汽車橡膠襯套件結(jié)構(gòu)改進(jìn)與靜剛度性能研究

劉亞梅，劉 靜，李永盼

（1,2.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130012；3.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心、河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定 071000)

0 引言

本文研究襯套件前副車架，下擺臂控制臂總成支架（如圖1所示）上的橡膠與金屬粘接件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)和靜剛度性能測試。汽車能否平穩(wěn)地行駛和安全穩(wěn)定操縱，懸架系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。控制臂是汽車懸架系統(tǒng)中起導(dǎo)向和傳力作用的元件，作用在車輪上的力能夠通過控制臂傳遞給車身，這是由于在結(jié)構(gòu)上，車輪和車身是通過控制臂上的球鉸或者襯套來實(shí)現(xiàn)彈性連接。此外，控制臂還能保證車輪按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)[1]。汽車控制臂分為前擺臂和下擺臂，前擺臂起到向?qū)Ш椭巫饔茫绻皵[臂發(fā)生變形會(huì)影響到車輪的定位，降低行車平穩(wěn)性；而下擺臂的主要作用是支撐車身，并緩沖行駛中的震動(dòng)。所以，可以說橡膠金屬件的性能和使用壽命對下擺臂的影響，乃至車輛行駛的平順性都非常重要。綜上所述，本文將下擺臂上的橡膠-金屬襯套件作為研究重點(diǎn)。

圖1 控制臂總成

1 襯套件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

此減震器橡膠襯套零件是由內(nèi)環(huán)，剛度環(huán)和靠硫化粘接與剛度環(huán)連接的橡膠層所組成，在內(nèi)環(huán)和剛度環(huán)中間的空隙內(nèi)也填充著橡膠。如圖2所示。

圖2 減震橡膠襯套零部件

圖3是初始橡膠襯套剖面圖。由圖3可以看出，剛度環(huán)在橡膠襯套中起著形狀固定和增加橡膠層剛度的作用。在初期橡膠襯套的加工中，成形零件容易出現(xiàn)外側(cè)不規(guī)整和剛度環(huán)傾斜的現(xiàn)象。這是由于剛度環(huán)定位不足，在橡膠注射過程中，剛度環(huán)由于無法承受注射壓力而偏斜。因此本文對橡膠襯套的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了一種新的改進(jìn)方案，在保證橡膠襯套具有原來剛度的前提下，提升了零件的一次成形能力。在對橡膠襯套的結(jié)構(gòu)分析可知，剛度環(huán)定位不足的原因是由于定位銷尺寸（1 mm）過短。在不改變橡膠襯套整體結(jié)構(gòu)的前提下，將定位銷尺寸改至5 mm（如圖4所示），這樣既能大幅提升剛度環(huán)的定位能力，又不妨礙注射過程中橡膠的流動(dòng)。成形后的零件未出現(xiàn)外表不規(guī)整和剛度環(huán)傾斜的情況，從而證明該方案對于改進(jìn)橡膠襯套的生產(chǎn)工藝是正確可行的。

圖3 初始橡膠襯套剖面圖

圖4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的橡膠襯套剖面圖

按照表1所示的三種鋁合金表面處理方式（酸蝕處理，酸蝕之后打磨處理，鍍膜處理）和三種橡膠配方的實(shí)驗(yàn)測試，一共九組試樣，每組試樣制備三個(gè)樣品，進(jìn)行制品軸向靜剛度和徑向靜剛度性能測試，分別取平均值，作圖進(jìn)行對比。

3 靜剛度的測試

3.1 徑向靜剛度的測試

3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選用MTS 831.50 (25KN) 700Hz 彈性體測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)橡膠材料或者橡膠元件的靜態(tài)測試、動(dòng)態(tài)測試以及動(dòng)態(tài)掃頻測試，能夠完成底盤襯套、穩(wěn)定桿襯套、減震器上支撐、變速箱懸置、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置等產(chǎn)品的線性剛度測試。該設(shè)備的作用力范圍為：±125N到±25 KN；位移范圍為：±0.005mm到±20mm；頻率范圍為：0.01Hz到700Hz。

3.1.2 測試方法

在實(shí)驗(yàn)中，徑向加載速度為5mm/min，載荷從0N加載到5KN，循環(huán)3次，結(jié)束后靜止90秒，預(yù)加載200N，設(shè)備調(diào)零。徑向再以5mm/min的速度從0N加載到11KN，記錄5KN處位移并保存好載荷-位移曲線。對9組試樣分別進(jìn)行徑向靜剛度測試，測試得到的位移-載荷曲線如圖5所示。

圖5 徑向靜剛度

3.1.3 測試結(jié)果

在圖5所示的徑向剛度測試結(jié)果中，兩條黑色實(shí)線為符合試樣徑向靜剛度范圍的上下公差。在實(shí)驗(yàn)所得到的9條位移-載荷曲線中，由曲線的形狀可以看出，配方相同的試樣，徑向靜剛度曲線的形狀類似，并且位移-載荷曲線非常接近。這表明配方是徑向靜剛度的主要影響因素；試樣4、試樣5、試樣6的曲線完全分布在上下公差帶之內(nèi)，并未和上下公差范圍交疊，表明配方2所制的試樣均符合徑向靜剛度條件；試樣3、試樣7、試樣8、試樣9的曲線和上下公差帶發(fā)生了交疊，表明其試樣難以滿足復(fù)雜加載條件下的徑向靜剛度要求；試樣1、試樣2的曲線完全分布在上下公差帶以外，表明其試樣不滿足樣品的徑向靜剛度需求。

表1 金屬與橡膠粘接件的試驗(yàn)分析

3.2 軸向靜剛度測試

3.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

該測試使用MTS831.50 (25KN) 700Hz彈性體測試系統(tǒng)。

3.2.2 測試方法

在實(shí)驗(yàn)中，軸向加載速度為5mm/min，載荷從0N加載到5KN，循環(huán)3次，結(jié)束后靜止90秒，預(yù)加載200N，設(shè)備調(diào)零。軸向再以5mm/min的速度從0N加載到11KN，記錄5KN處位移并保存好載荷-位移曲線。對9組試樣分別進(jìn)行軸向靜剛度測試，測試得到的位移-載荷曲線如圖6所示。

圖6 軸向靜剛度

3.2.3 測試結(jié)果

在圖6所示的軸向剛度測試結(jié)果中，兩條黑色實(shí)線為符合試樣軸向靜剛度范圍的上下公差。在實(shí)驗(yàn)所得到的9條位移-載荷曲線中，曲線的形狀表明，配方相同的試樣，軸向靜剛度曲線的形狀類似，并且位移-載荷曲線非常接近，這表明配方是軸向靜剛度的主要影響因素；試樣4、試樣5、試樣6、試樣7，試樣8，試樣9的曲線完全分布在上下公差帶之內(nèi)，并未和上下公差范圍交疊，這表明配方2，配方3所制的試樣均符合軸向靜剛度條件；試樣1、試樣2、試樣3的曲線完全分布在上下公差帶以外，這表明其試樣不滿足樣品的軸向靜剛度需求。

4 結(jié)論

徑向靜剛度和軸向靜剛度測試數(shù)據(jù)圖表明，鋁合金的表面處理方式對其影響不大，膠料配方是影響其性能的主要因素。配方2制備的橡膠襯套滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，性能較佳。

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