炭黑用量對橡膠減震器性能的影響

曾憲奎，黃年昌，李營如，張 杰，郭 磊

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

橡膠減震器因其優異的減震性能被廣泛應用于車輛減震系統中，起到吸收，衰減低、高頻振動和降低噪聲的作用[1-3]。在橡膠減震器結構固定的情況下，影響橡膠減震器減震性能的主要因素是橡膠材料的性能[4-5]。炭黑作為橡膠材料的主要補強與填充成分之一，在配方中占有很大的比例[6-9]。本工作主要研究配方中炭黑用量對橡膠減震器性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

天然橡膠，門尼粘度[ML（1+4）100 ℃]為44～45，馬來西亞產品；其他原材料均為市售品。

1.2 配方

天然橡膠 100，氧化鋅 5，硬脂酸 2，防老劑RD 2，硫黃 1.6，促進劑NS 1.6，炭黑N550變量。

1.3 主要設備和儀器

XK-160E型全自動開煉機和X（S）M-1.7L型密煉機，青島科技大學自主研制產品；LX-A型邵爾A型硬度計，江蘇明珠試驗機械有限公司產品；QLB-400×400×2型平板硫化機，上海第一橡膠機械廠產品；TS2005b型萬能試驗機和UD-3601-A-100H型動態疲勞試驗機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品。

1.4 試樣制備

膠料先在密煉機中初煉，轉子轉速為60 r·min-1，混煉時間為3 min，排膠溫度為140～160℃。然后在開煉機上終煉，并添加硫黃和促進劑NS。將煉好的膠料常溫下停放24 h，采用平板硫化機進行硫化。橡膠減震器試樣采用注射成型機制作。

1.5 性能測試

按照GB/T 531.1—2008，GB/T 528—2009和GB/T 529—2008分別測量橡膠減震器硬度、膠料拉伸強度和撕裂強度，撕裂試樣為直角形；采用動態疲勞試驗機測量橡膠減震器的靜剛度、動剛度和損耗因子。

2 結果與討論

2.1 拉伸強度和撕裂強度

炭黑用量對膠料拉伸強度和撕裂強度的影響如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著炭黑用量的增大，膠料拉伸強度和撕裂強度均呈先增大后減小的趨勢，炭黑用量為40份時，拉伸強度達到最大值（24.48 MPa），而在炭黑用量為60份時，撕裂強度達到最大值（90 kN·m-1）。這是因為炭黑用量較小時，炭黑起補強作用，膠料拉伸強度和撕裂強度都是增大的，而炭黑用量過大時，炭黑起填充作用，膠料含膠量下降，導致膠料拉伸強度和撕裂強度減小。

圖1 炭黑用量對膠料拉伸強度和撕裂強度的影響

2.2 邵爾A型硬度

炭黑用量對橡膠減震器邵爾A型硬度的影響如圖2所示。

圖2 炭黑用量對橡膠減震器邵爾A型硬度的影響

從圖2可以看出，隨著炭黑用量的增大，橡膠減震器的硬度呈不斷增大的趨勢。這是因為隨著炭黑用量的增大，炭黑與橡膠分子間交聯網絡密度增大，橡膠的變形能力減小，宏觀表現為橡膠減震器硬度的增大。

經對試驗結果進行分析可知，炭黑用量與硬度有著明顯的線性關系，使用Matlab曲線擬合工具箱對樣本數據擬合，得到硬度與炭黑用量的數學模型1：

式中，Y1為橡膠減震器的硬度，X為炭黑用量。減震器邵爾A型硬度測量值、擬合值及兩者誤差見表1。

從表1可以看出，根據試驗炭黑用量，利用數學模型1得出的硬度擬合值與測量值之間的最大誤差為1.67%，小于5%，滿足使用要求。

表1 橡膠減震器邵爾A型硬度測量值、擬合值及兩者誤差

2.3 靜剛度

靜剛度是衡量橡膠減震器靜態性能的主要參數，炭黑用量對橡膠減震器靜剛度的影響見圖3。

圖3 炭黑用量對橡膠減震器靜剛度的影響

從圖3可以看出，隨著膠料中炭黑用量的增大，橡膠減震器的靜剛度呈增大趨勢。這表明在穩態載荷下，炭黑用量增大，橡膠減震器抵抗變形的能力增強，可靠性增強。

對測試結果進行分析可知，炭黑用量與靜剛度之間存在一定規律，利用Matlab對數據進行曲線擬合，得到靜剛度-炭黑用量的數學模型2：

式中，Y2為橡膠減震器的靜剛度。橡膠減震器靜剛度測量值、擬合值及兩者誤差見表2。

表2 橡膠減震器靜剛度測量值、擬合值及兩者誤差

從表2可以看出，根據試驗炭黑用量，利用數學模型2得出的靜剛度擬合值與測量值之間的最大誤差為3.27%，小于5%，滿足使用要求。

2.4 動剛度

動剛度是衡量減震器動態性能的主要參數。炭黑用量對橡膠減震器動剛度的影響見圖4。

從圖4可以看出，隨著膠料中炭黑用量的增大，橡膠減震器的動剛度呈不斷增大的趨勢。這表明在動態載荷作用下，橡膠減震器抵抗變形的能力隨炭黑用量增大而增強。在一定范圍內，動剛度增大，橡膠減震器儲能能力上升，有利于振動能量衰減，增強減震效果。但當減震器的動剛度過大時，減震器變形很小，儲能無法消耗，減震效果變差。

圖4 炭黑用量對橡膠減震器動剛度的影響

用Matlab曲線擬合工具對樣本數據進行擬合，得到減震器動剛度與炭黑用量的數學模型3：

式中，Y3為橡膠減震器的動剛度。橡膠減震器動剛度測量值、擬合值及兩者誤差見表3。

表3 橡膠減震器動剛度測量值、擬合值及兩者誤差

從表3可以看出，根據試驗炭黑用量，利用數學模型3得出的動剛度擬合值與測量值之間的最大誤差為3.35%，小于5%，滿足使用要求。

2.5 損耗因子

損耗因子表征減震器對振動能量的損耗能力。炭黑用量對減震器損耗因子的影響見圖5。

圖5 炭黑用量對橡膠減震器損耗因子的影響

從圖5可以看出，隨著炭黑用量的增大，橡膠減震器的損耗因子呈不斷減小的趨勢。這表明橡膠減震器對振動能量的損耗能力隨炭黑用量增大而下降，減震能力變差。但當損耗因子過大時，橡膠減震器會產生過多的熱量，加速橡膠的疲勞和老化，降低減震性能。

2.6 振動傳遞率

橡膠減震器的綜合減震性能主要由振動傳遞率來衡量，它是靜剛度、動剛度和損耗因子之間的一種平衡。炭黑用量對橡膠減震器振動傳遞率的影響如圖6所示。

圖6 炭黑用量對橡膠減震器振動傳遞率的影響

從圖6可以看出，隨著炭黑用量的增大，振動傳遞率呈現出不斷增大的趨勢，即橡膠減震器的減震性能呈下降的趨勢。因此，在炭黑用量為20份時，減震器振動傳遞率為0.34，減震性能最佳。

3 結論

（1）隨著炭黑用量的增大，膠料的拉伸強度和撕裂強度都呈現出先增大后減小的趨勢，其中炭黑用量為40份時，拉伸強度最大（24.48 MPa），炭黑用量為60份時，撕裂強度最大（90 kN·m-1）。

（2）隨著炭黑用量的增大，橡膠減震器的硬度、靜剛度和動剛度都呈現出增大趨勢，損耗因子呈現出減小趨勢；建立了炭黑用量與硬度、靜剛度和動剛度的數學模型，為橡膠減震器的優化設計提供了參考。

（3）在炭黑用量為20份時，橡膠減震器的振動傳遞率最小（0.34），橡膠減震器綜合性能最佳。