雙膠料襯套的設(shè)計與研究

陸偉強，俞 超

（寧波拓普集團股份有限公司，浙江 寧波 315800）

汽車懸架系統(tǒng)與車身連接的鉸接點上通常安裝有橡膠襯套，以作為柔性連接件滿足車輛減震降噪的需求[1]。該橡膠襯套一般包括外管、內(nèi)管和連接外管與內(nèi)管的環(huán)狀橡膠體，其主要作用是通過環(huán)狀橡膠體減少汽車行駛過程中傳遞給車身的震動，橡膠襯套性能的優(yōu)劣直接影響汽車底盤的NVH（噪聲、振動和聲振粗糙度的英文縮寫）效果和整車的操控性能，甚至影響到駕乘舒適性[2-4]。橡膠襯套環(huán)狀橡膠體采用單種膠料時，在各方向的阻尼性能相同，不能實現(xiàn)在整車的NVH方向（即X向）上提供低動靜剛度比和低阻尼性能，在整車操控性方向（即Y向）上提供高動靜剛度比和高阻尼性能；另外，在整車的Y向上受到較大沖撞力時，Y向的撞塊橡膠與主簧橡膠發(fā)生摩擦接觸，會發(fā)出沖撞異響，特別是在雨天環(huán)境下橡膠襯套表面有涉水時，摩擦異響更加明顯。

為避免單膠料襯套的上述缺陷，進行了以下設(shè)想：襯套主簧膠料保持單膠料襯套膠料強度高、耐久性能好的特點；撞塊膠料采用特殊配方，使之具有自潤滑功能，以減小表面摩擦因數(shù)[5]，消除摩擦異響，由此而得的自潤滑型雙膠料襯套結(jié)構(gòu)如圖1所示。

拖曳臂類襯套為高阻尼型雙膠料襯套，包括內(nèi)管和外管，內(nèi)管與外管之間設(shè)計有呈十字交叉的橡膠主簧和橡膠副簧，橡膠主簧和橡膠副簧分別由2個對稱設(shè)置的橡膠體組成，通過改變橡膠主簧膠料和橡膠副簧膠料的阻尼因數(shù)，可實現(xiàn)X向和Y向阻尼性能的調(diào)節(jié)，既保證X向上動靜剛度比低，又保證Y向上阻尼因數(shù)大，以實現(xiàn)優(yōu)異的駕乘舒適性[6]。高阻尼型雙膠料襯套的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1 不同類型襯套性能對比

乘用車底盤上的襯套分為單膠料襯套、雙膠料襯套[7-8]和液壓襯套[9-10]，以單膠料襯套的性能為基準，3種襯套的性能對比如表1所示。

表1 3種襯套的性能對比Tab.1 Performance comparison of three kinds of bushings

2 雙膠料襯套膠料配方設(shè)計

2.1 主簧膠料

主簧主要提供襯套主筋強度及X向剛度，對膠料的物理性能要求較高。生膠選用天然橡膠（NR，SCR5），活化體系采用常規(guī)的氧化鋅/硬脂酸體系，防護體系采用喹啉類防老劑/對苯二胺類防老劑/微晶蠟并用體系，補強劑采用快壓出炭黑，硫化體系采用常規(guī)硫黃硫化體系。

2.2 撞塊膠料

撞塊主要提供Y向剛度，并具備消除摩擦噪聲的功能，此外還要有較好的耐磨性能。生膠可選用NR（SCR5）/順丁橡膠（BR）并用體系，活化體系采用氧化鋅/硬脂酸體系，防護體系采用喹啉類防老劑/對苯二胺類防老劑/微晶蠟并用體系，補強劑采用高耐磨炭黑，硫化體系采用常規(guī)硫黃硫化體系，并添加內(nèi)潤滑劑。

2.3 副簧膠料

副簧主要提供Y向剛度和高阻尼性能，同時需要保證膠料的物理性能。生膠可選用鹵化丁基橡膠（XIIR）或NR（SCR5）/溶聚丁苯橡膠（SSBR）并用體系，活化體系采用氧化鋅/硬脂酸體系，防護體系采用喹啉類防老劑/對苯二胺類防老劑/微晶蠟并用體系，補強劑采用快壓出炭黑，硫化體系采用常規(guī)硫黃硫化體系。

3 雙膠料襯套膠料的性能

3.1 雙膠料襯套的動剛度理論

結(jié)合雷剛等[11-12]的襯套動態(tài)特性研究，雙膠料襯套使用時的運動過程可以看作兩根彈簧串聯(lián)（如圖3所示）與并聯(lián)（如圖4所示）疊加后在一定加載頻率下振動的過程，圖中A和B分別為主簧和撞塊膠料。

3.2 自潤滑型雙膠料襯套膠料的性能

3.2.1 動剛度

將自潤滑型雙膠料襯套中的主簧膠料和撞塊膠料分別制作成標準塊進行單膠料（單獨的主簧膠料和撞塊膠料）、雙膠料串聯(lián)和并聯(lián)情況下的動剛度測試，結(jié)果分別如圖5和6所示。

從圖5和6可見：無論是理論計算結(jié)果還是實際測試結(jié)果，主簧膠料和撞塊膠料以串聯(lián)方式聯(lián)接時的動剛度均小于2個單膠料的動剛度；以并聯(lián)方式聯(lián)接時的動剛度均大于2個單膠料的動剛度。

3.2.2 相位角

自潤滑型雙膠料襯套主簧膠料和撞塊膠料的單膠料、雙膠料串聯(lián)和并聯(lián)情況下的相位角測試結(jié)果分別如圖7和8所示。

從圖7和8可以看出，不管是理論計算結(jié)果還是實際測試結(jié)果，主簧膠料和撞塊膠料以串聯(lián)方式或并聯(lián)方式聯(lián)接時的相位角均介于2個單膠料的相位角之間。

3.3 高阻尼型雙膠料襯套膠料的性能

高阻尼型雙膠料襯套中高阻尼膠料生膠可選擇XIIR或SSBR/NR并用膠，再結(jié)合膠料的物理性能、與金屬的粘合性能以及動態(tài)性能等，最終確定合適的高阻尼膠料配方[13-15]。0～100 Hz頻率范圍內(nèi)高阻尼膠料動剛度和相位角的變化情況分別如圖9和10所示。

從圖9和10可以看出，與傳統(tǒng)的XIIR膠料相比，SSBR/NR并用膠的動剛度和相位角更大，在實際產(chǎn)品開發(fā)中具有更大的調(diào)配空間。

4 襯套制備

4.1 設(shè)備

雙料注射機比常規(guī)單料注射機多1套控制機構(gòu)，具有2套獨立儲料單元和注射系統(tǒng)：1套布置在機臺左側(cè)，與單料注射機基本一致，一般用于注射主簧膠料；另1套布置在機臺右側(cè)，位置較低，一般用于注射副簧膠料。雙料注射機如圖11所示。

4.2 模具

雙膠料襯套模具結(jié)構(gòu)比單膠料襯套模具復(fù)雜，需要在同一模具上設(shè)計2套相互分隔的膠料注射流道，一般主簧膠料從垂直方向進入型腔，副簧膠料從側(cè)面進入型腔，雙膠料襯套模具結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要防止2種膠料混淆，模具中2種膠料接合處封膠性要求高。雙膠料襯套和單膠料襯套模具注射點布置如圖12所示。

4.3 注射過程混料問題的解決

雙膠料襯套開發(fā)中最大的難點在于注射過程混料問題，為保證不混料，需控制好以下幾點。

（1）注意流道注射平衡，不同型腔間膠料量的差異必須控制在10%以內(nèi)。

（2）對2種膠料的初始門尼粘度加以控制，使二者的門尼粘度波動在其標準值的±5之內(nèi)。

（3）注射時間精準，通過調(diào)節(jié)注射單元參數(shù)，使得2種膠料在各個型腔內(nèi)同時完成注膠。

5 襯套性能

5.1 靜剛度、動剛度和相位角

雙膠料襯套（自潤滑型雙膠料襯套，下同）與單膠料襯套的靜剛度、動剛度和相位角對比如表2所示，測試振幅為0.4 mm、頻率為20 Hz。單膠料襯套膠料邵爾A型硬度為60度；雙膠料襯套主簧膠料邵爾A型硬度為60度，撞塊膠料邵爾A型硬度為70度（下同）。

從表2可以看出：單膠料襯套X向的靜剛度、動剛度和相位角已在客戶要求目標值的±10%范圍內(nèi)，但Y向的靜剛度和動剛度超出目標值±10%的范圍；雙膠料襯套X向和Y向的靜剛度、動剛度和相位角均在客戶要求目標值的±10%范圍內(nèi)，雙膠料襯套的剛度可調(diào)性具有較強優(yōu)勢。

表2 雙膠料襯套與單膠料襯套的靜剛度、動剛度和相位角Tab.2 Static stiffnesses，dynamic stiffnesses and phase angles of double compound bushing and single compound bushing

5.2 疲勞耐久性能

雙膠料襯套與單膠料襯套的耐疲勞性能對比如表3所示，耐疲勞性能按照美國通用汽車公司標準GMW 14504測試。

表3 雙膠料襯套與單膠料襯套的耐疲勞性能Tab.3 Fatigue resistances of double compound bushing and single compound bushing

從表3可以看出，與單膠料襯套相比，雙膠料襯套的耐疲勞性能明顯提高，這是因為雙膠料襯套的撞塊膠料采用了高硬度（邵爾A型硬度為70度）膠料，從而增大了Y向靜剛度，減小了膠料變形量，在襯套耐疲勞性能測試時，高硬度的撞塊膠料在Y向給主簧部分提供了更好的支撐。此外，雙膠料襯套X向主簧膠料與Y向自潤滑撞塊膠料之間的撞擊摩擦因數(shù)小于單膠料襯套，減小了主簧膠料與撞塊膠料之間的摩擦損耗，表現(xiàn)為雙膠料襯套的磨損情況與單膠料襯套相比得到改善。

5.3 降噪性能

采用多通道振動噪聲采集系統(tǒng)對比雙膠料襯套與單膠料襯套在灑水與不灑水的情況下的噪聲，襯套的聲壓-時間曲線如圖13和14所示，主簧膠料與撞塊膠料之間的往復(fù)摩擦噪聲的主觀評分（評分越高，噪聲越低）如表4所示，測試時Z向預(yù)載20 kN。

從圖13和14可以看出，與單膠料襯套相比，雙膠料襯套的聲壓明顯降低，噪聲消除效果明顯。

從表4可以看出，雙膠料襯套主簧膠料與撞塊膠料之間的往復(fù)摩擦噪聲主觀評分較高，能夠滿足客戶端目標8分以上的要求，極大地減少了客戶對噪聲的抱怨。

6 結(jié)論

（1）對傳統(tǒng)單膠料襯套進行創(chuàng)新設(shè)計的雙膠料襯套的主簧膠料保持原單膠料襯套膠料強度高、耐久性能好的特點，撞塊膠料或副簧膠料采用特殊配方減小膠料表面摩擦因數(shù)或提高阻尼性能，從而制備出自潤滑型和高阻尼型雙膠料襯套。

（2）自潤滑型雙膠料襯套的撞塊膠料在配方設(shè)計上生膠采用了NR/BR并用并添加了內(nèi)潤滑劑；高阻尼型雙膠料襯套的副簧膠料在配方設(shè)計上生膠采用了NR/SSBR并用。

（3）以自潤滑型雙膠料襯套的2種膠料制作標準塊，分別進行單膠料、雙膠料串聯(lián)和并聯(lián)情況下的動剛度和相位角測試，試驗得出與單膠料相比，雙膠料串聯(lián)和并聯(lián)時的動剛度和相位角更具調(diào)節(jié)性；對于高阻尼型雙膠料襯套，SSBR/NR并用膠比XIIR膠料具有更大的動剛度與相位角。

（4）雙膠料襯套需采用雙料注射機完成硫化，從模具、膠料和注射工藝進行優(yōu)化調(diào)整，精準控制各參數(shù)，可解決注射混料問題。

（5）成品性能測試表明，自潤滑型雙膠料襯套的動靜剛度可調(diào)性、耐疲勞性能和降噪性能均比單膠料襯套更具優(yōu)勢。