雙膠料襯套的設(shè)計(jì)與研究

陸偉強(qiáng)，俞 超

（寧波拓普集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波 315800）

汽車懸架系統(tǒng)與車身連接的鉸接點(diǎn)上通常安裝有橡膠襯套，以作為柔性連接件滿足車輛減震降噪的需求[1]。該橡膠襯套一般包括外管、內(nèi)管和連接外管與內(nèi)管的環(huán)狀橡膠體，其主要作用是通過環(huán)狀橡膠體減少汽車行駛過程中傳遞給車身的震動，橡膠襯套性能的優(yōu)劣直接影響汽車底盤的NVH（噪聲、振動和聲振粗糙度的英文縮寫）效果和整車的操控性能，甚至影響到駕乘舒適性[2-4]。橡膠襯套環(huán)狀橡膠體采用單種膠料時(shí)，在各方向的阻尼性能相同，不能實(shí)現(xiàn)在整車的NVH方向（即X向）上提供低動靜剛度比和低阻尼性能，在整車操控性方向（即Y向）上提供高動靜剛度比和高阻尼性能；另外，在整車的Y向上受到較大沖撞力時(shí)，Y向的撞塊橡膠與主簧橡膠發(fā)生摩擦接觸，會發(fā)出沖撞異響，特別是在雨天環(huán)境下橡膠襯套表面有涉水時(shí)，摩擦異響更加明顯。

為避免單膠料襯套的上述缺陷，進(jìn)行了以下設(shè)想：襯套主簧膠料保持單膠料襯套膠料強(qiáng)度高、耐久性能好的特點(diǎn)；撞塊膠料采用特殊配方，使之具有自潤滑功能，以減小表面摩擦因數(shù)[5]，消除摩擦異響，由此而得的自潤滑型雙膠料襯套結(jié)構(gòu)如圖1所示。

拖曳臂類襯套為高阻尼型雙膠料襯套，包括內(nèi)管和外管，內(nèi)管與外管之間設(shè)計(jì)有呈十字交叉的橡膠主簧和橡膠副簧，橡膠主簧和橡膠副簧分別由2個(gè)對稱設(shè)置的橡膠體組成，通過改變橡膠主簧膠料和橡膠副簧膠料的阻尼因數(shù)，可實(shí)現(xiàn)X向和Y向阻尼性能的調(diào)節(jié)，既保證X向上動靜剛度比低，又保證Y向上阻尼因數(shù)大，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的駕乘舒適性[6]。高阻尼型雙膠料襯套的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1 不同類型襯套性能對比

乘用車底盤上的襯套分為單膠料襯套、雙膠料襯套[7-8]和液壓襯套[9-10]，以單膠料襯套的性能為基準(zhǔn)，3種襯套的性能對比如表1所示。

表1 3種襯套的性能對比Tab.1 Performance comparison of three kinds of bushings

2 雙膠料襯套膠料配方設(shè)計(jì)

2.1 主簧膠料

主簧主要提供襯套主筋強(qiáng)度及X向剛度，對膠料的物理性能要求較高。生膠選用天然橡膠（NR，SCR5），活化體系采用常規(guī)的氧化鋅/硬脂酸體系，防護(hù)體系采用喹啉類防老劑/對苯二胺類防老劑/微晶蠟并用體系，補(bǔ)強(qiáng)劑采用快壓出炭黑，硫化體系采用常規(guī)硫黃硫化體系。

2.2 撞塊膠料

撞塊主要提供Y向剛度，并具備消除摩擦噪聲的功能，此外還要有較好的耐磨性能。生膠可選用NR（SCR5）/順丁橡膠（BR）并用體系，活化體系采用氧化鋅/硬脂酸體系，防護(hù)體系采用喹啉類防老劑/對苯二胺類防老劑/微晶蠟并用體系，補(bǔ)強(qiáng)劑采用高耐磨炭黑，硫化體系采用常規(guī)硫黃硫化體系，并添加內(nèi)潤滑劑。

2.3 副簧膠料

副簧主要提供Y向剛度和高阻尼性能，同時(shí)需要保證膠料的物理性能。生膠可選用鹵化丁基橡膠（XIIR）或NR（SCR5）/溶聚丁苯橡膠（SSBR）并用體系，活化體系采用氧化鋅/硬脂酸體系，防護(hù)體系采用喹啉類防老劑/對苯二胺類防老劑/微晶蠟并用體系，補(bǔ)強(qiáng)劑采用快壓出炭黑，硫化體系采用常規(guī)硫黃硫化體系。

3 雙膠料襯套膠料的性能

3.1 雙膠料襯套的動剛度理論

結(jié)合雷剛等[11-12]的襯套動態(tài)特性研究，雙膠料襯套使用時(shí)的運(yùn)動過程可以看作兩根彈簧串聯(lián)（如圖3所示）與并聯(lián)（如圖4所示）疊加后在一定加載頻率下振動的過程，圖中A和B分別為主簧和撞塊膠料。

3.2 自潤滑型雙膠料襯套膠料的性能

3.2.1 動剛度

將自潤滑型雙膠料襯套中的主簧膠料和撞塊膠料分別制作成標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行單膠料（單獨(dú)的主簧膠料和撞塊膠料）、雙膠料串聯(lián)和并聯(lián)情況下的動剛度測試，結(jié)果分別如圖5和6所示。

從圖5和6可見：無論是理論計(jì)算結(jié)果還是實(shí)際測試結(jié)果，主簧膠料和撞塊膠料以串聯(lián)方式聯(lián)接時(shí)的動剛度均小于2個(gè)單膠料的動剛度；以并聯(lián)方式聯(lián)接時(shí)的動剛度均大于2個(gè)單膠料的動剛度。

3.2.2 相位角

自潤滑型雙膠料襯套主簧膠料和撞塊膠料的單膠料、雙膠料串聯(lián)和并聯(lián)情況下的相位角測試結(jié)果分別如圖7和8所示。

從圖7和8可以看出，不管是理論計(jì)算結(jié)果還是實(shí)際測試結(jié)果，主簧膠料和撞塊膠料以串聯(lián)方式或并聯(lián)方式聯(lián)接時(shí)的相位角均介于2個(gè)單膠料的相位角之間。

3.3 高阻尼型雙膠料襯套膠料的性能

高阻尼型雙膠料襯套中高阻尼膠料生膠可選擇XIIR或SSBR/NR并用膠，再結(jié)合膠料的物理性能、與金屬的粘合性能以及動態(tài)性能等，最終確定合適的高阻尼膠料配方[13-15]。0～100 Hz頻率范圍內(nèi)高阻尼膠料動剛度和相位角的變化情況分別如圖9和10所示。

從圖9和10可以看出，與傳統(tǒng)的XIIR膠料相比，SSBR/NR并用膠的動剛度和相位角更大，在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中具有更大的調(diào)配空間。

4 襯套制備

4.1 設(shè)備

雙料注射機(jī)比常規(guī)單料注射機(jī)多1套控制機(jī)構(gòu)，具有2套獨(dú)立儲料單元和注射系統(tǒng)：1套布置在機(jī)臺左側(cè)，與單料注射機(jī)基本一致，一般用于注射主簧膠料；另1套布置在機(jī)臺右側(cè)，位置較低，一般用于注射副簧膠料。雙料注射機(jī)如圖11所示。

4.2 模具

雙膠料襯套模具結(jié)構(gòu)比單膠料襯套模具復(fù)雜，需要在同一模具上設(shè)計(jì)2套相互分隔的膠料注射流道，一般主簧膠料從垂直方向進(jìn)入型腔，副簧膠料從側(cè)面進(jìn)入型腔，雙膠料襯套模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要防止2種膠料混淆，模具中2種膠料接合處封膠性要求高。雙膠料襯套和單膠料襯套模具注射點(diǎn)布置如圖12所示。

4.3 注射過程混料問題的解決

雙膠料襯套開發(fā)中最大的難點(diǎn)在于注射過程混料問題，為保證不混料，需控制好以下幾點(diǎn)。

（1）注意流道注射平衡，不同型腔間膠料量的差異必須控制在10%以內(nèi)。

（2）對2種膠料的初始門尼粘度加以控制，使二者的門尼粘度波動在其標(biāo)準(zhǔn)值的±5之內(nèi)。

（3）注射時(shí)間精準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)注射單元參數(shù)，使得2種膠料在各個(gè)型腔內(nèi)同時(shí)完成注膠。

5 襯套性能

5.1 靜剛度、動剛度和相位角

雙膠料襯套（自潤滑型雙膠料襯套，下同）與單膠料襯套的靜剛度、動剛度和相位角對比如表2所示，測試振幅為0.4 mm、頻率為20 Hz。單膠料襯套膠料邵爾A型硬度為60度；雙膠料襯套主簧膠料邵爾A型硬度為60度，撞塊膠料邵爾A型硬度為70度（下同）。

從表2可以看出：單膠料襯套X向的靜剛度、動剛度和相位角已在客戶要求目標(biāo)值的±10%范圍內(nèi)，但Y向的靜剛度和動剛度超出目標(biāo)值±10%的范圍；雙膠料襯套X向和Y向的靜剛度、動剛度和相位角均在客戶要求目標(biāo)值的±10%范圍內(nèi)，雙膠料襯套的剛度可調(diào)性具有較強(qiáng)優(yōu)勢。

表2 雙膠料襯套與單膠料襯套的靜剛度、動剛度和相位角Tab.2 Static stiffnesses，dynamic stiffnesses and phase angles of double compound bushing and single compound bushing

5.2 疲勞耐久性能

雙膠料襯套與單膠料襯套的耐疲勞性能對比如表3所示，耐疲勞性能按照美國通用汽車公司標(biāo)準(zhǔn)GMW 14504測試。

表3 雙膠料襯套與單膠料襯套的耐疲勞性能Tab.3 Fatigue resistances of double compound bushing and single compound bushing

從表3可以看出，與單膠料襯套相比，雙膠料襯套的耐疲勞性能明顯提高，這是因?yàn)殡p膠料襯套的撞塊膠料采用了高硬度（邵爾A型硬度為70度）膠料，從而增大了Y向靜剛度，減小了膠料變形量，在襯套耐疲勞性能測試時(shí)，高硬度的撞塊膠料在Y向給主簧部分提供了更好的支撐。此外，雙膠料襯套X向主簧膠料與Y向自潤滑撞塊膠料之間的撞擊摩擦因數(shù)小于單膠料襯套，減小了主簧膠料與撞塊膠料之間的摩擦損耗，表現(xiàn)為雙膠料襯套的磨損情況與單膠料襯套相比得到改善。

5.3 降噪性能

采用多通道振動噪聲采集系統(tǒng)對比雙膠料襯套與單膠料襯套在灑水與不灑水的情況下的噪聲，襯套的聲壓-時(shí)間曲線如圖13和14所示，主簧膠料與撞塊膠料之間的往復(fù)摩擦噪聲的主觀評分（評分越高，噪聲越低）如表4所示，測試時(shí)Z向預(yù)載20 kN。

從圖13和14可以看出，與單膠料襯套相比，雙膠料襯套的聲壓明顯降低，噪聲消除效果明顯。

從表4可以看出，雙膠料襯套主簧膠料與撞塊膠料之間的往復(fù)摩擦噪聲主觀評分較高，能夠滿足客戶端目標(biāo)8分以上的要求，極大地減少了客戶對噪聲的抱怨。

6 結(jié)論

（1）對傳統(tǒng)單膠料襯套進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的雙膠料襯套的主簧膠料保持原單膠料襯套膠料強(qiáng)度高、耐久性能好的特點(diǎn)，撞塊膠料或副簧膠料采用特殊配方減小膠料表面摩擦因數(shù)或提高阻尼性能，從而制備出自潤滑型和高阻尼型雙膠料襯套。

（2）自潤滑型雙膠料襯套的撞塊膠料在配方設(shè)計(jì)上生膠采用了NR/BR并用并添加了內(nèi)潤滑劑；高阻尼型雙膠料襯套的副簧膠料在配方設(shè)計(jì)上生膠采用了NR/SSBR并用。

（3）以自潤滑型雙膠料襯套的2種膠料制作標(biāo)準(zhǔn)塊，分別進(jìn)行單膠料、雙膠料串聯(lián)和并聯(lián)情況下的動剛度和相位角測試，試驗(yàn)得出與單膠料相比，雙膠料串聯(lián)和并聯(lián)時(shí)的動剛度和相位角更具調(diào)節(jié)性；對于高阻尼型雙膠料襯套，SSBR/NR并用膠比XIIR膠料具有更大的動剛度與相位角。

（4）雙膠料襯套需采用雙料注射機(jī)完成硫化，從模具、膠料和注射工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，精準(zhǔn)控制各參數(shù)，可解決注射混料問題。

（5）成品性能測試表明，自潤滑型雙膠料襯套的動靜剛度可調(diào)性、耐疲勞性能和降噪性能均比單膠料襯套更具優(yōu)勢。