摘要：鑒于目前對低溫環境下汽車性能與底盤橡膠部件特性關系的探索較少，本文中以某轎車的后縱臂軸套為例，重點對橡膠部件在不同狀態下的低溫特性進行試驗研究。結果表明，低溫對橡膠部件動態特性的影響較大，故建議在進行整車性能調校時應充分考慮底盤橡膠件的低溫特性。

　　關鍵詞：底盤橡膠部件；環境溫度；低溫特性

　　前言

　　隨著汽車工業的發展，越來越多的橡膠部件用于汽車上。橡膠部件作為提高汽車運動品質的重要部件，在汽車減振?隔振和降噪等領域起著關鍵作用^[1-2]。

　　目前，常規工況下的橡膠部件特性在整車性能匹配上的重要作用已被廣大研究人員所認知，所設計的汽車已基本滿足廣大用戶的需求。但隨著汽車在三高(高原?高寒?高溫)狀態下的使用增多，人們對其性能要求也逐漸提高。而在底盤橡膠件設計?生產和調校時一般沒有考慮其使用環境溫度的影響，因此往往出現在常溫下調校好的汽車到了冬天或者高寒地區其性能下降，例如汽車冷起動抖振嚴重，汽車行駛舒適性降低，車輛行駛噪聲增大等。因此，研究三高環境下底盤橡膠部件特性的變化規律和對汽車性能的影響刻不容緩。

　　目前針對溫度影響的研究主要有兩個方面。一是耐久性，即研究性能老化和使用壽命。二是汽車在三高環境中的性能，即某個總成或整車在極限環境溫度下的性能。關于前者，目前大多數生產商都在室溫環境下進行長時間的疲勞試驗，或用熱氧加速老化的方法評價其使用壽命(時間或循環次數)^[3]。關于后者，其理論研究極少^[4-5]。

　　關注和研究底盤橡膠部件整個使用環境溫度段，尤其是在高寒地區下橡膠部件的性能變化特性的文獻很少?？紤]到影響高寒地區整車性能下降的因素較多，本文中將汽車底盤橡膠部件的高寒特性為研究對象，重點研究環境溫度對其動態特性變化的影響。

　　1 試驗準備與試驗設計

　　為研究各種溫度段內底盤橡膠部件的特性變化，本文中選取一種典型的橡膠襯套，即某轎車后縱臂軸套(見圖1)進行研究，這種懸架襯套主要承受汽車加速和制動時的縱向載荷和轉彎時的側向載荷，對減少汽車運動狀態改變時零部件之間的沖擊起重要作用。

　　考慮到汽車底盤橡膠部件中含有很多純天然橡膠，其特性與純天然橡膠的特性類似。圖2為純天然橡膠隨著溫度的動態特性變化。由圖可以看出，低溫段屬于從玻璃相遷移到橡膠相的過渡階段，在這個范圍內，動態特性變化非常大。因此本文中在研究底盤橡膠部件在不同溫度下動剛度和相位角的變化特性時將試驗溫度點設為：-40，-35，-30，-25，-20，-15，-10，-5，0，20，40，60和80℃。

　　每次試驗前，為消除Mullin效應，先用測量范圍1.1倍的力進行3次靜態試驗，然后進入正式測試階段。

　　為消除傳感器噪聲的影響，提高數據的可靠性和真實性^[6]，本文中利用Matlab語言對采集信號進行預處理。

　　2 靜態特性試驗研究

　　底盤橡膠部件的主要特性有頻率依賴性?振幅依賴性和溫度依賴性^[7-10]。橡膠部件的常規特性試驗有兩種，即靜態特性試驗和動態特性試驗。

　　靜態特性指的是在靜態載荷作用下橡膠部件的特性，例如汽車在停放狀態下橡膠部件的剛度特性。通過靜剛度的調整可控制整車和各總成的定位參數。

　　本文中以0.1mm/s的加載速度采用三角波的方式進行試驗，得到后縱臂軸套X方向靜剛度曲線，如圖3所示，相應數據見表1。

　　圖4為X方向靜剛度隨著溫度的變化曲線。由圖可見，靜剛度基本上隨著溫度的下降而增大，-40℃時的靜剛度約為80℃時靜剛度的1.3倍。以常溫時的靜剛度為基準，在-40℃時，靜剛度提高了24.4%(表1)，而在0℃以上溫度段內變化不大。這說明與高溫段內的變化相比，在低溫段內橡膠部件的靜態特性變化較明顯。

　　3 動態特性試驗研究

　　3.1 振幅為0.1mm時的動態試驗

　　圖5和圖6分別為在不同溫度下后縱臂軸套的動剛度和相位角隨頻率而變化的曲線。-40和80℃兩種溫度下的相應數據見表2和表3。可以看出，隨著溫度的下降，軸套的動剛度和相位角都不斷增大。在5~100Hz范圍內，-40℃溫度下的動剛度為80℃溫度下的9.4倍，而-40℃溫度下的相位角為80℃溫度下的4.5~5.9倍。忽略最高頻率點(100Hz)，同一溫度下的動剛度和相位角都隨頻率的升高而增大。且動剛度的變化幅度比相位角大，低溫時的變化幅度比高溫時大。

　　圖7和圖8分別為加載振幅為0.1mm?加載頻率為5Hz時軸套的動剛度和相位角隨溫度而變化的曲線。可以看出，隨著溫度上升，軸套的動剛度和相位角一直下降，尤其是在低溫段內，其變化率更大。

　　雖然可使用多種工藝對軸套進行硫化處理，但硫化后的軸套仍包含著很多純天然橡膠的成分，且這個溫度段正好處于遷移相(圖2)，因此在低溫段內，軸套的特性變化更明顯。

　　3.2 振幅為0.5mm時的動態試驗

　　圖9和圖10分別為振幅為0.5mm時在不同溫度下軸套的動剛度和相位角隨頻率而變化的曲線。從圖可以看出，動剛度和相位角隨溫度的變化趨勢與振幅為0.1mm時相同。

　　在5~100Hz范圍內，-40℃時的動剛度約為80℃時動剛度的2~4倍，而-40℃時的相位角約為80℃時的3~6倍。但同一溫度下動剛度和相位角隨頻率的變化趨勢則與振幅為0.1mm時有所不同。

　　以-20℃為動剛度和相位角隨頻率變化趨勢的分水嶺：溫度高于-20℃時，動剛度和相位角隨著頻率的升高稍有增大；而溫度低于-20℃時，隨著頻率的升高，動剛度和相位角呈先增大后減小的趨勢。 

　　3.3 振幅為1mm時的動態試驗 

　　圖11和圖12分別為振幅1mm時不同溫度下軸套動剛度和相位角隨頻率而變化的曲線。由圖可見，動剛度和相位角隨溫度的變化趨勢仍與振幅為0.1和0.5mm時相似；且在5~50Hz范圍內，-40和80℃下動剛度和相位角的變化倍數與振幅為0.5mm時約同。但同一溫度下動剛度和相位角隨頻率的變化趨勢又不相同，忽略最低頻率點(5Hz)，仍以-20℃為分水嶺：溫度高于-20℃時，動剛度和相位角隨頻率變化不大；而溫度低于-20℃時，動剛度和相位角隨頻率的升高而不斷減小，且降幅顯然大于振幅為0.5mm時。

　　3.4 Payne效應

　　圖13和圖14分別為加載頻率為10Hz時，不同溫度下軸套的動剛度和相位角隨振幅而變化的曲線(Payne效應)。

　　4 結論

　　通過對某款A級轎車的后縱臂軸套件低溫狀態下的試驗得到如下結論。

　　(1)靜剛度受溫度變化的影響。隨著溫度下降，靜剛度增加。在0℃以下低溫段內，靜剛度的變化較大，而在0℃以上溫度段內，環境溫度對靜剛度的影響不大。

　　(2)動態試驗結果表明，隨著溫度的下降，動剛度與相位角都不斷增大。但在同一溫度下動剛度和相位角隨加載頻率而變化的趨勢卻在不同振幅時呈現不同的規律：大體上說，高溫段的變化較小，低溫段的變化較大，且溫度越低，變化幅度越大；小振幅(0.1mm)時，動剛度和相位角隨頻率的升高而增大；中振幅(0.5mm)時，隨著頻率的升高，動剛度和相位角呈現先增后減的趨勢，且峰值點隨溫度的降低向低頻方向移動；大振幅(1.0mm)時，動剛度和相位角隨著頻率的升高而減小。

　　總之，與高溫時相比，在低溫下橡膠部件的動態特性變化較大。因此在汽車設計?生產和調校時應充分考慮汽車底盤橡膠部件的低溫特性，以保證整車有較好的耐寒性。

來源：期刊—汽車工程

作者：金耿日^1，2，管欣¹，詹軍¹，郭睿¹

　　(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.金策工業綜合大學)

來源：汽車材料網