梁繼竹，曹 蓉，錢勵克，王 偉

（1.青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042；2.江陰海達橡塑股份有限公司，江蘇 江陰 214424）

隨著生活水平的不斷提高，人們駕車和乘車時不僅關注行車安全，還特別注重駕駛和乘坐的舒適性，汽車天窗就是隨著舒適性要求而出現(xiàn)的[1]。但引進天窗的同時，也帶來了新的問題，如開啟關閉異響[2]、密封不良等。密封條作為天窗系統(tǒng)的主要密封件，作用就是避免天窗開閉及汽車運行中產(chǎn)生噪聲，其性能對噪聲和密封性有著直接影響。然而人們都把研究重點放在密封條截面以及表面材料上，忽略了排氣孔的影響[3]。

本工作通過有限元分析和正交試驗設計對密封條排氣孔的設計進行優(yōu)化，從而降低噪聲。

1 研究對象

本研究的汽車天窗密封條截面如圖1所示。該密封條由三元乙丙橡膠（EPDM）密實膠和海綿膠構成，通過復合擠出-微波/熱空氣硫化生產(chǎn)線生產(chǎn)。圖2示出了天窗密封系統(tǒng)的配合關系，其中a泡管與車身鈑金配合，b泡管與天窗聚氨酯（PU）包邊配合。

圖1 天窗密封條截面

圖2 天窗密封系統(tǒng)配合關系

2 優(yōu)化設計思路

優(yōu)化設計思路如下：（1）通過有限元分析計算理論排氣量；（2）根據(jù)天窗關閉的時間計算不同數(shù)量和孔徑的排氣孔在天窗關閉時對應的氣流速度；（3）測定單位長度內(nèi)封閉兩端的密封條不同常用孔徑排氣孔對壓縮負荷的影響；（4）測定不同打孔角度下密封條排氣出現(xiàn)氣流噪聲（低于60 dB）的最小壓力；（5）通過試驗結果設定排氣孔的最佳設計方案，并進行實際評價。

3 有限元分析

天窗系統(tǒng)關閉時從接觸密封條到密封條被完全壓縮的時間為5.2 s。通過有限元分析軟件Abaqus模擬密封條在天窗開啟和關閉時的變形狀態(tài)，計算出密封條被壓縮的面積，然后乘以密封條的長度，計算出泡管被壓縮的體積（即排氣體積或排氣量），再根據(jù)壓縮時間和氣孔的大小計算排氣速度：

式中，v為排氣速度，mm3·s-1；ΔS為被壓縮的密封條面積，mm2；L為測試用密封條的長度，mm；t為天窗關閉過程需要的時間，s。

有限元建模要素：（1）材料采用密實膠HDQ681和海綿膠HD-Q609，均為EPDM生產(chǎn)膠料；（2）本構模型為Ogden模型；（3）分析步類型為Static Genenal；（4）切向行為為罰函數(shù)摩擦類型，摩擦因數(shù)為0.35；硬接觸通過經(jīng)典的拉格朗日乘子方式實施；（5）網(wǎng)絡控制屬性采用四邊形為主的進階算法，單元類型為CPE4H（4節(jié)點線性平面應變四邊形單元）；（6）邊界條件選擇左側壓縮解析剛體施加X正向位移1.7 mm、右側壓縮剛體施加X反向位移3.5 mm。

壓縮前和天窗關閉時密封條的變形狀態(tài)網(wǎng)格模型如圖3所示，通過有限元分析計算的變形前后泡管面積和排氣量見表1。

表1 天窗密封條變形前后泡管面積和排氣量

圖3 天窗密封條變形狀態(tài)

4 對比試驗

排氣孔產(chǎn)生的噪聲主要有兩種，一種是排氣不充分，使密封條泡管內(nèi)外存在壓強差，增大壓縮負荷，從而產(chǎn)生摩擦噪聲[4]；另一種是排氣時壓強過大，氣體從密封條空隙排出產(chǎn)生振動，從而出現(xiàn)噪聲。

目前國內(nèi)外對排氣孔的設計主要依據(jù)經(jīng)驗。通過多打孔的方式避免噪聲，在不能排除排氣噪聲時，通過增大孔徑或增大孔數(shù)量來應對，設計過盈量一般較大。但是，有些結構的天窗密封條排氣孔位于工作面的底部，而且在正常工況下會有排氣孔接觸到密封面的情況，因此在保證排氣量的基礎上，應盡量減小排氣孔的數(shù)量和直徑。

為了優(yōu)化排氣孔設計，進行了對比試驗，測定密封條在兩端開放和兩端封閉狀態(tài)下每組雙泡2個壓縮量時的壓縮力。圖4為在兩端完全開放的狀態(tài)下a泡管和b泡管壓縮量和壓縮力的測試示意，其中a泡管試驗的2個壓縮量M1和M2分別為5.5和6.9 mm，F(xiàn)1和F1′為測定的相應壓縮力；b泡管試驗的2個壓縮量H1和H2分別為7.15和8.55 mm，F(xiàn)2和F2′為測定的相應壓縮力。試驗結果見表2。

表2 兩端完全開放狀態(tài)下壓縮力的測試結果 N·dm-1

圖4 兩端完全開放狀態(tài)下泡管的壓縮量和壓縮力測試示意

通過試驗進一步探討在密封條兩端封閉狀態(tài)下排氣孔對壓縮力的影響。取長度為250 mm的一段密封條，用406膠水將兩端泡管封住，使泡管內(nèi)形成密閉空間。通過改變排氣孔的數(shù)量、直徑和位置（見圖5），進行三因子三水平（表3）正交試驗設計，由L9（34）的第1，2，3列組成，共排出9組試驗，結果見表4。

表3 試驗因子和水平設計

表4 正交試驗安排和試驗結果

圖5 排氣孔設計位置

由試驗結果可以看出：因子C的3個試驗點數(shù)據(jù)相差最大，對壓縮力影響最大；因子A和B的3個試驗點數(shù)據(jù)相差較小，為次要因素。由此可見，排氣孔位置對壓縮力影響最大。

5 安裝狀態(tài)評價

試驗在靜音房（無錫福樂田玻璃鋼環(huán)保設備有限公司產(chǎn)品）中進行。排氣孔軸向位置距對接處50 mm，且以對接線對稱。靜音房尺寸為2 m×3.5 m×2.5 m，房內(nèi)噪聲為（20±1） dB。測試設備為TES 1350R型噪音計（中國臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司產(chǎn)品），位于天窗前玻璃中央下方（200±20） mm處，測試3個數(shù)據(jù)，取平均值。人體感知測試模擬駕駛員位置，由3個人員評價。測試結果見表5。由表5可以看出，排氣孔最優(yōu)方案為在密封條長度方向安排4個Φ2 mm的排氣孔（位置3）。

表5 產(chǎn)品實車安裝后評價對比

6 結語

排氣孔對天窗系統(tǒng)噪聲有較大影響，針對不同密封條斷面設計不同排氣孔是非常必要的。不同密封條應針對其排氣量、天窗開啟關閉時間、壓縮變形量而設計相應的排氣孔大小、數(shù)量、位置以及打孔角度。排氣孔的設計必須滿足天窗開啟關閉過程中密封條海綿泡內(nèi)外不存在較大壓差以及排氣過程不產(chǎn)生氣流聲。一般設計中，會預留安全系數(shù)，多打排氣孔。以上方案的密封條經(jīng)實際汽車裝車運行試驗，天窗系統(tǒng)未發(fā)生異響，效果良好。

致謝：本文承蒙北京橡膠工業(yè)研究設計院有限公司謝忠麟教授級高級工程師審閱，深表謝忱。