梁继竹，曹 蓉，钱励克，王 伟

（1.青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042；2.江阴海达橡塑股份有限公司，江苏 江阴 214424）

随着生活水平的不断提高，人们驾车和乘车时不仅关注行车安全，还特别注重驾驶和乘坐的舒适性，汽车天窗就是随着舒适性要求而出现的[1]。但引进天窗的同时，也带来了新的问题，如开启关闭异响[2]、密封不良等。密封条作为天窗系统的主要密封件，作用就是避免天窗开闭及汽车运行中产生噪声，其性能对噪声和密封性有着直接影响。然而人们都把研究重点放在密封条截面以及表面材料上，忽略了排气孔的影响[3]。

本工作通过有限元分析和正交试验设计对密封条排气孔的设计进行优化，从而降低噪声。

1 研究对象

本研究的汽车天窗密封条截面如图1所示。该密封条由三元乙丙橡胶（EPDM）密实胶和海绵胶构成，通过复合挤出-微波/热空气硫化生产线生产。图2示出了天窗密封系统的配合关系，其中a泡管与车身钣金配合，b泡管与天窗聚氨酯（PU）包边配合。

图1 天窗密封条截面

图2 天窗密封系统配合关系

2 优化设计思路

优化设计思路如下：（1）通过有限元分析计算理论排气量；（2）根据天窗关闭的时间计算不同数量和孔径的排气孔在天窗关闭时对应的气流速度；（3）测定单位长度内封闭两端的密封条不同常用孔径排气孔对压缩负荷的影响；（4）测定不同打孔角度下密封条排气出现气流噪声（低于60 dB）的最小压力；（5）通过试验结果设定排气孔的最佳设计方案，并进行实际评价。

3 有限元分析

天窗系统关闭时从接触密封条到密封条被完全压缩的时间为5.2 s。通过有限元分析软件Abaqus模拟密封条在天窗开启和关闭时的变形状态，计算出密封条被压缩的面积，然后乘以密封条的长度，计算出泡管被压缩的体积（即排气体积或排气量），再根据压缩时间和气孔的大小计算排气速度：

式中，v为排气速度，mm3·s-1；ΔS为被压缩的密封条面积，mm2；L为测试用密封条的长度，mm；t为天窗关闭过程需要的时间，s。

有限元建模要素：（1）材料采用密实胶HDQ681和海绵胶HD-Q609，均为EPDM生产胶料；（2）本构模型为Ogden模型；（3）分析步类型为Static Genenal；（4）切向行为为罚函数摩擦类型，摩擦因数为0.35；硬接触通过经典的拉格朗日乘子方式实施；（5）网络控制属性采用四边形为主的进阶算法，单元类型为CPE4H（4节点线性平面应变四边形单元）；（6）边界条件选择左侧压缩解析刚体施加X正向位移1.7 mm、右侧压缩刚体施加X反向位移3.5 mm。

压缩前和天窗关闭时密封条的变形状态网格模型如图3所示，通过有限元分析计算的变形前后泡管面积和排气量见表1。

表1 天窗密封条变形前后泡管面积和排气量

图3 天窗密封条变形状态

4 对比试验

排气孔产生的噪声主要有两种，一种是排气不充分，使密封条泡管内外存在压强差，增大压缩负荷，从而产生摩擦噪声[4]；另一种是排气时压强过大，气体从密封条空隙排出产生振动，从而出现噪声。

目前国内外对排气孔的设计主要依据经验。通过多打孔的方式避免噪声，在不能排除排气噪声时，通过增大孔径或增大孔数量来应对，设计过盈量一般较大。但是，有些结构的天窗密封条排气孔位于工作面的底部，而且在正常工况下会有排气孔接触到密封面的情况，因此在保证排气量的基础上，应尽量减小排气孔的数量和直径。

为了优化排气孔设计，进行了对比试验，测定密封条在两端开放和两端封闭状态下每组双泡2个压缩量时的压缩力。图4为在两端完全开放的状态下a泡管和b泡管压缩量和压缩力的测试示意，其中a泡管试验的2个压缩量M1和M2分别为5.5和6.9 mm，F1和F1′为测定的相应压缩力；b泡管试验的2个压缩量H1和H2分别为7.15和8.55 mm，F2和F2′为测定的相应压缩力。试验结果见表2。

表2 两端完全开放状态下压缩力的测试结果 N·dm-1

图4 两端完全开放状态下泡管的压缩量和压缩力测试示意

通过试验进一步探讨在密封条两端封闭状态下排气孔对压缩力的影响。取长度为250 mm的一段密封条，用406胶水将两端泡管封住，使泡管内形成密闭空间。通过改变排气孔的数量、直径和位置（见图5），进行三因子三水平（表3）正交试验设计，由L9（34）的第1，2，3列组成，共排出9组试验，结果见表4。

表3 试验因子和水平设计

表4 正交试验安排和试验结果

图5 排气孔设计位置

由试验结果可以看出：因子C的3个试验点数据相差最大，对压缩力影响最大；因子A和B的3个试验点数据相差较小，为次要因素。由此可见，排气孔位置对压缩力影响最大。

5 安装状态评价

试验在静音房（无锡福乐田玻璃钢环保设备有限公司产品）中进行。排气孔轴向位置距对接处50 mm，且以对接线对称。静音房尺寸为2 m×3.5 m×2.5 m，房内噪声为（20±1） dB。测试设备为TES 1350R型噪音计（中国台湾泰仕电子工业股份有限公司产品），位于天窗前玻璃中央下方（200±20） mm处，测试3个数据，取平均值。人体感知测试模拟驾驶员位置，由3个人员评价。测试结果见表5。由表5可以看出，排气孔最优方案为在密封条长度方向安排4个Φ2 mm的排气孔（位置3）。

表5 产品实车安装后评价对比

6 结语

排气孔对天窗系统噪声有较大影响，针对不同密封条断面设计不同排气孔是非常必要的。不同密封条应针对其排气量、天窗开启关闭时间、压缩变形量而设计相应的排气孔大小、数量、位置以及打孔角度。排气孔的设计必须满足天窗开启关闭过程中密封条海绵泡内外不存在较大压差以及排气过程不产生气流声。一般设计中，会预留安全系数，多打排气孔。以上方案的密封条经实际汽车装车运行试验，天窗系统未发生异响，效果良好。

致谢：本文承蒙北京橡胶工业研究设计院有限公司谢忠麟教授级高级工程师审阅，深表谢忱。