橡胶复合材料制备的空气弹簧性能分析

冯帆

摘 要：对橡胶复合材料的疲劳裂纹扩展进行研究。利用对橡胶复合材料制备的空气弹簧配方进行实验的方式，炼制出混炼胶，将该胶体放入特别的模具中，然后连同模具一并放入硫化机中进行硫化;采用空气弹簧性能分析的方法对性能进行测试，结果表明：空气弹簧的疲劳寿命可达到650万次左右，各项性能指标均符合国家设立的标准;可为多种领域的发展营造良好氛围。

关键词：橡胶复合材料;空气弹簧;疲劳性能;裂纹扩展

中图分类号：TQ050.4+3;TH135       文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）01-095-04

Performance analysis of air spring prepared from rubber composite material

FENG Fan

（Shaanxi National Defense Industry Vocational and Technical College，Xi′an 710300，China）

Abstract：To analyze performance of air spring rubber composite materials preparation，on the fatigue crack growth of the rubber composite material research，the use of rubber air spring formula experiment of the preparation of composite materials，refined out of mixing rubber，and the colloid into special molds，connected with mold vulcanization into vulcanizing machine.The method of air spring performance analysis is used to study the performance.The test results showed that the fatigue life of air spring could reach about 6.5 million times，and the performance met the national standards set for the spring，which could create a good atmosphere for the development of a variety of fields.

Key words：rubber composites;air spring;fatigue performance;cack propagation

随着我国经济的不断发展，人们的整体生活水平逐渐增长，该现象促使我国汽车领域的发展规模越来越大，而车辆悬挂系统中最关键的组件为空气弹簧，该组件可有效保证汽车的减震、缓冲等功能，但是，为最大限度的保证车辆的稳定性以及乘客的安全，大部分车辆中的空气弹簧未到使用年限即更换，基于此，本文针对橡胶复合材料制备的空气弹簧性能进行如下分析。

1 空气弹簧的概述分析

1.1 结构和材料分析

通过研究可知，空气弹簧主要由3部分组成，分别是上盖板、下盖板以及橡胶气囊。通常情况下，盖板的主要制作材料为缸体材料，而橡胶气囊主要由帘线层、内外层胶等材料经过硫化而制成，使空气弹簧在性能方面具有良好的耐压性和耐用性，为保证空气弹簧具有一定耐侵蚀性，针对空气弹簧进行密封。当前市面上针对空气弹簧进行密封的方法主要包括两种，螺钉密封式和压力自封式，其中压力自封式密封法凭借便捷性等优势，被广泛应用于多种领域[1]。

1.2 空气弹簧的分类

通常情况下可将空气弹簧分为两种，分别是囊式和膜式，二者之间性能各不相同。

（1）囊式空气弹簧的使用寿命相对来讲较长，但是该弹簧的制作工艺过于复杂，并且成品的稳定性较差，不适合广泛应用;

（2）膜式空气弹簧内部刚度较小，可有效控制该弹簧的弹性特性曲线，但该弹簧的耐久程度较差[2]。

2 橡胶疲劳裂纹扩展研究方法

2.1 裂纹成核法

通过分析可知，裂纹成核法下的橡胶材料具有一定的使用寿命，可形成裂纹成核寿命，而裂纹成核寿命实际上指的是：橡胶材料中某一尺寸出现裂纹时所经历的载荷循环次数，该裂纹的产生主要与橡胶材料在不同外力作用下所决定，并且该材料的疲劳寿命可通过应变能密度进行观察。将该材料应用于实际中可发现，该材料易受外界因素影响而出现疲劳，为针对材料的疲劳使用寿命进行预测，采用S-N曲线法，S-N曲线如图1所示[3]。

2.2 裂纹扩展法

从能量的角度对该裂纹进行分析可知，造成材料出现裂纹的主要原因是：橡胶材料长时间被外界恶劣环境所侵蚀，促使材料出现裂纹现象。而裂纹扩展法主要是在Griffith断裂理论的基础上提出的，该方法的主要观点是材料出现断裂的情况下，应使断裂部分重新产生新的表面，这有利于保证材料的使用寿命[4]。

2.3 有限元法

空气弹簧主要应用于工业领域，随着我国经济水平的不断增长，空气弹簧的使用量处于递增状态，该现象造成空气弹簧的失效成品数量居多，不利于保证人身安全。为此，针对空气弹簧的使用寿命进行预测至关重要。而有限元分析方法可针对空气弹簧的寿命进行分析，分析步骤主要包括前处理、输入文件、模拟计算、输出文件以及后处理，该方法可針对空气弹簧的裂纹扩展区域进行高效研究，具有较强优势[5]。

3 橡胶复合材料制备的空气弹簧配方实验

3.1 空气弹簧实验配方

为针对不同材料用量下的空气弹簧性能进行研究，本文采取空气弹簧配方实验的方式，对空气弹簧性能进行分析。空气弹簧配方实验开始之前，应针对实验配方进行研究。空气弹簧实验配方主要按照质量份的方法进行配比，其中NR 100、N33030、氧化锌5、硬脂酸2、石蜡1、防护蜡1、防老化剂4010 2、防老剂RD 1、Si69 1、C5树脂4、硫磺2、促进剂NOBS 1、促进剂DM 1 、芳烃油V700 1、再生胶粉（粒度1.25～1.9 mm）0、5、10、20、30[6]。

3.2 混炼工艺

橡胶复合材料制备的空气弹簧混炼工艺主要包括两个阶段：

（1）混炼。首先应将橡胶复合材料切割成细条状后，放入BL-6157型开炼机中进行开炼，橡胶复合材料完毕后，将该材料置于密炼机中，在温度为90 ℃、转速为80 r/min的环境下，将该材料混炼1 min，混炼完毕后，向其加入抗老化剂、石蜡、树脂等材料继续混炼1 min，并依次向仪器设备中加入CBN330持续混炼1 min，最后向该仪器中放入V700混炼1 min，直至全部材料混合均匀后，将仪器中的胶料排除仪器外;

（2）开炼。将混炼后排除仪器外的胶料进行冷却，时间大约为2～3 h，冷却完毕后，将该材料放入开炼机中进行调节至最小辊筒距离，在胶料处于堆积状态、并堆积至开炼机的顶部时，向仪器中加入促进剂NOBS、DM、ZnO以及普通硫磺，通过不同添加剂的使用，可使胶料处于硫化状态，在材料全部混合均匀后，可进行薄通8～10次，并将该材料进行下片冷却，时间为8 h[7]。

通过混炼以及开炼工艺可形成混炼胶，将该胶体放入本文特别准备的模具中，连同模具一并放入硫化机中进行硫化，硫化过程中应保证温度为150 ℃、压力为10 MPa、时间为1.3×tc90，硫化完毕后放置专门地点待用。

4 橡胶复合材料制备的空气弹簧性能分析

4.1 不同复合材料用量硫化性能

复合材料制备的空气弹簧具有一定的硫化性能，为此，针对橡胶复合材料制备的空气弹簧的硫化性能进行分析，通过分析可知，再生胶粉的用量与硫化性能存在直接关系，从某种意义上讲，再生胶粉的含量可使空气弹簧的含胶率大大降低，除此之外，再生胶粉的含量与交联密度也存在一定关联，随着再生胶粉含量的持续增长，交联密度处于降低趋势，再生胶粉用量对胶料硫化性能的影响如图2所示[8]。

4.2 不同复合材料用量机械性能及耐臭氧老化性能

通过上述分析可知，在空气弹簧的制备过程中加入再生胶粉，对于空气弹簧的性能存在一定影响，该影响可体现在胶粉加入的过程中，胶料的物理力学性能明显下降，为保证该胶料在性能方面具有较好的效果的同时，将胶料的生产成本降至最低，可将再生胶粉在原有用量的基础上再加20～30份，通过研究表明，在该用量下的物理机械性能可满足空气弹簧的生产需求，不同复合材料用量力学性能及老化性能参数如表1所示[9]。

4.3 不同复合材料用量RPA老化性能

为验证混炼胶的RPA老化性能，将制成的混炼胶放入热氧老化箱，并将热氧老化箱的温度调至100 ℃，时间为24 h，在该环境下进行性能分析，可准确验证老化前后G’的比值，而G’的比值可深刻反映出混炼胶的RPA老化性能，不同的比值所表明的性能好坏也各不相同，其结果可反映出，向混炼胶中加入再生胶粉的份数为20～30份时，混炼胶的RPA老化性能较好，此时的产品可满足性能需求[10]。

4.4 成品疲劳性能分析

为验证空气弹簧成品的疲劳性能，采用双工位空气弹簧疲劳试验机针对该成品进行测试分析。在测试过程中首先对空气弹簧成品进行气密性检查，并将每次检查的时间控制在24 h，通过该检查可测量出本次试验的压力和最大外径，若测试结果显示压强降低0.1 MPa或者出现帘线外露情况时，即可认为该弹簧出现疲劳，且疲劳已经失效。最终结果显示，通过橡胶复合材料制备的空气弹簧成品性能较好，其中疲劳寿命可达到650万次左右，并且各项性能符合国家对该弹簧设立的标准，空气弹簧寿命实验结果如表2所示。

5 结语

综上所述，通过对空气弹簧进行分析可知，空气弹簧属于一种非金属弹簧，具有较好的非线性特性，对于车辆的稳定性具有显著提升作用。因此，空气弹簧被广泛应用于车辆和工业等多种领域。随着我国经济水平的不断增长，空气弹簧的使用量处于递增状态，该现象造成空气弹簧的失效成品数量居多，不利于保证人身安全，为此，本文针对橡胶复合材料制备的空气弹簧的性能进行分析，通过测试结果可知，该空气弹簧疲劳寿命可达到650万次左右，并且各项性能符合国家针对该弹簧设立的标准。

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