汽車玻璃密封方案探究

韋思意 余輝 向慧芳

【摘 要】玻璃升降系統(tǒng)問題數(shù)量一直高居車門區(qū)域質(zhì)量問題排行榜，因此開發(fā)一個(gè)優(yōu)異的玻璃密封截面至關(guān)重要。文章從某車型開發(fā)過程中幾種設(shè)計(jì)方案之間的對(duì)比分析入手，展示了玻璃密封設(shè)計(jì)過程中需要考慮的各種因素，為后續(xù)的玻璃密封設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。玻璃密封設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，需要我們進(jìn)一步研究與探索。

【關(guān)鍵詞】玻璃密封；玻璃升降；設(shè)計(jì)；截面

【中圖分類號(hào)】U463 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）02-0115-04

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車逐漸普及，人們對(duì)汽車玻璃密封的要求也逐步提高。在滿足正常的玻璃密封的情況下，人膠對(duì)玻璃的正常升降的順暢度、玻璃密封相互間的配合及外觀等要求也不斷提高。然而，初期的汽車開發(fā)因技術(shù)水平不高及經(jīng)驗(yàn)有限等原因，各方面的考慮不很全面，僅能滿足以前的使用需求。在汽車工業(yè)高速發(fā)展的今天，玻璃密封的各項(xiàng)性能已經(jīng)明顯不能滿足客戶對(duì)玻璃密封的要求。本文以公司某主打車型為例，該車在產(chǎn)品開發(fā)之初就定義了很高的標(biāo)準(zhǔn)，希望能開發(fā)一款滿足市場(chǎng)需求的、深受用戶喜愛的成功車型。筆者針對(duì)玻璃密封設(shè)計(jì)開發(fā)及造車過程中遇到的問題，提出解決方案，為大家展示玻璃密封設(shè)計(jì)的一些細(xì)節(jié)。

1 最初方案及分析結(jié)果

玻璃密封是整車密封的重要組成部分，一般的密封包括防水、防塵、防風(fēng)、防噪，而玻璃的密封還需要考慮到行駛震動(dòng)的吸收、關(guān)門過程的緩沖等問題。因此，玻璃密封的設(shè)計(jì)是否合理，不僅關(guān)系到密封的基本要求，還將直接關(guān)系到整車風(fēng)噪性能（即NVH）、玻璃升降的順暢度、汽車外觀等一些十分關(guān)鍵的指標(biāo)，必須予以充分的重視。NVH是玻璃密封設(shè)計(jì)甚至整車設(shè)計(jì)都必須考慮的一個(gè)問題。風(fēng)噪性能差，行車過程中客戶聽到的噪音比較大，會(huì)影響到客戶的滿意度。玻璃升降的順暢度，則直接關(guān)系到客戶對(duì)整車功能的控制。玻璃升降過程出現(xiàn)卡滯、升降緩慢等問題，將直接導(dǎo)致客戶的投訴。外觀直接影響到客戶對(duì)整車的第一印象?？偠灾?，汽車產(chǎn)品必須滿足客戶的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等各方面的感知要求。

該車型在設(shè)計(jì)之初，基于時(shí)間等因素的考慮，玻璃密封的結(jié)構(gòu)需要借鑒上一代產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，上一代產(chǎn)品的密封截面如圖1所示。密封截面中相互配合的零件包括玻璃、玻璃導(dǎo)槽、玻璃導(dǎo)槽密封條、門鈑金。

工藝上，我們一般通過焊接包邊將玻璃導(dǎo)槽和鈑金連為一體，并將玻璃導(dǎo)槽密封條裝入導(dǎo)槽卡緊，然后再裝配好玻璃。實(shí)現(xiàn)玻璃的密封，主要是靠玻璃導(dǎo)槽密封條實(shí)現(xiàn)，以變形部分在固定和運(yùn)動(dòng)件間實(shí)現(xiàn)密封，但是結(jié)構(gòu)上相互間的配合也會(huì)對(duì)密封條的密封效果影響非常大。下面我們來分析一下此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

采用上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：{1}大量借用成熟零件，可以減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，盡快將產(chǎn)品投放市場(chǎng)。{2}對(duì)車型的共線生產(chǎn)十分有益。{3}結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，零件在使用過程中會(huì)比較穩(wěn)定。

但是，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也存在比較大的風(fēng)險(xiǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：{1}影響外觀，膠條包住鈑金，大量出現(xiàn)在客戶的視線中，影響整車美感。{2}不利減重，且成本較高；唇邊比較厚，厚的唇邊需要更多的原材料，造成重量及成本增加。{3}無法有效阻隔風(fēng)噪，NVH性能較差。{4}夾持力（即膠條唇邊提供給玻璃的保持力）不足，主要受唇邊和玻璃的重合量及膠條的壓縮負(fù)荷決定。{5}膠條倒刺特征較多，會(huì)增大膠條的插入力，不利于裝配。

基于以上需要改進(jìn)的問題，我們對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一次優(yōu)化。

2 第一次改進(jìn)方案

在最大限度地保持原結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，我們對(duì)膠條局部進(jìn)行了優(yōu)化，主要修改了大小唇邊的結(jié)構(gòu)形式及減少了膠條與鈑金配合面的倒刺數(shù)量。

改進(jìn)后的玻璃密封截面如圖2所示。

對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)了以下幾點(diǎn)的改進(jìn)：{1}優(yōu)化唇邊結(jié)構(gòu)，有效地增加對(duì)玻璃的夾持力，不易產(chǎn)生異響等問題。{2}由于膠條倒刺的減少，有效地減少了插入力，有利于裝配。{3}最大限度地保持了原結(jié)構(gòu)的形式，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，我們進(jìn)行了實(shí)際的造車驗(yàn)證，然而在造車后，我們?cè)趯?shí)車上發(fā)現(xiàn)不但沒有解決原先的問題，還出現(xiàn)了新的問題：{1}膠條包住鈑金的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有解決，外觀問題依然存在。{2}玻璃升起的過程比較困難，分析為夾持力偏大引起，屬于新出現(xiàn)的問題。{3}不利于裝配的問題雖然得到緩解，但仍然存在。{4}鈑金的焊接有誤差，會(huì)改變膠條對(duì)玻璃的夾持力，使夾持力水平不一致（不同的車上焊接偏差不一樣，夾持力水平也不一樣），也屬于新出現(xiàn)的問題。{5}截面結(jié)構(gòu)沒有優(yōu)化，無法有效地阻隔風(fēng)噪，NVH性能較差。

以上問題如果得不到解決，就無法實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的開發(fā)目標(biāo)，生產(chǎn)出的產(chǎn)品也不會(huì)讓客戶滿意，這有悖于公司的宗旨。因此，制訂一套新的方案以有效地解決以上問題顯得十分必要。

3 第二次改進(jìn)方案

基于以上考慮，為有效地解決目前存在的問題，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的定位目標(biāo)，在原方案的基礎(chǔ)上，提出了第二次改進(jìn)方案。第二次方案對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，包括鈑金結(jié)構(gòu)等（如圖3所示）。

第二次改進(jìn)方案實(shí)施過程中，每一個(gè)問題我們都找出了原因并制定了對(duì)策，理論上可以比較圓滿地解決第一次結(jié)構(gòu)改進(jìn)后存在的不足。

（1）對(duì)于外觀問題，盡量少地裸露膠條可以有效地提高美觀度。鑒于此，我們?nèi)∠四z條的包鈑金結(jié)構(gòu)，修改成小唇邊和鈑金匹配的結(jié)構(gòu)。這不僅提高了汽車產(chǎn)品的美觀度，還達(dá)到了減重降本的目的；同時(shí)，對(duì)于密封條截面的目標(biāo)，我們對(duì)其截面厚度也進(jìn)行了優(yōu)化，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減重降本的目標(biāo)。

（2）夾持力缺少衡量指標(biāo)，導(dǎo)致產(chǎn)品夾持力不是低于預(yù)期就是高于預(yù)期。對(duì)此，我們?cè)僖淮蝺?yōu)化唇邊結(jié)構(gòu)，同時(shí)定義壓縮負(fù)荷，以衡量并約束產(chǎn)品的夾持力水平。壓縮負(fù)荷是膠條每100 mm的單位長(zhǎng)度變形可以提供的力的大小。同時(shí)也定義了膠條變形量與力的變化的關(guān)系，可以有效地約束產(chǎn)品的夾持力水平。新的截面壓縮負(fù)荷為6 N/100 mm。

（3）不利于裝配的問題經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，膠條推送到底部后倒刺還沒能進(jìn)入卡槽，需要進(jìn)一步施加力量使膠條發(fā)生變形后，底部受壓變形時(shí)倒刺才能卡入到位。對(duì)此，我們?cè)谀z條底部預(yù)留了一部分空間，使膠條推送到底地時(shí)倒刺就可以順利卡住，有效地解決了裝配困難的問題。

（4）內(nèi)板和導(dǎo)槽通過焊接的形式連接，焊接工藝穩(wěn)定性不高，會(huì)存在不同程度的偏差甚至超差，而原設(shè)計(jì)膠條唇邊直接和鈑金接觸，這樣鈑金的偏差會(huì)直接導(dǎo)致膠條產(chǎn)生位置偏移，進(jìn)而導(dǎo)致額外的變形而影響到了夾持力。對(duì)此，我們也在鈑金和膠條間預(yù)留了一部分間隙以有效地提供容差，焊接的偏差在一定范圍內(nèi)不會(huì)影響到膠條的位置。預(yù)留的間隙如圖3中的h所示。

（5）在不增加導(dǎo)槽唇邊數(shù)量的情況下，玻璃端面和膠條的距離是影響風(fēng)噪的關(guān)鍵因素。對(duì)此，我們做了大量的試驗(yàn)以確認(rèn)最合適的間隙預(yù)留，在保證不產(chǎn)生故障的情況下，進(jìn)一步減少玻璃端面和膠條的間隙，從而提高風(fēng)噪性能。預(yù)留的間隙如圖3中的h所示。

在以上所有的優(yōu)、缺點(diǎn)中，我們比較關(guān)注的是膠條提供給玻璃的夾持力，夾持力過小，會(huì)導(dǎo)致關(guān)門時(shí)因?qū)ΣＡУ募s束不足，玻璃因慣性晃動(dòng)較大而產(chǎn)生異響和碰撞損壞產(chǎn)生功能失效等問題；夾持力過大則會(huì)導(dǎo)致升降困難，甚至產(chǎn)生升降卡滯、失效的問題。因此，在項(xiàng)目初期，我們初步計(jì)算出夾持力水平是否可以滿足使用要求顯得十分必要。下面我們就來簡(jiǎn)單地分析一下玻璃的受力情況，以確定是否會(huì)導(dǎo)致有過大的晃動(dòng)及升降時(shí)受力是否過載等問題。

為了便于分析該處的受力情況，我們將玻璃受力進(jìn)行簡(jiǎn)化，假定玻璃關(guān)門時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向只受到密封條的夾持力。小唇邊提供給玻璃的保持力為F 1，大唇邊提供給玻璃的保持力為F 2，當(dāng)關(guān)門時(shí)玻璃的移動(dòng)速度為v。

由物理學(xué)動(dòng)量定理知識(shí)可知：

F×t=△v×M

假設(shè)玻璃質(zhì)量M為3 kg，關(guān)門速度△v為1.2 m/s，玻璃回彈瞬間用時(shí)t約0.03 s，那么對(duì)于關(guān)門時(shí)受到的合力F=△v×M/t，經(jīng)計(jì)算得出合力約120 N。即F 2-F 1=

120 N。

壓縮負(fù)荷是膠條每100 mm長(zhǎng)度可以提供的保持力，設(shè)計(jì)狀態(tài)下即玻璃平衡時(shí)的位置收到的大小唇邊合力為0，當(dāng)玻璃偏移1 mm時(shí)，夾持力的合力變化定義為4 N，那么假設(shè)玻璃的夾持周長(zhǎng)為1 600 mm，則合力F=4 N×1 600 mm/100 mm=64 N；當(dāng)玻璃偏移2 mm時(shí)，夾持力的合力變化定義為7 N，合力同理計(jì)算得出為112 N。因此，需要提供出120 N的力則膠條變形約2 mm。按此水平計(jì)算玻璃的晃動(dòng)量，可以大概校核出其他零件和玻璃間的安全距離是否足夠，以避免使用過程產(chǎn)生晃動(dòng)、異響等問題。

當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)情況要比上述情況復(fù)雜得多，由于空氣壓強(qiáng)、升降器限制等原因，受力情況很難具體分析，簡(jiǎn)化分析我們僅能得到一個(gè)參考數(shù)據(jù)，安全距離還需要增加經(jīng)驗(yàn)值才能滿足實(shí)際的使用情況。

對(duì)于夾持力水平是否合理，是否會(huì)導(dǎo)致升降過載等問題的校核，我們也需要進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。在玻璃上升過程遇到的阻力F主要由玻璃的重力G及密封系統(tǒng)的阻力f組成，而系統(tǒng)阻力f主要由玻璃和密封條的摩擦力f 1、玻璃和水切的摩擦力f 2組成，摩擦系數(shù)一般為0.4，玻璃和密封條及水切的接觸長(zhǎng)度分別為850 mm和800 mm（玻璃與密封條的接觸長(zhǎng)度因玻璃位置的改變而變化，這里以玻璃接近頂部的位置為例），假設(shè)密封條夾持力為F 1，水切夾持力F 2=800 mm×6 N/100 mm，則受力情況如下：

F=G+f 1+f 2=3 kg×10 N/kg+0.4×F 1+0.4×F 2

阻力F一般設(shè)計(jì)為90 N左右比較合理，帶入上述公式則可以計(jì)算出正常的夾持力水平，用于校核現(xiàn)截面的夾持力水平是否合理，以避免后期出現(xiàn)因夾持力過大或者過小而導(dǎo)致的升降問題。在此例中，經(jīng)計(jì)算夾持力F 1為102 N，因此壓縮負(fù)荷=102 N/（850 mm/100）/2=6 N/100 mm。計(jì)算的壓縮負(fù)荷水平和截面壓縮負(fù)荷水平一致，證實(shí)截面比較合理。

理論計(jì)算可行之后，實(shí)際的造車中我們也做了大量的分析和試驗(yàn)，以確保新設(shè)計(jì)的夾持力能夠處在比較合理的范圍。我們將夾持力轉(zhuǎn)換為升降系統(tǒng)阻力來衡量，同時(shí)夾持力的水平也可以通過升降器的工作電流來進(jìn)行衡量，升降阻力及工作電流測(cè)量結(jié)果見表1。

從表1的升降阻力及升降電流值我們不難看出，第二次改進(jìn)的方案表現(xiàn)要優(yōu)于第一次改進(jìn)的方案，但是我們?yōu)榱诉M(jìn)一步了解2種方案的差別，又同時(shí)從外觀、裝配難易程度、噪音等方面進(jìn)行比較，驗(yàn)證結(jié)果見表1，外觀效果對(duì)比如圖4所示。

經(jīng)過以上的綜合對(duì)比，從分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：第二次改進(jìn)方案基本上圓滿地解決了第一次改進(jìn)方案中存在的問題，方案二明顯優(yōu)于方案一。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要結(jié)合了車型開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題作為案例，在優(yōu)化改進(jìn)方案的過程中進(jìn)行歸納，總結(jié)了汽車玻璃密封的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了思路和參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]樂玉漢.橋車車身設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]李衛(wèi)平.橋車車身密封結(jié)構(gòu)及其仿真[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]