佟夢晗, 修世超, 陳曉珊, 陳思宇

(1. 東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819; 2. 華晨寶馬汽車有限公司, 遼寧 沈陽 110043)

汽車密封條具有填補(bǔ)車身組成部件間的各種間歇、縫隙的作用,具有減震、防水、防塵、隔音、裝飾等功用,提高駕乘體驗(yàn)的舒適感和保護(hù)車體[1].其裝配工藝分為物理安裝和粘貼兩類,大多數(shù)密封條采用物理安裝方式,采用粘貼工藝的密封條為大多數(shù)車型的全景天窗密封條和部分車型的車門密封條[2-3].密封條粘貼的精度及質(zhì)量直接影響汽車的整車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(noise,vibration and harshness, NVH)、使用壽命及產(chǎn)品外觀[4].早期全球汽車企業(yè)的密封條粘貼主要采用手動(dòng)粘貼及多限位塊模板正壓安裝[5],隨著工業(yè)4.0技術(shù)的成熟,多傳感器群工業(yè)機(jī)器人技術(shù)被應(yīng)用于汽車密封條全自動(dòng)粘貼.自動(dòng)化汽車密封條粘貼一般采用滾壓的形式,2008年,德國Grohmann公司[6]開發(fā)了車門密封條自動(dòng)化滾壓工藝及設(shè)備, 目前國際上還有其他公司開發(fā)出不同的密封條滾壓設(shè)備[7].

基于壓敏膠的粘貼特性,目前大多數(shù)研究從膠帶的縱向剝離展開.Sugizaki等[8]研究了膠帶的剝離角度對剝離力的影響;Dalbe等[9]研究了膠帶的剝離速度對剝離力的影響;Mohammed等[10]對壓敏膠帶的縱向剝離界面進(jìn)行了模擬分析.大多數(shù)理論主要研究了膠帶的粘貼特性,汽車密封條的粘貼性能與膠帶的粘貼相比,由于其粘貼主體的物理性質(zhì)不同,拉伸與壓縮是密封條粘貼性能的重要組成部分,而密封條的失效剝離并非在單側(cè)開始并縱向剝離,其大部分為中部失效并向兩側(cè)擴(kuò)展.

為了研究壓縮粘貼對密封條的粘貼質(zhì)量影響,優(yōu)化壓敏膠汽車密封條粘貼質(zhì)量,本文研究了汽車密封條壓縮粘貼對粘貼基底產(chǎn)生的附加壓力,提出了通過壓縮率計(jì)算密封條對內(nèi)圓角粘貼基底產(chǎn)生的壓力的計(jì)算模型,進(jìn)行了該工藝過程的有限元仿真,完成了壓縮粘貼對內(nèi)壁壓力實(shí)驗(yàn),得到并驗(yàn)證了壓縮粘貼與密封條對粘貼基底附加壓力之間的關(guān)系,獲得了壓力場分布.結(jié)果表明:壓縮粘貼可使密封條對粘貼基底施加穩(wěn)定、均勻的附加壓力.密封條通過壓縮粘貼對粘貼基底施加的壓力值與壓縮率呈線性比例關(guān)系.

1 密封條壓縮粘貼工藝及力學(xué)模型

汽車密封條內(nèi)圓角粘貼如圖1a所示,該粘貼位置的長時(shí)間質(zhì)量控制是汽車密封條粘貼最重要的組成部分,也是最容易出現(xiàn)開膠現(xiàn)象的位置.為了減少汽車產(chǎn)品在客戶使用過程中的開膠現(xiàn)象,增強(qiáng)粘貼連接的耐久度,本文提出了壓縮粘貼工藝方法,壓縮粘貼可以優(yōu)化內(nèi)圓角位置的粘貼質(zhì)量，是因?yàn)閷γ芊鈼l的壓縮力可通過密封條本體轉(zhuǎn)化為密封條對車身的附加壓力.為了研究壓縮率與密封條對車身產(chǎn)生附加壓力之間的關(guān)系,構(gòu)建了力學(xué)模型并進(jìn)行理論計(jì)算.

此力學(xué)模型采用了將連續(xù)材質(zhì)等分為有限個(gè)計(jì)算單元的分化方法,之后對單個(gè)力學(xué)單元進(jìn)行理論計(jì)算,得到相應(yīng)的力學(xué)狀態(tài)后再對等分?jǐn)?shù)量取正無窮極限,從而得到力學(xué)模型的連續(xù)屬性.密封條進(jìn)行壓縮粘貼后,其壓縮狀態(tài)可簡化為如圖1b所示的力學(xué)模型,與車身結(jié)合的關(guān)節(jié)點(diǎn)代表壓敏膠的粘貼狀態(tài),密封條位置的關(guān)節(jié)點(diǎn)代表密封條的內(nèi)部連接,彈簧剛度系數(shù)代表密封條的剛度系數(shù),F1和F2為該拐角粘貼區(qū)域兩側(cè)由于密封條的壓縮所提供的內(nèi)力.

圖1 壓縮粘貼的作用力模型Fig.1 Force model of compressive sealing (a)—密封條內(nèi)圓角粘貼； (b)—力學(xué)分析模型； (c)—單點(diǎn)受力示意圖.

該特征粘貼區(qū)域內(nèi)單點(diǎn)受力如圖1c所示,F3和F4為兩側(cè)密封條對該點(diǎn)的擠壓力,F5為F3和F4的合力,即對粘貼基底的壓力,通過計(jì)算可得到壓縮粘貼工藝對車身的壓強(qiáng)p為

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式中:n為簡化的力學(xué)模型中90°區(qū)域內(nèi)的等分?jǐn)?shù);D為密封條的寬度;δD為應(yīng)力沿寬度方向不均勻系數(shù);L為在90°粘貼區(qū)域范圍內(nèi)密封條在壓縮狀態(tài)的長度;l為壓縮量;kl/L為該密封條的剛度系數(shù),由于密封條為高分子材料,因此其剛度系數(shù)是非線性的,其數(shù)值與壓縮率l/L有關(guān).

由于密封條本體及基材均屬于具有超彈性形變屬性的高分子聚合物,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型的非線性特征,且可發(fā)生較大的彈性變形[10],實(shí)驗(yàn)測得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示.

圖2 密封條及基材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of the sealing strip and base material (a)—密封條； (b)—基材.

根據(jù)式(1)可得,采用壓縮粘貼工藝的密封條對其粘貼基底的壓力沿圓周方向成均布狀態(tài),而由于受密封條造型的影響,其軸向壓力不等.將材料參數(shù)代入式(1),壓縮粘貼工藝的密封條壓縮率一般在10%以下,由圖2可知,此時(shí)密封條與壓敏膠基材的剛度特性均近似為線性.本文實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榘霃綖?20 mm的1/4圓弧,其長度為188.4 mm,最大壓應(yīng)力σmax(單位為MPa)可表示為

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2 壓縮密封條對內(nèi)圓角粘貼基底附加應(yīng)力仿真

當(dāng)密封條由于壓縮量對粘貼表面產(chǎn)生附加的壓力時(shí),此壓力可與密封條的壓敏膠對粘貼表面的附著力同時(shí)工作,增強(qiáng)密封條的粘貼強(qiáng)度和使用壽命.以某型號的密封條為例,圖3所示為其粘貼到產(chǎn)品車上之前的狀態(tài),由海綿膠、密實(shí)膠、加強(qiáng)筋、壓敏膠、隔離紙組成[11].其中,海綿膠起到密封的作用,密實(shí)膠是支撐密封條造型的骨架,加強(qiáng)筋保證密封條具備一定的強(qiáng)度,壓敏膠是用來粘貼到產(chǎn)品車上的連接劑,隔離紙是在密封條粘貼之前起到保護(hù)壓敏膠表面的作用[12].

壓縮粘貼對粘貼基底的附加應(yīng)力仿真模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分如圖4所示,該模型由密封條本體、壓敏膠的基材、粘貼基底3個(gè)部分構(gòu)成.將圖2a所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線賦予密封條本體,將圖2b所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線賦予壓敏膠基材,粘貼基底為結(jié)構(gòu)鋼.網(wǎng)格劃分采用三個(gè)零件單獨(dú)劃分,劃分類型為掃掠.

圖3 某型號密封條Fig.3 A type of sealing strip (a)—實(shí)物圖; (b)—截面圖; (c)—密封條組成材料.

圖4 建模及網(wǎng)格劃分Fig.4 Modeling and mesh division

將圖2所示的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別賦予到粘貼模型中,并將兩側(cè)分別向內(nèi)壓進(jìn)4 mm,此時(shí)總壓縮量為8 mm,其有限元分析結(jié)果如圖5所示,將密封條與粘貼基底采用無分離方式進(jìn)行固定.密封條的應(yīng)變云圖如圖5a所示,其應(yīng)變量整體較均勻,壓縮率在2.5%左右,其中靠近中間位置的壓縮率略低,兩側(cè)壓縮率較高.

圖5 壓縮粘貼有限元分析Fig.5 Finite element analysis of compressive sealing (a)—密封條應(yīng)變云圖； (b)—密封條對粘貼基底的作用應(yīng)力.

由于密封條的壓縮,密封條對其粘貼基底產(chǎn)生了附加壓力,應(yīng)力分布云圖如圖5b所示,其應(yīng)力沿密封條寬度方向分布不均,原因是受到密封條造型影響,截面形狀兩側(cè)有垂直支撐結(jié)構(gòu),使兩側(cè)剛度明顯大于中間區(qū)域剛度,因此兩側(cè)應(yīng)力較大.在粘貼基底圓弧中部沿寬度方向的應(yīng)力分布曲線如圖6所示,其兩側(cè)波峰分別對應(yīng)于兩個(gè)垂直結(jié)構(gòu),在10 mm位置附近應(yīng)力達(dá)到最低,且與兩側(cè)應(yīng)力值接近.

圖6 粘貼基底沿密封條寬度方向應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of adhesive base along the width direction of the sealing strip

由于密封條在粘貼過程中產(chǎn)生的縱向壓縮對車身產(chǎn)生了附加應(yīng)力,即密封條粘貼方向的預(yù)應(yīng)力,此應(yīng)力可在密封條受到反向剝離應(yīng)力時(shí)將其完全抵消或部分抵消,從而降低剝離力的產(chǎn)生頻率或降低剝離力.因此,可顯著提升密封條在內(nèi)圓角位置的粘貼耐久度,提高產(chǎn)品質(zhì)量.

3 密封條壓縮粘貼實(shí)驗(yàn)

為了研究密封條壓縮粘貼對基底壓力的實(shí)際表現(xiàn),設(shè)計(jì)并制造了如圖7所示的實(shí)驗(yàn)設(shè)備.采用6個(gè)粘貼板組成與第1節(jié)的理論計(jì)算和第2節(jié)的有限元仿真相同尺寸的90°粘貼彎板,材質(zhì)為鋁合金噴漆,兩側(cè)鈑金為固定鈑金,中間4個(gè)鈑金直接連在壓力傳感器上,用來采集密封條壓縮粘貼后對特征點(diǎn)的壓力.在粘貼實(shí)驗(yàn)前將傳感器在載有實(shí)驗(yàn)粘貼板的情況下歸零.

圖7 壓縮粘貼對粘貼基底壓力實(shí)驗(yàn)Fig.7 Pressure experiment on adhesive base from the sealing strip with compression

根據(jù)泊松定律可知,對密封條的縱向擠壓會(huì)使其產(chǎn)生橫向應(yīng)力,過大的橫向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致密封條的橫向位移,壓縮率過大會(huì)影響密封條的粘貼精度.因此本文只對10 mm以下的壓縮量進(jìn)行分析,分別進(jìn)行2,4,6，8和10 mm壓縮量的壓縮實(shí)驗(yàn),記錄傳感器壓力值.

將式(2)的計(jì)算應(yīng)力、有限元仿真結(jié)果的最大應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)壓力的最大值一同記錄,并使2 mm壓縮粘貼最大測試壓力值點(diǎn)與2 mm壓縮粘貼計(jì)算壓強(qiáng)點(diǎn)重合,得到的結(jié)果如圖8所示.從圖8中可以看出,仿真數(shù)值與計(jì)算結(jié)果誤差較小,計(jì)算、仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均呈線性關(guān)系,因此可驗(yàn)證本文的計(jì)算、仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.因此壓縮粘貼工藝可以對粘貼基材施加與壓縮量呈線性比例關(guān)系的附加壓力,進(jìn)而使粘貼更為牢固、可靠.

圖8 壓力隨壓縮量變化曲線Fig.8 Curves of pressure versus shrinkage

采集壓縮量為6 mm實(shí)驗(yàn)的4個(gè)傳感器數(shù)值,并與計(jì)算結(jié)果、仿真結(jié)果比較,見圖9.通過圖9可得,密封條通過壓縮粘貼對粘貼基底施加的計(jì)算應(yīng)力沿截面橫向位置均布,對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到其應(yīng)力差值小于8%,理論計(jì)算是建立在密封條的壓縮處于絕對理想狀態(tài)的均等壓縮并忽略兩側(cè)彎曲區(qū)域外造型的基礎(chǔ)上,根據(jù)理論計(jì)算可得到當(dāng)壓縮量為6 mm時(shí),基底的各個(gè)位置壓力均為9.25 kPa,因此可得到連續(xù)的壓強(qiáng)曲線.壓縮粘貼有限元仿真同樣可得到連續(xù)曲線,但各個(gè)位置的數(shù)值有一定的規(guī)律性波動(dòng),其原因可以通過圖5a所示的應(yīng)變云圖得知,壓縮粘貼的密封條各處

圖9 壓力隨截面橫向位置變化結(jié)果對比Fig.9 Comparison of pressure variation with transverse position of section

壓縮狀態(tài)稍微有區(qū)別,即中間位置壓縮率較兩側(cè)略低,因此其對粘貼基底施加的壓力略小.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為非連續(xù)的4個(gè)數(shù)值,其同樣呈現(xiàn)中間略小的規(guī)律,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行等比例對應(yīng)比對,可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的中間部分減小比例與仿真結(jié)果對比略小,其原因是如圖7所示的粘貼實(shí)驗(yàn)中,中部密封條出現(xiàn)非規(guī)律的褶皺形狀,與仿真的絕對規(guī)律形變有一定差異.通過理論計(jì)算、仿真與實(shí)驗(yàn)可知,壓縮粘貼工藝可對粘貼基底施加差值較小的均布載荷,且穩(wěn)定可控,適合當(dāng)前對質(zhì)量控制要求較高的汽車制造業(yè).

4 結(jié) 論

1) 密封條通過壓縮粘貼對粘貼基底施加的壓力沿寬度方向不等,其分布情況與密封條的截面幾何尺寸相關(guān).

2) 密封條通過壓縮粘貼對粘貼基底施加的壓力值與壓縮率呈線性比例關(guān)系,且沿圓周方向均布,對比其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到差值小于8%.

3) 由于壓縮粘貼可對內(nèi)圓角粘貼表面施加均勻、可控的附加壓力,因此具有優(yōu)異的工藝性能,有利于工藝的一致性,以提升密封條在內(nèi)圓角處粘貼的長期穩(wěn)定性,為密封條壓縮粘貼工藝新技術(shù)提供了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).