郟樑，李俊杰，曹崴，楊君勝，陸佳琦，孟濤

(1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805； 2.上海錦湖日麗塑料有限公司，上海 201107)

隨著汽車輕量化和家電的智能化以及價格競爭白熱化，高分子材料因具有價格低、一體成型、后加工簡單等優(yōu)點，在替代部分金屬零件方面已成為必然的趨勢。由于大多數(shù)家電在工作時會發(fā)熱或者制冷，導(dǎo)致不同零件之間由于熱脹冷縮產(chǎn)生擠壓而發(fā)出“吱嘎”異響，這種情況在空調(diào)產(chǎn)品中尤為常見；在汽車產(chǎn)品中，由于汽車發(fā)動機(jī)或行駛震動或零件受外力擠壓，也會導(dǎo)致零件互相摩擦而產(chǎn)生“吱吱”的異響聲。這種異響聲可能來自塑料件與塑料件之間的摩擦，也可能來自塑料件與皮革件或金屬件之間的摩擦。靜音空調(diào)可以給人提供安寧的睡眠環(huán)境，提高人們的睡眠質(zhì)量，增加產(chǎn)品賣點；較低的車內(nèi)噪音可以提高駕乘人員的舒適度，降低車內(nèi)噪音對駕乘人員交流的影響，幫助駕駛員放松和集中注意力，避免因噪音影響帶來的安全隱患。因此，靜音空調(diào)和車內(nèi)噪聲水平不僅能夠為企業(yè)提高產(chǎn)品競爭力，還可以塑造良好的企業(yè)形象，給消費者帶來技術(shù)領(lǐng)先和高質(zhì)量制造的認(rèn)知。目前，空調(diào)和汽車產(chǎn)品中的異響問題已經(jīng)成為兩大行業(yè)關(guān)注的焦點之一，也是高端制造與中低端制造的關(guān)鍵區(qū)別點?？照{(diào)產(chǎn)品，尤其是汽車產(chǎn)品的噪聲問題是非常復(fù)雜的。例如，空調(diào)噪聲可分為氣動噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲三大類[1-2]，引起車內(nèi)噪聲的因素主要有發(fā)動機(jī)噪聲、進(jìn)排氣噪聲、傳動系統(tǒng)噪聲、高速行駛時的風(fēng)噪聲以及零件震動噪聲等[3]。目前針對空調(diào)和汽車產(chǎn)品的噪聲解決方案主要有粘貼無紡布、涂覆潤滑油、包覆吸音棉、增加橡膠內(nèi)襯等方式[4-7]。但是，傳統(tǒng)上對異響問題的評判仍需進(jìn)行零件組裝，主觀評價異響的嚴(yán)重程度，基本屬于“發(fā)現(xiàn)-修復(fù)”的方式，優(yōu)化周期較長且成本高昂。

塑料制件之間發(fā)生摩擦或擠壓時，可能會發(fā)生典型的粘滑現(xiàn)象。粘滑指的是兩個材料受到外力后，由于摩擦運動使材料由相互粘著的狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變?yōu)槊撾x滑動的狀態(tài)的一種現(xiàn)象[8-9]。粘滑現(xiàn)象會導(dǎo)致塑料件的摩擦震動而發(fā)出異響聲，因此，如果采用合理的粘滑評價手段，可以將異響風(fēng)險的識別和控制提前到產(chǎn)品設(shè)計前期，在材料開發(fā)階段就引入防異響的功能，降低零件發(fā)生異響的風(fēng)險，可大幅度縮短相應(yīng)產(chǎn)品的開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和競爭力，并且可避免粘貼無紡布、涂覆潤滑油等后期的繁瑣降噪工作，明顯提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。標(biāo)準(zhǔn)VDA 230-206是德國汽車工業(yè)協(xié)會制定的一種檢測材料粘滑行為評價的方法，其可以表征皮革與皮革、皮革與塑料制件互相摩擦?xí)r粘滑行為發(fā)生的傾向，傾向程度由異響風(fēng)險系數(shù)(RPN)表示[10]。但在塑料改性行業(yè)內(nèi)，該測試方法暫時還未得到成熟應(yīng)用，且該測試方法要求的樣板接觸面積較大，測試過程中的壓強(qiáng)較低，因此測試時一般不會產(chǎn)生異響，而是通過較為復(fù)雜的計算公式將多種因素疊加而輸出RPN值，測試結(jié)果不具有可視化。筆者通過合適的工裝設(shè)計進(jìn)行了摩擦異響試驗，目的是在模擬材料粘滑摩擦的同時，通過對比噪音和震動參數(shù)的大小來評價塑料產(chǎn)生異響傾向的大小，因此該方法更貼近零件使用時的工況且具有直觀性。

1 實驗部分

1．1 主要材料

常規(guī)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)：750，韓國錦湖石油化學(xué)株式會社；

常規(guī)聚碳酸酯(PC)/ABS：HAC8250，上海錦湖日麗塑料有限公司；

降噪ABS：ABSGN212，上海錦湖日麗塑料有限公司；

降噪PC/ABS：K8266，上海錦湖日麗塑料有限公司。

1．2 摩擦異響試驗

設(shè)計的工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模擬零件摩擦工裝設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

為了減小試驗誤差、保證試驗結(jié)果的可重復(fù)性，在試驗過程中保證壓力、摩擦速度恒定，待測樣品A的測試面平整光滑，摩擦壓頭B的材質(zhì)可與A相同或者一直固定為同一材質(zhì)。試驗具體條件為：室內(nèi)溫度(23±2)℃，空氣濕度為(50±5)%，環(huán)境底噪30 dB，恒定負(fù)載F為10 N，摩擦速度V為100 mm/min，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，摩擦次數(shù)不低于5個周期；摩擦壓頭B材質(zhì)固定為常規(guī)ABS750，待測樣品A尺寸為140 mm×90 mm×3 mm。由于塑料材料受到壓力會產(chǎn)生局部輕微形變，其靜摩擦力一般遠(yuǎn)大于動摩擦力，因此壓頭和樣板之間滑動摩擦?xí)r易產(chǎn)生典型的粘滑現(xiàn)象[11-12]。而粘滑現(xiàn)象發(fā)生時會產(chǎn)生震動和噪音，將震動傳感器粘貼在摩擦壓頭上采集摩擦過程中產(chǎn)生的震動參數(shù)，聲音傳感器距待測樣板5 cm采集聲音參數(shù)(人耳響度和震動加速度)。

1．3 顯微分析

為了更清楚地觀察材料在摩擦異響時是否發(fā)生粘滑行為，將摩擦異響實驗后的樣板進(jìn)行吹掃清潔后，在顯微鏡下對其表面劃痕進(jìn)行觀察并分析。

1．4 RPN測試

根據(jù)德國汽車工業(yè)協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)VDA 230-206，待測樣品的尺寸為90 mm×50 mm×3 mm，上摩擦副尺寸為25 mm×50 mm×3 mm，接觸面積為1 250 mm2，滑動距離固定為50 mm，滑動速度為1 mm/s和4 mm/s，負(fù)載為10 N和40 N。測試前，將樣品在(23±2)℃，(50±5)%濕度環(huán)境中放置24 h以上。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)VDA 230-206規(guī)定，材料發(fā)生粘滑現(xiàn)象的可能性分為十個等級：當(dāng)RPN為1～3時，判定材料發(fā)生粘滑異響的風(fēng)險低；當(dāng)RPN為4～6時，認(rèn)為材料有中等風(fēng)險產(chǎn)生粘滑異響；當(dāng)RPN為7～10時，認(rèn)為材料受到摩擦?xí)r有較大的概率發(fā)生粘滑異響。

2 結(jié)果與討論

2．1 人耳響度結(jié)果分析

人耳響度又稱為音量，計量單位為宋，表示的是聲音的響亮程度，相比分貝(dB)，人耳響度更能夠模擬人對異響的主觀感受。圖2是不同材料的樣板經(jīng)過摩擦發(fā)出異響時的人耳響度隨時間即摩擦次數(shù)的變化曲線。通過圖2的人耳響度值對比可以看出，常規(guī)ABS和常規(guī)PC/ABS的響度峰值分別可達(dá)到52宋和88宋，而經(jīng)過降噪改性的ABS和PC/ABS，人耳響度峰值分別只有7宋和32宋，異響響度值大幅度降低，說明改性后的材料，其摩擦產(chǎn)生明顯異響的風(fēng)險更小。

圖2 不同材料的人耳響度隨時間的變化曲線

2．2 震動加速度結(jié)果分析

圖3 不同材料的震動加速度隨時間的變化曲線

聲音的產(chǎn)生都會伴隨著震動，一般情況下震動頻率越高，震動越劇烈，震動加速度越大，聲音也越高。不同材料的樣板經(jīng)過摩擦發(fā)出異響時的震動加速度隨時間變化曲線如圖3所示。試驗時測試了X軸(摩擦方向)、Y軸(平行板面并垂直摩擦方向)和Z軸(垂直板面方向)上的震動加速度大小，其中X軸即摩擦方向上的震動加速度峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它方向數(shù)值，這說明壓頭與板面摩擦?xí)r，幾乎只在運動方向上發(fā)生了震動，即粘滑的方向與摩擦方向是一致的，說明在試驗過程中發(fā)生了典型的粘滑現(xiàn)象。因此，圖3主要顯示了X軸上的震動加速度隨時間變化曲線。從材料的震動加速度數(shù)據(jù)可以看出，對未經(jīng)過降噪改性的常規(guī)ABS和常規(guī)PC/ABS進(jìn)行摩擦異響試驗?zāi)M粘滑行為，測試樣板發(fā)出異響時，樣板本身發(fā)生了劇烈的震動，其震動加速度峰值分別約為7G和8.5G；降噪ABS材料的震動加速度峰值只有0.6G，并且?guī)缀鯚o異響聲，降噪PC/ABS材料的震動加速度下降到4.5G。這與摩擦異響獲得的人耳響度值的趨勢變化是對應(yīng)的。另外，震動加速度的寬度反映了單次摩擦噪音的持續(xù)時間長短，降噪改性的PC/ABS的震動加速度寬度小、數(shù)值低，說明異響聲小且持續(xù)時間較短，材料的降噪性能得到明顯改善。

2．3 顯微分析

以常規(guī)ABS和降噪ABS為例，對經(jīng)過摩擦異響試樣的樣板的劃痕進(jìn)行了顯微形貌觀察，如圖4所示。由圖4可以明顯看出未經(jīng)過降噪改性的ABS的劃痕是不連續(xù)的，說明其發(fā)生了典型的粘滑現(xiàn)象。這是因為材料的靜摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動摩擦力，導(dǎo)致其在滑動過程中產(chǎn)生了震動，最終產(chǎn)生較大的摩擦異響。而經(jīng)過降噪改性的ABS，其摩擦劃痕是連續(xù)的，說明整個滑動過程比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的粘滑現(xiàn)象，因此，經(jīng)過降噪改性的ABS在摩擦異響實驗中產(chǎn)生的響度值較小，材料發(fā)生異響的傾向明顯得到改善。

圖4 常規(guī)ABS和降噪ABS的摩擦劃痕顯微鏡照片

2．4 RPN測試結(jié)果分析

表1為常規(guī)ABS、常規(guī)PC/ABS和降噪ABS、降噪PC/ABS在不同測試壓力、速度下的RPN值。從表1測試結(jié)果看，測試壓力越高，各材料的RPN值越大，且相比4 mm/s的滑動速度，各材料在1 mm/s的滑動速度下發(fā)生異響的風(fēng)險更高。未降噪改性的常規(guī)ABS和常規(guī)PC/ABS，在40 N，1 mm/s的測試條件下，RPN值分別為9和10；在相同條件下，經(jīng)過降噪改性的ABS和PC/ABS，RPN值分別為2和3，說明材料發(fā)生異響的風(fēng)險大幅度降低。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)對比來看，未降噪改性的常規(guī)ABS和常規(guī)PC/ABS的震動加速度、響度和RPN值均更高，而降噪改性的材料明顯具有更低的震動加速度、響度和RPN值，RPN測試結(jié)果與摩擦異響測試的結(jié)果具有一致性，說明摩擦異響實驗對材料降噪性能的評價具有可靠性。

表1 不同材料的RPN測試結(jié)果

表2 材料的RPN值與摩擦異響測試結(jié)果匯總

3 結(jié)論

通過對常規(guī)材料和降噪改性材料進(jìn)行摩擦異響試驗、顯微分析以及RPN測試，結(jié)果表明：

(1)顯微形貌分析說明該工裝設(shè)計成功地模擬了材料在摩擦過程中的粘滑行為。

(2)摩擦異響試驗和材料RPN測試表明，未經(jīng)降噪改性的常規(guī)ABS和常規(guī)PC/ABS在摩擦過程中異響明顯，RPN值較高，說明發(fā)生異響的風(fēng)險較大；而經(jīng)過降噪改性的材料，人耳響度、震動加速度和RPN值都較低，說明發(fā)生異響的風(fēng)險也較低。摩擦異響試驗和RPN測試結(jié)果具有一致性，說明該摩擦異響試驗?zāi)軌蚝芎玫卦u估ABS和PC/ABS材料的異響風(fēng)險大小。