两厢车整车尾门框密封性能分析

张家龙　莫建东　覃景裕

摘 要：文章主要分析两厢车整车尾门框胶条与钣金切边匹配的密封漏水问题，从密封失效模式入手，对关联零件的产品结构、制造配合以及应力分析上进行分析总结，提出优化设计方向及制造质量控制关键项。关键词：胶条;丁基胶;密封;尾门框中图分类号：U466  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-108-04

Abstract： The article mainly analyzes the hatchback vehicle tail frame strip and sheet metal blanking matching seal leakage problem. Starting from the sealing failure mode， analyzing the product structure， manufacturing coordination and stress of the associated parts， and then put forward the optimizing design direction and key items for manufacturing quality control.Keywords： Strip; Butyl rubber; Seal; The tail frameCLC NO.： U466  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-108-04

引言

随着中国汽车工业的不断发展，2018年年产汽车达到2796.8万辆，产量的提高意味着对于产品一致性控制要求越来越高，作为整车主要密封件的胶条起到密封、隔音的作用，其一旦出现问题就容易造成整车功能性失效，引起用户不满甚至抱怨。本文主要从SUV、MPV类两厢车的尾门框胶条入手，论述尾门框密封性能的实现与改进。

1 尾门框密封失效模式

尾门框钣金切边与与尾门内板间的间隙由尾门框胶条实现密封。主要的两种密封失效模式如下图1、2所示（箭头为水流方向）。

图1中可以看出尾门外板压缩胶条泡管实现密封，当密封失效水流流入车内时主要受尾门框切边到尾门外板的距离A以及尾门框切边角度影响，故障区域可见，胶条可反复拆装验证，问题相对简单。图2所示故障为水流从尾门框钣金切边与胶条配合处进入，故障区域不可见，且拆胶条时会破坏胶条内灌胶与钣金的密封状态，问题难以分析。本文主要就图2所示故障重点分析密封失效原因及改进方向。

2 密封失效原因分析

密封主要由胶条实现，对胶条产品性能、结构以及应力分析必不可少。

胶条断面如下图3所示，胶条材料为EPDM，骨架为密实胶，密封部分为海绵胶，胶条卡槽底部灌丁基胶[1]。

对于水流从尾门框钣金切边与胶条配合处进入的故障，设计上有三道密封阻止水流进入（如图3），理论上三道密封已经非常完善，但是故障仍然时有发生，这是为什么呢？我们从三道密封的实现去分析。

2.1 发泡胶密封

第一和第二道密封唇为海绵胶，其主要靠与钣金面过盈配合密封，当胶条安装到位时两道密封唇应能压紧钣金面，压紧面积及压紧力与两道密封唇角度有关，当第一道密封唇角度偏小时，胶条容易在装配时发生卷边问题，不美观且不利于密封;角度偏大时过盈量不足，同样不利于密封。

第一第二道密封唇都与钣金良好配合时，密封效果基本满足要求，但这两道密封仍存在缺陷。

观察尾门框周圈钣金搭接面可知，D柱与顶盖存在两条搭接缝，涂装涂胶难以彻底将搭接缝填补平整，且刮胶过烘烤后胶层收缩形成凹槽，故依靠过盈量密封的第一第二道密封唇易在该处失效，水流进入丁基胶与第二道密封唇之间，因为钣金切边在该处Z向高于拐角且丁基胶与钣金切边密封良好使得水流仍未能进入车内。受重力原因进入腔体内的渗水沿着第二道密封唇与丁基胶间的腔体往下积聚，由此可知尾门框下部积水量多，渗水风险远高于其他区域。

分析尾门框胶条结构可知，胶条排水孔位于尾门锁扣附近位置，而尾门框下端数模上是是中间高两侧低（或几乎持平），两侧下拐角水压最大且存在部分水量无法从排水孔排出，后续应尽量避免尾门框下部中间高两侧低的设计。

小结：为了优化尾门框胶条与钣金配合情况，减少第二道密封唇与丁基胶间的积水，新车型设计时改进了胶条断面。将靠近第二道密封唇的倒刺卡边也做成发泡胶，使得前两道密封唇失效时仍能有第三道密封唇密封，达到优化密封的效果。

2.2 丁基胶密封

丁基胶是一种不干性液态密封胶，其在技术要求的温度范围内始终以粘稠状态存在，同时存在变形和流动性。利用流体力学对其密封受力分析[2]，当贴合面间隙越小、面积越大、丁基胶粘度较高时密封性越好。但粘度过高时流动性变差，胶条装配阻力变大，易溃缩，不利于产線装配，及装配质量一致性控制。故从公式推导中得出的终态状态存在局限性，需在流动性及密封间取得较好的平衡粘度状态。

当胶条装入时，底部的丁基胶被压向钣金贴合缝和两侧，实现密封层三道：外板竖边侧壁与丁基胶、丁基胶与内外板搭接缝、内板竖边侧壁与丁基胶密封。

理论设计胶条灌胶高度H1=3±1mm，钣金切边高度公差也是h=±1mm，灌胶过盈量：H2= H1+h

当灌胶高度走下限H1min=2mm，同时钣金切边也走下限h min =-1mm时，则最小灌胶过盈量：H2min=H1+h=1mm。

实际胶条装配后存在退缩现象，过盈量进一步减小，且由于丁基胶本身的流动性，胶体部分被挤到胶条两侧R角处以及压进内外板贴合缝中，故当灌胶高度不足时，三层密封情况均发生恶化，粘在胶条上的丁基胶和粘在钣金上的丁基胶出现分离趋势，甚至形成分离，水流从分离形成的裂缝中进入钣金缝或进入内板侧。

小结：丁基胶灌胶高度是实现密封的重要环节，断胶或灌胶高度不足极易导致车辆尾门框进水，引起用户抱怨。从产品设计上灌胶高度3±1mm无法有效满足制造质量要求，新车型设计时改进了该灌胶高度，最低灌胶高度>2.5mm，以此保证胶条装配后丁基胶与钣金形成良好的密封。

2.3 胶条应力分析

由于胶条内部有钢带骨架以及密实胶支撑，当装配到拐角区域时胶条外侧受拉力内侧受挤压应力，简化胶条Z向断面的微分平面（如图10），胶条受力矩M发生形变（虚线）。取胶条Y向断面分析，简化受力模型如图11：

F1：外板对胶条第一道密封唇的推力;

F2：外板对第二道密封唇的支撑力;

F3：外板给胶条倒刺的摩擦力;

F4：内板给胶条倒刺的摩擦力。

将F1、F2、F3、F4平移到同一轴线，对应力矩为M1、M2、M3、M4。

假定直线段时F4为正，则有 F3+F4=F1+F2 ，  M3=M1+ M2+M4;

当进入R角区域时，由前文可知F3随压紧力减小而减小：

若F4增大，其余力值不变，则有M3减小，M4增大，M3

若F4减小，其余力值不变，则有F3+F4

再假定直线段时F4为负，则有F3=F4+F1+F2 ，  M3+M4=M2+M1

当进入R角区域时，F3减小，M3减小，

若F4增大，其余力值不变，F3

若F4减小，其余力值不变，则有M3+M4

综上：圆弧段胶条受力会导致胶条本身产生退缩。

小结：除上述分析以外，丁基胶在装配完成瞬间存在一定的弹性也会使得胶条退缩，为了满足F3、F4变化量尽量小，故采用钣金在导槽内偏置设计，使得外侧倒刺的干涉量更多，在微量形变的情况下摩擦力变化小，实验发现退缩量一般在0.3mm以内，整个受力系统重新回到平衡。为了保证受力稳定，闭口件的滚壓工艺可以加大F3方向的压紧力相当于加大静摩擦力，值得学习沿用，尾门框型面设计上，建议尽量避免R角弧度急剧变化的设计，让圆角平顺过渡减少退缩量。

2.4 钣金切边缝分析

钣金切边搭接由于部分区域有加强板，切边存在2层和3层的过渡，过渡区域钣金缝隙设计值公差范围达到1mm离空，不利于丁基胶密封。同时内外板匹配容易发生错边，打磨切边平齐也会导致切边高度发生局部突变，丁基胶密封状态变差。当离空量较大时，钣金缝出现“吃胶”现象，部分丁基胶进入钣金缝但是未形成连续有效的密封，水流渗入钣金缝隙中流入车内。

小结：设计上无法避免存在2层板和3层板的过渡区域，所以只能从其他方面减少水流进入到钣金缝，优化丁基胶和胶条密封情况，同时在制造环节加强对钣金缝隙的过程控制，做合设计范围。

2.5 制造过程改进

尾门框胶条密封失效位置常见于尾门框左右下角，通过前文分析得出突破第一第二道密封唇的水无法突破第三道密封时将存于丁基胶与第二道密封唇之间（优化前），受自身重力作用向下流，导致下端积水增多水压增大。

故制造过程需在车身总拼完成后增加检查工位，对内外板离空间隙超差部位敲合，对内板错边较大进行打磨，加强管控保证切边高度。涂装利用刮胶后剩余残胶抹入钣金缝可填补部分钣金缝间隙，减小进水风险。

3 总结

通过对胶条、钣金以及制造环节进行综合分析，从机理上发现了原有产品结构的一些不足，对应这些不足及机理识别出了整车尾门框密封失效的原因，结合DFMA和PFMA

推动设计和制造过程进行质量改进，基本将水流从尾门框钣金切边与胶条配合处进入这一故障消除，偶发案例只需进行前三钻检查即可。随着高分子材料的不断进步和发展，相信不久的将来会有其他胶体取代丁基胶，实现装配前流动性好，装配后粘度大，进一步优化密封质量。

参考文献

[1] 莫记燕.某车型后门框胶条和后侧窗玻璃质量改进[J].企业科技与发展，2011（09）：21-24.

[2] 马静怡.车用丁基密封胶的研制[J].中国胶粘剂，2006年，15卷第二期.