橡膠減震資料

1、伴隨著汽車制造工業(yè)高性能技術(shù)的高速發(fā)展，汽車技術(shù)的發(fā)展一方面謀求汽車的使用經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，也正在改善汽車的舒適性、安全性。這就從減振、噪音、舒適性和行使穩(wěn)定性的角度，對(duì)橡膠減振元件提出了更高的要求。與其他減振制品相比，橡膠減振制品具有以下優(yōu)點(diǎn) 1 ：(1)形狀自由度較大； (2)可在 X、Y、Z 方向上旋轉(zhuǎn)，具有六方向彈簧作用： (3)具有適度的阻尼性能，可在低頻高頻的范圍內(nèi)加以利用； (4)同時(shí)具有減振、緩沖、隔音等多樣性能； (5)沖擊剛度大于動(dòng)剛度，動(dòng)剛度大于靜剛度，有利于減小沖擊變形和動(dòng)態(tài)變形。汽車的振動(dòng)現(xiàn)象

2、十分復(fù)雜，最明顯的振動(dòng)是懸掛彈簧裝置支承的簧上質(zhì)量的固有振動(dòng)。因此，減振橡膠制品主要用于控制汽車振動(dòng)和噪聲及改善汽車操縱穩(wěn)定性,一般置于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架、壓桿裝置、懸掛軸襯、中心軸承托架、顛簸限制器和扭振減振器等部位，以改善汽車的安全性和舒適性。1.橡膠材料性能要求及發(fā)展方向由于汽車的車輪、車型、車種以及懸掛機(jī)構(gòu)不同，減振橡膠元件的種類也各不相同。用橡膠材料作為減振材料的優(yōu)點(diǎn)在于 2 ：(1)橡膠是非壓縮材料，具有良好的阻尼特性，其泊松比接近 0.5，在彈性范圍內(nèi)的相對(duì)滯后值可以達(dá)到 1065%，動(dòng)、靜模數(shù)之比為 1.5左右。 (2)橡

3、膠的彈性變形比金屬大的多(可達(dá)10000 倍以上)，而彈性模數(shù)比金屬的小得多(為1/700 到 1/4000)； (3)形狀能自由選擇，可自由選擇三個(gè)方向的彈簧常數(shù)比； (4)容易與金屬牢固地粘合成一個(gè)整體，可使減振橡膠件體積變小，重量減輕，且支承方法也簡(jiǎn)單化。 (5)橡膠的聲速為 40200m/s，鋼的聲速卻為 5000m/s。 因此具有良好的減振、隔音和緩沖性能 3 。減振所用橡膠的品種很多，主要以天然橡膠和丁苯橡膠為主，為改善減振制品的耐熱性，也使用丁腈橡膠(NBR)、氯丁橡膠(

4、CR)、丁基橡膠(IR)、三元乙丙橡膠(EPDM)等。通常針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境和使用要求，選用不同的橡膠材料或?qū)追N橡膠共混以及采用某些改性方法來提高橡膠材料的某一項(xiàng)和幾項(xiàng)性能。1.1 低動(dòng)倍率、高阻尼性能理想的橡膠減振制品應(yīng)具有以下功能 1 ：(1)支撐功能：為支撐要求重量的物體，必須確保足夠的靜態(tài)彈簧常數(shù) Ks； (2)減振功能：相對(duì)要求的頻率，應(yīng)具有足夠低的動(dòng)態(tài)彈簧常數(shù) Kd； (3)防振功能：為了控制共振(不可避免的)時(shí)的傳導(dǎo)率增幅，所以應(yīng)具有足夠的高阻尼性。     

5、在所要求頻率下的動(dòng)態(tài)彈簧常數(shù) Kd 和靜態(tài)彈簧常數(shù) Ks 的比值，稱之為動(dòng)態(tài)比例因子。這一比值愈小，減振性能愈好，但通常是 Kd/Ks1。為了減小動(dòng)態(tài)比例因子，從橡膠配合方面或材料方面也可加以探討。在提高防振功能上，采用高阻尼材料是有效的。對(duì)通常的硫化膠來講，隨著 Ks 的增加，Kd 不可避免地會(huì)出現(xiàn)增大的傾向。因此，從Kd 和 Ks 兩者兼?zhèn)涞挠^點(diǎn)對(duì)橡膠的配合加以探討是十分必要的。NR 的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)比例因子比其他橡膠低，所以天然橡膠應(yīng)用最廣泛。在天然橡膠膠料中當(dāng)增加炭黑用量

6、時(shí)就可達(dá)到高阻尼化，但同時(shí)也會(huì)使動(dòng)倍率上升；而增大硫黃用量時(shí)動(dòng)倍率就會(huì)降低，但同時(shí)也會(huì)使阻尼下降。從橡膠配合方面已有很多探討工作。有專利介紹，在天然橡膠中配合 60%溴化丁基橡膠，添加六甲撐四胺，作為改性酚醛樹脂固化劑。與添加前相比，雖然硬度和靜態(tài)彈性模量有較大的增加，但動(dòng)倍率處于同等水平以下，而且損耗系數(shù)增大，并達(dá)到了高阻尼化。在天然橡膠/聚氯乙烯為 60/40(份)配合中，當(dāng)作為兩成分填充體系添加滑石粉(SiO2十 Mg0)或陶土(Si02 十 A1203)時(shí)，就可達(dá)到低動(dòng)倍率、高衰減化。在相對(duì)氯丁橡膠的炭黑配合體系，當(dāng)添加有碳化硅(須晶)

7、或氮化硼(為粉末狀，在表面有許多銳角的角或凹凸?fàn)?時(shí)，就可達(dá)到低動(dòng)倍率、高阻尼化，而且損耗系數(shù)對(duì)溫度的依賴性也比較小，可獲得在寬廣溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的特性 1 。此外利用橡膠材料的共混技術(shù)改善橡膠的動(dòng)態(tài)性能的還有： Wang Xiaorog 等人 4 采用聚(芳香烯烴-co-馬來酰亞胺)共聚物與馬來酸化的烷基烯烴和烷基雙胺在充分干燥的條件下形成聚烯烴接枝聚(芳香烯烴-co-馬來酰亞胺)共聚物，將這種材料和橡膠混合可以制備高阻尼材料； Kentaro 等人 5，6 由芳香乙烯基單體和丁二烯共聚物形成的

8、減振用絕緣橡膠材料具有很好的防止振動(dòng)和防止噪音的特性，同時(shí)這種材料還具有很好的屈撓疲勞性能。Toshiaki 等人 7, 8采用不能硫化的異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物和可硫化的溴化對(duì)甲基苯乙烯異丁烯共聚物的混合物以比例 80：20 到 25：75 配制成的共混橡膠材料，在應(yīng)用到減振橡膠配方中時(shí)材料的損耗因子 Tan大于 0.5，同時(shí)在-30到 20的范圍內(nèi)損耗因子 Tan的變化小于 0.5，使材料不僅具有很好的減振性能，而且還具有很好的減振穩(wěn)定性，同時(shí)材料還有很好的耐氧化和耐臭氧化性能；

9、Masashi 等人 9 采用溴化乙烯基共聚物橡膠(Br 含量 0.25%)和 NR 以及異丁烯橡膠制成的減振橡膠材料具有很好的耐熱老化、拉伸疲勞性能和臭氧裂解性能，在 90條件下處理1000 小時(shí)后拉伸強(qiáng)度保持 62，壓縮永久變形保持 39； Okada 等人 10 采用不飽和的乙烯、芳香族烯烴、非共軛烯烴以一定比例形成的不飽和共聚物制成的橡膠共混物使得減振橡膠在力學(xué)性能、耐熱性、耐老化性能、減振性能、振動(dòng)性能消失和耐屈撓疲勞性能上都具有很好的

10、性能。2. 耐熱性能為保證制品的耐久性，在減振橡膠的配合設(shè)計(jì)上，必須考慮的一點(diǎn)是隨時(shí)間老化的性能保持性，將橡膠的耐熱溫度從目前的 l00提高到150，將來還要用超耐溫(300以上)和可變彈性常數(shù)橡膠制備減震制品 1，11 。減振橡膠隨時(shí)間老化的原因來自于多方面，但主要的還是熱氧、動(dòng)態(tài)疲勞、臭氧等老化現(xiàn)象。其中，熱的影響在減振橡膠使用環(huán)境變化中是主要的因素之一。改善天然橡膠類材料的耐熱性，常采用以下方法： (1) 交聯(lián)形態(tài)的最佳化 1 ：對(duì)交聯(lián)形態(tài)最佳化的減振橡膠來講，出于物性和加工性能兩方面的原因，多數(shù)場(chǎng)合是采用硫

11、黃進(jìn)行交聯(lián)的。為了提高硫黃交聯(lián)體系的耐熱性，有必要選擇可獲得單硫化物體系交聯(lián)形態(tài)的硫化體系。但由于單硫化物體系的交聯(lián)形態(tài)會(huì)使減振橡膠的耐疲勞性交差，所以如何兼?zhèn)淠蜔嵝院湍推谛裕@在改善天然橡膠類材料的耐熱性上是十分重要的，配方上大多采用半有效硫化體系。 (2) 防老劑的選擇 1 ：由于減振橡膠是在動(dòng)態(tài)下使用的，它的老化(氧老化、臭氧老化、和疲勞老化)遠(yuǎn)比靜態(tài)時(shí)嚴(yán)重得多，各老化因素不僅單獨(dú)作用，還以各種各樣的耦合形式對(duì)橡膠施加作用，如機(jī)械方面的影響因素(載荷、振動(dòng)條件等)常常有大氣中的氧、臭氧和光等參與作用，還有熱(溫度)也參與作用，從而將導(dǎo)致橡膠的發(fā)粘

12、(切斷交聯(lián))硬化(交聯(lián)的進(jìn)行)或者龜裂及裂紋等現(xiàn)象發(fā)生，所以防老劑的使用及其配合十分重要。 (3) 共混膠的應(yīng)用等。以改善臭氧性為目的在天然橡膠中混合30左右的EPDM 是常見的方法，但在改善減振橡膠的耐熱性時(shí)，主要用的以SBR、EPDM 為主的 IIR 等。Nishiue Takeshi 等人 12 使用天然橡膠、含有不飽和鍵的順丁橡膠、以及碳原子數(shù)大于4 的含有-OH 基團(tuán)有機(jī)酸的金屬鹽，和一些其他的添加劑制成的減振器具有較好的耐久性和壓縮永久變形性能，在 70壓縮22&

13、#160;小時(shí)和在 40壓縮 148 小時(shí)的壓縮永久變形分別是 17.0 和 11.7%。O kada Osamu 13 采用 EPDM橡膠和 EAM 橡膠共混制得減振橡膠材料，發(fā)現(xiàn)材料具有很好的耐熱性和耐油性。3.疲勞性能在橡膠制品中，多少都存在潛在的缺陷部位，這是由于制品在受到反復(fù)變形時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起結(jié)構(gòu)和彈性的變化。因這種變化而產(chǎn)生的微小龜裂，再次受到反復(fù)變形時(shí)會(huì)加速增長(zhǎng)，直至破壞。Liu Lan 等人 14 利用蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)，制得 NBR

14、 橡膠層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)不僅可以顯著提高材料的定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度等性能，而且可以顯著降低高結(jié)構(gòu)炭黑的用量，改進(jìn)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，從而使材料的疲勞生熱顯著降低，延緩疲勞破壞過程。4. 抗蠕變性能蠕變是指在一定的溫度和恒定外力作用下，材料的形變隨時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象，是一種隨時(shí)間呈非線性變化的力學(xué)松弛過程。當(dāng)橡膠減振器蠕變過大時(shí)，會(huì)引起橡膠減振器位置偏斜、干擾、擋塊間距減小、非線性彈簧特性不當(dāng)變化等情況。橡膠的蠕變性能反應(yīng)了材料的尺寸穩(wěn)定性和長(zhǎng)期的負(fù)載能力，有重要的實(shí)用性。橡膠蠕變除受負(fù)荷(或應(yīng)力、變形)大小外，還受溫度影響，溫度遠(yuǎn)低于 Tg&

15、#160;時(shí)，蠕變很小，且很慢，短時(shí)間內(nèi)只看到蠕變的起始部分，溫度遠(yuǎn)高于 Tg時(shí)，蠕變很快，只能看到曲線右邊向上升起的部分。由于蠕變過程中實(shí)驗(yàn)要持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，因此還必須注意蠕變(及其回復(fù))過程中試樣的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了變化。橡膠減振器的最大使用力應(yīng)該考慮能夠避免過度蠕變，設(shè)計(jì)時(shí)可從以下兩個(gè)方面考慮 15 。 (1)注意選擇生膠的品種和硫化體系 16，1 7 。一般來說，天然橡膠、順丁橡膠蠕變較小，丁苯橡膠、丁基橡膠較大。從配方方面，宜選用硬質(zhì)炭黑和硫黃硫化體系。 (2)從使用條件方面考慮，溫度的影響最大，所以嚴(yán)格控制溫度是十分必

16、要的。2. 橡膠減振制品汽車交通控制振動(dòng)的途徑和其它領(lǐng)域相同18 ：1)降低振源的激發(fā)力；2)將振動(dòng)與激發(fā)源離開(隔振)；3)緩和振動(dòng)體的振動(dòng)。橡膠減振主要用于后兩個(gè)方面。橡膠減振器具有許多優(yōu)點(diǎn) 2 ：1)可以通過設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、調(diào)整橡膠性能來滿足對(duì)各個(gè)方向剛度的要求；2)兼具衰減和吸能兩種能力，減振效果好，容易越過共振區(qū)；3)彈性模量比金屬小得多，能夠產(chǎn)生較大彈性形變；4)沒有滑動(dòng)部分，因此無磨耗，易于保養(yǎng)；5)重量輕，安裝、拆卸方便。當(dāng)然，橡膠減振器也有一些缺點(diǎn)：1)高溫低溫性能不如金屬；耐油性能不如金屬；2)對(duì)于直射日光需要注意用薄膜遮蔽等；3)長(zhǎng)期用于

17、大載荷時(shí)彈性減弱。2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)座 1，18機(jī)座是支撐動(dòng)力裝置(發(fā)動(dòng)機(jī)、變速機(jī))的重要部件，除要求具有一定的減振特性外，還必須兼?zhèn)溆邢拗莆灰频墓δ堋０l(fā)動(dòng)機(jī)安裝用橡膠減振配件，產(chǎn)品如發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝墊、引擎前支撐、發(fā)動(dòng)機(jī)螺釘接線索環(huán)等(見圖 1、圖 2、圖 3、圖 4、圖 5、圖 6)。                    

18、;                                                  

19、;           圖 1 發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝墊圖 2 發(fā)動(dòng)機(jī)后安裝墊B 圖 3 引擎前支撐       圖 4 發(fā)動(dòng)機(jī)前懸置軟墊總成圖 5 發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置軟墊總成圖 6 發(fā)動(dòng)機(jī)螺釘接線索環(huán)最近，為了進(jìn)一步地提高舒適性和平穩(wěn)性，已有許多采用液體封人式及電子控制式的實(shí)例。而且在汽車用減振橡膠中，也有最有希

20、望提高橡膠材料的耐熱性的制品。作為液體封入型的減振橡膠也可分為單孔、雙孔和電子控制三種類型。圖 7 所示為液體封入型發(fā)動(dòng)機(jī)座的結(jié)構(gòu)(單孔型)。圖 8 為通過電子控制流路的開閉，來調(diào)整性能的液體封入式發(fā)動(dòng)機(jī)座 19 。圖 9 為使用粘度隨電壓改變而得以調(diào)節(jié)的流體來控制性能的發(fā)動(dòng)機(jī)底座 19 。                 &#

21、160;                                                 &#

22、160;   圖7 液體封入型發(fā)動(dòng)機(jī)座的結(jié)構(gòu)(單孔型) 圖8 液體封入型發(fā)動(dòng)機(jī)座的結(jié)構(gòu)(電子控制式)                                     

23、60;                                                 

24、60;                         圖 9 電子流變液體封入型發(fā)動(dòng)機(jī)座的結(jié)構(gòu) 1外筒；2電子流變流體；3內(nèi)筒；4橡膠；5電接頭；6電子流變閥；7隔膜；8氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的較高溫度下對(duì)液壓底座橡膠件有特別的要求，對(duì)底座性能的要求也更高： (1)耐熱性要求提高(80一130)；(2)動(dòng)態(tài)比例因

25、子降低(500Hz 下 Kd/Ks2)。 2.2 橡膠襯套橡膠襯套在支撐懸掛部件的同時(shí)，具有扭變的功能，是確保車輛駕駛安全及穩(wěn)定性的重要制品。此外，還具有減少振動(dòng)和沖擊的功能。通過對(duì)橡膠材料的探討，在一定程度上是可以調(diào)整動(dòng)態(tài)特性的，但同時(shí)也應(yīng)考慮到對(duì)加工性能(塑煉、成型)和動(dòng)態(tài)疲勞壽命(特性交化、撕裂、彈性下降、磨耗等)的影響。從彈簧特性以及制作方法來看，可分為以下幾個(gè)類型： (1)僅為橡膠的橡膠襯套(負(fù)荷較小時(shí)使用)； (2)僅為粘接內(nèi)筒的整體襯套(負(fù)荷與軸成直角的情況下使用)； (3)有內(nèi)外筒的無聲整體襯套(負(fù)荷較大時(shí)使

26、用)。                                                 

27、60;                                                 

28、60;              圖10 橡膠襯套2.3 緩沖器載重汽車在行駛中，特別是載重情況下與路況較差時(shí)行駛，往往上下層幅比較大，為有效防止箱體與車橋、車架的沖擊，重型車中大都采用橡膠緩沖制品。這類產(chǎn)品諸如彈簧限位塊、中后橋限位塊總成等 20 。圖 11 前懸架緩沖塊圖 12 后懸架限位塊總成緩沖器具有吸收沖擊力(由車輪對(duì)車體的沖擊力)的作用，因此耐沖擊特性和負(fù)荷撓度特性

29、受到重視。由于沖擊變形速度快，會(huì)顯示振動(dòng)時(shí)的高頻率區(qū)域變化相同的狀態(tài)，因此不適合使用耐寒性差的材料以及受溫度影響大的材料。作為材料來講，除 NR 類橡膠材料外，也可用發(fā)泡聚氨酯類材料。在一般情況下，緩沖器要受到自由高度 7080的壓縮變形，所以設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)形狀必須加以充分注意。多層結(jié)構(gòu)橡膠緩沖器也稱為橡膠彈簧，具有金屬?gòu)椈傻妮o助功能。2.4 消音器支架支架具有支撐排氣管系統(tǒng)的功能，但在減小車內(nèi)噪音方面也起著重要的作用。作為消音器支架來講，大致有懸掛和與配件粘合的兩種類型。由于是在高溫環(huán)境下使用的，所以多數(shù)用的是 EPDM 類橡膠材料。2

30、.5 橡膠空氣彈簧 21，22，23空氣彈簧是汽車空氣懸架系統(tǒng)的彈性元件及重要組成部分?？諝鈴椈墒且环N在柔性密閉容器中加入壓力空氣、利用空氣的壓縮彈性進(jìn)行工作的非金屬?gòu)椥栽?，具有緩沖、減振和動(dòng)作等功能。它主要由橡膠氣囊和上蓋及底座組成，有的還帶有箍帶或箍罩。它的優(yōu)點(diǎn)是彈簧常數(shù)低，固有振動(dòng)頻率大致保持一致，與空車或重車的狀態(tài)無關(guān)。它對(duì)高頻振動(dòng)的減振性能好，也可防止噪音。不足之處在于確定車橋位置的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生橫向擺動(dòng)和縱搖。根據(jù)橡膠氣囊工作時(shí)的變形方式，空氣彈簧可分為膜式空氣彈簧、囊式空氣彈攝和混合式空氣彈簧三種(圖 13、圖 14、圖 1

31、5)。膜式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊的卷曲獲得彈性變形；囊式空氣彈簧主要靠橡膠氣囊的撓屈獲得彈性變形；混合式空氣彈簧則兼有以上兩種變形方式 24 。                                    &#

32、160;                                                 &#

33、160;          圖 13 囊式空氣彈簧                                    

34、;         圖 14 膜式空氣彈簧圖 15 混合式空氣彈簧空氣彈簧組裝結(jié)構(gòu)見圖 16。     圖 16 空氣彈簧組裝結(jié)構(gòu)畦田、利夫等人研究表明 25 ，作為空氣彈簧氣囊的老化因素，是以交變應(yīng)力為基礎(chǔ)，再以熱、紫外線等的氧化老化因素相復(fù)合，并指出今后應(yīng)將重點(diǎn)放在耐疲勞性的材料設(shè)計(jì)上。2.6 動(dòng)態(tài)減振器對(duì)汽車來講，由于在各種各樣的頻率區(qū)域存在有固有振動(dòng)頻率，所以

35、這樣的振動(dòng)將會(huì)降低隔音、舒適性和駕駛穩(wěn)定性等。作為對(duì)策，可采用與橡膠制作的共振體系(動(dòng)態(tài)減振器)來減小特定頻率的振動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)上要求因環(huán)境變化和時(shí)間變化而引起共振點(diǎn)的移動(dòng)要小。主要使用的橡膠材料仍然是天然橡膠類。可是，對(duì)苛刻的熱環(huán)境部位使用的制品，已有采用 EPDM 類橡膠材料的實(shí)例。                        &

36、#160;  圖 17 橡膠減振器系列3 結(jié)束語     近年來，為提高汽車的安全性、舒適性和操作性，對(duì)減振橡膠元件的要求也越來越高，減振橡膠制品的應(yīng)用品種和數(shù)量越來越多。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)減振橡膠的膠料配方、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)試方法及生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，并結(jié)合 ANSYS、Abaqus 等分析技術(shù)對(duì)減振橡膠制品進(jìn)行優(yōu)化分析，減振橡膠的結(jié)構(gòu)與減振性能都有明顯的改進(jìn)與提高，其應(yīng)用也將更為廣泛。參考文獻(xiàn) 1 劉愛堂編譯.關(guān)于汽車用減振橡膠與配合J.橡膠參考

37、資料，2001，31(3)： 1718。 2 林孔勇，金晟娟，梁星宇等.橡膠工業(yè)手冊(cè)第六分冊(cè)化學(xué)工業(yè)出版社 (2)版 1998.6 3 張殿榮，馬占興，楊清芝.現(xiàn)代橡膠配方設(shè)計(jì)化學(xué)工業(yè)出版社 1994.8 4 Wang Xiaorong, Foltz Victor J. Grafted maleimidestyrenegpolypropylene copolymers used in rubber compounds for increasing hysteresis. EP 0 955,317 10 Nov,1999 5 Mori Kentaro, Okamura Shigeru, Toto Takeshi. Composition for vibration insulating rubber. JP 11 302,454 2 Nov, 1999 6Mori Kentaro, Okamu