天窗密封条摩擦异响问题的研究.doc

天窗密封条摩擦异响问题的研究天窗密封条摩擦异响问题的研究王晓虎张之或(泛亚汽车技术中心有限公司,上海201201)【摘要】由于天窗在开关的过程中,密封条与车顶窗框间相互挤压和摩擦,当密封条结构和材料设计不合理,或者密封条和窗框配合不适当时,会产生不希望的摩擦异响.文章从天窗密封条振动的力学模型上探讨产生摩擦异响的机理以及解决此类异响的对策.【Abstract】Thecompressionandfrictionbetweensealandroofframeareinducedunderdy-namicopen/closeoperationtoscuttle.Unwantednoisemaybegeneratedbynonrobuststructure,materialdesignorimpropermatching.Inthisstudy,themechanismandsolutionofsuchnoisegenerationarediscussedbasedonthevibrationmodelofscuttlesea1.【主题词】密封条天窗汽车0引言传统天窗的作用是提供乘员车顶部的视野,实现乘员和车顶外部环境的交互功能,并通过天窗开启关闭的动态过程来调节车内的气流和温度.为了保证天窗玻璃和车顶窗框间的防雨,防尘,防漏气等功能,并保持一定的美观功效,通常会在天窗玻璃外包覆密封条,通过密封条和车顶窗框之间一定的弹性压缩,以尽可能阻隔车外环境的风雨和灰尘从匹配处进入.由于天窗在开启和关闭的动态过程中,密封条与车顶窗框间会发生相对运动,这种运动产生密封条的挤压和摩擦,当配合不当时就会产生不希望的异响.开启关闭天窗时,摩擦异响会造成客户抱怨,直接影响客户对于车辆的感知质量.本文主要从摩擦异响的机理上探讨天窗开启关闭时产生摩擦异响的原因以及解决此类异响问题的对策.收稿日期:20100429上海汽车2010.071异响机理的分析1.1天窗密封条结构天窗玻璃的基本结构如图1所示.当天窗开关时,会以初始速度沿着接触面方向下降或上升.和窗框相接触的天窗密封条材料通常为EP.DM,包覆在玻璃外圈,其结构按截面弹性阻尼和功能特性分为基部,连接部,顶部3个部分.为表达密封条与车顶窗框接触面的受力状态,将图1中的密封条视图及接触面旋转90.(如图2).基部用表示,其作用是用来连接天窗玻璃以及玻璃包边结构,同时也用来支撑顶部区域.连接部,即I区和II区(如图2),其作用就是把基部和顶部连接起来,顶部为窗框和密封条接触摩擦的部分,用m表示.顶部区域(阴影区)是和车顶窗框间配合,其表面会喷涂一层耐磨涂层或者作植绒处理,以提高其使用的耐久性和其它性能.2.2异响天窗开启关闭时密封条和车顶窗框间在接触?45?图1天窗玻璃和窗框匹配示意图II图2密封条结构及接触面受力图面产生摩擦力,试验分析表明该摩擦力与相对速度有关.当相对速度为零的时候,摩擦力.不大于静摩擦力,当静摩擦转变成动摩擦时,摩擦力.开始减小,并随相对速度增大而减小,其摩擦力.相对速度曲线具有负斜率,负斜率的摩擦力会引起密封条产生自激振动,出现异响.而天窗开启关闭动作停止时,其激励消失,异响随之消失.2.3摩擦振动的力学模型密封条系统可以进一步简化成如图3的力学模型.天窗开启关闭时的驱动件(基部),摩擦接触面的调节控制作用(刚性和阻尼等作用),振体m(密封条顶部区域)本身.图3所示的力学模型忽略了空腔中等效的空气弹簧的作用,振体m和接触面摩擦,其中k,C,k,C分别表示两侧连接部的弹性刚度系数和阻尼系数,0,Oz分别为弹簧k,k,和运动方向的夹角.将密封条结构视为一个受摩擦力作用的单自由度振动系统,其力学模型如图4所示.该系统是由基部,连接部,顶部组成,k,c分别表示系统的等效刚度系数和阻尼系数.在天窗开启关闭时,基部以速度沿接触面方向移动,带动振体m沿接触表面运动.取密封条未发生弹性变形位置作为坐标的原点.是振体的运动速度,(一)是振体在接触面上的相对运动速度.密封条与窗框?46?图3密封条截面力学特性示意图图4密封条接触面力学模型接触面可视为非光滑接触面,它们之间的摩擦力或摩擦系数和振体的相对运动速度(一x)的关系是非线性的,记作(一)或(一).密封条与窗框接触面摩擦特性的力学模型中(如图4所示),其运动方程为:m+c+=JR(一)(1)m,c,k分别为密封条的等效质量,等效黏性阻尼系数和等效刚度为法向反力,(Vx)为相对滑动速度,为稳定滑动速度.根椐泰勒级数展开式,将摩擦力(一)以(一x)的幂次展开得到:o3f.(口一x)o(v一131(2)因振动为微幅振动,>x,略去方程(2)中二次方以上的高阶项,代人方程(1)得:m+(c+)未地=(3)考虑自激振动与初始扰动无关,即略去与自激振动无影响的初始状态项(),所以方程(3)可以写成m+(c+)地=o(4)假设摩擦力曲线在某段内具有负斜率,记为上海汽车2010.07c,则上式可表示为m+(cc)+=0(5)式中=ll,表示单位速度变化所引起的摩擦力大小.令z:,:代入方程(5)得:+2n+COX,=0(6)方程(6)为二阶常系数齐次微分方程,其通解用三角函数形式展开为:.=Aefc.st+sin(7)圆频率=一(8)根据方程(7)和(8)可以看出,当摩擦力-速度曲线具有下降趋势时,方程(5)中(cc)<0,式(6)对应n:<0.此时密封条振动系统的阻尼为负值,振体的运动处于不稳定状态.系统的瞬态振动幅值将随时间逐渐增加,任何微小的扰动都会使振块的位移变化量越来越大,最后形成自激振动,出现异响.反之,当(cc)>0,那么整个系统的阻尼是正值,此时振动是稳定的,任何扰动经过一段时间都会衰减.由此得到,摩擦力具有随速度增加而下降的特性是密封条系统出现异响的根源所在.即摩擦力下降特性提供的负阻尼使系统产生自激振动出现异响.2消除摩擦异响的探讨天窗密封条摩擦异响是来自密封条系统本身的激励,即激励是负斜率的摩擦力,它是相对运动速度的函数.当天窗运动停止或者密封条和窗框分离时,激励消失.从密封条自激振动的方程(1)可以看出,实际的密封条系统产生自激振动出现异响的条件,只有当负斜率的摩擦力大于惯性力mx,粘性阻尼力c以及弹性力时,即负斜率摩擦力足够大时,会发生激烈的自激振动,出现异响.因此消除异上海汽车2010.07响的对策如下:(1)控制负斜率摩擦力的大小负斜率摩擦力(一)一(一),其值与摩擦系数和正压力成比例.而密封条表面涂层是影响摩擦系数的重要因素.密封条表面涂层的目的有两点:改变密封条和车顶窗框的摩擦力;增加密封条的耐磨性,提高使用寿命.从很多试验研究表明,光滑表面比粗糙表面更容易产生摩擦噪声,.在设计选择密封条涂层材料的时候,其表面摩擦系数可以通过试验测定和选取.不同的涂层材料在相同的正压力下其摩擦系数(或摩擦力)与运动速度的曲线也不同.比如图5中的第4条曲线某段有较大的负斜率,即容易产生异响.图5不同涂层的摩擦力与运动的特性曲线当减小摩擦力的负斜率,出现异响的几率下降.因此选择负斜率小的摩擦力特性曲线形状是要考虑的基本因素之一.在条件允许的情况下,密封条的表面尽量用粗糙的硬质的涂层去覆盖,.而尽量避免致密和柔软的涂层,以防止密封条窗框系统产生较大的黏滑效应,激发潜在的负斜率特性.正压力的大小也能影响激振力的大小,通过试验可以得到相同涂层材料在不同正压力的条件下摩擦力与相对速度的关系曲线.如图6中有两条摩擦力特性曲线,第1条曲线的正压力大于第2条曲线,即.>.两条曲线的交点可视为相对速度的临界点.在交点的左边曲线负斜率差异大,交点的右边曲线负斜率的差异小.根据摩擦系数的这一变化特性,设计天窗密封条时可由经验数据调整正压力值(弹性的压缩量),以获得密封条满足防水防尘的性能的同时,无开关?47?异响产生.图6不同正压力下摩擦力与运动的特性曲线(2)控制密封条截面结构和材料的特性图4是密封条振动系统的等效振动力学模型,即密封条振动系统简化为一个质量块用多种弹簧和阻尼联系起来,构成的单自由度阻尼系统,这里等效原则是依据能量法则来处理,分别是:等效质量,振动过程产生的动能,等于所有分布质量产生的总能量,即动能相等原则;等效刚度,是保证系统总势能不变的前提下,将各部分的刚度向一定位置转换,即弹性势能相等的原则;等效阻尼,按振动过程一个周期中粘性阻尼所消耗的能量和等效阻尼消耗的能量相等,即做功相等原则.通过能量法则所得到的等效质量,等效刚度,等效阻尼,代表着密封条系统振动条件的基本参数.为了消除自激振动引起的异响,需要提高密封条整体结构的刚度,降低其整体变形量.在设计密封条刚度的时候,会关注基部区域的刚度和顶部区域的刚度,以及密封条顶部和基部的连接刚度.因为密封条顶部区域相比基部区域较软,如果顶部和基部相连的I,区域(如图2)设计较弱,则会恶化摩擦过程产生的变形,激发密封条的自激振动.如图3所示,如果在材料和顶部厚度一定的情况下,夹角0,0越小,则在运动方向上的弹性分力越大,密封条材料变形的几率小,刚性越好,产生异响的几率也小.,密封条在运动过程中要保证尽量小,即(负斜率小,就不容易产生自激异响.?48?另外振块的质量与材料的质量密度P的相关,也是消除异响所要考虑的因素之一.3结语密封条结构设计是以防水防尘防异响等为目标,可以通过实验方法以及数值分析得到.本文只是通过振动的力学模型进行列式分析,并以此得到影响密封条自激振动的设计变量.在设计过程中可以通过调整这些变量的设计参数,得到消除异响的解决方案.参考文献1闻邦椿,李以农.振动利用工程M.北京:科学出版社,2005.2诸德超,邢誉峰.工程振动基础M.北京:北京航空航天大学出版社,2004.3陈光雄,周仲荣,谢友柏.摩擦噪声研究的现状和进展J.摩擦学,2000,20(6):478481.4陈光雄,周仲荣.摩擦系数影响摩擦噪声发生的机理研究J.中国机械工程,2003,14(9):766-769.5OthmanM.0.,ElkholyA.H.,SeiregA.A.ExperimentalinvestigationoffrictionalnoiseandsurfaceroughnesscharacteristicsJ.US:Experimentalmechan