载货汽车门密封系统的结构优化设计.docx

1、载货汽车门密封系统的结构优化设计载货汽车门密封系统的结构优化设计摘要随着我国经济的快速发展，汽车产业作为国民经济的一个重要的支柱产业在近年内得到了快速的发展。随着技术水平和制造工艺的上升，消费者对汽车的舒适性能提出了更为严格的要求。而汽车的密封性能是评价汽车舒适性的一项重要指标，其中门密封系统是汽车车身密封中十分重要的一环，它密封性能的好坏将对乘客舱的舒适性产生很大的影响。在门密封系统中门密封条对密封性能影响最大。车门密封条在隔绝车内外空间，防止车外空间的尘土、雨水侵入车厢，同时也在汽车高速行驶时阻断车内外空气流动有很大作用，提高汽车的乘坐舒适性。门密封条大多由EPDM橡胶材料制成，同时为了保

2、证密封的性能，密封条通常具有复杂的截面形状。由于密封条材料和结构的复杂性，使得新密封条的开发流程十分的繁琐，需要进行重复多次的实验才能定型生产。但是近年来计算机技术、非线性材料力学、有限元法和计算机图学得发展，使得在生产前就可以对其进行计算机仿真分析，对于发现其设计缺陷和优化其密封性能十分有利，提高了设计的品质与效率，同时也有利于降低开发成本.国外先进的密封条生产企业很早就开始了这方面的研究了，我国的密封条CAE技术起步较晚，只有少数的企业进行这方面的研究。为了提升我国密封条企业的竞争能力。本文主要涉及新密封条产品的开发，主要对象为载货汽车的门密封条，在设计中将使用ABAQUS软件对密封条结构

3、进行分析，改善密封条的压缩负荷和压缩变形。关键词：门密封条，设计，仿真分析，有限元，结构优化AbstractWith the development of economy of our country,the automobile industry in China is rapidy developing in recent years.With the development of engineering level and manufacturing technology ,the customers have stricter demand in comfort.And the sea

4、ling performances an important evaluating index of the comfort of automobile,especially the doors sealing is very important.The doors sealing can determine the comfort of customer compartment.But the automotive door weather strip are the most important.The automotive door weather strip in isolated t

5、he cars inside and outside,preventing the dust and rainwater from getting in inside of the customer compartment,besides it also can prevent air flowing during the in a high speed,all above can improve the comfort of the customer compartment.The automotive door weather strip usually is made by EPDM,a

6、nd to keep the sealing performances,the strip usually has a complex cross section.Because of the material and cross section of the strip,making the exploitation progress very complex,it needs to test again and again until it satisfy the performances.But computer technique,unlinear mechanics of mater

7、ials,finite element technique and the CAD technique fast development,it makes we can simulate the strip before the manufacture,these have many benefit on exploitation,such as we can find the design flaw and optimize the structure of the strip,improve the product quality and deaign efficiency,and red

8、uce development costs.Advanced strip manufacturing enterprises of the developed country conducted this flied long time ago,the applying of CAE technique in China is not long.There are several enterprises use this technique.To improve the competitiveness of the strip manufacture industry in China.Thi

9、s paper introduce the exploitation of the truck door weather strip,in progress I use the ABAQUS program to analyse the strips structure,optimizing the compression load and the deformation of compression.Key words:door weather strip,design,simulate,finite element,Structure optimize1.绪论1.1课题背景随着我国经济的快

10、速发展，我国的汽车产业也得到了巨大的发展，但是在发展的同时，我国的汽车产业也面临巨大的挑战，随着我国改革开放的程度加深，越来越多的外国汽车企业进入我国。但汽车产业作为我国国民经济的一项支柱产业，必须要有自己的核心技术，才能在市场中有竞争力。随着汽车制造工艺的上升，和国民购买力的上升，消费者对汽车提出了更为严格的要求，特别是汽车的舒适性，现今一辆车舒适性的好坏，将对其销量产生很大的影响。密封性作为舒适性的一项重要评价指标，得到了各个汽车企业的重视。汽车车门的密封性能的好坏，将影响乘客对乘客车厢舒适度的体验。车门密封条作为汽车密封的核心部分，对车门关门力、汽车高速静音性能等消费者对汽车质量的感知有

11、很大的影响作用，可以说门密封系统的好坏决定了，车厢的密封性能。由于门密封条安装部位的特殊性，这就对密封条的材料选择产生了很大限定，当今的门密封条主要才要EPDM橡胶材料。同时为了保证密封性能，密封条通常有复杂的截面形状，还有门密封条的密封部分大都由海绵橡胶（即经过发泡处理的EPDM橡胶）。由于密封条材料和结构的特殊性，使得密封条的开发也变得十分的繁复，一个新的密封条要定型生产，必须要开发出样品的模具，得到实际产品，从而用样品进行多次的实验测试，验证其是否满足车门的密封要求（通常有主机厂提出这个要求），如不能满足设计要求就要更改设计，重新开发新的模具并制造样品，重新进行验证，现在看这需要耗费很大

12、的精力，同时抬高了密封条的生产成本。随着计算机仿真技术的发展，工程师们开始在计算机上模拟各种各样实验测试。这些使得工程师们在密封条生产前，就可以对密封条进行各项分析。这让设计者在样品生产前就可以的到其设计的密封条的部分缺陷，像压缩负荷不满足主机厂要求，在密封条转角处出现褶皱等，这让我们可以减去很多后期验证这些性能的实验，这就使得我们不需要在后期对密封条进行大量的测试试验了，减小了实验工作量。这个非常有效的提高了密封条的设计效率，与设计品质，最重要的是使得密封条的开发成本得到了很好的控制。这些技术已在国外先进的密封条制造企业得到了大范围的应用。但在中国国内具有这些技术能力的企业只有少数的几家而已

13、，这将对我国的密封条生产企业产生非常不利的影响，为了提高我国汽车密封条行业的竞争水平，这里我将使用先进的有限元分析软件ABAQUS对密封条的结构进行分析，并提出优化的方案。本文目的为提出一般的密封条设计方案。相信我国的密封条行业今后一定能国外企业比肩。1.2课题研究目的和意义汽车车门密封条在车身中起密封介质、隔离空间和装饰等作用。密封条的生产材料、结构和制造工艺直接影响其功能性、可靠性和装饰性，进而影响到汽车的舒适性和安全性。因此，汽车的密封性非常重要，现在已经成了评价一辆车的重要指标之一。为了保证密封条设计更为的有效率，更加的节约成本，传统的密封条设计已经不能满足现代汽车制造行业的需要了。随

14、着计算机科学、非线性材料力学、有限元法的发展，使得在密封条在生产前就对其进行分析成为可能，从而能有效的提高设计效率，同时降低密封条的开发成本。本文将采用有限元分析的方法对载货汽车门密封条进行结构的优化。建立其几何模型和材料模型，并给出仿真所需的边界条件。通过有限元软件分析其的压缩及弯曲变形，根据分析所得结果，提出门密封条的优化方案。提高设计的质量及降低开发成本。1.3课题研究内容研究目标：运用有限元软件，的密封条的压缩及弯曲进行仿真分析，得到压缩条件下，密封条的变形形状，接触面的压力；和弯曲条件下密封条的变形形状，并根据这些结果，提出密封条的优化方案，对设计进行优化。研究内容：(1)运用非线性

15、有限元法，对密封条进行合理的简化，建立分析边界条件，划分网格；(2)运用Ogden模型分别建立密实橡胶的材料模型和海绵橡胶的材料模型；(3)对设计的密封条进行结构优化；(4)分析优化后密封条的评价条件。2.密封条的介绍2.1密封条的发展在最初汽车出现的几十年里，车身密封技术基本没有发展。据相关文献称，最早的密封条有硬毡制成，它应用于1904年制成的Cadillac汽车的侧窗玻璃密封。直到上个世纪20年代末才出现运用橡胶材料来制造密封条的技术。大约在1925年用于汽车车身的海绵橡胶密封条才开始出现，但是人们直到40年度末还在使用一般的密实橡胶，这些密封条具有简单几何形状，由于其材料为天然橡胶，所

16、以采用挤出成形的技术，并在蒸汽硫化罐中硫化，尺寸较小的零件是在模具中压制成形的，活动的玻璃导槽的密封条采用在表面粘上一层织物的方法制造，这这工艺至今仍在部分密封条上使用。从1950年开始，随着人们对汽车车身气候适应性和驾驶情趣的要求的不断提高，车门密封条才开始使用海绵橡胶来制造。60年代末，玻璃导槽密封条开始使用植绒的工艺来制造，此种技术在美国首先投入使用，稍后推广到欧洲，60年代得到大范围使用。大约与此同时，出现了由PVC包覆金属骨架，在粘贴上海绵橡胶的门框密封条。70年代，密实橡胶与海绵橡胶复合挤出的工艺替代了海绵橡胶粘贴的工艺，同时发动机盖和行李舱盖的密封条也大多采用此技术。随着近年里我

17、国汽车工业的发展，对密封条的需求也越来越大，作为汽车相关的密封条制造业，多次引进国外技术，和国外企业进行合资等方式，经过20多年的发展，我国的密封条制造业已经具备了一定的基础与规模，能基本上满足国内汽车对密封的需求。2.2密封产业现状经过多年的发展，我国目前在汽车密封条结构设计技术方面,国内密封条企业已有长足的进步。汽车密封条的结构设计技术经过十多年来图加工、测绘设计和来样仿制的初级设计阶段后,近年来数家先进企业己经成功推广应用了饭金件的计算机数据带自主独立设计密封条三维数字模型,做到了与新型汽车的同步设计,同步开发,现己不需要密封条来图来样,真正研制出我国自行开发设计的汽车密封条。并在国内新

18、车型开发和老车型改造中取得了多次成功。同时通过汽车密封条计算机三维设计、工艺装备(尤其是接角模具)的三维设计和模具等电加工机床计算机间进行局域联网,大大缩短了汽车密封条的研制开发周期,也显著提高了密封条研制开发的技术水平。在国外先进的汽车密封条企业中,汽车密封条设计技术已经达到从汽车车身饭金件设计一密封条设计一模具设计一密封条模拟生产一装车效果一密封条及模具设计修改一密封条生产,整个循环过程全采用计算机数字模拟研制开发方法,该方法更先进,可降低成本和缩短研制周期。所以我国密封条设计和开发技术与国际水平相比还有差距。据悉国内有些企业正准备开始尝试开发此计算机技术。2.3密封条的材料密封条由于安装

19、位置遍布车身各个部分，因此对材料有一定的耐候、耐老化性能，较好的机械强度、伸长率和压缩变形及耐寒性。根据主体部分的使用范围，温度适应性要求很高，从零下40oC到零上80oC都要求有良好的性能。胶带长时间暴露在空气中而不产生裂纹，所以对材料提出了耐臭氧老化的要求。密封条装饰件要求在大气臭氧浓度下至少稳定3年以上，一般对臭氧氧化不稳定的橡胶材料不考虑。密封条产品的原材料，有EPDM、PVC、热塑性弹性体如TPV等。EPDM材料具有良好的加工性，可以与钢带、钢丝编织带、绒布、植绒、PU涂层、有机硅涂层等复合，保证车辆与外界的防水、防尘、隔音、隔热、减振和装饰作用，一般情况下EPDM密封条使用寿命可达

20、十几年，但成本较高，且报废零件无法循环使用。PVC密封条具有材料成本低、加工方便等优势，但其缺陷是耐候性差，易出现龟裂和变硬的问题。随着欧洲法规对于汽车零部件回收要求的不断提高，热塑性弹性体TPV逐渐成为设计密封条所选用的原材料，但是由于工艺、设备、成本等诸多问题，热塑性弹性体密封条目前在国内的应用还较为有限。由于目前我国的技术水平限制，国内大多数的门密封条采用EPDM橡胶，而且在国内EPDM橡胶材料的供应商数量非常有限，所以大部分密封条原材料大都是从国外进口的，这一现状很大制约了我国密封条制造业的发展。所以在发达国家淘汰EPDM橡胶之际，国内的密封条原材料企业，也应该跟紧国际先进技术，做到在

21、新技术上面不落后。为了保证密封条的各项性能，通常会在原料中添加各种添加剂，像抗氧化剂、防老剂、特种配合剂、软化剂等，但添加剂的量应该进行控制，以不影响胶料的性能为准。2.4密封条的分类这里我按照密封条在车身上的不同位置作为分类标准（此外还有按密封条材料、工艺等进行分类的）。有发动机舱密封条、风挡密封条、侧门密封条、行李舱密封条、天窗密封条。在所有这些密封条中，侧门密封条对车身密封性能的影响最大，是车身密封性的一重要评价指标侧门密封条又有门框密封条、门洞密封条、玻璃导槽、内外水切。门洞密封条结构比较复杂，有EPDM密实橡胶、EPDM海绵橡胶和钢骨架三部分组成。内外水切也由EPDM密实橡胶、钢骨架

22、组成但是为了减少玻璃运动的阻力，一般在与玻璃接触的部分植绒。2.5密封条的安装（1）嵌入固定法：利用密封条本身的凹凸部分过盈插入门或窗的相应部位来达到固定的目的。此方法操作简单,但易脱落，一般只宜用于载货汽车上。（2）机械固定法：此方法虽然牢固可靠，但工序复杂，成本高，多用于载重汽车和大型客车上。采用嵌入固定法或机械固定法视使用的场合与要求而定，如果设计恰当，嵌入固定法更能表现它的优点，占用位置小，而且紧凑经济。（3）粘合固定法：采用胶粘剂或填入腻子直接将橡胶密封条与金属粘合，工艺简单，效率高且牢固，一般采用的胶粘剂和腻子是JX一19胶粘剂，它具有较好的初始粘力，在常温下不需要加压可进行粘合，

23、或推荐用SL一4多用途结构胶粘剂，其耐热老化、耐湿老化、耐温度交变、耐振动性好，可作非片面粘合固定用，也可以用JN一8风窗密封胶，它以一种解聚丁基橡胶为主体，并配入低分子量的聚异丁烯及填充物，用于汽车挡风玻璃和胶条的密封，能防风、防水、防寒，也可以用JN一(S一2)密封胶,即以液态聚硫橡胶为主体，适用于门窗的顶面和立面粘合固定操作用。2.6密封条的尺寸公差要求大部分的橡胶密封条是以压出硫化，所以属橡胶压出制品的范畴，除要求严格控制胶料、工艺及性能外，对作复合制品时还需具有精密尺寸的支撑体骨架材料如弹簧钢片骨架等。骨架钢片厚度一般为0.3rnm以，在超高频硫化当中，骨架的形状尺寸牵涉到高频渗透金

24、属表面层的深度，在感应升温时避免微波反射，遮断传送回路，并且其所示状态在高频硫化的特定条件下，为避免发火花造成着火。一般在金属件的表面不应有水分、油等，以防产品产生气泡和腐蚀现象。另外，金属骨架材料在使用中要考虑其所处空间的部位，以防高频硫化中电场电路中断。除海绵外各种形式橡胶密封条根据使用要求，尺寸公差执行GB3672一83橡胶空心模压和压制制品尺寸公差，其中装配尺寸公差按E2，非装配尺寸公差按E3执行，长度尺寸公差按表中L3执行。海绵压出制品截面和长度尺寸公差按ISO3302一6执行。作为压出制品的橡胶密封条，其生产中的制品尺寸公差要求比模压橡胶密封制品要大，胶料在强制通过口型后发生膨胀并

25、在随后的硫化过程中发生收缩和变形，一般软的硫化胶(即硬度50IRHD)比硬度大的硫化胶需要更大的公差，在橡胶密封条横截面的尺寸中一般要限定二个公差即可，关键部位尺寸要严，其它部分可酌情宽一些，公差一般是选取对称分布。2.7密封条的断面设计橡胶密封条的断面结构一般包括密封和安装两个主体部分，有时也在产品剖面加有备注装饰面的要求，如植绒、涂膜等，密封部分根据密封空间位置及其大小，起密封部分的受压方向和最适宜的压缩量来进行设计或选型；安装部分则取决于固定部位尺寸的大小和固定的方式，固定方式为嵌入固定、机械(铆钉)固定和粘合固定等。密封胶条断面形状设计有很大的选择性，形状设计中如靠唇形起密封作用时，唇

26、的腰部尺寸应沿着根部逐渐加厚以保证密封唇有足够的弹性和接触压力，减少压缩时的变形。对于空腔形的设计，其壁不能过厚也不宜过薄，厚的弹性虽好但关闭时费力，太薄则密封部位缺乏挺性而易变形。橡胶密封条主要是利用本体结构中唇空腔凸缘等部位的弹性与组装的装饰件(玻璃或金属件)等接触物体的表面产生接触压力而起到密封和装饰作用，一般在-5080oC范围内使用。2.9门密封条简介汽车车身密封性设计是针对车身室内居住性环境改善,提高车身防腐蚀性要求而进行的。主要包括：防止雨(水)、尘土、污染气体侵入室内的密封性设计；防止振动、噪声、热量侵入室内的密封性设计;防止腐蚀介质侵蚀车身板件密封性设计。按照以上密封性要求及

27、密封结构特点，一般将密封性设计分为静态密封和动态密封两类。对车身上的门、窗、孔盖等活动部位之间的配合间隙进行密封，称为动态密封。动态密封是靠密封条的压缩变形来填充构件间的缝隙，使车身室内与外界隔绝，仅能防止风、雨和尘土侵人室内,提高隔音和隔热性能，以保持车内环境，同时还能缓和车门关闭时的冲击力和车身在行驶中的振动。就普通汽车而言，所使用的门密封系统,主要是使用海绵橡胶+密实橡胶+金属骨架复合结构的门框密封条，其接头处于门槛部位。而轿车一般配有多级门密封系统：其内层密封系统采用海绵橡胶密封管同外表面包敷绒布的棱边保护条粘接结构的密封条：中层密封系统是采用带双面不干胶带的海绵橡胶密封条，中层密封系

28、统对降低噪音起到了重要的作用；外层密封系统采用带有完整的玻璃导槽结构的密封条，用于密闭车身顶盖与门框之间的间隙。这种密封条的主要特点是其密封部位在装卡部位的侧部,装卡方向与密封受力方向相垂直,在使用过程中密封条存在从车身板上脱落的可能。决定车门密封条的密封性、安装牢固性及车门关闭力大小的因素主要是材料硬度、材料密度、断面几何形状及金属骨架类型和强度等。2.10小结本章介绍了密封条的发展，及密封条产业和运用的现状，初步介绍了门密封条。3.门密封条的设计车门密封根据其密封部位可分为车门与门框之间的密封，以及门窗玻璃的密封。本文主要的研究对象为车门与门框之间的密封。车门与门框之间在结构设计中应具有一

29、定的间隙，通过在其间安装橡胶密封条来实现车室内部与外界的隔离。防止风、雨水、灰尘和噪声等侵入车内，并对车门的关闭起到缓冲作用，防止车辆在行驶中车门发生振动。图3-1车门与门框之间密封条的装配方式如图3-1为车门与门框之间的密封结构及密封条的装配方式。一般根据轿车车身的密封性能要求，采用单层密封或双层密封。密封条根据设计的需要，可以安装在车门上，亦可以安装在门框上,或者两方面并用。车门密封条根据其装配固定方式一般有粘着式、嵌入式、卡夹式和镶嵌式，粘着式是采用粘接剂将密封条固定在密封部位，粘着面应平整，多用于车门和窗框上。嵌入式是将密封条机械地嵌入构件的断面内，这种安装方式要求构件断面有安装固定槽

30、座，因而多用于冷拉型材或滚压成形的车门窗框上。卡夹式是将金属或塑料的卡夹植入密封条中，再将卡夹插入车门侧板的孔口中，从而实现密封条固定。对于平整光滑的密封面来说这种安装方法简便。镶嵌式密封条由U形夹持件和密封条两部分组成。通过夹持件的夹持力使密封条固定在车门门框的止口上或车身其他部位的凸缘上，能掩盖凸缘的毛边。若在夹持件的外表面压制出花纹或包覆其他装饰材料，对车身内饰边缘具有装饰作用。由于这种密封条安装可靠、方便、密封连续性好，在车身密封设计中被广泛使用。镶嵌式密封条一般用于车门和舱盖等部位的密封。对车门来说,要求密封条沿门框四周能与车门内侧均衡柔软地接触。在设计中，首先应考虑车门在关闭状态下

31、，密封条是如何接触受力和被压缩的，应保持压缩接触面和接触方向的一致性，这一点与车门的形状和铰链的位置有关。此外，还应考虑车辆行驶中车门的振动情况，以免密封条在使用中变扭曲而影响密封性能，或被撕脱。车门密封条的断面形状一般分中空形和唇形两种，如图3-2所示。中空密封条是通过空腔的变形来调节面接触强度的,其密封性及缓冲防振性均好,多作为结构的主要密封部分。唇形密封条一般为线接触,接触强度主要取决于根部的厚度。密封条断面形状的设计应考虑接触强度、密封条的安装部位,以及车门的结构形式和密封要求,而且,为保证良好的密封效果,根据密封间隙合理选择中空形密封条的压缩量或唇形密封条的弯曲贴紧程度是非常重要的。

32、图3-2 密封条的装配固定方式图3-3 门密封条的断面形式3.1密封条道数的确定现代汽车对密封的性能要求越来越高，在所有提升车门密封性能的方法中，增加密封条的道数能明显的提高密封性能，但是增加密封条的道数会增加整车的成本，将使汽车售价升高，所以多道密封条主要应用在高档轿车上。而在经济型车而言，一道密封条已经能满足密封的要求。作为生产工具的载货汽车，为了提升其性价比，通常我们都安装一道密封条。不过一道密封条的工作负荷比较大，所以我们可以在密封比较薄弱的部位安装有阻隔作用的周边密封条。根据我们对载货汽车的市场定位，所以在载货汽车的门密封上，我们采用一道半密封条：一道门洞密封条，半道周边密封条。根据对标车型我们选择周边密封条安装在侧围钣金上，即所有密封条都安装在车身上。3.2密封条界面更形式的确定门洞密封条，周边密封条是本文设计的主要内容。门洞密封条顾名思义就是安装在门洞上的密封条。门洞密封条不仅要保证密封性，还要承受关门时的冲击力，因此它要有弹性，也要有韧性主要由密实橡胶基体和海绵橡胶泡管两部分组成。密实橡胶内有金属骨架，起到加强胶条定型和固定作用。海绵橡胶泡管柔软并且富有弹性，骑着受压变形，卸压反弹的功能。此外