減振器橡膠襯套的疲勞試驗方法*

孫曉幫 孔令洋 王祥 石晶

（遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院）

減振器橡膠襯套（以下簡稱橡膠襯套）因具有良好的吸收高頻振動和隔振效果，被廣泛應用在汽車懸架系統(tǒng)中[1]。汽車行駛時，橡膠襯套受路面的激勵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。目前國內(nèi)外沒有完整的汽車懸架橡膠襯套試驗標準，各廠家試驗規(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規(guī)范，并確立橡膠襯套疲勞失效的判斷準則。

1 橡膠襯套的受力分析

1.1 獨立減振器橡膠襯套受力分析

獨立減振器是指減振器與彈簧獨立安裝。裝有橡膠襯套的獨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)簡圖，如圖1所示。在實車使用工況下，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)生振動時，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，從而改善汽車行駛平順性和乘坐舒適性。上下2個橡膠襯套徑向受力簡圖，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。在汽車靜止狀態(tài)下，上橡膠襯套幾乎不受力；只有在汽車行駛狀態(tài)，當車身（架）與車橋發(fā)生相對運動時，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壓力；在汽車行駛狀態(tài)下，下橡膠襯套又要承受復雜交變的載荷，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 橡膠襯套疲勞試驗依據(jù)及試驗規(guī)范

2.1 疲勞試驗依據(jù)

疲勞試驗的主要目的是評定橡膠襯套的使用壽命，可以通過橡膠襯套在疲勞試驗前后的特性變化和外觀的變化進行評定[2]。疲勞試驗方法依據(jù)文獻[3]，采用非共振法，對橡膠襯套施加不同頻率和不同幅值大小的周期性簡諧激勵，并對試件往復循環(huán)加載。當激振到試驗要求次數(shù)時，通過測試疲勞試驗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則，評定橡膠襯套是否發(fā)生疲勞失效。若試驗系統(tǒng)未達到橡膠襯套疲勞試驗所要求的激振次數(shù)，即可認定試件已發(fā)生疲勞失效。

2.2 疲勞試驗規(guī)范

制定橡膠襯套疲勞試驗規(guī)范時，試驗載荷和振幅、振動頻率以及預壓力應盡可能接近橡膠襯套的實車使用工況。

1）試驗載荷為周期性簡諧激勵，包括預壓力（F0/N）和激振力幅值（F/N）。試驗載荷采用F0±F形式。減振器支柱總成下橡膠襯套的預壓力可根據(jù)減振彈簧預壓力（或汽車1/4簧載質(zhì)量）進行確定，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立減振器橡膠襯套的預壓力可設定為0或由用戶根據(jù)實車工況自定義，其激振力幅值根據(jù)減振器的阻尼力幅值確定。

2）振動頻率：根據(jù)文獻[4]中耐久性試驗雙動試驗臺試驗法有關標準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），考慮到振動頻率過高時，會造成橡膠襯套溫升過大，從而加快試件的疲勞破壞，因此在對橡膠襯套溫升影響不大的前提下，為減少試驗時間可適當增大振動頻率，一般情況下橡膠襯套疲勞試驗的振動頻率低于6 Hz。

3）激振次數(shù)：根據(jù)文獻[4]中減振器耐久性試驗工作循環(huán)次數(shù)（100萬次）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不低于減振器的疲勞壽命，因此橡膠襯套激振次數(shù)應不低于100萬次。

3 橡膠襯套疲勞失效的判斷準則

從工程實際應用考慮，評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，而是疲勞試驗達到或超過一定激振次數(shù)，按照相應判斷準則對試件進行檢驗，若未出現(xiàn)疲勞失效，即可認為橡膠襯套符合質(zhì)量要求，試件合格；若試件出現(xiàn)疲勞破壞，則試驗系統(tǒng)停止激振，因此應制定相應的疲勞失效判斷準則，對試驗中及試驗后的試件進行測試和檢驗。

3.1 靜剛度的損失率

隨著橡膠襯套疲勞試驗激振次數(shù)的增加，橡膠襯套的彈性模量和剛度會不斷降低，在降低到一定程度時，橡膠襯套的強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后，要對其彈性模量或剛度值進行測量，工程上通常采用計算疲勞試驗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

橡膠襯套疲勞試驗需對其進行恒力幅值激振。疲勞試驗過程中，當激振力幅值不變，橡膠襯套的剛度發(fā)生變化時，其激振位移會發(fā)生改變。一般情況下，橡膠襯套的激振位移隨靜剛度的減小（損失）而增大，監(jiān)測試驗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，而且可以實時監(jiān)測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則。

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

Δx是疲勞試驗前后激振位移幅值增大量與試驗后激振位移幅值之比，即：

式中：x1，x2——F作用下，疲勞試驗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)生嚴重疲勞失效時，其表面會出現(xiàn)這些變化。疲勞試驗后需要記錄橡膠表面裂紋長度和深度以及剝落和磨傷程度，工程上一般認為，橡膠表面裂紋深度大于3 mm，即可認為試件已發(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）會發(fā)生變化，沿某一方向可能會出現(xiàn)永久變形，因此需要記錄疲勞試驗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，橡膠材料受到反復的撓曲變形，若橡膠襯套膠料配方不當或生產(chǎn)工藝上存有缺陷，試驗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。但不能認為橡膠襯套表面一旦出現(xiàn)龜裂，就認定其發(fā)生疲勞失效。從工程實際應用而言，若橡膠表面龜裂值未達到一定值時，不認為其發(fā)生疲勞破壞?？梢罁?jù)橡膠襯套實際使用工況，確定許可龜裂量化指標，工程實踐中一般認為橡膠表面出現(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，即認為發(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，所損失的能量大部分被橡膠材料吸收。當吸收的能量大于散發(fā)的熱量時，會導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，最終導致橡膠襯套的熱軟化失效。橡膠襯套的溫升與簡諧激勵幅值、激振頻率、橡膠材料的配方以及散熱條件等因素密切相關。有關研究表明，當橡膠表面溫升大于20℃且有明顯溫度升高時，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時，可根據(jù)確立的預壓力、激振力幅值、振動頻率和激振次數(shù)對試件進行激振，在試驗過程中根據(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）因曲柄連桿滑塊機構(gòu)和曲柄雙滑塊機構(gòu)只能實現(xiàn)恒位移幅值激振，無法實現(xiàn)恒力幅值激振，所以橡膠襯套疲勞試驗時要實現(xiàn)恒力幅值激振，可采用液壓伺服系統(tǒng)；

3）進一步真實模擬橡膠襯套實車激勵情況，可在恒力幅值（包括預壓）激振系統(tǒng)基礎上疊加隨機路面譜；

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