減震器吊環橡膠層的材質選型與抗撕裂性能研究

減震器吊環橡膠層的材質選型與抗撕裂性能研究

摘要

減震器吊環橡膠層作為復合結構吊環的核心功能部件，承擔著緩沖交變振動、隔離載荷沖擊、降低噪聲傳遞的關鍵作用，其材質適配性與抗撕裂性能直接決定吊環整體疲勞耐久性與整機運行安全性。本文結合減震器吊環的服役工況特征，明確橡膠層的核心性能需求，系統對比天然橡膠（NR）、丁腈橡膠（NBR）、氫化丁腈橡膠（HNBR）、三元乙丙橡膠（EPDM）四種常用材質的性能差異與適配場景，闡述橡膠層配方優化的關鍵技術；深入分析橡膠層撕裂失效機理，建立“實驗室測試+工況模擬測試”的抗撕裂性能評價體系，剖析材質、配方、結構、載荷及環境等核心影響因素，提出針對性的抗撕裂性能提升路徑，并結合工程案例驗證優化方案的有效性。研究成果為減震器吊環橡膠層的精準選型、配方優化與結構設計提供理論支撐與實踐參考。

關鍵詞

減震器吊環；橡膠層；材質選型；抗撕裂性能；配方優化；失效機理；性能評價

一、引言 1.1 研究背景與意義

在汽車、工程機械、軌道交通等領域，減震器吊環需長期承受路面激勵、設備運轉產生的交變振動載荷，以及溫度波動、介質侵蝕等復雜環境作用。對于帶橡膠層的復合結構吊環而言，橡膠層的緩沖減振效果是保障吊環整體性能的核心，但在長期交變載荷作用下，橡膠層易因局部應力集中引發微裂紋，進而擴展導致撕裂失效。據行業統計，橡膠層撕裂失效占復合吊環故障總量的28%以上，已成為制約吊環疲勞壽命與設備可靠性的關鍵瓶頸。

隨著新能源汽車、重型工程機械等行業對懸掛系統、減震部件的耐久性要求持續提升（如新能源汽車要求懸掛系統適配20萬公里以上行駛里程），傳統橡膠層材質選型針對性不足、抗撕裂性能優化不系統等問題日益突出。因此，開展減震器吊環橡膠層的材質選型與抗撕裂性能研究，精準匹配服役工況需求，優化橡膠層性能與結構，降低撕裂失效風險，對提升吊環整體可靠性、減少設備維護成本、保障整機運行安全具有重要的理論價值與工程意義。

1.2 研究現狀綜述

當前國內外關于減震器吊環的研究多聚焦于金屬基體的結構設計、工藝優化與疲勞壽命預測，針對橡膠層的研究雖有開展，但存在明顯局限：現有成果多側重橡膠材料的減振性能優化，對交變振動載荷下橡膠層的撕裂失效機理、抗撕裂性能與材質適配性的關聯研究不夠系統；材質選型多依賴經驗判斷，缺乏結合工況參數的精準匹配體系；抗撕裂性能評價多采用單一指標，未能兼顧實驗室測試與實際工況模擬，評價結果的工程參考價值有限。此外，在橡膠層配方優化方面，針對兼顧減振性能與抗撕裂性能的多目標優化研究尚不充分，難以滿足復雜工況下的使用需求。

二、減震器吊環橡膠層核心性能需求

減震器吊環橡膠層的服役環境具有“交變載荷持續作用、溫度波動范圍寬、易受介質侵蝕”的顯著特征，其材質選型與配方設計需以滿足多維度性能需求為前提，核心性能指標如下：

• 減振性能：需具備適宜的硬度與彈性，邵氏硬度控制在50-70HA，壓縮永久變形≤20%（70℃×22h），回彈率≥45%，確保有效吸收振動能量，降低振動載荷向車身/設備主體的傳遞幅值；

• 抗撕裂性能：作為核心考核指標，直角撕裂強度需≥35kN/m，阿克隆磨耗≤0.15cm3/1.61km，同時需保證拉伸強度≥10MPa、斷裂伸長率≥300%，抵御交變載荷下的撕裂損傷與磨損；

• 耐環境性能：適配寬溫域服役需求（-40℃~120℃），高低溫循環后性能保留率≥80%；具備良好的耐油性（發動機油、變速箱油）與耐水性，浸泡后體積變化率≤5%，無明顯性能衰減；

• 結合性能：與金屬基體（如Q355B、20MnTiB鋼）的粘合強度≥3.5MPa，使用過程中無脫粘、剝離現象，保障復合結構的整體性；

• 工藝性能：易于混煉、硫化成型，硫化時間控制在15-30min/150℃，成型后無氣泡、裂紋等缺陷，適配工業化生產需求。

當前適配減震器吊環橡膠層的常用材質主要包括天然橡膠（NR）、丁腈橡膠（NBR）、氫化丁腈橡膠（HNBR）、三元乙丙橡膠（EPDM）四種，各材質在分子鏈結構、力學性能、耐環境性能等方面存在顯著差異，直接影響其適配場景與使用效果，具體特性對比如下表所示：

橡膠材質

核心優勢

主要短板

關鍵性能指標（典型值）

適配工況

天然橡膠（NR）

彈性好、回彈率高（≥55%），拉伸強度優異，與金屬粘合性好，生產成本較低

耐油性差，耐老化性一般，高溫（＞80℃）下易軟化，性能衰減明顯

邵氏硬度60HA；撕裂強度40kN/m；拉伸強度18MPa；斷裂伸長率500%

常溫、無油污染、中低頻率振動工況（如輕型汽車常溫行駛場景）

丁腈橡膠（NBR）

耐油性優良（耐礦物油、植物油），耐磨損性好，抗壓縮永久變形能力較強

耐低溫性差（＜-20℃易脆化），耐候性一般，彈性略遜于天然橡膠

邵氏硬度65HA；撕裂強度38kN/m；拉伸強度15MPa；斷裂伸長率400%

有油污染、中高溫（-10℃~100℃）、中高載荷振動工況（如工程機械、燃油車發動機周邊吊環）

氫化丁腈橡膠（HNBR）

耐油性、耐高低溫性（-40℃~150℃）優異，抗撕裂、抗老化性能突出，使用壽命長

生產成本較高，加工工藝要求嚴格，對硫化參數控制精度要求高

邵氏硬度68HA；撕裂強度45kN/m；拉伸強度20MPa；斷裂伸長率450%

嚴苛工況（高溫、高壓、強油污染、高頻振動），如新能源汽車驅動電機周邊、重型工程機械吊環

三元乙丙橡膠（EPDM）

耐候性、耐高低溫性（-40℃~120℃）極佳，耐水性、耐化學腐蝕性好，抗老化壽命長

耐油性差，與金屬基體的粘合性需特殊處理（如表面噴砂、涂專用膠粘劑）

邵氏硬度55HA；撕裂強度36kN/m；拉伸強度12MPa；斷裂伸長率480%

戶外、潮濕環境、無油污染、寬溫域振動工況（如軌道交通、戶外工程機械吊環）

3.2 材質選型原則

減震器吊環橡膠層的材質選型需遵循“工況適配優先、性能均衡兼顧、成本合理控制”的核心原則，具體選型流程與要點如下：

1. 工況核心參數識別：優先明確服役環境中的油污染情況（無油、輕度油污染、重度油污染）、溫度范圍（常溫、寬溫域、高溫/低溫極端環境）、振動頻率與載荷等級，以此確定材質選型的核心約束條件；

2. 性能優先級排序：根據工況需求排序核心性能，如嚴苛工況優先保障耐高低溫性與抗撕裂性能，成本敏感場景優先平衡減振性能與生產成本，油污染工況優先確保耐油性；

3. 材質精準匹配：基于工況約束與性能優先級，結合上述材質特性對比，選擇適配材質（如嚴苛工況優先選用HNBR，潮濕戶外工況優先選用EPDM，油污染工況選用NBR或HNBR，常溫無油低成本場景選用NR）；

4. 工藝與成本適配：選型過程中需兼顧材質的加工工藝適配性（如HNBR需優化硫化工藝）與生產成本，避免選用性能冗余且成本過高的材質，實現性能與成本的均衡。

單一橡膠材質難以完全滿足吊環橡膠層的多維度性能需求，通過優化填充劑、硫化劑、增塑劑等添加劑的配比，可實現橡膠性能的精準調控，重點提升抗撕裂性能與綜合適配性，具體優化方向如下：

• 填充劑優化：選用高耐磨炭黑（如N330、N550）作為主填充劑，添加量控制在30-50份（以橡膠100份計），可顯著提升橡膠的撕裂強度與耐磨性；搭配10-20份白炭黑，改善橡膠與金屬基體的粘合性能，同時提升耐候性與抗老化性能；

  
  

• 硫化體系調控：根據材質特性匹配硫化體系，天然橡膠、丁腈橡膠采用“硫磺+促進劑”硫化體系，三元乙丙橡膠、氫化丁腈橡膠采用過氧化物硫化體系；優化硫化溫度（150-160℃）與時間（15-30min），確保硫化充分，減少內部缺陷；添加1-2份防焦劑，避免硫化過程中出現焦燒現象；

• 增塑與防老調控：添加5-10份環保增塑劑（如鄰苯二甲酸二辛酯），提升橡膠加工流動性與低溫韌性，避免低溫環境下脆化；添加防老劑（如4010NA、RD），延緩橡膠分子鏈老化斷裂，提升高溫下的性能穩定性；

• 抗撕裂改性：添加2-5份短纖維（如芳綸纖維、聚酯纖維），通過纖維定向分布阻擋裂紋擴展，可使撕裂強度提升15%-25%；對于氫化丁腈橡膠，可添加少量丙烯酸酯類共聚物，平衡耐油性與抗撕裂性能。

減震器吊環橡膠層的撕裂失效并非單一因素作用的結果，而是交變振動載荷、環境因素與材質缺陷協同作用的過程，其失效歷程可分為三個階段，核心機理如下：

1. 微裂紋萌生階段：橡膠層在交變拉伸-壓縮載荷作用下，內部固有缺陷（如氣泡、雜質、分子鏈斷裂處）成為應力集中點，當局部應力超過橡膠的屈服強度時，形成尺寸＜0.1mm的微小裂紋，此階段裂紋處于隱蔽狀態，對橡膠層整體性能影響較小；

   
   

2. 裂紋擴展階段：隨著振動循環次數的增加，微小裂紋在交變應力的持續作用下逐步擴展，裂紋尖端的應力集中效應導致橡膠分子鏈持續斷裂，裂紋長度與寬度不斷增大；若存在高溫、油污染等環境因素，橡膠分子鏈會發生軟化、溶脹或老化，進一步加速裂紋擴展速率；

3. 撕裂失效階段：當裂紋擴展至臨界尺寸（通常＞1mm），橡膠層的承載能力與緩沖性能急劇下降，在載荷沖擊作用下發生整體撕裂，導致吊環緩沖減振功能喪失，甚至引發金屬基體的疲勞斷裂，最終造成吊環整體失效。

核心總結：橡膠層撕裂失效的本質是“應力集中誘發微裂紋-交變載荷加速裂紋擴展-環境因素加劇失效”的鏈式反應，其中裂紋擴展速率是決定抗撕裂性能的核心指標，直接影響橡膠層的服役壽命。

4.2 抗撕裂性能評價體系

為全面、精準評估橡膠層的抗撕裂性能，結合其服役特性，建立“實驗室測試+工況模擬測試”的雙重評價體系，明確核心評價指標與對應的測試方法，確保評價結果貼合工程實際需求。

4.2.1 核心評價指標

• 撕裂強度：包括直角撕裂強度、新月形撕裂強度，是表征橡膠抵抗裂紋擴展能力的基礎指標，直接反映橡膠層的抗撕裂基礎性能；

• 裂紋擴展速率：在交變載荷作用下，單位循環次數內裂紋長度的增量（da/dN），直接反映橡膠層在實際服役工況中的抗撕裂耐久性；

• 拉伸-撕裂復合性能：包括拉伸強度、斷裂伸長率，表征橡膠在拉伸狀態下的抗撕裂儲備能力，避免拉伸過程中直接斷裂，保障橡膠層的承載可靠性；

  
  

• 耐環境撕裂保留率：經高低溫循環、油浸泡、老化處理后，撕裂強度的保留率，評價復雜環境下橡膠層抗撕裂性能的穩定性。

• 撕裂強度測試：依據GB/T 529-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》，采用電子萬能試驗機，測試速度500mm/min，記錄撕裂過程中的最大載荷，計算撕裂強度；

• 裂紋擴展速率測試：采用動態疲勞試驗機，制備帶預制裂紋（0.5mm）的橡膠試樣，施加模擬吊環服役的交變載荷（應力幅值5-15MPa，頻率5-20Hz），定期觀測裂紋長度變化，擬合裂紋擴展速率曲線；

• 環境老化后撕裂性能測試：依據GB/T 15256-2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠 低溫脆性的測定（多試樣法）》、GB/T 1690-2010《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐液體試驗方法》，對試樣進行高低溫循環（-40℃~120℃，10個循環）、油浸泡（發動機油，70℃×72h）處理后，測試撕裂強度保留率；

• 工況模擬測試：將帶橡膠層的吊環總成安裝于疲勞試驗臺，施加實際服役載荷譜，持續運行至橡膠層出現明顯撕裂，記錄循環次數，評估實際工況下的抗撕裂壽命。

減震器吊環橡膠層的抗撕裂性能受材質特性、配方參數、結構設計、載荷條件與環境因素的綜合影響，各因素相互耦合，共同決定橡膠層的抗撕裂壽命，具體作用機制如下：

• 材質與配方因素：橡膠的分子鏈結構（飽和度、交聯密度）是基礎，分子鏈飽和度越高（如HNBR）、交聯密度越均勻，抗撕裂性能越好；填充劑的種類、粒徑與分散性影響顯著，高耐磨炭黑分散均勻可提升裂紋擴展阻力，而分散不均會形成局部缺陷，降低抗撕裂性能；短纖維改性劑的添加量與定向分布狀態，直接影響裂紋阻擋效果；

• 結構設計因素：橡膠層的厚度、形狀與金屬基體的結合結構影響應力分布，厚度過薄（＜2mm）易產生應力集中，過厚（＞8mm）易出現硫化缺陷；橡膠層邊緣設置R2-R4過渡圓角，可降低邊緣應力集中，避免邊緣撕裂；橡膠-金屬結合面的結構合理性，影響結合強度，脫粘缺陷會加速撕裂失效；

• 載荷條件因素：交變載荷的幅值、頻率、波形直接決定撕裂損傷速率，載荷幅值越大、頻率越高，裂紋擴展速率越快；沖擊載荷會加速微裂紋萌生，顯著縮短抗撕裂壽命；不規范加載（如斜拉、歪吊）會導致橡膠層受力不均，加劇局部撕裂；

• 環境因素：高溫會使橡膠分子鏈軟化，交聯鍵斷裂，撕裂強度下降；油污染會導致橡膠溶脹，分子鏈間距增大，抗撕裂性能衰減；低溫會使橡膠脆化，斷裂伸長率降低，易發生脆性撕裂；潮濕、腐蝕環境會加速橡膠老化，間接降低抗撕裂性能。

基于上述影響因素分析，從配方優化、結構設計、工藝改進三個核心維度，提出橡膠層抗撕裂性能提升技術路徑，實現抗撕裂性能與吊環整體疲勞壽命的協同提升：

• 配方精準優化：根據服役工況選擇最優橡膠材質，優化填充體系（高耐磨炭黑+白炭黑復合填充），添加短纖維改性劑（芳綸纖維、聚酯纖維）提升裂紋阻擋能力，調控硫化體系確保交聯均勻，添加防老劑、抗溶脹劑提升環境穩定性，可使撕裂強度提升20%-30%，裂紋擴展速率降低40%以上；

• 結構優化設計：優化橡膠層厚度（3-5mm），兼顧硫化質量與承載能力；橡膠層邊緣設置R2-R4過渡圓角，金屬基體表面采用噴砂、涂專用膠粘劑處理，提升結合強度，降低邊緣應力集中；采用“橡膠層+增強織物”復合結構（中間嵌入聚酯織物層），進一步阻擋裂紋擴展，提升整體抗撕裂性能；

• 工藝改進提升：優化橡膠混煉工藝（溫度100-120℃，時間5-8min），確保填充劑、改性劑均勻分散，減少內部氣泡、雜質等缺陷；采用模壓硫化工藝（溫度150-160℃，時間20-30min），提升橡膠層成型精度與硫化質量；硫化后進行二次硫化（120℃×2h），消除內部殘余應力，提升性能穩定性；

• 工況適配防護：針對油污染工況，在橡膠層表面涂覆耐油涂層；針對高低溫工況，選用耐高低溫材質并優化配方，確保寬溫域內抗撕裂性能穩定；控制吊環服役載荷，避免超載與沖擊載荷，規范加載方式，延長抗撕裂壽命。

  
  

某新能源汽車減震器吊環原采用45，橡膠層選用普通天然橡膠（NR）材質，配方未進行抗撕裂優化，在實際使用過程中，橡膠層易出現撕裂失效，吊環整體疲勞壽命僅10.5萬公里，無法滿足20萬公里的設計需求。經檢測，原橡膠層邵氏硬度75HA（偏硬），撕裂強度僅30kN/m，耐高低溫循環后性能保留率僅70%，難以適配新能源汽車驅動電機周邊的高溫、高頻振動工況。

5.2 優化方案

基于本文提出的材質選型與抗撕裂性能提升技術，制定針對性優化方案：

• 材質替換：橡膠層選用氫化丁腈橡膠（HNBR）替代原天然橡膠（NR），適配高溫、高頻振動工況；

• 配方優化：添加N330炭黑40份（主填充劑）、白炭黑15份（輔助填充劑）、芳綸短纖維3份（抗撕裂改性劑）、防老劑4010NA 2份，邵氏硬度調整為65HA，提升抗撕裂性能與耐老化性能；

• 結構優化：橡膠層厚度優化為4mm，邊緣設置R3過渡圓角，中間嵌入聚酯織物增強層；金屬基體表面進行噴砂處理并涂專用膠粘劑，提升橡膠-金屬結合強度；

• 工藝改進：橡膠層采用模壓硫化工藝（155℃×25min），硫化后進行二次硫化（120℃×2h），消除殘余應力；金屬基體采用無縫鋼管一體化鍛造工藝，降低整體應力集中。

  
  

優化后吊環經臺架試驗驗證，性能顯著提升：

• 橡膠層性能：撕裂強度提升至48kN/m，較優化前提升60%；耐高低溫循環（-40℃~120℃）后性能保留率達85%，阿克隆磨耗降至0.12cm3/1.61km；

• 疲勞壽命：吊環整體疲勞壽命達26.8萬公里，滿足20萬公里設計需求；橡膠層在整個試驗過程中未出現撕裂失效，服役穩定性顯著提升；

• 綜合效益：材料利用率從65%提升至92%，生產成本降低18%，同時減少了設備維護頻次與成本。

本文通過對減震器吊環橡膠層材質選型與抗撕裂性能的系統研究，得出以下核心結論：

• 減震器吊環橡膠層需滿足減振性能、抗撕裂性能、耐環境性能、結合性能與工藝性能的多維度需求，其中抗撕裂性能與材質適配性是決定其服役壽命的核心因素；

• 四種常用橡膠材質中，HNBR適配高溫、高壓、強油污染等嚴苛工況，NR適配常溫無油低成本工況，EPDM適配潮濕戶外寬溫域工況，NBR適配油污染中高溫工況，選型需結合工況核心參數精準匹配；

• 橡膠層的撕裂失效是“應力集中誘發微裂紋-交變載荷加速裂紋擴展-環境因素加劇失效”的協同過程，通過配方優化（復合填充、短纖維改性）、結構優化（邊緣圓角、增強織物復合）、工藝改進（優化硫化參數、二次硫化）可顯著提升抗撕裂性能；

• 工程案例驗證表明，基于本文技術路徑的優化方案，可使橡膠層撕裂強度提升60%，吊環整體疲勞壽命從10.5萬公里提升至26.8萬公里，完全滿足嚴苛工況使用需求。

  
  

未來研究可聚焦以下方向，進一步提升減震器吊環橡膠層的抗撕裂性能與適配性：

• 多場耦合研究：建立“溫度-載荷-介質”多場耦合作用下的橡膠層撕裂失效模型，提升復雜工況下抗撕裂性能預測精度；

• 智能化優化：結合機器學習算法，構建橡膠材質配方-結構參數-抗撕裂性能的智能匹配模型，實現多參數精準優化；

• 新型材料與工藝探索：研發納米改性橡膠、橡膠基復合材料等新型抗撕裂材料，探索橡膠-金屬一體化成型新工藝，進一步提升綜合性能；

• 長效性能監測：建立橡膠層健康監測技術，實現撕裂失效的早期預警，延長吊環整體服役壽命。