無框車門密封系統優化研究

李 川，李安虎，陶志軍

（1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 200030；2.敏實集團，浙江 寧波 315800）

0 引言

隨著無框車的出現，人們對其密封可靠性的關注也越來越重視，汽車行業內對關門力以及怎么降低車門關閉力越來越關注，甚至作為衡量豪華車的標準，汽車車門系統涉及外觀美學、密閉性、開合便捷和NVH 性能，其整體關門力是衡量產品質量的重要指標，作為影響關門力的重要因素之一，密封條對關門能量的影響占比達50%[1]，因此密封條的設計近幾年越來越得到行業主機廠和密封條供應商的關注。

國內外運用有限元分析的方法對密封條結構設計優化，有一定的研究基礎，如Hyung-il Moon 等[2]根據密封條在關門過程中不同的壓縮狀況，采用MSC.Marc 軟件，建立了密封條的三維仿真模型，分析了密封條的壓縮、起皺情況，得到密封力與關門速度關系；吳文濤等[3]、陳敏等[4]分別使用Mooney-Rivlin 或Ogden 模型對工程中常用的密封件如O型、+Y-型、唇形密封圈的材料屬性進行了表征，同時利用Abaqus 或Marc 軟件對其變形特性進行了模擬；王勇[5]建立了密封條的幾何模型與橡膠材料模型，并確立了有限元分析的邊界條件，實現對轎車車口密封條結構參數的優化設計。這些工作為車門設計與密封條結構的優化提供了許多有價值的信息。為車門密封，振動噪聲，車門氣動噪聲，密封力設計提供解決方法。本文在國內外研究成果的基礎上，著重對某無框車門密封系統在關門過程的變形過程進行分析和研究。區別在于分析無框門與有框門的結構差異性，以及無框車門“腰線”上下不同的密封環境。

本文研究對象主要是位于車身側圍止口的門框密封條，對某項目無框門門框密封條結構進行正向設計、仿真計算得到整體密封力并進行實驗驗證，最后通過多目標對斷面進行優化同時與初始斷面分析比較，達到符合設計目標密封條產品。

1 無框車門密封條設計

1.1 密封條介紹

1.1.1 密封條分類

按照密封條在工作過程中是否產生“擠壓變形”，并在作用力消失后迅速恢復原狀，可以把汽車上的密封條分為動態密封條和靜態密封條。靜態密封條一般包括導槽，內外水切，天窗密封條等，往往它們在工作中不產生較大的應變，主要結構是以帶唇邊為主。動態密封條包括門框/車門密封條，前艙/尾門密封條等，動態密封條最明顯特征就是帶有“泡管”結構，工作時壓縮密封。本文主要從側門動態密封條入手，它是決定側門密封、開關門品質的重要因素，也是最復雜的部分。

1.1.2 密封條材料

車門密封條的主要原材料是三元乙丙橡膠（EPDM），主要結構組成為密實膠、海綿膠、骨架材料（鋼或鋁）、表面涂層等。三元乙丙橡膠（EPDM）具有優良的耐候性、耐高低溫性、耐臭氧性、耐光照等一系列優良特性，以及良好的加工性能和低壓縮永久變形的特點。

1.1.3 無框車門密封結構與傳統差異

所謂的無框車門，指的是車門窗臺以上的鈑金取消，如圖1 所示，沒有傳統的導槽，對玻璃的剛度、內外水切對玻璃的夾緊力要求更高，同時窗臺以上是玻璃與門框密封條進行壓縮密封，玻璃的剛度不如傳統有框車門鈑金剛度，因此對于門框密封條的形狀大小以及耐磨性有更高要求，一般而言玻璃剛度越大，對應接觸的門框密封條泡管和唇邊越小，難度和成本越低。

圖1 無框車門實物

無框門密封條的更加復雜，關門力的要求也有別于有框門，無框門車門密封條只包含車門腰線以下的部分。門框密封條也就是二道密封條是由3 個不同的截面通過注塑接角聯接起來的，圖2 所示為歐美系無框門密封系統示意圖，與傳統單一斷面門框密封條相比，以無框門密封條①為例，M1、M2、M3 為注塑接角，一般材料為TPV，直線段通過接角聯接起來，③為車門密封條，與傳統車門比，只有腰線以下“半截”，并且兩端未連通，“隱藏”于內水切接角下端，如圖3 所示，一方面是遮丑，另一方面是便于水管理，水流沿著接角導水槽到車門底部濕區，避免大量的水流靠近門護板車內方向。

圖2 歐美系無框門密封系統機構

圖3 內水切與門密封條過渡區域

導槽⑤與傳統泥槽固定在車門窗框相比，無框門導槽多是單軌導槽，螺栓固定在車門加強板上，目前市場無框門主流設計是金屬或PP注塑導軌加泥槽密封條組合形式，如圖4 所示，泥槽采用EPDM 擠出，上端會做注塑接角，玻璃在泥槽中升降運行。側圍上端密封條⑩，其作用相當于傳統車門的泥槽上端，通過卡裝在側位亮飾條中，關門狀態下玻璃卡入側圍上端密封條中，與門框密封條①貼合，形成完整的密封環境（圖5）。其余的輔助密封條?、?、?，適用于常規車門和無框門，結構通常是帶唇邊的靜態密封條，因此文中不做過多贅述。

圖4 泥槽斷面示意圖

圖5 截面A-A示意圖

1.2 無框車門密封條結構設計

1.2.1 門框密封條斷面設計

密封條的斷面結構一般包括密封和固定兩個主體部分，有時候為了工藝圖紙也會用虛線標明涂層或植絨要求，以圖2中的P2段門框封條的截面設計為例，P1和P3密封斷面結構設計類似。

P2 段設計初步截面圖如圖6 所示，對于安裝固定主體，一般會根據環境件鈑金的厚度確定密封條口型寬度M，當然也會受到安裝主體里面唇邊的影響，唇邊與鈑金接觸的干涉量越大，對于拔出力就越大，一般而言安裝主體內側壁距離最近的鈑金面大小為1～3 mm，作為基準面的一般會更小，為1 mm 左右，如圖6 中的唇邊1，它本身相對來說唇邊的長度不長，唇邊1 本身主要是起密封和安裝基準面的作用，對于唇邊2，唇邊長度對插拔力的影響起主要的作用，一般與鈑金的干涉量設置為3.5 mm，距離最近的鈑金面距離為3 mm，保證拔出力大于70 N 的普遍要求。另外安裝主體考慮實際的安裝工藝公差，鈑金止口面與安裝密封條主體部分的間隙一般設計上會按經驗預留1 mm。

圖6 門框密封條P2段截面B-B

密封部分，對于單/雙泡管的確定，如圖6 所示，H=8～14 mm，推薦單泡管；H=15～25 mm，推薦雙泡管，其中壓縮量D與密封高度L的關系為L=D+H。單密封：D/L=1/3～1/2，D=3～6 mm；雙密封：D/L=1/4～1/3，D=4～8 mm。由于目前所研究的項目H=13 mm，考慮鈑金±1 mm 的制造工藝公差，選用單泡的密封條，考慮門框密封條與玻璃頻繁摩擦的情形，以及NVH 的要求，選用直徑60 μm顆粒涂層進行保護。

1.2.2 門框密封條接角設計

歐系無框門密封系統策略方案中（圖2），門框密封條P1、P2、P3 不同斷面聯接通過TPV 材料的接角M1、M2、M3 過渡完成，具有良好的外觀質量，一致性更好，同時密封排水性能優異，但接角的工藝難度大，部分接角可能需要增加金屬嵌件進行支撐，保證接角安裝不塌陷。以接角M3為例，如圖7所示，與密封條匹配的環境件由玻璃過渡為鈑金，密封性是最薄弱的地方，根據項目經驗，M3接角區域經常發生滲水、漏水的現象。因此P3 段需要做導水唇邊的設計，圖8 所示為P3 段門框密封條與環境件截面圖C-C，設計中需要增加斷面的唇邊長度，保證水流能夠順利沿槽內流出，同時在接角M3 過渡區域，需要增加導水筋特征，控制水流流向，導出至“濕區”。最后接角M3將P3與P2兩端聯接起來形成整體。

圖7 門框密封條接角M3

圖8 門框密封條P3段截面C-C

2 無框門密封條非線性有限元分析

2.1 材料模型

橡膠材料在大變形的情況下屬非線性彈性變形，其本構方程需要用應變能密度函數描述[6]，考慮到密實膠和海綿膠材料本構模型多樣性，其應力-應變性能可用Mooney-Rivlin 或Ogden 等模型模擬[7-9]。本文采用兩參數Mooney-Rivlin 模擬橡膠材料的非線性特性。兩參數Mooney-Rivlin模型如下：

式中：W為應變函數；I1和I2為應變不變量；C10、C01為材料常數，λ1、λ2和λ3為主應變比[10]。

橡膠材料參數如表1所示。

表1 橡膠材料參數

金屬骨架用材料鋼屬性，如果材料只發生彈性變形，則只需定義材料的彈性模量E和泊松比μ，其參數如表2所示。

表2 門框密封條分段密封力結果

2.2 單元選擇

對密封條而言，如果密封條周向變形小，可以將變形方式從平面應變而簡化成二維仿真，單元尺寸0.3 mm。密實橡膠材料用不可壓的四節點平面應變Herrmann 單元（MSC. Marc 中單元類型80），海綿橡膠一般采用Foam 模型，可選用任意四邊形平面應變單元（MSC.Marc 中單元類型11），金屬骨架采用四節點平面應變全積分單元（MSC.Marc 中單元類型27）[10]。

2.3 邊界條件建立

對于門框密封條，邊界條件由兩部分組成，一部分是密封條骨架固定約束，以及插入后與側圍B 柱、鈑金裝配位移施加。如圖9 所示，在運動過程中，橡膠材料會不斷地與鈑金接觸分離，摩擦狀態較為復雜，本試驗采用粘-滑摩擦模型來處理。側門玻璃/門內板定義為剛體（無框門采用夾層強化玻璃，剛度較大），橡膠材料定義為變形體，將門框密封條安裝面垂直方向位移固定，玻璃沿壓縮方向移動，位移距離為初始壓縮量設計值D=4.8 mm。

圖9 門框密封條邊界條件

2.4 結果分析

對于該無框門框密封條的密封力分析，由無框車門“短降”特點，P1 段斷面與玻璃不發生擠壓變形，腰線以下P2 段分為直線段P2-1、P2-3 和P2-5，其中對于P2 直線段①③⑤，如圖10 所示，與車門內板壓縮方向和壓縮量一致，采用2D分析方便并且準確度高，對于拐角②④，利用三維分析，模擬門框條裝配后狀態，同時模擬關門過程車門內板運動壓縮門框密封條，得到兩處拐角區域的密封反力值。P3 整段⑥與玻璃也是相同壓縮狀態，同樣采用2D分析?？紤]到無框門玻璃剛度（無框門多采用夾層強化玻璃）對密封條變形的影響較小，對玻璃進行約束固定。

圖10 門框密封條分析示意圖

考慮密封條理論壓縮位置D0（原點位置）、上公差位置D0+2、下公差位置D0-2 三種情況，P3 段和P2 段斷面2D分析結果如圖11～14所示。模擬結果如表3所示。

圖11 P2-1斷面CAE分析結果

圖12 P2-3斷面CAE分析結果

圖13 P2-5斷面CAE分析結果

圖14 P3斷面CAE分析結果

表3 門框密封條分段密封力結果

如圖10所示，對于拐角區域②④，由于門框密封條在實際裝配時表面是不規則彎曲的，因此密封條裝配分析是必要的，盡可能減少由于安裝輪廓曲率對求解門框條密封反力的影響。第一步通過固定安裝止口，移動門框條到完成彎段裝配，得到圖15 所示門框條裝配云圖。第二步模擬關門過程車門內板與門框條擠壓變形的過程，得到圖16所示壓縮分析結果。

圖15 門框密封條裝配應力云圖

圖16 門框密封條拐角壓縮分析結果

門框密封條拐角關門力模擬結果如表4 所示，可得門框密封條近似平直段的關門力123.4 N，門框密封條的拐角段關門力為54.3 N。則門框密封條總密封力在不考慮空氣阻尼力的三維模擬分析結果為177.7 N。由于密封條本身空氣阻尼占密封力一部分，密封條空氣阻尼占密封反力20%[11]。因此門框密封條總的密封反力為213.24 N。

表4 門框密封條拐角關門力模擬結果

3 實驗驗證對比

通過實車驗證，發現無框車門在關門過程中，不同于有框門，車門玻璃無法升到頂端，這是因為關門狀態玻璃需要卡裝在上部密封條中，形成密封環境，因此玻璃會先“短降”一部分，方便順利關門，當門鎖閉合后，車門升降收到信號，此時玻璃會上升至頂部，完成整個關門動作。

通過如圖17所示指示卡尺設備，測試前關閉車門并將玻璃升至頂端，選定點并調零卡尺，開門后測試了當前開發項目玻璃升降器模塊“短降”距離，多次測量結果為5.0 mm，實驗誤差控制在±0.5 mm 以內，與前期玻璃升降器設計標定狀態一致。

圖17 玻璃短降測量現場

對于門框密封條來說，車門鎖完全上鎖前，門框密封條上段未受到玻璃擠壓變形，與理論位置狀態一致，因此計算過程忽略P1 段密封反力，只計算P2、P3 密封反力。

測試前，通過拆卸全部密封條，實驗得到的測力計讀數即為車門關閉瞬間鉸鏈、限位器和門鎖的阻力，其讀數為50 N，裝上門框密封條密封力進行5次測量，如圖18所示，得到結果如表5所示，5次平均值為220.87 N。

圖18 密封力測量計測量現場

表5 門框密封條密封反力測量結果

如表6 所示，將原始密封截面壓縮力三維仿真結果與車門靜態關門力實驗結果進行對比，兩者結果誤差為3.45%，其誤差在10%[12]以內，可信度極高。因此該方法適用于企業的高精度密封系統開發過程。

表6 門框密封條密封反力測量結果

4 結構優化

對于無框門密封條靜態關門力的研究和對標，該項目車型前門靜態密封力設計目標為343.8 N（不同車型要求不同），除去車門門鎖限位器阻力等50 N 阻力的影響，車門密封條沿用成熟的斷面，壓縮負荷設計目標為103.8 N，最終研究目標門框密封條壓縮負荷目標值F=190 N，排除門框密封條自身的20%[11]空氣阻尼力，目標壓縮負荷為152 N。

首先門框密封條壓縮力包括平直段①③⑤⑥和拐角區域②④，通過整體目標壓縮值，計算得到平直區域斷面目標力值，并按長度將其分配到不同斷面，最后以此為目標，更新優化斷面，最后針對更新后的斷面在大曲率拐角區域進行二次分析，得出結果，如表7所示。

表7 門框密封條分段負荷分配結果

4.1 門框密封條P2段優化

針對門框條P2段斷面優化，考慮到密封條與門內鈑金制造公差，為保證密封條在公差極限情況的密封性，泡管干涉量至少保證大于或等于3 mm。優化泡管厚度以及泡管輪廓，優化結果如圖19 所示，輪廓線表示優化前，填充面表示優化后。

圖19 P2段斷面優化結果

4.2 門框密封條P3段優化

針對門框條P3段斷面優化，一方面考慮水管理，與玻璃干涉量保持不變優化過程增加唇邊長度，同時順從玻璃面改變彎曲方向，防止起翹。增大1、2兩處泄力槽結構深度可以有效降低壓縮力?？紤]P3段初始密封力過大，因此針對擠壓泡管更換密度更小的發泡膠，同時適當降低壁厚，優化結果如圖20 所示，輪廓線表示優化前，填充面表示優化后。

圖20 P3段斷面優化結果

4.3 優化后的整體門框密封條密封力比較

門框條P2段優化結果數據對比如圖21～23所示。

圖21 P2段門檻CLD曲線對比

圖22 P2段門鎖CLD曲線對比

圖23 P2段鉸鏈CLD曲線對比

門框條P3段優化結果數據對比如圖24和表8所示。

圖24 P3段CLD曲線對比

表8 門框密封條分段密封力

由圖21～24 可知，通過對無框門框密封條鉸鏈段、門檻段、門鎖段、B 柱玻璃段多個斷面建模及多目標優化得到的密封截面，壓縮力改善明顯基本達到設定目標壓縮力，同時滿足密封設計要求。最后針對優化后的斷面，對拐角區域再次進行模擬3D關門分析，區域②和④關門力貢獻合計為51.4 N。最終優化后的整體密封力為143.49 N（不考慮密封條自身空氣阻力），達到目標要求。

5 結束語

通過對無框車門密封系統結構研究，以門框密封條為研究對象建立2D 斷面模型、3D 模型，該模型分為大曲率拐角段和近似平直段兩部分，其中大曲率段通過三維仿真分析計算出大曲率段的總壓縮力。通過門框密封條目標壓縮負荷要求值與拐角段密封總壓縮力差值，得出平直段密封變截面目標關門力，并分配給不同區域。以壓縮載荷和密封性為設計目標，多變量優化密封條斷面，輸出密封條斷面。再計算出優化后的各斷面近似平直段的整體和大曲率關門力，將優化后整體關門力與目標關門力進行對比，誤差較原始截面有大幅減小，證明了綜合考慮密封性和密封力，無框門密封條變截面系統建模及優化設計的有效性。