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1、设计研究 收稿日期: 2009- 07- 13 轿车导槽密封条的计算机仿真与结构改进研究 黄燕敏? 郭永进? (上海交通大学机械与动力工程学院 ) 周致宏? (上海汽车集团股份有限公司技术中心 ) ?摘要 ?导槽密封条是车门玻璃升降系统中的核心零件之一, 作为车门玻璃升降的引导件, 它兼有导 向、 密封、 防水、 防尘、 降噪等诸多功能。文章借助 MARC有限元分析软件, 对导槽密封条进行压缩变形模拟分 析, 根据分析结果和变形过程动画, 判断设计是否合理及如何进行结构改进, 最后通过计算机仿真和零件性能实 验验证结构改进的有效性。 ?主题词 ? 密封条 ? 汽车? 计算机仿真 ? 导槽密封条
2、是车门玻璃升降系统中的核心零 件之一, 它安装在车门玻璃周边的车门卡槽内, 依 靠唇边的变形来协助车门玻璃在车门卡槽内平稳 运动。作为车门玻璃升降的引导件, 它兼有导向、 密封、 防水、 防尘、 降低噪声等诸多功能。因此, 其 设计原则是适当密封、 滑阻。既不能由于密封不 足而造成玻璃晃动、 漏水、 漏灰等, 也不能由于密 封过度而造成玻璃升降困难甚至阻滞。此外, 为 了确保车门玻璃内外表面摩擦力均匀, 防止其由 于摩擦力不均而产生跑偏, 在设计时必须尽量平 衡内外侧唇边对车门玻璃的支撑力。 导槽密封条根据所使用材料的不同可以划分 为硬质骨架型、 硬质胶 + 软质胶复合型及纯软质 胶型等, 如
3、图 1所示。本文采用 MARC软件, 对某 车型的纯软质胶型导槽密封条进行压缩变形模拟 分析, 根据分析结果和变形过程动画, 判断设计是 否合理及如何进行结构改进。最后通过计算机仿 真和零件性能实验验证结构改进的有效性。 1? 导槽密封条的压缩变形模拟分析 导槽密封条的压缩变形模拟分析, 主要是针对 起支撑作用的密实胶唇边进行接触变形分析, 因此 首先需要明确密实胶的材料模型。在密封条变形 图 1? 不同材料的导槽密封条 过程中, 其结构内部会产生大应变, 零件自身的变形 和接触边界的摩擦作用还会使部分边界条件随着 加载过程的进行而不断变化。这就需要对密封条 进行合适的单元划分及建立合理的边界
4、条件。 1. 1? 密实胶材料模型 橡胶材料是一种特殊的弹性体, 在大变形的 情况下它的弹性是非线性的, 称之为超弹性, 通常 用应变能势函数来描述其材料力学行为。 1972年 Ogden采用主伸长比 ?i作自变量, 提 出了橡胶材料应变能势函数: W = ? N n= 1 n !n ( ? !n 1+ ? !n 2+ ? !n 3- 3)( 1) 其中: N 为材料常数; !n、 n为与温度相关的 材料常数; ?1、 ?2、 ?3为主伸长比。Ogden模型在 单轴拉伸、 纯剪切和等比双轴拉伸的实验中得到 了验证, 是目前准确性较高的不可压缩弹性体的 材料模型。本文的密实胶采用 Ogden模型
5、。 !12! 上海汽车?2009?09? ? 设计研究 1. 2? 单元的选择 密封条变形过程的模拟分析可以分为两种情 况: 在变形模式比较复杂时, 例如密封条的弯曲变 形需要采用三维模型来分析; 而在变形模式较简 单时, 例如密封条的压缩变形、 插入变形、 拔出变 形等均可采用二维模型来进行分析。 对于压缩变形等简单变形, 如果密封条的长 度足够长, 可以认为变形方式是平面应变, 可以简 化为二维仿真。在二维仿真中常用的单元有三角 形单元和四边形单元, 三角形单元对分析区域的 边界逼近得较好, 但是它的变形性能不好, 所以一 般常采 用四边形单元。单元 尺寸选取 0 . 3 0 . 7mm,
6、 这是为了可以在密封条厚度方向和表面 接触区域进行足够的网格细分。 1. 3? 边界条件 边界条件是指密封条在变形过程中受到的力 和位移的作用。一种是预先可知的, 如固定的位 移、 不变的外力等; 另外一种是预先未知的, 即密 封条变形过程中受到外界刚体的接触和摩擦作用 而产生的作用力。根据接触体的性质, 可以采用 库仑摩擦、 剪切摩擦或粘着 滑动摩擦模型。对 于密封条的变形, 一般可选用粘着 滑动摩擦模 型。导槽密封条的分析模型如图 2所示, 其压缩 变形模拟分析基于假设: ( 1)窗框导轨与车门玻璃 的变形可以忽略, 用刚性接触体描述; ( 2)模拟分 析对两侧唇边分别单独进行, 忽略另一
7、侧唇边可 能产生的轻微影响; ( 3)选择导槽底部的安装点在 X 和 Y方向施加固定约束条件。 图 2? 导槽密封条的分析模型 1. 4? 结果分析 根据导槽密封条的等效柯西应力分布, 归纳 出零件在设计位置的压缩负荷计算结果及平衡系 数如表 1所示。 表 1? 导槽密封条压缩负荷 断面 大唇边 (C1) (N /100 mm) 小唇边 (C2) ( N /100mm) 平衡系数 C (% ) A? A5 . 311. 9745 . 8 B?B3 . 995. 9619 . 8 C?C3 . 011. 358 . 0 D?D3 . 243. 412 . 6 其中平衡系数 C= |C1- C2|
8、 C1+ C2 # 100 % , C1和 C2 分别为大小唇边的压缩负荷。一般导槽密封条的 压缩负荷设计值为 4 2N /100 mm, 这样既不会由 于唇边支撑力太小造成车窗玻璃晃动过大, 也不 会由于唇边支撑力太大造成车窗玻璃升降困难。 此外, 导槽密封条大唇边与小唇边的压缩负荷应 尽量保持平衡 (平衡系数 C % 10 % ), 从而确保车 门玻璃的内外表面受到较为均衡的支撑力, 不会 产生跑偏。 从表 1的计算结果来看, C断面存在压缩负荷 偏高的问题。而从压缩负荷平衡角度来看, 除 D 断面的状态较为理想, 其余 3个断面都存在或多 或少的问题。为了改善导槽密封条的设计效果, 将结
9、合各个断面的等效柯西应力分布图和变形过 程动画来进行结构改进。 2? 导槽密封条的结构改进 2. 1? 改进方案 影响导槽密封条唇边压缩负荷的因素有很多, 包括材料硬度、 唇边厚度、 应力拐点、 变形槽位置、 变 形槽深度等。本文所讨论的导槽密封条材料硬度 为 70 5S HA, 是导槽密封条常规选用的材料硬度, 考虑到唇边部位与固定部位的材料为同一硬度, 故 不考虑通过改变材料硬度来调整密封条唇边的压 缩负荷, 否则会产生零件脱落及安装起皱等问题, 仅 通过调整唇边厚度、 应力拐点、 变形槽位置、 变形槽 !13! ? 上海汽车?2009?09 设计研究 深度来调整导槽密封条压缩负荷。 A断
10、面大小唇边压缩负荷不平衡是由于大唇 边压缩负荷过大, 而小唇边压缩负荷过小所造成。 经过分析发现大唇边在挤压过程中, 根部的应力 集中较为明显, 而小唇边则由于与车门玻璃的干 涉量过小而造成支撑力不足。针对这两个主要原 因, 建议采取的结构改进方案如图 3所示, 在 A断 面的 1位置增加一个深度为 0 . 2mm的变形槽, 以 吸收变形时所产生的应力集中, 在 2位置将大唇 边绕着根部逆时针旋转 3 二是唇边应力拐点之上的应 力过大。针对这两个主要原因, 建议采取的结构 改进方案为在唇边与支撑腿的结合处进行弱化处 理, 并对应力拐点的位置作调整。如图 3所示, 在 C断面的 1位置处将变形槽
11、的深度增加 0 . 2mm, 以减少此处的应力集中, 在 2位置处将小唇边绕 着根部逆时针旋转 7 压缩负荷过大又会导致玻璃运动困难, 甚至产 生运动阻滞或摩擦异响。测试方法为从需要进行 测试的零件上任取长度为 100mm的测试样品, 安 装到与钣金导轨一致的测试工装内, 预压一次后 以 80mm /m in 的速度挤压唇边, 从而得到密封条的 压缩负荷。通常的设计要求为压缩负荷在 4 2 N 的范围内, 不同结构形式的产品略有不同。 玻璃滑动阻力测试主要是评价车门玻璃在导 槽密封条内的运动情况。测试方法为从需要进行 测试的零件上任意取长度为 100mm的测试样品, 安装到与钣金导轨一致的测试
12、工装内, 然后使用 拉力计拉住平板玻璃 (尺寸按测试标准规定 )以 200 10 mm /m in 的速度匀速向上运动, 从而得到 玻璃的滑动阻力。通常的设计要求为玻璃滑动阻 力在 4 2N的范围内。由于零件的制造公差和摇 窗机系统的装配公差, 车门玻璃有可能不在设计 位置运动, 即玻璃与导槽密封条某侧唇边的干涉 量要稍大于设计值, 这时就需要进行施加一定侧 向载荷下的玻璃滑动阻力测试来评价导槽密封条 在这种情况下的性能: 测试方法与玻璃滑动阻力 测试基本相同, 只是在玻璃面的法向施加 10 N的 力。通常的设计要求为施加一定侧向载荷下的玻 璃滑动阻力不大于 6 N。考虑到在某些极限情况 下玻
13、璃对导槽密封条唇边的压力会非常大, 所以 有时将施加的载荷提高到 30 N。但是这样的极限 情况出现的概率并不高, 故仅作为参考数值。 对改进后的导槽密封条分别进行了以上 3项 零件性能实验, 具体结果见表 3 。 表 3? 改进后的导槽密封条零件性能 断面 压缩负荷 ( N /100 mm ) 玻璃滑动 阻力 ( N) 加载玻璃滑 动阻力 ( N) A?A4 . 813 . 824. 22 B?B4 . 223 . 654. 01 C?C4 . 603 . 674. 97 D?D3 . 742 . 882. 90 从零件性能实验结果来看, 改进后的导槽密 封条的零件性能较为理想。压缩负荷的实
14、际测量 值与 CAE模拟分析的结果也较为吻合。 3? 结语 传统的密封条设计往往完全依靠工程师的实 践经验和样品装车来判断产品设计是否有效合理, 这样的设计方法无法在样品制造前就对密封条的 一些零件性能进行判断, 增加了产品设计的风险。 随着 CAE技术的日臻完善, 其在密封条设计中的应 用也越来越广泛。借助专用的有限元分析程序软 件, 能够对密封条进行数字化的产品性能分析和产 品结构改进, 可以有效地减少产品设计更改的次数, 从而降低设计成本、 缩短设计周期。 本文运用 MARC软件对导槽密封条的压缩变 形模拟及结构改进进行了初步研究, 改进后的零 件性能较好地满足设计要求, 验证了应用计算
15、机 仿真辅助进行结构改进的有效性, 为今后类似产 品的设计提供了有益的指导。 参考文献 1? 赵建才, 万德安, 何珊. 轿车车门密封条压缩变形的计算机 仿真 J. 计算机仿真, 2002. 19( 3). 2? 杨敏. 瑞风商务车 HFC6500车窗玻璃导槽密封条产品设 计 J. 特种橡胶制品, 2004. 25( 2). 3? 戴元坎, 关建民. CAE技术在汽车密封条结构优化中的应 用 J. 橡胶工业, 2003. 50( 6). Abstract Glass run sea,l as a core part of the window lifter syste m,performs t
16、he function of guiding door glasses. Additionally,it also has to achieve appropriate seal? ing, water resistance , dust resistance and noise reduc? tion perfor mances .In this paper ,compression defor m? ation si mulation of a design scheme of glass run seal is carried out with the co mmercial finite element analysis codeMARC. Based on the analysis results and the de? for mation ani mation ,judgment on whether the design is rational or not ismade and reasonable structure i
