汽車(chē)密封條絨毛與玻璃的摩擦特性研究

冉宇龍　劉智勇　李國(guó)林　徐云

摘 要：密封條絨毛與車(chē)窗玻璃摩擦失效是典型的一類摩擦特征。文章通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室重復(fù)多次模擬試驗(yàn)，分析了密封條絨毛與玻璃組成的摩擦副界面從水潤(rùn)到干摩擦狀態(tài)下摩擦特性變化，同時(shí)在試驗(yàn)出現(xiàn)明顯振動(dòng)時(shí)通過(guò)加載與卸載觀察摩擦特性的變化，將試驗(yàn)過(guò)程從濕潤(rùn)態(tài)-半干干濕態(tài)-干燥狀態(tài)分為五個(gè)不同階段，探討了試驗(yàn)不同階段摩擦特性及發(fā)生的機(jī)制。結(jié)果表面明：摩擦副在半干干濕狀態(tài)下摩擦系數(shù)最小，同時(shí)試驗(yàn)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，此時(shí)增加負(fù)載，振動(dòng)明顯加劇，卸載后摩擦系數(shù)恢復(fù)到加載前水平；在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，濕態(tài)及干態(tài)的摩擦狀態(tài)均比半干干濕狀態(tài)平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：絨毛摩擦 摩擦振動(dòng) 半干半濕 明顯振動(dòng)

近年來(lái)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)高速發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)進(jìn)入大多數(shù)人的生活并成為必需品。用戶對(duì)汽車(chē)的認(rèn)知和品質(zhì)要求越來(lái)越高。其中玻璃升降過(guò)程的摩擦噪音已成為影響用戶感知的一項(xiàng)重要因子。

在摩擦研究中發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)和真實(shí)接觸面積的大小等對(duì)摩擦噪聲的產(chǎn)生及特性有重要的影響[1]，也有人研究了表面粗糙度對(duì)摩擦尖叫噪聲特性的影響和產(chǎn)生摩擦噪聲時(shí)摩擦界面形貌特征[2-3]，目前，針對(duì)密封條絨毛與玻璃摩擦特性的研究比較少。通常車(chē)輛在環(huán)境溫度及濕度影響下出現(xiàn)的振動(dòng)噪音更是行業(yè)一直討論的話題。因此，從絨毛與玻璃的摩擦特性研究很有必要。由于摩擦系數(shù)是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑接觸副摩擦性能的重要參數(shù)，本試驗(yàn)將從濕度改變下的摩擦系數(shù)變化作為研究對(duì)象。

1 實(shí)驗(yàn)部分

參考乘用車(chē)橡塑密封條標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21282-2207中的附錄C密封條摩擦因數(shù)試驗(yàn)方法中的試驗(yàn)方法及條件并對(duì)同一試樣進(jìn)行重復(fù)多次試驗(yàn)；而且通過(guò)增加負(fù)載來(lái)觀察試驗(yàn)結(jié)果變化。

1.1 材料

試驗(yàn)采用PA絨毛，規(guī)格110mm*15mm（絨毛垂直度70°～110°，絨毛密度≥180根/m2，絨毛直徑18～22um，長(zhǎng)0.5mm～0.6mm）純凈水；無(wú)紡布；雙面膠帶。

1.2 測(cè)試

1.2.1 連續(xù)重復(fù)多次摩擦測(cè)試

在常溫常濕環(huán)境下，試驗(yàn)開(kāi)始前將絨毛面用小噴壺里的純凈水表面均勻噴濕，然后用無(wú)紡布粘去絨毛表面的水珠。按照試驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，同一樣試樣連續(xù)重復(fù)試驗(yàn)，在重復(fù)試驗(yàn)過(guò)程中，絨毛上水逐漸蒸發(fā)，整個(gè)過(guò)程由濕潤(rùn)態(tài)-半干半濕-干態(tài)，并記錄完整數(shù)據(jù)。

1.2.2 測(cè)試過(guò)程出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)加載測(cè)試

按照上面試驗(yàn)方法再次進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)出現(xiàn)絨毛在玻璃上發(fā)生抖動(dòng)跳躍現(xiàn)象時(shí)，在絨毛固定金屬塊上增加500g標(biāo)準(zhǔn)砝碼，然后繼續(xù)試驗(yàn)，重復(fù)多次后取消增加的標(biāo)準(zhǔn)砝碼繼續(xù)試驗(yàn)，觀察并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體試驗(yàn)結(jié)果及討論

同一試樣重復(fù)多次測(cè)試，用摩擦系數(shù)的變化反應(yīng)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)從開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)到劇烈振動(dòng)，最后逐漸平穩(wěn)，絨毛從濕潤(rùn)態(tài)-干態(tài)的過(guò)程可分為五個(gè)區(qū)間（圖1）。a～b段為Ⅰ區(qū)，由于玻璃表面張力作用，絨毛在玻璃面上滑過(guò)的位置可清楚看到不完整的水膜形成，此時(shí)絨毛處于濕潤(rùn)狀態(tài)，摩擦系數(shù)在0.2～0.3范圍內(nèi)處于波動(dòng)狀態(tài)；在此區(qū)間內(nèi)的任意一次摩擦試驗(yàn)其數(shù)據(jù)都比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程抖動(dòng)情況；b～c段為第Ⅱ區(qū)，絨毛經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，絨毛上細(xì)小的水珠正好均勻的鋪在絨毛在玻璃上滑過(guò)的路徑上，在玻璃上形成完整的水膜，摩擦系數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，摩擦系數(shù)在0.1～0.2范圍內(nèi)波動(dòng)，此區(qū)域同樣屬于絨毛濕潤(rùn)態(tài)階段。c～d段為Ⅲ區(qū)，此區(qū)間N-1，N，N+1次試驗(yàn)的結(jié)果變化比較大，摩擦系數(shù)在-0.05～0.25范圍內(nèi)波動(dòng)，此區(qū)間時(shí)絨毛滑過(guò)的玻璃面上幾乎目視不到水膜。同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)嚴(yán)重抖動(dòng)現(xiàn)象。在c點(diǎn)時(shí)，金屬塊帶動(dòng)絨毛在玻璃上滑動(dòng)時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)（圖2-a），從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，振動(dòng)波在-0.02～0.1之間變化，但振動(dòng)的頻率并不高，只在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)一段位移內(nèi)振動(dòng)劇烈；在cd的中間位置，試驗(yàn)抖動(dòng)比較嚴(yán)重（圖2-b），從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，位于cd中間區(qū)域的試驗(yàn)波形呈規(guī)律性變化，波形變化在0～0.15之間，雖然振動(dòng)加劇，但趨于穩(wěn)定；在d點(diǎn)時(shí)，摩擦系數(shù)曲線變化明顯加大（圖2-c），試驗(yàn)過(guò)程抖動(dòng)也愈發(fā)明顯，此時(shí)曲線在-0.2-0.38之間變化，出現(xiàn)規(guī)律且平穩(wěn)振動(dòng)；而且此區(qū)間可視為半干半濕狀態(tài)摩擦系數(shù)曲線呈劇烈變化。d～e段為Ⅳ區(qū)，是絨毛從半干半濕狀態(tài)到全干的一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，在此區(qū)域摩擦變化較大，摩擦系驟然升高，最后逐漸下降，出現(xiàn)整個(gè)摩擦過(guò)程中的最高點(diǎn)；摩擦系數(shù)從0.05升到0.86，由逐次下降，最后降至0.26左右；但此區(qū)間試驗(yàn)過(guò)程振動(dòng)并不明顯，和I區(qū)類似。e～f段為Ⅴ區(qū)，此區(qū)間試驗(yàn)過(guò)程抖動(dòng)消失，試驗(yàn)基本趨于平穩(wěn)狀態(tài)；從試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)可以看出，相鄰的試驗(yàn)結(jié)果變化很小，此區(qū)間視為全干態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)彈性體的摩擦屬于混合摩擦，其中包含彈性材料在摩擦過(guò)程中形變損失的摩擦力和摩擦界面形成的粘著剪切力-粘著摩擦力[4]；但摩擦副在濕度較大時(shí)，粘著摩擦力主要以水分子的毛細(xì)力形式存在[5]。密封條絨毛以纖維絲的形式存在，其長(zhǎng)徑L/d比達(dá)到200～250倍，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生大應(yīng)變。而且在整個(gè)植絨面上并不是所有絨毛都是垂直于基材。在植絨與玻璃組成的摩擦副中，絨毛始終以點(diǎn)或線的形式與玻璃面接觸。在圖1的I區(qū)間，玻璃面上雖然有明顯的水潤(rùn)痕跡，但由于表面張力的作用，玻璃面形成的水膜并不連續(xù)，在摩擦界面上，有的絨毛周?chē)兴鼑幱谒疂?rùn)狀態(tài)，有的絨毛與則處于無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)，有潤(rùn)滑的絨毛與玻璃的摩擦系數(shù)小于無(wú)潤(rùn)滑的絨毛與玻璃的摩擦系數(shù)。因此，在I區(qū)間摩擦系數(shù)在不同的試驗(yàn)次數(shù)之間存在波動(dòng)，并且從a點(diǎn)到b點(diǎn)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；同時(shí)，由于水潤(rùn)作用，其整體摩擦系數(shù)低于V區(qū)間相對(duì)干態(tài)時(shí)的摩擦系數(shù)。在Ⅱ區(qū)間內(nèi)，由于連續(xù)的試驗(yàn)，水膜的連續(xù)性達(dá)到最大狀態(tài)，沒(méi)有得到潤(rùn)滑的絨毛數(shù)量進(jìn)一步減少，摩擦系數(shù)也再次下降，但由于摩擦界面仍處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)依然出現(xiàn)波動(dòng)。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到Ⅲ區(qū)間時(shí)，由于試驗(yàn)次數(shù)增加，摩擦產(chǎn)生的熱量以及空氣中的熱量導(dǎo)致水分蒸發(fā)，摩擦界面目視可見(jiàn)的液態(tài)水消失，此時(shí)的水膜厚度極低且不穩(wěn)定。按照表面毛細(xì)黏滑的特性分析，摩擦副橫向液橋出現(xiàn)變形-斷裂-新液橋形成，摩擦副出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象[5]；在摩擦副運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于粘著摩擦力導(dǎo)致的黏滑加大了絨毛自身的彈性形變；此時(shí)，非線性摩擦振動(dòng)明顯加劇。摩擦系數(shù)由于不同點(diǎn)較大的波峰與波谷差異，單次試驗(yàn)的摩擦系數(shù)最小；同時(shí)反映到試驗(yàn)現(xiàn)象中，摩擦副也出現(xiàn)了明顯的抖動(dòng)（圖2a-c）。從c點(diǎn)到d點(diǎn)，隨著濕度的改變摩擦副表面形狀發(fā)生改變，摩擦振動(dòng)的頻率出現(xiàn)由小-大-小，但振幅卻在持續(xù)變大，摩擦系數(shù)變大。在Ⅳ區(qū)間，隨著摩擦界面溫度升高，絨毛表面水膜由于蒸發(fā)變的極低，摩擦副的濕度進(jìn)一步降低，摩擦系數(shù)進(jìn)一步增大[6]，明顯的摩擦振動(dòng)消失，摩擦系數(shù)出現(xiàn)了最大值，持續(xù)數(shù)次試驗(yàn)后開(kāi)始逐漸下降。試驗(yàn)進(jìn)行到區(qū)間Ⅴ中，摩擦界面濕度進(jìn)一步降低并和環(huán)境溫度保持一致，水膜的毛細(xì)力和固體表面的作用力接近，黏著摩擦力趨于平穩(wěn)狀態(tài)[7]，此時(shí)處于一個(gè)相對(duì)的干摩擦狀態(tài)，粘著摩擦力不足以引起絨毛更大的形變，摩擦趨于平穩(wěn)，摩擦系數(shù)波動(dòng)很小。由于沒(méi)有水的潤(rùn)滑，摩擦系數(shù)大于I～Ⅲ區(qū)間值。

2.2 加載前后試驗(yàn)結(jié)果及討論

當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，在固定絨毛的金屬塊上增加載荷，試驗(yàn)抖動(dòng)明顯加劇，圖3-a為加載前摩擦系數(shù)-位移曲線，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程波形在0.07～0.25之間變化；圖3-b為加載后的摩擦系數(shù)-位移曲線，試驗(yàn)波形在0.81～1.5之間變化，振波形變化比加載前增大近4倍，且從試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束波形變化與加載前趨勢(shì)一致；圖3-c為去除載荷摩擦系數(shù)-位移曲線，試驗(yàn)波形在0.05～0.21之間變化，摩擦系數(shù)變化區(qū)間及范圍與加載前一致，同樣，比加載時(shí)小了近4倍。

摩擦副出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，絨毛粘著摩擦力激發(fā)了彈性形變的加劇，此時(shí)進(jìn)一步加大摩擦副的負(fù)載，絨毛發(fā)生彎曲變形，摩擦副接觸面積增大，摩擦振動(dòng)隨之也變大;從圖6a～c的變化可以看出。當(dāng)卸載后，振動(dòng)恢復(fù)到加載前的水平。由此可以看出，當(dāng)出現(xiàn)摩擦抖動(dòng)時(shí)，增加負(fù)載不但摩擦系數(shù)變化巨大，而且振動(dòng)幅度也會(huì)加劇，針對(duì)摩擦副而言，負(fù)載增大會(huì)激發(fā)抖動(dòng)加劇。

3 結(jié)論

a.連續(xù)的試驗(yàn)隨著濕度降低，絨毛與玻璃摩擦副振動(dòng)明顯，摩擦系數(shù)出現(xiàn)負(fù)數(shù)，此時(shí)摩擦系數(shù)最小；

b.當(dāng)絨毛與玻璃摩擦出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)，增加負(fù)載會(huì)加劇振動(dòng)幅度；

c.當(dāng)絨毛與玻璃的組成摩擦副從濕潤(rùn)狀態(tài)-干態(tài)的過(guò)程中，摩擦系數(shù)出現(xiàn)最大值，隨后進(jìn)入相對(duì)干摩狀態(tài)。

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