發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪減震圈配方設(shè)計(jì)優(yōu)化

駱楊

(重慶嘉龍密封件有限公司，重慶 401120)

發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪和曲軸輪總成為金屬內(nèi)圈、外圈，和中間減震圈。中間減震圈為橡膠層，其主要作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或者停止，以及加速或減速的時(shí)候起到緩沖隔振作用。這就需要橡膠層具有額定的固有頻率，規(guī)避共振現(xiàn)象，同時(shí)要具備良好的力學(xué)性能、抗蠕變性能，能抗拒內(nèi)外圈的相對(duì)位移。

因?yàn)槿冶鹉z具有優(yōu)異的耐熱、耐老化性能，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪減震圈主要采用三元乙丙橡膠作為主要的生膠。但三元乙丙橡膠具有成本相對(duì)較高、與金屬黏合較難的缺點(diǎn)。目前，天然橡膠具有相對(duì)較低的價(jià)格，并且與金屬的黏接性能好的特點(diǎn)，因此本項(xiàng)目以天然橡膠為生膠，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)配方設(shè)計(jì)，研究制備綜合性能較好的皮帶輪減震圈。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 配方設(shè)計(jì)思路

（1）膠種選擇：從膠料黏性上考慮選擇NR，煙膠和標(biāo)膠由于分子量大，加工較難和生熱相對(duì)高，故選擇SVR-3L。

（2）補(bǔ)強(qiáng)填充：由于天然橡膠自身機(jī)械性能較好，根據(jù)該產(chǎn)品的性能需求故選用通用炭黑N550，為了進(jìn)一步提高彈性和降低生熱，同時(shí)考慮成本，選擇搭配部分N774炭黑。

（3）軟化劑：軟化劑由于分子量小，起到內(nèi)部潤(rùn)滑作用，對(duì)疲勞性能有貢獻(xiàn)，但時(shí)對(duì)抗蠕變是不利的；綜合考慮到二次熱黏等因素，選取凡士林作為改善加工性和內(nèi)潤(rùn)滑劑。

（4）防老體系：由于采用二次熱黏工藝，不能使用噴出型物理防老劑，如微晶蠟；選用胺類(lèi)防老劑4010NA, 4020和RD、MB、BHT等并用。

（5）硫化體系：傳統(tǒng)硫化體系由于多硫鍵和硫環(huán)的存在對(duì)制品耐熱不利，而半有效、有效體系的耐熱性提高，在低交聯(lián)度下蠕變打，對(duì)產(chǎn)品的扭矩性能不利，交聯(lián)密度提升后達(dá)到高定伸但是會(huì)喪失強(qiáng)伸性能。本配方采用過(guò)氧化物與半有效體系并用的方式，既保證了耐熱程度，保證了足夠的強(qiáng)伸性能。同時(shí)對(duì)高溫返原現(xiàn)象的彌補(bǔ)，可大大提高橡膠圈的硫化效率。

1.2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇DCP、硫磺、TMTD為因素，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表見(jiàn)表1所示。其余組分和用料為： SVR-3L，100；N550，40；N774，20；氧化鋅，5；硬脂酸，2；凡士林，3；防老劑，5。

表1 正交試驗(yàn)因子-水平表

1.3 主要原材料

天然橡膠（SVR-3L）：越南；炭黑N550：卡博特、炭黑N774：卡博特、氧化鋅：99.5%、硬脂酸：800型，瀘天化、凡士林：韋伯力揚(yáng)化工、防老劑均來(lái)自圣奧化學(xué)。

1.4 主要設(shè)備

X(S)K-160型開(kāi)煉機(jī)和QLB-D400×400型電熱板硫化機(jī)，上海第一橡膠機(jī)械廠；P3555B2 型盤(pán)式硫化儀，北京環(huán)峰化工機(jī)械實(shí)驗(yàn)廠；XL-100型拉力試驗(yàn)機(jī)，廣州廣材實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；百分測(cè)厚儀，上海六菱儀器廠；401A型老化實(shí)驗(yàn)箱，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠。

1.5 試樣制作

取900 g天然膠在開(kāi)煉機(jī)上塑煉，達(dá)到一定的可塑度后，取下停放24 h，該塑煉膠用作為母煉膠。將母煉膠分成9份，取一份，將其包輥一分鐘后加入活性劑，防老劑，然后再加入炭黑和凡士林，待其吃粉完成后清掃料盤(pán)；最后加入硫化劑打卷3次下片停放。以此類(lèi)推完成剩余8個(gè)配方的混煉。取混煉膠放入試樣模具，置于硫化機(jī)內(nèi)在一定的硫化時(shí)間、溫度和壓力下完成硫化得到試樣，其中t90+1 min作為正硫化時(shí)間，硫化溫度為170 ℃，壓力為8 MPa。

1.6 試樣測(cè)試：

（1）拉伸強(qiáng)度測(cè)試：采用電子拉力試驗(yàn)機(jī)按GB/T528—2009測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率，拉伸速度為500 mm/min。

（2）熱老化性能：100 ℃×70 h熱老化采用401A型老化實(shí)驗(yàn)箱按GB/T3512—2014進(jìn)行。

（3）壓縮永久變形：100 ℃×22 h采用401A型老化實(shí)驗(yàn)箱按照GB/T7759.1—2015進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪減震圈需要承受反復(fù)擠壓、拉伸的作用，并且有相對(duì)較高的工作溫度，因此減震圈的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、熱老化性能和壓縮永久形技術(shù)指標(biāo)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪減震圈的使用壽命和發(fā)揮良好的工作性能有著重要的作用。本研究用天然橡膠取代價(jià)格高的三元乙丙橡膠，并考察了DCP、硫磺、TMTD三種不同的硫化劑并用對(duì)減震圈性能的影響，期望得到性?xún)r(jià)比高的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪減震圈。

在所考察的3個(gè)因素中，TMTD對(duì)減震圈混煉膠的拉伸強(qiáng)度影響最大，硫磺影響次之，DCP影響最小。制備拉伸強(qiáng)度較高的減震圈混煉膠的條件為：1.5份DCP，1.2份硫磺，0.5份TMTD。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DCP用量適中，混煉膠有相對(duì)較高的拉伸強(qiáng)度，硫磺用量相對(duì)多些對(duì)高拉伸強(qiáng)度更有利。

在熱氧老化過(guò)程，拉伸強(qiáng)度變化率越小，表明該混煉膠的耐熱氧老化性能越好。在所考察的3個(gè)因素中，DCP對(duì)減震圈混煉膠的拉伸強(qiáng)度熱氧老化影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。制備拉伸強(qiáng)度熱氧老化性能好的減震圈混煉膠的條件為： 1.5份DCP，0.8份硫磺，0.3份TMTD。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，DCP用量越多，硫磺用量越少，減震圈混煉膠耐熱氧化性能越好。這是因?yàn)椴捎肈CP硫化劑能生成穩(wěn)定的C—C或C—O—C鍵，而硫磺作為硫化劑生成的是熱不穩(wěn)定的S—S鍵。因此，通過(guò)配方設(shè)計(jì)，添加合適比例的DCP，達(dá)到改善天然橡膠的耐老化能力，從而取代耐老化性能好但價(jià)格高的三元乙丙橡膠。

在所考察的3個(gè)因素中，DCP對(duì)減震圈混煉膠的斷裂伸長(zhǎng)率影響最大，TMTD影響次之，硫磺影響最小。制備斷裂伸長(zhǎng)率較高的減震圈混煉膠的條件為： 1.0份DCP ，1.0份硫磺， 0.3份TMTD。同樣，分析減震圈混煉膠斷裂伸長(zhǎng)率耐熱氧老化最優(yōu)的條件為：1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD，影響最大的是DCP，其次是硫磺，TMTD。

壓縮永久變形指標(biāo)表征材料耐蠕變的能力，數(shù)值越小表示耐蠕變性能越好。對(duì)表2的壓縮永久變形結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，在所考察的3個(gè)因素中，DCP對(duì)減震圈混煉膠的壓縮永久變形影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。由表2中Pi值的比較可知，制備壓縮永久變形小的減震圈混煉膠的條件為：1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD。

表2 壓縮永久變形極差分析

當(dāng)1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD時(shí)，混煉膠壓縮永久變形性能最佳，此時(shí)，相對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度為22.0 MPa，拉伸強(qiáng)度熱氧老化變化率1.3%，斷裂伸長(zhǎng)率665.0%，斷裂伸長(zhǎng)率熱氧老化變化率-12.3%，均具有較優(yōu)的性能指標(biāo)。綜合以上分析，選擇1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD，即第5號(hào)實(shí)驗(yàn)配方。

3 結(jié)論

以天然橡膠為基材制備了用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪的減震圈。通過(guò)正交試驗(yàn)研究了減震圈混煉膠性能。

（1）在所考察的3個(gè)因素中，TMTD對(duì)減震圈混煉膠的拉伸強(qiáng)度影響最大，硫磺影響次之，DCP影響最小。DCP對(duì)減震圈混煉膠的拉伸強(qiáng)度熱氧老化影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。

（2）DCP對(duì)減震圈混煉膠的斷裂伸長(zhǎng)率影響最大，TMTD影響次之，硫磺影響最小。對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率熱氧老化影響最大的是DCP，其次是硫磺，TMTD。

（3）DCP對(duì)減震圈混煉膠的壓縮永久變形影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。

（4）經(jīng)綜合分析，選擇1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD作為最終配方，混煉膠具有較好的力學(xué)性能和耐熱氧化性能；減震圈具有較高扭矩，良好的黏接和動(dòng)態(tài)疲勞性能。

針對(duì)本文探討的個(gè)別結(jié)論，可能存在歧義，尤其是胺類(lèi)防老劑和DCP、硫磺三者之間的相互作用對(duì)整個(gè)膠料性能的影響不做深入探討。