梁繼竹，曹 蓉，錢勵克，王 偉

（1.青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042；2.江陰海達橡塑股份有限公司，江蘇 江陰 214424）

隨著生活水平的不斷提高，人們駕車和乘車時不僅關(guān)注行車安全，還特別注重駕駛和乘坐的舒適性，汽車天窗就是隨著舒適性要求而出現(xiàn)的[1]。但引進天窗的同時，也帶來了新的問題，如開啟關(guān)閉異響[2]、密封不良等。密封條作為天窗系統(tǒng)的主要密封件，作用就是避免天窗開閉及汽車運行中產(chǎn)生噪聲，其性能對噪聲和密封性有著直接影響。然而人們都把研究重點放在密封條截面以及表面材料上，忽略了排氣孔的影響[3]。

本工作通過有限元分析和正交試驗設(shè)計對密封條排氣孔的設(shè)計進行優(yōu)化，從而降低噪聲。

1 研究對象

本研究的汽車天窗密封條截面如圖1所示。該密封條由三元乙丙橡膠（EPDM）密實膠和海綿膠構(gòu)成，通過復合擠出-微波/熱空氣硫化生產(chǎn)線生產(chǎn)。圖2示出了天窗密封系統(tǒng)的配合關(guān)系，其中a泡管與車身鈑金配合，b泡管與天窗聚氨酯（PU）包邊配合。

圖1 天窗密封條截面

圖2 天窗密封系統(tǒng)配合關(guān)系

2 優(yōu)化設(shè)計思路

優(yōu)化設(shè)計思路如下：（1）通過有限元分析計算理論排氣量；（2）根據(jù)天窗關(guān)閉的時間計算不同數(shù)量和孔徑的排氣孔在天窗關(guān)閉時對應(yīng)的氣流速度；（3）測定單位長度內(nèi)封閉兩端的密封條不同常用孔徑排氣孔對壓縮負荷的影響；（4）測定不同打孔角度下密封條排氣出現(xiàn)氣流噪聲（低于60 dB）的最小壓力；（5）通過試驗結(jié)果設(shè)定排氣孔的最佳設(shè)計方案，并進行實際評價。

3 有限元分析

天窗系統(tǒng)關(guān)閉時從接觸密封條到密封條被完全壓縮的時間為5.2 s。通過有限元分析軟件Abaqus模擬密封條在天窗開啟和關(guān)閉時的變形狀態(tài)，計算出密封條被壓縮的面積，然后乘以密封條的長度，計算出泡管被壓縮的體積（即排氣體積或排氣量），再根據(jù)壓縮時間和氣孔的大小計算排氣速度：

式中，v為排氣速度，mm3·s-1；ΔS為被壓縮的密封條面積，mm2；L為測試用密封條的長度，mm；t為天窗關(guān)閉過程需要的時間，s。

有限元建模要素：（1）材料采用密實膠HDQ681和海綿膠HD-Q609，均為EPDM生產(chǎn)膠料；（2）本構(gòu)模型為Ogden模型；（3）分析步類型為Static Genenal；（4）切向行為為罰函數(shù)摩擦類型，摩擦因數(shù)為0.35；硬接觸通過經(jīng)典的拉格朗日乘子方式實施；（5）網(wǎng)絡(luò)控制屬性采用四邊形為主的進階算法，單元類型為CPE4H（4節(jié)點線性平面應(yīng)變四邊形單元）；（6）邊界條件選擇左側(cè)壓縮解析剛體施加X正向位移1.7 mm、右側(cè)壓縮剛體施加X反向位移3.5 mm。

壓縮前和天窗關(guān)閉時密封條的變形狀態(tài)網(wǎng)格模型如圖3所示，通過有限元分析計算的變形前后泡管面積和排氣量見表1。

表1 天窗密封條變形前后泡管面積和排氣量

圖3 天窗密封條變形狀態(tài)

4 對比試驗

排氣孔產(chǎn)生的噪聲主要有兩種，一種是排氣不充分，使密封條泡管內(nèi)外存在壓強差，增大壓縮負荷，從而產(chǎn)生摩擦噪聲[4]；另一種是排氣時壓強過大，氣體從密封條空隙排出產(chǎn)生振動，從而出現(xiàn)噪聲。

目前國內(nèi)外對排氣孔的設(shè)計主要依據(jù)經(jīng)驗。通過多打孔的方式避免噪聲，在不能排除排氣噪聲時，通過增大孔徑或增大孔數(shù)量來應(yīng)對，設(shè)計過盈量一般較大。但是，有些結(jié)構(gòu)的天窗密封條排氣孔位于工作面的底部，而且在正常工況下會有排氣孔接觸到密封面的情況，因此在保證排氣量的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量減小排氣孔的數(shù)量和直徑。

為了優(yōu)化排氣孔設(shè)計，進行了對比試驗，測定密封條在兩端開放和兩端封閉狀態(tài)下每組雙泡2個壓縮量時的壓縮力。圖4為在兩端完全開放的狀態(tài)下a泡管和b泡管壓縮量和壓縮力的測試示意，其中a泡管試驗的2個壓縮量M1和M2分別為5.5和6.9 mm，F(xiàn)1和F1′為測定的相應(yīng)壓縮力；b泡管試驗的2個壓縮量H1和H2分別為7.15和8.55 mm，F(xiàn)2和F2′為測定的相應(yīng)壓縮力。試驗結(jié)果見表2。

表2 兩端完全開放狀態(tài)下壓縮力的測試結(jié)果 N·dm-1

圖4 兩端完全開放狀態(tài)下泡管的壓縮量和壓縮力測試示意

通過試驗進一步探討在密封條兩端封閉狀態(tài)下排氣孔對壓縮力的影響。取長度為250 mm的一段密封條，用406膠水將兩端泡管封住，使泡管內(nèi)形成密閉空間。通過改變排氣孔的數(shù)量、直徑和位置（見圖5），進行三因子三水平（表3）正交試驗設(shè)計，由L9（34）的第1，2，3列組成，共排出9組試驗，結(jié)果見表4。

表3 試驗因子和水平設(shè)計

表4 正交試驗安排和試驗結(jié)果

圖5 排氣孔設(shè)計位置

由試驗結(jié)果可以看出：因子C的3個試驗點數(shù)據(jù)相差最大，對壓縮力影響最大；因子A和B的3個試驗點數(shù)據(jù)相差較小，為次要因素。由此可見，排氣孔位置對壓縮力影響最大。

5 安裝狀態(tài)評價

試驗在靜音房（無錫福樂田玻璃鋼環(huán)保設(shè)備有限公司產(chǎn)品）中進行。排氣孔軸向位置距對接處50 mm，且以對接線對稱。靜音房尺寸為2 m×3.5 m×2.5 m，房內(nèi)噪聲為（20±1） dB。測試設(shè)備為TES 1350R型噪音計（中國臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司產(chǎn)品），位于天窗前玻璃中央下方（200±20） mm處，測試3個數(shù)據(jù)，取平均值。人體感知測試模擬駕駛員位置，由3個人員評價。測試結(jié)果見表5。由表5可以看出，排氣孔最優(yōu)方案為在密封條長度方向安排4個Φ2 mm的排氣孔（位置3）。

表5 產(chǎn)品實車安裝后評價對比

6 結(jié)語

排氣孔對天窗系統(tǒng)噪聲有較大影響，針對不同密封條斷面設(shè)計不同排氣孔是非常必要的。不同密封條應(yīng)針對其排氣量、天窗開啟關(guān)閉時間、壓縮變形量而設(shè)計相應(yīng)的排氣孔大小、數(shù)量、位置以及打孔角度。排氣孔的設(shè)計必須滿足天窗開啟關(guān)閉過程中密封條海綿泡內(nèi)外不存在較大壓差以及排氣過程不產(chǎn)生氣流聲。一般設(shè)計中，會預(yù)留安全系數(shù)，多打排氣孔。以上方案的密封條經(jīng)實際汽車裝車運行試驗，天窗系統(tǒng)未發(fā)生異響，效果良好。

致謝：本文承蒙北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計院有限公司謝忠麟教授級高級工程師審閱，深表謝忱。