空氣彈簧用橡膠材料的研究進展*

李毅磊，閆鵬程，黃 偉，王君兆，王經(jīng)逸

(1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 064099；2.深圳市美信檢測技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518108；3.南京理工大學 化學與化工學院，江蘇 南京 210094；4.黎明職業(yè)大學 新材料與鞋服工程學院，福建 泉州 362000)

空氣彈簧是一種通過向柔性的封閉空間中注入用于增壓(氣壓為0.5～1 MPa)的空氣介質(zhì)，利用橡膠的黏彈性和氣體體積的可壓縮性來實現(xiàn)彈簧效應(yīng)的橡膠器件，是汽車、軌道交通的重要部件，對車輛行駛過程中的操控穩(wěn)定性、平順性有著至關(guān)重要的作用?？諝鈴椈芍饕上鹉z氣囊和上、下鋼體蓋板組成，其性能的關(guān)鍵因素包括橡膠組件(包括橡膠囊、橡膠膜)以及動態(tài)下的橡膠形狀、體積和剛性變化。我國的空氣彈簧在生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品性能及市場占有率等方面與世界先進廠家還有一定差距[1-2]。隨著我國軌道交通和高速鐵路的高速建設(shè)，開發(fā)高性能空氣彈簧，顯得尤為重要。本文從空氣彈簧橡膠材料出發(fā)，探討了空氣彈簧外層膠種類的選擇和改性性能的研究，以及橡膠器件在外加載荷下的非線性特征模型的研究進展，以期為橡膠空氣彈簧的進一步研究、開發(fā)提供思路。

1 橡膠的選用

橡膠囊是空氣彈簧的關(guān)鍵部件，其使用壽命決定空氣彈簧的使用壽命，橡膠囊主要由內(nèi)層膠、外層膠、簾線布和鋼絲圈組成。在實際使用中，空氣膠囊常因外層膠老化出現(xiàn)裂紋而失效，但內(nèi)層膠和簾布層往往并無異常，因此改善外層膠耐老化、耐屈撓性是提高空氣彈簧使用性能和壽命的關(guān)鍵。對于外層膠料，常用的有天然橡膠(NR)[3]、丁苯橡膠(SBR)[4]、順丁橡膠(BR)[5]和氯丁橡膠(CR)[6]。

NR的綜合性能最好，但是NR耐老化性能較差，生產(chǎn)中經(jīng)常并用SBR或者BR，以改善NR的耐老化性能。除此之外，橡膠器件在使用中會接觸到潤滑油、潤滑脂等有機油類物質(zhì)，容易引起橡膠材料的溶脹變形。相比之下，CR能比較好的滿足并平衡空氣彈簧外層橡膠的耐屈撓、耐老化[7]和耐有機介質(zhì)[8]等要求，因此CR被大量應(yīng)用在橡膠氣囊的外層膠中。但是，CR的貯存穩(wěn)定性較差，可通過無機填充改性和有機共混改性[9]兩種方法來改進。

1.1 無機填充改性

炭黑是應(yīng)用最為廣泛的補強填料[10]。魯冰雪等[11]發(fā)現(xiàn)，隨著炭黑粒徑增大，氯丁橡膠/氯化聚乙烯(CR/CM)共混膠的門尼黏度減小，正硫化時間延長；炭黑粒徑越小，補強效果越好，填充膠的耐油性越佳。當炭黑用量為30份時，CR硫化膠的屈服強度和彈性模量最佳[12]；在單軸循環(huán)壓縮過程中，靜態(tài)CR硫化膠的Mullins效應(yīng)隨炭黑用量增加而增強，在給定壓縮應(yīng)變下，首次最大壓縮應(yīng)力在加載-卸載往復壓縮時達到最大值，在之后的4次循環(huán)壓縮中表現(xiàn)出不同程度的下降[13]。米廣杰等[14]研究不同牌號(N550、N330、N115、N234)的炭黑對CR硫化膠性能的影響，結(jié)果如表1所示，炭黑330填充的硫化膠在水浸泡前后、老化前后的硬度保持最好，其拉伸強度保持率最好；N234組的硫化膠具有良好的定伸應(yīng)力(300%定伸應(yīng)力為15.02 MPa)；N115組的具有良好的拉伸強度，高達24.30 MPa。

表1 不同牌號炭黑對CR物理性能的影響

相對于傳統(tǒng)炭黑，白炭黑、納米碳酸鈣(NCC)、石墨烯和稀土化合物也被用于補強CR。

蘇蕊蕊等[15]指出，當白炭黑用量為20份時，CR的耐磨耗性能達到最大，拉伸強度在用量為30份時達到最大，壓縮永久變形隨白炭黑用量增加先增加后趨于穩(wěn)定。Roy等[16]比較了二氧化硅涂層的納米碳酸鈣(SNCC)和未涂層的NCC對CR的影響，與未填充或NCC填充的CR相比，含SNCC的CR具有更高的交聯(lián)程度，機械力學和熱性能更佳。Xu等[17]制備了氧化石墨烯負載氧化鋅納米顆粒用作CR補強劑，在填充量僅為8份時，得到的硫化膠拉伸強度達11.4 MPa，扯斷伸長率為723%，300%定伸應(yīng)力為2.2 MPa。但是大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯非常困難且成本高，應(yīng)用較為困難。

稀土(鑭系)化合物作為填料或者填料的表面改性劑對橡膠也有非常好的補強效果[18-19]。由于稀土元素具有特殊的電子層結(jié)構(gòu)，部分基團會吸附在填料表面或與表面的羥基產(chǎn)生反應(yīng)，另一部分與聚合物基體產(chǎn)生纏繞效應(yīng)，改善補強填料和生膠的相容性，提高復合材料的綜合力學性能。林雅鈴等[20]采用鑭系稀土對炭黑表面進行活化，并用凝聚共沉法制備了稀土摻雜炭黑填充CR，結(jié)果表明，稀土La、Sm、Tm改性炭黑可以顯著提高CR的定伸應(yīng)力、拉伸強度及撕裂強度。孫大貴等[21]利用硬脂酸改性氧化鈰(CeO2)作為CR補強劑，改性CeO2在CR中分散性好，能替CR承擔一部分應(yīng)力；在受力過程中，改性CeO2與橡膠配方物質(zhì)形成多種復雜的絡(luò)合物，提高分子間相互作用，相對于空白組，拉伸強度和300%定伸應(yīng)力分別提高近13.4%和45.9%，老化系數(shù)由0.97提升至1.13。不同補強劑對CR性能的影響如表2所示。

表2 不同補強劑對CR性能影響

1.2 有機共混改性

CR與其他橡膠混合，在提升物理化學性質(zhì)的同時，也能有效提高復合材料的加工性能，同時降低成本[22]。

氯化丁基橡膠(CIIR)的氯含量低，與CR溶解度參數(shù)接近，兩者并用可改善CR的耐天候老化性能。賀鵬等[23]研究了并用比例對CR/CIIR并用膠物理機械性能和耐老化性能的影響，隨著CR含量的增加，并用膠拉伸強度先降低后增加，而扯斷伸長率則逐漸降低；經(jīng)過125 ℃、72 h老化后，隨著CR含量的增加，并用膠的拉伸強度保持率有小幅度的增加，而扯斷伸長率的保持率則在一個微小幅度的增加后有一個明顯幅度的下降，如圖1所示。

NR與CR共混，能夠很大程度提高CR的力學性能，改善耐寒性[24]。于凱本等[25]研究硫化體系對CR/NR并用膠性能的影響，發(fā)現(xiàn)當促進劑m(DM)∶m(ZnO)∶m(MgO)∶m(硫磺)=0.3∶6∶3∶5時，硫化時間控制為60 min，得到的CR/NR(質(zhì)量比為70/30)并用膠物理性能、耐水性能和絕緣性能最佳，其中拉伸強度高達23.2 MPa。Quang等[26]研究了不同老化條件對CR/NR并用膠的機械性能和活化能的影響，結(jié)果表明，低含量CR(5～10份)對并用膠靜態(tài)性能的影響可忽略不計，而對動態(tài)性能有著顯著影響，NR/CR并用膠的動態(tài)負載引起的活化能降低明顯高于純NR的18～19倍，在克服橡膠囊往復活塞運動產(chǎn)生的損耗上有著非常重要的應(yīng)用價值。

CIIR/CR質(zhì)量比(a)拉伸強度和斷裂伸長率

SBR是低溫性能較好的非極性合成橡膠，與CR并用得到CR/SBR并用硫化膠，其低溫性能和抗結(jié)晶性能得到明顯改善。豆鵬飛[27]從CR和SBR的用量、炭黑N220和活性劑MgO的用量等方面研究SBR/CR并用膠的力學性能及相容性。研究表明，MgO可以有效提高并用膠的相容性；CR/SBR質(zhì)量比為70/30，活性劑用量為4份，炭黑40～50份，其力學性能最佳。

譚蓮影等[28]公開了一種由CR、NR組成的空氣彈簧用橡膠材料，保持了外膠良好的力學性能、提升了耐油、臭氧老化性能。危銀濤等[29]公開了一種用于橡膠空氣彈簧的磁敏橡膠組合物，優(yōu)選NR或CR或氫化丁腈橡膠及改性劑，得到的橡膠組合的扯斷伸長率達400%以上，拉伸強度達15 MPa以上。詹煒等[30]優(yōu)選膠料組成，采用多段混煉法，制備得到一種耐高溫、耐熱老化、耐臭氧性能耗的空氣彈簧用橡膠材料。

空氣彈簧外層膠是空氣彈簧在充氣狀態(tài)下的主要受力體，是空氣彈簧最容易出現(xiàn)質(zhì)量問題并影響制品壽命的關(guān)鍵部件之一。CR橡膠以優(yōu)異的綜合性能在空氣彈簧外層膠上有著廣泛應(yīng)用，國內(nèi)CR的牌號較少，在耐寒、耐老化、易加工性等方面與歐美高檔產(chǎn)品還存在一定差距。從添加劑改性、多相共混等角度不斷獲得CR材料的突破，是研發(fā)高性能空氣彈簧外層膠的發(fā)展趨勢之一。

2 橡膠材料非線性分析

空氣彈簧的橡膠墊和氣囊所選用的材料為超高彈性的橡膠材料，空氣彈簧內(nèi)部壓縮空氣的過程不但影響空氣彈簧的剛度特性，也決定了彈簧部件的承載能力?？諝鈴椈墒艿酵饬d荷發(fā)生振動，橡膠氣囊的形狀和體積發(fā)生改變，空氣彈簧剛度的非線性特征顯著?？諝鈴椈傻姆蔷€性特征包括：材料非線性[31-32]、接觸非線性[33]和幾何非線性[34]。

2.1 非線性特性數(shù)學建模研究

以空氣彈簧為主氣室，考慮溫度變化、壓強變化、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化和橡膠氣囊非線性特性等影響，推導橡膠氣囊應(yīng)力、簾線力等的數(shù)學方程，建立基于關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的空氣彈簧數(shù)學模型。Berg等[35-37]在研究膜式空氣彈簧非線性特性建模時，借鑒鐵道車輛空氣彈簧非線性特性建模思維，建立線性彈性模型、摩擦模型和Maxwell模型并聯(lián)而成的新型非線性特征模型，該模型在計算機軟件包MATLAB和GENSYS中實現(xiàn)，比較諧波激勵的模型和測量結(jié)果數(shù)據(jù)，兩者顯示出很好的一致性。不足之處是該模型在表征橡膠氣囊的頻率特性時具有較大的誤差。

Erin等[38]通過研究空氣彈簧隔振器，發(fā)現(xiàn)橡膠氣囊對空氣彈簧隔振器的剛度有著較大的影響，鑒于橡膠氣囊非線性力學特點，建議采用線性彈簧、阻尼器和滯后阻尼器并聯(lián)的策略無限接近氣囊的非線性特征。這對橡膠氣囊非線性力學建模有著重要的指導作用。

Lee等[39]從兩個主要方面對復雜剛度模型進行改進：一是將隔膜的振幅與剛度相掛鉤；二是使用動態(tài)模型來連接兩個氣動腔室中毛細管的流動。與實驗測量結(jié)果相比，所提出的非線性剛度模型很好地反映了頻率和激勵幅度的依賴性。這種用于雙室氣動彈簧的非線性模型將有助于更有效地設(shè)計或控制隔振系統(tǒng)。該團隊采用同樣的策略得到橡膠氣囊非線性力學特性模型數(shù)據(jù)，如圖2所示，實現(xiàn)了對復雜剛度實部的良好匹配，這對于改善氣動彈簧的隔振性能至關(guān)重要[40]。

(a)計算等效活塞面積時模擬的隔膜運動

Moon等[41]在前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了隔膜的分數(shù)階導數(shù)模型和空氣節(jié)流器的二次阻尼模型，利用四參數(shù)分數(shù)導數(shù) Zener 模型表征橡膠氣囊的頻率特性，通過與實驗數(shù)據(jù)的比較，驗證了實驗模型與傳輸率計算算法的正確性。但不同振幅激勵前提下，Zener模型擬合得到的參數(shù)誤差偏大，模型通用性不強。

Li等[42-43]指出在垂直剛度方程中應(yīng)考慮橡膠氣囊剛度因素，建立了凸瓣空氣彈簧垂向剛度的解析公式。如圖3所示，在膜片和頂板以及膜片和底部支撐之間創(chuàng)建了表面-表面接觸，反映空氣彈簧各部件之間的相互作用。在兩個參考點RP-3/頂板和RP-1/底部支架之間建立了運動耦合約束，用于控制頂板和底部支座在軸向的相對移動。在模擬過程中，通過測量RP-3(或RP-1)軸向相對頂板和底板相對位移的反作用力，計算豎向剛度。結(jié)果表明，有限元法可以代表振膜的真實變形和膨脹形狀，利用有限元法計算比用解析公式計算的結(jié)果更接近實驗結(jié)果。分析計算和有限元模擬結(jié)果均表明，垂向剛度與垂向載荷以及儲層體積之間的關(guān)系是正確的。

(a)SYS600有限元模型約束和相互作用

2.2 非線性特性有限元建模研究

20世紀90年代，越來越多的國內(nèi)外學者利用Abaqus和Adina等有限元軟件研究空氣彈簧橡膠氣囊的力學特性。Huh等[44]使用Abaqus建立空氣彈簧有限元模型，采用Shell、Rebar和Halpin-TSal單元來研究橡膠氣囊的非線性特征、各項異性。該項研究以簾線排布的角度為變量，系統(tǒng)分析了不同簾線角度下空氣彈簧變形-力特性的仿真模擬實驗，結(jié)果表明，Rebar單元的仿真分析結(jié)果最具準確性。

Wong等[45]在Abaqus中用Rebar單元表達簾線的作用方式，通過有限元模型分析了簾線排布角度、初始充氣氣壓和簾線直徑等因素對空氣彈簧剛度的影響，實驗結(jié)果驗證了有限元模型的合理性。Li等[46]利用Abaqus軟件對空氣彈簧的軸對稱有限元(FE)模型進行設(shè)計，以期獲得目標垂直剛度。如圖4所示，空氣彈簧存在一個靜態(tài)平衡位置，當注入空氣后，空氣彈簧處于完全伸展的狀態(tài)，隨著載荷的施加，活塞沿著空氣彈簧軸向運動，如圖4(a)所示，與保險杠接觸，剛度突然增加，記錄剛度隨位移的變化，如圖4(b)所示。利用材料的原有屬性，進行仿真計算。研究表明，軸對稱有限元(FE)模型的仿真結(jié)果和實驗結(jié)果相符合，如圖4(c)所示。

袁春元等[47]以Yeoh模型模擬橡膠層，Rebar模型代表簾線層，緣板及活塞作為剛體，將橡膠氣囊和壓縮空氣流之間的變形設(shè)定為流固耦合邊界，建立了橡膠氣囊有限元模型。計算結(jié)果表明，模擬結(jié)構(gòu)切合實際。陸曉黎[48]利用有限元模型研究了空氣彈簧的初始內(nèi)壓、簾線間距、簾線角、簾線橫截面積對其靜態(tài)承載能力的影響。分析結(jié)果表明，空氣彈簧的靜態(tài)承載能力隨氣囊內(nèi)壓、簾線面積增大而增加，隨簾線角、簾線間距增大而減小，有限元模型為空氣彈簧的研發(fā)設(shè)計提供了思路。

(a)非線性分析的步驟

綜上，國內(nèi)企業(yè)在空氣彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)預測模型方面較為薄弱，無法在設(shè)計階段估算出空氣彈簧的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，基本上依賴于國外同類產(chǎn)品的逆向設(shè)計和設(shè)計者經(jīng)驗判斷進行反復實驗，大大延長產(chǎn)品的開發(fā)時效的同時，浪費人力物力。因此，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)預測模型，預測結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，對研發(fā)高端空氣彈簧有著極大的指導意義。

3 結(jié) 論

空氣彈簧是利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧，具有優(yōu)良的非線性特性，能夠有效的防止共振和沖擊，顯著提高軌道交通的平穩(wěn)性和安全性。本文介紹了空氣彈簧外層膠的選用及其性能。氯丁橡膠能較好地滿足并均衡空氣彈簧外層膠的耐老化、耐油及耐屈撓等優(yōu)良性能，使其在橡膠囊上得到大量的研究及應(yīng)用。此外，空氣彈簧非線性分析及有限元建模，有利于縮短產(chǎn)品開發(fā)時效，為空氣彈簧的正向研發(fā)提供指導。