摘 要 ：發(fā)動(dòng)機(jī)懸置橡膠元件的耐疲勞特性嚴(yán)重影響其使用壽命。闡述了橡膠元件的疲勞破壞機(jī)理和橡膠元件疲勞壽命的影響因素，以及國(guó)內(nèi)外在天然橡膠疲勞壽命預(yù)測(cè)和懸置橡膠元件疲勞破壞方面的研究進(jìn)展情況,并指出了懸置橡膠元件抗疲勞設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 ：懸置橡膠元件 ；疲勞破壞 ；壽命預(yù)測(cè)

從19世紀(jì)中葉起，橡膠就成為一種重要的1二程材料。由于橡膠具有良好的彈性且容易變形，因此被廣泛應(yīng)用于載重結(jié)構(gòu)的座架、彈簧、密封件、減震襯墊、聯(lián)軸器和輪胎等：在許多情況下，橡膠部件的使用往往給主要的工程問(wèn)題提供了一種簡(jiǎn)單和巧妙的解決辦法。而且，橡膠與金屬的結(jié)合能夠構(gòu)造各式各樣符合實(shí)際需求的橡膠支座。T程實(shí)踐證明：橡膠支座能有效地改善設(shè)備的振動(dòng)受力狀態(tài)，減少振動(dòng)和沖擊。而橡膠支座良好的減振作用，橡膠的作用功不可沒(méi)。作為橡膠支座的一種，懸置橡膠元件主要分布在發(fā)動(dòng)機(jī)與車身連接處、變速箱與車身連接處和傳動(dòng)軸中間支撐等處，對(duì)減緩車輛振動(dòng)、提高行駛平順性起到重要的作用。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)懸置橡膠元件來(lái)說(shuō)，其主要作用是衰減發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到車身的振動(dòng)，改善車輛的NVH性能。一旦其發(fā)生疲勞破壞，則無(wú)法起到減振的目的。因此，研究懸置橡膠元件的疲勞破壞特性具有很重要的意義。

下面針對(duì)橡膠元件的破壞機(jī)理以及影響橡膠元件疲勞破壞的因素進(jìn)行了歸納．并介紹了目前同內(nèi)外天然橡膠疲勞壽命預(yù)測(cè)和懸置橡膠元件疲勞特性方面的研究進(jìn)展情況 。

1 橡膠元件的疲勞破壞機(jī)理

對(duì)金屬材料的特性進(jìn)行表征時(shí)只需要相對(duì)較少的參數(shù)，與金屬材料不同，橡膠材料的特性是十分復(fù)雜的。橡膠的材料特性和幾何特性都是呈非線性的。而且橡膠材料受溫度、周圍介質(zhì)、應(yīng)變歷史、加載速率和應(yīng)變量大小等因素的影響十分敏感，因此，橡膠的機(jī)械性質(zhì)也就變得更加復(fù)雜。此外，收稿日期：2008—12—04橡膠類材料在受力狀態(tài)下體積沒(méi)有明顯變化，因此人們常常假定橡膠元件具有不可壓縮性 。目前對(duì)于橡膠元件的疲勞破壞機(jī)理主要有_三種觀點(diǎn)：唯象論、斷裂力學(xué)理論和分子運(yùn)動(dòng)論。唯象論認(rèn)為，橡膠的疲勞破壞和其他材料一樣，也是由于材料內(nèi)部或表面已經(jīng)存在的或引入的微小缺陷引發(fā)的裂紋并不斷傳播擴(kuò)展而導(dǎo)致的。斷裂力學(xué)認(rèn)為，破壞是基于裂紋擴(kuò)展而并非材料塑性變形所致，裂紋的擴(kuò)展可以看做是在裂紋尖端處的分子鏈在高度應(yīng)力集中情況下產(chǎn)生粘彈性伸長(zhǎng)，直至斷裂。分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為，橡膠的疲勞破壞源于材料自身分子鏈上化學(xué)鍵的斷裂，即在周期應(yīng)力應(yīng)變的作用下，應(yīng)力不斷的集中于化學(xué)鍵能比較弱的部位而產(chǎn)生裂紋。右田哲言研究了SBR的硫化橡膠的拉伸疲勞性能，認(rèn)為橡膠的疲勞破壞機(jī)理與疲勞條件有關(guān)。在疲勞條件十分苛刻的情況下，疲勞破壞可以看作是單純破壞的繼續(xù)，不能看作是微小破壞的擴(kuò)展；而在疲勞破壞條件輕緩的情況下，疲勞破壞才可以看作是微小破壞的擴(kuò)展。針對(duì)天然橡膠具體的破壞情況，很多學(xué)者也提出了不同的研究觀點(diǎn)。Legorju-jagoK和BathiasC使用x射線斷層攝影技術(shù)研究了天然橡膠在不同載荷情況下的疲勞特性，發(fā)現(xiàn)疲勞破壞依賴于三個(gè)基本因素，即環(huán)境、化學(xué)和力學(xué)因素。JosephTSouth等研究了天然橡膠的裂紋增長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)天然橡膠在平面應(yīng)變條件下的裂紋增長(zhǎng)速度是平面應(yīng)力條件下的100倍。LeCamJB等研究了炭黑填充的天然橡膠疲勞裂紋增長(zhǎng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)疲勞破壞主要是因?yàn)檠趸\粒子與橡膠母體脫離而引起的空洞所致。

2 橡膠元件疲勞壽命的影響因素

2．1 力學(xué)加載過(guò)程的影響

橡膠元件的獨(dú)特性決定了其在工程應(yīng)用中的角色，如前所述，橡膠元件一般適合于三種特殊的使用情況：減振、承受符合和密封。而這三種使用情況都涉及到動(dòng)態(tài)響應(yīng)，只要構(gòu)件承受反復(fù)作用的載荷，就可能導(dǎo)致構(gòu)件的疲勞破壞。在橡膠元件動(dòng)態(tài)疲勞過(guò)程中，所加周期載荷的過(guò)程不同，其疲勞壽命也不同。研究表明：最小應(yīng)變和載荷比R增大時(shí)，橡膠元件的疲勞壽命增加；當(dāng)載荷比R為負(fù)值時(shí)，尤其當(dāng)R=一1時(shí)，即使采用最低的載荷，疲勞裂紋也會(huì)增大，且結(jié)晶不會(huì)發(fā)生；當(dāng)載荷比R較大時(shí)，在裂縫尖端處出現(xiàn)橡膠結(jié)晶，阻礙了裂紋增長(zhǎng) 。

2．2 硫化體系的影響

在普通硫化體系、半有效硫化體系和有效硫化體系中，單硫鍵占大多數(shù)的有效硫化體系抗疲勞特性能最差。對(duì)有預(yù)制裂紋的樣品來(lái)說(shuō)，含普通硫化體系的硫化橡膠的疲勞壽命最短。對(duì)于完好的樣品而言，含普通硫化體系的硫化橡膠的疲勞壽命最長(zhǎng)。國(guó)外一些研究表明：同樣大小的平均交聯(lián)密度下，多硫交聯(lián)鍵耐疲勞性最好，而單硫交聯(lián)鍵居多的硫化膠比過(guò)氧化物硫化具有較低的裂紋增長(zhǎng)速度。

2．3 不同補(bǔ)強(qiáng)體 系的影響

炭黑是天然橡膠最重要的補(bǔ)強(qiáng)性填料，不同炭黑補(bǔ)強(qiáng)的天然橡膠膠料的疲勞斷裂性能表現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)。KimJH和JeongHY通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：在填充高耐磨炭黑N330、通用炭黑N650和中粒子炭黑N990的硫化橡膠疲勞壽命順序?yàn)镹330>N990>N650。HanaiiIsmail和AbdulKhalilHPS研究了含硅烷偶聯(lián)劑和白炭黑的天然橡膠性能，發(fā)現(xiàn)硅烷偶聯(lián)劑的存在，改善了天然橡膠材料的力學(xué)性能，其疲勞壽命和硬度都有較大的提高 。

2．4 工作環(huán)境的影響

天然橡膠的疲勞性能與其工作環(huán)境也有一定的關(guān)系。謝基龍。利用啞鈴狀橡膠試件，研究了空氣、氮?dú)夂退魵猸h(huán)境對(duì)天然橡膠的疲勞壽命的影響。研究結(jié)果表明：在惰性氣體(氮?dú)?中天然橡膠疲勞壽命比空氣中有一定提高，而在水蒸氣中無(wú)明顯變化。而且惰性氣體(氮?dú)?使疲勞裂紋增長(zhǎng)速度下降，氧和臭氧使疲勞裂紋增加加速。同時(shí)，操作溫度對(duì)向橡膠的疲勞壽命也有很大影響，天然橡膠的疲勞壽命隨溫度的升高而降低。

2．5 不同評(píng)定方 法的影響

目前對(duì)于橡膠疲勞壽命的評(píng)定方法，主要有裂紋成核法和裂紋增長(zhǎng)法。不同的評(píng)定方法，也會(huì)導(dǎo)致不同的預(yù)測(cè)結(jié)果。RobertsBJ，BenziesJB和RoachJF通過(guò)研究“發(fā)現(xiàn)，對(duì)于天然橡膠的疲勞壽命，當(dāng)用等應(yīng)變能密度來(lái)進(jìn)行比較時(shí)，等雙軸拉伸的疲勞壽命比簡(jiǎn)單拉伸的疲勞壽命長(zhǎng)；但當(dāng)采用最大主應(yīng)變來(lái)進(jìn)行比較時(shí)，結(jié)論正好相反。RoachJF認(rèn)為出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是簡(jiǎn)單拉伸和等雙軸拉伸實(shí)際用到的應(yīng)變能密度部分不同的原因造成的。

3 天然橡膠的疲勞性能研究

3．1 用斷裂力學(xué)來(lái)研究天然橡膠的疲勞性能Griffith依據(jù)機(jī)械能和表面能之間的平衡，認(rèn)為裂紋擴(kuò)展過(guò)程中系統(tǒng)彈性能的減少為創(chuàng)新裂紋表面提供所需能量，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力受控于斷裂過(guò)程中的能量釋放率。Rivlin和Thomas最早將Griffith的方法(斷裂力學(xué)法)應(yīng)用于橡膠的疲勞性能的研究，他們提出以撕裂能為基礎(chǔ)的參數(shù)研究橡膠的疲勞性能。定義為

式中，下標(biāo)表示試件的長(zhǎng)度；U是彈性應(yīng)變能；A是裂紋的表面積；c是裂紋的長(zhǎng)度；t是試件厚度。從_T程的意義來(lái)講，疲勞通常指循環(huán)載荷作用下由于一條或多條裂紋的擴(kuò)展而導(dǎo)致的破壞。在循環(huán)載荷作用下，通常用周期的裂紋擴(kuò)展速度de／dn來(lái)描述。且有下式

式中，G為應(yīng)變能釋放率。對(duì)上式進(jìn)行積分，就可以得到裂紋從初始長(zhǎng)度擴(kuò)展到最終長(zhǎng)度時(shí)的循環(huán)周次Ⅳ。對(duì)于簡(jiǎn)單的拉伸試件，取其積分域?yàn)榱鸭y長(zhǎng)度從C，增長(zhǎng)到C：，則循環(huán)周次N可用下式表示

式中，B，口為橡膠材料參數(shù)，K是與應(yīng)變相關(guān)的比例常數(shù)，是標(biāo)準(zhǔn)拉伸區(qū)的應(yīng)變能密度。如果C》C，式(3)中右邊括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)可以忽略不計(jì)。進(jìn)一步說(shuō)，如果不存在初始裂紋，裂紋的擴(kuò)展將始于橡膠材料的一個(gè)初始缺陷C，式(3)可以表示為

從上式可以看出，應(yīng)變和初始裂紋長(zhǎng)度與橡膠材料的疲勞壽命關(guān)系十分密切，利用橡膠的本構(gòu)模型，通過(guò)初始裂紋長(zhǎng)度和常見的橡膠材料參數(shù)就可以在理論上預(yù)測(cè)橡膠材料的疲勞壽命，從而為橡膠材料的設(shè)計(jì)提供參考。

3．2 用 S-N曲線來(lái)研究天然橡膠的疲勞性能

SN曲線預(yù)測(cè)疲勞壽命在金屬材料中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但在橡膠材料中應(yīng)用較少。這主要是因?yàn)橄鹉z材料的疲勞周數(shù)Ⅳ一般高達(dá)10^6一10^8，要得到完整的數(shù)據(jù)，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。日本的深崛美英提出了加速試驗(yàn)的方法，能簡(jiǎn)單地求出從高應(yīng)變到低應(yīng)變的寬廣區(qū)域的S—N曲線。右田哲彥以S～N曲線為基礎(chǔ)，研究了多應(yīng)力條件下的疲勞累積加和法則(Miner法則)對(duì)硫化橡膠是否適用。

3．3 懸置橡膠元件的疲勞性能研究

懸置橡膠元件大多用天然橡膠經(jīng)硫化而成，硫化橡膠在周期性應(yīng)力或應(yīng)變的作用下，其結(jié)構(gòu)和性能的任何變化稱為疲勞現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置橡膠元件作為天然橡膠的一種，它有著與天然橡膠類似的疲勞機(jī)理。對(duì)其進(jìn)行疲勞特性分析時(shí)，可以借鑒普通天然橡膠的分析方法。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)和有限單元法技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些大型的通用有限元分析軟件，如ANSYS、ABAQUS、MARC和ALGOR等軟件都具有分析橡膠非線性的功能，由于這些軟件的橡膠材料分析模塊都是運(yùn)用橡膠的本構(gòu)關(guān)系，利用經(jīng)典的本構(gòu)關(guān)系模型來(lái)求解，求解起來(lái)相當(dāng)方便。目前在懸置橡膠元件的疲勞研究方面，Kin]WD和LeeHJ等利用有限元分析軟件MARC與疲勞試驗(yàn)測(cè)定的疲勞破壞參數(shù)相結(jié)合，對(duì)天然橡膠制成的發(fā)動(dòng)機(jī)懸置橡膠元件的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)大連理工大學(xué)戴永謙博士運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置元件進(jìn)行了斷裂模擬。使用軟件來(lái)仿真計(jì)算雖然已經(jīng)成為懸置橡膠元件抗疲勞設(shè)計(jì)的一個(gè)重要手段，但其并不能代替疲勞試驗(yàn)，虛擬計(jì)算的目的是為了減少疲勞試驗(yàn)的次數(shù)：目前對(duì)于懸置橡膠元件的試驗(yàn)大多還是借鑒普通車輛零部件試驗(yàn)的方法，用載荷譜加載來(lái)進(jìn)行。雖然疲勞壽命試驗(yàn)基本能正確反應(yīng)懸置橡膠元件的疲勞壽命，但是也存在一些問(wèn)題比如，疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性、試件加工尺寸偏差、橡膠的原始缺陷以及負(fù)載時(shí)危險(xiǎn)部位應(yīng)力的分布等，都說(shuō)明了應(yīng)力、強(qiáng)度和其他一些影響因素是隨機(jī)變量。這些就需要運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)理論來(lái)處理，才能達(dá)到準(zhǔn)確衡量疲勞壽命的目的。

4 結(jié) 論

懸置橡膠元件的疲勞破壞雖然早已引起人們的重視，但目前主要還是以試驗(yàn)研究為主，理論研究目前還是處于初步階段，主要借鑒常規(guī)橡膠材料的研究方法。同時(shí)，隨著懸置橡膠元件應(yīng)用的日益廣泛，對(duì)懸置橡膠元件進(jìn)行疲勞壽命定量預(yù)測(cè)的要求會(huì)愈加急迫。建立精確的橡膠本構(gòu)模型，增加疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，從而透徹的研究橡膠材料的疲勞破壞機(jī)理，將是今后懸置橡膠元件抗疲勞設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

靳曉雄 ，張 強(qiáng)，單 莘(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院 ，上海 201804)