天窗密封條摩擦異響控制方法研究

王維松 靳豹 孫福華 李海鵬

（長城汽車股份有限公司保定技術研發(fā)分公司，保定 071003）

1 前言

隨著汽車NVH 性能的提高，用戶對異響（Squeak and Rattle，S&R）問題越來越敏感，S&R 問題常在特定條件下或特定工況下出現(xiàn)，通常被認為由質(zhì)量問題造成。天窗密封條摩擦異響是常見的S&R 問題之一，車輛在行駛過程中受到路面載荷激勵，會使車身發(fā)生扭轉(zhuǎn)或者彎曲變形，導致天窗與車身產(chǎn)生相對位移，進而使密封條產(chǎn)生擠壓和錯動，達到一定位移時即會產(chǎn)生“吱吱”聲[1]。

國內(nèi)整車制造商對密封條摩擦異響問題進行了相關研究。王小虎等通過建立天窗密封條振動的力學模型，探討了產(chǎn)生摩擦異響的機理以及解決此類異響問題的對策[2]。張杰等對顛簸路面條件下密封件和車門之間的動態(tài)異響問題進行受力分析，從車門、車身漆面及密封件涂層等方面找到異響的影響因素，并提出了改進方案[3]。鄧晶等提出將門框剛度、密封條剛度、密封條涂層、密封條間隙等因素整合，提出了密封條摩擦異響的系統(tǒng)性防范方法[4]。周銀等利用非線性仿真對密封條斷面進行分析，通過密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決了密封條異響問題[5]。

本文提出一種天窗密封條摩擦異響的控制方法，通過CAE 手段對車身與天窗的相對位移進行分析，利用測試手段獲取密封條粘連階段的位移，經(jīng)過對比控制避免密封條產(chǎn)生滑動階段，進而降低密封條異響風險。

2 密封條異響機理分析

2.1 密封條斷面結(jié)構(gòu)

天窗密封條斷面結(jié)構(gòu)如圖1 所示，密封條通過丙烯酸泡沫膠粘劑與頂蓋鈑金相連，密封條與左側(cè)天窗聚氨酯（Polyurethane，PU）面配合，當天窗與車身發(fā)生相對運動時，密封條與天窗PU 面會發(fā)生整車坐標±Z向、±Y向的往復運動。

2.2 密封條異響機理

車輛行駛在顛簸或扭曲路面上時，路面激勵使車身變形，從而引起天窗與車身間的往復相對運動，天窗PU 面與頂蓋密封條間產(chǎn)生能量積累，能量達到一定程度后克服粘連力發(fā)生相對滑動，能量釋放產(chǎn)生異響。密封條與天窗PU 面間粘滑效應的不同階段如圖2所示：

圖2 天窗密封條異響機理

a.原始狀態(tài)，密封條泡管與天窗PU表層相互壓縮，為密封狀態(tài)；

b. 粘連階段，密封條泡管隨車身產(chǎn)生變形，二者未發(fā)生相對位移，密封條粘連于天窗PU 表面，該階段產(chǎn)生應力集中；

c. 滑動階段，車身與天窗相對位移足夠大時，密封條克服粘連力產(chǎn)生滑動并快速復原，不斷往復運動，能量釋放發(fā)出“吱吱”聲，產(chǎn)生摩擦異響。

3 天窗密封條異響控制方法

3.1 控制方法

車身、天窗及密封條組成天窗密封系統(tǒng)，三者相互作用，影響密封條摩擦異響。從摩擦現(xiàn)象與能量的角度分析，控制密封條摩擦異響問題有2 種思路：

一種是使摩擦因數(shù)足夠小，即接觸面間足夠光滑，使得粘連階段與滑動階段時間縮短，相對加速度減小，減少了兩者間的能量積累，從而降低了聲源處發(fā)出的噪聲響度，如圖3所示。

圖3 減小摩擦因數(shù)示意

另一種是使摩擦因數(shù)足夠高，即在密封條斷面和壓縮量一定的情況下，增大摩擦因數(shù)以提高摩擦力，從而增大進入滑動階段需要的力，還未進入滑動階段時即向反方向運動，故只經(jīng)歷粘連階段，不產(chǎn)生摩擦異響，如圖4所示。

圖4 提高摩擦因數(shù)示意

車輛開發(fā)時，需考慮車身與天窗間的相對位移，若二者間相對位移過大，密封條不斷發(fā)生往復相對滑動，經(jīng)長時間使用后，表面涂層易發(fā)生磨損，會導致摩擦因數(shù)發(fā)生變化，增加密封條摩擦異響風險。因此，控制密封條摩擦異響，需從2 個方面考慮：減小車身與天窗的相對運動；增加粘連階段天窗PU 面與密封條之間的變形量（即最小異響位移X）。

將車身與天窗間的相對位移控制在最小異響位移X以下，不出現(xiàn)滑動階段，進而避免密封條產(chǎn)生摩擦異響問題。

3.2 車身與天窗的相對位移

在車輛設計階段，利用有限元方法進行相對位移分析，識別天窗與車身間的位移變化，并可通過控制天窗與車身間Y向和Z向相對運動降低密封條摩擦風險。

利用HyperWorks 軟件中S&R Director（SNRD）模塊進行仿真分析，為了盡可能接近真實試驗場景，采用隨機載荷作為輸入信號，車身與底盤連接點（即前后減振器固定點、前后擺臂固定點、后縱臂固定點）輸入載荷信號如圖5 所示。在車身與天窗之間定義異響評價線（Evaluation Line，E-Line），如圖6 所示。異響評價線由節(jié)點對組成，每組節(jié)點對之間定義C-BUSH單元，用于連接天窗與車身，以此統(tǒng)計分析車身與天窗間的相對位移。

圖5 車身與底盤連接點輸入載荷信號

圖6 異響評價線

3.3 最小異響位移

利用摩擦試驗臺對密封條與PU 面進行粘滑試驗，密封條噴涂選擇2 種不同類型，即顆粒噴涂（涂層1）和光滑噴涂（涂層2），天窗PU 面同樣選擇2 種類型，即光面與皮紋面。試驗中需考慮濕度、溫度、相對速度和正壓力等外部條件，確定不同涂層的密封條與其所配合的PU面發(fā)生異響所需的位移。

為了獲取可靠的測試結(jié)果，將PU面板粘貼于固定工裝上，密封條用膠粘劑粘貼于移動工裝上，根據(jù)實際裝配荷重定義，密封條與PU板壓力保持在15 N，如圖7所示。密封條樣件長度為100 mm，PU樣板尺寸為200 mm×400 mm，PU樣板保持固定，沿整車Z向和Y向移動密封條（速度1 mm/s，行程10 mm），測量從密封條開始運動到密封條與PU 將要產(chǎn)生滑動為止的距離，即最小異響位移，結(jié)果如表1所示。

圖7 粘滑試驗工裝示意

表1 最小異響位移測試結(jié)果

由表1 可知，采用涂層2 的密封條比采用涂層1的密封條最小異響位移相對更大，涂層2 與天窗PU面增加皮紋的材料兼容性最好，二者配合時最小異響位移為0.6 mm，前期選型優(yōu)先選擇密封條涂層2與皮紋面PU。

3.4 結(jié)果分析與討論

天窗與車身間的相對位移分析是模擬真實路況條件進行的頻率響應分析，仿真過程中自動計算節(jié)點對間的相對位移。天窗與車身邊界中各節(jié)點在載荷激勵下的相對位移云圖如圖8所示。

圖8 相對位移云圖

將異響評價線在時域上的相對位移結(jié)果排序，提取每條異響評價線中Y向、Z向最大位移，結(jié)果如表2所示。

表2 最小異響位移分析結(jié)果 mm

將天窗和車身的相對位移與試驗獲得的密封條最小異響位移進行對比分析：若相對位移小于最小異響位移，則無風險；若相對位移大于最小異響位移，則存在異響風險。天窗密封條涂層2 與天窗皮紋面PU 配合最小異響位移為0.6 mm，選取該材料對時，密封條發(fā)生摩擦異響的風險最小。

4 結(jié)束語

本文針對天窗密封條異響風險控制方法進行研究，利用有限元分析和粘滑試驗對密封條摩擦異響風險進行了評估，可得出以下結(jié)論：

a.車輛開發(fā)前期階段，利用實際路面載荷進行天窗與車身相對位移分析，需考慮Y向與Z向位移，可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化減小相對位移。

b.天窗密封條壓縮量通常為固定范圍，壓縮量過大會導致天窗關閉困難，因此在車輛開發(fā)前期階段，需開展密封條粘滑試驗，選取合適的材料對，增加密封條與接觸面之間的最小異響位移至關重要。