橡胶减震知识大全
文章摘要
减震技术是减少振动对人们生活不利影响的重要手段，其中橡胶减震系统是最常用的方法之一。橡胶减震器通过其固有的阻尼性能和弹性特性，可以有效吸收和隔离振动。文章详细介绍了橡胶减震的理论基础、系统设计、材料选择、产品类型以及生产技术等方面的内容。在设计时，需要考虑橡胶的静刚度、动刚度、耐久性能等因素，并通过合理选择材料和结构来达到最佳的减震效果。文章还讨论了减震橡胶制品的生产流程，包括混炼、骨架前处理、粘接剂涂布、硫化、后道加工等步骤，并对生产中可能出现的缺陷进行了分析。通过科学的生产管理和严格的质量控制，可以制造出性能优异的橡胶减震产品。
正文
现实生活中振动无处不在,振动的现象是不容忽视也是不可缺少的,人们一直致力于振动的产生,控制和消除的研究,所有的物体的振动都会产生声音,如果没有振动就不会有音乐,人类也无法进行语言交流了.但是振动也会对人们的生活产生许多不利的影响,如:共振会导致装置的损坏,噪音会影响人类的生活环境等.怎样将振动对人们产生的不利影响减到最小,是当前减震技术发展和追求的方向.
减震技术的核心是消除干扰性振动或找出解决的方法,现在比较适用和成熟的减震方法是橡胶减震系统,早在橡胶应用于工业之初,人们就使用了橡胶隔离来进行减震,但当时还没有有效的橡胶粘接技术,橡胶在减震领域的应用没有获得成功,随着橡胶粘接技术的的发展和运用,于1932年出现了最早的橡胶减震制品,使得减少底盘和引擎系统产生的振动成为可能,随后越来越多的金属和橡胶粘接的零件应用于差速器、后轴等汽车驱动系统,20世纪50年代起越来越多的发动机悬置得以应用。一、橡胶减震基础理论
当沿重心轴方向对橡胶装置进行碰撞会产生一定频率的振动,如果系统内没有外力作用,激发振动将逐步衰减,衰减的速度取决于橡胶材料的减幅,根据牛顿定律将得到下面公式: 当碰撞力远离重心橡胶装置系统会在三个轴中产生扭转振动,各自的角频率为:
弹性体在正常情况下都有将逐渐增强的共振减小到一定水平的特性,橡胶减震器的隔离减震效率等于激振频率/固有频率即:η=f/ f0,当
时,激振力将减少而且远不等于固有频率, 橡胶减震器将起到隔离振动的效果,当η=3时,减震效果将达到80%,也就是说仅有20%的激振振动在传播.和线型弹性装置系统的单自由度相比,立体系统拥有更多的自由度和可移动性,一个发动机悬置有三个直移和三个转动的自由度,六个固有频率需抵 制共振使激振力减少到一定程度,该装置系统主要是减少重心处的振动使之趋向于零,使不同方向的激振不再相互影响.该装置系统的设计目标是根据客户的开发设想决定悬置布置的位置和悬置的刚度,使得所有的固有频率远不等于干扰频率,最初的装置主要是决定临时的位置和刚度,最后安装到车上时要考虑到发动机装置子系统的相互作用,现在人们已能通过有限元分析软件系统建立汽车整车模型,并通过计算机模拟进行悬置的优化设计,设计时需考虑找到使舒适性和减少噪音的最好的折中方法,使得零件可以抵挡所有外力并使力的传递达到最小化,同时还需满足零件的最大运动和外界环境的要求.3.1橡胶减震的作用:代替金属弹簧起到消振,吸振作用.其主要的性能要求在静刚度、动刚度、耐久性能上.①橡胶是由多种材料相组合而成,同一种形状通过材料调整可以拥有不同的性能.②橡胶内部分子之间的摩擦使它拥有一定的阻尼性能,即运动的滞后性(受力过程中橡胶的变形滞后与橡胶的应力).③橡胶在压缩、剪切、拉伸过程中都会产生不同的弹性系数.①吸收振动: 此类橡胶减震件主要是用于发动机与车身之间的连接,此状态下发动机是振动源, 减震橡胶的作用是吸收发动机产生的振动,避免传递到车身上,同时也减轻发动机自身的振动.②消减振动: 此类橡胶减震件主要是用于底盘与车身之间的连接,此状态下底盘车轮是振动源, 减震橡胶的作用是将路面与车轮产生的振动通过高阻尼作用迅速消减,防止振动通过底盘传递到车身. 4.1.1静刚度的定义：指减震橡胶在一定的位移范围内,其所受压力(或拉伸力) 变化量与其位移变化量的比值.静刚度的测定必须在一定的位移范围内测定,不同的位移范围测定的静刚度值是不同的,但有的厂家则要求整个位移范围测定的变化曲线.下面以压缩变形试验为例说明减震橡胶与今属弹簧的静刚度的不同之处：将金属弹簧压缩到弹簧弹性极限内的一定范围的位移量后，再将压力缓慢匀速卸去，弹簧所受的载荷与位移量的关系如图3所示呈线性关系,在外力卸去后弹簧能够回复到初始位置.将减震橡胶压缩到一定范围的位移量后，再将压力缓慢匀速卸去，减震橡胶所受的载荷与位移量的关系如图4所示呈非线性关系,在外力卸去后减震橡胶不能够回复到初始位置,出现位移相对于载荷的滞后现象.橡胶的静刚度是在一定的位移范围内,其所受载荷变化量与其位移变化量的比值,位移范围不同所得到的静刚度值是不同的,即(F2-F1)/(X2-X1)≠(F3-F2)/(X3-X2)而金属弹簧在任意位移范围内其所受载荷变化量与其位移变化量的比值是一定的,即(F2-F1)/(X2-X1)=(F3-F2)/(X3-X2)将金属弹簧和减震橡胶同时压缩到极限后,金属弹簧的压力会一直保持不变,而减震橡胶的压力会随着时间的推移出现压力松弛的现象,如图5所示,减震橡胶的这种压力松弛的特性使它具有比金属弹簧更好的消振作用.减震橡胶的静刚度是与产品的形状和橡胶的自身特性有关,静刚度是可以通过理论计算求出,其计算方法如下:方柱的形状系数为:S=AL/AF=(a*b)/(2(a+b)*h) 圆柱的形状系数为:S=AL/AF=π(d/2)2/π*d*h=d/4h中空圆柱的形状系数为:S=AL/AF=(π(d1/2)2-π(d2/2)2)/( π*d1*h+π*d2*h)= (d1-d2)/4h 1/3≤a/b≤3时: Eap/G=3+6.58S2 Gap/G=1/((3+6.580S2)(1+1/48S2) 1/3≥a/b或a/b≥3时:Eap/G=4+3.29 S2 Gap/G=1/((4+3.29 S2)(1+1/36S2)圆柱和中空圆柱的表征弹性率:Eap/G=3+4.935 S2 Gap/G=1/((3+4.935 S2)(1+1/36S2)Eap:表征纵向弹性率; Gap:表征剪切弹性率; G:静态剪切弹性率; S:形状系数;形状a: S=AL/AF=(L/(r1+r2))*(1/log(r2/r1))形状b: S AL/AF=((L1*r2-L2*r1)/(r2-r1))*(1/log(L1*r2/l2*r1) Gap/G=1/((4+3.29 S2)(1+1/36 S2) 形状a: 径向静刚度:Kc= Eap(AL/h)=1.36(Eap+G)*L/ log(r2/r1) 轴向静刚度:Ks=Gap(AL/h)=2.73Gap*L/ log(r2/r1) 形状b: 径向静刚度:Kc= Eap(AL/h)=1.36(Eap+G)*((L1*r2-L2*r1)/(r2-r1))/ log(L1r2/L2r1) 轴向静刚度:Ks=Gap(AL/h)=2.73Gap*((L1*r2-L2*r1)/(r2-r1))/ log(L1r2/L2r1)a.制作试验片:按图8所示制作试验片,试验片可以硫化直接成形,也可在大块片材上切割制出,试验片的厚度和宽度尺寸公差为0.1mm,试验片不能有杂质和伤痕等缺陷.试验片的装夹时固定试验片的两夹头之间的距离应在80mm以上.
先预拉伸两次,拉伸速度一般选择45±15mm/min,第一次拉伸从初始位置拉伸到1.5ε%位置处,停顿30秒后回到初始位置,第二次重复第一次的试验过程.(注:ε%=25%的定拉伸位移).正式试验的拉伸速度和预拉伸一致,但此次只拉伸到ε%位置处, 停顿30秒后计录以下数据:25%的定拉伸时的负荷Fε(Kgf),σε: 25%定拉伸应力; Fε:25%的定拉伸时的负荷; A:试验片的截面积;Gε: 25%定拉伸的静态剪切弹性率; α=1+ε=1.25计算时取4个数据的平均值,有效数值保留小数点后两位.4.2.1动刚度的定义：指减震橡胶在一定的位移范围内, 一定的频率下, 其所受压力(或拉伸力)变化量与其位移变化量的比值.动刚度的测定必须在一定的位移范围内,一定的频率下测定,不同的位移范围不同的频率下测定的动刚度值是不同的. 减震橡胶不仅在静态特性上与金属弹簧不同而且在动特性上也与与金属弹簧存在很大的差异,下面以试验为例说明两者的不同之处:如图9所示,分别对减震橡胶与金属弹簧施加一个冲击力,来对比冲击后的振幅与振动时间的变化关系(不考虑系统以外力的影响),可以看出减震橡胶的振动很快消减并在很短时间振动停止,而金属弹簧的振动能持续很长时间,振幅的衰减速度很慢,因此减震橡胶与金属弹簧相比具有较大的阻尼,对振动的吸收性能好,能有效地防止振动的传播. 图10 减震橡胶与金属弹簧的振动状态载荷—位移曲线图
如图10所示,分别对减震橡胶与金属弹簧压缩到一定位移后,施加一个定振幅的振动,测定其载荷与位移的关系,在X1-X2位移范围内,金属弹簧的动态载荷与位移关系仍和静态相似呈线性关系,其Kd=Ks=(F2-F1)/(X2-X1),而减震橡胶的动态载荷与位移关系和静态不同,其Kd=(F3-F1)/(X2-X1),Ks=(F3-F2)/(X2-X1),因F2＞F1所以Kd＞Ks,从上面关系可以看出:相同变形范围下的动刚度永远大于静刚度,产生这种现象的原因是橡胶分子间存在内摩擦力,使得减震橡胶的变形与橡胶的内应力(外力的反作用力)之间存在有一定的滞后,这种滞后反应到减震橡胶受到外加的受迫振动时,其变形与内应力之间存在一个相位角,如图11所示. σ(t)=σ0*sin(wt+δ)= σ0(cosδ*coswt-sinδ* coswt)= σ0cosδ*coswt-σ0sinδ* coswtσ0 sinδ* coswt是与变形相位差为90°的应力分量在振动学中通常将损耗弹性模量G2与存储弹性模量G1的比值称之为损耗系数τ=G2/G1=(σ0sinδ* coswt/ r0)/(σ0cosδ*coswt/ r0)=tgδ因损耗弹性模量G2=c(阻尼系数)*2π*f(振动频率),因此得出:τ=c*2π*f/G1 或G1= c*2π*f/ tgδa.减震橡胶的损耗系数与橡胶自身的阻尼系数成正比,与振动频率成正比. b.减震橡胶的动刚度是橡胶自身特性,当橡胶自身的阻尼系数确定时,动刚度与振动频率成正比. c. 当橡胶自身的阻尼系数确定时,随着振动频率的增减, 损耗系数和动刚度同时增减但增减的幅度并不一致.4.3.1动倍率的定义指减震橡胶在一定的位移范围内所测定的动刚度与静刚度的比值,即:Kd/Ks因Kd∽G1*S2 ,Ks∽G*S2 因此: Kd/Ks∽G1/G从上式可以看出:动倍率与产品形状无关,是橡胶材料自身的特性.对于发动机用减震橡胶而言,减震机理是吸收振动,要求动倍率越小越好,从动倍率的定义可以看出,若想减小动倍率需从两个方面入手:①增大静刚度②减小动刚度.如增大静刚度可以使减震橡胶在静态时的支承作用增强,而减小动刚度可以减小振动的传递率,防止将发动机的振动传递到车身上,提高乘坐的舒适性,因此发动机用减震橡胶要求动倍率越小越好.但是实际上形状一定时,改变橡胶材料配方以增加静刚度的同时动刚度也在增加,减小动刚度的同时静刚度也在减小,只是静刚度与动刚度增减的幅度不同,这就要求在配方设计时掌握好平衡点使得配方的调整有利于动倍率的降低.作为基础研究时可以参照图12中的试验块做动倍率测定.
测定时,如静刚度的测定范围是2±0.5mm,对应在动刚度的测定范围为:预压2mm后在一定频率下,振幅±0.5mm,也就是动刚度的测定范围一定要与静刚度的测定范围一致,此时的动倍率才具有可比性和实际意义.4.4损耗系数: 在减震橡胶的受力过程中,橡胶的变形与橡胶的应力之间存在着一定的相位差,而橡胶的应力一般要超前于橡胶的变形一定的相位角δ.通常所说的损耗系数就是橡胶应力与橡胶变形的相位角δ的正切,即损耗系数τ=tgδ.4.5扭转刚度: 指减震橡胶在一定的扭转角范围内,其扭转力矩与扭转角之间的比值.4.6耐久性能: 指减震橡胶在一定的方向一定的预加载荷、振幅、振动频率下,经往复振动n次后产品完好或将产品往复振动直至破坏时的振动次数, 耐久性能是衡量一个减震橡胶件的安全性能和综合性能的重要指标.二、减震橡胶制品常用材料
做为减震橡胶用的弹性体材料一般主要有以下几种:NR,SBR,BR,NBR,CR,EPDM,IIR,RUP等,其选用原则为:一般常用减震橡胶材料为: NR,SBR,BR(发动机悬置,衬套等)有耐油性要求的减震橡胶材料为:NBR(油管支架等)有耐热性要求的减震橡胶材料为:EPDM(排气管吊件)阻尼性要求大的减震橡胶材料为:IIR(因其加工工艺性差,一般不采用)从橡胶配方上考虑,影响橡胶的减震特性的主要因素是:生胶的选用;弹黑的选用和配合量;油的种类的选用. 下面以NR/SBR/BR系为例介绍橡胶配方与减震特性的关系: ①改变静刚度:生胶选用时改变SBR和BR的并用量对静刚度没有影响;碳黑选用时粒径小的碳黑可以提高静刚度,增大碳黑的配合量可以提高静刚度;油的选用时使用芳香烃油比使用环烷烃油的配方有利于提高静刚度;②改变动刚度:生胶选用时减少SBR的并用量有利于降低动刚度, 改变BR的并用量对动刚度没有影响,碳黑选用时粒径大的碳黑可以降低动刚度,减少碳黑的配合量有利于降低动刚度;油的选用时选用环烷烃油比使用芳香烃油有利于降低动刚度;③改变动倍率: 生胶选用时减少SBR的并用量有利于降低动倍率, 改变BR的并用量对动倍率没有影响,碳黑选用时粒径大的碳黑可以降低动倍率,减少碳黑的配合量有利于降低动倍率;油的选用时使用环烷烃油比使用芳香烃油有利于降低动倍率;④改变损耗系数:生胶选用时增加SBR的并用量有利于提高损耗系数, 改变BR的并用量对动倍率没有影响,碳黑选用时粒径小的碳黑可以提高损耗系数,增加碳黑的配合量有利于提高损耗系数;油的选用时使用芳香烃油比使用环烷烃油的配方有利于提高损耗系数; ⑤耐久性:生胶选用时增加SBR的并用量耐久性会出现先增后减的变化趋势; 增加BR的并用量耐久性会出现先增后减的变化趋势;因此SBR和BR的并用量应适当,碳黑选用时粒径小的碳黑可以提高耐久性,增加碳黑的配合量耐久性:出现先增后减的变化趋势,油的选用时使用芳香烃油比使用环烷烃油的配方有利于提高耐久性. 实际应用时减震橡胶基本都是带有刚性骨架的零件,同时这些刚性骨架都对减震橡胶的减震性能有一定的影响,它们起到联接和支撑作用.常用的刚性骨架材料有:钢,铝合金,工程塑料等.2.1钢因其具有高强度而被广泛用于减震橡胶中,常用的结构形式有①板材冲压(热轧板,冷轧板);②冷拔管材③铸造件④锻压件等多种形式2.2铝合金因其有较轻的比重而在汽车上得到越来越多的应用, 常用的结构形式有①板材冲压;②冷拔管材③铸造件④锻压件等多种形式2.3因工程塑料的聚合体具有较轻的比重但其强度硬度较低,对温度的依赖性很强,高的热膨涨和低的热传导性,在使用时一般需对原材料进行处理,加入填料和加固物,减震橡胶中常用的塑料PA66加20%-40%的玻璃纤维,一般常用于衬套和副车架支承的外套管.三、重型车常用减震橡胶制品介绍：
1.发动机悬置类：发动机悬置是用于发动机与车身的联接,对发动机起到支承作用,在这个系统中发动机是产生振动的振动源,而车身防振对象,这就要求发动机悬置能够有效地吸收振动,避免将振动传递到车身,提高乘车的舒适性,为满足这一性能就要求发动机悬置具有足够的静刚度的同时应尽量减小动刚度.2.驱动系统用减震件：驱动系统是指将发动机的动力传递到车轮的机构总成,主要有离合器变速器传动轴减速器差速器驱动桥和车轮组成,该系统主要的振动形式是扭振,该系统用减震件主要有用于传动轴的中心轴承,该产品的使用可避免传动轴过长造成固有频率降低而导致传动轴断裂,一般要求该产品的径向静刚度尽量小;3.操纵系统用减震件：操纵系统是指将方向盘的角变位传递到车轮的机构总成,该系统主要的振动形式是扭转,最常用的减震件是各类衬套,其主要受到径向冲击力和轴向的扭转和偏摆一般要求该类产品的耐久性能好;4.悬挂系统用减震件：悬挂系统主要作用是承受车体重量, 防止车轮的上下振动传递到车身,提高汽车的乘坐舒适性,同时能传递动力制动力和操纵时的侧向力,该系统使用的减震件特别多,如:前减上支架,后桥后弹性联接件,橡胶座分组件,防压垫,减震垫,弹簧垫,防撞垫,温定杆衬套,拉杆轴套,各类板簧衬套,各类摆臂衬套及各类缓冲块,现减震部生产的大部分产品是属于该系统的.四、重型车用典型减震橡胶制品结构设计基础
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.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. 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. 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:液体的固有频率满足下面关系:ωn2∽S0*(K1+K2)/(ρ*L0)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. 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. 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. 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. 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.
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.
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.
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.
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.5.1.1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;5.2.1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;5.3.1相关部件的使用场合,尺寸及安装条件是否明确㈩5.3.3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)五、减震橡胶制品生产技术
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。1.1.1生胶:减震橡胶常用的生胶有:NR,SBR,BR,CR,EPDM,等1.1.2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.1.1.3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1.1.4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.1.1.5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.1.1.6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.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。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.2.1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.2.1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;2.3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.2.4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.2.5.1磷化液的组成:磷化液根据液体主要成份可分为锌系,锌钙系,锌铁系等多种体系,现减震部使用的是锌系磷化液,其主要组成为:
3.1粘接机理(CH205/CH220为例):CH205的主要成份是酚醛树脂中含有一定量的氧化钛,CH220的主要成份是含有一定量碳黑、硫化剂、促进剂的卤化橡胶,在金属表面涂上CH205后,CH205中的酚醛树脂吸附在金属表面产生很强的粘接力,待CH205干燥后再涂上一层CH220, CH205与CH220能发生化学反应形成一定量的化学键,在硫化成型时CH220中的卤化橡胶与橡胶发生硫化交联反应,使得橡胶与CH220紧密联接在一起,这样就使得橡胶与金属之间得以很好的粘接.3.2粘接剂涂布工艺:粘接剂涂布的方法有喷涂法,刷涂法,浸涂法,这需要根据具体的产品来选择最佳的涂布方法,粘接剂的涂布工艺一般为:CH205涂布 干燥(105℃) CH220涂布 干燥(105℃)3.3粘接剂涂布后的骨架管理:现减震部涂布后的骨架的使用有效期一般为15天,特殊骨架的有1周,对于超过有效期的骨架一般不直接使用,其处理方法为:⑴将涂布的粘接剂清除后,在进行脱脂,磷化,涂布处理;⑵直接在原涂层上加涂一层CH220,经试生产确认后可使用.3.4粘接剂的选用:在选用粘接剂种类时,应根据不同的粘接剂做粘接性能试验来确定选用粘接剂种类,一般可根据胶种优先选用.4.1定义:硫化是指混炼胶在一定压力,温度,时间条件下发生交联反应的过程.
①硫化压力：保证产品的致密性,促进胶料在模腔内流动,并迅速充满模腔,可提高产品的粘接强度;③硫化时间：在温度压力一定的情况下硫化时间决定了硫化反应的程度,时间过短会导致欠硫, 时间过长会导致过硫,对于产品质量而言,过硫具有和欠硫同等的影响效果硫化压力的确定:由试模工艺员通过试模验证,测定飞边厚度和检查产品外观质量来制定工艺压力,如产品飞边太厚、产品缺料、产品表面流痕、气泡等均需对设备压力进行调整,再根据常规硫化压机压力换算表,最终来确定该模具在各硫化压机上的工艺压力.硫化温度的确定:由试模工艺员根据各胶种通过试模验证,检查产品外观质量来确定模具温度,对于纯胶产品在保证产品在不焦边的前提下硫化温度可提高到180℃-190℃，对于带骨架产品硫化温度一般不超过165℃。同时记录试模时该硫化压机的设备设定温度,做为生产时进行温度设定的参考,因硫化设备的差异、季节的变迁、环境温度的变化等因素,导致设备设定温度与模具温度之间的关系发生变化,在生产时为保证产品质量的稳定,需严格控制实际的模具温度(检测模具中心部位),而设备设定温度允许存在一定的偏差,仅供参考.硫化时间的确定:由试模工艺员根据产品厚度与参考硫化时间表，上下每间隔1～2分钟分别硫化出产品,明确标识后并解剖、观察产品内部致密程度以及胶料与骨架粘接的情况,若有刚度检测要求的,需将内部致密以及胶料与骨架粘接良好的产品,送技术中心试验室进行检测,再根据以上验证结果,确定最佳硫化时间.①模压法:指直接将胶料填入模腔,合模后再通过硫化压机加压和加热使混炼胶硫化成橡胶制品的硫化成型方式②移模注压法:指先将模具合模后,再将胶料加入专用料杯中,通过硫化压机的压力传递将胶料经注料孔压入模腔, 再经过加压和加热使混炼胶硫化成橡胶制品的硫化成型方式.③注射成型法:指硫化压机自身带有进料机构,胶料通过进料管的螺杆旋转将胶料带入贮料筒中预热,模具合模后通过贮料筒上端的液压活塞加压将胶料挤压进模腔,将混炼胶硫化成橡胶制品的硫化成型方式. 现介绍一种注射机的工作过程,该注射机上下热板最大距离为450mm,模具最小闭合高度为150mm,注射机下热板上联接有液压推出机构,可将下热板由工作主缸位置,推出到顶出缸位置.在硫化生产时,先将模具推出到顶出缸位置,将金属内套管安放在下模腔内,再按下自动工作按钮,推出机构将下热板连同中模板、下模板回位到工作主缸位置, 碰到行程开关后,工作主缸再自动上行完成合模,达到设定的合模压力后,抽真空系统开始起动,同时注射头开始注料硫化;在硫化完成后注射机工作主缸下行,带动上模板、中模板、下模板下行,流道板固定不动,流道板与上模板打开,上模板下行一段行程后,由于反拉杆作用将上模板的下行行程进行控制, 中模板、下模板继续下行, 碰到行程开关后, 液压推出机构将下热板连同中模板、下模板推出到顶出缸位置, 碰到行程开关后,顶出缸将中模板顶出一段行程,硫化好的产品连同中模板一起被顶出,再取出产品,按下顶出缸回位按钮后,顶出缸立即将中模板回位到顶出前位置,完成一个成型周期. ①胶料注射时间应控制在15～45秒,若注射速度太快,会使胶料进入型腔时摩擦生热大而造成产品在胶料溶接面处出现不良;会使胶料在注入时造成排气不及时而产生气泡;会使粘接剂产生流动而造成粘接不良和粘接剂流出污染模具;若注射速度太慢,会使胶料未完全进入型腔即在流道中部分硫化而造成粘接不良.②放置骨架的时间应控制在30秒之内,时间过长会使粘接剂受热而自身发生硫化反应,从而失去粘接性能.③脱模取产品时应避免野蛮操作,防止在橡胶和骨架之间产生不合理的拉力,因为在热的状态下粘接剂与橡胶之间的粘接强度很低,若存在不合理的拉力会使粘接剂与橡胶产生脱胶破坏.④脱模剂的使用应避免在骨架部位喷上脱模剂,最好不要使用硅油类脱模剂,而应使用固化型脱模剂.⑤模具的温度需严格控制:对于纯胶制品模具温度可以达到180℃～185℃,对于带骨架的制品模具温度需控制在165℃以下,因为温度高于165℃时,粘接剂的CH205易发生龟裂而造成粘接破坏.对于厚制品应考虑采用低温长时间硫化.⑥应严格遵守硫化工艺防止硫化压力不足和硫化不完全的现象.⑦模具上的进料点应尽量避开粘接面,防止橡胶注入时对粘接剂造成冲刷而导致粘接不良.
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| | 指橡胶自身在受力过程中破坏,这种状况说明橡胶与骨架粘接良好 |
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| 采用抽真空或减慢注料速度,避免入料时胶料裹藏气体; 调整胶料,避免胶料受热分解过多气体聚集在粘接界面; |
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减震制品后道加工方法主要有:缩口,螺栓铆接,装配等。通常橡胶衬套按制造方法和特性可分为以下几类:①只有橡胶的衬套②只有内金属套和橡胶的衬套③有内、外金属套和橡胶的衬套,其中内外套的衬套又可分为:内外套都粘接型;内套粘接外套压入型;内外套都压入型.对于内外套都粘接型的衬套在径向进行一定压缩量的缩径可有效提高使用的耐久性能. ①提高产品的耐久性能, 内外套都粘接型的衬套在硫化成型后,因橡胶冷却收缩而橡胶与内外套都粘接牢固橡胶没有收缩空间而造成分子间存在拉伸应力,当橡胶衬套在工作过程中受到外界施加载荷作用,使得一侧的拉伸状态有所缓和而另一侧拉伸应力加大,当分子间的拉伸应力超过橡胶的自身强度时,就会出现分子间的化学键断裂,橡胶衬套内部出现裂纹,导致产品出现早期破坏,若橡胶衬套硫化成型后,对外套进行径向压缩,可使得橡胶分子间预先存在压缩应力, 当橡胶衬套在工作过程中受到外界施加载荷作用,使得一侧的压缩应力加大而另一侧压缩应力减小或恢复到自由状态,同时通过压缩量的调整可使橡胶衬套在工作过程中不受拉伸应力的作用,我们知道橡胶材料的抗压缩性能远高于抗拉伸性能,因此在对橡胶衬套进行一定量的径向压缩可以避免产品出现早期破坏提高使用的耐久性.②可以保证产品的结构形状,如图25所示该产品为实现其功能需要在A部实现自由状态无间隙,在内套下压时间隙增大而内套上行时间隙减小并起到止动作用,若采用常规工艺生产,模具无法保证部的实现,此时我们可以考虑采用缩径的生产工艺,在硫化成型时按图生产,保证模具最薄处大于2mm,有利于模具的加工和模具的强度,在硫化成型后对外套进行缩径,通过橡胶的挤压使得内套上移实现产品在自由状态无间隙的要求.
③可以对产品的刚度性能进行微小调整,通过径向压缩可使产品径向的刚度增大而轴向刚度减小,这对于在产品的轴向和径向刚度要求无法简单的从结构上调整时,可以起到一定的微调作用. ①直筒式缩径工艺:将产品挤压通过比产品外径小的孔,实现产品外径径向压缩的方法; ②弹性夹头式缩径工艺:将产品放在弹性夹头内通过弹性夹头的径向压缩实现产品外径径向压缩的方法; ①直筒式缩径工艺的优点是速度快生产效率高,产品外观质量好;缺点是一次缩径量小,大缩径量的产品需分多次缩径;生产时易产生噪音;②弹性夹头式缩径工艺的优点是一次缩径量大可达3-5mm;缩径尺寸可以进行微小调整;可压缩各种形状的产品;缺点是产品外表面易夹伤;缩径夹具费用高①先考虑好压缩后的产品形状后再进行压缩前形状的设计如图27所示。②压缩率:指橡胶厚度的压缩变化量(T0-T1)/T0*100%,通常取5%-10%,压缩率必须考虑能抵消橡胶冷却的收缩率后仍有一定的压缩量.③外套缩径率:指外套直径的压缩变化量(D0-D1)/D0*100%,一般应在5%以下,如果缩径率过大,磷化膜会过于挤压而破坏导致橡胶与外套脱胶. ①缩径前外套表面需涂防锈油,起到润滑作用,防止拉伤产品外表面和降低产生的噪音,但使用的油品一定是经过确认的,确保对橡胶无损害. ②对于直筒式缩径方式需要控制一次缩径量,因为直筒式缩径时一次缩径量过大会降低夹具的使用寿命,影响产品的外观质量,会造成产品缩口后的尺寸波动大难以控制,因此我们在产品设计时会考虑采用分段多次缩径的方式来解决大缩径量的产品缩径问题.对于有内、外金属套和橡胶的衬套中内外套都粘接型的衬套我们已介绍其缩径工艺,现在介绍内套粘接外套压入型衬套的装配工艺, 内套粘接外套压入型衬套因橡胶体在压入前后橡胶径向一定压缩变形,使得压入型衬套内部存在压缩内应力从而能有效提高疲劳寿命,但因内、外金属套和橡胶体间仅靠内压力连接存在尺寸稳定性差和轴向破坏载荷小等缺陷,一般使用于轴向承载较小六转和径向受力较大的工况条件,主要使用于控制臂,板簧等部件上. 压入型衬套主要有两种结构型式,如图28所示.主要有外套翻边式和直筒外套式
①先根据压装后的产品形状后再进行压缩前形状设计,如图29所示。②压缩率:指橡胶厚度的压缩变化量(d1-d2)/d1*100%,通常取20%-30%,以确保在工作状态下扭转时外套与橡胶套之间不发生打滑;③确保橡胶套被压缩的体积能充满凹槽,且压装后两端橡胶的高度不可超过内套端面; ①翻边外套的衬套压装时,先将定位套定位在底座上,然后将外套内表面涂上润滑油放入定位套,再将橡胶套外表面涂上润滑油套在芯轴上,对橡胶套的内套管轴向加压将橡胶套压入外套保压2-3秒,最后脱取压装后的衬套.②直筒外套的衬套压装时,先将外套内表面涂上润滑油从定位套下端放入定位套,然后将定位套定位在底座上,再将橡胶套外表面涂上润滑油套在芯轴上,对橡胶套的内套管轴向加压将橡胶套压入外套保压2-3秒,最后脱取压装后的衬套.③直筒外套的衬套压装的定位套需加工导向面,以保证橡胶套顺利压入,防止橡胶套与外套端面剪切使橡胶套破裂,而翻边外套的衬套因外套上端面有翻边圆角能起到导向作用,不需在定位套上加工导向面.为了解决压入型衬套轴向破坏载荷小的缺陷,人们在压入型衬套的基础上将外套的内表面也涂上粘合剂,压装后再进行热粘接,该衬套结构结合了热硫化粘接型衬套轴向压出力大和压入型衬套耐疲劳性能高的特点,对衬套的综合性能有了很大的改善.生产时需重点考虑①压装润滑油选用不能对橡胶有损害,不能影响外套的热粘接,②外套粘合剂与硫化胶的粘接性能,③热粘接的工艺控制等方面. 减震器支架与车身连接的方式主要有两种:①.在减震支架上加工螺孔,通过螺栓与车身连接,这种连接方式对减震支架上螺孔要求较高,一般是采用高强度钢板直接在冲压成型后翻孔再攻螺纹,且螺孔在不经热处理情况下强度等级能达到8级,技术含量较高,目前也仅有富康车的前减支架采用这种结构②在减震支架上铆接螺栓,通过螺母与车身连接,这种结构是目前绝大多数车型采用的结构, 螺栓的铆接分为硫化前在冲压件上铆接和硫化后在分总成上铆接两种情况,根据生产的过程控制的有效程度,尽量采用硫化后在分总成上铆接,这样可以有效控制螺栓在生产过程中的损坏与磕碰.下面主要介绍在硫化组件上压装螺栓的方法:
为保证产品的铆接强度和外观,在确定图31中相关尺寸时需考虑如下关系:①铆接孔一般比螺栓大径大0.2～0.3mm, (ΦD3- MD1)= 0.2～0.3mm;②螺栓根部滚花大径一般比铆接孔大0.4～0.5mm, (ΦD2-ΦD3) = 0.4～0.5mm;③铆接夹具孔径ΦD4一般与铆接孔ΦD3一致,铆接夹具孔上平面应高出夹具座0.2mm且平面单边宽度即ΦD5-ΦD4在1.5mm～2mm之间,以减小铆接时的承压面有利金属产生塑性变形,铆接后在产品表面留有一道明显压痕,有利于直观地检验铆接状态.
在液压机上如图32所示,将橡胶硫化组件放在铆接夹具上,再将螺栓放入橡胶硫化组件的孔内,通过上压头下行对螺栓和橡胶硫化组件施加均蘅压力使金属变形后相互嵌入,以增大螺栓在橡胶硫化组件上的镶入力,从而保证螺栓在装车时拧紧力和拧紧力矩.
