发动机隔振器用橡胶材料

发动机隔振器用橡胶材料王鹏;苏正涛;赖亮庆;蒋洪罡;王景鹤【摘要】Thekeypropertiesoftheengineisolatemountrubbersaredynamicmodulusanddamping.Thestrainamplitude,repeatedcyclingandtheeffectoftemperatureonthesepropertiesarealsoimportantparameterstoevaluatethevibration-isolatingrubbermaterials,includingnaturalrubber(NR),polybutadienerubber(BR),epoxidizednaturalrubber(ENR),Neoprene(CR),ethylene-propylene-dienemonomer(EPDM)/nylon6blendsystems,NitrileRubber(NBR)/Poly(MethylMethacrylate)(PMMA)blendsystems,andsoon.Allaboverubbermaterialsandcorrespondingcompositematerialsaswellastheirvibration-isolating/antivibrationproperties,includingthecorrelationsbetweendampingfactor,energyloss,dampingconstant,andvibrationtransmissibilityratio,wereintroduced.%发动机隔振器用橡胶材料的关键性能为动态模量和阻尼性能。应变幅值、重复循环和温度的影响是评估隔振橡胶材料的重要判别标准。这类材料包括天然橡胶(NR)、丁基橡胶(BR)、环氧化天然橡胶(ENR)、氯丁橡胶(CR)、三元乙丙(EPDM)/尼龙6共混物、丁腈橡胶(NBR)/(聚甲基丙烯酸甲酯)PMMA共混物等。介绍了上述橡胶材料、橡胶基复合材料及其隔振、抗振性能。这些性能包括阻尼系数、能量损耗、阻尼常数和振动传递比率之间的关联性。【期刊名称】《广州化工》【年(卷)，期】2015(000)013【总页数】3页(P55-57)【关键词】发动机隔振器;动态模量;阻尼;隔振橡胶材料；抗振【作者】王鹏;苏正涛;赖亮庆;蒋洪罡;王景鹤【作者单位】北京航空材料研究院，减振降噪材料及应用技术航空科技重点实验室，北京100095;北京航空材料研究院，减振降噪材料及应用技术航空科技重点实验室，北京100095;北京航空材料研究院，减振降噪材料及应用技术航空科技重点实验室，北京100095;北京航空材料研究院，减振降噪材料及应用技术航空科技重点实验室，北京100095;北京航空材料研究院，减振降噪材料及应用技术航空科技重点实验室，北京100095【正文语种】中文【中图分类】TQ336.8发动机隔振器是指安装在发动机与发动机框架之间的支撑部件，主要起到承载、限位和振动隔离作用［1］。常用于汽车和航空航天领域并将机舱与发动机部分的振动隔离开。而橡胶隔振器由于出色的隔振性能和较好的性价比，作为隔振元件广泛应用于中重型货车以及航空发动机装配设计［2］中。为了减少车体噪声和振动，发动机安装系统的自然频率(发动机的刚体模态)应当设计的低于发动机怠速运转时的状态。通过适当的前六阶模态设计使其低于发动机怠速状态时状态，可以在更高的频率范围内把车体与发动机的振动隔离开。但前提是必须通过发动机安装座的动态刚度来计算工作频率。而在民用航空领域，发动机安装座可在高达1000Hz的频率下运转，而在军用航空领域这一频率则高达5000Hz。在这样高的频率下，隔振底座不仅充当了弹簧的角色而且有许多内在的振动模式［3］。最近的研究和开发努力集中于改进发动机隔振器技术来达到更高的振动隔离、提高交通工具抗振效果和降噪的目的，而这些改进目标的实现首先需要隔振器中的橡胶材料具有良好的压变和老化性能［4］。材料的发展为发动机隔振器的改进做出了主要的贡献。一些新的橡胶材料也研制出来用于开发带有阻尼性能的隔振器，其中有一些能够耐受发动机舱的高温。在设计与加工技术的帮助下，橡胶材料可以提供特定的动态性能并可以改进隔振性能稳定性从而适应不断变化的汽车或飞机使用环境。但是单独使用弹性发动机安装底座并不能实现现代交通工具中所需要的复杂刚度与阻尼性能的集成，而这种刚度与阻尼性能的集成恰恰是反映发动机隔振安装系统表现的重要动态行为［3］。因此液压安装底座被开发出来，这相当于把传统的金属橡胶复合结构安装座与粘弹性阻尼器复合在一起［5］。另外，一些包含主动控制机制的磁粘弹隔振器［6］也被设计出来应用于内燃机或高端交通工具。尽管随着交通工具的发展，新结构、新材料和新的发动机隔振机制也在不断发展，橡胶材料本身仍在发动机隔振器领域占据着决定性地位。这些橡胶材料主要包括NR［4,7］,NR/BR［8-10］,ENR/CR［11］，EPDM/尼龙6［12］和NBR/PMMA［13］并用体系等。在评估潜在的发动机隔振器用橡胶材料时，常常需要使用拉伸幅值、疲劳循环及其高低温性能变化作为初步的选材标准。这些橡胶材料的其他抗振、隔振性能也将被介绍。橡胶的基础生胶是一类聚合物材料。通过加入一些其他材料（如填料、硫化剂或油类物质）并施加热和压力，生胶中的分子链能够彼此发生化学交联从而获得对于发动机隔振器十分重要的优异弹性。主要有两种类型的橡胶应用于发动机隔振器。一种是天然橡胶，这种橡胶拥有几乎线性的弹性行为并且拥有超群的抗蠕变特性。但是，它不能暴露于大气环境因为臭氧会破坏这一类型的橡胶。另一类称作高阻尼橡胶，这些橡胶通常通过石油的衍生产品作为单体来制备，并且展示了非线性的弹性行为，并且它的性能通过改变其中不同材料的比例来改变以满足特定的应用目的［14］。下面将对隔振器用橡胶进行分类介绍。NR橡胶隔振器的动态性能非常依赖于橡胶化合物的组成。小粒径炭黑N220和大粒径炭黑N774组成的复合填料（N220/N774）对天然橡胶复合材料机械力学和老化性能的影响被研究。研究结果表明，复合填料/橡胶复合材料比原有的发动机隔振器用橡胶复合材料拥有更好的压变性能和回弹性能。而复合炭黑填料中粒径较大的填料有助于保持高的伸长率，而拉伸模量和拉伸强度则依赖于小粒径炭黑的存在。高温试验评估结果表明，复合炭黑填料的引入能够改善硬度、压缩永久变形性能和老化性能及与之相关的高回弹性［4］。另夕卜两种规格的炭黑（N550和N772）的复合使用对NR基复合材料的撕裂强度和动态性能（如弹簧刚度系数Kd/Ks和tanS）,同时研究了应用这类NR基复合材料的两种硫化体系（常规和半有效硫化体系）对材料性能的影响。另外，使用一个十分简单的发动机安装座［7］（图1）测试了材料的动态性能。结果发现使用半有效硫化体系，N550和N772的用量分别为25phr和34.5phr时最有效。NR/BR并用NR以优异的固有强度、抗大应变能力和裂纹扩展阻止能力著称。BR则展示更好的耐磨性、回弹性和抗裂纹萌生能力。因此NR与BR的并用在各种各样的橡胶制品中拥有广泛的应用前景，包括轮胎的胎面胶、胎侧胶和发动机隔振器［9-10］。温度历史对NR/BR并用体系的Mullins交攵应的影响，恢复行为以及速率依赖性被系统地研究。为了研究低温和大应变对Mullins效应的影响，应用了不同温度下循环应变控制过程。结果显示，NR/BR并用胶的材料行为不仅仅依赖于应变的历史和当时的热力学温度，而且依赖于整个温度历史。并且，在试验的同时，橡胶的自我修复也在发生［10］。ENR/CR并用体系由于它们高的阻尼性能，ENR和CR以不同配比比例来进行共混并用。同时测试了硫化后的ENR/CR并用胶的动态机械性能、滞变性能和振动传递系数(Tr)。测试结果被用于评估抗振和隔振效果。这些评估是通过研究阻尼系数(tan8),能量损耗(△W)，阻尼常数甲)和振动传递比率来实现的。表1［11］汇总了从剪切滞变效应中获得的损耗能量(AW)，阻尼常数甲)和阻尼系数(tan8)。ENR/CR并用胶20°C时的tanS值对Tr和阻尼因子(&的影响在图2中展示。从图2中我们可以看到E随着tanS值的增大而增大。这种关联性将有助于未来设计合适的并用体系来实现抗振和隔振。基于振动传递比率结果，CR展示了相对于ENR来说更好的抗振表现［11］。EPDM/尼龙6并用体系橡胶/树脂并用体系已经被作为热塑性弹性体(TPEs)商业化应用。热塑性硫化橡胶(TPVs)作为TPEs的一个特殊部分可以被作为热塑性聚合物在高温熔融状态下加工。在高温下与热塑性聚合物混合时使用适当的方法硫化橡胶相。通过动态橡胶硫化工艺制备了可用作TPVs的EPDM/尼龙6并用体系。通过确定机械性能和滞变行为对该并用体系进行了评估。发现TPVs的机械性能比那些用存在相容问题的EPDM橡胶和尼龙6树脂材料直接共混得到的TPE材料要好。已经证明了TPV材料的抗振性能比TPE材料体系要好，且动态橡胶硫化和尼龙6的比例在依据隔振和抗振的表现设计材料时显得十分重要［12］。NBR/PMMA并用体系互穿网络聚合物(IPNs)是掺混料的分支，它拥有在构成IPNs的聚合物之间不存在共价键的联锁结构。这类聚合物应用于振动基板带来了机械振动的消弱，这降低了传递的噪声并且减小了基板的疲劳行为。基于NBR和PMMA制备的IPNs通过改变膨胀时间来改变。在重量比为62/38的NBR/PMMA多级IPN(MIPN)中，tanS曲线展示出在NBR和PMMA之间的孤立的峰。这表明在重复的单体膨胀和分级硫化过程中分离出了一些组分。这也意味着可以通过联合两种或更多的单体并通过MIPN途径来实现梯度阻尼[13]。尽管树脂及复合材料被开发出来，橡胶和橡胶/树脂复合材料仍旧在发动机隔振器领域占据着支配性的地位。发动机隔振器用橡胶材料的选择并非简单直接，而是应当综合考虑橡胶材料的阻尼系数(tan8)、能量损耗(AW)、阻尼常数甲)、振动传递比率以及它们之间的关联。⑶橡胶材料的动态机械性能作为频率和应变幅值的函数被确认，其抗疲劳性能和环境适应性(如温度和接触介质)在发动机隔振器中应用时也应当被考虑到。【相关文献】余天超，孙永厚，刘夫云.发动机橡胶隔振器动特性分析[J].机械设计与制造，2013(12):235237.王春红，刘波，贾宏光，等.航空发动机橡胶悬置静态特性的仿真研究[J].计算机仿真，2014,31(2):102-106.VahdatiN,SaundersLKL.Highfrequencytestingofrubbermounts[J].ISATransactions,2002,41:145-154.RashidAA,YahyaSR.Mechanicalandageingpropertiesofhybridcarbonblackfillednaturalrubbercompositesforenginemountapplication[A].6thAsian-AustralasianConferenceonCompositeMaterials:ProgressofComposites2008[C].AsiaandAustralasia:ACCM,2008:300-303.龙岩，史文库,骆联盟，等.橡胶主簧的有限元分析及对液阻悬置性能的影响[J].机电工程，2008,25(4):48-51.刘勇彪，林敏.磁流变隔振器隔振性能对比试验研究[J].甘肃科技，2011,27(16):45-47.GomesMJM,PouzadaAS.Dynamicbehaviourofrubbercompoundsforenginemounts[J].KeyEngineeringMaterials,2002,230-232:303-306.GhoshP,StocekR,GehdeM,etal.Investigationoffatiguecra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