摘 要 ：發(fā)動機懸置橡膠元件的耐疲勞特性嚴重影響其使用壽命。闡述了橡膠元件的疲勞破壞機理和橡膠元件疲勞壽命的影響因素，以及國內外在天然橡膠疲勞壽命預測和懸置橡膠元件疲勞破壞方面的研究進展情況,并指出了懸置橡膠元件抗疲勞設計的發(fā)展方向。

關鍵詞 ：懸置橡膠元件 ；疲勞破壞 ；壽命預測

從19世紀中葉起，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，因此被廣泛應用于載重結構的座架、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題提供了一種簡單和巧妙的解決辦法。而且，橡膠與金屬的結合能夠構造各式各樣符合實際需求的橡膠支座。T程實踐證明：橡膠支座能有效地改善設備的振動受力狀態(tài)，減少振動和沖擊。而橡膠支座良好的減振作用，橡膠的作用功不可沒。作為橡膠支座的一種，懸置橡膠元件主要分布在發(fā)動機與車身連接處、變速箱與車身連接處和傳動軸中間支撐等處，對減緩車輛振動、提高行駛平順性起到重要的作用。對于發(fā)動機懸置橡膠元件來說，其主要作用是衰減發(fā)動機傳遞到車身的振動，改善車輛的NVH性能。一旦其發(fā)生疲勞破壞，則無法起到減振的目的。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。

下面針對橡膠元件的破壞機理以及影響橡膠元件疲勞破壞的因素進行了歸納．并介紹了目前同內外天然橡膠疲勞壽命預測和懸置橡膠元件疲勞特性方面的研究進展情況 。

1 橡膠元件的疲勞破壞機理

對金屬材料的特性進行表征時只需要相對較少的參數，與金屬材料不同，橡膠材料的特性是十分復雜的。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、應變歷史、加載速率和應變量大小等因素的影響十分敏感，因此，橡膠的機械性質也就變得更加復雜。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 。目前對于橡膠元件的疲勞破壞機理主要有_三種觀點：唯象論、斷裂力學理論和分子運動論。唯象論認為，橡膠的疲勞破壞和其他材料一樣，也是由于材料內部或表面已經存在的或引入的微小缺陷引發(fā)的裂紋并不斷傳播擴展而導致的。斷裂力學認為，破壞是基于裂紋擴展而并非材料塑性變形所致，裂紋的擴展可以看做是在裂紋尖端處的分子鏈在高度應力集中情況下產生粘彈性伸長，直至斷裂。分子運動論認為，橡膠的疲勞破壞源于材料自身分子鏈上化學鍵的斷裂，即在周期應力應變的作用下，應力不斷的集中于化學鍵能比較弱的部位而產生裂紋。右田哲言研究了SBR的硫化橡膠的拉伸疲勞性能，認為橡膠的疲勞破壞機理與疲勞條件有關。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展。針對天然橡膠具體的破壞情況，很多學者也提出了不同的研究觀點。Legorju-jagoK和BathiasC使用x射線斷層攝影技術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基本因素，即環(huán)境、化學和力學因素。JosephTSouth等研究了天然橡膠的裂紋增長，發(fā)現(xiàn)天然橡膠在平面應變條件下的裂紋增長速度是平面應力條件下的100倍。LeCamJB等研究了炭黑填充的天然橡膠疲勞裂紋增長機理，發(fā)現(xiàn)疲勞破壞主要是因為氧化鋅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 力學加載過程的影響

橡膠元件的獨特性決定了其在工程應用中的角色，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態(tài)響應，只要構件承受反復作用的載荷，就可能導致構件的疲勞破壞。在橡膠元件動態(tài)疲勞過程中，所加周期載荷的過程不同，其疲勞壽命也不同。研究表明：最小應變和載荷比R增大時，橡膠元件的疲勞壽命增加；當載荷比R為負值時，尤其當R=一1時，即使采用最低的載荷，疲勞裂紋也會增大，且結晶不會發(fā)生；當載荷比R較大時，在裂縫尖端處出現(xiàn)橡膠結晶，阻礙了裂紋增長 。

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，單硫鍵占大多數的有效硫化體系抗疲勞特性能最差。對有預制裂紋的樣品來說，含普通硫化體系的硫化橡膠的疲勞壽命最短。對于完好的樣品而言，含普通硫化體系的硫化橡膠的疲勞壽命最長。國外一些研究表明：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氧化物硫化具有較低的裂紋增長速度。

2．3 不同補強體 系的影響

炭黑是天然橡膠最重要的補強性填料，不同炭黑補強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為N330>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)境也有一定的關系。謝基龍。利用啞鈴狀橡膠試件，研究了空氣、氮氣和水蒸氣環(huán)境對天然橡膠的疲勞壽命的影響。研究結果表明：在惰性氣體(氮氣)中天然橡膠疲勞壽命比空氣中有一定提高，而在水蒸氣中無明顯變化。而且惰性氣體(氮氣)使疲勞裂紋增長速度下降，氧和臭氧使疲勞裂紋增加加速。同時，操作溫度對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 不同評定方 法的影響

目前對于橡膠疲勞壽命的評定方法，主要有裂紋成核法和裂紋增長法。不同的評定方法，也會導致不同的預測結果。RobertsBJ，BenziesJB和RoachJF通過研究“發(fā)現(xiàn)，對于天然橡膠的疲勞壽命，當用等應變能密度來進行比較時，等雙軸拉伸的疲勞壽命比簡單拉伸的疲勞壽命長；但當采用最大主應變來進行比較時，結論正好相反。RoachJF認為出現(xiàn)這種結果的原因是簡單拉伸和等雙軸拉伸實際用到的應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 用斷裂力學來研究天然橡膠的疲勞性能Griffith依據機械能和表面能之間的平衡，認為裂紋擴展過程中系統(tǒng)彈性能的減少為創(chuàng)新裂紋表面提供所需能量，裂紋擴展的驅動力受控于斷裂過程中的能量釋放率。Rivlin和Thomas最早將Griffith的方法(斷裂力學法)應用于橡膠的疲勞性能的研究，他們提出以撕裂能為基礎的參數研究橡膠的疲勞性能。定義為

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

式中，G為應變能釋放率。對上式進行積分，就可以得到裂紋從初始長度擴展到最終長度時的循環(huán)周次Ⅳ。對于簡單的拉伸試件，取其積分域為裂紋長度從C，增長到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，K是與應變相關的比例常數，是標準拉伸區(qū)的應變能密度。如果C》C，式(3)中右邊括號內的第二項可以忽略不計。進一步說，如果不存在初始裂紋，裂紋的擴展將始于橡膠材料的一個初始缺陷C，式(3)可以表示為

從上式可以看出，應變和初始裂紋長度與橡膠材料的疲勞壽命關系十分密切，利用橡膠的本構模型，通過初始裂紋長度和常見的橡膠材料參數就可以在理論上預測橡膠材料的疲勞壽命，從而為橡膠材料的設計提供參考。

3．2 用 S-N曲線來研究天然橡膠的疲勞性能

SN曲線預測疲勞壽命在金屬材料中已經得到廣泛的應用，但在橡膠材料中應用較少。這主要是因為橡膠材料的疲勞周數Ⅳ一般高達10^6一10^8，要得到完整的數據，需要相當長的時間。日本的深崛美英提出了加速試驗的方法，能簡單地求出從高應變到低應變的寬廣區(qū)域的S—N曲線。右田哲彥以S～N曲線為基礎，研究了多應力條件下的疲勞累積加和法則(Miner法則)對硫化橡膠是否適用。

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硫化而成，硫化橡膠在周期性應力或應變的作用下，其結構和性能的任何變化稱為疲勞現(xiàn)象。發(fā)動機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理。對其進行疲勞特性分析時，可以借鑒普通天然橡膠的分析方法。同時，隨著計算機和有限單元法技術的發(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用橡膠的本構關系，利用經典的本構關系模型來求解，求解起來相當方便。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與疲勞試驗測定的疲勞破壞參數相結合，對天然橡膠制成的發(fā)動機懸置橡膠元件的疲勞壽命進行了預測。國內大連理工大學戴永謙博士運用ANSYS軟件對發(fā)動機懸置元件進行了斷裂模擬。使用軟件來仿真計算雖然已經成為懸置橡膠元件抗疲勞設計的一個重要手段，但其并不能代替疲勞試驗，虛擬計算的目的是為了減少疲勞試驗的次數：目前對于懸置橡膠元件的試驗大多還是借鑒普通車輛零部件試驗的方法，用載荷譜加載來進行。雖然疲勞壽命試驗基本能正確反應懸置橡膠元件的疲勞壽命，但是也存在一些問題比如，疲勞試驗數據的離散性、試件加工尺寸偏差、橡膠的原始缺陷以及負載時危險部位應力的分布等，都說明了應力、強度和其他一些影響因素是隨機變量。這些就需要運用概率統(tǒng)計理論來處理，才能達到準確衡量疲勞壽命的目的。

4 結 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，隨著懸置橡膠元件應用的日益廣泛，對懸置橡膠元件進行疲勞壽命定量預測的要求會愈加急迫。建立精確的橡膠本構模型，增加疲勞壽命預測的準確性，從而透徹的研究橡膠材料的疲勞破壞機理，將是今后懸置橡膠元件抗疲勞設計的發(fā)展方向。

靳曉雄 ，張 強，單 莘(同濟大學 汽車學院 ，上海 201804)