汽車密封條縱向壓縮粘貼性能

佟夢(mèng)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(yáng) 110819; 2. 華晨寶馬汽車有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 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(guó)Grohmann公司[6]開(kāi)發(fā)了車門密封條自動(dòng)化滾壓工藝及設(shè)備, 目前國(guó)際上還有其他公司開(kāi)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(kāi).Sugizaki等[8]研究了膠帶的剝離角度對(duì)剝離力的影響;Dalbe等[9]研究了膠帶的剝離速度對(duì)剝離力的影響;Mohammed等[10]對(duì)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(kāi)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(duì)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(duì)粘貼基底產(chǎn)生的附加壓力,提出了通過(guò)壓縮率計(jì)算密封條對(duì)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(guò)程的有限元仿真,完成了壓縮粘貼對(duì)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(duì)粘貼基底附加壓力之間的關(guān)系,獲得了壓力場(chǎng)分布.結(jié)果表明:壓縮粘貼可使密封條對(duì)粘貼基底施加穩(wěn)定、均勻的附加壓力.密封條通過(guò)壓縮粘貼對(duì)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(zhǎng)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(kāi)膠現(xiàn)象的位置.為了減少汽車產(chǎn)品在客戶使用過(guò)程中的開(kāi)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?duì)密封條的壓縮力可通過(guò)密封條本體轉(zhuǎn)化為密封條對(duì)車身的附加壓力.為了研究壓縮率與密封條對(duì)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(duì)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(duì)等分?jǐn)?shù)量取正無(wú)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(jiǎn)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(duì)該點(diǎn)的擠壓力,F5為F3和F4的合力,即對(duì)粘貼基底的壓力,通過(guò)計(jì)算可得到壓縮粘貼工藝對(duì)車身的壓強(qiáng)p為

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式中:n為簡(jiǎn)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(zhǎng)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(cè)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(lái)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(duì)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(hào)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(wú)分離方式進(jìn)行固定.密封條的應(yīng)變?cè)茍D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?cè)茍D； (b)—密封條對(duì)粘貼基底的作用應(yīng)力.

由于密封條的壓縮,密封條對(duì)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(duì)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(guò)程中產(chǎn)生的縱向壓縮對(duì)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(duì)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(lái)采集密封條壓縮粘貼后對(duì)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(duì)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(duì)密封條的縱向擠壓會(huì)使其產(chǎn)生橫向應(yīng)力,過(guò)大的橫向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致密封條的橫向位移,壓縮率過(guò)大會(huì)影響密封條的粘貼精度.因此本文只對(duì)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(cè)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(duì)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(jiàn)圖9.通過(guò)圖9可得,密封條通過(guò)壓縮粘貼對(duì)粘貼基底施加的計(jì)算應(yīng)力沿截面橫向位置均布,對(duì)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(duì)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(guò)圖5a所示的應(yīng)變?cè)茍D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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)比對(duì),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(duì)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(duì)規(guī)律形變有一定差異.通過(guò)理論計(jì)算、仿真與實(shí)驗(yàn)可知,壓縮粘貼工藝可對(duì)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(duì)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(guò)壓縮粘貼對(duì)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(guò)壓縮粘貼對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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).