高分子材料的降噪性能評(píng)價(jià)方法

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(jià)格競(jìng)爭(zhēng)白熱化，高分子材料因具有價(jià)格低、一體成型、后加工簡單等優(yōu)點(diǎn)，在替代部分金屬零件方面已成為必然的趨勢(shì)。由于大多數(shù)家電在工作時(shí)會(huì)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(dòng)機(jī)或行駛震動(dòng)或零件受外力擠壓，也會(huì)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(diǎn)；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(duì)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?yàn)槠髽I(yè)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，還可以塑造良好的企業(yè)形象，給消費(fèi)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(diǎn)之一，也是高端制造與中低端制造的關(guān)鍵區(qū)別點(diǎn)?？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(dòng)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(dòng)機(jī)噪聲、進(jìn)排氣噪聲、傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲、高速行駛時(shí)的風(fēng)噪聲以及零件震動(dòng)噪聲等[3]。目前針對(duì)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(duì)異響問題的評(píng)判仍需進(jìn)行零件組裝，主觀評(píng)價(jià)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(shí)，可能會(huì)發(fā)生典型的粘滑現(xiàn)象。粘滑指的是兩個(gè)材料受到外力后，由于摩擦運(yùn)動(dòng)使材料由相互粘著的狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變?yōu)槊撾x滑動(dòng)的狀態(tài)的一種現(xiàn)象[8-9]。粘滑現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致塑料件的摩擦震動(dòng)而發(fā)出異響聲，因此，如果采用合理的粘滑評(píng)價(jià)手段，可以將異響風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和控制提前到產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(xiǎn)，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(jìng)爭(zhēng)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(huì)制定的一種檢測(cè)材料粘滑行為評(píng)價(jià)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(xiǎn)系數(shù)(RPN)表示[10]。但在塑料改性行業(yè)內(nèi)，該測(cè)試方法暫時(shí)還未得到成熟應(yīng)用，且該測(cè)試方法要求的樣板接觸面積較大，測(cè)試過程中的壓強(qiáng)較低，因此測(cè)試時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生異響，而是通過較為復(fù)雜的計(jì)算公式將多種因素疊加而輸出RPN值，測(cè)試結(jié)果不具有可視化。筆者通過合適的工裝設(shè)計(jì)進(jìn)行了摩擦異響試驗(yàn)，目的是在模擬材料粘滑摩擦的同時(shí)，通過對(duì)比噪音和震動(dòng)參數(shù)的大小來評(píng)價(jià)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(shí)的工況且具有直觀性。

1 實(shí)驗(yàn)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(huì)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(yàn)

設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

為了減小試驗(yàn)誤差、保證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，在試驗(yàn)過程中保證壓力、摩擦速度恒定，待測(cè)樣品A的測(cè)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(yàn)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(gè)周期；摩擦壓頭B材質(zhì)固定為常規(guī)ABS750，待測(cè)樣品A尺寸為140 mm×90 mm×3 mm。由于塑料材料受到壓力會(huì)產(chǎn)生局部輕微形變，其靜摩擦力一般遠(yuǎn)大于動(dòng)摩擦力，因此壓頭和樣板之間滑動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和噪音，將震動(dòng)傳感器粘貼在摩擦壓頭上采集摩擦過程中產(chǎn)生的震動(dòng)參數(shù)，聲音傳感器距待測(cè)樣板5 cm采集聲音參數(shù)(人耳響度和震動(dòng)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(shí)是否發(fā)生粘滑行為，將摩擦異響實(shí)驗(yàn)后的樣板進(jìn)行吹掃清潔后，在顯微鏡下對(duì)其表面劃痕進(jìn)行觀察并分析。

1．4 RPN測(cè)試

根據(jù)德國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)VDA 230-206，待測(cè)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(dòng)距離固定為50 mm，滑動(dòng)速度為1 mm/s和4 mm/s，負(fù)載為10 N和40 N。測(cè)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(gè)等級(jí)：當(dāng)RPN為1～3時(shí)，判定材料發(fā)生粘滑異響的風(fēng)險(xiǎn)低；當(dāng)RPN為4～6時(shí)，認(rèn)為材料有中等風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生粘滑異響；當(dāng)RPN為7～10時(shí)，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(jì)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(duì)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(shí)的人耳響度隨時(shí)間即摩擦次數(shù)的變化曲線。通過圖2的人耳響度值對(duì)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(xiǎn)更小。

圖2 不同材料的人耳響度隨時(shí)間的變化曲線

2．2 震動(dòng)加速度結(jié)果分析

圖3 不同材料的震動(dòng)加速度隨時(shí)間的變化曲線

聲音的產(chǎn)生都會(huì)伴隨著震動(dòng)，一般情況下震動(dòng)頻率越高，震動(dòng)越劇烈，震動(dòng)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(shí)的震動(dòng)加速度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)測(cè)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(dòng)加速度大小，其中X軸即摩擦方向上的震動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生了震動(dòng)，即粘滑的方向與摩擦方向是一致的，說明在試驗(yàn)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(dòng)加速度隨時(shí)間變化曲線。從材料的震動(dòng)加速度數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)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(yàn)?zāi)M粘滑行為，測(cè)試樣板發(fā)出異響時(shí)，樣板本身發(fā)生了劇烈的震動(dòng)，其震動(dòng)加速度峰值分別約為7G和8.5G；降噪ABS材料的震動(dòng)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(dòng)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(shì)變化是對(duì)應(yīng)的。另外，震動(dòng)加速度的寬度反映了單次摩擦噪音的持續(xù)時(shí)間長短，降噪改性的PC/ABS的震動(dòng)加速度寬度小、數(shù)值低，說明異響聲小且持續(xù)時(shí)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(duì)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?yàn)椴牧系撵o摩擦力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動(dòng)摩擦力，導(dǎo)致其在滑動(dòng)過程中產(chǎn)生了震動(dòng)，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(gè)滑動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)試壓力、速度下的RPN值。從表1測(cè)試結(jié)果看，測(cè)試壓力越高，各材料的RPN值越大，且相比4 mm/s的滑動(dòng)速度，各材料在1 mm/s的滑動(dòng)速度下發(fā)生異響的風(fēng)險(xiǎn)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(cè)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(xiǎn)大幅度降低。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)對(duì)比來看，未降噪改性的常規(guī)ABS和常規(guī)PC/ABS的震動(dòng)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(dòng)加速度、響度和RPN值，RPN測(cè)試結(jié)果與摩擦異響測(cè)試的結(jié)果具有一致性，說明摩擦異響實(shí)驗(yàn)對(duì)材料降噪性能的評(píng)價(jià)具有可靠性。

表1 不同材料的RPN測(cè)試結(jié)果

表2 材料的RPN值與摩擦異響測(cè)試結(jié)果匯總

3 結(jié)論

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

(1)顯微形貌分析說明該工裝設(shè)計(jì)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(yàn)和材料RPN測(cè)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(xiǎn)較大；而經(jīng)過降噪改性的材料，人耳響度、震動(dòng)加速度和RPN值都較低，說明發(fā)生異響的風(fēng)險(xiǎn)也較低。摩擦異響試驗(yàn)和RPN測(cè)試結(jié)果具有一致性，說明該摩擦異響試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫卦u(píng)估ABS和PC/ABS材料的異響風(fēng)險(xiǎn)大小。