內水切表面涂層對玻璃下降噪音的影響及優化

郭媛鈺，何妍

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

作為門窗系統運行的重要部件之一，內水切起到了隔音、降噪以及車內環境密封的關鍵作用。為了優化內水切的產品性能以提升門窗系統運行品質，內水切的表面涂層、斷面結構、變形特性以及插拔受力狀況都是重要的控制因素。目前，植絨涂層廣泛地應用在內水切與車窗接觸的唇邊表面，以達到減小玻璃升降阻力，增大唇邊耐磨性的目的。然而在實際考核過程中，筆者及其團隊發現量產的多個車型均存在玻璃升降過程中的異響問題，并且在濕度較高的情況下異響問題的缺陷率相對更高。

因此，筆者及其團隊以北京奔馳某車型為研究對象，在控制好玻璃曲率、門模內板尺寸、門窗通道間隙以及門窗系統裝配手法的前提下，對內水切下唇表面涂層進行優化，從而從問題根本上改善玻璃升降過程中以粘-滑方式摩擦震動而產生的噪音問題。

1 評價方法及分析

1.1 問題定義

質量考核員在序列化生產的某車型中發現了批量門窗噪音問題，其特征定義為：在考核間的溫濕度環境下（溫度：23±2℃，濕度：50±5%RH），車輛在靜止狀態下車窗玻璃下降時，駕駛者可聽到“咕嚕咕嚕”的噪音，音量較低，但會影響客戶的舒適感受。四門均存在噪音問題，缺陷率為30%～40%，最終考核部門將此問題評定為三級熱點問題。

1.2 噪聲源定位

為了準確定位噪音位置，筆者對照門窗系統數模對零部件進行逐一排查，最后將噪音源鎖定在內水切與門窗玻璃之間。之后使用三相圖分析方法通過交叉實驗驗證噪音來源，驗證過程分為三相分別為：整車，車門總成以及門窗系統相關零部件。根據交叉實驗結果，交換缺陷車與非缺陷車的內水切，噪音問題隨零件轉移至非缺陷車。結合對于門窗系統的三坐標測量結果得出結論，此項噪音問題與裝配、門內飾板、門窗玻璃無關，與內水切有關。

2 玻璃下降噪音的影響因素

內水切與玻璃表面摩擦產生噪聲的主要原因是滑動摩擦力隨相對速度而變化，當水切唇邊振動系統的阻尼小于0時，彈性體積攢一定的彈性勢能，當唇邊回彈時所造成的與玻璃之間的滑移會產生振動異響。這種現象被稱為內水切唇邊的粘-滑運動的現象。因此，水切唇邊與玻璃的接觸角度、水切唇邊的彈性性能以及唇邊涂層的摩擦系數是解決此項問題的關鍵因素。

圖1 內水切斷面結構

該車型的內水切截面幾何模型如圖1所示，本項目在合理零件設計的前提下，控制斷面結構、開口插拔力以及唇邊與玻璃干涉量不變的情況下，對下唇表面的涂層進行優化。通過改變摩擦特性使門窗系統運行穩定，從而抑制噪音的產生。

3 內水切唇邊涂層的控制及優化

通過理論模型分析，內水切所受摩擦力值的瞬時變化是唇邊跳動并產生異響的關鍵原因。因此，為了減小內水切唇邊相對于玻璃表面不同運動狀態所受摩擦力值的劇烈變化，在具有較低的滑動摩擦系數的唇邊涂層材料中選用動、靜摩擦系數差值更小，伸長率更高的材料更為有利。

理論分析采用Mike Ashby的材料性能指數來篩選理想的涂層材料，對于具有一定密封功能要求的彈性體而言，材料密封性能指數M與拉伸強度成正比，與楊氏模量成反比例關系。當M值越大時證明在同等壓力下彈性體與玻璃的接觸面越大，即密封效果越好：

綜合彈性體密封指數、伸長率以及動、靜摩擦系數，一種耐磨的硬質熱塑性材料(Sarlink 11044DB與Stahl Permutex WF13-419)將被采用作為涂層覆蓋在唇邊表面，并與傳統植絨唇邊進行材料機械性能與實際裝車驗證的對比。

4 材料性能分析與實驗

4.1 涂層厚度

涂層的噴涂質量會直接影響零件的性能，均勻平整的涂層可以增加零件的使用壽命，并且有更好的降噪表現。為了達到需要的功能性要求，一定的干膜厚度是檢驗涂層噴涂質量的基本標準。分別從四種樣品的不同位置取樣，觀察涂層外觀表征并測量其涂層干膜厚度，取平均值。參考其他車型的經驗，Stahl材料的理想涂層厚度為13±5μm,而Sarlink的理想涂層厚度約為80μm。

圖2為Sarlink涂層干膜光鏡照片，為探究涂層厚度對于內水切機械性能以及裝車表現的影響，本項目采用了60μm和100μm厚度的試驗樣件，分別記為Sarlink_60和Sarlink_100。

圖2 Sarlink涂層干膜光鏡圖

4.2 涂層硬度

涂層材料的硬度是控制其質量的重要機械性能之一，通常情況下其邵氏硬度設計理論值在70左右。為了測量涂層在唇邊表面成膜后唇邊的實際硬度（如表1），在每種樣品的十個不同部位取測量點進行邵氏硬度的測量，結果取平均值。實驗結果與理論相同，涂層厚度的增加會使唇邊的硬度在一定范圍內略有增加。總體而言，四種材料的硬度較為相近，均處于可接受范圍。

表1 噴涂后唇邊表面硬度 (Shore A)

4.3 拉伸試驗

拉伸試驗可以檢測出彈性體的拉伸強度和伸長率（如表2），根據理論分析拉伸強度較高，伸長率較低的材料，會起到更好的密封和抑制唇邊彈跳的結果。根據ASTM D-412(2016) 的標準，在四種帶有不同涂層的內水切唇邊進行取樣，使用模具沖切成寬度為10mm的啞鈴狀試樣條。通過以下公式將工程應變-應力數據轉化為實際應力應變值，并計算出拉伸強度以及伸長率：

式中：σ為工程應力；ε為工程應變；στ為實際應力；ετ為實際應變。

表2 噴涂后內水切唇邊拉伸特性

根據實驗結果，帶有Stahl涂層的樣品橡膠特性最為顯著，因此具備較好的密封特性，但是較高的伸長率會使其在車窗系統滑動運行中更容易將動能轉化為彈性勢能，因此會具有更高的唇邊彈跳的風險。

檢查拉斷后的樣品表面及截面（圖3），四種樣品表面涂層均無龜裂或剝離現象發生。

4.4 涂層耐磨性

涂層的耐磨性決定了零件的使用壽命，因此實驗參照標準GM 9909P，使用特制的玻璃摩擦頭來模擬門窗系統運行過程中對內水切唇邊表面涂層的磨損情況。在零件唇邊表面截取實驗樣條固定在實驗臺上，對玻璃摩擦頭施加1kg的載荷，使其以一定速度進行往復摩擦，磨損沖程為150mm。每1000次觀察實驗樣件的磨損程度，記錄其質量損失。觀察涂層狀態，記錄涂層是否磨穿露出基體材料。

圖3 Sarlink涂層拉斷后樣品表面狀態

圖4為植絨涂層唇邊經過3000次往復摩擦后的表面狀態，可以明顯觀察到植絨涂層下的膠水，并且可以觀察到局部的基體材料。Sarlink_100涂層唇邊經過5000次往復摩擦后涂層光澤度有明顯改變（圖5），并且一般表面可以看到涂層磨穿，露出部分基體材料（端部更為明顯）。

圖4 植絨涂層3000次往復摩擦后狀態

圖5 Sarlink涂層5000次往復摩擦后狀態

因此，在干燥情況下，相較于植絨涂層來說，噴涂TPE滑材的唇邊具有更高的耐磨性。也就是說在門窗系統運行的環境下，具有更長的生命周期。

4.5 涂層摩擦系數

作為影響玻璃升降系統阻力的重要參數，內水切唇邊表面涂層摩擦系數對于分析玻璃升降過程中產生的異響起著至關重要的作用。通過前期的分析我們了解到玻璃升降過程中的噪音主要是由于動靜摩擦狀態轉換導致的唇邊彈跳造成的，因此為了避免唇邊所受摩擦力的突變，涂層表面的動靜摩擦系數值越小，并且其比值越小對預防噪音問題更為有利。在干摩和濕磨兩種條件下分別測出四種涂層的動、靜摩擦系數，見圖6、7。

圖6 濕磨狀態下涂層唇邊與玻璃動靜摩擦系數

在干摩狀態下，Sarlink涂層與植絨涂層測試結果較為接近，而濕磨狀態下Sarlink涂層的動靜摩擦系數比值小于1.1，植絨涂層與Stahl涂層比值較高。因此，在預防摩擦噪音方面，尤其是濕度較大的情況下，Sarlink_60會具有更優越的性能。

圖7 干磨狀態下涂層唇邊與玻璃動靜摩擦系數

5 結語

本文通過交叉試驗、三坐標測量等分析手段找到門窗系統升降過程中發生異響的根本原因。從內水切唇邊涂層的機械性能入手，通過磨損與摩擦系數的功能性實驗對于特定的四種涂層展開分析。通過上述的理論分析與實驗驗證可以得出盡管植絨涂層具有摩擦系數較小的優勢，但是對于濕度較大或者溫度較低的環境下硬質TPE復合材料涂層會具有更優越的性能，并且從耐磨損的角度來看復合材料涂層具有更長的使用壽命。在后續實際零件的裝車驗證中也同樣證明了帶有硬質TPE涂層的內水切在玻璃升降運行時有更為優越的表現。