密封條排氣孔對(duì)天窗系統(tǒng)噪聲的影響

梁繼竹，曹 蓉，錢(qián)勵(lì)克，王 偉

（1.青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.江陰海達(dá)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(chē)和乘車(chē)時(shí)不僅關(guān)注行車(chē)安全，還特別注重駕駛和乘坐的舒適性，汽車(chē)天窗就是隨著舒適性要求而出現(xiàn)的[1]。但引進(jìn)天窗的同時(shí)，也帶來(lái)了新的問(wèn)題，如開(kāi)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(kāi)閉及汽車(chē)運(yùn)行中產(chǎn)生噪聲，其性能對(duì)噪聲和密封性有著直接影響。然而人們都把研究重點(diǎn)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(guò)有限元分析和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)密封條排氣孔的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而降低噪聲。

1 研究對(duì)象

本研究的汽車(chē)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(shí)膠和海綿膠構(gòu)成，通過(guò)復(fù)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(chē)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(jì)思路

優(yōu)化設(shè)計(jì)思路如下：（1）通過(guò)有限元分析計(jì)算理論排氣量；（2）根據(jù)天窗關(guān)閉的時(shí)間計(jì)算不同數(shù)量和孔徑的排氣孔在天窗關(guān)閉時(shí)對(duì)應(yīng)的氣流速度；（3）測(cè)定單位長(zhǎng)度內(nèi)封閉兩端的密封條不同常用孔徑排氣孔對(duì)壓縮負(fù)荷的影響；（4）測(cè)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(guò)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定排氣孔的最佳設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行實(shí)際評(píng)價(jià)。

3 有限元分析

天窗系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)從接觸密封條到密封條被完全壓縮的時(shí)間為5.2 s。通過(guò)有限元分析軟件Abaqus模擬密封條在天窗開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的變形狀態(tài)，計(jì)算出密封條被壓縮的面積，然后乘以密封條的長(zhǎng)度，計(jì)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(shí)間和氣孔的大小計(jì)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(cè)試用密封條的長(zhǎng)度，mm；t為天窗關(guān)閉過(guò)程需要的時(shí)間，s。

有限元建模要素：（1）材料采用密實(shí)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(lèi)型為Static Genenal；（4）切向行為為罰函數(shù)摩擦類(lèi)型，摩擦因數(shù)為0.35；硬接觸通過(guò)經(jīng)典的拉格朗日乘子方式實(shí)施；（5）網(wǎng)絡(luò)控制屬性采用四邊形為主的進(jìn)階算法，單元類(lèi)型為CPE4H（4節(jié)點(diǎn)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(jué)正向位移1.7 mm、右側(cè)壓縮剛體施加X(jué)反向位移3.5 mm。

壓縮前和天窗關(guān)閉時(shí)密封條的變形狀態(tài)網(wǎng)格模型如圖3所示，通過(guò)有限元分析計(jì)算的變形前后泡管面積和排氣量見(jiàn)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(duì)比試驗(yàn)

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(qiáng)差，增大壓縮負(fù)荷，從而產(chǎn)生摩擦噪聲[4]；另一種是排氣時(shí)壓強(qiáng)過(guò)大，氣體從密封條空隙排出產(chǎn)生振動(dòng)，從而出現(xiàn)噪聲。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)排氣孔的設(shè)計(jì)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)多打孔的方式避免噪聲，在不能排除排氣噪聲時(shí)，通過(guò)增大孔徑或增大孔數(shù)量來(lái)應(yīng)對(duì)，設(shè)計(jì)過(guò)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(huì)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(jì)，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)定密封條在兩端開(kāi)放和兩端封閉狀態(tài)下每組雙泡2個(gè)壓縮量時(shí)的壓縮力。圖4為在兩端完全開(kāi)放的狀態(tài)下a泡管和b泡管壓縮量和壓縮力的測(cè)試示意，其中a泡管試驗(yàn)的2個(gè)壓縮量M1和M2分別為5.5和6.9 mm，F(xiàn)1和F1′為測(cè)定的相應(yīng)壓縮力；b泡管試驗(yàn)的2個(gè)壓縮量H1和H2分別為7.15和8.55 mm，F(xiàn)2和F2′為測(cè)定的相應(yīng)壓縮力。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩端完全開(kāi)放狀態(tài)下壓縮力的測(cè)試結(jié)果 N·dm-1

圖4 兩端完全開(kāi)放狀態(tài)下泡管的壓縮量和壓縮力測(cè)試示意

通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步探討在密封條兩端封閉狀態(tài)下排氣孔對(duì)壓縮力的影響。取長(zhǎng)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(guò)改變排氣孔的數(shù)量、直徑和位置（見(jiàn)圖5），進(jìn)行三因子三水平（表3）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，由L9（34）的第1，2，3列組成，共排出9組試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)因子和水平設(shè)計(jì)

表4 正交試驗(yàn)安排和試驗(yàn)結(jié)果

圖5 排氣孔設(shè)計(jì)位置

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：因子C的3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)相差最大，對(duì)壓縮力影響最大；因子A和B的3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)相差較小，為次要因素。由此可見(jiàn)，排氣孔位置對(duì)壓縮力影響最大。

5 安裝狀態(tài)評(píng)價(jià)

試驗(yàn)在靜音房（無(wú)錫福樂(lè)田玻璃鋼環(huán)保設(shè)備有限公司產(chǎn)品）中進(jìn)行。排氣孔軸向位置距對(duì)接處50 mm，且以對(duì)接線對(duì)稱(chēng)。靜音房尺寸為2 m×3.5 m×2.5 m，房?jī)?nèi)噪聲為（20±1） dB。測(cè)試設(shè)備為T(mén)ES 1350R型噪音計(jì)（中國(guó)臺(tái)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(cè)試3個(gè)數(shù)據(jù)，取平均值。人體感知測(cè)試模擬駕駛員位置，由3個(gè)人員評(píng)價(jià)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出，排氣孔最優(yōu)方案為在密封條長(zhǎng)度方向安排4個(gè)Φ2 mm的排氣孔（位置3）。

表5 產(chǎn)品實(shí)車(chē)安裝后評(píng)價(jià)對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

排氣孔對(duì)天窗系統(tǒng)噪聲有較大影響，針對(duì)不同密封條斷面設(shè)計(jì)不同排氣孔是非常必要的。不同密封條應(yīng)針對(duì)其排氣量、天窗開(kāi)啟關(guān)閉時(shí)間、壓縮變形量而設(shè)計(jì)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(jì)必須滿足天窗開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中密封條海綿泡內(nèi)外不存在較大壓差以及排氣過(guò)程不產(chǎn)生氣流聲。一般設(shè)計(jì)中，會(huì)預(yù)留安全系數(shù)，多打排氣孔。以上方案的密封條經(jīng)實(shí)際汽車(chē)裝車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)，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(jì)院有限公司謝忠麟教授級(jí)高級(jí)工程師審閱，深表謝忱。