不同炭黑在汽車發(fā)動機懸置中的應用研究

田中龍

（上海眾力投資發(fā)展有限公司，上海 201506）

發(fā)動機是汽車的核心部分，發(fā)動機懸置承受汽車行駛過程中作用于動力總成上的所有動態(tài)力，穩(wěn)固和支撐動力總成；隔離由發(fā)動機激勵而引起的車架或車身的振動及高頻噪聲以及由車輪受路面沖擊而引起的車身振動向動力總成的傳遞[1-2]。當發(fā)動機啟動/停止、汽車加、減速等瞬態(tài)工況以及各種干擾力（如地面顛簸）的情況下，懸置應能有效限制動力總成的最大位移，避免動力總成與周邊零部件發(fā)生干涉。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，汽車特別是轎車的駕乘舒適性受到關注。當前越來越多的主機廠重視駕乘舒適性，追求更好的噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）性能及更小的動靜剛度比。在懸置結構一定的情況下，一般通過優(yōu)化配方和降低膠料硬度來達到目標。

炭黑是減震橡膠制品用重要填料，對膠料的彈性模量（剛度）、滯后損失、疲勞和蠕變影響較大。Payne效應主要來自填料網(wǎng)絡的變化與破壞。更低的損耗因子和模量損失會降低膠料的動靜剛度比，提高動態(tài)疲勞后的剛度保持率，抗蠕變性能更佳。

本工作重點研究常用的高耐磨爐黑（炭黑N330）、快壓出爐黑（炭黑N550）、非污染高定伸半補強爐黑（炭黑N774）及非污染低定伸半補強爐黑（炭黑N762）對懸置性能的影響，為懸置膠料的配方設計優(yōu)化提供參考，以獲得更好的性能和使用功效。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號SVR-3L，越南平富橡膠廠產(chǎn)品；炭黑N330，N550，N774和N762，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品；環(huán)烷油，上海金濤潤滑油廠產(chǎn)品；活性氧化鋅，臺翔橡膠（深圳）有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，臨井化學上海有限公司產(chǎn)品；防老劑Octamine，美國科聚亞公司產(chǎn)品；防老劑4010NA，中國石化南京化學工業(yè)有限公司產(chǎn)品；微晶蠟，美國Eatachem公司產(chǎn)品；硫黃，牌號S-80，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；抗硫化返原劑，牌號SPchem BDH，青島先步橡塑新材料有限公司產(chǎn)品；促進劑DPTT和NOBS，濮陽蔚林化工股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

試驗配方如表1所示。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

3 L捏煉機和KL-9型開煉機，佰弘機械（上海）有限公司產(chǎn)品；80 t平板硫化機和80 t橡膠注壓機，宜興市精誠橡膠機械有限公司產(chǎn)品；LX-A（C）型硬度計，無錫市前洲測量儀器廠產(chǎn)品；TCS-2000型電子拉力機，高特威爾檢測儀器有限公司產(chǎn)品；401B型熱空氣老化試驗箱，上海實驗儀器廠有限公司產(chǎn)品；DMA50型動態(tài)熱機械分析（DMA）儀，法國麥特韋伯公司產(chǎn)品；MTS 831型彈性體性能測試系統(tǒng)和MTS 6CH型彈性體疲勞測試系統(tǒng)，美國MTS系統(tǒng)公司產(chǎn)品；RMT-D1型電子式高溫持久蠕變試驗機，珠海市三思泰捷電氣設備有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料分2段混煉。一段混煉工藝為：在3 L捏煉機中加入NR，塑煉40 s后加入氧化鋅、硬脂酸、微晶蠟和防老劑，混煉60 s后加入炭黑和油料，混煉120 s，提壓砣、壓壓砣，混煉140 s，排膠（溫度130～140 ℃），停放12 h以上。二段混煉工藝為：在3 L捏煉機中加入一段混煉膠、抗硫化返原劑、硫黃和促進劑，混煉180 s后排膠，在開煉機上薄通3次，下片，停放備用。

膠料在平板硫化機上硫化，試片硫化條件為155 ℃×8 min，柱形試樣硫化條件為155 ℃×10 min。

懸置在橡膠注壓機上硫化，硫化條件為155℃×12 min。

1.5 性能測試

硬度按照GB/T 531.1—2008進行測試；拉伸性能按照GB/T 528—2009進行測試；耐熱老化性能按照GB/T 3512—2014進行測試；動態(tài)力學性能按照GB/T 9870.1—2006進行測試，溫度掃描條件：溫度范圍 30～100 ℃，動態(tài)振幅 0.25%，靜態(tài)應變 2%，頻率 10 Hz；靜剛度按照JIS K 6385：2012進行測試；動剛度按照JIS K 6394：2007進行測試；疲勞試驗按照JIS K 6385：2012和JIS K 6394：2007進行；蠕變試驗按照長城汽車公司標準Q/CC SY853—2014進行。

2 結果與討論

2.1 炭黑性能

資料顯示：炭黑N330是一種高補強型炭黑，能賦予膠料較高的強度和較好的耐磨性能；炭黑N550，N762和N774都具有中等補強作用；炭黑N550的補強效果比其他軟質(zhì)炭黑好，炭黑N550填充膠料的耐磨性能甚至優(yōu)于槽法炭黑填充膠料；炭黑N762填充膠料的電阻率比炭黑N774填充膠料高3倍以上，彈性好，生熱低；炭黑774填充膠料的工藝性能好，因此可以高用量使用[3]。

4種炭黑的主要性能參數(shù)如表2所示。DBP吸收值越大，說明炭黑結構度越高[3]。

表2 4種炭黑的主要性能參數(shù)

由表2可知：炭黑N330的粒徑較小，吸碘值和比表面積較大；炭黑N330和N550的DBP吸收值較大，結構度較高；炭黑N762和N774的粒徑較大，吸碘值、比表面積和DBP吸收值均較小，二者比表面積相同，炭黑N762結構度比炭黑N774略低。

2.2 物理性能

膠料的物理性能如表3所示。

表3 膠料的物理性能

從表3可以看出：炭黑N330填充膠料的硬度較大，炭黑N774和N762填充膠料的硬度較?。惶亢贜330填充膠料的拉伸強度稍高，這主要是因為炭黑N330粒徑小、結構度高、比表面積大。NR屬于結晶性橡膠，拉伸時可產(chǎn)生結晶而具有自補強性，而且生膠強度較高，因此炭黑對NR的補強作用不明顯，特別是在炭黑填充量不大的情況下，不同結構炭黑的補強效果差異不大[4]。炭黑N762填充膠料的拉斷伸長率較高。炭黑N762和N774填充膠料的壓縮永久變形較小，這主要是由于2種炭黑的結構度低、粒徑大、滯后損失小。4種炭黑填充膠料的耐熱老化性能差異不大。

2.3 動態(tài)力學性能

4種炭黑填充膠料的動態(tài)力學性能分別如圖1—4所示，動態(tài)力學性能參數(shù)如表4所示。其中，E′為彈性模量，tanδ為損耗因子。

從圖1—4和表4可以看出：按膠料初始模量從大到小排列的炭黑依次為炭黑N330、炭黑N550、

圖1 炭黑N330填充膠料的動態(tài)力學性能

圖2 炭黑N550填充膠料的動態(tài)力學性能

圖3 炭黑N774填充膠料的動態(tài)力學性能

圖4 炭黑N762填充膠料的動態(tài)力學性能

表4 不同炭黑填充膠料的動態(tài)力學性能參數(shù)

炭黑N774、炭黑N762；按膠料模量損失從小到大排列的炭黑依次為炭黑N762、炭黑N550、炭黑N774、炭黑N330；按膠料100 ℃時的tanδ從小到大排列的炭黑依次為炭黑N762、炭黑N774、炭黑N550、炭黑N330；炭黑N762填充膠料的初始模量、模量損失及tanδ最小；炭黑N330填充膠料的初始模量、模量損失及tanδ最大。在炭黑用量相同的情況下，炭黑的粒徑越小，膠料的E′越大；炭黑粒徑大、比表面積小、結構度低，膠料的生熱越低、tanδ越小[5-6]。

2.4 懸置動靜剛度

選擇長城汽車某發(fā)動機右懸置（見圖5）進行動靜剛度試驗。動靜剛度指標要求為：動剛度（Z向） ≤289.5 N·mm-1，靜剛度（Z向）（±15%）193（164.05～221.95） N·mm-1，動靜剛度比≤1.5。懸置動靜剛度試驗結果如表5所示。

圖5 發(fā)動機右懸置

表5 懸置動靜剛度試驗結果

從表5可以看出：采用4種炭黑的懸置的靜剛度均在公差范圍內(nèi)；采用炭黑N330的懸置的動剛度和動靜剛度比不符合指標要求；按懸置的動剛度和動靜剛度比從大到小排列的炭黑依次為炭黑N330、炭黑N550、炭黑N774、炭黑N762，與DMA分析的初始模量趨勢相同。在一定振幅和頻率條件下DMA分析得到的模量為動態(tài)模量，其也可以直觀地反映動剛度。

懸置的剛度（膠料的E′）主要用炭黑等填料進行調(diào)節(jié)，加入炭黑通常會增大低阻尼橡膠的E′和tanδ[7]，而且膠料的E′和tanδ隨著炭黑用量的增大而增大，隨振幅的增大而增大。在炭黑用量相同的條件下，炭黑粒徑越小，補強效果越好，膠料的E′越大，炭黑粒徑對懸置剛度的影響也更明顯。炭黑N762的粒徑大、比表面積小、結構度低，懸置的動靜剛度比小。

2.5 懸置耐疲勞性能

懸置動態(tài)疲勞試驗至疲勞100萬次時停止，檢查懸置外觀是否有損壞，懸置停放24 h后測試靜剛度，結果如表6所示。

從表6可以看出，按懸置疲勞后靜剛度變化率絕對值從小到大排列的炭黑順序為炭黑N762、炭黑N774、炭黑N550、炭黑N330。疲勞是一種力學過程，橡膠在往復形變下產(chǎn)生應力松弛，往往在形變周期內(nèi)來不及完成，從而產(chǎn)生模量損失，損失的模量轉化為熱能，對膠料的耐疲勞性能產(chǎn)生影響。炭黑粒徑越小，對膠料的耐疲勞性能越不利，因為炭黑粒徑越小，更容易在橡膠中形成局部應力集中，在往復形變下造成橡膠分子鏈斷裂，硫化膠的初始結構被破壞，物理性能降低[6]。炭黑N762粒徑大、比表面積小、結構度低，其填充膠料的拉斷伸長率高，生熱低，動態(tài)疲勞后剛度損失小。

表6 懸置疲勞試驗結果

2.6 懸置耐蠕變性能

蠕變是指在恒定作用力和一定溫度下，材料形變隨時間延長而逐漸增大的過程，這種形變難以恢復。炭黑對橡膠的蠕變有一定影響，通常增大炭黑用量會增大損耗角。在炭黑用量一定的條件下，隨著炭黑粒徑增大，膠料的蠕變量減小，因此要獲得小蠕變量時需使用大粒徑炭黑[8]。

懸置蠕變試驗溫度為100 ℃，時間為500 h，預載荷為1 080 N（與懸置靜剛度試驗預載荷相同）。試驗結果表明，采用炭黑N330，N550，N774，N762的懸置的蠕變量分別為2.23，1.70，1.45，1.42 mm，按蠕變量從小到大排列的炭黑順序為炭黑N762、炭黑N774、炭黑N550、炭黑N330。炭黑N330結構度高，粒徑小，膠料的tanδ大，耐蠕變性能較差。炭黑N762和N774由于粒徑大、結構度低，膠料的tanδ小，蠕變量較小。

3 結論

通過4種炭黑在汽車發(fā)動機懸置中的試驗對比，可得出以下結論。

（1）炭黑的粒徑、結構度和比表面積影響膠料的硬度、拉伸強度、動態(tài)力學性能和剛度。炭黑N330粒徑小、結構度高、比表面積大，其填充膠料的硬度、拉伸強度、E′及動靜剛度均高于其他3種炭黑填充膠料。但對于結晶型、自補強性較好的NR，炭黑品種對膠料拉伸強度的影響差異不大。

（2）不同炭黑對于膠料的耐熱老化性能影響不大，對壓縮永久變形和蠕變量有一定影響。采用粒徑大、結構度低的炭黑有利于減小膠料的tanδ、壓縮永久變形及蠕變量。

（3）采用粒徑小、比表面積大、結構度高的炭黑，懸置的動靜剛度和tanδ增大，動剛度增幅更大導致動靜剛度比增大，不利于車輛的NVH特性。

（4）炭黑的粒徑和結構度對懸置的耐疲勞性能有較大影響，采用粒徑大、結構度低的炭黑有利于提高懸置的耐疲勞性能。

綜上所述，汽車發(fā)動機懸置橡膠中應使用粒徑大、比表面積小、結構度低的炭黑，其能賦予懸置更小的動靜剛度比和蠕變量以及較低的動態(tài)疲勞后剛度損失，特別適用于低硬度的NR膠料，炭黑用量不大，有利于低剛度懸置的配方設計。