汽車天窗密封條分析與優(yōu)化

蔣振宇，陳忠鈺

(偉巴斯特車頂系統(tǒng)中國有限公司研發(fā)中心，上海 201108)

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汽車天窗密封條分析與優(yōu)化

蔣振宇，陳忠鈺

(偉巴斯特車頂系統(tǒng)中國有限公司研發(fā)中心，上海 201108)

全面闡述了天窗密封條設(shè)計的三大性能要求：裝配性，刮擦性和密封性。在設(shè)計天窗密封條時，除了需要考慮密封條本身結(jié)構(gòu)功能特性以外，更需要考慮產(chǎn)品的可制造性和可裝配性。在考慮制造能力的前提下，列舉了用有限元方法解決這三大性能問題的實際案例，并取得了良好的效果。

汽車天窗；密封條；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；計算機輔助工程

0 引言

汽車天窗上有許多密封條，特別是全景天窗。天窗密封條主要是降低噪聲，防止外部風(fēng)沙、雨水、塵土等物質(zhì)浸入車內(nèi)。密封條在車頂中的位置如圖1所示。在設(shè)計和測試天窗的時候，天窗密封條有三大難點：裝配困難，刮擦噪聲和漏雨或不隔音。作者將以有限元分析為基礎(chǔ)，介紹某公司在2009年和2013年利用有限元技術(shù)對密封條進行裝配、刮擦和密封仿真分析和優(yōu)化的案例。

圖1 某天窗前端Y-O截面視圖

1 天窗密封條結(jié)構(gòu)

天窗上有許多種密封條，比如：主密封條，隔音密封條。所有的天窗密封條都由下面兩部分組成：

(1)密實橡膠。主要用以將密封條固定在車頂或天窗上，要求在裝配時有較小的插入力和拔出時有較大的保持力，以滿足密封條在汽車或天窗裝配流水線上的裝配方便性和可靠性。

(2)發(fā)泡橡膠。主要承受天窗關(guān)閉時的壓縮載荷，以產(chǎn)生密封性和回彈性能，同時還可以彌補天窗與車頂開口之間的間隙不均勻。

2 橡膠材料本構(gòu)模型

橡膠材料在大變形的情況下不滿足胡克定律，即受力和變形或應(yīng)力和應(yīng)變是非線性關(guān)系。密實橡膠在變形中體積變化比較小，具有幾乎不可以壓縮的材料特性；發(fā)泡橡膠在變形中體積變化極大，具有可壓縮的材料特性。在研究橡膠材料時，通常用應(yīng)變能勢函數(shù)來描述其力學(xué)行為，其中應(yīng)用較多的應(yīng)變能密度函數(shù)是Mooney-Rivlin和Ogden。

2.1 密實橡膠材料模型

2.1.1 Mooney-Rivlin橡膠材料模型

M MOONEY在1940年提出了應(yīng)變能勢函數(shù)[1]：

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(1)

式中：C1和C2為與溫度相關(guān)的材料常數(shù)，由試驗確定;I1和I2分別是Cauchy-Gree變形張量的第一和第二不變量：

(2)

(3)

式中：λ1、λ2、λ3是主伸長比。

R S RIVLIN在1951年提出另外一種應(yīng)變能函數(shù)[2]：

(4)

式中：Cmn是與溫度相關(guān)的材料參數(shù)，m、n為從0開始的整數(shù)，其數(shù)值越大，擬合所得的應(yīng)變能勢函數(shù)精度就越高。式(1)、式(2)即為MOONEY-RIVLIN模型。式(1)因為簡潔而應(yīng)用比較多。

2.1.2 Ogden橡膠材料模型

1972年Ogden直接采用3個主伸長比作為應(yīng)變能函數(shù)的自變量，提出了不同于Mooney-Rivlin模型的新應(yīng)變能密度函數(shù)[3]：

(5)

式中:μn、αn是材料參數(shù)，由材料試驗數(shù)據(jù)決定。此模型是目前準(zhǔn)確性較高的不可壓縮彈性體材料模型，因此本文采用此模型模擬密實橡膠。

2.2 發(fā)泡橡膠材料模型

1972年OGDEN同樣直接采用主伸長作自變量，提出發(fā)泡橡膠材料模型[4]：

(6)

式中:λi(i=1,2,3)為主拉伸長比;μn、αn和βn(n=1,2,3)為材料常數(shù)，其值根據(jù)發(fā)泡橡膠材料的單軸拉伸、平面剪切和體積試驗數(shù)據(jù)確定。該模型不僅能比較準(zhǔn)確地反映發(fā)泡橡膠材料特性，還可適用于高度可壓縮性材料，文中采用此模型來模擬發(fā)泡橡膠。

3 天窗密封條裝配分析與優(yōu)化

在天窗密封系統(tǒng)中，密封條的插拔力是評價密封條安裝特性和可靠特性的一項重要指標(biāo)。由于零件的制造和裝配誤差的存在，良好的插拔特性要求密封條在裝配間隙最小的時候有較小插入力和在裝配間隙最大的時候有較大的拔出力，防止在使用過程中脫落。

下面將以該公司某款天窗密封條為例，介紹天窗密封條裝配性分析。具體密封條截面如圖2所示，此密封條已經(jīng)批量生產(chǎn)，經(jīng)常聽到生產(chǎn)部門的抱怨：密封條在最小裝配間隙的時候十分難裝，甚至有時候需要借助于榔頭才能完成裝配。如果密封條被較大的力強行壓入玻璃總成，必定會對玻璃的弧度、表面張應(yīng)力和安全性產(chǎn)生影響。

圖2 某天窗密封條裝配到玻璃總成后的截面圖

從圖2可知：影響密封條裝配性的兩個關(guān)鍵尺寸，分別是圖2中標(biāo)注的玻璃和框架之間的裝配間隙尺寸和密封條密實橡膠的主體厚度尺寸。為了研究方便，把密度條主體厚度尺寸作為不變量，根據(jù)公差計算，玻璃和框架之間的最小間隙是2.35 mm。

為了解決裝配困難的問題，進行了有限元分析，假設(shè)玻璃和框架是剛體，在裝配間隙最小的時候，把密封條插入玻璃和框架之間。根據(jù)CAE結(jié)果，在t=0.57 s的時候密封條網(wǎng)格變形特別大，如圖3所示，根本就壓不進去，說明密封條十分難裝。

圖3 原始結(jié)構(gòu)密封條在裝配過程中的變形

為了解決在最小裝配間隙下的安裝問題和平衡在最大裝配間隙下的拔出力和外觀問題，考慮到粘膠玻璃總成的工藝水平，把玻璃和框架之間的間隙增大到3.8 mm,同時對密封條的截面進行了優(yōu)化，如圖4所示。

同樣也對新的密封條進行了有限元分析，密封條能夠在最小裝配間隙下被順利地插入，如圖5所示；最大插入力101 N/100 mm，如圖6所示，裝配非常方便。

圖4 天窗密封條優(yōu)化示意

圖5 優(yōu)化后的密封條在裝配過程中的變形

圖6 新的密封條在裝配過程中的插入力

除了上面完成的密封條在最小裝配間隙下的插入分析，還進行了在最大裝配間隙下的拔出和外觀性分析，新的密封條拔出力和外觀特性都符合生產(chǎn)和設(shè)計的要求。此密封條設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)品中，在大批量生產(chǎn)的過程中再也沒有聽到任何抱

怨了。

4 天窗密封條刮擦分析與優(yōu)化

天窗在打開和關(guān)閉的時候，密封條不斷地刮擦車頂，常常產(chǎn)生各種噪聲。下面將以該公司某款天窗密封條為例，模擬密封條在天窗打開和關(guān)閉過程中的變形情況。

此天窗在打開和起翹實際測試過程中，特別在密封條與車頂干涉量比較大的時候，經(jīng)常聽到“砰”的聲音，這個問題一直困擾著設(shè)計和測試工程師。為了解決此問題，進行了密封條刮擦有限元分析，根據(jù)有限元分析結(jié)果，在t=1.0 s的時候，由于摩擦力的作用，密封條產(chǎn)生滯后運動，天窗繼續(xù)打開；在t=1.4 s的時候，密封條突然釋放如圖7所示，根據(jù)經(jīng)驗判斷，密封條必然會擾動空氣，產(chǎn)生“砰”的聲音。

圖7 原始結(jié)構(gòu)密封條在天窗打開過程中的變形圖

影響密封條與車頂滑動的因素很多，如密封條的結(jié)構(gòu)和表面涂層、車頂翻遍工藝和表面涂層等。根據(jù)此密封條具體結(jié)構(gòu)及裝配要求，把改變發(fā)泡橡膠的形狀作為優(yōu)化方案：增大泡管下面的壁厚，并將泡管向上移動。新的密封條結(jié)構(gòu)如圖8所示。

再次進行有限元分析，根據(jù)CAE結(jié)果，新的密封條在與車頂刮擦的過程中再也沒有出現(xiàn)停滯狀態(tài)，如圖9所示，優(yōu)化效果比較明顯；在實際測試過程中，再也沒有出現(xiàn)“砰”的聲音。

圖8 天窗密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意

圖9 新的密封條在天窗打開過程中的變形圖

5 天窗密封條在拐角處密封性分析與優(yōu)化

為了研究密封條在彎曲時的材料流動情況，可以借鑒板料彎曲網(wǎng)格實驗來說明密封條在彎曲前后截面形狀的變化，如圖10所示。板料在彎曲前后，必有一層纖維材料的長度在彎曲前后保持不變，這一層材料層定義為應(yīng)變中心層(見圖10 中的o-o層)，根據(jù)體積不變原則，當(dāng)板料在彎曲變形的時候，外側(cè)材料受拉伸長(網(wǎng)格長度b-b變長)，材料在厚度方向會減薄，內(nèi)側(cè)材料受到壓縮(網(wǎng)格長度a-a變短)，材料在厚度方向會增厚[5]。由此可見，密封條在彎曲時，外側(cè)材料在厚度方向必定減薄，與車頂?shù)母缮媪恳脖囟〞p少，內(nèi)側(cè)材料在厚度方向必定會增厚，容易引起起皺。

圖10 板料彎曲前后坐標(biāo)網(wǎng)格的變化

為了研究天窗拐角處密封條與車頂?shù)拿芊馇闆r，2009時該公司進行了相關(guān)研究。選取某一個天窗密封條為研究對象，進行了CAE分析，把密封條裝到玻璃總成后，發(fā)現(xiàn)天窗拐角處的密封條與車頂?shù)母缮媪棵黠@減少，如圖11所示，這樣容易引起天窗在車頂拐角處漏雨，CAE分析結(jié)果符合理論推理，驗證了CAE分析的合理性。為了消除天窗拐角處的密封條與車頂干涉量減少的問題，對玻璃總成進行了補償設(shè)計，然后同樣進行了CAE分析，發(fā)現(xiàn)天窗拐角處的密封條與車頂?shù)母缮媪繘]有變小，如圖12所示，說明玻璃總成的補償設(shè)計是合理的。因此在設(shè)計天窗的時候，特別需要注意密封條在拐角處的密封情況，否則就會帶來主密封條漏雨，隔音密封條不隔音和密封條起皺的問題。

圖11 玻璃總成沒有補償設(shè)計時拐角密封條與車頂干涉量

圖12 玻璃總成補償設(shè)計后拐角密封條與車頂干涉量

其實，對于整個天窗的密封情況，還需要通過有限元仿真把整個天窗裝到車頂上后，檢查密封條與車頂之間的接觸壓強，判定天窗的密封性。

6 天窗密封條CAE其他研究

天窗密封條CAE其他研究包括：汽車天窗密封條動力學(xué)建模和隔音仿真分析；汽車天窗密封條截面拓撲和形狀優(yōu)化仿真分析；汽車天窗密封條起皺仿真分析。

7 結(jié)論

全面、系統(tǒng)地闡述了天窗密封條設(shè)計的三大性能要求：裝配性、刮擦性和密封性，并列舉了用有限元方法解決這三大性能問題的實際案例。

從上面的一些案例分析可知：在密封條前期開發(fā)階段，必須借助專業(yè)的有限元軟件對密封條的性能進行分析，避免產(chǎn)品的一些缺陷，從而能夠減少試驗次數(shù)，并降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和縮短其開發(fā)周期。

[1]MOONEY M.A Theory of Large Elastic Deformation [J]. Journal of Applied Physics,1940(11):582.

[2]RIVLIN R S,SAUNDERS D W.Large Elastic Deformations of Isotropic Materials:Part 7:Experiments on the Deformations of rubber[J].Philosophical Transactions of Royal Society,1951,243:251-288.

[3]OGDEN R W.Large Deformation Isotropic Elasticity:On the Correlation of Theory and Experiment for Incompressible Rubberlike Solid[C]//Proceedings of the Royal Society,1972:565-584．

[4]李歡，李惠林，張斌，等．基于Msc.Marc的汽車車門密封條起皺分析及優(yōu)化[J]．橡膠工業(yè),2015,62(3):169-171.

[5]鄧仕珍,范淼海.汽車車身制造工藝學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2004.

Vehicle Sunroof Seal Analysis and Optimization

JIANG Zhenyu，CHEN Zhongyu

(Research Center,Webasto Roof China Co., Ltd., Shanghai 201108, China)

Three property requirements for seal design of vehicle sunroof were disclosed, including assembly, scratch and sealing. When the seal was designed, not only its own structural features should be considered, but also the product manufacturability and assembly were needed to consider more. With the help of finite element software, some successful cases were chosen to explain three property requirements of seal design, and good results were obtained.

Vehicle sunroof; Seal; Structural optimization; CAE

2017-03-16

蔣振宇(1977—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為結(jié)構(gòu)耐久、安全和NVH分析與優(yōu)化等。E-mail：Michael.Jiang@webasto.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.008

U467.2

A

1674-1986(2017)07-030-04