汽車車門密封條磨損和異響問題的研究與控制

張 巖， 盧生林， 王 婭， 晉 蕾

（奇瑞汽車股份有限公司整車驗證和工程中心， 汽車節能環保國家工程研究中心，安徽省汽車NVH 與可靠性重點實驗室， 安徽 蕪湖 241009）

1 引言

汽車車門密封條作為整車密封系統的重要組件之一，具有減振、防水、防塵和隔音等功能[1]。在車輛的生命周期里，車門在日常使用過程中的動態開閉以及上下車時接觸摩擦過程中，密封條不可避免地會發生磨損，進而導致密封失效，如漏氣、風噪、漏塵及漏水等，會給客戶造成困擾，給車企的品質信譽帶來負面影響。密封條磨損也會導致涂層完整性變差，同時帶來密封條異響問題。隨著車輛NVH性能的提高，駕駛艙內靜謐性得以保證，密封條異響問題成為了用戶的重要抱怨點。密封條異響是指車輛在顛簸路面或者扭曲路面上行駛時，車門與門框間存在相對運動，產生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生煩躁情緒，甚至會對駕駛的安全性帶來影響。

2 密封條磨損和異響問題

2.1 車門系統耐久性能試驗中的磨損問題

汽車在上市前，都要通過車門系統耐久試驗的驗證，車門的開閉耐久性能要求一般是模擬10年使用壽命，對于車門耐久性能試驗開閉的目標循環次數，不同的公司有著不同的標準，通過對已售車型客戶使用大數據的統計與分析，確定前車門開閉循環次數目標為10萬次循環，后車門為6萬次循環。在試驗過程中，要考慮車門玻璃在不同止點位置及不同環境下（室溫、低溫、高溫和高濕） 的耐久影響。A車型在車門系統耐久性能試驗過程中出現了較為嚴重的密封條磨損問題，在油漆鈑金出現難以擦除掉的黑色印痕，如圖1所示。

圖1 A車型在試驗中密封條磨損導致車身上出現黑色膠痕

2.2 整車耐久性能試驗中的磨損和異響問題

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。整車保新度評價目的在于在開發階段能夠識別性能衰減和老化的問題，進而在設計階段對此類問題進行規避，提升產品的保新度性能和顧客對產品的滿意度。

A車型的ab兩輛試驗車，分別在耐久路試進程0%、25%和100%時進行整車保新度評價，針對密封條的評價結果見表1，耐久路試進程0%時，a車密封條無異響，b車的密封條出現輕微異響，說明新狀態下的密封條一致性較差。在耐久路試進程25%和100%時，無異響的a車發生了異響，有輕微異響的b車異響加劇，兩輛車密封條也發生了一定程度的磨損，隨著試驗進程增加磨損情況愈加嚴重，說明密封條在耐久路試過程中發生性能衰減，導致異響和磨損的加劇。

表1 密封條的評價結果

3 磨損和異響主要失效原因分析

3.1 密封條涂層因素

密封條涂層是通過噴涂的方式，將高分子噴涂材料噴涂在密封條表面，通過高溫將溶劑蒸發后，在密封條表面固化形成致密的保護干膜。根據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、高耐磨性、柔韌性、外觀一致性、耐候性、高低溫穩定性、耐化學試劑性、降噪性、環保性以及容易與密封條本體形成強結合等性能[2]。

3.1.1 涂層摩擦系數不合理

劉磊等建立了密封條異響力學模型和振動微分方程，分析了密封條異響產生的機理，主要影響因素為密封條涂層與鈑金之間摩擦系數不合理導致[3]。在前期設計開發階段，密封條涂層選型時，需要對涂層材料進行摩擦系數試驗[4]，優先選擇涂層與鈑金之間靜、動摩擦系數較小，且靜、動摩擦之差較小的組合，從而減少密封條異響問題發生的概率。

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為密封條涂層與基材之間發生粘滑（stick-slip） 現象，在摩擦副相對運動的過程中動靜摩擦交替出現，并在接觸表面附近引起彈性變形，彈性變形是一種儲存能量的現象，當能量釋放時就會產生噪聲。如果涂層與基材的異響兼容性好，就可以通過最小化彈性變形來避免或最小化噪聲，從而減少存儲的彈性能量的釋放[5]。粘滑試驗（stick-slip test） 通過噪聲風險等級（RPN） 的評定反映粘滑現象的強弱，試驗規范和評價標準采用德國汽車工業協會VDA 230-206標準，測試工裝示意如圖2所示。在前期設計開發階段，需要增加針對涂層材料與鈑金的粘滑試驗（stickslip test），進而判斷此涂層材料與鈑金產生異響的風險大小，選擇與鈑金基材異響兼容性較好的涂層材料。

圖2 粘滑試驗測試工裝示意圖

3.1.3 涂層與基材的耐磨損特性差

車輛行駛狀態下，密封條與車門、側圍門洞鈑金處于無時無刻的振動和磨損的狀態中，日常使用過程中，衣物及行李等也會與密封條發生接觸和摩擦，并產生磨損，所以貼合用戶工況下的實驗室密封條涂層耐磨損加速試驗是控制密封條涂層在后期磨損問題的重要手段。本文搜集和整理了不同主機廠的密封條涂層的耐磨試驗方法和標準，最終采用了針對鍍鉻棒和帆布這兩種不同基材，以及經過預處理后的磨耗試驗[2]，作為設計開發前期密封條涂層耐磨損的必須要開展的試驗之一。

3.1.4 涂層厚度因素

密封條涂層厚度也稱涂層干膜厚度，是密封條噴涂質量的最基本表征，是確保涂層達到其后續性能要求的基礎[6]。密封條涂層的耐磨損特性與涂層厚度直接相關。異響通常不直接受膜厚度變化的影響，但當涂層厚度較低時，噴涂品質及工藝一致性難以保證，即使是很小的未涂覆區域也會產生高噪聲水平。在極端情況下，涂層完整性差會降低耐磨性至較低水平[7]。不同涂層材料所能達到的厚度是不同的，溶劑型有機硅涂層所能達到的厚度偏低，水溶性聚氨酯涂層所能達到的厚度較高，為了提高耐磨性，并降低異響風險，新開發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結果如圖3所示，結果顯示涂層厚度大于等于12μm，滿足設計要求。

圖3 新開發B車型密封條涂層厚度檢測結果

3.2 閉合件門框開口變形量因素

車輛在顛簸路面或者扭曲路面行駛時，車身和門框產生彎曲和扭曲變形，這樣會導致密封條與車身鈑金之間產生相對運動，這無疑加劇了密封條的磨損和異響問題的發生。福特汽車的相關研究表明：開口變形量與車輛異響不僅在新車狀態下有著很強的相關性，也是對于長里程車輛異響性能衰減的一項非常重要的性能指標[8]。門框變形量，即在靜態全局扭轉載荷下，門框對角線的相對位移量，且在0～50Hz的低頻范圍內與異響性能之間存在很強的相關性[9-10]。在數字樣車階段，可利用白車身級的CAE仿真方法對開口變形量進行分析，新開發B車型的開口變形量CAE仿真模型如圖4所示，分析結果如表2所示，均能滿足目標值要求。目標值根據仿真與試驗結果相關性分析來確定，不同的車型、不同的密封條結構形式和不同的密封條涂層材料，目標值均會有一定差異。

表2 新開發B車型開口變形量CAE仿真結果

圖4 新開發B車型的開口變形量CAE仿真模型

3.3 密封間隙和生產制造因素

車門的密封間隙是指車門和門框在車門關閉狀態下的相對距離，此時密封條壓縮在密封間隙之間，在密封條剛度已經確定的情況下，實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。設計合理的密封條剛度和密封間隙對于改善密封條磨損和異響有著重要的幫助作用。在數字樣車階段，可利用整車級的CAE仿真方法對密封間隙進行分析，工況與門框開口變形量分析類似，在靜態全局扭轉載荷下，評估密封間隙是否能滿足設計要求，新開發B車型密封間隙CAE仿真結果位移云圖如圖5所示。

圖5 新開發B車型密封間隙CAE仿真結果位移云圖

在密封條剛度和密封間隙完成設計開發后，后續實車的密封間隙的一致性則反映了生產制造的水平，實車密封間隙小于設計值時，會導致密封條與鈑金之間摩擦力變大，增加了密封條發生磨損和異響的風險。實車密封間隙大于設計值時，可能會造成漏風、漏水等密封問題，所以在實車下線時，控制和檢測密封間隙是保證實車密封間隙符合設計要求的必要手段。

3.4 環境因素

在用戶的實際使用過程中，惡劣的環境也會對密封條的各項性能產生影響。對比有無灰塵的摩擦系數和響度測試結果發現，有灰塵密封條的摩擦系數曲線會發生較大改變，產生多次粘滑現象，且響度值比無灰塵密封條高，噪聲增加明顯[11]。另外，當密封條表面的灰塵遇到雨水，就會變成泥水，泥水的加入會加劇密封條的磨損，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中，粉塵和水按照一定的質量比例混合，并在滑動磨損試驗過程中不斷地添加泥水，直至試驗完成。

4 密封條磨損和異響控制方法

完善后的密封條的設計開發和驗證流程如圖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 新開發B車型密封條驗證結果

新開發B車型密封條按照上述密封條磨損和異響控制方法進行了開發和驗證，如前文所示，門框開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試驗結果也均合格。在車門系統耐久性能試驗中，密封條未發生異響，且試驗結束后只有輕微磨損，滿足試驗標準要求。在整車耐久試驗過程中，保新度評價結果顯示，耐久路試進程0%、25%和100%時無異響問題，且在試驗結束后，只有輕微磨損，滿足試驗標準要求。在整車用戶模擬試驗、整車耐候試驗、整車OKTS（OK To Ship） 試驗的保新度評價中，均未發現異響和磨損的問題產生。

6 結論

本文結合實際工程中發現的密封條磨損和異響問題，對問題產生的失效原因進行了分析和驗證，最終確定密封條涂層因素、門框開口變形量因素、密封間隙因素、生產制造因素和環境因素為失效主要因素。通過查閱國內外各主機廠密封條驗證規范、相關技術資料并結合自身的開發驗證經驗，在理論推導、CAE仿真分析、涂層材料試驗、零部件試驗、系統試驗和整車試驗驗證各個環節中添加了解決密封條磨損和異響的控制方法，完善了密封條的設計開發和驗證流程，形成了密封條磨損和異響的系統性的控制方法，新開發B車型通過上述控制方法進行了開發和驗證，最終結果顯示磨損和異響問題明顯減少、性能衰減減輕且一致性較好，因此，此開發和驗證流程可有效地控制密封條的磨損和異響問題。

傳統的汽車設計開發和驗證流程正在面臨新技術、新配置、新市場、新環境的挑戰，隨著新技術的應用、車輛新的配置、用戶使用習慣的改變、氣候條件和使用環境的變遷等，不可避免地會帶來新的失效模式，所以開發設計和驗證工程師將持續地關注新的失效模式，并不斷更新和完善控制方法。