汽车橡胶衬套件结构改进与静刚度性能研究

刘亚梅，刘 静，李永盼

（1,2.长春工业大学 机电工程学院，长春 130012；3.长城汽车股份有限公司技术中心、河北省汽车工程技术研究中心，保定 071000)

0 引言

本文研究衬套件前副车架，下摆臂控制臂总成支架（如图1所示）上的橡胶与金属粘接件结构设计改进和静刚度性能测试。汽车能否平稳地行驶和安全稳定操纵，悬架系统起着至关重要的作用。控制臂是汽车悬架系统中起导向和传力作用的元件，作用在车轮上的力能够通过控制臂传递给车身，这是由于在结构上，车轮和车身是通过控制臂上的球铰或者衬套来实现弹性连接。此外，控制臂还能保证车轮按一定的轨迹运动[1]。汽车控制臂分为前摆臂和下摆臂，前摆臂起到向导和支撑作用，如果前摆臂发生变形会影响到车轮的定位，降低行车平稳性；而下摆臂的主要作用是支撑车身，并缓冲行驶中的震动。所以，可以说橡胶金属件的性能和使用寿命对下摆臂的影响，乃至车辆行驶的平顺性都非常重要。综上所述，本文将下摆臂上的橡胶-金属衬套件作为研究重点。

图1 控制臂总成

1 衬套件的结构改进设计

此减震器橡胶衬套零件是由内环，刚度环和靠硫化粘接与刚度环连接的橡胶层所组成，在内环和刚度环中间的空隙内也填充着橡胶。如图2所示。

图2 减震橡胶衬套零部件

图3是初始橡胶衬套剖面图。由图3可以看出，刚度环在橡胶衬套中起着形状固定和增加橡胶层刚度的作用。在初期橡胶衬套的加工中，成形零件容易出现外侧不规整和刚度环倾斜的现象。这是由于刚度环定位不足，在橡胶注射过程中，刚度环由于无法承受注射压力而偏斜。因此本文对橡胶衬套的机械结构提出了一种新的改进方案，在保证橡胶衬套具有原来刚度的前提下，提升了零件的一次成形能力。在对橡胶衬套的结构分析可知，刚度环定位不足的原因是由于定位销尺寸（1 mm）过短。在不改变橡胶衬套整体结构的前提下，将定位销尺寸改至5 mm（如图4所示），这样既能大幅提升刚度环的定位能力，又不妨碍注射过程中橡胶的流动。成形后的零件未出现外表不规整和刚度环倾斜的情况，从而证明该方案对于改进橡胶衬套的生产工艺是正确可行的。

图3 初始橡胶衬套剖面图

图4 结构改进后的橡胶衬套剖面图

按照表1所示的三种铝合金表面处理方式（酸蚀处理，酸蚀之后打磨处理，镀膜处理）和三种橡胶配方的实验测试，一共九组试样，每组试样制备三个样品，进行制品轴向静刚度和径向静刚度性能测试，分别取平均值，作图进行对比。

3 静刚度的测试

3.1 径向静刚度的测试

3.1.1 实验设备

实验选用MTS 831.50 (25KN) 700Hz 弹性体测试系统，该系统可实现橡胶材料或者橡胶元件的静态测试、动态测试以及动态扫频测试，能够完成底盘衬套、稳定杆衬套、减震器上支撑、变速箱悬置、发动机悬置等产品的线性刚度测试。该设备的作用力范围为：±125N到±25 KN；位移范围为：±0.005mm到±20mm；频率范围为：0.01Hz到700Hz。

3.1.2 测试方法

在实验中，径向加载速度为5mm/min，载荷从0N加载到5KN，循环3次，结束后静止90秒，预加载200N，设备调零。径向再以5mm/min的速度从0N加载到11KN，记录5KN处位移并保存好载荷-位移曲线。对9组试样分别进行径向静刚度测试，测试得到的位移-载荷曲线如图5所示。

图5 径向静刚度

3.1.3 测试结果

在图5所示的径向刚度测试结果中，两条黑色实线为符合试样径向静刚度范围的上下公差。在实验所得到的9条位移-载荷曲线中，由曲线的形状可以看出，配方相同的试样，径向静刚度曲线的形状类似，并且位移-载荷曲线非常接近。这表明配方是径向静刚度的主要影响因素；试样4、试样5、试样6的曲线完全分布在上下公差带之内，并未和上下公差范围交叠，表明配方2所制的试样均符合径向静刚度条件；试样3、试样7、试样8、试样9的曲线和上下公差带发生了交叠，表明其试样难以满足复杂加载条件下的径向静刚度要求；试样1、试样2的曲线完全分布在上下公差带以外，表明其试样不满足样品的径向静刚度需求。

表1 金属与橡胶粘接件的试验分析

3.2 轴向静刚度测试

3.2.1 实验设备

该测试使用MTS831.50 (25KN) 700Hz弹性体测试系统。

3.2.2 测试方法

在实验中，轴向加载速度为5mm/min，载荷从0N加载到5KN，循环3次，结束后静止90秒，预加载200N，设备调零。轴向再以5mm/min的速度从0N加载到11KN，记录5KN处位移并保存好载荷-位移曲线。对9组试样分别进行轴向静刚度测试，测试得到的位移-载荷曲线如图6所示。

图6 轴向静刚度

3.2.3 测试结果

在图6所示的轴向刚度测试结果中，两条黑色实线为符合试样轴向静刚度范围的上下公差。在实验所得到的9条位移-载荷曲线中，曲线的形状表明，配方相同的试样，轴向静刚度曲线的形状类似，并且位移-载荷曲线非常接近，这表明配方是轴向静刚度的主要影响因素；试样4、试样5、试样6、试样7，试样8，试样9的曲线完全分布在上下公差带之内，并未和上下公差范围交叠，这表明配方2，配方3所制的试样均符合轴向静刚度条件；试样1、试样2、试样3的曲线完全分布在上下公差带以外，这表明其试样不满足样品的轴向静刚度需求。

4 结论

径向静刚度和轴向静刚度测试数据图表明，铝合金的表面处理方式对其影响不大，胶料配方是影响其性能的主要因素。配方2制备的橡胶衬套满足标准要求，性能较佳。

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