某副车架橡胶衬套潜在的失效特性及改进方案

王朝建，韩兆东，蔡晓宇

（1.辽宁工业大学，汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001；

2.安徽中鼎减振橡胶技术有限公司，安徽 宁国 242300）

某副车架橡胶衬套潜在的失效特性及改进方案

王朝建1,2，韩兆东1，蔡晓宇2

（1.辽宁工业大学，汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001；

2.安徽中鼎减振橡胶技术有限公司，安徽 宁国 242300）

在现代汽车技术中，橡胶衬套的应用越来越广泛，对车辆NVH性能的影响越来越重要。但在使用过程中，橡胶衬套的检查和维护极其不便，直到发生断裂后经过反复检查才能知道，造成很大的经济损失。文章对某副车架橡胶衬套潜在的失效模式及机理进行分析，在此基础上对进行现行过程控制预防，对提高橡胶衬套的使用寿命，具有非常重要的意义。

橡胶衬套；失效模式；机理；改进方案

CLC NO.:U463.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-89-03

前言

完成副车架与车身的连接是橡胶衬套的主要功能之一，副车架橡胶衬套的软硬度对汽车行驶时产生的振动特性有很大影响，频繁振动引起的疲劳破损也是橡胶衬套潜在的失效模式之一。如果把副车架橡胶衬套设计的较软，则能很好地减小汽车行驶时产生的振动，但过软的副车架橡胶衬套会在高速转弯时产生较大的运动变形，导致轮胎定位的不准确，从而降低了车辆行驶的操纵稳定性[1]。较硬的副车架橡胶衬套会使连接刚度大大增加，但是减振降噪的效果却十分有限。软硬度对橡胶衬套的失效

模式也有重要影响。

由于车辆行驶工况复杂多变，加之橡胶衬套工作位置的限制，使得橡胶衬套的检查和维护极其不便，破坏程度不能及时发现。文章在大量试验及设计经验的基础上，对某副车架衬套潜在的失效模式及后果进行分析。

1、潜在失效模式及后果分析

1.1 过程功能及要求

在各种恶劣的工作环境中橡胶衬套要承受振动、腐蚀和摩擦来保护其他部件，但其自身的使用寿命会大大降低。装配过程中，衬套总成有其严格的要求；使用过程中，衬套总成及各子部件分别发挥不同的作用。

图1为两个橡胶衬套安装到一起的橡胶衬套总成实物图。

(1) 总成：连接作用，装配在后副车架中，将副车架和车身进行连接；缓冲限位作用，装配在后副车架中，限制副车架运动的位移；减振作用，降低后车架刚性连接产生的振动噪声。

(2) 橡胶弹性体：要求橡胶体在寿命周期内不发生开裂，起到缓冲吸振作用。

(3) 内套：连接作用，将衬套连接在车身上。

(4) 外套：连接作用，使衬套与副车架连接起来；导向作用，使衬套空心方向和整车坐标X方向保持一致。

(5) 粘合剂：选择合理的粘合剂，提供橡胶与金属之间良好的粘结。

1.2 潜在失效模式及后果

(1) 总成：总成零件脱落，导致副车架和车身脱离，副车架丧失功能；产品刚度不合格，导致汽车转弯时带来较大的变形，进而导致轮胎定位不准，降低了汽车的操纵性；刚度曲线不符合设计要求（曲线的拐点位置提前或滞后），导致负载性和乘坐舒适性差，橡胶产生碰撞噪声。

(2) 橡胶弹性体：橡胶弹性差，导致舒适性和操控性差；橡胶弹性体有破损，导致衬套总成耐久性差，功能失效；橡胶体有裂口，导致舒适性和操控性差。

(3) 内套：螺栓无法穿过内孔，无法装配，导致客户停产；使用寿命期内，螺栓发生松动，导致螺栓装配扭矩无法达到装配要求。

(4) 外套：衬套从副车架中松动或脱落，导致车身与副车架进行碰撞，产生异响；衬套无法定位X、Y方向，影响整车的操控性和舒适性。

(5) 粘合剂：粘合剂粘结不良，导致橡胶体与金属支架脱落。

2、潜在失效机理分析

找出零部件潜在的失效机理对在设计的过程中控制相应的失效模式极其重要，缩短产品的开发周期，大大降低生产和维护成本。下面对橡胶衬套总成及各子部件潜在的失效机理进行分析。

(1) 总成：衬套外套装配外径尺寸小；橡胶胶料设计不合理；橡胶结构设计不合理，限位过远，使性能曲线拐点提前；橡胶弹性体的结构和轮廓设计不合理。

(2) 橡胶弹性体：衬套或模具设计不合理；橡胶体倒角设计过小或无倒角，造成应力集中，疲劳时易发生胶体开裂；橡胶体结构设计不合理，造成应力集中，疲劳时易发生胶体开裂。

(3) 内套：内套的内孔设计不合理；内套的支撑强度不够，当螺栓紧固时，内套发生了屈服。

(4) 外套：衬套外径尺寸设计太小；外套未设计定位边。

(5) 粘合剂：粘合剂选择不合理。

其中橡胶减振体对提高车辆的NVH性能有着不可忽视的作用。橡胶减振元件的应用日益广泛，因为其特性与一般金属材料有很大差异，橡胶材料

受力变形过程复杂。它的变形伴随着大应变，应变可达百分之几百、大位移；而橡胶材料的应力应变呈高度的非线性关系，本构关系复杂。此外，在变形过程中材料体积近似不可压缩或完全不可压缩是橡胶材料的另一个显著特点。加之橡胶的力学行为对环境、温度、加载速率及应变历史十分敏感，这样就使得描述橡胶的行为更加复杂。然而，利用有限元分析软件完成橡胶衬套的非线性分析，可以大大提高产品的开发效率，提高产品的可靠性和安全性。

3、现行过程控制预防及疲劳破损问题分析

3.1 设计改进方案

通过设计橡胶衬套的特性可以缓解其他部件传来的振动和冲击，确保操纵稳定性[2]。在掌握该衬套潜在失效模式及机理的基础上，需要在设计过程中对这些因素进行逐一控制。

(1) 总成：对衬套外套外径尺寸进行设计；从橡胶材料库选择成熟配方；通过有限元分析（FEA）模拟优化设计。

(2) 橡胶弹性体：从橡胶材料库选择成熟配方；规定橡胶倒圆角，不允许橡胶交接处有尖角；通过FEA模拟优化设计。

(3) 内套：和主机厂进行沟通，获知装配螺栓的信息；设计时对螺栓扭紧力矩进行分析，增大内套壁厚来提高其压缩 变形的强度，或者采用屈服强度高的材料。

(4) 外套：增加衬套外径尺寸；在外套设计定位导向的直边。

(5) 粘合剂：选择合理的粘合剂

3.2 改善疲劳寿命方案

在车辆正常行驶过程中，橡胶衬套的疲劳破损是经常出现的问题。影响疲劳破损的因素很多，如载荷施加、不同硫化体系、不同添加剂及工作环境等。应从以下几方面提高其疲劳寿命。

(1) 在产品设计时，应避免因设计不合理带来的橡胶衬套的应力集中现象，而且橡胶部分不应有过渡的应力和变形；另外，产品的胶料量注射要合理，不能太少，因为橡胶衬套在工作过程中承受交变重复大载荷时橡胶内部会产生大量热量，胶料量多则热容量也大，可延缓发生破损时间，也能提高减振性能。

(2) 在生产过程中，要提高金属模具加工表面精度，避免硫化产品出现缺料的现象；避免产生气泡，控制好排气量、硫化时间和硫化温度非常关键。

(3) 橡胶材料配方，配合剂的种类和数量对疲劳寿命的影响也很大；为减小大气环境对橡胶制品的影响，橡胶材料中应使用直径小的填充剂颗粒。

(4) 工装设计时，开设胶料模压注孔位置时应尽量减少型腔内胶料流经关键部位处的流动量，即尽量减少关键部位的粘合剂流失，避免不必要的损失，并尽可能使各型腔同时充满胶料。

此外，压装橡胶衬套的工装也对橡胶衬套的使用寿命有很大影响，如果压装效果不良，橡胶容易损坏[3]。

衬套的使用范围大，种类也比较多，要选择合适的衬套，就必须考虑它的使用目的，不同的工况选择不同型号的衬套。衬套选型中主要考虑的条件是衬套需承受的压力、速度、压力速度乘积及载荷性质。另外，衬套是否有润滑、润滑的状态也决定了它的使用效果和寿命。为了在衬套设计和生产过程中就能提高其使用性能，应根据不同工况综合考虑各种影响因素，并结合有限元软件进行非线性分析。

4、结论

衬套在实际工作中起到的作用和它的应用环境与目的有很大关系。文章对某汽车的副车架橡胶衬套潜在的失效模式、机理、现行过程控制预防及疲劳寿命问题进行分析。在大量的试验和设计经验的基础上，给出设计过程中橡胶衬套总成及各子部件的改进方案，对提高橡胶衬套的疲劳寿命及其对恶劣环境的适应能力有着非常重要的作用。

[1] 石少亮. 随机振动激励下汽车副车架用橡胶衬套的力学特性分析[D]. 上海: 上海工程技术大学. 2010;

[2] 余振龙, 具龙锡. 轿车悬架橡胶衬套结构特点分析[J]. 2009, (8): 34-35;

[3] 张珠江, 尤华胜. 副车架多用压装橡胶衬套工装设计应用[J]. 2010, 56-57.

Study on Potential Failure Performance and Improving Scheme of Rubber Bushing of A Subframe

Wang Chaojian1,2, Han Zhaodong1, Cai Xiaoyu2

(1.Automobile & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001; 2.Anhui Zhongding NVH Co., Ltd., Anhui Ningguo 242300)

The rubber bushing is much more widely used than before in modern automotive engineering. Its influence on the Vehicle NVH Performance becomes more and more important. The Inspection and maintenance for the rubber bushing are extremely inconvenient during the process of using. It is hard to know what the problem is until we check and recheck after the rubber bushing is break which causes huge economic loss. This paper analyses the potential failure mode and the mechanism of the rubber bushing of a subframe, and then proposes some measures on the control and prevention. These measures are important in extanding the life span of the rubber bushing.

rubber bushing; failure mode; mechanism; improving scheme

U463.1

A

1671-7988(2014)02-89-03

王朝建，硕士，从事车辆检测与诊断、车辆NVH研究。