内水切表面涂层对玻璃下降噪音的影响及优化

郭媛钰，何妍

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

作为门窗系统运行的重要部件之一，内水切起到了隔音、降噪以及车内环境密封的关键作用。为了优化内水切的产品性能以提升门窗系统运行品质，内水切的表面涂层、断面结构、变形特性以及插拔受力状况都是重要的控制因素。目前，植绒涂层广泛地应用在内水切与车窗接触的唇边表面，以达到减小玻璃升降阻力，增大唇边耐磨性的目的。然而在实际考核过程中，笔者及其团队发现量产的多个车型均存在玻璃升降过程中的异响问题，并且在湿度较高的情况下异响问题的缺陷率相对更高。

因此，笔者及其团队以北京奔驰某车型为研究对象，在控制好玻璃曲率、门模内板尺寸、门窗通道间隙以及门窗系统装配手法的前提下，对内水切下唇表面涂层进行优化，从而从问题根本上改善玻璃升降过程中以粘-滑方式摩擦震动而产生的噪音问题。

1 评价方法及分析

1.1 问题定义

质量考核员在序列化生产的某车型中发现了批量门窗噪音问题，其特征定义为：在考核间的温湿度环境下（温度：23±2℃，湿度：50±5%RH），车辆在静止状态下车窗玻璃下降时，驾驶者可听到“咕噜咕噜”的噪音，音量较低，但会影响客户的舒适感受。四门均存在噪音问题，缺陷率为30%～40%，最终考核部门将此问题评定为三级热点问题。

1.2 噪声源定位

为了准确定位噪音位置，笔者对照门窗系统数模对零部件进行逐一排查，最后将噪音源锁定在内水切与门窗玻璃之间。之后使用三相图分析方法通过交叉实验验证噪音来源，验证过程分为三相分别为：整车，车门总成以及门窗系统相关零部件。根据交叉实验结果，交换缺陷车与非缺陷车的内水切，噪音问题随零件转移至非缺陷车。结合对于门窗系统的三坐标测量结果得出结论，此项噪音问题与装配、门内饰板、门窗玻璃无关，与内水切有关。

2 玻璃下降噪音的影响因素

内水切与玻璃表面摩擦产生噪声的主要原因是滑动摩擦力随相对速度而变化，当水切唇边振动系统的阻尼小于0时，弹性体积攒一定的弹性势能，当唇边回弹时所造成的与玻璃之间的滑移会产生振动异响。这种现象被称为内水切唇边的粘-滑运动的现象。因此，水切唇边与玻璃的接触角度、水切唇边的弹性性能以及唇边涂层的摩擦系数是解决此项问题的关键因素。

图1 内水切断面结构

该车型的内水切截面几何模型如图1所示，本项目在合理零件设计的前提下，控制断面结构、开口插拔力以及唇边与玻璃干涉量不变的情况下，对下唇表面的涂层进行优化。通过改变摩擦特性使门窗系统运行稳定，从而抑制噪音的产生。

3 内水切唇边涂层的控制及优化

通过理论模型分析，内水切所受摩擦力值的瞬时变化是唇边跳动并产生异响的关键原因。因此，为了减小内水切唇边相对于玻璃表面不同运动状态所受摩擦力值的剧烈变化，在具有较低的滑动摩擦系数的唇边涂层材料中选用动、静摩擦系数差值更小，伸长率更高的材料更为有利。

理论分析采用Mike Ashby的材料性能指数来筛选理想的涂层材料，对于具有一定密封功能要求的弹性体而言，材料密封性能指数M与拉伸强度成正比，与杨氏模量成反比例关系。当M值越大时证明在同等压力下弹性体与玻璃的接触面越大，即密封效果越好：

综合弹性体密封指数、伸长率以及动、静摩擦系数，一种耐磨的硬质热塑性材料(Sarlink 11044DB与Stahl Permutex WF13-419)将被采用作为涂层覆盖在唇边表面，并与传统植绒唇边进行材料机械性能与实际装车验证的对比。

4 材料性能分析与实验

4.1 涂层厚度

涂层的喷涂质量会直接影响零件的性能，均匀平整的涂层可以增加零件的使用寿命，并且有更好的降噪表现。为了达到需要的功能性要求，一定的干膜厚度是检验涂层喷涂质量的基本标准。分别从四种样品的不同位置取样，观察涂层外观表征并测量其涂层干膜厚度，取平均值。参考其他车型的经验，Stahl材料的理想涂层厚度为13±5μm,而Sarlink的理想涂层厚度约为80μm。

图2为Sarlink涂层干膜光镜照片，为探究涂层厚度对于内水切机械性能以及装车表现的影响，本项目采用了60μm和100μm厚度的试验样件，分别记为Sarlink_60和Sarlink_100。

图2 Sarlink涂层干膜光镜图

4.2 涂层硬度

涂层材料的硬度是控制其质量的重要机械性能之一，通常情况下其邵氏硬度设计理论值在70左右。为了测量涂层在唇边表面成膜后唇边的实际硬度（如表1），在每种样品的十个不同部位取测量点进行邵氏硬度的测量，结果取平均值。实验结果与理论相同，涂层厚度的增加会使唇边的硬度在一定范围内略有增加。总体而言，四种材料的硬度较为相近，均处于可接受范围。

表1 喷涂后唇边表面硬度 (Shore A)

4.3 拉伸试验

拉伸试验可以检测出弹性体的拉伸强度和伸长率（如表2），根据理论分析拉伸强度较高，伸长率较低的材料，会起到更好的密封和抑制唇边弹跳的结果。根据ASTM D-412(2016) 的标准，在四种带有不同涂层的内水切唇边进行取样，使用模具冲切成宽度为10mm的哑铃状试样条。通过以下公式将工程应变-应力数据转化为实际应力应变值，并计算出拉伸强度以及伸长率：

式中：σ为工程应力；ε为工程应变；στ为实际应力；ετ为实际应变。

表2 喷涂后内水切唇边拉伸特性

根据实验结果，带有Stahl涂层的样品橡胶特性最为显著，因此具备较好的密封特性，但是较高的伸长率会使其在车窗系统滑动运行中更容易将动能转化为弹性势能，因此会具有更高的唇边弹跳的风险。

检查拉断后的样品表面及截面（图3），四种样品表面涂层均无龟裂或剥离现象发生。

4.4 涂层耐磨性

涂层的耐磨性决定了零件的使用寿命，因此实验参照标准GM 9909P，使用特制的玻璃摩擦头来模拟门窗系统运行过程中对内水切唇边表面涂层的磨损情况。在零件唇边表面截取实验样条固定在实验台上，对玻璃摩擦头施加1kg的载荷，使其以一定速度进行往复摩擦，磨损冲程为150mm。每1000次观察实验样件的磨损程度，记录其质量损失。观察涂层状态，记录涂层是否磨穿露出基体材料。

图3 Sarlink涂层拉断后样品表面状态

图4为植绒涂层唇边经过3000次往复摩擦后的表面状态，可以明显观察到植绒涂层下的胶水，并且可以观察到局部的基体材料。Sarlink_100涂层唇边经过5000次往复摩擦后涂层光泽度有明显改变（图5），并且一般表面可以看到涂层磨穿，露出部分基体材料（端部更为明显）。

图4 植绒涂层3000次往复摩擦后状态

图5 Sarlink涂层5000次往复摩擦后状态

因此，在干燥情况下，相较于植绒涂层来说，喷涂TPE滑材的唇边具有更高的耐磨性。也就是说在门窗系统运行的环境下，具有更长的生命周期。

4.5 涂层摩擦系数

作为影响玻璃升降系统阻力的重要参数，内水切唇边表面涂层摩擦系数对于分析玻璃升降过程中产生的异响起着至关重要的作用。通过前期的分析我们了解到玻璃升降过程中的噪音主要是由于动静摩擦状态转换导致的唇边弹跳造成的，因此为了避免唇边所受摩擦力的突变，涂层表面的动静摩擦系数值越小，并且其比值越小对预防噪音问题更为有利。在干摩和湿磨两种条件下分别测出四种涂层的动、静摩擦系数，见图6、7。

图6 湿磨状态下涂层唇边与玻璃动静摩擦系数

在干摩状态下，Sarlink涂层与植绒涂层测试结果较为接近，而湿磨状态下Sarlink涂层的动静摩擦系数比值小于1.1，植绒涂层与Stahl涂层比值较高。因此，在预防摩擦噪音方面，尤其是湿度较大的情况下，Sarlink_60会具有更优越的性能。

图7 干磨状态下涂层唇边与玻璃动静摩擦系数

5 结语

本文通过交叉试验、三坐标测量等分析手段找到门窗系统升降过程中发生异响的根本原因。从内水切唇边涂层的机械性能入手，通过磨损与摩擦系数的功能性实验对于特定的四种涂层展开分析。通过上述的理论分析与实验验证可以得出尽管植绒涂层具有摩擦系数较小的优势，但是对于湿度较大或者温度较低的环境下硬质TPE复合材料涂层会具有更优越的性能，并且从耐磨损的角度来看复合材料涂层具有更长的使用寿命。在后续实际零件的装车验证中也同样证明了带有硬质TPE涂层的内水切在玻璃升降运行时有更为优越的表现。