孫曉幫 孔令洋 王祥 石晶

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院）

減振器橡膠襯套（以下簡(jiǎn)稱橡膠襯套）因具有良好的吸收高頻振動(dòng)和隔振效果，被廣泛應(yīng)用在汽車懸架系統(tǒng)中[1]。汽車行駛時(shí)，橡膠襯套受路面的激勵(lì)作用處于交變載荷下，因此很容易發(fā)生疲勞失效。通過試驗(yàn)方法研究橡膠襯套的疲勞壽命不僅能提高其使用壽命，而且能提高懸架的行駛安全性。目前國(guó)內(nèi)外沒有完整的汽車懸架橡膠襯套試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，各廠家試驗(yàn)規(guī)范也不統(tǒng)一。文章通過橡膠襯套受力分析，建立橡膠襯套的疲勞試驗(yàn)規(guī)范，并確立橡膠襯套疲勞失效的判斷準(zhǔn)則。

1 橡膠襯套的受力分析

1.1 獨(dú)立減振器橡膠襯套受力分析

獨(dú)立減振器是指減振器與彈簧獨(dú)立安裝。裝有橡膠襯套的獨(dú)立減振器一般有雙吊環(huán)式和下吊環(huán)式2種。雙吊環(huán)式減振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。在實(shí)車使用工況下，減振器上吊環(huán)（內(nèi)含橡膠襯套）與車架或車身相連，下吊環(huán)（內(nèi)含橡膠襯套）與車橋相連。橡膠襯套外圓柱表面與減振器上下吊環(huán)之間為過盈配合；橡膠襯套芯部是與橡膠粘接的剛性套筒，銷軸穿過套筒內(nèi)部將減振器一端與車架或懸架系統(tǒng)托臂梁柔性連接在一起。在汽車產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，橡膠襯套受到外吊環(huán)和內(nèi)剛性套筒的作用產(chǎn)生粘彈性變形，能有效減輕路面的載荷沖擊并衰減車身振動(dòng)，從而改善汽車行駛平順性和乘坐舒適性。上下2個(gè)橡膠襯套徑向受力簡(jiǎn)圖，均如圖2所示，由于橡膠襯套與減振器形成作用力與反作用力，減振器的阻尼力等于橡膠襯套所受徑向力，因此圖2中的力（F/N）等于減振器的阻尼力。下吊環(huán)式減振器的橡膠襯套徑向受力分析方式與雙吊環(huán)式減振器橡膠襯套相同，不再累述。

1.2 減振器支柱總成橡膠襯套受力分析

在現(xiàn)代很多汽車獨(dú)立懸架中，減振器和減振彈簧多裝配成一體，形成減振器支柱總成（減振彈簧安裝在減振器彈簧托上），圖3示出某車用減振器支柱總成圖。

減振器支柱總成上橡膠襯套與減振器之間，以及減振器支柱總成下橡膠襯套與并聯(lián)減振彈簧的減振器之間均存在作用力與反作用力。在汽車靜止?fàn)顟B(tài)下，上橡膠襯套幾乎不受力；只有在汽車行駛狀態(tài)，當(dāng)車身（架）與車橋發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，上橡膠襯套才受到與減振器阻尼力相等反向的力的作用。由于汽車自重等原因，即使在非行駛狀態(tài)下，減振器支柱總成下橡膠襯套也始終要承受減振彈簧的彈力作用，并承受一定的徑向預(yù)壓力；在汽車行駛狀態(tài)下，下橡膠襯套又要承受復(fù)雜交變的載荷，橡膠襯套的疲勞失效主要以減振器支柱總成下橡膠襯套為主。因此上橡膠襯套所受力等于減振器的阻尼力，下橡膠襯套所受力等于減振器阻尼力與減振彈簧彈力之和。

2 橡膠襯套疲勞試驗(yàn)依據(jù)及試驗(yàn)規(guī)范

2.1 疲勞試驗(yàn)依據(jù)

疲勞試驗(yàn)的主要目的是評(píng)定橡膠襯套的使用壽命，可以通過橡膠襯套在疲勞試驗(yàn)前后的特性變化和外觀的變化進(jìn)行評(píng)定[2]。疲勞試驗(yàn)方法依據(jù)文獻(xiàn)[3]，采用非共振法，對(duì)橡膠襯套施加不同頻率和不同幅值大小的周期性簡(jiǎn)諧激勵(lì)，并對(duì)試件往復(fù)循環(huán)加載。當(dāng)激振到試驗(yàn)要求次數(shù)時(shí)，通過測(cè)試疲勞試驗(yàn)前后試件的靜剛度損失率及龜裂值等性能參數(shù)，依據(jù)橡膠襯套疲勞失效的判斷準(zhǔn)則，評(píng)定橡膠襯套是否發(fā)生疲勞失效。若試驗(yàn)系統(tǒng)未達(dá)到橡膠襯套疲勞試驗(yàn)所要求的激振次數(shù)，即可認(rèn)定試件已發(fā)生疲勞失效。

2.2 疲勞試驗(yàn)規(guī)范

制定橡膠襯套疲勞試驗(yàn)規(guī)范時(shí)，試驗(yàn)載荷和振幅、振動(dòng)頻率以及預(yù)壓力應(yīng)盡可能接近橡膠襯套的實(shí)車使用工況。

1）試驗(yàn)載荷為周期性簡(jiǎn)諧激勵(lì)，包括預(yù)壓力（F0/N）和激振力幅值（F/N）。試驗(yàn)載荷采用F0±F形式。減振器支柱總成下橡膠襯套的預(yù)壓力可根據(jù)減振彈簧預(yù)壓力（或汽車1/4簧載質(zhì)量）進(jìn)行確定，其激振力幅值可根據(jù)橡膠襯套所匹配減振器的阻尼力幅值與減振彈簧彈力幅值之和確定；減振器支柱總成上橡膠襯套以及獨(dú)立減振器橡膠襯套的預(yù)壓力可設(shè)定為0或由用戶根據(jù)實(shí)車工況自定義，其激振力幅值根據(jù)減振器的阻尼力幅值確定。

2）振動(dòng)頻率：根據(jù)文獻(xiàn)[4]中耐久性試驗(yàn)雙動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)法有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及車身部分固有頻率f0（1～1.5 Hz）和車輪部分固有頻率ft（10～15 Hz），考慮到振動(dòng)頻率過高時(shí)，會(huì)造成橡膠襯套溫升過大，從而加快試件的疲勞破壞，因此在對(duì)橡膠襯套溫升影響不大的前提下，為減少試驗(yàn)時(shí)間可適當(dāng)增大振動(dòng)頻率，一般情況下橡膠襯套疲勞試驗(yàn)的振動(dòng)頻率低于6 Hz。

3）激振次數(shù)：根據(jù)文獻(xiàn)[4]中減振器耐久性試驗(yàn)工作循環(huán)次數(shù)（100萬(wàn)次）以及用戶要求確定橡膠襯套的激振次數(shù)。通常情況下，橡膠襯套的疲勞壽命應(yīng)不低于減振器的疲勞壽命，因此橡膠襯套激振次數(shù)應(yīng)不低于100萬(wàn)次。

3 橡膠襯套疲勞失效的判斷準(zhǔn)則

從工程實(shí)際應(yīng)用考慮，評(píng)定橡膠襯套疲勞失效并不要求試件在發(fā)生疲勞失效后才停止試驗(yàn)，而是疲勞試驗(yàn)達(dá)到或超過一定激振次數(shù)，按照相應(yīng)判斷準(zhǔn)則對(duì)試件進(jìn)行檢驗(yàn)，若未出現(xiàn)疲勞失效，即可認(rèn)為橡膠襯套符合質(zhì)量要求，試件合格；若試件出現(xiàn)疲勞破壞，則試驗(yàn)系統(tǒng)停止激振，因此應(yīng)制定相應(yīng)的疲勞失效判斷準(zhǔn)則，對(duì)試驗(yàn)中及試驗(yàn)后的試件進(jìn)行測(cè)試和檢驗(yàn)。

3.1 靜剛度的損失率

隨著橡膠襯套疲勞試驗(yàn)激振次數(shù)的增加，橡膠襯套的彈性模量和剛度會(huì)不斷降低，在降低到一定程度時(shí)，橡膠襯套的強(qiáng)度就難以承受額定的載荷，發(fā)生疲勞失效。因此在橡膠襯套疲勞試驗(yàn)后，要對(duì)其彈性模量或剛度值進(jìn)行測(cè)量，工程上通常采用計(jì)算疲勞試驗(yàn)前后靜剛度損失率的方法判定試件疲勞失效程度[5]。

橡膠襯套靜剛度的損失率計(jì)算方法，如式（1）所示。

式中：ΔK——靜剛度的損失率，%；

K1，K2——橡膠襯套疲勞試驗(yàn)前后的靜剛度，N/mm。

3.2 激振位移的增大率

橡膠襯套疲勞試驗(yàn)需對(duì)其進(jìn)行恒力幅值激振。疲勞試驗(yàn)過程中，當(dāng)激振力幅值不變，橡膠襯套的剛度發(fā)生變化時(shí)，其激振位移會(huì)發(fā)生改變。一般情況下，橡膠襯套的激振位移隨靜剛度的減?。〒p失）而增大，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中試件激振位移的變化情況，不僅可以反映橡膠襯套靜剛度的變化情況，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橡膠襯套的疲勞壽命，因此可以將激振位移的增大率（Δx）作為橡膠襯套是否發(fā)生疲勞失效的判斷準(zhǔn)則。

Δx的計(jì)算方法推導(dǎo)如下，設(shè)F保持不變，由于疲勞試驗(yàn)過程中，橡膠襯套激振位移相對(duì)很?。▋H為幾毫米），因此可近似認(rèn)為橡膠襯套處于線性工作范圍內(nèi)，即力和位移成線性關(guān)系，根據(jù)式（1）可得：

Δx是疲勞試驗(yàn)前后激振位移幅值增大量與試驗(yàn)后激振位移幅值之比，即：

式中：x1，x2——F作用下，疲勞試驗(yàn)前后橡膠襯套的初始位移幅值和壽命位移幅值，mm。

根據(jù)式（2）和式（3）可知，Δx在數(shù)值上等于 ΔK。

3.3 表觀的變化

表觀的變化首先體現(xiàn)在橡膠表面裂紋、剝落和磨傷上，橡膠襯套發(fā)生嚴(yán)重疲勞失效時(shí)，其表面會(huì)出現(xiàn)這些變化。疲勞試驗(yàn)后需要記錄橡膠表面裂紋長(zhǎng)度和深度以及剝落和磨傷程度，工程上一般認(rèn)為，橡膠表面裂紋深度大于3 mm，即可認(rèn)為試件已發(fā)生疲勞失效。

表觀的變化還體現(xiàn)在橡膠襯套外形尺寸上，橡膠襯套發(fā)生一定疲勞失效后，外形尺寸（軸向和徑向尺寸）會(huì)發(fā)生變化，沿某一方向可能會(huì)出現(xiàn)永久變形，因此需要記錄疲勞試驗(yàn)前后橡膠襯套外形尺寸的變化情況。

3.4 龜裂值

由于橡膠襯套在實(shí)車使用工況下受到交變周期載荷的作用，橡膠材料受到反復(fù)的撓曲變形，若橡膠襯套膠料配方不當(dāng)或生產(chǎn)工藝上存有缺陷，試驗(yàn)過程中橡膠襯套表面就可能出現(xiàn)龜裂。如果橡膠表面先出現(xiàn)裂紋，隨著裂紋的增大產(chǎn)生氣泡，氣泡逐步增大就能造成橡膠襯套的疲勞失效。但不能認(rèn)為橡膠襯套表面一旦出現(xiàn)龜裂，就認(rèn)定其發(fā)生疲勞失效。從工程實(shí)際應(yīng)用而言，若橡膠表面龜裂值未達(dá)到一定值時(shí)，不認(rèn)為其發(fā)生疲勞破壞。可依據(jù)橡膠襯套實(shí)際使用工況，確定許可龜裂量化指標(biāo)，工程實(shí)踐中一般認(rèn)為橡膠表面出現(xiàn)的氣泡直徑D＞0.3S（S為橡膠襯套橡膠圈厚度）或D＞3 mm時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生疲勞失效。

3.5 橡膠材料的溫升

橡膠襯套是一種高度非線性粘彈性材料，載荷和位移間存在相位差，由于載荷與位移的滯后效應(yīng)，所損失的能量大部分被橡膠材料吸收。當(dāng)吸收的能量大于散發(fā)的熱量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橡膠襯套的溫度升高，橡膠襯套剛度和彈性模量降低，即橡膠材料變軟，最終導(dǎo)致橡膠襯套的熱軟化失效。橡膠襯套的溫升與簡(jiǎn)諧激勵(lì)幅值、激振頻率、橡膠材料的配方以及散熱條件等因素密切相關(guān)。有關(guān)研究表明，當(dāng)橡膠表面溫升大于20℃且有明顯溫度升高時(shí)，橡膠材料開始出現(xiàn)疲勞破壞[6]。

4 結(jié)論

1）在橡膠襯套疲勞試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)確立的預(yù)壓力、激振力幅值、振動(dòng)頻率和激振次數(shù)對(duì)試件進(jìn)行激振，在試驗(yàn)過程中根據(jù)橡膠襯套的靜剛度損失率、激振位移的增大率、表觀的變化、龜裂值和材料的溫升判斷橡膠襯套的疲勞失效情況；

2）因曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)和曲柄雙滑塊機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)恒位移幅值激振，無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒力幅值激振，所以橡膠襯套疲勞試驗(yàn)時(shí)要實(shí)現(xiàn)恒力幅值激振，可采用液壓伺服系統(tǒng)；

3）進(jìn)一步真實(shí)模擬橡膠襯套實(shí)車激勵(lì)情況，可在恒力幅值（包括預(yù)壓）激振系統(tǒng)基礎(chǔ)上疊加隨機(jī)路面譜；

4）橡膠襯套疲勞試驗(yàn)規(guī)范和疲勞失效準(zhǔn)則的提出，為橡膠襯套疲勞試驗(yàn)提供了依據(jù)。