汽車車門密封系統設計研究

張杰，高丹，于涵，于波

（華晨汽車工程研究院閉合件工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

隨著汽車的日益普及，人們對汽車性能的要求也越來越高。汽車密封系統是確保汽車密封性能的重要組成部分，車門密封系統作為汽車密封系統的核心部分對于整車的密封性，駕乘的舒適性起到重要作用。本文討論的車門密封系統主要包含安裝在車門和車身側圍止口上，用于密封車門和車身之間縫隙的車門密封條和門框密封條。本文介紹了車門密封系統的設計要求以及車門密封條的材料選擇和密封系統結構設計的考慮因素。本文進一步對密封系統結構斷面進行仿真分析并對斷面進行優化。

1 車門密封系統設計要求

根據車門密封系統的布置位置和使用工況，車門密封系統主要用于密封車門與車身側圍之間的間隙。具有密封、防塵、隔音、減振及裝飾等功能。同時密封系統需要滿足車門能夠正常開關并為車門提供必要的保持力。

車門密封系統的設計首先需要滿足法規要求。其中包含禁用物質要求，整車及部件級有機物散發（VOC）要求，氣味要求及阻燃要求等。

車門密封系統的設計同時需要滿足其功能要求。能夠良好的實現整車防雨，防風，防塵，降噪等各項性能目標，同時滿足NVH要求。

2 材料

對于車門密封系統材料，總體要求耐候性高、耐磨性好、耐熱老化性好、吸水率低、低溫時可撓性好及不受車輛油漆的侵蝕等；另外為了提高耐磨性，降低與車身的摩擦聲及提高在寒冷地帶密封條的防凍性能，一般在密封條表面噴有聚氨酯涂層。

車門密封系統常用材料主要是EPDM（三元乙丙橡膠），EPDM由乙烯、丙烯單體加入少量非共軛二烯烴聚合而成。具有優良的耐候性、耐熱性、耐臭氧性、耐紫外線性以及良好的加工性能和低壓縮永久變形的特點。EPDM是生產車門密封條的首選材料。

3 結構設計

3.1 車門密封系統布置

車門密封系統布置幾道密封與汽車的市場定位密切相關，一般豪華車對車門噪音，防水防塵性的要求較高，常采用多道密封；對于經濟型轎車，可減少密封層數。車門密封系統采用不同密封層數，其優缺點對比如表1所示。

表1 密封層數優缺點對比

目前，市場上主流汽車的車門密封多采用2.5道密封。密封條主要包含車門密封條，門框密封條，B柱密封條等。

3.2 車門密封系統安裝方式和結構特點

3.2.1 車門密封條

車門密封條安裝在車門上，俗稱“頭道密封條”。車門密封條的安裝方式如下圖1所示，主要有三種：

圖1 車門密封條安裝方式

1）“C”型槽嵌入型：是指將密封條手動嵌入車門內板的安裝特征內，這種密封條的固定強度不佳，采用此種結構需要分析和檢測防脫性能，并需要在密封條的接角區域增加輔助定位。

2）扣釘卡接型：是指密封條底部安裝塑料扣釘，安裝時塑料扣釘卡入車門內板的扣釘孔內，從而使密封條固定在車門上。這種密封條一般應用于密封要求不是很高的部位或雙重密封中的輔助密封。

3）膠帶粘貼型：密封條底部粘貼雙面膠帶，通過膠帶和車門鈑金連接固定，這種密封條的密封性能較好，但是往往需要使用費用高昂又無通用性的專用工裝進行安裝，且售后維修較為困難。

車門密封條通過關門時泡管（或含唇邊）被壓迫變形，密封條和車身鈑金之間貼合并存在回彈力使車門周圈被密封。

3.2.2 門框密封條

門框密封條安裝在車身側圍止口上，密封形式大體有三種：雙泡管密封，單泡管密封，無泡管密封。其中單泡管密封最常見，安裝方式如圖2所示。

圖2 門框條安裝方式

門框密封條由硬質的夾持部分鑲嵌在車身側圍止口上，這種密封條能掩蓋鈑金翻遍的切邊和焊點。車門關閉時，車門內板壓迫門框密封條的泡管變形，泡管彈性變形后的回復能力良好，門框密封條泡管變形后對車門起到密封作用。

3.2.3 B柱密封條

B柱密封條是指遮擋前后門之間縫隙的密封條。B柱密封條一般有兩種位置形式：一種是安裝在后側門上，另一種是安裝在側圍B柱位置。安裝在后側門上的B柱密封條可集成在導槽密封條或車門密封條上。

3.3 車門密封系統斷面設計

車門密封系統結構形式與車門結構緊密相關。 車門結構類型一般包含半框式（也稱整體內板式），分體框式，整體式等。半框式車門結構的車門上框一般由導槽密封條充當外表面，導槽結構相對復雜；分體框式車門結構和整體式車門結構對應的密封結構相對簡單。

3.3.1 車門密封條壓縮變形特性設計

車門在關閉過程中，密封條受到壓縮產生變形時對擠壓面的反力作用等于其壓縮負荷。車門密封條變形量與壓縮負荷的關系稱之為壓縮變形特性，它與密封結構的可靠性和車門關閉力關系密切，是車門密封條最基本特性，是密封系統設計的重點研究內容。

根據參考文獻[1]提供的測試結果：車門關閉時，氣流所引起的氣壓阻力和密封條的反力是影響轎車關閉力的主要因素，兩者消耗的能量基本是車門的關閉能量，其中密封條的作用比重可達30%～50%；而車門的重力、限位器、鉸鏈、門鎖的作用可以相互抵消。車身設計時，可以參考市場同類型的產品，預設車門密封條壓縮變形特性曲線的規格區間，再通過計算分析和綜合驗證，最終確定壓縮變形特性規格。

3.3.2 車門密封系統邊界環境的確定

設計密封系統結構斷面時，需要確定密封條與周邊環境的關系。設計過程中既要考慮反作用力，又要考慮密封性能。下面以某車型的車門上框位置密封結構斷面為例，介紹確定車門密封系統邊界環境需要考慮的因素。車門密封結構斷面如圖3所示。

在確定車門密封系統結構時，需要考慮邊界環境因素如表2所示。根據車門密封系統周邊環境影響因素及參照市場同類產品。可以輸出初版 的車門密封系統斷面。進一步利用CAE分析優化密封系統斷面。

圖3 車門密封系統結構斷面

表2 車門密封系統斷面考慮因素

4 CAE分析及結構優化

4.1 CAE分析

由于汽車密封條的材料復雜，結構特殊，接觸載荷、邊界的非線性等因素，應用CAE技術可以提高預測能力，降低開發調試成本。根據車門密封條斷面結構，運動方向等完成基本模塊的搭建，通過CAE分析軟件，模擬分析密封條受力變形行為。根據參考文獻[2]提供的實驗數據與仿真結果對比，仿真結果與實際使用的密封條測試結果對比，其誤差在10%以內，可信度極高。

4.1.1 車門密封條CAE分析

某車型的車門密封系統的車門密封條進行CAE分析，密封條受力變形行為及壓縮負荷曲線（CLD）的仿真結果如圖4所示。

圖4 車門密封條CAE分析結果

表3 車門密封條不同位置處壓縮負荷值對比

工程實際中，以車門關閉過程中密封條三個重要的壓縮測試位置（理論位置N、N-2和N+2處）所對應的壓縮負荷值作為判斷CLD曲線設計合理與否的標準。本例中車門密封條三個重要壓縮位置處對應的 CAE分析值與設計指標值對比如表3所示。車門密封條的壓縮負荷值達到設計要求。

4.1.2 門框密封條CAE分析

某車型的車門密封系統的門框密封條進行CAE分析，密封條受力變形行為及壓縮負荷曲線（CLD）的仿真結果如圖5所示。

圖5 門框密封條CAE分析結果

本例中門框密封條三個重要壓縮位置處對應的 CAE分析值與設計指標值對比見表4所示。門框密封條的壓縮荷重值比設計指標值小。產品斷面需要進行優化。

表4 門框密封條不同位置處壓縮負荷值對比

4.2 結構優化

優化設計在保證材料一致的情況下，需對門框條泡管的結構進行改動。選取密封斷面結構的海綿泡管厚度T和高度H兩個變量為優化參數，截面優化變量歸納如表5所示。

表5 門框密封條截面優化變量歸納

參考文獻[3]，密封條斷面優化選取兩個變量，每個變量3個水平組合出9個斷面結構參數組合。通過CAE分析獲得9組樣本對應的三個重要壓縮位置的壓縮值，從中選擇最優方案。完成結構優化。

5 結論

（1）EPDM是車門密封條首選材料。

（2）車門密封系統，要與車門結構相匹配。設計車門密封系統時要從車門密封條的布置形式，安裝結構選擇方面進行規劃。定義密封系統斷面時，要充分考慮密封條與周邊環境的關系。

（3）車門密封條壓縮變形特性是密封系統設計的重點研究內容，在CAE分析中可通過三個重要的壓縮測試位置的分析值與設計值進行對比及判定。