汽车用典型减震橡胶制品结构设计基础

1.发动机悬置

1.1普通标准结构

发动机悬置的工作状况如下:发动机是通过发动机悬置与车身相连接,发动机与车身之间发动机是振动源车身是防振对象,这就要求发动机悬置的性能为:能够有效地吸收振动,降低振动的传导率,避免将发动机的振动传递到车身,发动机工作时振动频率与振幅有如下关系,在低频振动时振幅较大,高频振动时振幅较小,因此对发动机悬置则要求在发动机低频振动区域有较大的损耗系数,以便能够迅速将大的振幅消减下来,而在发动机高频振动区域有较小的动刚度, 以便能够更好地吸收发动机的振动降低振动的传导率.

通过近几十年的研究开发,一些形状结构被确定为基础设计,实际使用的发动机悬置大部分是在这些结构基础上的改型和调整.如图13-1所示,发动机的前悬置大多采用这种压缩/剪切结构,一般情况三点支撑的发动机都是采用前端两点后端一点的支撑形式,且两发动机前悬置采用倾斜一定的角度对装,在工作中同时受到压缩和剪切载荷的作用.而发动机的后悬置大多采用如图13-2所示这种楔形座结构,这种楔形对称结构的悬置在工作中易受到压缩和剪切变形,同时当弹性体部分设计成平行四边形结构还可以消除悬置所受的弯曲应力,这种楔形悬置的三个方向的刚度可以由空间尺寸和角度来决定,为各方向的刚度调整提供了方便. 图13-3所示的是一种衬套式的发动机悬置,这种结构都是由内外金属套管和橡胶硫化成型在一起的,它能实现较大的径向与轴向刚度比.

⑴发动机前悬置　　　　　⑵发动机后悬置　　　　⑶衬套式发动机悬置

图13 发动机悬置常用标准结构型式

以上这些发动机悬置都是属于常规的普通结构形式,对于在发动机的减震性能上都存在一定的局限性,对发动机悬置要求的性能是:高频时低的动刚度,低频时高的阻尼系数,实际上这是一对相互的矛盾体,因为悬置的动刚度和损耗系数都是橡胶自身的固有特性且都是随振动频率的增大而增大,在提高其损耗系数时动刚度也会随之增大,因此作为一般的减震橡胶已无法满足发动机悬置的这一特殊要求.

1.2 液压悬置

下表是影响乘坐舒适性的因素与减震橡胶的要求特性的关系:

人们为了改善一般的减震橡胶性能,使之满足发动机悬置的高频时低的动刚度,低频时高的阻尼系数的这一特殊要求,采用了液体封入的结构形式,最早的液压悬置是德国大众于1979年开发的奥迪车用发动机液压悬置,现在这种液体封入技术已广范应用于汽车发动机悬置上. 发动机液压悬置从开始应用到汽车上至今主要经过了以下几个发展阶段.

1.2.1单通道结构液压悬置

发动机液压悬置发展的最初形式是如图14所示的单通道结构液压悬置,在液体封入前前,其性能与一般减震橡胶相似,当液体封入后, 液压悬置在低频振动区受到外力作用时,主体受压变形,压力传递到液体上,迫使液体从主液室向从液室流动,液体在通过通道时受到流动阻力,从而产生很大的损耗系数,使液压悬置在低频时具有较好的减震效果,当外加的振动频率等于液体的自身固有频率时,产生的损耗系数达到最大值.液体的自身固有频率与液封的结构及液体的性能有关:

图14 单通道液压悬置结构图

液体的固有频率满足下面关系:ωn2∽S0*(K1+K2)/(ρ*L0)

ωn: 液体的固有频率

S0: 流道的截面积

K1: 主体的动刚度

K2: 液室部的动刚度

ρ: 液体密度

L0: 流道的长度

液压悬置设计时应考虑到使液体的固有频率调整到与防震对象的频率一致,使得液封具有最佳的防振效果.

1.2.2双通道结构液压悬置

当外界施加的振动频率超过液体的固有频率后,液压悬置的动刚度有增大的趋势,这时动刚度就不能满足使用的要求,需要对液压悬置的结构进行改良,改良方法如图15所示,在开设低频通道的同时增设可动板结构(或叫解偶膜).发动机在各个不同的工作状态其振动频率与振幅情况分布如下:

汽车行驶时: 振动频率在10HZ左右,振幅在±0.5mm至±1mm;

发动机空转时: 振动频率在20HZ至40HZ,振幅在±0.1mm左右;

发动机产生噪音时: 振动频率在50—200HZ,振幅在0.1mm以下;

当汽车在正常行驶时振动频率低振幅较大,可动板的移动量大,能够把可动板附近的高频通道封住,此时液体只在低频通道中产生流动,由于通道的阻力产生较大的阻尼系数,有利于阻止发动机的振动传递到车身,提高减震效果.

图15 双通道液压悬置结构图

当发动机处在怠速空转时,振动频率高而振幅较小,因为液体的流动相对于外力存在一定的滞后性,致使液体无法跟随外加振动而流动,在低频通道中不会产生液体的流动,此时因振幅较小,可动板的移动量小,不能将可动板附近的高频通道封住,可动板运动时带动周围的液体运动,使得液压悬置的动刚度降低,从而改善液压悬置在高频时的减震性能.

1.2.3双通道带翼板结构液压悬置

当外界施加的频率超过50HZ时,可动板振动的滞后性也使它无法跟随外界的振动而振动时,可动板的结构效应达到极限,动刚度又会有增大的趋势,此时如图16所示,在主体上增加翼板使液压悬置在可动板的结构效应达到极限后,翼板能始终跟随主体振动而振动,能对液室中的液体起到搅拌作用,使得动刚度有所降低,来达到对高频噪音起到较好的防震效果.

图16 双通道带翼板液压悬置结构图

1.3发动机悬置最新设计介绍

1.3.1可转换装置

随着人们对汽车乘坐舒适性的的要求的不断提高,开始出现了可转换装置的悬置,实现动刚度和阻尼的要求可以转换,图17就介绍了一种可转化装置的悬置,在传统的液压悬置的主体和主液室间增加了一个附加膜,当发动机处在怠速空转时,附加膜和主体间的空气对降低小振幅的动刚度有一定的效果,当汽车行驶时,真空泵将空气全部吸出,附加膜直接和主体连在一起,整个装置就成了一个传统结构的液压悬置,实现在低频下的高阻尼作用.这样就可以随着发动机的信号,通过真空泵的开关,实现降低动刚度和增大阻尼间的随意切换.

图17 可转换装置液压悬置结构图

1.3.2主动装置

人们在新开发的产品中,有一种叫主动装置的悬置,这就意味着在运动中的零件可以对相关参数如阻尼和动刚度进行控制,以适合实际的行驶状态,主动意味着在短时间内这些参数可以调整. 图18就介绍了一种主动装置的悬置,在该结构中将通道壁设计成电极装置,通过对电极施加高电压,使得通道内的粘度增强,从而实现悬置从高弹性低阻尼的装态转变到高阻尼的装态,在这种主动装置中使用的液体主要是可导电硅油树脂,硅酸盐的悬浮液,但这些液体的长期稳定性不佳,在静置装态会出现沉定,这些沉定物不能在振动状态下分散,导致了液体不能达到长期稳定性,同时液室内的硅酸盐还产生研磨效果影响装置的耐久性.

图18 主动装置液压悬置结构图

2.减震器橡胶支架

减震器橡胶支架用于“麦克弗逊”式独立悬架的减震器支柱与车身之间的连接,如图19所示,此状态下底盘车轮是振动源.利用橡胶的作用将路面与车轮产生的振动通过作用迅速消减,防止振动通过底盘传递到车身.不仅可以缓和从地面传来的力对车身的冲击，提高乘坐的舒适性，还可以有效缓解减震器所受的侧向力,提高减震器的使用寿命.

图19 减震器橡胶支架的工作状态示意图

3.止动/缓冲块

止动/缓冲块主要是用于前后悬挂系统,在汽车行驶时车胎与路面产生振动,在这种状态下车身是防振对象,底盘是振动源,止动器的作用是用来缓和振动时的冲击,通过橡胶的阻尼特性将振动迅速消减,同时在遇到过大冲击时,防止车身动作过大而造成相关部件的损坏和金属间接触而产生噪音,在止动/缓冲块的设计时应考虑到静刚度和耐久性的要求,而对动刚度一般不作要求,为了提高耐久性应从结构和配方设计两方面考虑:①在结构设计时应使最大的体积压缩量控制在30%以内,如图20所示, 止动/缓冲块在自由状态时的橡胶体的高度是h,总体积是V0,在最大受压状态时橡胶体的高度被压缩了x,相对应的压缩体积是V1,这就要求V1/V0≤30%,X值一般是汽车厂根据实际装车使用状态提供的;②从配方设计时应考虑选用永久变形小的橡胶配方以提高其耐久性.

图20 止动/缓冲块压缩状态

4.联接衬套

橡胶衬套做为一种非常有效的连接元件,广范应用于汽车各零部件间的连接,按其在汽车上使用部位主要可分为:①稳定杆衬套,②控制臂衬套,③拉杆衬套,④板簧衬套等;按制造方法和特性可分为以下几类:①纯橡胶的衬套,如图21所示;②只有内金属套的橡胶衬套,如图22所示;③有内、外金属套的橡胶衬套,如图23所示;其中内外套的衬套按其制造工艺又可分为①:内外套都粘接型;②内套粘接外套压入型;③内外套都压入型.

5.减震产品设计时应注意事项

5.1产品形状上:

5.1.1橡胶的角部及橡胶与金属连接处应有R过渡,在所有影响耐久性的位置都应考虑R过渡,避免应力集中提高产品的耐久性;

5.1.2结构上不能有模具难以加工的以及生产困难的部位;

5.1.3在骨架与橡胶的过渡处应考虑有适当的强制飞边,可以提高粘接性能避免粘合剂流出而污染模具;

5.1.4骨架与橡胶模具的配合性是否良好,骨架的尺寸精度应合理;

5.1.5形状上能否保证橡胶在成型时的压力,避免橡胶流出而造成粘接不良;

5.1.6保证模具内部最小厚度尺寸在2mm 以上,以免模具因强度不足而变形;

5.1.7产品的必要尺寸是否标注清楚;

5.1.8衬套类产品的后道加工方法是否明确;

5.2材料上:

5.2.1骨架的材料及热处理方法是否明确;骨架的强度要求是否明确;

5.2.2橡胶材料是否明确;

5.3性能特性上:

5.3.1相关部件的使用场合,尺寸及安装条件是否明确㈩

5.3.2动静刚度的测定条件范围是否明确;

5.3.3动静刚度的公差范围是否合理,减震橡胶一般为:±15%;

5.3.4在各方向上都有刚度要求时应明确主方向,主方向的刚度应明确公差,其他方向刚度公差应放宽;

5.3.5耐久试验条件是否明确(方向,载荷/位移,频率,耐久次数等)

5.3.6现有试验设备的能力是否满足;

6.橡胶混炼

为提高产品使用性能，改进工艺和降低成本，常在生胶中加各种配合剂，在炼胶机上将各种配合剂加入生胶制成混炼胶的过程称为混炼。混炼又分为粉碎、混入、分散、混合、塑化等几个阶段。粉碎是将较大块状配合剂粉碎成大小适当的细微颗粒，以便混入橡胶。混入是指在开炼机上包辊或密炼机有效区内将配合剂混入橡胶中。分散是混入橡胶后填料在机械力作用下被逐渐打碎成小颗粒的过程。混合是填料与其它配合剂均匀分布的过程。塑化是橡胶分子受机械化学作用而断链导致胶料粘度下降的过程。

6.1 配合体系:

6.1.1生胶:减震橡胶常用的生胶有:NR,SBR,BR,CR,EPDM,等

6.1.2硫化剂:减震橡胶一般常用的硫化剂为硫黄S(但CR除外一般采用过氧化物做为硫化剂),硫化剂的用量对橡胶的性能有很大影响,若硫化剂的配合量太少时,在橡胶硫化成型过程中,橡胶与粘接剂发生反应时,会使粘接剂中的硫化剂反渗到橡胶中,而造成橡胶与粘合剂发生反应产生的化学键不足,使粘接强度下降,若若硫化剂的配合量太多时,会造成硫化速度过快,T10过短,生产时胶料的安全性下降,一般情况下的减震橡胶硫化剂S的配合量在1.5—2份,这种配合量不会对生产造成太大的影响.

6.1.3促进剂:减震橡胶一般常用的促进剂为:CZ,NOBS,D,DM,M等,促进剂的选用原则是根据T10的长短,橡胶的硬度以及模具流道的长短,有时需根据生产的综合情况进行并用

6.1.4防老剂:在减震橡胶中应控制防老剂的配合量,因为防老剂会从橡胶中析出,而游离在橡胶的表面,将橡胶与粘合剂隔离开,造成粘接破坏或粘接强度下降,常用的防老剂有4010A,防老剂RD,防老剂A等.

6.1.5碳黑:减震橡胶中的碳黑选用主要考虑产品的耐久性和动倍率的平衡,一般情况碳黑的粒径越细其耐久性越好,但分散性差,动倍率高;碳黑的粒径越大其动倍率低,分散性好,但耐久性一般.

6.1.6油:减震橡胶中常用的油分为芳香烃油和环烷烃油,油的选用时主要考虑对动倍率和粘接性能的影响,环烷烃油对降低动倍率效果较好,但对粘接的性能影响较大,选用时需考虑综合性能的平衡.

7混炼方法

混炼分为开炼机混炼与密炼机混炼。开炼机混炼灵活机动性大，适合规模小、批量小的生产，开炼机混炼分为三个阶段，包辊、吃粉和翻炼。包辊随温度不同而改变，吃粉是应在辊缝上保持适当堆积胶，使配合剂尽快混入橡胶，在翻炼中补充加工方法有八把刀、三折四扭和三角包等，其目的为使一个胶料左右上下尽量翻匀，影响开炼机混炼的因素有装料容量、辊距、辊温、辊速比、加料顺序等。

密炼机混炼有劳动强度低、生产效率高等优点。影响密炼机混炼的工艺因素有装料容量、加料顺序、上顶栓压力、转子转速、混炼温度和混炼时间等因素。

混炼胶的冷却、停放和保管。目前冷却方法有空气冷却、水冷却、造料冷却。停放能使胶料均匀分散，减少胶料收缩率。

8.骨架前处理

骨架的前处理：是指骨架在涂粘接剂之前,对骨架进行预处理的过程,其作用是去除骨架表面的油脂或氧化层,提高粘接剂与骨架的粘接力.主要有脱脂,抛丸(喷砂),磷化等工艺方法.

8.1脱脂:是将工件浸入到极性溶剂或碱液中,使得工件在溶液中脱去附着在表面的油脂的过程,脱脂过程中主要需控制溶液的浓度,温度和脱脂的时间等工艺参数.

8.2抛丸(喷砂): 是将工件放入到喷砂室中,利用压缩空气将砂粒抛射或喷射到工件表面,将工件表面的氧化皮或锈迹等去除,使工件暴露出基体,便于后续的磷化处理;

8.3表调:表调的作用是调整工件表面的PH值,同时为磷化时提供磷化结晶所需的晶核,表调液的浓度必需加以控制,若浓度过高时提供的晶核过多,会导致磷化的晶粒直径偏小且磷化结晶会产生堆积,若浓度过低时提供的晶核过少,会导致磷化的晶粒直径偏大而易破碎.

8.4磷化:是将工件浸入到磷化槽液中,使得工件表面均匀地覆盖上一层磷酸锌结晶,该结晶层可以将金属基体与外界隔离而避免发生电极反应,从而使金属骨架的粘接性能和防锈性能大幅度地提高,磷化层最理想的状态应为均匀的一层磷酸锌粒状单结晶层,应尽量避免形成多层结晶叠加现象,从而导致结晶层受力破碎.

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