汽車密封條絨毛與玻璃的摩擦特性研究

冉宇龍　劉智勇　李國林　徐云

摘 要：密封條絨毛與車窗玻璃摩擦失效是典型的一類摩擦特征。文章通過在實驗室重復多次模擬試驗，分析了密封條絨毛與玻璃組成的摩擦副界面從水潤到干摩擦狀態下摩擦特性變化，同時在試驗出現明顯振動時通過加載與卸載觀察摩擦特性的變化，將試驗過程從濕潤態-半干干濕態-干燥狀態分為五個不同階段，探討了試驗不同階段摩擦特性及發生的機制。結果表面明：摩擦副在半干干濕狀態下摩擦系數最小，同時試驗出現明顯的振動，此時增加負載，振動明顯加劇，卸載后摩擦系數恢復到加載前水平；在整個試驗過程中，濕態及干態的摩擦狀態均比半干干濕狀態平穩。

關鍵詞：絨毛摩擦 摩擦振動 半干半濕 明顯振動

近年來中國汽車工業高速發展，汽車已經進入大多數人的生活并成為必需品。用戶對汽車的認知和品質要求越來越高。其中玻璃升降過程的摩擦噪音已成為影響用戶感知的一項重要因子。

在摩擦研究中發現摩擦系數和真實接觸面積的大小等對摩擦噪聲的產生及特性有重要的影響[1]，也有人研究了表面粗糙度對摩擦尖叫噪聲特性的影響和產生摩擦噪聲時摩擦界面形貌特征[2-3]，目前，針對密封條絨毛與玻璃摩擦特性的研究比較少。通常車輛在環境溫度及濕度影響下出現的振動噪音更是行業一直討論的話題。因此，從絨毛與玻璃的摩擦特性研究很有必要。由于摩擦系數是評價潤滑接觸副摩擦性能的重要參數，本試驗將從濕度改變下的摩擦系數變化作為研究對象。

1 實驗部分

參考乘用車橡塑密封條標準GB/T 21282-2207中的附錄C密封條摩擦因數試驗方法中的試驗方法及條件并對同一試樣進行重復多次試驗；而且通過增加負載來觀察試驗結果變化。

1.1 材料

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

1.2 測試

1.2.1 連續重復多次摩擦測試

在常溫常濕環境下，試驗開始前將絨毛面用小噴壺里的純凈水表面均勻噴濕，然后用無紡布粘去絨毛表面的水珠。按照試驗測試標準，同一樣試樣連續重復試驗，在重復試驗過程中，絨毛上水逐漸蒸發，整個過程由濕潤態-半干半濕-干態，并記錄完整數據。

1.2.2 測試過程出現抖動時加載測試

按照上面試驗方法再次進行試驗，當出現絨毛在玻璃上發生抖動跳躍現象時，在絨毛固定金屬塊上增加500g標準砝碼，然后繼續試驗，重復多次后取消增加的標準砝碼繼續試驗，觀察并記錄試驗數據及試驗特征。

2 結果與討論

2.1 總體試驗結果及討論

同一試樣重復多次測試，用摩擦系數的變化反應整個試驗過程。試驗記錄數據顯示，試驗從開始出現波動到劇烈振動，最后逐漸平穩，絨毛從濕潤態-干態的過程可分為五個區間（圖1）。a～b段為Ⅰ區，由于玻璃表面張力作用，絨毛在玻璃面上滑過的位置可清楚看到不完整的水膜形成，此時絨毛處于濕潤狀態，摩擦系數在0.2～0.3范圍內處于波動狀態；在此區間內的任意一次摩擦試驗其數據都比較平穩，未出現試驗過程抖動情況；b～c段為第Ⅱ區，絨毛經過多次測試，絨毛上細小的水珠正好均勻的鋪在絨毛在玻璃上滑過的路徑上，在玻璃上形成完整的水膜，摩擦系數出現下降趨勢，摩擦系數在0.1～0.2范圍內波動，此區域同樣屬于絨毛濕潤態階段。c～d段為Ⅲ區，此區間N-1，N，N+1次試驗的結果變化比較大，摩擦系數在-0.05～0.25范圍內波動，此區間時絨毛滑過的玻璃面上幾乎目視不到水膜。同時，試驗過程出現嚴重抖動現象。在c點時，金屬塊帶動絨毛在玻璃上滑動時出現抖動（圖2-a），從試驗數據可以看到，振動波在-0.02～0.1之間變化，但振動的頻率并不高，只在試驗開始時一段位移內振動劇烈；在cd的中間位置，試驗抖動比較嚴重（圖2-b），從試驗數據可以看到，位于cd中間區域的試驗波形呈規律性變化，波形變化在0～0.15之間，雖然振動加劇，但趨于穩定；在d點時，摩擦系數曲線變化明顯加大（圖2-c），試驗過程抖動也愈發明顯，此時曲線在-0.2-0.38之間變化，出現規律且平穩振動；而且此區間可視為半干半濕狀態摩擦系數曲線呈劇烈變化。d～e段為Ⅳ區，是絨毛從半干半濕狀態到全干的一個過渡區域，在此區域摩擦變化較大，摩擦系驟然升高，最后逐漸下降，出現整個摩擦過程中的最高點；摩擦系數從0.05升到0.86，由逐次下降，最后降至0.26左右；但此區間試驗過程振動并不明顯，和I區類似。e～f段為Ⅴ區，此區間試驗過程抖動消失，試驗基本趨于平穩狀態；從試驗記錄數據可以看出，相鄰的試驗結果變化很小，此區間視為全干態。

研究發現彈性體的摩擦屬于混合摩擦，其中包含彈性材料在摩擦過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，粘著摩擦力主要以水分子的毛細力形式存在[5]。密封條絨毛以纖維絲的形式存在，其長徑L/d比達到200～250倍，在應力作用下產生大應變。而且在整個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，絨毛始終以點或線的形式與玻璃面接觸。在圖1的I區間，玻璃面上雖然有明顯的水潤痕跡，但由于表面張力的作用，玻璃面形成的水膜并不連續，在摩擦界面上，有的絨毛周圍有水包圍，處于水潤狀態，有的絨毛與則處于無潤滑狀態，有潤滑的絨毛與玻璃的摩擦系數小于無潤滑的絨毛與玻璃的摩擦系數。因此，在I區間摩擦系數在不同的試驗次數之間存在波動，并且從a點到b點呈現下降趨勢；同時，由于水潤作用，其整體摩擦系數低于V區間相對干態時的摩擦系數。在Ⅱ區間內，由于連續的試驗，水膜的連續性達到最大狀態，沒有得到潤滑的絨毛數量進一步減少，摩擦系數也再次下降，但由于摩擦界面仍處于邊界潤滑狀態，摩擦系數依然出現波動。當試驗進行到Ⅲ區間時，由于試驗次數增加，摩擦產生的熱量以及空氣中的熱量導致水分蒸發，摩擦界面目視可見的液態水消失，此時的水膜厚度極低且不穩定。按照表面毛細黏滑的特性分析，摩擦副橫向液橋出現變形-斷裂-新液橋形成，摩擦副出現黏滑現象[5]；在摩擦副運動過程中，由于粘著摩擦力導致的黏滑加大了絨毛自身的彈性形變；此時，非線性摩擦振動明顯加劇。摩擦系數由于不同點較大的波峰與波谷差異，單次試驗的摩擦系數最??；同時反映到試驗現象中，摩擦副也出現了明顯的抖動（圖2a-c）。從c點到d點，隨著濕度的改變摩擦副表面形狀發生改變，摩擦振動的頻率出現由小-大-小，但振幅卻在持續變大，摩擦系數變大。在Ⅳ區間，隨著摩擦界面溫度升高，絨毛表面水膜由于蒸發變的極低，摩擦副的濕度進一步降低，摩擦系數進一步增大[6]，明顯的摩擦振動消失，摩擦系數出現了最大值，持續數次試驗后開始逐漸下降。試驗進行到區間Ⅴ中，摩擦界面濕度進一步降低并和環境溫度保持一致，水膜的毛細力和固體表面的作用力接近，黏著摩擦力趨于平穩狀態[7]，此時處于一個相對的干摩擦狀態，粘著摩擦力不足以引起絨毛更大的形變，摩擦趨于平穩，摩擦系數波動很小。由于沒有水的潤滑，摩擦系數大于I～Ⅲ區間值。

2.2 加載前后試驗結果及討論

當試驗過程出現抖動時，在固定絨毛的金屬塊上增加載荷，試驗抖動明顯加劇，圖3-a為加載前摩擦系數-位移曲線，整個試驗過程波形在0.07～0.25之間變化；圖3-b為加載后的摩擦系數-位移曲線，試驗波形在0.81～1.5之間變化，振波形變化比加載前增大近4倍，且從試驗開始到結束波形變化與加載前趨勢一致；圖3-c為去除載荷摩擦系數-位移曲線，試驗波形在0.05～0.21之間變化，摩擦系數變化區間及范圍與加載前一致，同樣，比加載時小了近4倍。

摩擦副出現抖動時，絨毛粘著摩擦力激發了彈性形變的加劇，此時進一步加大摩擦副的負載，絨毛發生彎曲變形，摩擦副接觸面積增大，摩擦振動隨之也變大;從圖6a～c的變化可以看出。當卸載后，振動恢復到加載前的水平。由此可以看出，當出現摩擦抖動時，增加負載不但摩擦系數變化巨大，而且振動幅度也會加劇，針對摩擦副而言，負載增大會激發抖動加劇。

3 結論

a.連續的試驗隨著濕度降低，絨毛與玻璃摩擦副振動明顯，摩擦系數出現負數，此時摩擦系數最??；

b.當絨毛與玻璃摩擦出現抖動時，增加負載會加劇振動幅度；

c.當絨毛與玻璃的組成摩擦副從濕潤狀態-干態的過程中，摩擦系數出現最大值，隨后進入相對干摩狀態。

參考文獻：

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[2]王安宇，莫繼良，蓋小紅，陳光雄，朱昊.表面粗糙度對摩擦尖叫噪聲特性的影響[J]. 摩擦學學報，2014，34（4）：400-407.

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[7]卿濤，邵天敏，溫詩鑄.相對濕度對材料表面粘附力影響的研究[J].摩擦學學報，2006，26（4）：295-299.