某副車架橡膠襯套潛在的失效特性及改進(jìn)方案

王朝建，韓兆東，蔡曉宇

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；

2.安徽中鼎減振橡膠技術(shù)有限公司，安徽 寧國(guó) 242300）

某副車架橡膠襯套潛在的失效特性及改進(jìn)方案

王朝建1,2，韓兆東1，蔡曉宇2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；

2.安徽中鼎減振橡膠技術(shù)有限公司，安徽 寧國(guó) 242300）

在現(xiàn)代汽車技術(shù)中，橡膠襯套的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)車輛NVH性能的影響越來(lái)越重要。但在使用過(guò)程中，橡膠襯套的檢查和維護(hù)極其不便，直到發(fā)生斷裂后經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查才能知道，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。文章對(duì)某副車架橡膠襯套潛在的失效模式及機(jī)理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)進(jìn)行現(xiàn)行過(guò)程控制預(yù)防，對(duì)提高橡膠襯套的使用壽命，具有非常重要的意義。

橡膠襯套；失效模式；機(jī)理；改進(jìn)方案

CLC NO.:U463.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)02-89-03

前言

完成副車架與車身的連接是橡膠襯套的主要功能之一，副車架橡膠襯套的軟硬度對(duì)汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)特性有很大影響，頻繁振動(dòng)引起的疲勞破損也是橡膠襯套潛在的失效模式之一。如果把副車架橡膠襯套設(shè)計(jì)的較軟，則能很好地減小汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，但過(guò)軟的副車架橡膠襯套會(huì)在高速轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生較大的運(yùn)動(dòng)變形，導(dǎo)致輪胎定位的不準(zhǔn)確，從而降低了車輛行駛的操縱穩(wěn)定性[1]。較硬的副車架橡膠襯套會(huì)使連接剛度大大增加，但是減振降噪的效果卻十分有限。軟硬度對(duì)橡膠襯套的失效

模式也有重要影響。

由于車輛行駛工況復(fù)雜多變，加之橡膠襯套工作位置的限制，使得橡膠襯套的檢查和維護(hù)極其不便，破壞程度不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。文章在大量試驗(yàn)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)某副車架襯套潛在的失效模式及后果進(jìn)行分析。

1、潛在失效模式及后果分析

1.1 過(guò)程功能及要求

在各種惡劣的工作環(huán)境中橡膠襯套要承受振動(dòng)、腐蝕和摩擦來(lái)保護(hù)其他部件，但其自身的使用壽命會(huì)大大降低。裝配過(guò)程中，襯套總成有其嚴(yán)格的要求；使用過(guò)程中，襯套總成及各子部件分別發(fā)揮不同的作用。

圖1為兩個(gè)橡膠襯套安裝到一起的橡膠襯套總成實(shí)物圖。

(1) 總成：連接作用，裝配在后副車架中，將副車架和車身進(jìn)行連接；緩沖限位作用，裝配在后副車架中，限制副車架運(yùn)動(dòng)的位移；減振作用，降低后車架剛性連接產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。

(2) 橡膠彈性體：要求橡膠體在壽命周期內(nèi)不發(fā)生開裂，起到緩沖吸振作用。

(3) 內(nèi)套：連接作用，將襯套連接在車身上。

(4) 外套：連接作用，使襯套與副車架連接起來(lái)；導(dǎo)向作用，使襯套空心方向和整車坐標(biāo)X方向保持一致。

(5) 粘合劑：選擇合理的粘合劑，提供橡膠與金屬之間良好的粘結(jié)。

1.2 潛在失效模式及后果

(1) 總成：總成零件脫落，導(dǎo)致副車架和車身脫離，副車架喪失功能；產(chǎn)品剛度不合格，導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)帶來(lái)較大的變形，進(jìn)而導(dǎo)致輪胎定位不準(zhǔn)，降低了汽車的操縱性；剛度曲線不符合設(shè)計(jì)要求（曲線的拐點(diǎn)位置提前或滯后），導(dǎo)致負(fù)載性和乘坐舒適性差，橡膠產(chǎn)生碰撞噪聲。

(2) 橡膠彈性體：橡膠彈性差，導(dǎo)致舒適性和操控性差；橡膠彈性體有破損，導(dǎo)致襯套總成耐久性差，功能失效；橡膠體有裂口，導(dǎo)致舒適性和操控性差。

(3) 內(nèi)套：螺栓無(wú)法穿過(guò)內(nèi)孔，無(wú)法裝配，導(dǎo)致客戶停產(chǎn)；使用壽命期內(nèi)，螺栓發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致螺栓裝配扭矩?zé)o法達(dá)到裝配要求。

(4) 外套：襯套從副車架中松動(dòng)或脫落，導(dǎo)致車身與副車架進(jìn)行碰撞，產(chǎn)生異響；襯套無(wú)法定位X、Y方向，影響整車的操控性和舒適性。

(5) 粘合劑：粘合劑粘結(jié)不良，導(dǎo)致橡膠體與金屬支架脫落。

2、潛在失效機(jī)理分析

找出零部件潛在的失效機(jī)理對(duì)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中控制相應(yīng)的失效模式極其重要，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，大大降低生產(chǎn)和維護(hù)成本。下面對(duì)橡膠襯套總成及各子部件潛在的失效機(jī)理進(jìn)行分析。

(1) 總成：襯套外套裝配外徑尺寸小；橡膠膠料設(shè)計(jì)不合理；橡膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，限位過(guò)遠(yuǎn)，使性能曲線拐點(diǎn)提前；橡膠彈性體的結(jié)構(gòu)和輪廓設(shè)計(jì)不合理。

(2) 橡膠彈性體：襯套或模具設(shè)計(jì)不合理；橡膠體倒角設(shè)計(jì)過(guò)小或無(wú)倒角，造成應(yīng)力集中，疲勞時(shí)易發(fā)生膠體開裂；橡膠體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，造成應(yīng)力集中，疲勞時(shí)易發(fā)生膠體開裂。

(3) 內(nèi)套：內(nèi)套的內(nèi)孔設(shè)計(jì)不合理；內(nèi)套的支撐強(qiáng)度不夠，當(dāng)螺栓緊固時(shí)，內(nèi)套發(fā)生了屈服。

(4) 外套：襯套外徑尺寸設(shè)計(jì)太小；外套未設(shè)計(jì)定位邊。

(5) 粘合劑：粘合劑選擇不合理。

其中橡膠減振體對(duì)提高車輛的NVH性能有著不可忽視的作用。橡膠減振元件的應(yīng)用日益廣泛，因?yàn)槠涮匦耘c一般金屬材料有很大差異，橡膠材料

受力變形過(guò)程復(fù)雜。它的變形伴隨著大應(yīng)變，應(yīng)變可達(dá)百分之幾百、大位移；而橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變呈高度的非線性關(guān)系，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜。此外，在變形過(guò)程中材料體積近似不可壓縮或完全不可壓縮是橡膠材料的另一個(gè)顯著特點(diǎn)。加之橡膠的力學(xué)行為對(duì)環(huán)境、溫度、加載速率及應(yīng)變歷史十分敏感，這樣就使得描述橡膠的行為更加復(fù)雜。然而，利用有限元分析軟件完成橡膠襯套的非線性分析，可以大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。

3、現(xiàn)行過(guò)程控制預(yù)防及疲勞破損問(wèn)題分析

3.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

通過(guò)設(shè)計(jì)橡膠襯套的特性可以緩解其他部件傳來(lái)的振動(dòng)和沖擊，確保操縱穩(wěn)定性[2]。在掌握該襯套潛在失效模式及機(jī)理的基礎(chǔ)上，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)這些因素進(jìn)行逐一控制。

(1) 總成：對(duì)襯套外套外徑尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)；從橡膠材料庫(kù)選擇成熟配方；通過(guò)有限元分析（FEA）模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2) 橡膠彈性體：從橡膠材料庫(kù)選擇成熟配方；規(guī)定橡膠倒圓角，不允許橡膠交接處有尖角；通過(guò)FEA模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3) 內(nèi)套：和主機(jī)廠進(jìn)行溝通，獲知裝配螺栓的信息；設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)螺栓扭緊力矩進(jìn)行分析，增大內(nèi)套壁厚來(lái)提高其壓縮 變形的強(qiáng)度，或者采用屈服強(qiáng)度高的材料。

(4) 外套：增加襯套外徑尺寸；在外套設(shè)計(jì)定位導(dǎo)向的直邊。

(5) 粘合劑：選擇合理的粘合劑

3.2 改善疲勞壽命方案

在車輛正常行駛過(guò)程中，橡膠襯套的疲勞破損是經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題。影響疲勞破損的因素很多，如載荷施加、不同硫化體系、不同添加劑及工作環(huán)境等。應(yīng)從以下幾方面提高其疲勞壽命。

(1) 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免因設(shè)計(jì)不合理帶來(lái)的橡膠襯套的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且橡膠部分不應(yīng)有過(guò)渡的應(yīng)力和變形；另外，產(chǎn)品的膠料量注射要合理，不能太少，因?yàn)橄鹉z襯套在工作過(guò)程中承受交變重復(fù)大載荷時(shí)橡膠內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量熱量，膠料量多則熱容量也大，可延緩發(fā)生破損時(shí)間，也能提高減振性能。

(2) 在生產(chǎn)過(guò)程中，要提高金屬模具加工表面精度，避免硫化產(chǎn)品出現(xiàn)缺料的現(xiàn)象；避免產(chǎn)生氣泡，控制好排氣量、硫化時(shí)間和硫化溫度非常關(guān)鍵。

(3) 橡膠材料配方，配合劑的種類和數(shù)量對(duì)疲勞壽命的影響也很大；為減小大氣環(huán)境對(duì)橡膠制品的影響，橡膠材料中應(yīng)使用直徑小的填充劑顆粒。

(4) 工裝設(shè)計(jì)時(shí)，開設(shè)膠料模壓注孔位置時(shí)應(yīng)盡量減少型腔內(nèi)膠料流經(jīng)關(guān)鍵部位處的流動(dòng)量，即盡量減少關(guān)鍵部位的粘合劑流失，避免不必要的損失，并盡可能使各型腔同時(shí)充滿膠料。

此外，壓裝橡膠襯套的工裝也對(duì)橡膠襯套的使用壽命有很大影響，如果壓裝效果不良，橡膠容易損壞[3]。

襯套的使用范圍大，種類也比較多，要選擇合適的襯套，就必須考慮它的使用目的，不同的工況選擇不同型號(hào)的襯套。襯套選型中主要考慮的條件是襯套需承受的壓力、速度、壓力速度乘積及載荷性質(zhì)。另外，襯套是否有潤(rùn)滑、潤(rùn)滑的狀態(tài)也決定了它的使用效果和壽命。為了在襯套設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中就能提高其使用性能，應(yīng)根據(jù)不同工況綜合考慮各種影響因素，并結(jié)合有限元軟件進(jìn)行非線性分析。

4、結(jié)論

襯套在實(shí)際工作中起到的作用和它的應(yīng)用環(huán)境與目的有很大關(guān)系。文章對(duì)某汽車的副車架橡膠襯套潛在的失效模式、機(jī)理、現(xiàn)行過(guò)程控制預(yù)防及疲勞壽命問(wèn)題進(jìn)行分析。在大量的試驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出設(shè)計(jì)過(guò)程中橡膠襯套總成及各子部件的改進(jìn)方案，對(duì)提高橡膠襯套的疲勞壽命及其對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力有著非常重要的作用。

[1] 石少亮. 隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)下汽車副車架用橡膠襯套的力學(xué)特性分析[D]. 上海: 上海工程技術(shù)大學(xué). 2010;

[2] 余振龍, 具龍錫. 轎車懸架橡膠襯套結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[J]. 2009, (8): 34-35;

[3] 張珠江, 尤華勝. 副車架多用壓裝橡膠襯套工裝設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]. 2010, 56-57.

Study on Potential Failure Performance and Improving Scheme of Rubber Bushing of A Subframe

Wang Chaojian1,2, Han Zhaodong1, Cai Xiaoyu2

(1.Automobile & Transportation Engineering College, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001; 2.Anhui Zhongding NVH Co., Ltd., Anhui Ningguo 242300)

The rubber bushing is much more widely used than before in modern automotive engineering. Its influence on the Vehicle NVH Performance becomes more and more important. The Inspection and maintenance for the rubber bushing are extremely inconvenient during the process of using. It is hard to know what the problem is until we check and recheck after the rubber bushing is break which causes huge economic loss. This paper analyses the potential failure mode and the mechanism of the rubber bushing of a subframe, and then proposes some measures on the control and prevention. These measures are important in extanding the life span of the rubber bushing.

rubber bushing; failure mode; mechanism; improving scheme

U463.1

A

1671-7988(2014)02-89-03

王朝建，碩士，從事車輛檢測(cè)與診斷、車輛NVH研究。