汽車技術(shù)的發(fā)展一方面謀求汽車的使用經(jīng)濟性，同時，也正在改善汽車的舒適性、安全性，伴隨著汽車制造工業(yè)高性能技術(shù)的高速發(fā)展。這就從減振、噪 音、舒 適性和行使穩(wěn)定性的角度，對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 [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)同時具有減振、緩沖、隔音等多樣性能；

(5)沖擊剛度大于動剛度，動剛度大于靜剛度，有利于減小沖擊變形和動態(tài)變形。

汽車的振動現(xiàn)象十分復(fù)雜，最明顯的振動是懸掛彈簧裝置支承的簧上質(zhì)量的固有振動。因此，減 振橡膠制品主要用于控制汽車振動和噪聲及改善汽車操縱穩(wěn)定性,一般置于汽車發(fā)動機機架、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)的相對滯后值可以達到 10~65%，動 、靜 模數(shù)之比為 1.5左右。

(2)橡膠的彈性變形比金屬大的多(可達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，可自由選擇三個方向的彈簧常數(shù)比；

(4)容易與金屬牢固地粘合成一個整體，可使減振橡膠件體積變小，重量減輕，且支承方法也簡單化。

(5)橡膠的聲速為 40~200m/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(CR)、丁 基橡膠(IR)、三元乙丙橡膠(EPDM)等。通常針對不同的應(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和幾項性能。

1.1 低動倍率、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：相對要求的頻率，應(yīng)具有足夠低的動態(tài)彈簧常數(shù) Kd；

(3)防振功能：為了控制共振(不可避免的)時的傳導(dǎo)率增幅，所以應(yīng)具有足夠的高阻尼性。

在所要求頻率下的動態(tài)彈簧常數(shù) Kd 和靜態(tài)彈簧常數(shù) Ks 的比值，稱之為動態(tài)比例因子。這一比值愈小，減振性能愈好，但通常是 Kd/Ks＞1。為了減小動態(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。對通常的硫化膠來講，隨著 Ks 的增加，Kd 不可避免地會出現(xiàn)增大的傾向。因此，從Kd 和 Ks 兩者兼?zhèn)涞挠^點對橡膠的配合加以探討是十分必要的。

NR 的特點是動態(tài)比例因子比其他橡膠低，所以天然橡膠應(yīng)用最廣泛。在 天然橡膠膠料中當增加炭黑用量時就可達到高阻尼化，但 同時也會使動倍率上升；而 增大硫黃用量時動倍率就會降低，但同時也會使阻尼下降。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 動倍率處于同等水平以下，而且損耗系數(shù)增大，并達到了高阻尼化。在天然橡膠/聚氯乙烯為 60/40(份)配合中，當作為兩成分填充體系添加滑石粉(SiO2十 Mg0)或陶土(Si02 十 A1203)時，就可達到低動倍率、高衰減化。在相對氯丁橡膠的炭黑配合體系，當 添加有碳化硅(須晶)或氮化硼(為粉末狀，在表面有許多銳角的角或凹凸狀)時，就可達到低動倍率、高阻尼化，而且損耗系數(shù)對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減振用絕緣橡膠材料具有很好的防止振動和防止噪音的特性，同 時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材料的損耗因子 Tanδ大于 0.5，同時在-30℃到 20℃的范圍內(nèi)損耗因子 Tanδ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 時材料還有很好的耐氧化和耐臭氧化性能；Masashi 等人 [9] 采用溴化乙烯基共聚物橡膠(Br 含量 0.2~5%)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 小時后拉伸強度保持 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、振動性能消失和耐屈撓疲勞性能上都具有很好的性能。

2. 耐熱性能

為保證制品的耐久性，在減振橡膠的配合設(shè)計上，必 須考慮的一點是隨時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 振橡膠隨時間老化的原因來自于多方面，但主要的還是熱氧、動態(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)場合是采用硫黃進行交聯(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?，這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態(tài)下使用的，它的老化(氧老化、臭氧老化、和疲勞老化)遠比靜態(tài)時嚴重得多，各老化因素不僅單獨作用，還 以各種各樣的耦合形式對橡膠施加作用，如機械方面的影響因素(載荷、振動條件等)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(切斷交聯(lián))硬化(交聯(lián)的進行)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，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 基團有機酸的金屬鹽，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 小時和在 40℃壓縮 148 小時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，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)變形時會加速增長，直至破壞。

Liu Lan 等人 [14] 利用蒙脫土的層狀結(jié)構(gòu)，制得 NBR 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、拉伸強度、撕裂強度等性能，而且可以顯著降低高結(jié)構(gòu)炭黑的用量，改進交聯(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，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象，是一種隨時間呈非線性變化的力學(xué)松弛過程。當橡膠減振器蠕變過大時，會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)定性和長期的負載能力，有重要的實用性。橡膠蠕變除受負荷(或應(yīng)力、變形)大小外，還受溫度影響，溫度遠低于 Tg 時，蠕變很小，且很慢，短時間內(nèi)只看到蠕變的起始部分，溫度遠高于 Tg時，蠕變很快，只能看到曲線右邊向上升起的部分。由于蠕變過程中實驗要持續(xù)很長時間，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)計時可從以下兩個方面考慮 [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，所以嚴格控制溫度是十分必要的。

2. 橡膠減振制品

汽車交通控制振動的途徑和其它領(lǐng)域相同[18] ：1)降低振源的激發(fā)力；2)將振動與激發(fā)源離開(隔振)；3)緩和振動體的振動。橡膠減振主要用于后兩個方面。

橡膠減振器具有許多優(yōu)點 [2] ：1)可以通過設(shè)計結(jié)構(gòu)、調(diào) 整橡膠性能來滿足對各個方向剛度的要求；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)沒有滑動部分，因此無磨耗，易于保養(yǎng)；5)重量輕，安裝、拆卸方便。

當然，橡膠減振器也有一些缺點：1)高溫低溫性能不如金屬；耐油性能不如金屬；2)對于直射日光需要注意用薄膜遮蔽等；3)長期用于大載荷時彈性減弱。

2.1 發(fā)動機座 [1，18]

機座是支撐動力裝置(發(fā)動機、變速機)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?/SPAN>

發(fā)動機安裝用橡膠減振配件，產(chǎn)品如發(fā)動機后安裝墊、引擎前支撐、發(fā)動機螺釘接線索環(huán)等。

最近，為了進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例。而且在汽車用減振橡膠中，也 有最有希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。液體封入型發(fā)動機座的結(jié)構(gòu)(單孔型)。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)動機座。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)動機底座。

在發(fā)動機產(chǎn)生的較高溫度下對液壓底座橡膠件有特別的要求，對底座性能的要求也更高：

(1)耐熱性要求提高(80℃一130℃)；

(2)動態(tài)比例因子降低(500Hz 下 Kd/Ks≤2)。

2.2 橡膠襯套

橡膠襯套在支撐懸掛部件的同時，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，還具有減少振動和沖擊的功能。通過對橡膠材料的探討，在 一定程度上是可以調(diào)整動態(tài)特性的，但同時也應(yīng)考慮到對加工性能(塑煉、成型)和動態(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，可分為以下幾個類型：

(1)僅為橡膠的橡膠襯套(負荷較小時使用)；

(2)僅為粘接內(nèi)筒的整體襯套(負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(負荷較大時使用)。

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] 。

緩沖器具有吸收沖擊力(由車輪對車體的沖擊力)的作用，因此耐沖擊特性和負荷－撓度特性受到重視。由于沖擊變形速度快，會顯示振動時的高頻率區(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 70％~80％的壓縮變形，所以設(shè)計時，對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，具有金屬彈簧的輔助功能。

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。

2.5 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。空 氣彈簧是一種在柔性密閉容器中加入壓力空氣、利 用空氣的壓縮彈性進行工作的非金屬彈性元件，具有緩沖、減振和動作等功能。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)點是彈簧常數(shù)低，固有振動頻率大致保持一致，與 空車或重車的狀態(tài)無關(guān)。它對高頻振動的減振性能好，也可防止噪音。不足之處在于確定車橋位置的機構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生橫向擺動和縱搖。

根據(jù)橡膠氣囊工作時的變形方式，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。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] 。

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)將重點放在耐疲勞性的材料設(shè)計上。

2.6 動態(tài)減振器

對汽車來講，由于在各種各樣的頻率區(qū)域存在有固有振動頻率，所 以這樣的振動將會降低隔音、舒適性和駕駛穩(wěn)定性等。作為對策，可采用與橡膠制作的共振體系(動態(tài)減振器)來減小特定頻率的振動。因此，在設(shè)計上要求因環(huán)境變化和時間變化而引起共振點的移動要小。主 要使用的橡膠材料仍然是天然橡膠類?？墒?，對苛刻的熱環(huán)境部位使用的制品，已有采用 EPDM 類橡膠材料的實例。

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，國內(nèi)外對減振橡膠的膠料配方、結(jié)構(gòu)設(shè)計、測 試方法及生產(chǎn)工藝技術(shù)進行了大量的研究，并結(jié)合 ANSYS、Abaqus 等分析技術(shù)對減振橡膠制品進行優(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與提高，其 應(yīng)用也將更為廣泛。

（轉(zhuǎn)載）