郭媛鈺，何妍

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

作為門窗系統(tǒng)運(yùn)行的重要部件之一，內(nèi)水切起到了隔音、降噪以及車內(nèi)環(huán)境密封的關(guān)鍵作用。為了優(yōu)化內(nèi)水切的產(chǎn)品性能以提升門窗系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)，內(nèi)水切的表面涂層、斷面結(jié)構(gòu)、變形特性以及插拔受力狀況都是重要的控制因素。目前，植絨涂層廣泛地應(yīng)用在內(nèi)水切與車窗接觸的唇邊表面，以達(dá)到減小玻璃升降阻力，增大唇邊耐磨性的目的。然而在實(shí)際考核過(guò)程中，筆者及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)量產(chǎn)的多個(gè)車型均存在玻璃升降過(guò)程中的異響問(wèn)題，并且在濕度較高的情況下異響問(wèn)題的缺陷率相對(duì)更高。

因此，筆者及其團(tuán)隊(duì)以北京奔馳某車型為研究對(duì)象，在控制好玻璃曲率、門模內(nèi)板尺寸、門窗通道間隙以及門窗系統(tǒng)裝配手法的前提下，對(duì)內(nèi)水切下唇表面涂層進(jìn)行優(yōu)化，從而從問(wèn)題根本上改善玻璃升降過(guò)程中以粘-滑方式摩擦震動(dòng)而產(chǎn)生的噪音問(wèn)題。

1 評(píng)價(jià)方法及分析

1.1 問(wèn)題定義

質(zhì)量考核員在序列化生產(chǎn)的某車型中發(fā)現(xiàn)了批量門窗噪音問(wèn)題，其特征定義為：在考核間的溫濕度環(huán)境下（溫度：23±2℃，濕度：50±5%RH），車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下車窗玻璃下降時(shí)，駕駛者可聽(tīng)到“咕嚕咕嚕”的噪音，音量較低，但會(huì)影響客戶的舒適感受。四門均存在噪音問(wèn)題，缺陷率為30%～40%，最終考核部門將此問(wèn)題評(píng)定為三級(jí)熱點(diǎn)問(wèn)題。

1.2 噪聲源定位

為了準(zhǔn)確定位噪音位置，筆者對(duì)照門窗系統(tǒng)數(shù)模對(duì)零部件進(jìn)行逐一排查，最后將噪音源鎖定在內(nèi)水切與門窗玻璃之間。之后使用三相圖分析方法通過(guò)交叉實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證噪音來(lái)源，驗(yàn)證過(guò)程分為三相分別為：整車，車門總成以及門窗系統(tǒng)相關(guān)零部件。根據(jù)交叉實(shí)驗(yàn)結(jié)果，交換缺陷車與非缺陷車的內(nèi)水切，噪音問(wèn)題隨零件轉(zhuǎn)移至非缺陷車。結(jié)合對(duì)于門窗系統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果得出結(jié)論，此項(xiàng)噪音問(wèn)題與裝配、門內(nèi)飾板、門窗玻璃無(wú)關(guān)，與內(nèi)水切有關(guān)。

2 玻璃下降噪音的影響因素

內(nèi)水切與玻璃表面摩擦產(chǎn)生噪聲的主要原因是滑動(dòng)摩擦力隨相對(duì)速度而變化，當(dāng)水切唇邊振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼小于0時(shí)，彈性體積攢一定的彈性勢(shì)能，當(dāng)唇邊回彈時(shí)所造成的與玻璃之間的滑移會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)異響。這種現(xiàn)象被稱為內(nèi)水切唇邊的粘-滑運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。因此，水切唇邊與玻璃的接觸角度、水切唇邊的彈性性能以及唇邊涂層的摩擦系數(shù)是解決此項(xiàng)問(wèn)題的關(guān)鍵因素。

圖1 內(nèi)水切斷面結(jié)構(gòu)

該車型的內(nèi)水切截面幾何模型如圖1所示，本項(xiàng)目在合理零件設(shè)計(jì)的前提下，控制斷面結(jié)構(gòu)、開(kāi)口插拔力以及唇邊與玻璃干涉量不變的情況下，對(duì)下唇表面的涂層進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)改變摩擦特性使門窗系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，從而抑制噪音的產(chǎn)生。

3 內(nèi)水切唇邊涂層的控制及優(yōu)化

通過(guò)理論模型分析，內(nèi)水切所受摩擦力值的瞬時(shí)變化是唇邊跳動(dòng)并產(chǎn)生異響的關(guān)鍵原因。因此，為了減小內(nèi)水切唇邊相對(duì)于玻璃表面不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所受摩擦力值的劇烈變化，在具有較低的滑動(dòng)摩擦系數(shù)的唇邊涂層材料中選用動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值更小，伸長(zhǎng)率更高的材料更為有利。

理論分析采用Mike Ashby的材料性能指數(shù)來(lái)篩選理想的涂層材料，對(duì)于具有一定密封功能要求的彈性體而言，材料密封性能指數(shù)M與拉伸強(qiáng)度成正比，與楊氏模量成反比例關(guān)系。當(dāng)M值越大時(shí)證明在同等壓力下彈性體與玻璃的接觸面越大，即密封效果越好：

綜合彈性體密封指數(shù)、伸長(zhǎng)率以及動(dòng)、靜摩擦系數(shù)，一種耐磨的硬質(zhì)熱塑性材料(Sarlink 11044DB與Stahl Permutex WF13-419)將被采用作為涂層覆蓋在唇邊表面，并與傳統(tǒng)植絨唇邊進(jìn)行材料機(jī)械性能與實(shí)際裝車驗(yàn)證的對(duì)比。

4 材料性能分析與實(shí)驗(yàn)

4.1 涂層厚度

涂層的噴涂質(zhì)量會(huì)直接影響零件的性能，均勻平整的涂層可以增加零件的使用壽命，并且有更好的降噪表現(xiàn)。為了達(dá)到需要的功能性要求，一定的干膜厚度是檢驗(yàn)涂層噴涂質(zhì)量的基本標(biāo)準(zhǔn)。分別從四種樣品的不同位置取樣，觀察涂層外觀表征并測(cè)量其涂層干膜厚度，取平均值。參考其他車型的經(jīng)驗(yàn)，Stahl材料的理想涂層厚度為13±5μm,而Sarlink的理想涂層厚度約為80μm。

圖2為Sarlink涂層干膜光鏡照片，為探究涂層厚度對(duì)于內(nèi)水切機(jī)械性能以及裝車表現(xiàn)的影響，本項(xiàng)目采用了60μm和100μm厚度的試驗(yàn)樣件，分別記為Sarlink_60和Sarlink_100。

圖2 Sarlink涂層干膜光鏡圖

4.2 涂層硬度

涂層材料的硬度是控制其質(zhì)量的重要機(jī)械性能之一，通常情況下其邵氏硬度設(shè)計(jì)理論值在70左右。為了測(cè)量涂層在唇邊表面成膜后唇邊的實(shí)際硬度（如表1），在每種樣品的十個(gè)不同部位取測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行邵氏硬度的測(cè)量，結(jié)果取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論相同，涂層厚度的增加會(huì)使唇邊的硬度在一定范圍內(nèi)略有增加?？傮w而言，四種材料的硬度較為相近，均處于可接受范圍。

表1 噴涂后唇邊表面硬度 (Shore A)

4.3 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)可以檢測(cè)出彈性體的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率（如表2），根據(jù)理論分析拉伸強(qiáng)度較高，伸長(zhǎng)率較低的材料，會(huì)起到更好的密封和抑制唇邊彈跳的結(jié)果。根據(jù)ASTM D-412(2016) 的標(biāo)準(zhǔn)，在四種帶有不同涂層的內(nèi)水切唇邊進(jìn)行取樣，使用模具沖切成寬度為10mm的啞鈴狀試樣條。通過(guò)以下公式將工程應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變值，并計(jì)算出拉伸強(qiáng)度以及伸長(zhǎng)率：

式中：σ為工程應(yīng)力；ε為工程應(yīng)變；στ為實(shí)際應(yīng)力；ετ為實(shí)際應(yīng)變。

表2 噴涂后內(nèi)水切唇邊拉伸特性

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，帶有Stahl涂層的樣品橡膠特性最為顯著，因此具備較好的密封特性，但是較高的伸長(zhǎng)率會(huì)使其在車窗系統(tǒng)滑動(dòng)運(yùn)行中更容易將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，因此會(huì)具有更高的唇邊彈跳的風(fēng)險(xiǎn)。

檢查拉斷后的樣品表面及截面（圖3），四種樣品表面涂層均無(wú)龜裂或剝離現(xiàn)象發(fā)生。

4.4 涂層耐磨性

涂層的耐磨性決定了零件的使用壽命，因此實(shí)驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GM 9909P，使用特制的玻璃摩擦頭來(lái)模擬門窗系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)內(nèi)水切唇邊表面涂層的磨損情況。在零件唇邊表面截取實(shí)驗(yàn)樣條固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)玻璃摩擦頭施加1kg的載荷，使其以一定速度進(jìn)行往復(fù)摩擦，磨損沖程為150mm。每1000次觀察實(shí)驗(yàn)樣件的磨損程度，記錄其質(zhì)量損失。觀察涂層狀態(tài)，記錄涂層是否磨穿露出基體材料。

圖3 Sarlink涂層拉斷后樣品表面狀態(tài)

圖4為植絨涂層唇邊經(jīng)過(guò)3000次往復(fù)摩擦后的表面狀態(tài)，可以明顯觀察到植絨涂層下的膠水，并且可以觀察到局部的基體材料。Sarlink_100涂層唇邊經(jīng)過(guò)5000次往復(fù)摩擦后涂層光澤度有明顯改變（圖5），并且一般表面可以看到涂層磨穿，露出部分基體材料（端部更為明顯）。

圖4 植絨涂層3000次往復(fù)摩擦后狀態(tài)

圖5 Sarlink涂層5000次往復(fù)摩擦后狀態(tài)

因此，在干燥情況下，相較于植絨涂層來(lái)說(shuō)，噴涂TPE滑材的唇邊具有更高的耐磨性。也就是說(shuō)在門窗系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境下，具有更長(zhǎng)的生命周期。

4.5 涂層摩擦系數(shù)

作為影響玻璃升降系統(tǒng)阻力的重要參數(shù)，內(nèi)水切唇邊表面涂層摩擦系數(shù)對(duì)于分析玻璃升降過(guò)程中產(chǎn)生的異響起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)前期的分析我們了解到玻璃升降過(guò)程中的噪音主要是由于動(dòng)靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的唇邊彈跳造成的，因此為了避免唇邊所受摩擦力的突變，涂層表面的動(dòng)靜摩擦系數(shù)值越小，并且其比值越小對(duì)預(yù)防噪音問(wèn)題更為有利。在干摩和濕磨兩種條件下分別測(cè)出四種涂層的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)，見(jiàn)圖6、7。

圖6 濕磨狀態(tài)下涂層唇邊與玻璃動(dòng)靜摩擦系數(shù)

在干摩狀態(tài)下，Sarlink涂層與植絨涂層測(cè)試結(jié)果較為接近，而濕磨狀態(tài)下Sarlink涂層的動(dòng)靜摩擦系數(shù)比值小于1.1，植絨涂層與Stahl涂層比值較高。因此，在預(yù)防摩擦噪音方面，尤其是濕度較大的情況下，Sarlink_60會(huì)具有更優(yōu)越的性能。

圖7 干磨狀態(tài)下涂層唇邊與玻璃動(dòng)靜摩擦系數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)交叉試驗(yàn)、三坐標(biāo)測(cè)量等分析手段找到門窗系統(tǒng)升降過(guò)程中發(fā)生異響的根本原因。從內(nèi)水切唇邊涂層的機(jī)械性能入手，通過(guò)磨損與摩擦系數(shù)的功能性實(shí)驗(yàn)對(duì)于特定的四種涂層展開(kāi)分析。通過(guò)上述的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以得出盡管植絨涂層具有摩擦系數(shù)較小的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于濕度較大或者溫度較低的環(huán)境下硬質(zhì)TPE復(fù)合材料涂層會(huì)具有更優(yōu)越的性能，并且從耐磨損的角度來(lái)看復(fù)合材料涂層具有更長(zhǎng)的使用壽命。在后續(xù)實(shí)際零件的裝車驗(yàn)證中也同樣證明了帶有硬質(zhì)TPE涂層的內(nèi)水切在玻璃升降運(yùn)行時(shí)有更為優(yōu)越的表現(xiàn)。