發動機曲軸皮帶輪減震圈配方設計優化

駱楊

(重慶嘉龍密封件有限公司，重慶 401120)

發動機皮帶輪和曲軸輪總成為金屬內圈、外圈，和中間減震圈。中間減震圈為橡膠層，其主要作用是在發動機啟動或者停止，以及加速或減速的時候起到緩沖隔振作用。這就需要橡膠層具有額定的固有頻率，規避共振現象，同時要具備良好的力學性能、抗蠕變性能，能抗拒內外圈的相對位移。

因為三元乙丙橡膠具有優異的耐熱、耐老化性能，發動機曲軸皮帶輪減震圈主要采用三元乙丙橡膠作為主要的生膠。但三元乙丙橡膠具有成本相對較高、與金屬黏合較難的缺點。目前，天然橡膠具有相對較低的價格，并且與金屬的黏接性能好的特點，因此本項目以天然橡膠為生膠，通過正交實驗配方設計，研究制備綜合性能較好的皮帶輪減震圈。

1 實驗部分

1.1 配方設計思路

（1）膠種選擇：從膠料黏性上考慮選擇NR，煙膠和標膠由于分子量大，加工較難和生熱相對高，故選擇SVR-3L。

（2）補強填充：由于天然橡膠自身機械性能較好，根據該產品的性能需求故選用通用炭黑N550，為了進一步提高彈性和降低生熱，同時考慮成本，選擇搭配部分N774炭黑。

（3）軟化劑：軟化劑由于分子量小，起到內部潤滑作用，對疲勞性能有貢獻，但時對抗蠕變是不利的；綜合考慮到二次熱黏等因素，選取凡士林作為改善加工性和內潤滑劑。

（4）防老體系：由于采用二次熱黏工藝，不能使用噴出型物理防老劑，如微晶蠟；選用胺類防老劑4010NA, 4020和RD、MB、BHT等并用。

（5）硫化體系：傳統硫化體系由于多硫鍵和硫環的存在對制品耐熱不利，而半有效、有效體系的耐熱性提高，在低交聯度下蠕變打，對產品的扭矩性能不利，交聯密度提升后達到高定伸但是會喪失強伸性能。本配方采用過氧化物與半有效體系并用的方式，既保證了耐熱程度，保證了足夠的強伸性能。同時對高溫返原現象的彌補，可大大提高橡膠圈的硫化效率。

1.2 正交實驗設計

選擇DCP、硫磺、TMTD為因素，設計正交實驗表見表1所示。其余組分和用料為： SVR-3L，100；N550，40；N774，20；氧化鋅，5；硬脂酸，2；凡士林，3；防老劑，5。

表1 正交試驗因子-水平表

1.3 主要原材料

天然橡膠（SVR-3L）：越南；炭黑N550：卡博特、炭黑N774：卡博特、氧化鋅：99.5%、硬脂酸：800型，瀘天化、凡士林：韋伯力揚化工、防老劑均來自圣奧化學。

1.4 主要設備

X(S)K-160型開煉機和QLB-D400×400型電熱板硫化機，上海第一橡膠機械廠；P3555B2 型盤式硫化儀，北京環峰化工機械實驗廠；XL-100型拉力試驗機，廣州廣材實驗儀器有限公司；百分測厚儀，上海六菱儀器廠；401A型老化實驗箱，上海實驗儀器總廠。

1.5 試樣制作

取900 g天然膠在開煉機上塑煉，達到一定的可塑度后，取下停放24 h，該塑煉膠用作為母煉膠。將母煉膠分成9份，取一份，將其包輥一分鐘后加入活性劑，防老劑，然后再加入炭黑和凡士林，待其吃粉完成后清掃料盤；最后加入硫化劑打卷3次下片停放。以此類推完成剩余8個配方的混煉。取混煉膠放入試樣模具，置于硫化機內在一定的硫化時間、溫度和壓力下完成硫化得到試樣，其中t90+1 min作為正硫化時間，硫化溫度為170 ℃，壓力為8 MPa。

1.6 試樣測試：

（1）拉伸強度測試：采用電子拉力試驗機按GB/T528—2009測試拉伸強度、斷裂伸長率，拉伸速度為500 mm/min。

（2）熱老化性能：100 ℃×70 h熱老化采用401A型老化實驗箱按GB/T3512—2014進行。

（3）壓縮永久變形：100 ℃×22 h采用401A型老化實驗箱按照GB/T7759.1—2015進行。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果分析

發動機曲軸皮帶輪減震圈需要承受反復擠壓、拉伸的作用，并且有相對較高的工作溫度，因此減震圈的拉伸強度、斷裂伸長率、熱老化性能和壓縮永久形技術指標對發動機曲軸皮帶輪減震圈的使用壽命和發揮良好的工作性能有著重要的作用。本研究用天然橡膠取代價格高的三元乙丙橡膠，并考察了DCP、硫磺、TMTD三種不同的硫化劑并用對減震圈性能的影響，期望得到性價比高的發動機曲軸皮帶輪減震圈。

在所考察的3個因素中，TMTD對減震圈混煉膠的拉伸強度影響最大，硫磺影響次之，DCP影響最小。制備拉伸強度較高的減震圈混煉膠的條件為：1.5份DCP，1.2份硫磺，0.5份TMTD。通過對比發現，當DCP用量適中，混煉膠有相對較高的拉伸強度，硫磺用量相對多些對高拉伸強度更有利。

在熱氧老化過程，拉伸強度變化率越小，表明該混煉膠的耐熱氧老化性能越好。在所考察的3個因素中，DCP對減震圈混煉膠的拉伸強度熱氧老化影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。制備拉伸強度熱氧老化性能好的減震圈混煉膠的條件為： 1.5份DCP，0.8份硫磺，0.3份TMTD。通過對比發現，DCP用量越多，硫磺用量越少，減震圈混煉膠耐熱氧化性能越好。這是因為采用DCP硫化劑能生成穩定的C—C或C—O—C鍵，而硫磺作為硫化劑生成的是熱不穩定的S—S鍵。因此，通過配方設計，添加合適比例的DCP，達到改善天然橡膠的耐老化能力，從而取代耐老化性能好但價格高的三元乙丙橡膠。

在所考察的3個因素中，DCP對減震圈混煉膠的斷裂伸長率影響最大，TMTD影響次之，硫磺影響最小。制備斷裂伸長率較高的減震圈混煉膠的條件為： 1.0份DCP ，1.0份硫磺， 0.3份TMTD。同樣，分析減震圈混煉膠斷裂伸長率耐熱氧老化最優的條件為：1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD，影響最大的是DCP，其次是硫磺，TMTD。

壓縮永久變形指標表征材料耐蠕變的能力，數值越小表示耐蠕變性能越好。對表2的壓縮永久變形結果進行極差分析，結果見表2。由表2可知，在所考察的3個因素中，DCP對減震圈混煉膠的壓縮永久變形影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。由表2中Pi值的比較可知，制備壓縮永久變形小的減震圈混煉膠的條件為：1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD。

表2 壓縮永久變形極差分析

當1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD時，混煉膠壓縮永久變形性能最佳，此時，相對應的拉伸強度為22.0 MPa，拉伸強度熱氧老化變化率1.3%，斷裂伸長率665.0%，斷裂伸長率熱氧老化變化率-12.3%，均具有較優的性能指標。綜合以上分析，選擇1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD，即第5號實驗配方。

3 結論

以天然橡膠為基材制備了用于發動機曲軸皮帶輪的減震圈。通過正交試驗研究了減震圈混煉膠性能。

（1）在所考察的3個因素中，TMTD對減震圈混煉膠的拉伸強度影響最大，硫磺影響次之，DCP影響最小。DCP對減震圈混煉膠的拉伸強度熱氧老化影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。

（2）DCP對減震圈混煉膠的斷裂伸長率影響最大，TMTD影響次之，硫磺影響最小。對斷裂伸長率熱氧老化影響最大的是DCP，其次是硫磺，TMTD。

（3）DCP對減震圈混煉膠的壓縮永久變形影響最大，硫磺影響次之，TMTD影響最小。

（4）經綜合分析，選擇1.5份DCP，1.0份硫磺，0.5份TMTD作為最終配方，混煉膠具有較好的力學性能和耐熱氧化性能；減震圈具有較高扭矩，良好的黏接和動態疲勞性能。

針對本文探討的個別結論，可能存在歧義，尤其是胺類防老劑和DCP、硫磺三者之間的相互作用對整個膠料性能的影響不做深入探討。