橡膠發動機懸置耐低溫性能研究

李云華

（河北省汽車減震與密封條橡膠產品工程技術研究中心，河北 保定 072550）

發動機懸置是指汽車動力總成（包括發動機、離合器及變速器等）與車架或車身之間的彈性連接系統，其質量直接關系到發動機與車體之間的振動傳遞，影響整車的噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）及性能。好的懸置系統應當能夠充分減小發動機引起的振動和噪聲，延長零部件的使用壽命。發動機懸置的基本功能為：固定并支撐動力總成，承受動力總成內部因發動機旋轉和平移質量產生的往復慣性力及力矩；承受汽車行駛過程中作用于動力總成的一切動態力；隔離由于發動機激勵而引起的車架或車身振動；隔離由于路面不平度以及車輪受路面沖擊而引起的振動向動力總成傳遞。橡膠懸置可有效地隔離發動機的振動，這是由于橡膠的內摩擦遠大于金屬材料，故其能有效地衰減振動，使沖擊產生的衰減振動盡快停止。但橡膠是一種高分子材料，在載荷及一定溫度長時間作用下會發生蠕變，影響懸置使用壽命和減震效果。

天然橡膠（NR）具有彈性好、動態損失小和動靜比低等特點，是適用于發動機懸置的生膠之一，廣泛應用于汽車減震制品。然而，NR為結晶型橡膠，在低溫環境下分子間鏈段運動減弱，滯后角和動剛度增大，其制品減震性能下降。

本工作研究溫度對純膠發動機懸置和液封發動機懸置性能的影響、生膠和軟化劑對硫化膠低溫性能的影響以及耐低溫改進配方膠料在發動機懸置中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，煙膠片，牌號RSS3，泰國產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，北京燕山石油化工有限公司產品；凡士林（工業級）和芳烴油（牌號A4），卡博特化工有限公司產品；石蠟油，牌號R2291，北京艾迪爾助劑復合材料有限公司產品。

1.2 配方

生膠 100，炭黑 15，氧化鋅 5，硬脂酸2，防老劑 5，石蠟 3，軟化劑 5，硫化劑 2，促進劑 1.5。

1.3 主要設備和儀器

3 L型密煉機和Φ203 mm開煉機，廣東利拿機械有限公司產品；YM-RH300T-3000CC型注射硫化機，無錫陽明橡膠機械有限公司產品；831型1 000 Hz彈性體試驗機，MTS公司產品；XW-221型平板硫化機和MC010-LXS-A型邵氏硬度計，上海研潤光機科技有限公司產品；BY-260C型高低溫箱，北京明斯泰設備有限公司產品；DMA242E型動態機械熱分析儀，德國耐馳公司產品。

1.4 試樣制備

（1）混煉。一段混煉：密煉室初始溫度為40℃，加生膠混煉60 s→加氧化鋅等小料混煉120 s→加炭黑和軟化劑等混煉600 s（或達到125 ℃）→排膠；開煉機調整輥距至3 mm，混煉膠在開煉機上過輥6次→下片→停放24 h。

二段混煉：密煉室初始溫度為40 ℃，加入一段混煉膠，混煉60 s→加入硫化劑和促進劑混煉600 s（或達到125 ℃）→排膠；開煉機調整輥距至3 mm，混煉膠在開煉機上過輥6次→下片→停放16 h。

（2）物理性能測試試樣。在平板硫化機上進行硫化，條件為160 ℃×8 min。

（3）產品試制。在YM-RH300T-3000CC型注射硫化機上進行產品硫化，條件為（155～160）℃/19.6 MPa×12 min。

1.5 性能測試

動剛度和阻尼角（δ）檢測按照QCC/SY 050—2009《車用橡膠減震零部件動靜特性試驗方法》進行。

2 結果與討論

2.1 溫度對純膠發動機懸置性能的影響

分別采用某SUV純膠發動機懸置和液封發動機懸置（膠料配方的生膠為100份NR、軟化劑為5份凡士林）作為研究對象，研究低溫對發動機懸置動態特性的影響，試樣在試驗環境下停放48 h，剛度測試預載為1 053 kN，振幅為±0.3 mm。溫度對純膠發動機懸置動剛度和δ的影響分別如圖1和2所示。

由圖1和2可見，隨著溫度的降低，純膠發動機懸置剛度及δ均呈增大趨勢。這主要是因為低溫環境下NR逐漸結晶，且隨著溫度的降低結晶度增大，而隨著結晶度增大，橡膠材料模量增大即剛度增大，同時橡膠分子間鏈段運動減弱，滯后性增加，即δ增大。

圖1 溫度對純膠發動機懸置動剛度的影響

圖2 溫度對純膠發動機懸置δ的影響

溫度對液封發動機懸置動剛度和δ的影響分別如圖3和4所示。

由圖3可見，液封發動機懸置阻尼特性出現在11～13 Hz范圍，液封發動機懸置動剛度隨溫度降低呈增大趨勢，但在阻尼特性頻率段剛度增大趨勢較小，而在非阻尼特性頻率段隨溫度降低剛度增大趨于明顯。其原因為在非阻尼特性頻率段，剛度變化與NR低溫結晶性有關。

圖3 溫度對液封發動機懸置動剛度的影響

由圖4可見：在23 ℃時阻尼特性頻率段出現δ最大值，約25°；隨著溫度的降低，在阻尼特性頻率段δ減小，其他頻率段δ隨溫度降低呈增大趨勢。分析原因認為：在阻尼特性頻率段，阻尼液通過慣性通道在上下液室間往復運動，當液體流經慣性通道時，由于液體往復運動產生較大的能量損失，從而產生較大的阻尼，該阻尼大小與液體通過慣性通道的體積有關，而液體粘度影響液體單位時間內通過慣性通道的體積量；隨著溫度的降低，阻尼液粘度增大，故在阻尼特性頻率段隨溫度降低δ減小；隨著頻率的增大，慣性通道內慣性增大，液體來不及流動，阻尼特性減弱，此時阻尼增大是受NR特性，即低溫結晶性的影響[1]。

圖4 溫度對液封發動機懸置δ的影響

2.2 生膠和軟化劑對硫化膠低溫性能的影響

2.2.1 生膠

生膠對硫化膠低溫性能的影響如圖5所示。

由圖5可見，并用BR可以改善NR的低溫性能，且隨著BR用量的增大，硫化膠的低溫阻尼因子（tanδ）變化趨勢減小。硫化膠低溫性能主要取決于生膠的玻璃化溫度和結晶性，BR主鏈含有雙鍵，分子鏈柔順性好，玻璃化溫度低，為－109 ℃，低于NR的－72 ℃，故BR的并用可以改善NR的低溫性能[2]。

圖5 生膠對硫化膠低溫性能的影響

2.2.2 軟化劑

軟化劑對硫化膠低溫性能的影響如圖6所示。

圖6 軟化劑對硫化膠低溫性能的影響

由圖6可見：從常溫到－35 ℃，空白試樣的tanδ變化趨勢最為明顯，而石蠟油試樣的低溫效果最好；在－20 ℃時凡士林和芳烴油試樣的tanδ變化趨勢趨于一致，即低溫性能較差；芳烴油與空白試樣低溫的tanδ接近；在－30 ℃以下凡士林試樣的tanδ變化趨勢較芳烴油試樣緩和。

軟化劑對硫化膠低溫性能的影響因素主要為軟化劑的傾點，傾點越低則低溫性能越好，如試驗用芳烴油的傾點為13 ℃，而石蠟油傾點為－18 ℃，故選用石蠟油作為軟化劑的硫化膠性能在常溫至－35 ℃時表現最為優異；另外，對于結晶性NR而言，含有大分子的軟化劑能有效抑制硫化膠的結晶性，即增大橡膠分子鏈之間的距離，降低分子鏈之間的相互作用，提高橡膠分子鏈的柔性，降低NR的結晶溫度和玻璃化溫度[3]。

2.3 耐低溫改進配方膠料在發動機懸置中的應用

采用并用比為70/30的NR/BR并用膠、軟化劑為5份石蠟油的配方，與原配方（生膠為100份NR、軟化劑為5份凡士林）進行純膠純膠發動機懸置產品制作并對比常溫、－20及－40 ℃下剛度和δ。具體結果如圖7和8所示。

由圖7和8可見，膠料配方中NR并用BR及使用低傾點軟化劑可以有效改善發動機懸置在低溫環境下的剛度和阻尼穩定性，提升發動機懸置的低溫性能，改善在寒冷地區整車NVH性能，提升駕乘人員的舒適性。

圖7 膠料配方改進對純膠發動機懸置動剛度的影響

3 結論

（1）隨著溫度的降低，純膠發動機懸置剛度和δ均增大，懸置減震效果降低。

（2）對于液封發動機懸置，溫度降低則剛度增大，但在阻尼特性頻率段δ減小。

（3）NR與BR并用可以改善硫化膠的低溫性能，軟化劑傾點直接影響硫化膠的低溫性能，傾點越低則硫化膠的低溫性能越好。

（4）生膠采用NR/BR并用膠、軟化劑采用石蠟油的純膠發動機懸置，低溫穩定性能改善，其在寒冷地區仍具有優異的減震性能。

圖8 膠料配方改進對純膠發動機懸置δ的影響