汽车密封条绒毛与玻璃的摩擦特性研究

冉宇龙　刘智勇　李国林　徐云

摘 要：密封条绒毛与车窗玻璃摩擦失效是典型的一类摩擦特征。文章通过在实验室重复多次模拟试验，分析了密封条绒毛与玻璃组成的摩擦副界面从水润到干摩擦状态下摩擦特性变化，同时在试验出现明显振动时通过加载与卸载观察摩擦特性的变化，将试验过程从湿润态-半干干湿态-干燥状态分为五个不同阶段，探讨了试验不同阶段摩擦特性及发生的机制。结果表面明：摩擦副在半干干湿状态下摩擦系数最小，同时试验出现明显的振动，此时增加负载，振动明显加剧，卸载后摩擦系数恢复到加载前水平；在整个试验过程中，湿态及干态的摩擦状态均比半干干湿状态平稳。

关键词：绒毛摩擦 摩擦振动 半干半湿 明显振动

近年来中国汽车工业高速发展，汽车已经进入大多数人的生活并成为必需品。用户对汽车的认知和品质要求越来越高。其中玻璃升降过程的摩擦噪音已成为影响用户感知的一项重要因子。

在摩擦研究中发现摩擦系数和真实接触面积的大小等对摩擦噪声的产生及特性有重要的影响[1]，也有人研究了表面粗糙度对摩擦尖叫噪声特性的影响和产生摩擦噪声时摩擦界面形貌特征[2-3]，目前，针对密封条绒毛与玻璃摩擦特性的研究比较少。通常车辆在环境温度及湿度影响下出现的振动噪音更是行业一直讨论的话题。因此，从绒毛与玻璃的摩擦特性研究很有必要。由于摩擦系数是评价润滑接触副摩擦性能的重要参数，本试验将从湿度改变下的摩擦系数变化作为研究对象。

1 实验部分

参考乘用车橡塑密封条标准GB/T 21282-2207中的附录C密封条摩擦因数试验方法中的试验方法及条件并对同一试样进行重复多次试验；而且通过增加负载来观察试验结果变化。

1.1 材料

试验采用PA绒毛，规格110mm*15mm（绒毛垂直度70°～110°，绒毛密度≥180根/m2，绒毛直径18～22um，长0.5mm～0.6mm）纯净水；无纺布；双面胶带。

1.2 测试

1.2.1 连续重复多次摩擦测试

在常温常湿环境下，试验开始前将绒毛面用小喷壶里的纯净水表面均匀喷湿，然后用无纺布粘去绒毛表面的水珠。按照试验测试标准，同一样试样连续重复试验，在重复试验过程中，绒毛上水逐渐蒸发，整个过程由湿润态-半干半湿-干态，并记录完整数据。

1.2.2 测试过程出现抖动时加载测试

按照上面试验方法再次进行试验，当出现绒毛在玻璃上发生抖动跳跃现象时，在绒毛固定金属块上增加500g标准砝码，然后继续试验，重复多次后取消增加的标准砝码继续试验，观察并记录试验数据及试验特征。

2 结果与讨论

2.1 总体试验结果及讨论

同一试样重复多次测试，用摩擦系数的变化反应整个试验过程。试验记录数据显示，试验从开始出现波动到剧烈振动，最后逐渐平稳，绒毛从湿润态-干态的过程可分为五个区间（图1）。a～b段为Ⅰ区，由于玻璃表面张力作用，绒毛在玻璃面上滑过的位置可清楚看到不完整的水膜形成，此时绒毛处于湿润状态，摩擦系数在0.2～0.3范围内处于波动状态；在此区间内的任意一次摩擦试验其数据都比较平稳，未出现试验过程抖动情况；b～c段为第Ⅱ区，绒毛经过多次测试，绒毛上细小的水珠正好均匀的铺在绒毛在玻璃上滑过的路径上，在玻璃上形成完整的水膜，摩擦系数出现下降趋势，摩擦系数在0.1～0.2范围内波动，此区域同样属于绒毛湿润态阶段。c～d段为Ⅲ区，此区间N-1，N，N+1次试验的结果变化比较大，摩擦系数在-0.05～0.25范围内波动，此区间时绒毛滑过的玻璃面上几乎目视不到水膜。同时，试验过程出现严重抖动现象。在c点时，金属块带动绒毛在玻璃上滑动时出现抖动（图2-a），从试验数据可以看到，振动波在-0.02～0.1之间变化，但振动的频率并不高，只在试验开始时一段位移内振动剧烈；在cd的中间位置，试验抖动比较严重（图2-b），从试验数据可以看到，位于cd中间区域的试验波形呈规律性变化，波形变化在0～0.15之间，虽然振动加剧，但趋于稳定；在d点时，摩擦系数曲线变化明显加大（图2-c），试验过程抖动也愈发明显，此时曲线在-0.2-0.38之间变化，出现规律且平稳振动；而且此区间可视为半干半湿状态摩擦系数曲线呈剧烈变化。d～e段为Ⅳ区，是绒毛从半干半湿状态到全干的一个过渡区域，在此区域摩擦变化较大，摩擦系骤然升高，最后逐渐下降，出现整个摩擦过程中的最高点；摩擦系数从0.05升到0.86，由逐次下降，最后降至0.26左右；但此区间试验过程振动并不明显，和I区类似。e～f段为Ⅴ区，此区间试验过程抖动消失，试验基本趋于平稳状态；从试验记录数据可以看出，相邻的试验结果变化很小，此区间视为全干态。

研究发现弹性体的摩擦属于混合摩擦，其中包含弹性材料在摩擦过程中形变损失的摩擦力和摩擦界面形成的粘着剪切力-粘着摩擦力[4]；但摩擦副在湿度较大时，粘着摩擦力主要以水分子的毛细力形式存在[5]。密封条绒毛以纤维丝的形式存在，其长径L/d比达到200～250倍，在应力作用下产生大应变。而且在整个植绒面上并不是所有绒毛都是垂直于基材。在植绒与玻璃组成的摩擦副中，绒毛始终以点或线的形式与玻璃面接触。在图1的I区间，玻璃面上虽然有明显的水润痕迹，但由于表面张力的作用，玻璃面形成的水膜并不连续，在摩擦界面上，有的绒毛周围有水包圍，处于水润状态，有的绒毛与则处于无润滑状态，有润滑的绒毛与玻璃的摩擦系数小于无润滑的绒毛与玻璃的摩擦系数。因此，在I区间摩擦系数在不同的试验次数之间存在波动，并且从a点到b点呈现下降趋势；同时，由于水润作用，其整体摩擦系数低于V区间相对干态时的摩擦系数。在Ⅱ区间内，由于连续的试验，水膜的连续性达到最大状态，没有得到润滑的绒毛数量进一步减少，摩擦系数也再次下降，但由于摩擦界面仍处于边界润滑状态，摩擦系数依然出现波动。当试验进行到Ⅲ区间时，由于试验次数增加，摩擦产生的热量以及空气中的热量导致水分蒸发，摩擦界面目视可见的液态水消失，此时的水膜厚度极低且不稳定。按照表面毛细黏滑的特性分析，摩擦副横向液桥出现变形-断裂-新液桥形成，摩擦副出现黏滑现象[5]；在摩擦副运动过程中，由于粘着摩擦力导致的黏滑加大了绒毛自身的弹性形变；此时，非线性摩擦振动明显加剧。摩擦系数由于不同点较大的波峰与波谷差异，单次试验的摩擦系数最小；同时反映到试验现象中，摩擦副也出现了明显的抖动（图2a-c）。从c点到d点，随着湿度的改变摩擦副表面形状发生改变，摩擦振动的频率出现由小-大-小，但振幅却在持续变大，摩擦系数变大。在Ⅳ区间，随着摩擦界面温度升高，绒毛表面水膜由于蒸发变的极低，摩擦副的湿度进一步降低，摩擦系数进一步增大[6]，明显的摩擦振动消失，摩擦系数出现了最大值，持续数次试验后开始逐渐下降。试验进行到区间Ⅴ中，摩擦界面湿度进一步降低并和环境温度保持一致，水膜的毛细力和固体表面的作用力接近，黏着摩擦力趋于平稳状态[7]，此时处于一个相对的干摩擦状态，粘着摩擦力不足以引起绒毛更大的形变，摩擦趋于平稳，摩擦系数波动很小。由于没有水的润滑，摩擦系数大于I～Ⅲ区间值。

2.2 加载前后试验结果及讨论

当试验过程出现抖动时，在固定绒毛的金属块上增加载荷，试验抖动明显加剧，图3-a为加载前摩擦系数-位移曲线，整个试验过程波形在0.07～0.25之间变化；图3-b为加载后的摩擦系数-位移曲线，试验波形在0.81～1.5之间变化，振波形变化比加载前增大近4倍，且从试验开始到结束波形变化与加载前趋势一致；图3-c为去除载荷摩擦系数-位移曲线，试验波形在0.05～0.21之间变化，摩擦系数变化区间及范围与加载前一致，同样，比加载时小了近4倍。

摩擦副出现抖动时，绒毛粘着摩擦力激发了弹性形变的加剧，此时进一步加大摩擦副的负载，绒毛发生弯曲变形，摩擦副接触面积增大，摩擦振动随之也变大;从图6a～c的变化可以看出。当卸载后，振动恢复到加载前的水平。由此可以看出，当出现摩擦抖动时，增加负载不但摩擦系数变化巨大，而且振动幅度也会加剧，针对摩擦副而言，负载增大会激发抖动加剧。

3 结论

a.連续的试验随着湿度降低，绒毛与玻璃摩擦副振动明显，摩擦系数出现负数，此时摩擦系数最小；

b.当绒毛与玻璃摩擦出现抖动时，增加负载会加剧振动幅度；

c.当绒毛与玻璃的组成摩擦副从湿润状态-干态的过程中，摩擦系数出现最大值，随后进入相对干摩状态。

参考文献：

[1]陈光雄，石心余．在有或无摩擦噪声状态下摩痕形貌的观察[J]中国表面工程，2002，55（5）：21-23.

[2]王安宇，莫继良，盖小红，陈光雄，朱昊.表面粗糙度对摩擦尖叫噪声特性的影响[J]. 摩擦学学报，2014，34（4）：400-407.

[3]王正国，莫继良，陈光雄，等．沟槽型织构化表面摩擦噪声特性试验研究[J]．摩擦学学报，2013，33（3）：304-310.

[4]田雨，张杰，韦永继，周文英 .聚氨酯弹性体摩擦系数影响因素探讨[J].聚氨酯工业，2022.17（1）：037-040.

[5]熊毅，张向军，董云开，王馨，温诗铸.环境湿度下硅材料表面的黏着与黏滑机理[J].纳米技术与精密工程，2007.1（5）：67-71

[6]王慰祖，黄平.点接触边界润滑吸附膜计算模型[J].摩擦学学报，2008，28（3）：240-243.

[7]卿涛，邵天敏，温诗铸.相对湿度对材料表面粘附力影响的研究[J].摩擦学学报，2006，26（4）：295-299.