无框车门密封系统优化研究

李 川，李安虎，陶志军

（1.同济大学机械与能源工程学院，上海 200030；2.敏实集团，浙江 宁波 315800）

0 引言

随着无框车的出现，人们对其密封可靠性的关注也越来越重视，汽车行业内对关门力以及怎么降低车门关闭力越来越关注，甚至作为衡量豪华车的标准，汽车车门系统涉及外观美学、密闭性、开合便捷和NVH 性能，其整体关门力是衡量产品质量的重要指标，作为影响关门力的重要因素之一，密封条对关门能量的影响占比达50%[1]，因此密封条的设计近几年越来越得到行业主机厂和密封条供应商的关注。

国内外运用有限元分析的方法对密封条结构设计优化，有一定的研究基础，如Hyung-il Moon 等[2]根据密封条在关门过程中不同的压缩状况，采用MSC.Marc 软件，建立了密封条的三维仿真模型，分析了密封条的压缩、起皱情况，得到密封力与关门速度关系；吴文涛等[3]、陈敏等[4]分别使用Mooney-Rivlin 或Ogden 模型对工程中常用的密封件如O型、+Y-型、唇形密封圈的材料属性进行了表征，同时利用Abaqus 或Marc 软件对其变形特性进行了模拟；王勇[5]建立了密封条的几何模型与橡胶材料模型，并确立了有限元分析的边界条件，实现对轿车车口密封条结构参数的优化设计。这些工作为车门设计与密封条结构的优化提供了许多有价值的信息。为车门密封，振动噪声，车门气动噪声，密封力设计提供解决方法。本文在国内外研究成果的基础上，着重对某无框车门密封系统在关门过程的变形过程进行分析和研究。区别在于分析无框门与有框门的结构差异性，以及无框车门“腰线”上下不同的密封环境。

本文研究对象主要是位于车身侧围止口的门框密封条，对某项目无框门门框密封条结构进行正向设计、仿真计算得到整体密封力并进行实验验证，最后通过多目标对断面进行优化同时与初始断面分析比较，达到符合设计目标密封条产品。

1 无框车门密封条设计

1.1 密封条介绍

1.1.1 密封条分类

按照密封条在工作过程中是否产生“挤压变形”，并在作用力消失后迅速恢复原状，可以把汽车上的密封条分为动态密封条和静态密封条。静态密封条一般包括导槽，内外水切，天窗密封条等，往往它们在工作中不产生较大的应变，主要结构是以带唇边为主。动态密封条包括门框/车门密封条，前舱/尾门密封条等，动态密封条最明显特征就是带有“泡管”结构，工作时压缩密封。本文主要从侧门动态密封条入手，它是决定侧门密封、开关门品质的重要因素，也是最复杂的部分。

1.1.2 密封条材料

车门密封条的主要原材料是三元乙丙橡胶（EPDM），主要结构组成为密实胶、海绵胶、骨架材料（钢或铝）、表面涂层等。三元乙丙橡胶（EPDM）具有优良的耐候性、耐高低温性、耐臭氧性、耐光照等一系列优良特性，以及良好的加工性能和低压缩永久变形的特点。

1.1.3 无框车门密封结构与传统差异

所谓的无框车门，指的是车门窗台以上的钣金取消，如图1 所示，没有传统的导槽，对玻璃的刚度、内外水切对玻璃的夹紧力要求更高，同时窗台以上是玻璃与门框密封条进行压缩密封，玻璃的刚度不如传统有框车门钣金刚度，因此对于门框密封条的形状大小以及耐磨性有更高要求，一般而言玻璃刚度越大，对应接触的门框密封条泡管和唇边越小，难度和成本越低。

图1 无框车门实物

无框门密封条的更加复杂，关门力的要求也有别于有框门，无框门车门密封条只包含车门腰线以下的部分。门框密封条也就是二道密封条是由3 个不同的截面通过注塑接角联接起来的，图2 所示为欧美系无框门密封系统示意图，与传统单一断面门框密封条相比，以无框门密封条①为例，M1、M2、M3 为注塑接角，一般材料为TPV，直线段通过接角联接起来，③为车门密封条，与传统车门比，只有腰线以下“半截”，并且两端未连通，“隐藏”于内水切接角下端，如图3 所示，一方面是遮丑，另一方面是便于水管理，水流沿着接角导水槽到车门底部湿区，避免大量的水流靠近门护板车内方向。

图2 欧美系无框门密封系统机构

图3 内水切与门密封条过渡区域

导槽⑤与传统泥槽固定在车门窗框相比，无框门导槽多是单轨导槽，螺栓固定在车门加强板上，目前市场无框门主流设计是金属或PP注塑导轨加泥槽密封条组合形式，如图4 所示，泥槽采用EPDM 挤出，上端会做注塑接角，玻璃在泥槽中升降运行。侧围上端密封条⑩，其作用相当于传统车门的泥槽上端，通过卡装在侧位亮饰条中，关门状态下玻璃卡入侧围上端密封条中，与门框密封条①贴合，形成完整的密封环境（图5）。其余的辅助密封条⑪、⑫、⑬，适用于常规车门和无框门，结构通常是带唇边的静态密封条，因此文中不做过多赘述。

图4 泥槽断面示意图

图5 截面A-A示意图

1.2 无框车门密封条结构设计

1.2.1 门框密封条断面设计

密封条的断面结构一般包括密封和固定两个主体部分，有时候为了工艺图纸也会用虚线标明涂层或植绒要求，以图2中的P2段门框封条的截面设计为例，P1和P3密封断面结构设计类似。

P2 段设计初步截面图如图6 所示，对于安装固定主体，一般会根据环境件钣金的厚度确定密封条口型宽度M，当然也会受到安装主体里面唇边的影响，唇边与钣金接触的干涉量越大，对于拔出力就越大，一般而言安装主体内侧壁距离最近的钣金面大小为1～3 mm，作为基准面的一般会更小，为1 mm 左右，如图6 中的唇边1，它本身相对来说唇边的长度不长，唇边1 本身主要是起密封和安装基准面的作用，对于唇边2，唇边长度对插拔力的影响起主要的作用，一般与钣金的干涉量设置为3.5 mm，距离最近的钣金面距离为3 mm，保证拔出力大于70 N 的普遍要求。另外安装主体考虑实际的安装工艺公差，钣金止口面与安装密封条主体部分的间隙一般设计上会按经验预留1 mm。

图6 门框密封条P2段截面B-B

密封部分，对于单/双泡管的确定，如图6 所示，H=8～14 mm，推荐单泡管；H=15～25 mm，推荐双泡管，其中压缩量D与密封高度L的关系为L=D+H。单密封：D/L=1/3～1/2，D=3～6 mm；双密封：D/L=1/4～1/3，D=4～8 mm。由于目前所研究的项目H=13 mm，考虑钣金±1 mm 的制造工艺公差，选用单泡的密封条，考虑门框密封条与玻璃频繁摩擦的情形，以及NVH 的要求，选用直径60 μm颗粒涂层进行保护。

1.2.2 门框密封条接角设计

欧系无框门密封系统策略方案中（图2），门框密封条P1、P2、P3 不同断面联接通过TPV 材料的接角M1、M2、M3 过渡完成，具有良好的外观质量，一致性更好，同时密封排水性能优异，但接角的工艺难度大，部分接角可能需要增加金属嵌件进行支撑，保证接角安装不塌陷。以接角M3为例，如图7所示，与密封条匹配的环境件由玻璃过渡为钣金，密封性是最薄弱的地方，根据项目经验，M3接角区域经常发生渗水、漏水的现象。因此P3 段需要做导水唇边的设计，图8 所示为P3 段门框密封条与环境件截面图C-C，设计中需要增加断面的唇边长度，保证水流能够顺利沿槽内流出，同时在接角M3 过渡区域，需要增加导水筋特征，控制水流流向，导出至“湿区”。最后接角M3将P3与P2两端联接起来形成整体。

图7 门框密封条接角M3

图8 门框密封条P3段截面C-C

2 无框门密封条非线性有限元分析

2.1 材料模型

橡胶材料在大变形的情况下属非线性弹性变形，其本构方程需要用应变能密度函数描述[6]，考虑到密实胶和海绵胶材料本构模型多样性，其应力-应变性能可用Mooney-Rivlin 或Ogden 等模型模拟[7-9]。本文采用两参数Mooney-Rivlin 模拟橡胶材料的非线性特性。两参数Mooney-Rivlin模型如下：

式中：W为应变函数；I1和I2为应变不变量；C10、C01为材料常数，λ1、λ2和λ3为主应变比[10]。

橡胶材料参数如表1所示。

表1 橡胶材料参数

金属骨架用材料钢属性，如果材料只发生弹性变形，则只需定义材料的弹性模量E和泊松比μ，其参数如表2所示。

表2 门框密封条分段密封力结果

2.2 单元选择

对密封条而言，如果密封条周向变形小，可以将变形方式从平面应变而简化成二维仿真，单元尺寸0.3 mm。密实橡胶材料用不可压的四节点平面应变Herrmann 单元（MSC. Marc 中单元类型80），海绵橡胶一般采用Foam 模型，可选用任意四边形平面应变单元（MSC.Marc 中单元类型11），金属骨架采用四节点平面应变全积分单元（MSC.Marc 中单元类型27）[10]。

2.3 边界条件建立

对于门框密封条，边界条件由两部分组成，一部分是密封条骨架固定约束，以及插入后与侧围B 柱、钣金装配位移施加。如图9 所示，在运动过程中，橡胶材料会不断地与钣金接触分离，摩擦状态较为复杂，本试验采用粘-滑摩擦模型来处理。侧门玻璃/门内板定义为刚体（无框门采用夹层强化玻璃，刚度较大），橡胶材料定义为变形体，将门框密封条安装面垂直方向位移固定，玻璃沿压缩方向移动，位移距离为初始压缩量设计值D=4.8 mm。

图9 门框密封条边界条件

2.4 结果分析

对于该无框门框密封条的密封力分析，由无框车门“短降”特点，P1 段断面与玻璃不发生挤压变形，腰线以下P2 段分为直线段P2-1、P2-3 和P2-5，其中对于P2 直线段①③⑤，如图10 所示，与车门内板压缩方向和压缩量一致，采用2D分析方便并且准确度高，对于拐角②④，利用三维分析，模拟门框条装配后状态，同时模拟关门过程车门内板运动压缩门框密封条，得到两处拐角区域的密封反力值。P3 整段⑥与玻璃也是相同压缩状态，同样采用2D分析。考虑到无框门玻璃刚度（无框门多采用夹层强化玻璃）对密封条变形的影响较小，对玻璃进行约束固定。

图10 门框密封条分析示意图

考虑密封条理论压缩位置D0（原点位置）、上公差位置D0+2、下公差位置D0-2 三种情况，P3 段和P2 段断面2D分析结果如图11～14所示。模拟结果如表3所示。

图11 P2-1断面CAE分析结果

图12 P2-3断面CAE分析结果

图13 P2-5断面CAE分析结果

图14 P3断面CAE分析结果

表3 门框密封条分段密封力结果

如图10所示，对于拐角区域②④，由于门框密封条在实际装配时表面是不规则弯曲的，因此密封条装配分析是必要的，尽可能减少由于安装轮廓曲率对求解门框条密封反力的影响。第一步通过固定安装止口，移动门框条到完成弯段装配，得到图15 所示门框条装配云图。第二步模拟关门过程车门内板与门框条挤压变形的过程，得到图16所示压缩分析结果。

图15 门框密封条装配应力云图

图16 门框密封条拐角压缩分析结果

门框密封条拐角关门力模拟结果如表4 所示，可得门框密封条近似平直段的关门力123.4 N，门框密封条的拐角段关门力为54.3 N。则门框密封条总密封力在不考虑空气阻尼力的三维模拟分析结果为177.7 N。由于密封条本身空气阻尼占密封力一部分，密封条空气阻尼占密封反力20%[11]。因此门框密封条总的密封反力为213.24 N。

表4 门框密封条拐角关门力模拟结果

3 实验验证对比

通过实车验证，发现无框车门在关门过程中，不同于有框门，车门玻璃无法升到顶端，这是因为关门状态玻璃需要卡装在上部密封条中，形成密封环境，因此玻璃会先“短降”一部分，方便顺利关门，当门锁闭合后，车门升降收到信号，此时玻璃会上升至顶部，完成整个关门动作。

通过如图17所示指示卡尺设备，测试前关闭车门并将玻璃升至顶端，选定点并调零卡尺，开门后测试了当前开发项目玻璃升降器模块“短降”距离，多次测量结果为5.0 mm，实验误差控制在±0.5 mm 以内，与前期玻璃升降器设计标定状态一致。

图17 玻璃短降测量现场

对于门框密封条来说，车门锁完全上锁前，门框密封条上段未受到玻璃挤压变形，与理论位置状态一致，因此计算过程忽略P1 段密封反力，只计算P2、P3 密封反力。

测试前，通过拆卸全部密封条，实验得到的测力计读数即为车门关闭瞬间铰链、限位器和门锁的阻力，其读数为50 N，装上门框密封条密封力进行5次测量，如图18所示，得到结果如表5所示，5次平均值为220.87 N。

图18 密封力测量计测量现场

表5 门框密封条密封反力测量结果

如表6 所示，将原始密封截面压缩力三维仿真结果与车门静态关门力实验结果进行对比，两者结果误差为3.45%，其误差在10%[12]以内，可信度极高。因此该方法适用于企业的高精度密封系统开发过程。

表6 门框密封条密封反力测量结果

4 结构优化

对于无框门密封条静态关门力的研究和对标，该项目车型前门静态密封力设计目标为343.8 N（不同车型要求不同），除去车门门锁限位器阻力等50 N 阻力的影响，车门密封条沿用成熟的断面，压缩负荷设计目标为103.8 N，最终研究目标门框密封条压缩负荷目标值F=190 N，排除门框密封条自身的20%[11]空气阻尼力，目标压缩负荷为152 N。

首先门框密封条压缩力包括平直段①③⑤⑥和拐角区域②④，通过整体目标压缩值，计算得到平直区域断面目标力值，并按长度将其分配到不同断面，最后以此为目标，更新优化断面，最后针对更新后的断面在大曲率拐角区域进行二次分析，得出结果，如表7所示。

表7 门框密封条分段负荷分配结果

4.1 门框密封条P2段优化

针对门框条P2段断面优化，考虑到密封条与门内钣金制造公差，为保证密封条在公差极限情况的密封性，泡管干涉量至少保证大于或等于3 mm。优化泡管厚度以及泡管轮廓，优化结果如图19 所示，轮廓线表示优化前，填充面表示优化后。

图19 P2段断面优化结果

4.2 门框密封条P3段优化

针对门框条P3段断面优化，一方面考虑水管理，与玻璃干涉量保持不变优化过程增加唇边长度，同时顺从玻璃面改变弯曲方向，防止起翘。增大1、2两处泄力槽结构深度可以有效降低压缩力。考虑P3段初始密封力过大，因此针对挤压泡管更换密度更小的发泡胶，同时适当降低壁厚，优化结果如图20 所示，轮廓线表示优化前，填充面表示优化后。

图20 P3段断面优化结果

4.3 优化后的整体门框密封条密封力比较

门框条P2段优化结果数据对比如图21～23所示。

图21 P2段门槛CLD曲线对比

图22 P2段门锁CLD曲线对比

图23 P2段铰链CLD曲线对比

门框条P3段优化结果数据对比如图24和表8所示。

图24 P3段CLD曲线对比

表8 门框密封条分段密封力

由图21～24 可知，通过对无框门框密封条铰链段、门槛段、门锁段、B 柱玻璃段多个断面建模及多目标优化得到的密封截面，压缩力改善明显基本达到设定目标压缩力，同时满足密封设计要求。最后针对优化后的断面，对拐角区域再次进行模拟3D关门分析，区域②和④关门力贡献合计为51.4 N。最终优化后的整体密封力为143.49 N（不考虑密封条自身空气阻力），达到目标要求。

5 结束语

通过对无框车门密封系统结构研究，以门框密封条为研究对象建立2D 断面模型、3D 模型，该模型分为大曲率拐角段和近似平直段两部分，其中大曲率段通过三维仿真分析计算出大曲率段的总压缩力。通过门框密封条目标压缩负荷要求值与拐角段密封总压缩力差值，得出平直段密封变截面目标关门力，并分配给不同区域。以压缩载荷和密封性为设计目标，多变量优化密封条断面，输出密封条断面。再计算出优化后的各断面近似平直段的整体和大曲率关门力，将优化后整体关门力与目标关门力进行对比，误差较原始截面有大幅减小，证明了综合考虑密封性和密封力，无框门密封条变截面系统建模及优化设计的有效性。