减振器橡胶衬套的疲劳试验方法*

2015-09-04孙晓帮孔令洋王祥石晶

汽车工程师 2015年5期

孙晓帮孔令洋王祥石晶

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院）

减振器橡胶衬套（以下简称橡胶衬套）因具有良好的吸收高频振动和隔振效果，被广泛应用在汽车悬架系统中[1]。汽车行驶时，橡胶衬套受路面的激励作用处于交变载荷下，因此很容易发生疲劳失效。通过试验方法研究橡胶衬套的疲劳寿命不仅能提高其使用寿命，而且能提高悬架的行驶安全性。目前国内外没有完整的汽车悬架橡胶衬套试验标准，各厂家试验规范也不统一。文章通过橡胶衬套受力分析，建立橡胶衬套的疲劳试验规范，并确立橡胶衬套疲劳失效的判断准则。

1 橡胶衬套的受力分析

1.1 独立减振器橡胶衬套受力分析

独立减振器是指减振器与弹簧独立安装。装有橡胶衬套的独立减振器一般有双吊环式和下吊环式2种。双吊环式减振器结构简图，如图1所示。在实车使用工况下，减振器上吊环（内含橡胶衬套）与车架或车身相连，下吊环（内含橡胶衬套）与车桥相连。橡胶衬套外圆柱表面与减振器上下吊环之间为过盈配合；橡胶衬套芯部是与橡胶粘接的刚性套筒，销轴穿过套筒内部将减振器一端与车架或悬架系统托臂梁柔性连接在一起。在汽车产生振动时，橡胶衬套受到外吊环和内刚性套筒的作用产生粘弹性变形，能有效减轻路面的载荷冲击并衰减车身振动，从而改善汽车行驶平顺性和乘坐舒适性。上下2个橡胶衬套径向受力简图，均如图2所示，由于橡胶衬套与减振器形成作用力与反作用力，减振器的阻尼力等于橡胶衬套所受径向力，因此图2中的力（F/N）等于减振器的阻尼力。下吊环式减振器的橡胶衬套径向受力分析方式与双吊环式减振器橡胶衬套相同，不再累述。

1.2 减振器支柱总成橡胶衬套受力分析

在现代很多汽车独立悬架中，减振器和减振弹簧多装配成一体，形成减振器支柱总成（减振弹簧安装在减振器弹簧托上），图3示出某车用减振器支柱总成图。

减振器支柱总成上橡胶衬套与减振器之间，以及减振器支柱总成下橡胶衬套与并联减振弹簧的减振器之间均存在作用力与反作用力。在汽车静止状态下，上橡胶衬套几乎不受力；只有在汽车行驶状态，当车身（架）与车桥发生相对运动时，上橡胶衬套才受到与减振器阻尼力相等反向的力的作用。由于汽车自重等原因，即使在非行驶状态下，减振器支柱总成下橡胶衬套也始终要承受减振弹簧的弹力作用，并承受一定的径向预压力；在汽车行驶状态下，下橡胶衬套又要承受复杂交变的载荷，橡胶衬套的疲劳失效主要以减振器支柱总成下橡胶衬套为主。因此上橡胶衬套所受力等于减振器的阻尼力，下橡胶衬套所受力等于减振器阻尼力与减振弹簧弹力之和。

2 橡胶衬套疲劳试验依据及试验规范

2.1 疲劳试验依据

疲劳试验的主要目的是评定橡胶衬套的使用寿命，可以通过橡胶衬套在疲劳试验前后的特性变化和外观的变化进行评定[2]。疲劳试验方法依据文献[3]，采用非共振法，对橡胶衬套施加不同频率和不同幅值大小的周期性简谐激励，并对试件往复循环加载。当激振到试验要求次数时，通过测试疲劳试验前后试件的静刚度损失率及龟裂值等性能参数，依据橡胶衬套疲劳失效的判断准则，评定橡胶衬套是否发生疲劳失效。若试验系统未达到橡胶衬套疲劳试验所要求的激振次数，即可认定试件已发生疲劳失效。

2.2 疲劳试验规范

制定橡胶衬套疲劳试验规范时，试验载荷和振幅、振动频率以及预压力应尽可能接近橡胶衬套的实车使用工况。

1）试验载荷为周期性简谐激励，包括预压力（F0/N）和激振力幅值（F/N）。试验载荷采用F0±F形式。减振器支柱总成下橡胶衬套的预压力可根据减振弹簧预压力（或汽车1/4簧载质量）进行确定，其激振力幅值可根据橡胶衬套所匹配减振器的阻尼力幅值与减振弹簧弹力幅值之和确定；减振器支柱总成上橡胶衬套以及独立减振器橡胶衬套的预压力可设定为0或由用户根据实车工况自定义，其激振力幅值根据减振器的阻尼力幅值确定。

2）振动频率：根据文献[4]中耐久性试验双动试验台试验法有关标准以及车身部分固有频率f0（1～1.5 Hz）和车轮部分固有频率ft（10～15 Hz），考虑到振动频率过高时，会造成橡胶衬套温升过大，从而加快试件的疲劳破坏，因此在对橡胶衬套温升影响不大的前提下，为减少试验时间可适当增大振动频率，一般情况下橡胶衬套疲劳试验的振动频率低于6 Hz。

3）激振次数：根据文献[4]中减振器耐久性试验工作循环次数（100万次）以及用户要求确定橡胶衬套的激振次数。通常情况下，橡胶衬套的疲劳寿命应不低于减振器的疲劳寿命，因此橡胶衬套激振次数应不低于100万次。

3 橡胶衬套疲劳失效的判断准则

从工程实际应用考虑，评定橡胶衬套疲劳失效并不要求试件在发生疲劳失效后才停止试验，而是疲劳试验达到或超过一定激振次数，按照相应判断准则对试件进行检验，若未出现疲劳失效，即可认为橡胶衬套符合质量要求，试件合格；若试件出现疲劳破坏，则试验系统停止激振，因此应制定相应的疲劳失效判断准则，对试验中及试验后的试件进行测试和检验。

3.1 静刚度的损失率

随着橡胶衬套疲劳试验激振次数的增加，橡胶衬套的弹性模量和刚度会不断降低，在降低到一定程度时，橡胶衬套的强度就难以承受额定的载荷，发生疲劳失效。因此在橡胶衬套疲劳试验后，要对其弹性模量或刚度值进行测量，工程上通常采用计算疲劳试验前后静刚度损失率的方法判定试件疲劳失效程度[5]。

橡胶衬套静刚度的损失率计算方法，如式（1）所示。

式中：ΔK——静刚度的损失率，%；

K1，K2——橡胶衬套疲劳试验前后的静刚度，N/mm。

3.2 激振位移的增大率

橡胶衬套疲劳试验需对其进行恒力幅值激振。疲劳试验过程中，当激振力幅值不变，橡胶衬套的刚度发生变化时，其激振位移会发生改变。一般情况下，橡胶衬套的激振位移随静刚度的减小（损失）而增大，监测试验过程中试件激振位移的变化情况，不仅可以反映橡胶衬套静刚度的变化情况，而且可以实时监测橡胶衬套的疲劳寿命，因此可以将激振位移的增大率（Δx）作为橡胶衬套是否发生疲劳失效的判断准则。

Δx的计算方法推导如下，设F保持不变，由于疲劳试验过程中，橡胶衬套激振位移相对很小（仅为几毫米），因此可近似认为橡胶衬套处于线性工作范围内，即力和位移成线性关系，根据式（1）可得：

Δx是疲劳试验前后激振位移幅值增大量与试验后激振位移幅值之比，即：

式中：x1，x2——F作用下，疲劳试验前后橡胶衬套的初始位移幅值和寿命位移幅值，mm。

根据式（2）和式（3）可知，Δx在数值上等于 ΔK。

3.3 表观的变化

表观的变化首先体现在橡胶表面裂纹、剥落和磨伤上，橡胶衬套发生严重疲劳失效时，其表面会出现这些变化。疲劳试验后需要记录橡胶表面裂纹长度和深度以及剥落和磨伤程度，工程上一般认为，橡胶表面裂纹深度大于3 mm，即可认为试件已发生疲劳失效。

表观的变化还体现在橡胶衬套外形尺寸上，橡胶衬套发生一定疲劳失效后，外形尺寸（轴向和径向尺寸）会发生变化，沿某一方向可能会出现永久变形，因此需要记录疲劳试验前后橡胶衬套外形尺寸的变化情况。

3.4 龟裂值

由于橡胶衬套在实车使用工况下受到交变周期载荷的作用，橡胶材料受到反复的挠曲变形，若橡胶衬套胶料配方不当或生产工艺上存有缺陷，试验过程中橡胶衬套表面就可能出现龟裂。如果橡胶表面先出现裂纹，随着裂纹的增大产生气泡，气泡逐步增大就能造成橡胶衬套的疲劳失效。但不能认为橡胶衬套表面一旦出现龟裂，就认定其发生疲劳失效。从工程实际应用而言，若橡胶表面龟裂值未达到一定值时，不认为其发生疲劳破坏。可依据橡胶衬套实际使用工况，确定许可龟裂量化指标，工程实践中一般认为橡胶表面出现的气泡直径D＞0.3S（S为橡胶衬套橡胶圈厚度）或D＞3 mm时，即认为发生疲劳失效。

3.5 橡胶材料的温升

橡胶衬套是一种高度非线性粘弹性材料，载荷和位移间存在相位差，由于载荷与位移的滞后效应，所损失的能量大部分被橡胶材料吸收。当吸收的能量大于散发的热量时，会导致橡胶衬套的温度升高，橡胶衬套刚度和弹性模量降低，即橡胶材料变软，最终导致橡胶衬套的热软化失效。橡胶衬套的温升与简谐激励幅值、激振频率、橡胶材料的配方以及散热条件等因素密切相关。有关研究表明，当橡胶表面温升大于20℃且有明显温度升高时，橡胶材料开始出现疲劳破坏[6]。