通过摩擦试验分析干扰噪声

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在密封技术中，为了减少接触时的摩擦力，通常会采用覆膜密封。这种密封材料广泛应用于汽车领域，如车门、手套箱、帽子架和储物空间等部位。它们对乘客对车辆质量的感知有着显著的影响。

如今的客户要求，例如，移动门窗几乎无摩擦、无噪音地滑动。尽管在这一领域进行了优化，但在某些机械和气候条件下，密封件接触处仍会反复出现由摩擦引起的不希望的噪音现象。讲座将探讨这一科学和经济上都极为重要的问题，并通过系统性的摩擦分析提供结果，这些分析表明，带绒毛的密封件是噪音的来源。 目前，尚不清楚绒毛的特性以及摩擦伙伴的性质如何影响摩擦行为。

吱吱声或吱吱响是日常生活中常见的现象，通常被视为负面噪音。特别是在汽车领域，这些声音往往让人感到不悦。安装在车内的一些密封件是这些噪音的主要来源。这些密封件作为结构部件，通过其阻尼效果，防止流体介质的不必要流动，同时避免与其他部件（如车门和车身）接触。因此，车窗和车门的密封件对提升驾驶舒适度至关重要。 除了令人不适的风噪和车门关闭不良外，弹性密封件也是导致吱吱声或吱吱响的主要原因。

接触点处噪音排放增加的现象，可通过摩擦学原理解释，其基础是接触点处的粘滑效应。这种材料行为由粘滑效应引起，也是本次分析的重点。由于客户对车内噪音的投诉增多，出于经济和科学考虑，对这一问题的分析需求日益增加。密封件的粘滑行为是由多种因素共同作用的结果：材料的可变形性、表面特性、摩擦系统中密封件与衬垫材料的气候条件，以及由法向力或压力和相对速度定义的接触条件。为了准确确定复杂几何形状的摩擦特性，必须在实验室测试台上真实再现样品配对的安装情况。只有这样，才能考虑所有影响因素，获得真实的特性。在安装情况下，材料及其样品的几何形状是决定性的因素。测试时必须使用垫片的真实3D轮廓，因为样品的形状对摩擦行为的形成有决定性的影响。此外，衬垫材料的不平整、弯曲以及密封件与衬垫材料之间的角度对弹性体样品的变形行为有显著影响，进而影响摩擦力。简化为简单的平面样品几何形状是不可能的。样品几何形状的影响还扩展到了密封边缘的压力分布。由于分布的强烈波动，通常由样品横截面的变化或不同的入射角引起，摩擦行为可能会变得不稳定。因此，在车辆中几何形状变化较大的区域，例如车辆门周围的密封管弯曲部分，出现吱吱声的风险增加。在测试条件下，影响密封件粘滑现象形成的主要因素是气候条件和摩擦部件的相对速度。确定的相对速度范围从1 mm/s 到125 mm/s。实际速度的大部分集中在1 mm/s到10 mm/s之间。摩擦力与速度之间的关系可通过斯特里贝克曲线解释，这一现象在复杂密封几何结构的摩擦测试中也得到了验证。通常，极低的速度会导致粘滑效应，而极高时则会增加摩擦力。

气候条件、温度和湿度的影响已被证实。这里的温度具有复杂的影响。一方面，摩擦区通过闪温形成的温度对接触区域的材料特性有速度依赖性的影响。另一方面，环境温度影响整个样品，进而影响整个摩擦系统。研究发现，摩擦力随环境温度升高而增加。这可以解释为温度导致的刚度损失，从而增加了接触面积。除了改变摩擦力外，湿度也会影响吱吱声的行为。湿度增加最初会导致摩擦力持续上升。随着湿度的增加，粘附力的形成也得到了增强。当达到最大值时，会发生稳定的粘滑现象。如果进一步增加水分含量，最终会导致相反的效果。水分含量过高时，会形成润滑膜，从而减少摩擦力，使摩擦曲线变得连续且无粘滑。这种影响取决于摩擦表面的化学成分。根据成分的不同，可能存在疏水或亲水表面，这些表面会影响水分分子的分布和形状。对于粗糙度的影响，可以证明其具有非线性依赖关系，这种关系在每种情况下都取决于接触材料的粗糙度。相似的粗糙度会导致高接触面积的形成，从而增加摩擦力。摩擦伙伴之间的粗糙度差异较大时，接触面积会减少。然而，摩擦力不一定下降，这取决于粗糙度的可变形性。考虑密封件与反面材料首次失去接触的行程距离，是评估垫圈吱吱声风险的重要参数。如果行程足够大且不会导致接触中断，即使在汽车中，密封件也不会产生吱吱声。可以通过压缩样品区分不同的表面处理或绒毛。然而，在简化模型中无法评估它们的吱吱声倾向。确定吱吱声倾向与密封件的性能密切相关。

密封件的变形能力使得涂层的选择变得困难。通常，摩擦系数较低的涂层更不易发生粘滑现象。法向力或在完全几何形状下压力的影响，都会导致接触面的不同表现形式。接触面的高度与摩擦力的增加成正比。在某些情况下，通过 增加摩擦力可以延长首次失去接触的时间，从而避免实际安装中的吱吱声问题。这里需要考虑制造公差的影响。过小的间隙会导致高压，可能引发粘滑现象；而过大的间隙则会使密封件无法有效密封。因此，高质量汽车通常由于公差限制较低，较少出现吱吱声问题。

密封件的粘滑行为总是与变形相关联。低变形材料通常具有较低的摩擦系数。如果不对抗摩擦涂层或绒毛进行适应， 变形可能会显著影响摩擦行为。在汽车测试中，密封件的行程距离相对较小。然而，有些应用需要更大的行程距离。从相对运动曲线中可以提取出高达5毫米的距离。如果考虑侧窗沿密封件的移动，分析中需要包含更长的距离。 无论如何，这些距离都超出了密封件的变形能力，因此必须使用清漆或绒毛形式的涂层来减少摩擦力和磨损。通过预测模型，了解边界条件并确定接触材料的特性，可以较为准确地评估吱吱声的风险。同样，对分类树的详细分析也强调了这些因素对摩擦行为的影响。线性或正弦运动足以对吱吱声和摩擦行为进行基本分类。建议在耐久性和磨损测试中采用随机轮廓。因此，关于影响吱吱声和摩擦行为的知识、这些影响的安全确定及其可能的预测形式的结合，构成了该领域进一步研究的基础。

摩擦接触式涂胶密封示意图

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