基于汽車(chē)風(fēng)窗玻璃粘接安裝技術(shù)研究

王永浩

摘要：文章主要對(duì)具有代表性的幾種粘接劑的種類(lèi)及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并針對(duì)客車(chē)車(chē)身側(cè)圍某典型結(jié)構(gòu)，完成了車(chē)窗粘接膠等效粱模型的構(gòu)建，以所設(shè)計(jì)的窗框簡(jiǎn)化模型為依據(jù)在對(duì)其進(jìn)行初步分析的基礎(chǔ)上完成作為作為計(jì)算目標(biāo)值的應(yīng)力采集點(diǎn)的提取，據(jù)此完成粘接膠等效模型最優(yōu)參數(shù)的計(jì)算，針對(duì)某客車(chē)車(chē)身骨架使用該粘接膠等效模型對(duì)客車(chē)粘接式側(cè)窗對(duì)整車(chē)性能的影響情況進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的粘接膠等效模型的有效性。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)風(fēng)窗玻璃;粘接安裝技術(shù);粘接劑

中圖分類(lèi)號(hào)：U466;TQ437文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）11-0005-05

傳統(tǒng)固定車(chē)風(fēng)窗玻璃的方法是在車(chē)身上將風(fēng)窗玻璃使用橡膠密封嵌條進(jìn)行鑲嵌（機(jī)械固定法），在裝配時(shí)一般需通過(guò)涂覆適當(dāng)?shù)拿芊饽z以實(shí)現(xiàn)防止漏雨及提高密封性等目標(biāo)，此種方法簡(jiǎn)單易操作、易拆卸，但存在風(fēng)窗玻璃易脫落、安全性不足等問(wèn)題，為有效彌補(bǔ)機(jī)械固定法的不足，在固定汽車(chē)風(fēng)窗玻璃方面粘接法（在車(chē)身上使用粘接劑直接固定風(fēng)窗玻璃）已成為提升車(chē)輛密封性和美觀性的有效手段，促使膠粘劑取得了快速的發(fā)展。目前作為一項(xiàng)較為先進(jìn)的技術(shù)，直接粘貼法成為安裝汽車(chē)風(fēng)窗玻璃常用的方法，采用此種方法安裝的風(fēng)窗玻璃增加了連接處強(qiáng)度，能夠承受一定的載荷，顯著提升了密封效果及車(chē)身外形美觀度，可作為車(chē)身上永久固定件，文章主要對(duì)汽車(chē)風(fēng)窗玻璃粘接安裝技術(shù)進(jìn)行了研究。

1風(fēng)窗玻璃固定粘接劑種類(lèi)及應(yīng)用

1）具有有永久粘性的丁基橡膠帶，主體材料為丁基橡膠并配入其它輔劑形成的預(yù)成型膠帶（橫截面固定），以卷盤(pán)狀包裝，需先展開(kāi)撕去分離紙后在窗框上粘貼該膠帶和風(fēng)窗玻璃，然后進(jìn)行加壓處理以確保玻璃與窗框貼合。丁基膠帶固定法具有操作簡(jiǎn)便、低成本等優(yōu)點(diǎn)，但其較為突出的缺點(diǎn)限制了應(yīng)用效果，主要表現(xiàn)在：強(qiáng)度較低的丁基膠帶不利于風(fēng)窗玻璃同車(chē)身間結(jié)構(gòu)粘接的有效形成，影響了車(chē)身的剛性;風(fēng)窗玻璃的承壓性能不足使玻璃易被破壞影響了車(chē)身的安全性;對(duì)窗框形狀的平整度要求較高，易出現(xiàn)凹坑或不規(guī)整處難以填滿(mǎn)的情況，為兼顧密封性及美觀性通常需結(jié)合使用輔助密封膠。

2）氯丁橡膠帶，一種擠出成型的熱硫化膠帶，粘接強(qiáng)度比丁基膠帶高，內(nèi)部含有加熱用金屬線芯在電流的作用下，膠帶受熱表面變軟變粘，可對(duì)窗框的不規(guī)整處進(jìn)行有效填充，氯丁膠帶隨著溫度的進(jìn)一步升高會(huì)發(fā)生硫化，實(shí)現(xiàn)車(chē)身同風(fēng)窗玻璃的有效粘接。使用此種膠帶固定玻璃時(shí)無(wú)需加壓，能填充不規(guī)整處。但需在運(yùn)動(dòng)的生產(chǎn)線上持續(xù)加熱膠帶5min左右，提升了操作復(fù)雜程度及成本，阻礙了氯丁膠帶的推廣使用。

3）聚硫橡膠粘接劑，該粘接劑最早是一種液態(tài)多硫聚合物（三組分室溫硫化），需先通過(guò)混膠機(jī)和計(jì)量泵將粘接劑進(jìn)行充分混合，再使用涂膠槍在窗框上涂抹，接下來(lái)放置風(fēng)窗玻璃并施加輕微的壓力以確保低洼和不規(guī)則處能夠流入液態(tài)膠，從而將風(fēng)窗玻璃粘到車(chē)身上。聚硫橡膠粘接劑在裝配線上所需固化時(shí)間及應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生粘接強(qiáng)度用時(shí)較短。后來(lái)為提高使用效率及便利性進(jìn)一步改進(jìn)了粘接劑，改成兩組分包裝。粘接強(qiáng)度較高的聚硫粘劑固定玻璃過(guò)程無(wú)需加壓和使用輔助密封膠、適用于低洼和不規(guī)則處的窗框，風(fēng)窗玻璃與車(chē)身形成結(jié)構(gòu)粘接。但在使用聚硫鉆接劑時(shí)需應(yīng)用混合設(shè)備、耐候性能不足、成本較高。

4）聚氨醋粘接劑，具有彈性良好、耐低溫、抗沖擊、耐疲勞等優(yōu)勢(shì)，其粘接性能適用于多種材料（包括金屬、非金屬等），從而得到廣泛應(yīng)用。使用該粘接劑固定風(fēng)窗玻璃表現(xiàn)出了較好的耐候性能及較高粘接強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)。通常采用涂刷底漆方法可使聚氨醋粘接劑的粘接性能得以有效提高，選擇底漆時(shí)需以實(shí)際粘接對(duì)象為依據(jù)（如玻璃、塑料、有油漆的鋼板）。川狄璃和漆面兩種底漆均可用于粘接固定風(fēng)窗玻璃。使用聚氨醋粘接劑時(shí)需先清除粘接面的油污，然后將底漆涂到玻璃、窗框上，接下來(lái)在玻璃上涂膠，將玻璃輕壓安放到窗框上以確保對(duì)位貼合。

2風(fēng)窗玻璃粘接膠等效模型設(shè)計(jì)

2.1需求分析

包括風(fēng)擋及后窗玻璃在內(nèi)的風(fēng)窗玻璃同車(chē)身構(gòu)成整體使車(chē)身剛性及車(chē)身設(shè)計(jì)的自由度（立柱、窗孔、車(chē)頂?shù)刃螤睿┑靡杂行岣?，因降低鋼板厚度進(jìn)而減輕了整車(chē)質(zhì)量，在提高整車(chē)強(qiáng)度的同時(shí)提高車(chē)輛安全性。風(fēng)窗玻璃通過(guò)使用粘接劑實(shí)現(xiàn)同車(chē)身間的密切貼合，提高了車(chē)身的密封性及美觀性。作為日常出行不可缺少的現(xiàn)代交通工具，客車(chē)的安全性始終是人們關(guān)注的重點(diǎn)之一，采用有限元分析客車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)時(shí)為兼顧結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，針對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)的有限元建模以車(chē)身骨架為主，同時(shí)需考慮包括玻璃等在內(nèi)的車(chē)身非結(jié)構(gòu)件對(duì)客車(chē)整體特性的影響（包括強(qiáng)度剛度等）?，F(xiàn)有有限元模型中（針對(duì)客車(chē)車(chē)身強(qiáng)度）通常在側(cè)圍車(chē)身骨架上固定連接等效為質(zhì)量點(diǎn)的側(cè)窗，不利于研究其對(duì)車(chē)身骨架強(qiáng)度的影響。客車(chē)側(cè)窗玻璃粘接新工藝的發(fā)展顯著改善了粘接強(qiáng)度。在側(cè)窗玻璃粘接對(duì)車(chē)身性能影響方面，以車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化為依據(jù)及粘接劑復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能（包括靜態(tài)、抗疲勞等性能）方面的研究已經(jīng)得到了證實(shí)。同殼單元相比梁?jiǎn)卧?jiǎn)易快捷，能夠在計(jì)算應(yīng)力時(shí)實(shí)現(xiàn)桿件兩端內(nèi)力大小的獲取，但在對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)性能受到粘接式車(chē)窗的具體影響進(jìn)行研究時(shí)，采用實(shí)體單元對(duì)粘接膠進(jìn)行建模易導(dǎo)致其同客車(chē)骨架梁?jiǎn)卧獙⒂邢拊Ｐ玩溄訂?wèn)題的出現(xiàn)”。為確保簡(jiǎn)單實(shí)用本文對(duì)粘接膠等效梁模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)從提取出的典型結(jié)構(gòu)完成了局部研究模型的建立，模型的目標(biāo)值使用殼單元應(yīng)力計(jì)算值，并根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)思想獲取單元模型的參數(shù)。

2.2車(chē)窗粘接膠等效模型方案

為提高研究效率并確保該結(jié)構(gòu)后期試驗(yàn)的可行性，本文的研究對(duì)象選擇客車(chē)側(cè)圍上某段典型結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上完成了簡(jiǎn)化比例模型的設(shè)計(jì)具體如圖1所示，窗框及玻璃分別采用梁?jiǎn)卧蜌卧M(jìn)行模擬，將粘接膠層劃分為若干段（沿著長(zhǎng)度方向），各段膠層長(zhǎng)度、寬度及厚度分別由L、H、t表示，用等效梁?jiǎn)卧獙?duì)各段膠層進(jìn)行模擬，再使用粘接膠等效梁?jiǎn)卧獙⒉煌瑔卧创翱蛄杭安ＡみB接起來(lái)。車(chē)窗粘接膠等效模型主要由窗框、粘接膠和玻璃構(gòu)成，為真實(shí)反映車(chē)窗的受力狀態(tài)，對(duì)一段典型結(jié)構(gòu)（從車(chē)身側(cè)圍側(cè)窗中截取）進(jìn)行比例簡(jiǎn)化，各窗框的長(zhǎng)度及高度分別為500mm和300mm，比例簡(jiǎn)化模型長(zhǎng)為2500mm、其懸臂梁的截面為40mm×40mm×1.5mm，選用20#鋼作為窗框骨架。使用等效梁?jiǎn)卧Ｐ蛯?duì)各段粘接膠層（長(zhǎng)5mm）進(jìn)行模擬。等效模型的窗框和玻璃分別采用梁?jiǎn)卧退倪呅螝卧▽?duì)應(yīng)長(zhǎng)度和邊長(zhǎng)均為5mm）進(jìn)行模擬，將參數(shù)待定的兩塊玻璃安置于懸臂梁右端附近。右端底部各方向的自由度通過(guò)螺栓固定，左端負(fù)責(zé)加載。目標(biāo)應(yīng)力對(duì)應(yīng)從模型上選取部分應(yīng)力值（避開(kāi)應(yīng)力較小和應(yīng)力集中的位置），據(jù)此完成車(chē)窗粘接膠等效參數(shù)的確定（根據(jù)應(yīng)用參數(shù)設(shè)計(jì)思想）。針對(duì)簡(jiǎn)化比例模型通過(guò)有限元試算的使用實(shí)現(xiàn)應(yīng)力結(jié)果的獲取。從如圖2所示的位置選取應(yīng)力采集點(diǎn)20個(gè)。

2.3等效模型參數(shù)的確定

本文依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)思想，目標(biāo)值采用了殼單元模型的計(jì)算結(jié)果（包括其上應(yīng)力提取點(diǎn)的目標(biāo)應(yīng)力值），進(jìn)而獲取粘接膠等效模型參數(shù)。根據(jù)簡(jiǎn)化模型尺寸為同真實(shí)情況相符，將兩塊玻璃粘貼于懸臂梁右側(cè)，具體材料性能參數(shù)如表1所示，鋼化玻璃尺寸為495mm×270mm×3mm，粘接膠層寬度和厚度分別為16.5mm和3mm，鋼化玻璃使用聚氨醋粘接劑Terostat膠進(jìn)行粘貼，模型左端加載3組載荷（大小分別為300N、350N、400N）對(duì)已確定的應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行測(cè)試，粘接膠等效模型以所獲取的應(yīng)力值作為其目標(biāo)計(jì)算值（根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)思想），從而獲取應(yīng)力矩陣（由A表示）。

對(duì)于粘接膠等效模型，設(shè)定以10mm×10mm×2mm作為其梁?jiǎn)卧孛娉叽?，泊松比?.46。同殼單元上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力相比，為使模型應(yīng)力提取點(diǎn)同其偏差最小，從而完成一個(gè)最優(yōu)等效彈性模量的確定，先對(duì)3組不同載荷下的等效粘接單元的應(yīng)力提取點(diǎn)的由Bk（不同彈性模量下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力矩陣）表示的應(yīng)力矩陣進(jìn)行計(jì)算，求應(yīng)力矩陣A同應(yīng)力矩陣Bk（k=1，2，…，14，15）間的差值，粘接膠等效模型的模型誤差采用所獲取差值矩陣由M_k表示的2-范數(shù)進(jìn)行衡量，具體表達(dá)式如下。

將應(yīng)力總偏差定義為M_k，分別以M_k和粘接膠等效彈性模量作為因變量和自變量，在此基礎(chǔ)上通過(guò)最小二乘法的使用實(shí)現(xiàn)應(yīng)力偏差曲線的擬合，具體如圖3所示，從中可找到某點(diǎn)（0.176GPa）對(duì)應(yīng)最小的等效模型的應(yīng)力總偏差，最小值約為27.4MPa，等效模型在此彈性模量下效果最好。接下來(lái)為對(duì)擬合曲線最優(yōu)解的合理性做進(jìn)一步驗(yàn)證，在粘接膠等效模型中輸入上述最優(yōu)參數(shù)（包括彈性模量、泊松比、梁?jiǎn)卧孛娉叽纾┇@取Mk的計(jì)算結(jié)果為27.2MPa，趨近于擬合曲線的最優(yōu)結(jié)果，證明了最優(yōu)參數(shù)的有效性與合理性。根據(jù)該參數(shù)獲取20個(gè)提取點(diǎn)同實(shí)體單元模型間應(yīng)力值的對(duì)比結(jié)果如圖4所示，殼單元模型同等效模型間的計(jì)算結(jié)果基本一致，即等效模型與實(shí)際情況相吻合。

3等效簡(jiǎn)化模型的驗(yàn)證及性能分析

3.1模型驗(yàn)證

本文通過(guò)簡(jiǎn)化模型試件（粘接兩塊玻璃）的建立完成對(duì)粘接膠等效模型正確性的驗(yàn)證過(guò)程，試驗(yàn)具體的測(cè)試點(diǎn)選取了應(yīng)力水平較大（避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)域）的應(yīng)力提取點(diǎn)功10個(gè)，圖5為最終貼片的確定位置，以降低應(yīng)變片的測(cè)量誤差，采用同仿真相同的加載和固定方式，用螺栓固定右端下部，由左端加載3組載荷（300N、400N、500N），進(jìn)行多次測(cè)量，剔除了結(jié)果波動(dòng)較大的測(cè)試點(diǎn)7，等效模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算值同其余9個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力間的關(guān)系如圖6所示，模型試驗(yàn)值同計(jì)算值間的誤差不超過(guò)15%，驗(yàn)證了該等效模型參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

3.2粘接車(chē)窗玻璃對(duì)整車(chē)性能的影響

3.2.1對(duì)整車(chē)剛度的影響

玻璃等附件在客車(chē)有限元分析中通常不作為影響車(chē)身性能的考慮對(duì)象，使整車(chē)的強(qiáng)度剛度和模態(tài)難以被真實(shí)的模擬出來(lái)，進(jìn)而影響到客車(chē)車(chē)身骨架設(shè)計(jì)時(shí)材料的利用率。本文針對(duì)整車(chē)剛度、強(qiáng)度和模態(tài)，在整車(chē)中應(yīng)用所設(shè)計(jì)的粘接膠等效模型（保證模型參數(shù)不變）對(duì)側(cè)窗粘接玻璃對(duì)其產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。分析車(chē)身結(jié)構(gòu)的剛度主要是對(duì)其抵抗彈性變形的能力（在不破壞車(chē)身?xiàng)l件下）進(jìn)行研究，采用本文粘接膠等效模型對(duì)車(chē)身彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度受到粘接玻璃的影響情況進(jìn)行分析，先采用梁?jiǎn)卧獙?duì)車(chē)身骨架進(jìn)行模擬，然后在相同的約束方式下對(duì)車(chē)身模型（有玻璃）和車(chē)身骨架模型（無(wú)玻璃）完成模型應(yīng)力的計(jì)算，剛度的對(duì)比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示，相比無(wú)玻璃車(chē)身有玻璃車(chē)身的彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度得到有效提升（分別是無(wú)玻璃車(chē)身的1.02、1.08倍），驗(yàn)證了粘接側(cè)窗對(duì)提升整車(chē)剛度的作用。

3.2.2對(duì)整車(chē)強(qiáng)度的影響

對(duì)車(chē)身在滿(mǎn)載彎曲、左前輪及右前輪懸空三種工況下的強(qiáng)度進(jìn)行研究，應(yīng)力統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果為：整車(chē)骨架在滿(mǎn)載彎曲工況下從無(wú)玻璃模型的最大應(yīng)力值為339.5，有玻璃模型的最大應(yīng)力值為282.4MPa，該車(chē)的應(yīng)力水平在合理范圍內(nèi);無(wú)玻璃模型的平均應(yīng)力為75.3，有玻璃模型的平均應(yīng)力為63.8MPa，下降約15%左右;在左右輪懸空工況下，無(wú)玻璃模型的平均應(yīng)力分別為73.5MPa和80.9MPa，有玻璃模型的平均應(yīng)力分別為70.2MPa和74.6MPa，本文模型的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差也得以降低，驗(yàn)證了側(cè)窗玻璃在提升車(chē)身強(qiáng)度方面的作用，需將側(cè)圍玻璃的影響納入到建立整車(chē)模型時(shí)的考慮范圍。

3.2.3對(duì)整車(chē)模態(tài)的影響

在各類(lèi)振動(dòng)源的作用下處于運(yùn)行狀態(tài)的客車(chē)會(huì)產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)，1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)及彎曲模態(tài)在車(chē)身振動(dòng)模態(tài)中對(duì)車(chē)身的影響最為明顯，在對(duì)客車(chē)整車(chē)模態(tài)的影響因素進(jìn)行分析時(shí)傳統(tǒng)模態(tài)分析方法對(duì)側(cè)窗玻璃的影響重視不足，為更加接近真實(shí)情況，應(yīng)用本文粘接膠等效模型對(duì)粘接車(chē)窗玻璃對(duì)整車(chē)自由模態(tài)的影響進(jìn)行了研究，同樣采用梁?jiǎn)卧獙?duì)車(chē)身骨架進(jìn)行模擬，并在自由狀態(tài)下使用等效模型分別對(duì)有無(wú)粘接玻璃車(chē)身的模態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，粘接玻璃的車(chē)身l階扭轉(zhuǎn)頻率為7.85Hz，無(wú)粘接玻璃車(chē)身為7.26;粘接玻璃的車(chē)身1階（垂向）彎曲頻率為16.63Hz，無(wú)粘接玻璃車(chē)身為15.11，驗(yàn)證了使用粘接玻璃后車(chē)身的彎曲及扭轉(zhuǎn)頻率均得以提高，并且同實(shí)際整車(chē)自由振動(dòng)頻率吻合。

4結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)風(fēng)窗玻璃直接粘接固定法被開(kāi)發(fā)出來(lái)（即車(chē)身上使用膠粘劑粘接風(fēng)窗玻璃）并得到普遍應(yīng)用，能夠在減少整車(chē)質(zhì)量的同時(shí)提高車(chē)身剛性和密閉性，為使車(chē)身骨架梁?jiǎn)卧c風(fēng)窗玻璃間的粘接問(wèn)題得以有效解決，文章在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種粘接膠等效梁?jiǎn)卧Ｐ停瑢?duì)粘接膠模型采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，對(duì)車(chē)身骨架及車(chē)窗玻璃采用殼單元進(jìn)行模擬能夠獲得滿(mǎn)足需要的計(jì)算精度，并通過(guò)在某一全承載式客車(chē)車(chē)身骨架應(yīng)用該模型的試驗(yàn)，證明了使用粘接玻璃可有效提高了車(chē)身骨架的強(qiáng)度剛度，驗(yàn)證了模型的有效性和可靠性，為客車(chē)車(chē)身安全性和輕量化設(shè)計(jì)的優(yōu)化和完善提供參考。