客車懸架吊桿襯套失效的原因分析及改進

徐冬美， 張永生， 栗飛云

(中國公路車輛機械有限公司， 北京 100055)

本公司近期接觸到一批客車吊桿,其聚氨酯襯套件在行駛過程中發(fā)生多處破裂，造成客車行駛過程中噪聲大、振動大的不良后果；另有破裂后的聚氨酯襯套從原有位置脫落，使得鋼件在客車行進中直接接觸碰撞，發(fā)出異響并造成鋼件磨損，進而發(fā)生斷裂。如不及早發(fā)現(xiàn)并解決，容易在行駛中造成事故。

經(jīng)初步測試研究發(fā)現(xiàn)，吊桿與聚氨酯襯套件間的連接未發(fā)現(xiàn)異常，吊桿件本身無質量問題。因此需要對涉及到的襯套件性能進行深入分析，避免再次發(fā)生類似事故。

1 聚氨酯襯套在汽車中的應用

影響汽車平順性的主要因素有懸架系統(tǒng)、車架和輪胎等，其中以懸架系統(tǒng)的影響最為重要[1-2]。懸架系統(tǒng)中零件眾多，汽車運動時零件連接位置會發(fā)生振動和碰撞。為了減緩振動、降低噪聲、提高乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性[3]，通常會在零件連接位置使用襯套、墊片等作為柔性連接，常用材料有橡膠、聚氨酯等。

聚氨酯材料由于具有較高的撕裂強度、耐臭氧老化和較低的壓縮永久變形率正在逐步替代傳統(tǒng)硫化橡膠，擴大其在汽車領域的應用范圍。該類材料的彈性模量較鋼件小很多，在較寬的硬度范圍內仍具有優(yōu)良的彈性，作為阻尼減振材料，可在車輛運行中有效地減緩振動、避免諧振[4]。

目前市面上已有使用聚氨酯材料制作的汽車減振器支座[5]、吊桿襯套、保險杠[6]、減振坐墊、穩(wěn)定桿襯套、前擺臂襯套[7]等零件。相比于其他材料，聚氨酯類制品可明顯提高減振效果和汽車行駛平順性，承擔更大的橫向或縱向載荷，增強了汽車行駛的安全性和舒適性[8]。用聚氨酯材料制作的襯套件還可通過硫化、膠粘等工藝與懸架其他零件粘接在一起，起到保護零件和降噪的作用。但聚氨酯襯套件的性能由于受到合成方法、加工工藝和成型條件等多種因素的影響，如長期處于高溫、高濕環(huán)境中會加速聚氨酯的分解，易造成襯套件失效。

2 聚氨酯襯套的性能測試及改進

針對前述問題追溯物料供應發(fā)現(xiàn)，此次出現(xiàn)批量破裂的聚氨酯襯套均為某供應商生產(與下述樣品2為同廠家同批次)。為了解決前述襯套件破裂問題，避免日后其他供應商出現(xiàn)類似問題，分別對3家供應商提供的襯套樣品(以下簡稱樣品1、2、3)進行有關性能檢測，以找到襯套破裂的原因。這3種襯套樣品初始狀態(tài)的邵氏A硬度值均大于70，都滿足技術要求。

2.1 耐水解和硬度測試

汽車懸架系統(tǒng)中用到的襯套材料通常是澆注型聚氨酯，一般是由異氰酸酯和低聚物多元醇聚酯或聚醚發(fā)生加聚反應，再添加小分子擴鏈劑，通過液體混合澆注的加工成型方法得到的固化交聯(lián)嵌段型高分子聚合物[9-10]。由于聚氨酯易通過水解反應引發(fā)自裂解，從而造成產品性能變差甚至失效，因此有必要對3種樣品進行耐水解測試。

參照QB/T 4671—2014[11]和相關文獻的測定方法[12]，分別從3種襯套件上各裁取一定尺寸的樣品，將其置于70 ℃的水浴鍋中加熱，并添加一定濃度的NaOH溶液作為水解催化劑，通過觀察不同時間段下(初始、1 h、2 h、4 h)各個試樣瓶的渾濁程度、測量實驗前后的硬度情況，來比較3種樣品的耐水解性能。其中初始狀態(tài)和70 ℃加熱攪拌4 h狀態(tài)的結果如圖1所示。

(a)初始狀態(tài)

(b)70 ℃加熱攪拌4 h

圖1 3種襯套產品的耐水解實驗記錄圖

通過觀察不同時間段的樣品狀態(tài)可知，初始狀態(tài)下3種襯套樣品均未有水解發(fā)生，溶液呈澄清透明狀。在70 ℃下加熱攪拌1 h后，樣品2所在的溶液出現(xiàn)了輕微渾濁現(xiàn)象，表明此時已有少部分發(fā)生水解，在隨后4 h的觀測試驗中，可以看到2號樣品瓶中的溶液渾濁度和不透明度逐漸增加，且下層沉淀越來越多。說明材料的水解反應逐漸從外部表面滲入到內部，而此時樣品1和樣品3則與初始狀態(tài)無太大差別，表明樣品1和樣品3的耐水解性能優(yōu)于樣品2。

在此基礎上，對水解實驗前后的樣品進行硬度檢測可以直觀地反映水解對聚氨酯襯套性能的影響。采用邵氏A硬度計測量的結果見表1。

表1 3種襯套樣品水解前后的邵氏A硬度值變化

從表1可以看出，3種襯套樣品經(jīng)過4 h的耐水解實驗后硬度均有所下降，其中樣品2的硬度值下降最大，為18.1%。與水解溶液的結果趨勢一致。此時樣品2的邵氏A硬度值已低于70，不滿足使用技術要求，與其在使用過程中出現(xiàn)破裂的情況相對應。

2.2 微觀形貌測試

聚合物的微觀形貌和結構可以直接影響產品的機械性能，采用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)與X射線能譜儀(EDS)聯(lián)用可以直觀地觀測到聚合物內部的微觀形貌和元素分布情況。分別將樣品1、2、3置于液氮中淬斷，斷面朝上放置于樣品臺上，以10 kV的加速電壓轟擊材料斷面，在1 000倍的放大倍數(shù)下觀察各個樣品的斷面形態(tài)和元素分布，結果如圖2所示。

樣品1的SEM圖

樣品1的EDS圖

樣品1的氧元素圖

樣品2的SEM圖

樣品2的EDS圖

樣品2的氧元素圖

樣品3的SEM圖

樣品3的EDS圖

樣品3的氧元素圖

圖2 3種襯套樣品的SEM掃描圖像、EDS分層圖像和氧元素分布圖像

由圖2可知，3種樣品的SEM掃描圖像呈現(xiàn)不一樣的斷面形貌，樣品1的斷面較為光滑均勻，無大塊團聚出現(xiàn)；樣品2的斷面有大塊聚集體出現(xiàn)，表面有凸起和凹陷；樣品3有少量鼓包，但整體較為平整。觀測EDS分層圖像也可以發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，元素的不均勻分布會對產品的力學性能和疲勞性能有一定影響。選取EDS中氧元素的分布圖像可以看到，樣品1的氧元素分布圖最為致密均勻，其次是樣品3，樣品2的均勻性最差。

綜上分析，前述襯套件破裂的原因為：襯套件樣品2的內部組成分布不均，從微觀角度看易造成由小分子擴鏈劑、異氰酸酯組成的硬段和以聚酯或聚醚多元醇為代表的軟段間接觸不充分，使得聚氨酯硬段和軟段間的氫鍵減少，交聯(lián)強度降低；宏觀直接表現(xiàn)為襯套件耐水解、硬度和強度等性能變差，在汽車行駛過程中無法提供有效的支撐減振作用。

2.3 改進方案與效果

通過以上綜合對比可得出：樣品1的綜合性能較為優(yōu)異，其耐水解程度和微觀形貌都較另外兩種樣品更好，推薦使用；樣品2和樣品3均有不同程度的性能缺陷，不建議繼續(xù)使用。

針對此次問題提出的改進方案為：使用樣品1所屬供應商提供的質量合格的聚氨酯襯套件更換該批車輛的所有吊桿襯套。更換襯套件后，在后期隨訪中未出現(xiàn)類似問題，車輛運行正常，表明問題得到解決。

3 結束語

襯套類產品在汽車懸架系統(tǒng)中起著減緩振動和降低噪聲的重要作用，其產品性能對懸架和整車運行都有至關重要的作用。本文通過實驗測試的方法對比多家供應商襯套件的性能，找到襯套件的失效原因并提出有效的解決方案。