周博
【摘 要】橡胶衬套是悬架系统中连接车架和车桥的柔性部件,对车辆操作稳定性发挥着重要作用,而在橡胶衬套的实际应用过程中,会发生橡胶因脱胶以及老化断裂等问题使车辆运行的安全性受到影响.为了更好地完善悬架系统,对悬架用橡胶衬套进行了研究.在衬套结构选定情况下,确定了所用材料及制备工艺.质量检验结果发现,该橡胶衬套能够有效地缓冲外部刺激,满足悬架的基本要求,值得推广应用. 【期刊名称】《合成树脂及塑料》 【年(卷),期】2018(035)004 【总页数】5页(P38-41,45)
【关键词】汽车悬架;橡胶衬套;制备方法 【作 者】周博
【作者单位】吉林石化物流有限责任公司,吉林省吉林市 132000 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ325
汽车悬架系统为汽车的重要组成部分，直接影响到汽车的使用性能［1］。由外观看，汽车悬架组成部件为杆、筒、弹簧，看似构造简单，但实际上其内部结构极为复杂，既要符合大众对汽车舒适性能需求，也要保证汽车的操纵稳定性。而两种要求具有一定对立性，在实际设计及构造当中很难达到完美要求，加大了设计难度。
本工作对悬架系统重要组成——橡胶衬套进行了研究，以便从衬套的角度来提升悬架系统的整体性能。在衬套结构选定情况下，确定了所用材料及制备工艺。 1 汽车悬架系统
汽车悬架的主要功能是减轻路面不平给车架、车身造成的冲击力以减缓震动，从而为汽车的平稳运行提供保障，提升汽车行驶过程中的舒适度［2］。悬架衬套属于悬架系统，其功能为保证汽车扭转、倾斜的柔韧性，从而调控对轴向、径向的位移状况，进而降低传输到车身的震动及冲击力，提升汽车操纵过程中的平稳性，为悬架弹性运动提供保障。
评估减震橡胶性能的主要指标为静态模量、动态模量、阻尼系数。静态模量是橡胶的弹性模量水平；动态模量为减震橡胶刚柔水平，减震橡胶具有分子结构刚柔适当的特点［3］；阻尼系数以分子运动的摩擦情况为基础，是减震橡胶的动态性能评估标准，以介质损耗因子（tanδ）来表示，频率越大，动态模量水平越高，tanδ越大，升至峰值后tanδ下降，其峰值的出现与材料状态有关，可以通过改变频率、调整温度来达到［4-5］。一般情况下，阻尼系数大则减震效果好，但阻尼系数过大，意味着产生热量增多，会对汽车性能的发挥造成不良影响，因此在实际设计中应合理控制阻尼系数［6］。 2 汽车悬架用橡胶衬套材料的选取
丙烯酸酯橡胶：以丙烯酸酯为主单体，通过共聚最终形成弹性体。其具有耐高温、抗老化、耐油、抗臭氧以及抗紫外线等，适合在各种高温环境中应用，是现阶段汽车工业广为应用的密封材料［7］。
丁腈橡胶：通过低温乳液聚合法生产，具有良好的耐油性能、抗磨性能以及耐热性，另外具有较强的黏接力，主要用于耐油橡胶制品的制造。其良好的气密性与耐水性，是汽车、石油以及航空等行业必备的弹性材料［8］。
聚氨酯橡胶：聚合物主链上存在诸多氨基甲酸酯基的系列弹性体，具有硬度高、弹
性高、耐磨性好、强度高、抗老化以及抗辐射等优点，较其他橡胶材料的性能更佳［9］。
其次，还有氯丁橡胶、乙二酸二甲酯、白炭黑、聚酯纤维、硬脂酸钡、二叔丁基氧化锡、石氧化钙、二苯甲烷二异氰酸酯、聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯、硅酸钙、古马隆树脂、促进剂2,2’-二硫代二苯并噻唑和酚醛树脂等辅料，这些都是悬架衬套制备的重要组成部分。 3 材料制备
橡胶衬套是汽车悬架系统中用于车辆减震、防止磨损的重要构件，由内外骨架、黏结层、减振橡胶等组成。其中，减震橡胶的质量影响减震效果。通常，减震橡胶采用天然橡胶或者以天然橡胶为主要成分进行改性。其基本流程为：原料准备→配合剂的补充加工→生胶及配合剂称量→橡胶的混炼（密炼）→质量检验［10］。 3.1 准备工作
制备前，按照选料标准选取适合的主料及辅料，对其纯度、粒径、水分、机械杂质含量等进行检验，生胶除了要验证其化学成分外，还要进行门尼黏度和力学性能的校验。要求保持原料的洁净和卫生，并切割成等量规格的胶条备用。橡胶混炼可以选择开炼机或者密炼机进行。由于橡胶混炼过程中需要使用大量的粉剂配料，采用开炼机会产生粉末飞扬，且劳动强度大，生产效率低，因此本工作使用密炼机［11］。 3.2 配合剂的处理
配合剂的种类多样、作用复杂，影响橡胶的寿命、力学性能及加工性能等。本工作选择天然橡胶、丁腈橡胶为主料，其物理性能及化学性能良好。为进一步提高其硬度和定伸强度等，可以加入补强填充剂以增加硬度，并添加少量硫化剂增加交联密度。不同的橡胶品种，补强填充剂的品种选择有所差异。以绿色制备、降低材料损耗为原则，在制备前，根据不同配合剂的固有形态进行加工处理。主要内容为：针
对固体式配合剂进行粉碎处理，形成大小均匀的颗粒；对粉状配合剂则要进行干燥处理和筛选，避免粉状配合剂中混合水分而黏结，降低其性能；对于熔点较低的配合剂，制备前要进行预融化，并在一定温度条件下进行杂质过滤，增强软化剂的纯净度；为避免低温造成凝胶现象，液体配合剂需进行适当的升温及过滤；促进剂等配合剂需要与液体软化剂进行预先混合，形成膏状配合剂，从而减少制备过程中配合剂发生粉末飞扬，影响作业环境［12］。 3.3 生胶及配合剂称量
称量4种料样，分别是生胶、“大药”“中药”“小药”，并按照配比进行分装。“大药”是指补强填充剂、增塑剂在内的配合剂；“中药”为活化剂、防老剂等配合剂；“小药”则是指硫化剂、促进剂等配合剂。根据橡胶混炼需求，要求配合剂均匀分配在胶料中，因此，配合剂及生胶称量要做到精细、不错漏、准确无误。本次制备为小规模生产，所有的生胶、配合剂均采用手动称量和投料的方式进行。工业化生产时，按照设定剂量加入到混料机中自动进行称量和投放［13］。 3.4 橡胶的混炼（密炼）
橡胶的混炼（密炼）可以分为一段式混炼和两段式混炼。一段式混炼在混炼均匀后，可一次性获得混炼胶的成品，操作比较简单，也是开放式混炼主要采取的方式，但成品效果较两段式混炼有所欠缺，尤其是炭黑分散存在不均匀的现象。本工作所选择的丁腈橡胶，胶料下片冷却停放后的黏度会增大，若再次经过密炼可进一步提升其拉伸力，因此选择两段式混炼。传统的两段式密炼是一次性将所有胶料、配合剂送入高速密炼机进行粗混炼形成母胶，并在下片后冷却，使用低速密炼机进行两段式混炼，再经压片机补充加工胶片。其与一段式混炼具有相同特性，不利于生产高质量胶料。为了对此进行优化，选择目前普遍采用的分段投胶两段式混炼方法。具体作业方法为：1）对生胶进行预热处理，这能有效保护密炼机不受损伤，并防止天然橡胶在低温条件下结晶。将生胶在烘箱中预热30 min后，取出，准备送入高
速密炼机中［14］。2）开启高速密炼机冷却水后，将80%的生胶进行快速塑化，整个塑化过程持续90 s。3）塑化后，开启密炼机顶端的栓口放入与生胶同等配比的“大药”和“中药”进行混炼，持续90 s，在此过程中，胶料温度持续上升，为了避免制胶过程中发生焦烧反应，观察密炼机的温度显示，当机器内部温度低于90 ℃时，可以投入“小药”进行混炼，混炼时间持续60 s生成母胶，下片后在不锈钢平台上进行冷却，等待包括增强剂在内的配合剂进行静态扩散。冷却和停放时间控制在（18±6）h。当密炼机内温度不能自主降至90℃以下时，可以微开卸料口，低速转动转子进行主动降温［15］。4）第一段混炼后，母胶的黏度增大，使胶料在混料时有更大的剪切或拉伸力，胶料和配合剂更容易破碎和混合。5）进行第二段混炼时，按照一段混炼的步骤，将剩余的20%生胶投入到母胶中进行混炼，置于不锈钢平台上进行均匀冷却并排胶。此时得到的胶片继续停放冷却16～72 h后就可以配合橡胶衬套的生产流程进行硫化处理［16］。 3.5 质量检验
制备好的橡胶衬套材料需要经过相关的质量校验，方可正式投入使用。按照表1所示的3种表面处理方式（酸蚀处理，酸蚀之后打磨处理，镀膜处理）和3种橡胶配方进行正交试验，一共9组试样，每组试样制备3个制件，进行黏接件性能测试，分别是径向刚度测试、轴向静刚度测试、摆角刚度测试、扭转刚度测试、压入力测试、耐疲劳性测试等［17-18］。
表1 橡胶处理方式Tab.1 Treatment method of rubber1） 采用双酚A型环氧树脂E51，E12，E35分别对酚醛树脂进行化学改性，按酚醛树脂与环氧树脂质量比为10∶3制备3种酚醛环氧树脂胶黏剂，并制成3个试样，分别记作配方1、配方2、配方3。橡胶配方1） 处理方式酸蚀处理 酸蚀之后打磨处理 镀膜处理配方1 试样1 试样2 试样3配方2 试样4 试样5 试样6配方3 试样7 试样8 试样9
3.5.1 径向刚度测试
弹性体测试系统选择MTS831.50（25 kN）700 Hz系统，位移为0.005～20.000 mm，作用力为125 N到25 kN，频率为0.01～700.00 Hz。实验过程中，设置径向加载速度为5 mm/min，载荷从0加至5 kN，进行3次循环操作，结束后静止90 s，预加载200 N，将设备调零。以5 mm/min的径向加载速度将载荷从0加至11 kN，记录5 kN处位移并记录载荷-位移曲线，从图1可以看出：试样配方相同，径向静刚度曲线的形状类似，且载荷-位移曲线非常接近，这表明配方是径向静刚的主要度影响因素；试样4、试样5、试样6的曲线完全分布在上下公差带之内，并未与上下公差范围交叠，表明采用配方2制备的试样均符合径向静刚度条件；试样3、试样7、试样8、试样9的曲线与上下公差带发生了交叠，表明这些试样难以满足复杂加载条件下的径向静刚度要求。
图1 径向静刚度的载荷-位移关系曲线Fig.1 Load-displacement curves of radial stiffness 3.5.2 轴向静刚度测试
测试系统与3.5.1的测试系统相同，5 mm/min的轴向加载速度，载荷从0加至5 kN，共进行3次循环操作，结束后静止90 s，预加载200 N，将设备调零。以5 mm/min的轴向加载速度将载荷从0加至11 kN，记录5 kN处位移并记录载荷-位移曲线，从图2可以看出：试样4～试样9的曲线完全在公差带之内分布，且并未与公差范围重叠，说明采用配方2以及配方3制备的试样均符合轴向静刚度条件。
3.5.3 扭转刚度测试
所用系统为MTS 832衬套耐久系统，主要用于橡胶衬套的摆角刚度、扭转刚度以及耐疲劳测试。设置加载速率为60（°）/min，扭转角度为-20°～20°，共重复循环3次，结束后静止90 s。以20（°）/min的加载速率进行再次加载，扭转角度
为0°～20°或0°～-20°，从图3可以看出：试样4～试样6的曲线均分布在公差带之内，表明采用配方2制备的试样满足扭转刚度要求。
图2 轴向静刚度的载荷-位移曲线Fig.2 Load-displacement curves of axial static stiffness
图3 扭转刚度的角度-扭矩曲线Fig.3 Angle-torque curves of torsional stiffness
3.5.4 摆角刚度测试
测试系统以及相关测试方法与3.5.3相同，从图4可以看出：试样1～试样6的曲线均在公差带范围内，表明采用配方2及配方3制备的试样均满足摆角刚度要求。 图4 摆角刚度的角度-扭矩曲线Fig.4 Angle-moment curves of angular stiffness 3.5.5 压入力测试
选用济南品德试验机有限公司的CMT6101型电子万能试验机，该产品满足《GB/T 16491—2008 电子万能试验机》要求。将土耳其红油涂在橡胶衬套上实施轴向加载，加载速度为10 mm/min，直至衬套压入到夹具中为止，记录最大压入值，同时以全装散件压入值（CKD）为参照［19］。结果表明：试样1～试样9的压入力分别为5.1，5.6，5.9，5.6，5.8，6.1，5.5，5.7，6.1 kN，CKD为6.0 kN。其中，试样3、试样6、试样9的压入力与参照值CKD最为接近。 3.5.6 耐疲劳性测试
选择MTS4试验系统，将行驶模块设置为±13°的摆动角度，4.3 kN的载荷振幅，0.98 Hz的摆动频率，1.5 Hz的加载频率， 1 200次的加载次数；将制动模块设置为±13°的摆动角度， 3.3 Hz的摆动频率，0.5 kN的载荷振幅，0.5 Hz的加载频率，30次的加载次数［20］。结果表明：试样1～试样3的破坏程度最严重，表明配方1的耐疲劳性较差，而试样4～试样9只有表层橡胶出现磨损，表明配
方2及配方3具有较好的耐疲劳性能。
综合上述质量校验结果发现，所制橡胶衬套材料的刚度、抗压力、耐疲劳等性能均符合一般汽车悬架橡胶衬套的作业环境需求，且未见明显裂痕及损坏。 4 结论
a）通过对汽车悬架橡胶衬套进行研究，以材料和制备方法为研究基础，有效地提升了悬架系统的整体性能。
b）衬套的耐臭氧、抗老化、拉伸性能、硬度等均符合国家标准，表明该制备方法具有极强的应用推广价值。
c）所制橡胶衬套材料的刚度、抗压力、耐疲劳等性能均符合一般汽车悬架橡胶衬套的作业环境需求，且未见明显裂痕及损坏。 5 参考文献
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