果驗證

某車型上市后出現(xiàn)天窗漏水抱怨，通過整車多角度淋雨試驗，鎖定漏水點為：導(dǎo)水槽排水不及時導(dǎo)致水流越過導(dǎo)水槽從擋風(fēng)網(wǎng)裝配孔漏下；車頂密封條粘接不良導(dǎo)致雨水沿著鈑金粘接面漏下。通過優(yōu)化天窗前、后玻璃角部配合處的“老鼠洞”，將進(jìn)水量由13.5 mL/s減少為8.4 mL/s，如圖9a所示；通過擴(kuò)大導(dǎo)水槽最小導(dǎo)水橫截面積，將排水量由13.6 mL/s增大為17.6 mL/s，如圖9b所示；通過優(yōu)化密封條輥壓工裝和安裝面表面狀態(tài)，提高密封條的粘接質(zhì)量。對應(yīng)措施實施后，售后12MIS故障率由0.044%降低為0%，該措施同樣適用于售后天窗漏水車輛的原因排查與維修。

5 結(jié)束語

本文針對天窗系統(tǒng)漏水問題進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：改善車頂密封條的形式、壓縮載荷性能、與環(huán)境件之間的配合以及接頭質(zhì)量，改進(jìn)導(dǎo)水槽的布置、結(jié)構(gòu)與導(dǎo)水量，改進(jìn)排水管的形式、布置、排水量，改善車身的翻邊尺寸與表面質(zhì)量，優(yōu)化裝配環(huán)境、手法與工裝定位，可有效解決天窗漏水問題。

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（責(zé)任編輯 弦 歌）

修改稿收到時間為2023年10月23日。