底盘橡胶部件低温特性试验研究报告

　摘要：鉴于目前对低温环境下汽车性能与底盘橡胶部件特性关系的探索较少，本文中以某轿车的后纵臂轴套为例，重点对橡胶部件在不同状态下的低温特性进行试验研究。结果表明，低温对橡胶部件动态特性的影响较大，故建议在进行整车性能调校时应充分考虑底盘橡胶件的低温特性。

　　关键词：底盘橡胶部件；环境温度；低温特性

　　前言

　　随着汽车工业的发展，越来越多的橡胶部件用于汽车上。橡胶部件作为提高汽车运动品质的重要部件，在汽车减振､隔振和降噪等领域起着关键作用^[1-2]。

　　目前，常规工况下的橡胶部件特性在整车性能匹配上的重要作用已被广大研究人员所认知，所设计的汽车已基本满足广大用户的需求。但随着汽车在三高(高原､高寒､高温)状态下的使用增多，人们对其性能要求也逐渐提高。而在底盘橡胶件设计､生产和调校时一般没有考虑其使用环境温度的影响，因此往往出现在常温下调校好的汽车到了冬天或者高寒地区其性能下降，例如汽车冷起动抖振严重，汽车行驶舒适性降低，车辆行驶噪声增大等。因此，研究三高环境下底盘橡胶部件特性的变化规律和对汽车性能的影响刻不容缓。

　　目前针对温度影响的研究主要有两个方面。一是耐久性，即研究性能老化和使用寿命。二是汽车在三高环境中的性能，即某个总成或整车在极限环境温度下的性能。关于前者，目前大多数生产商都在室温环境下进行长时间的疲劳试验，或用热氧加速老化的方法评价其使用寿命(时间或循环次数)^[3]。关于后者，其理论研究极少^[4-5]。

　　关注和研究底盘橡胶部件整个使用环境温度段，尤其是在高寒地区下橡胶部件的性能变化特性的文献很少。考虑到影响高寒地区整车性能下降的因素较多，本文中将汽车底盘橡胶部件的高寒特性为研究对象，重点研究环境温度对其动态特性变化的影响。

　　1 试验准备与试验设计

　　为研究各种温度段内底盘橡胶部件的特性变化，本文中选取一种典型的橡胶衬套，即某轿车后纵臂轴套(见图1)进行研究，这种悬架衬套主要承受汽车加速和制动时的纵向载荷和转弯时的侧向载荷，对减少汽车运动状态改变时零部件之间的冲击起重要作用。

　　考虑到汽车底盘橡胶部件中含有很多纯天然橡胶，其特性与纯天然橡胶的特性类似。图2为纯天然橡胶随着温度的动态特性变化。由图可以看出，低温段属于从玻璃相迁移到橡胶相的过渡阶段，在这个范围内，动态特性变化非常大。因此本文中在研究底盘橡胶部件在不同温度下动刚度和相位角的变化特性时将试验温度点设为：-40，-35，-30，-25，-20，-15，-10，-5，0，20，40，60和80℃。

　　每次试验前，为消除Mullin效应，先用测量范围1.1倍的力进行3次静态试验，然后进入正式测试阶段。

　　为消除传感器噪声的影响，提高数据的可靠性和真实性^[6]，本文中利用Matlab语言对采集信号进行预处理。

　　2 静态特性试验研究

　　底盘橡胶部件的主要特性有频率依赖性､振幅依赖性和温度依赖性^[7-10]。橡胶部件的常规特性试验有两种，即静态特性试验和动态特性试验。

　　静态特性指的是在静态载荷作用下橡胶部件的特性，例如汽车在停放状态下橡胶部件的刚度特性。通过静刚度的调整可控制整车和各总成的定位参数。

　　本文中以0.1mm/s的加载速度采用三角波的方式进行试验，得到后纵臂轴套X方向静刚度曲线，如图3所示，相应数据见表1。

　　图4为X方向静刚度随着温度的变化曲线。由图可见，静刚度基本上随着温度的下降而增大，-40℃时的静刚度约为80℃时静刚度的1.3倍。以常温时的静刚度为基准，在-40℃时，静刚度提高了24.4%(表1)，而在0℃以上温度段内变化不大。这说明与高温段内的变化相比，在低温段内橡胶部件的静态特性变化较明显。

　　3 动态特性试验研究

　　3.1 振幅为0.1mm时的动态试验

　　图5和图6分别为在不同温度下后纵臂轴套的动刚度和相位角随频率而变化的曲线。-40和80℃两种温度下的相应数据见表2和表3。可以看出，随着温度的下降，轴套的动刚度和相位角都不断增大。在5~100Hz范围内，-40℃温度下的动刚度为80℃温度下的9.4倍，而-40℃温度下的相位角为80℃温度下的4.5~5.9倍。忽略最高频率点(100Hz)，同一温度下的动刚度和相位角都随频率的升高而增大。且动刚度的变化幅度比相位角大，低温时的变化幅度比高温时大。

　　图7和图8分别为加载振幅为0.1mm､加载频率为5Hz时轴套的动刚度和相位角随温度而变化的曲线。可以看出，随着温度上升，轴套的动刚度和相位角一直下降，尤其是在低温段内，其变化率更大。

　　虽然可使用多种工艺对轴套进行硫化处理，但硫化后的轴套仍包含着很多纯天然橡胶的成分，且这个温度段正好处于迁移相(图2)，因此在低温段内，轴套的特性变化更明显。

　　3.2 振幅为0.5mm时的动态试验

　　图9和图10分别为振幅为0.5mm时在不同温度下轴套的动刚度和相位角随频率而变化的曲线。从图可以看出，动刚度和相位角随温度的变化趋势与振幅为0.1mm时相同。

　　在5~100Hz范围内，-40℃时的动刚度约为80℃时动刚度的2~4倍，而-40℃时的相位角约为80℃时的3~6倍。但同一温度下动刚度和相位角随频率的变化趋势则与振幅为0.1mm时有所不同。

　　以-20℃为动刚度和相位角随频率变化趋势的分水岭：温度高于-20℃时，动刚度和相位角随着频率的升高稍有增大；而温度低于-20℃时，随着频率的升高，动刚度和相位角呈先增大后减小的趋势。 

　　3.3 振幅为1mm时的动态试验 

　　图11和图12分别为振幅1mm时不同温度下轴套动刚度和相位角随频率而变化的曲线。由图可见，动刚度和相位角随温度的变化趋势仍与振幅为0.1和0.5mm时相似；且在5~50Hz范围内，-40和80℃下动刚度和相位角的变化倍数与振幅为0.5mm时约同。但同一温度下动刚度和相位角随频率的变化趋势又不相同，忽略最低频率点(5Hz)，仍以-20℃为分水岭：温度高于-20℃时，动刚度和相位角随频率变化不大；而温度低于-20℃时，动刚度和相位角随频率的升高而不断减小，且降幅显然大于振幅为0.5mm时。

　　3.4 Payne效应

　　图13和图14分别为加载频率为10Hz时，不同温度下轴套的动刚度和相位角随振幅而变化的曲线(Payne效应)。

　　4 结论

　　通过对某款A级轿车的后纵臂轴套件低温状态下的试验得到如下结论。

　　(1)静刚度受温度变化的影响。随着温度下降，静刚度增加。在0℃以下低温段内，静刚度的变化较大，而在0℃以上温度段内，环境温度对静刚度的影响不大。

　　(2)动态试验结果表明，随着温度的下降，动刚度与相位角都不断增大。但在同一温度下动刚度和相位角随加载频率而变化的趋势却在不同振幅时呈现不同的规律：大体上说，高温段的变化较小，低温段的变化较大，且温度越低，变化幅度越大；小振幅(0.1mm)时，动刚度和相位角随频率的升高而增大；中振幅(0.5mm)时，随着频率的升高，动刚度和相位角呈现先增后减的趋势，且峰值点随温度的降低向低频方向移动；大振幅(1.0mm)时，动刚度和相位角随着频率的升高而减小。

　　总之，与高温时相比，在低温下橡胶部件的动态特性变化较大。因此在汽车设计､生产和调校时应充分考虑汽车底盘橡胶部件的低温特性，以保证整车有较好的耐寒性。

来源：期刊—汽车工程

作者：金耿日^1，2，管欣¹，詹军¹，郭睿¹

　　(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室；2.金策工业综合大学)

来源：汽车材料网