內(nèi)水切表面涂層對玻璃下降噪音的影響及優(yōu)化

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，以達到減小玻璃升降阻力，增大唇邊耐磨性的目的。然而在實際考核過程中，筆者及其團隊發(fā)現(xiàn)量產(chǎn)的多個車型均存在玻璃升降過程中的異響問題，并且在濕度較高的情況下異響問題的缺陷率相對更高。

因此，筆者及其團隊以北京奔馳某車型為研究對象，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，對內(nèi)水切下唇表面涂層進行優(yōu)化，從而從問題根本上改善玻璃升降過程中以粘-滑方式摩擦震動而產(chǎn)生的噪音問題。

1 評價方法及分析

1.1 問題定義

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，駕駛者可聽到“咕嚕咕?！钡脑胍?，音量較低，但會影響客戶的舒適感受。四門均存在噪音問題，缺陷率為30%～40%，最終考核部門將此問題評定為三級熱點問題。

1.2 噪聲源定位

為了準確定位噪音位置，筆者對照門窗系統(tǒng)數(shù)模對零部件進行逐一排查，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交叉實驗驗證噪音來源，驗證過程分為三相分別為：整車，車門總成以及門窗系統(tǒng)相關(guān)零部件。根據(jù)交叉實驗結(jié)果，交換缺陷車與非缺陷車的內(nèi)水切，噪音問題隨零件轉(zhuǎn)移至非缺陷車。結(jié)合對于門窗系統(tǒng)的三坐標(biāo)測量結(jié)果得出結(jié)論，此項噪音問題與裝配、門內(nèi)飾板、門窗玻璃無關(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摩擦力隨相對速度而變化，當(dāng)水切唇邊振動系統(tǒng)的阻尼小于0時，彈性體積攢一定的彈性勢能，當(dāng)唇邊回彈時所造成的與玻璃之間的滑移會產(chǎn)生振動異響。這種現(xiàn)象被稱為內(nèi)水切唇邊的粘-滑運動的現(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)是解決此項問題的關(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，本項目在合理零件設(shè)計的前提下，控制斷面結(jié)構(gòu)、開口插拔力以及唇邊與玻璃干涉量不變的情況下，對下唇表面的涂層進行優(yōu)化。通過改變摩擦特性使門窗系統(tǒng)運行穩(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

通過理論模型分析，內(nèi)水切所受摩擦力值的瞬時變化是唇邊跳動并產(chǎn)生異響的關(guān)鍵原因。因此，為了減小內(nèi)水切唇邊相對于玻璃表面不同運動狀態(tài)所受摩擦力值的劇烈變化，在具有較低的滑動摩擦系數(shù)的唇邊涂層材料中選用動、靜摩擦系數(shù)差值更小，伸長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)來篩選理想的涂層材料，對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與拉伸強度成正比，與楊氏模量成反比例關(guān)系。當(dāng)M值越大時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)、伸長率以及動、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)植絨唇邊進行材料機械性能與實際裝車驗證的對比。

4 材料性能分析與實驗

4.1 涂層厚度

涂層的噴涂質(zhì)量會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)。為了達到需要的功能性要求，一定的干膜厚度是檢驗涂層噴涂質(zhì)量的基本標(biāo)準。分別從四種樣品的不同位置取樣，觀察涂層外觀表征并測量其涂層干膜厚度，取平均值。參考其他車型的經(jīng)驗，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，為探究涂層厚度對于內(nèi)水切機械性能以及裝車表現(xiàn)的影響，本項目采用了60μm和100μm厚度的試驗樣件，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)量的重要機械性能之一，通常情況下其邵氏硬度設(shè)計理論值在70左右。為了測量涂層在唇邊表面成膜后唇邊的實際硬度（如表1），在每種樣品的十個不同部位取測量點進行邵氏硬度的測量，結(jié)果取平均值。實驗結(jié)果與理論相同，涂層厚度的增加會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

拉伸試驗可以檢測出彈性體的拉伸強度和伸長率（如表2），根據(jù)理論分析拉伸強度較高，伸長率較低的材料，會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，在四種帶有不同涂層的內(nèi)水切唇邊進行取樣，使用模具沖切成寬度為10mm的啞鈴狀試樣條。通過以下公式將工程應(yīng)變-應(yīng)力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)力應(yīng)變值，并計算出拉伸強度以及伸長率：

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

表2 噴涂后內(nèi)水切唇邊拉伸特性

根據(jù)實驗結(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，但是較高的伸長率會使其在車窗系統(tǒng)滑動運行中更容易將動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能，因此會具有更高的唇邊彈跳的風(fēng)險。

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，因此實驗參照標(biāo)準GM 9909P，使用特制的玻璃摩擦頭來模擬門窗系統(tǒng)運行過程中對內(nèi)水切唇邊表面涂層的磨損情況。在零件唇邊表面截取實驗樣條固定在實驗臺上，對玻璃摩擦頭施加1kg的載荷，使其以一定速度進行往復(fù)摩擦，磨損沖程為150mm。每1000次觀察實驗樣件的磨損程度，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，相較于植絨涂層來說，噴涂TPE滑材的唇邊具有更高的耐磨性。也就是說在門窗系統(tǒng)運行的環(huán)境下，具有更長的生命周期。

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)對于分析玻璃升降過程中產(chǎn)生的異響起著至關(guān)重要的作用。通過前期的分析我們了解到玻璃升降過程中的噪音主要是由于動靜摩擦狀態(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，涂層表面的動靜摩擦系數(shù)值越小，并且其比值越小對預(yù)防噪音問題更為有利。在干摩和濕磨兩種條件下分別測出四種涂層的動、靜摩擦系數(shù)，見圖6、7。

圖6 濕磨狀態(tài)下涂層唇邊與玻璃動靜摩擦系數(shù)

在干摩狀態(tài)下，Sarlink涂層與植絨涂層測試結(jié)果較為接近，而濕磨狀態(tài)下Sarlink涂層的動靜摩擦系數(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靜摩擦系數(shù)

5 結(jié)語

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