李 川，李安虎，陶志軍

（1.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)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(xiàn)，人們對其密封可靠性的關(guān)注也越來越重視，汽車行業(yè)內(nèi)對關(guān)門力以及怎么降低車門關(guān)閉力越來越關(guān)注，甚至作為衡量豪華車的標(biāo)準(zhǔn)，汽車車門系統(tǒng)涉及外觀美學(xué)、密閉性、開合便捷和NVH 性能，其整體關(guān)門力是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，作為影響關(guān)門力的重要因素之一，密封條對關(guān)門能量的影響占比達50%[1]，因此密封條的設(shè)計近幾年越來越得到行業(yè)主機廠和密封條供應(yīng)商的關(guān)注。

國內(nèi)外運用有限元分析的方法對密封條結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，有一定的研究基礎(chǔ)，如Hyung-il Moon 等[2]根據(jù)密封條在關(guān)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(guān)門速度關(guān)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(xiàn)對轎車車口密封條結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。這些工作為車門設(shè)計與密封條結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(shè)計提供解決方法。本文在國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，著重對某無框車門密封系統(tǒng)在關(guān)門過程的變形過程進行分析和研究。區(qū)別在于分析無框門與有框門的結(jié)構(gòu)差異性，以及無框車門“腰線”上下不同的密封環(huán)境。

本文研究對象主要是位于車身側(cè)圍止口的門框密封條，對某項目無框門門框密封條結(jié)構(gòu)進行正向設(shè)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(biāo)對斷面進行優(yōu)化同時與初始斷面分析比較，達到符合設(shè)計目標(biāo)密封條產(chǎn)品。

1 無框車門密封條設(shè)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(chǎn)生“擠壓變形”，并在作用力消失后迅速恢復(fù)原狀，可以把汽車上的密封條分為動態(tài)密封條和靜態(tài)密封條。靜態(tài)密封條一般包括導(dǎo)槽，內(nèi)外水切，天窗密封條等，往往它們在工作中不產(chǎn)生較大的應(yīng)變，主要結(jié)構(gòu)是以帶唇邊為主。動態(tài)密封條包括門框/車門密封條，前艙/尾門密封條等，動態(tài)密封條最明顯特征就是帶有“泡管”結(jié)構(gòu)，工作時壓縮密封。本文主要從側(cè)門動態(tài)密封條入手，它是決定側(cè)門密封、開關(guān)門品質(zhì)的重要因素，也是最復(fù)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(jié)構(gòu)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(yōu)良的耐候性、耐高低溫性、耐臭氧性、耐光照等一系列優(yōu)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(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)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(tǒng)的導(dǎo)槽，對玻璃的剛度、內(nèi)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(tǒng)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(yīng)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(fù)雜，關(guān)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(lián)接起來的，圖2 所示為歐美系無框門密封系統(tǒng)示意圖，與傳統(tǒng)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(lián)接起來，③為車門密封條，與傳統(tǒng)車門比，只有腰線以下“半截”，并且兩端未連通，“隱藏”于內(nèi)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(dǎo)水槽到車門底部濕區(qū)，避免大量的水流靠近門護板車內(nèi)方向。

圖2 歐美系無框門密封系統(tǒng)機構(gòu)

圖3 內(nèi)水切與門密封條過渡區(qū)域

導(dǎo)槽⑤與傳統(tǒng)泥槽固定在車門窗框相比，無框門導(dǎo)槽多是單軌導(dǎo)槽，螺栓固定在車門加強板上，目前市場無框門主流設(shè)計是金屬或PP注塑導(dǎo)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(cè)圍上端密封條⑩，其作用相當(dāng)于傳統(tǒng)車門的泥槽上端，通過卡裝在側(cè)位亮飾條中，關(guān)門狀態(tài)下玻璃卡入側(cè)圍上端密封條中，與門框密封條①貼合，形成完整的密封環(huán)境（圖5）。其余的輔助密封條?、?、?，適用于常規(guī)車門和無框門，結(jié)構(gòu)通常是帶唇邊的靜態(tài)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(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 門框密封條斷面設(shè)計

密封條的斷面結(jié)構(gòu)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(biāo)明涂層或植絨要求，以圖2中的P2段門框封條的截面設(shè)計為例，P1和P3密封斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計類似。

P2 段設(shè)計初步截面圖如圖6 所示，對于安裝固定主體，一般會根據(jù)環(huán)境件鈑金的厚度確定密封條口型寬度M，當(dāng)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(nèi)側(cè)壁距離最近的鈑金面大小為1～3 mm，作為基準(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)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(shè)計上會按經(jīng)驗預(yù)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(guān)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(shè)計

歐系無框門密封系統(tǒng)策略方案中（圖2），門框密封條P1、P2、P3 不同斷面聯(lián)接通過TPV 材料的接角M1、M2、M3 過渡完成，具有良好的外觀質(zhì)量，一致性更好，同時密封排水性能優(yōu)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(huán)境件由玻璃過渡為鈑金，密封性是最薄弱的地方，根據(jù)項目經(jīng)驗，M3接角區(qū)域經(jīng)常發(fā)生滲水、漏水的現(xiàn)象。因此P3 段需要做導(dǎo)水唇邊的設(shè)計，圖8 所示為P3 段門框密封條與環(huán)境件截面圖C-C，設(shè)計中需要增加斷面的唇邊長度，保證水流能夠順利沿槽內(nèi)流出，同時在接角M3 過渡區(qū)域，需要增加導(dǎo)水筋特征，控制水流流向，導(dǎo)出至“濕區(qū)”。最后接角M3將P3與P2兩端聯(lián)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(gòu)方程需要用應(yīng)變能密度函數(shù)描述[6]，考慮到密實膠和海綿膠材料本構(gòu)模型多樣性，其應(yīng)力-應(yīng)變性能可用Mooney-Rivlin 或Ogden 等模型模擬[7-9]。本文采用兩參數(shù)Mooney-Rivlin 模擬橡膠材料的非線性特性。兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型如下：

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

橡膠材料參數(shù)如表1所示。

表1 橡膠材料參數(shù)

金屬骨架用材料鋼屬性，如果材料只發(fā)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(shù)如表2所示。

表2 門框密封條分段密封力結(jié)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(yīng)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(jié)點平面應(yīng)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(yīng)變單元（MSC.Marc 中單元類型11），金屬骨架采用四節(jié)點平面應(yīng)變?nèi)e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(cè)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(tài)較為復(fù)雜，本試驗采用粘-滑摩擦模型來處理。側(cè)門玻璃/門內(nèi)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(shè)計值D=4.8 mm。

圖9 門框密封條邊界條件

2.4 結(jié)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(fā)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(nèi)板壓縮方向和壓縮量一致，采用2D分析方便并且準(zhǔn)確度高，對于拐角②④，利用三維分析，模擬門框條裝配后狀態(tài)，同時模擬關(guān)門過程車門內(nèi)板運動壓縮門框密封條，得到兩處拐角區(qū)域的密封反力值。P3 整段⑥與玻璃也是相同壓縮狀態(tài)，同樣采用2D分析。考慮到無框門玻璃剛度（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(jié)果如圖11～14所示。模擬結(jié)果如表3所示。

圖11 P2-1斷面CAE分析結(jié)果

圖12 P2-3斷面CAE分析結(jié)果

圖13 P2-5斷面CAE分析結(jié)果

圖14 P3斷面CAE分析結(jié)果

表3 門框密封條分段密封力結(jié)果

如圖10所示，對于拐角區(qū)域②④，由于門框密封條在實際裝配時表面是不規(guī)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(guān)門過程車門內(nèi)板與門框條擠壓變形的過程，得到圖16所示壓縮分析結(jié)果。

圖15 門框密封條裝配應(yīng)力云圖

圖16 門框密封條拐角壓縮分析結(jié)果

門框密封條拐角關(guān)門力模擬結(jié)果如表4 所示，可得門框密封條近似平直段的關(guān)門力123.4 N，門框密封條的拐角段關(guān)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(jié)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(guān)門力模擬結(jié)果

3 實驗驗證對比

通過實車驗證，發(fā)現(xiàn)無框車門在關(guān)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(guān)門狀態(tài)玻璃需要卡裝在上部密封條中，形成密封環(huán)境，因此玻璃會先“短降”一部分，方便順利關(guān)門，當(dāng)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(guān)門動作。

通過如圖17所示指示卡尺設(shè)備，測試前關(guān)閉車門并將玻璃升至頂端，選定點并調(diào)零卡尺，開門后測試了當(dāng)前開發(fā)項目玻璃升降器模塊“短降”距離，多次測量結(jié)果為5.0 mm，實驗誤差控制在±0.5 mm 以內(nèi)，與前期玻璃升降器設(shè)計標(biāo)定狀態(tài)一致。

圖17 玻璃短降測量現(xiàn)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(tài)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(shù)即為車門關(guān)閉瞬間鉸鏈、限位器和門鎖的阻力，其讀數(shù)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(jié)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(xiàn)場

表5 門框密封條密封反力測量結(jié)果

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

表6 門框密封條密封反力測量結(jié)果

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于無框門密封條靜態(tài)關(guān)門力的研究和對標(biāo)，該項目車型前門靜態(tài)密封力設(shè)計目標(biāo)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(shè)計目標(biāo)為103.8 N，最終研究目標(biāo)門框密封條壓縮負荷目標(biāo)值F=190 N，排除門框密封條自身的20%[11]空氣阻尼力，目標(biāo)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(qū)域②④，通過整體目標(biāo)壓縮值，計算得到平直區(qū)域斷面目標(biāo)力值，并按長度將其分配到不同斷面，最后以此為目標(biāo)，更新優(yōu)化斷面，最后針對更新后的斷面在大曲率拐角區(qū)域進行二次分析，得出結(jié)果，如表7所示。

表7 門框密封條分段負荷分配結(jié)果

4.1 門框密封條P2段優(yōu)化

針對門框條P2段斷面優(yōu)化，考慮到密封條與門內(nèi)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(yōu)化泡管厚度以及泡管輪廓，優(yōu)化結(jié)果如圖19 所示，輪廓線表示優(yōu)化前，填充面表示優(yōu)化后。

圖19 P2段斷面優(yōu)化結(jié)果

4.2 門框密封條P3段優(yōu)化

針對門框條P3段斷面優(yōu)化，一方面考慮水管理，與玻璃干涉量保持不變優(yōu)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(jié)構(gòu)深度可以有效降低壓縮力。考慮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(fā)泡膠，同時適當(dāng)降低壁厚，優(yōu)化結(jié)果如圖20 所示，輪廓線表示優(yōu)化前，填充面表示優(yōu)化后。

圖20 P3段斷面優(yōu)化結(jié)果

4.3 優(yōu)化后的整體門框密封條密封力比較

門框條P2段優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)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(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)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(biāo)優(yōu)化得到的密封截面，壓縮力改善明顯基本達到設(shè)定目標(biāo)壓縮力，同時滿足密封設(shè)計要求。最后針對優(yōu)化后的斷面，對拐角區(qū)域再次進行模擬3D關(guān)門分析，區(qū)域②和④關(guān)門力貢獻合計為51.4 N。最終優(yōu)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(biāo)要求。

5 結(jié)束語

通過對無框車門密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(biāo)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(biāo)關(guān)門力，并分配給不同區(qū)域。以壓縮載荷和密封性為設(shè)計目標(biāo)，多變量優(yōu)化密封條斷面，輸出密封條斷面。再計算出優(yōu)化后的各斷面近似平直段的整體和大曲率關(guān)門力，將優(yōu)化后整體關(guān)門力與目標(biāo)關(guān)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(tǒng)建模及優(yōu)化設(shè)計的有效性。