汽車實車TPE導槽接角開裂問題分析

鄒宇峰，李鋸明，張玉森

（1.合創(chuàng)汽車科技有限公司，廣東 廣州 511400；2.申雅密封件（廣州）有限公司，廣東 廣州 511400）

汽車車門導槽是汽車密封系統(tǒng)中非常重要的密封件，對汽車的降噪、防水、密封等方面起著重要作用。隨著汽車行業(yè)發(fā)展以及需求多樣化，汽車車門導槽朝著輕量化和復雜化方面不斷發(fā)展。輕量化方面，更多的車型選擇利用新的輕便熱塑性彈性體（Thermo Plastic Elastomer, TPE）材料。作為一種新材料，其在耐磨性和耐熱性等方面優(yōu)異性能受到了廠家追捧；復雜化方面，由于人們對車輛外觀的多樣性需求，車門結(jié)構(gòu)越來越多樣，相應導槽結(jié)構(gòu)也越來越復雜。隨之而來的就是導槽開裂、異響、漏水、裝配等各種不良問題，針對這些問題，相關(guān)學者展開研究。HERPE F等[1]研究了車門玻璃在升降過程中的偏差對密封膠條變形影響；王明波等[2]通過仿真，推導出來了玻璃與導槽在Y向配合偏差過程中玻璃受導槽密封條的擠壓力以及摩擦阻力；賈東[3]闡述汽車玻璃導槽的結(jié)構(gòu)和裝配原理，分析導槽在裝配過程中的關(guān)鍵尺寸，解決導槽密封條裝配不良問題；孫康等[4]研究車門玻璃與導槽裝配偏差對玻璃升降的影響，并通過仿真驗證了玻璃的升降阻力隨著前后導軌偏移量增大呈現(xiàn)非線性增大。本文以實車三叉結(jié)構(gòu)材質(zhì)的TPE導槽開裂問題為切入點，研究導槽接角強度、導槽唇邊、鈑金切邊等相關(guān)因素對導槽開裂問題的影響，分析導槽開裂的受力失效模式，為后續(xù)導槽開裂問題解決提供新的方向。

1 玻璃導槽密封條與車門的結(jié)構(gòu)分析

汽車實車整個導槽呈現(xiàn)一個三叉交匯的結(jié)構(gòu)（P1、P2、P4），如圖1所示。導槽的擠出條（P1、P2、P3、P4內(nèi)含鋼帶）材料牌號為TOSE628-70（S.EB.S），接角的材料為TOSL230-65（S.EB.S），整個導槽的生產(chǎn)基本的工藝流程為原材料（TPE粒子）—擠出條—接角—檢查返修。具體的接角過程是將其中P1、P2、P4三根條子通過沖切成標準的形狀和長度后，同時插進模具的模腔中進行注塑接角。

圖1 導槽圖

實車發(fā)生的主要問題是在露天狀態(tài)放置一段時間（約6～9個月）以后，呈現(xiàn)A、B處開裂的情況，A處是由下往上裂開，B處是由上往下裂開，開裂圖如圖2所示，左右兩側(cè)導槽均有開裂現(xiàn)象，且明顯左側(cè)較右側(cè)嚴重，具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

圖2 導槽接角A處&B處開裂圖

表1 導槽開裂數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從整個開裂現(xiàn)象來分析，可能包含以下三個方面的原因：一是本身導槽接角強度不夠；二是導槽在自然天氣中受風吹日曬過程中熱脹冷縮開裂；三是車門玻璃異常上升到頂部持續(xù)施加給導槽的力開裂。針對以上三個方面的原因，我們對問題進行了深入的實驗研究。針對導槽接角強度不夠的問題，在實驗室構(gòu)建了針對接角強度的拉力實驗；針對導槽本身的熱脹冷縮的力，在實驗室條件下構(gòu)建了冷熱循環(huán)實驗；針對玻璃給導槽的力，我們在實車上進行導槽切割和受力分析實驗。

2 實驗構(gòu)建

2.1 導槽暴曬實驗

1.實驗設備

拉力試驗機的設備型號為TG-9000-S，生產(chǎn)商家為深圳新三思計量技術(shù)有限公司。

2.實驗內(nèi)容

取新生產(chǎn)批次膠條20根，進行接角檢查，確保試驗前接角是未開裂，依次在接角處進行1～20編號，放置于室外，暴曬4個月（2019年8月8日-2019年12月8日），地點為廣州，溫度約4～36 ℃，每隔一個月取出其中的5根，查看接角開裂情況并進行拉力試驗，如圖3所示。

圖3 導槽暴曬試驗現(xiàn)場

3.實驗方法

將整個導槽接角周圍的P次條，遠離接角處100～150 mm剪斷，將兩端固定在拉力機上，開啟拉力機以15 mm/min的速度拉伸，設備會自動進行拉力讀數(shù)。

按照實驗要求，分別暴曬1個月、2個月、3個月、4個月。暴曬前和暴曬后的接角對比發(fā)現(xiàn)，所有的導槽接角在正常暴曬后，未見任何開裂現(xiàn)象存在，所有的接角接頭連接良好。

2.2 接角強度拉力試驗

針對以上接角完好的導槽，根據(jù)拉力實驗要求，將接角剪切成實驗樣本，以接角為中心，沿著P次條的方向沿著遠離接角的地方150～200 mm進行剪切成樣本，然后進行拉力實驗。通過重復實驗，得出最終的20條導槽接角強度如圖4所示。

圖4 導槽暴曬后拉力試驗數(shù)據(jù)

通過暴曬實驗和拉力實驗，得出以下三條結(jié)論：

1）20根導槽在經(jīng)歷1～4個月的暴曬以后，接角處完好，均沒有發(fā)生導槽接角開裂的現(xiàn)象。

2）暴曬1～4個月的導槽，在拉力實驗中，拉力普遍為370 N左右，遠遠高于標準要求30 N。

3）暴曬4個月的導槽和暴曬1個月的導槽，在拉力實驗中，拉力值并沒有明顯地變大或者變小的趨勢。

2.3 導槽接角冷熱循環(huán)實驗的構(gòu)建

1.實驗設備

C340高低溫實驗箱，溫度為-70～+180 ℃，生產(chǎn)廠家為偉思富奇環(huán)境試驗儀器（太倉）有限公司。

2.實驗內(nèi)容和結(jié)果

將同批次已經(jīng)接角的導槽，接角的4根個條子剪斷成長度為200 mm左右，并進行編號。將導槽開裂處的接角進行冷熱循環(huán)試驗，取3個正常批次的接角，將接角放在高低溫環(huán)境試驗箱中，①（80±2）℃/16 h②（-30±2）℃/8 h，以上組成1個循環(huán)，3個循環(huán)和6個循環(huán)后觀察接角均未開裂。

通過以上實驗，得出如下結(jié)果：

1）所有的導槽接角在冷熱循環(huán)實驗完成后，外觀面均未見明顯開裂現(xiàn)象；

2）3個冷熱循環(huán)后和6個冷熱循環(huán)后，導槽未見明顯的外觀面區(qū)別，接角外觀良好；

3）結(jié)合冷熱循環(huán)實驗可以確定，實車導槽開裂的現(xiàn)象并非由導槽接角本身的熱脹冷縮造成。

2.4 導槽受力分析

將實車導槽在靠近接角開裂的部位進行切斷，如圖5所示，正常升降，以方便觀察玻璃在升降過程中在導槽中的位置狀態(tài)，如圖6、圖7所示。通過觀察發(fā)現(xiàn)，玻璃在上升到頂部以后，玻璃明顯偏出鈑金Y向切邊，玻璃產(chǎn)生的向上力不是傳遞到鈑金上，而是直接作用在導槽上。對10臺車的車門上升至頂部以后，玻璃相對鈑金切邊的數(shù)據(jù)進行確認，開裂車輛玻璃均相對鈑金切邊偏出3.0 mm左右，其中玻璃的厚度為3.0 mm，如圖5所示。

圖5 導槽實車實驗圖

圖6 玻璃&導槽A-A剖面圖

圖7 玻璃&導槽B-B剖面圖

1.實驗結(jié)果分析

通過以上實驗現(xiàn)象分析得出，整個玻璃在正常升到頂部以后，由于玻璃偏出鈑金之外，玻璃的力（電機堵轉(zhuǎn)傳遞給玻璃的力）沒有正常傳遞至鈑金上，而是異常傳遞至導槽，導槽接角處沒有鋼帶，因此，在玻璃到頂以后接角處持續(xù)受到玻璃的力的作用（約200 N），導槽接角在力的持續(xù)作用下導致開裂。

玻璃偏出鈑金之外，調(diào)查主要有兩個方面，一是車門上面的鈑金切邊偏短，沒有達到相應的設計長度；二是玻璃Y向受力造成了玻璃相對設計位置偏出鈑金外面。通過三坐標測量鈑金的切邊長度，與設計長度進行對比，如圖8—圖10所示。

圖8 切邊長度測點示意圖

圖9 車門總成左側(cè)切邊長度測量數(shù)據(jù)

圖10 車門總成右側(cè)切邊長度測量數(shù)據(jù)

通過以上數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論：

1）切邊長度均在公差范圍內(nèi)，但是左側(cè)短于右側(cè)，左側(cè)對問題更不利，與左側(cè)導槽發(fā)生開裂的概率大于右側(cè)的現(xiàn)象一致；

2）對玻璃的受力情況進行調(diào)查，依據(jù)玻璃在上圖中的A-A截面和B-B截面圖進行受力分析，如圖11、圖12所示。

圖11 玻璃&導槽受力環(huán)境B-B截面圖

圖12 玻璃&導槽受力環(huán)境A-A截面圖

正常玻璃在升到頂時，玻璃會保持平衡，其受到的合力為零，如果將導槽內(nèi)部唇邊對玻璃的力稱為F內(nèi)合，導槽外部唇邊對玻璃的力稱為F外合，即

同理，P1條的外部唇邊對玻璃的力稱為FP1外，類推可得

玻璃整體位置偏外，需要的調(diào)整方向是減少F內(nèi)合，使得玻璃往內(nèi)唇邊的方向移動，在新的位置F內(nèi)合和F外合達到平衡。利用投影儀，觀察P1、P3、P4條導槽的內(nèi)唇邊，對比P1、P3、P4的內(nèi)唇邊與設計圖紙的關(guān)系，尋找差異點，如圖13—圖15所示。

圖13 P1條③號內(nèi)唇邊偏厚圖

圖15 P4 條內(nèi)唇邊偏厚圖

圖14 P3條①條內(nèi)唇邊偏厚圖

P1條③號唇邊偏厚1.0 mm，特別是唇邊弱化點的位置，增大P1條內(nèi)唇邊的作用力，為玻璃偏外的一個貢獻力因素。

P3條①號唇邊偏厚0.5 mm，特別是唇邊弱化點的位置，增大P3條內(nèi)唇邊的作用力，為玻璃偏外的一個貢獻力因素。

P4條①和②號唇邊偏厚0.5 mm，特別是唇邊弱化點的位置，增大P4條內(nèi)唇邊的作用力，為玻璃偏外的一個貢獻力因素。

綜合以上對比，發(fā)現(xiàn)P1、P3、P4條的內(nèi)唇邊相應的弱化點均有不同程度的偏厚，明顯增大內(nèi)唇邊對玻璃的力，因此，減少內(nèi)唇邊對玻璃的力是將玻璃的Y向位置收回到鈑金下方的關(guān)鍵。對內(nèi)唇邊相應偏厚點弱化點前后進行對比，具體如圖16、圖17所示。

圖16 P1&P3條內(nèi)唇邊改善效果圖

圖17 P4 條內(nèi)唇邊改善效果圖

通過導槽實車裝車，驗證玻璃在導槽中的受力以及位置情況，可以發(fā)現(xiàn)，玻璃完全在鈑金切邊之下，如圖18和表2所示。

圖18 改善后導槽靜態(tài)驗證鈑金切邊與玻璃的相對位置圖

表2 玻璃偏出鈑金切邊數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)

選擇兩輛車進行耐久測試，在4個月的時間內(nèi)行駛40000～100000 km，導槽開裂問題均未再發(fā)，如圖19所示。

圖19 耐久實驗后導槽未開裂圖片

通過以上實驗證明，導槽的外部受力是其開裂的根本原因，通過優(yōu)化導槽的受力，消除玻璃對其在Y向上力的作用，能夠很好地消除導槽開裂。

3 結(jié)論

1）通過玻璃導槽的暴曬實驗、接角強度拉力實驗、高低溫冷熱循環(huán)實驗，導槽未開裂，說明導槽自身接角強度以及自然環(huán)境的熱脹冷縮不是導致導槽開裂的主要原因。

2）車身鈑金整體長度在公差范圍內(nèi)，但是整體偏短的切邊導槽開裂率顯著高于偏長邊。

3）玻璃偏出鈑金切邊之外，導槽P1條受到 玻璃持續(xù)力的作用，是導槽開裂的根本原因。

4）導槽P1、P3、P4條內(nèi)側(cè)唇邊對玻璃作用力偏大，是導致玻璃偏外的根本原因。