|
作者：黄小兰， 罗兴诺， 邱寿发， 邵唤梅， 张坡， 周阳， 田洪生， 衣本钢 单位：比亚迪汽车工业有限公司 汽车车门外水切密封条 ( 以下简称外水切) 安装在车门窗台止口处， 实现车门与车窗玻璃之间的密封以及装饰作用， 如图 １ 所示。 外水切是一种兼有功能要求和外观要求的汽车零部件， 具备防水、 防气、 防尘、 降噪等功能， 同时起到装饰外露车门钣金的作用。 在实际生产中， 外水切的装配可靠性是决定其能否满足使用需求的重要考量标准之一。 外水切的装配可靠性低， 不仅拖慢了生产流程， 造成效率损失， 还体现在可见的外观瑕疵上， 甚至会导致车窗升降功能受损。 因此， 设计时就必须充分考量并确保其高水平装配性能， 以确保最终产品的全面效能。 图 ２ 所示为某车型在小批量生产时， 外水切在装配后出现外水切翻转现象， 使得前后门外水切端部形成面差， 影响整车外观。 本文该车型外水切为例， 使用非线性有限元分析软件 ＡＢＡＱＵＳ 建立了外水切装配工况的仿真模型。 借助该模型再现外水切装配翻转现象， 揭示了该型号外水切装配性差的机制， 提出了新型外水切设计方案， 并通过实车验证了该方案的可行性。 １ 外水切装配工况仿真模型建立 １. １ 外水切装配过程分析 图 ３ 所示为该问题车型的外水切结构。 该车型外水切端部夹持齿与车门窗台止口配合。 外水切的实车安装步骤为: ①将外水切对准车门外板止口； ②外力锤击外水切至理论位置； ③外力撤销后外水切夹持结构夹紧车门窗台止口。 图 ４ 所示为截取该车型部分外水切进行实车装配的实验结果。 该车型的外水切在装配后会产生翻转现象， 装配力卸载后， 内部夹持点与窗台止口间有离缝 ( 如红箭头所示)，可以推测水切翻转问题与水切夹持结构的设计密切相关。 １. ２ 外水切装配工况仿真模型 外水切主要由塑料和橡胶两部分组成， 外水切的夹持齿材质通常为热塑性硫化橡胶 ＴＰＶ。 外水切在装配过程中受力， 橡胶等材料会产生较大变形， 该过程属于典型的非线性形变问题。 ＡＢＡＱＵＳ 是一款用于分析非线性问题的商业有限元分析软件， 非常适合用于本问题的研究。 建立外水切装配的全流程仿真模型难度较大， 因此需要提取主要问题建立简化模型。 在外水切与窗台止口接触过程中， 外水切在长度方向的几何尺寸远大于其截面方向的尺寸， 并且长度方向的形变在装配过程中基本不可见。 因此可认为外水切变形方式是平面应变， 可将该问题简化为平面问题。 本文选用外水切端部位置典型断面进行装配过程分析。 车门的窗台止口的刚度远大于外水切夹持齿， 故将窗台止口视为刚性体， 外水切为可变形体。 对于外水切这种不可压缩的橡胶材料， 选用 Ｍｏｏｎｅｙ-Ｒｉｖｉｌｉｎ 模型来描述橡胶材料的特性， 单 元 类 型 设 置 为 非 协 调 杂 交 单 元， 单 元 尺 寸 取０. ３ｍｍ。 车门窗台止口均设为解析刚体， 不需要对其进行网格划分。 在外水切和车门窗台上制定一个参考点 ( ｒｐ 点)，所有的约束和载荷都施加在参考点上。 定义刚度较大的窗台止口作为主面， 定义外水切夹持齿为从面， 一对接触面的法向方向相反， 接触方向总是主面的法线方向。 接触表面之间一般传递切向力和法向力。 对于切向作用， 库仑摩擦常用来描述接触面之间相互作用的摩擦模型。该模型应用摩擦系数 μ 来表征两个表面之间的摩擦行为。 在表面拽力达到一个临界剪应力之前， 无切向运动， 临界剪应力取决于法向接触压力， 可由计算[３] 得 τｃｒｉｔ ＝μｐ(１) 式中， τｃｒｉｔ是极限摩擦切应力， μ 是摩擦系数， ｐ 是法向接触 压强 (即 ＣＰＲＥＳＳ)。 在切向力达到极限摩擦切应力之前， 摩擦面之间不会发生相对滑动， 直到接触之间的切应力等于极限摩擦切应力τｃｒｉｔ时， 接触面之间才会发生相对滑动。 对于法向作用， 接触面之 间 的 压 力 变 为 ０ 时， 面 之 间 不 再 有 约 束， 因 此 在ＡＢＡＱＵＳ 中选用 “硬接触” 来定义接触压力和间隙。 图 ５ 所示为外水切装配过程仿真模型边界条件示意图。 整个外水切装配过程仿真流程可以描述为: 车门的窗台止口始终处于固定状态， 同时定义三个分析步， 首先将外水切半装配到窗台止口中， 再施加 １００Ｎ 装配压力使外水切达到理论安装位置， 最后将外力撤销， 再现外水切自由变形的回复过程。 分析时， 定义不同的分析步， 车门的窗台止口始终处于固定状态， 首先将外水切运动至数模位置， 然后释放外水切所有自由度， 接着加载装配外力， 最后将外力释放， 求解这时候外水切的装配状态。 ２ 外水切装配翻转机理 图 ６ 所示为该型外水切装配过程 Ｍｉｓｅｓ 应力模拟结果。图 ６ａ 所示为设计装配状态， 此时外水切夹持齿紧贴与车门窗台止口。 在加载 １００Ｎ 装配力后， 外水切向车门内侧翻转， 如图 ６ｂ 所示。 在装配力卸载后， 由于外水切夹持齿是具有弹性的 ＴＰＶ 材料， 水切在其被压缩时储存的弹性势能作用下回弹。 图 ６ｃ 所示的仿真结果显示， 在最终系统稳定后， 该型外水切夹持齿与车门窗台止口处出现间隙。 这一仿真结果与图 ４ 中的实验现象一致， 说明本文所建立的仿真模型具有可靠性。 为进一步验证本文模型的可靠性， 模拟了某无外水切装配翻转问题的外水切安装过程， 结果如图 ７ 所示。 该车型外水切在设计装配状态下的夹持齿紧贴与车门窗台止口， 如图 ７ａ) 所示。 在加载 １００Ｎ 装配力后， 外水切向车门内侧翻转， 如图 ７ｂ) 所示。 装配力卸载后， 该外水切能够复原到装配状态， 夹持齿与车门窗台止口无间隙， 如图 ７ｃ) 所示。综合图 ６ 和图 ７ 结果， 可以证明本文所建立的模型可靠性较高， 可以用于评价水切装配性， 为设计提供参考依据。 图 ６ 所示为结果显示， 外水切在被压缩时， 右侧下端水切夹持齿在压力作用下向下移动， 在回复时该夹持齿始终与车门窗台止口接触， 表明外水切回复过程中还需克服摩擦力。 这一过程的受力分析情况如图 ８ 所示。 在外水切装配时， 左侧两道夹持齿受车门窗台止口反力被压缩储存弹性势能， 同时右侧外水切向下翻转， 如图 ８ａ 所示。 在安装力卸载后， 左侧两道夹持齿释放储存的弹性势能， 外水切向左侧翻转， 同时外水切右侧下端夹持齿受摩擦力， 如图 ８ｂ 所示。因此， 外水切压缩后所储存的弹性势能要大于摩擦力做功才能使外水切装配后回到初始装配状态。 基于该机理， 解决外水切装配翻转问题的可行方案可分为两类: 第一类是降低外水切与车门窗台止口摩擦力， 如提高钣金表面质量、 涂油润滑等方案； 第二类是提高外水切变形储存的弹性势能， 如更换更高弹性模量的材料、 改变夹持齿结构等。 ３ 外水切结构优化方案 ３. １ 外水切结构优化设计 相较于其他解决方案， 设计新型外水切断面是可控性高且成本较低的方案， 因此主要从结构优化入手解决该车型的外水切装配翻转问题。 上述仿真分析结果显示， 图 ６ 问题车型的外水切夹持齿向下移动距离大于图 ７ 的无问题车型。 并且图 ７ 无问题车型外水切受压变形区域的夹持齿厚度远大于图 ６ 问题车型的外水切受压变形区域厚度。 变形区域越厚，在同等变形量时储存的弹性势能更大， 因而使水切回复到初始状态的能力强。 结合图 ８ 的分析结果并参考其外水切断面结构， 对现有外水切的端部结构进行优化， 某车型优化后的外水切结构如图 ９ 所示。 ３. ２ 外水切结构优化后的装配分析 采用同样的仿真方法和约束条件对优化后的外水切结构进行有限元分析， 得到其装配变形情况如图 １０ 所示， 从图１０ 可以看出， 优化后的外水切在装配加载 １００Ｎ 的过程中有轻微翻转， 但在外力撤销后翻转现象可恢复。 计算结果显示外观面的 Ｚ 向面差为 ０. ４５ｍｍ， 相比于改善前的 Ｚ 向面差３. １９ｍｍ 有明显改善， 与无水切外翻问题车型的分析结果相当。 ３. ３ 外水切结构优化后的实车验证 将优化后的外水切结构切小段进行实车装配过程验证，外水切与窗台止口配合较好， 无翻转现象， 如图 １１ 所示。最终将优化后的外水切装配到某车型上， 装配效果较好， 有效改善了前期的外水切装配翻转问题， 外观问题得以解决。 优化后的外水切实车装配效果如图 １２ 所示。 ４ 结论 车门外水切密封条作为兼备外观和功能的零部件， 其装配性能 的 好 坏 直 接 影 响 外 观 效 果 和 升 降 性 能。 本 文 基 于ＡＢＵＱＵＳ 软件建立了外水切装配工况仿真模型， 基于该模型揭示了外水切翻转机理为外水切受压所储存的弹性势能不足以克服摩擦力做功。 提高弹性势能和降低摩擦力是解决外水切翻转的底层方案。 基于此分析得出了新型外水切设计方案， 该方案经实车验证， 已用于批量生产。 除了主机厂对密封条的技术报告，在3月27-29日·上海闵行星河湾酒店，2025（第七届）全球汽车开闭件-密封-玻璃天幕系统创新技术峰会暨展览会上，海达股份 研发总监将就无b柱对开门密封系统开放做详细分享，库博标准、建新赵氏、鹏翎股份、星源集团将对密封条的创新、常规密封条差异化如何体现、密封条配方和工艺创新等多维度演讲分享，
|
