减震器吊环橡胶层的材质选型与抗撕裂性能研究

减震器吊环橡胶层的材质选型与抗撕裂性能研究

摘要

减震器吊环橡胶层作为复合结构吊环的核心功能部件，承担着缓冲交变振动、隔离载荷冲击、降低噪声传递的关键作用，其材质适配性与抗撕裂性能直接决定吊环整体疲劳耐久性与整机运行安全性。本文结合减震器吊环的服役工况特征，明确橡胶层的核心性能需求，系统对比天然橡胶（NR）、丁腈橡胶（NBR）、氢化丁腈橡胶（HNBR）、三元乙丙橡胶（EPDM）四种常用材质的性能差异与适配场景，阐述橡胶层配方优化的关键技术；深入分析橡胶层撕裂失效机理，建立“实验室测试+工况模拟测试”的抗撕裂性能评价体系，剖析材质、配方、结构、载荷及环境等核心影响因素，提出针对性的抗撕裂性能提升路径，并结合工程案例验证优化方案的有效性。研究成果为减震器吊环橡胶层的精准选型、配方优化与结构设计提供理论支撑与实践参考。

关键词

减震器吊环；橡胶层；材质选型；抗撕裂性能；配方优化；失效机理；性能评价

一、引言 1.1 研究背景与意义

在汽车、工程机械、轨道交通等领域，减震器吊环需长期承受路面激励、设备运转产生的交变振动载荷，以及温度波动、介质侵蚀等复杂环境作用。对于带橡胶层的复合结构吊环而言，橡胶层的缓冲减振效果是保障吊环整体性能的核心，但在长期交变载荷作用下，橡胶层易因局部应力集中引发微裂纹，进而扩展导致撕裂失效。据行业统计，橡胶层撕裂失效占复合吊环故障总量的28%以上，已成为制约吊环疲劳寿命与设备可靠性的关键瓶颈。

随着新能源汽车、重型工程机械等行业对悬挂系统、减震部件的耐久性要求持续提升（如新能源汽车要求悬挂系统适配20万公里以上行驶里程），传统橡胶层材质选型针对性不足、抗撕裂性能优化不系统等问题日益突出。因此，开展减震器吊环橡胶层的材质选型与抗撕裂性能研究，精准匹配服役工况需求，优化橡胶层性能与结构，降低撕裂失效风险，对提升吊环整体可靠性、减少设备维护成本、保障整机运行安全具有重要的理论价值与工程意义。

1.2 研究现状综述

当前国内外关于减震器吊环的研究多聚焦于金属基体的结构设计、工艺优化与疲劳寿命预测，针对橡胶层的研究虽有开展，但存在明显局限：现有成果多侧重橡胶材料的减振性能优化，对交变振动载荷下橡胶层的撕裂失效机理、抗撕裂性能与材质适配性的关联研究不够系统；材质选型多依赖经验判断，缺乏结合工况参数的精准匹配体系；抗撕裂性能评价多采用单一指标，未能兼顾实验室测试与实际工况模拟，评价结果的工程参考价值有限。此外，在橡胶层配方优化方面，针对兼顾减振性能与抗撕裂性能的多目标优化研究尚不充分，难以满足复杂工况下的使用需求。

二、减震器吊环橡胶层核心性能需求

减震器吊环橡胶层的服役环境具有“交变载荷持续作用、温度波动范围宽、易受介质侵蚀”的显著特征，其材质选型与配方设计需以满足多维度性能需求为前提，核心性能指标如下：

• 减振性能：需具备适宜的硬度与弹性，邵氏硬度控制在50-70HA，压缩永久变形≤20%（70℃×22h），回弹率≥45%，确保有效吸收振动能量，降低振动载荷向车身/设备主体的传递幅值；

• 抗撕裂性能：作为核心考核指标，直角撕裂强度需≥35kN/m，阿克隆磨耗≤0.15cm³/1.61km，同时需保证拉伸强度≥10MPa、断裂伸长率≥300%，抵御交变载荷下的撕裂损伤与磨损；

• 耐环境性能：适配宽温域服役需求（-40℃~120℃），高低温循环后性能保留率≥80%；具备良好的耐油性（发动机油、变速箱油）与耐水性，浸泡后体积变化率≤5%，无明显性能衰减；

• 结合性能：与金属基体（如Q355B、20MnTiB钢）的粘合强度≥3.5MPa，使用过程中无脱粘、剥离现象，保障复合结构的整体性；

• 工艺性能：易于混炼、硫化成型，硫化时间控制在15-30min/150℃，成型后无气泡、裂纹等缺陷，适配工业化生产需求。

当前适配减震器吊环橡胶层的常用材质主要包括天然橡胶（NR）、丁腈橡胶（NBR）、氢化丁腈橡胶（HNBR）、三元乙丙橡胶（EPDM）四种，各材质在分子链结构、力学性能、耐环境性能等方面存在显著差异，直接影响其适配场景与使用效果，具体特性对比如下表所示：

橡胶材质

核心优势

主要短板

关键性能指标（典型值）

适配工况

天然橡胶（NR）

弹性好、回弹率高（≥55%），拉伸强度优异，与金属粘合性好，生产成本较低

耐油性差，耐老化性一般，高温（＞80℃）下易软化，性能衰减明显

邵氏硬度60HA；撕裂强度40kN/m；拉伸强度18MPa；断裂伸长率500%

常温、无油污染、中低频率振动工况（如轻型汽车常温行驶场景）

丁腈橡胶（NBR）

耐油性优良（耐矿物油、植物油），耐磨损性好，抗压缩永久变形能力较强

耐低温性差（＜-20℃易脆化），耐候性一般，弹性略逊于天然橡胶

邵氏硬度65HA；撕裂强度38kN/m；拉伸强度15MPa；断裂伸长率400%

有油污染、中高温（-10℃~100℃）、中高载荷振动工况（如工程机械、燃油车发动机周边吊环）

氢化丁腈橡胶（HNBR）

耐油性、耐高低温性（-40℃~150℃）优异，抗撕裂、抗老化性能突出，使用寿命长

生产成本较高，加工工艺要求严格，对硫化参数控制精度要求高

邵氏硬度68HA；撕裂强度45kN/m；拉伸强度20MPa；断裂伸长率450%

严苛工况（高温、高压、强油污染、高频振动），如新能源汽车驱动电机周边、重型工程机械吊环

三元乙丙橡胶（EPDM）

耐候性、耐高低温性（-40℃~120℃）极佳，耐水性、耐化学腐蚀性好，抗老化寿命长

耐油性差，与金属基体的粘合性需特殊处理（如表面喷砂、涂专用胶粘剂）

邵氏硬度55HA；撕裂强度36kN/m；拉伸强度12MPa；断裂伸长率480%

户外、潮湿环境、无油污染、宽温域振动工况（如轨道交通、户外工程机械吊环）

3.2 材质选型原则

减震器吊环橡胶层的材质选型需遵循“工况适配优先、性能均衡兼顾、成本合理控制”的核心原则，具体选型流程与要点如下：

1. 工况核心参数识别：优先明确服役环境中的油污染情况（无油、轻度油污染、重度油污染）、温度范围（常温、宽温域、高温/低温极端环境）、振动频率与载荷等级，以此确定材质选型的核心约束条件；

2. 性能优先级排序：根据工况需求排序核心性能，如严苛工况优先保障耐高低温性与抗撕裂性能，成本敏感场景优先平衡减振性能与生产成本，油污染工况优先确保耐油性；

3. 材质精准匹配：基于工况约束与性能优先级，结合上述材质特性对比，选择适配材质（如严苛工况优先选用HNBR，潮湿户外工况优先选用EPDM，油污染工况选用NBR或HNBR，常温无油低成本场景选用NR）；

4. 工艺与成本适配：选型过程中需兼顾材质的加工工艺适配性（如HNBR需优化硫化工艺）与生产成本，避免选用性能冗余且成本过高的材质，实现性能与成本的均衡。

单一橡胶材质难以完全满足吊环橡胶层的多维度性能需求，通过优化填充剂、硫化剂、增塑剂等添加剂的配比，可实现橡胶性能的精准调控，重点提升抗撕裂性能与综合适配性，具体优化方向如下：

• 填充剂优化：选用高耐磨炭黑（如N330、N550）作为主填充剂，添加量控制在30-50份（以橡胶100份计），可显著提升橡胶的撕裂强度与耐磨性；搭配10-20份白炭黑，改善橡胶与金属基体的粘合性能，同时提升耐候性与抗老化性能；

  
  

• 硫化体系调控：根据材质特性匹配硫化体系，天然橡胶、丁腈橡胶采用“硫磺+促进剂”硫化体系，三元乙丙橡胶、氢化丁腈橡胶采用过氧化物硫化体系；优化硫化温度（150-160℃）与时间（15-30min），确保硫化充分，减少内部缺陷；添加1-2份防焦剂，避免硫化过程中出现焦烧现象；

• 增塑与防老调控：添加5-10份环保增塑剂（如邻苯二甲酸二辛酯），提升橡胶加工流动性与低温韧性，避免低温环境下脆化；添加防老剂（如4010NA、RD），延缓橡胶分子链老化断裂，提升高温下的性能稳定性；

• 抗撕裂改性：添加2-5份短纤维（如芳纶纤维、聚酯纤维），通过纤维定向分布阻挡裂纹扩展，可使撕裂强度提升15%-25%；对于氢化丁腈橡胶，可添加少量丙烯酸酯类共聚物，平衡耐油性与抗撕裂性能。

减震器吊环橡胶层的撕裂失效并非单一因素作用的结果，而是交变振动载荷、环境因素与材质缺陷协同作用的过程，其失效历程可分为三个阶段，核心机理如下：

1. 微裂纹萌生阶段：橡胶层在交变拉伸-压缩载荷作用下，内部固有缺陷（如气泡、杂质、分子链断裂处）成为应力集中点，当局部应力超过橡胶的屈服强度时，形成尺寸＜0.1mm的微小裂纹，此阶段裂纹处于隐蔽状态，对橡胶层整体性能影响较小；

   
   

2. 裂纹扩展阶段：随着振动循环次数的增加，微小裂纹在交变应力的持续作用下逐步扩展，裂纹尖端的应力集中效应导致橡胶分子链持续断裂，裂纹长度与宽度不断增大；若存在高温、油污染等环境因素，橡胶分子链会发生软化、溶胀或老化，进一步加速裂纹扩展速率；

3. 撕裂失效阶段：当裂纹扩展至临界尺寸（通常＞1mm），橡胶层的承载能力与缓冲性能急剧下降，在载荷冲击作用下发生整体撕裂，导致吊环缓冲减振功能丧失，甚至引发金属基体的疲劳断裂，最终造成吊环整体失效。

核心总结：橡胶层撕裂失效的本质是“应力集中诱发微裂纹-交变载荷加速裂纹扩展-环境因素加剧失效”的链式反应，其中裂纹扩展速率是决定抗撕裂性能的核心指标，直接影响橡胶层的服役寿命。

4.2 抗撕裂性能评价体系

为全面、精准评估橡胶层的抗撕裂性能，结合其服役特性，建立“实验室测试+工况模拟测试”的双重评价体系，明确核心评价指标与对应的测试方法，确保评价结果贴合工程实际需求。

4.2.1 核心评价指标

• 撕裂强度：包括直角撕裂强度、新月形撕裂强度，是表征橡胶抵抗裂纹扩展能力的基础指标，直接反映橡胶层的抗撕裂基础性能；

• 裂纹扩展速率：在交变载荷作用下，单位循环次数内裂纹长度的增量（da/dN），直接反映橡胶层在实际服役工况中的抗撕裂耐久性；

• 拉伸-撕裂复合性能：包括拉伸强度、断裂伸长率，表征橡胶在拉伸状态下的抗撕裂储备能力，避免拉伸过程中直接断裂，保障橡胶层的承载可靠性；

  
  

• 耐环境撕裂保留率：经高低温循环、油浸泡、老化处理后，撕裂强度的保留率，评价复杂环境下橡胶层抗撕裂性能的稳定性。

• 撕裂强度测试：依据GB/T 529-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定（裤形、直角形和新月形试样）》，采用电子万能试验机，测试速度500mm/min，记录撕裂过程中的最大载荷，计算撕裂强度；

• 裂纹扩展速率测试：采用动态疲劳试验机，制备带预制裂纹（0.5mm）的橡胶试样，施加模拟吊环服役的交变载荷（应力幅值5-15MPa，频率5-20Hz），定期观测裂纹长度变化，拟合裂纹扩展速率曲线；

• 环境老化后撕裂性能测试：依据GB/T 15256-2014《硫化橡胶或热塑性橡胶 低温脆性的测定（多试样法）》、GB/T 1690-2010《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐液体试验方法》，对试样进行高低温循环（-40℃~120℃，10个循环）、油浸泡（发动机油，70℃×72h）处理后，测试撕裂强度保留率；

• 工况模拟测试：将带橡胶层的吊环总成安装于疲劳试验台，施加实际服役载荷谱，持续运行至橡胶层出现明显撕裂，记录循环次数，评估实际工况下的抗撕裂寿命。

减震器吊环橡胶层的抗撕裂性能受材质特性、配方参数、结构设计、载荷条件与环境因素的综合影响，各因素相互耦合，共同决定橡胶层的抗撕裂寿命，具体作用机制如下：

• 材质与配方因素：橡胶的分子链结构（饱和度、交联密度）是基础，分子链饱和度越高（如HNBR）、交联密度越均匀，抗撕裂性能越好；填充剂的种类、粒径与分散性影响显著，高耐磨炭黑分散均匀可提升裂纹扩展阻力，而分散不均会形成局部缺陷，降低抗撕裂性能；短纤维改性剂的添加量与定向分布状态，直接影响裂纹阻挡效果；

• 结构设计因素：橡胶层的厚度、形状与金属基体的结合结构影响应力分布，厚度过薄（＜2mm）易产生应力集中，过厚（＞8mm）易出现硫化缺陷；橡胶层边缘设置R2-R4过渡圆角，可降低边缘应力集中，避免边缘撕裂；橡胶-金属结合面的结构合理性，影响结合强度，脱粘缺陷会加速撕裂失效；

• 载荷条件因素：交变载荷的幅值、频率、波形直接决定撕裂损伤速率，载荷幅值越大、频率越高，裂纹扩展速率越快；冲击载荷会加速微裂纹萌生，显著缩短抗撕裂寿命；不规范加载（如斜拉、歪吊）会导致橡胶层受力不均，加剧局部撕裂；

• 环境因素：高温会使橡胶分子链软化，交联键断裂，撕裂强度下降；油污染会导致橡胶溶胀，分子链间距增大，抗撕裂性能衰减；低温会使橡胶脆化，断裂伸长率降低，易发生脆性撕裂；潮湿、腐蚀环境会加速橡胶老化，间接降低抗撕裂性能。

基于上述影响因素分析，从配方优化、结构设计、工艺改进三个核心维度，提出橡胶层抗撕裂性能提升技术路径，实现抗撕裂性能与吊环整体疲劳寿命的协同提升：

• 配方精准优化：根据服役工况选择最优橡胶材质，优化填充体系（高耐磨炭黑+白炭黑复合填充），添加短纤维改性剂（芳纶纤维、聚酯纤维）提升裂纹阻挡能力，调控硫化体系确保交联均匀，添加防老剂、抗溶胀剂提升环境稳定性，可使撕裂强度提升20%-30%，裂纹扩展速率降低40%以上；

• 结构优化设计：优化橡胶层厚度（3-5mm），兼顾硫化质量与承载能力；橡胶层边缘设置R2-R4过渡圆角，金属基体表面采用喷砂、涂专用胶粘剂处理，提升结合强度，降低边缘应力集中；采用“橡胶层+增强织物”复合结构（中间嵌入聚酯织物层），进一步阻挡裂纹扩展，提升整体抗撕裂性能；

• 工艺改进提升：优化橡胶混炼工艺（温度100-120℃，时间5-8min），确保填充剂、改性剂均匀分散，减少内部气泡、杂质等缺陷；采用模压硫化工艺（温度150-160℃，时间20-30min），提升橡胶层成型精度与硫化质量；硫化后进行二次硫化（120℃×2h），消除内部残余应力，提升性能稳定性；

• 工况适配防护：针对油污染工况，在橡胶层表面涂覆耐油涂层；针对高低温工况，选用耐高低温材质并优化配方，确保宽温域内抗撕裂性能稳定；控制吊环服役载荷，避免超载与冲击载荷，规范加载方式，延长抗撕裂寿命。

  
  

某新能源汽车减震器吊环原采用45，橡胶层选用普通天然橡胶（NR）材质，配方未进行抗撕裂优化，在实际使用过程中，橡胶层易出现撕裂失效，吊环整体疲劳寿命仅10.5万公里，无法满足20万公里的设计需求。经检测，原橡胶层邵氏硬度75HA（偏硬），撕裂强度仅30kN/m，耐高低温循环后性能保留率仅70%，难以适配新能源汽车驱动电机周边的高温、高频振动工况。

5.2 优化方案

基于本文提出的材质选型与抗撕裂性能提升技术，制定针对性优化方案：

• 材质替换：橡胶层选用氢化丁腈橡胶（HNBR）替代原天然橡胶（NR），适配高温、高频振动工况；

• 配方优化：添加N330炭黑40份（主填充剂）、白炭黑15份（辅助填充剂）、芳纶短纤维3份（抗撕裂改性剂）、防老剂4010NA 2份，邵氏硬度调整为65HA，提升抗撕裂性能与耐老化性能；

• 结构优化：橡胶层厚度优化为4mm，边缘设置R3过渡圆角，中间嵌入聚酯织物增强层；金属基体表面进行喷砂处理并涂专用胶粘剂，提升橡胶-金属结合强度；

• 工艺改进：橡胶层采用模压硫化工艺（155℃×25min），硫化后进行二次硫化（120℃×2h），消除残余应力；金属基体采用无缝钢管一体化锻造工艺，降低整体应力集中。

  
  

优化后吊环经台架试验验证，性能显著提升：

• 橡胶层性能：撕裂强度提升至48kN/m，较优化前提升60%；耐高低温循环（-40℃~120℃）后性能保留率达85%，阿克隆磨耗降至0.12cm³/1.61km；

• 疲劳寿命：吊环整体疲劳寿命达26.8万公里，满足20万公里设计需求；橡胶层在整个试验过程中未出现撕裂失效，服役稳定性显著提升；

• 综合效益：材料利用率从65%提升至92%，生产成本降低18%，同时减少了设备维护频次与成本。

本文通过对减震器吊环橡胶层材质选型与抗撕裂性能的系统研究，得出以下核心结论：

• 减震器吊环橡胶层需满足减振性能、抗撕裂性能、耐环境性能、结合性能与工艺性能的多维度需求，其中抗撕裂性能与材质适配性是决定其服役寿命的核心因素；

• 四种常用橡胶材质中，HNBR适配高温、高压、强油污染等严苛工况，NR适配常温无油低成本工况，EPDM适配潮湿户外宽温域工况，NBR适配油污染中高温工况，选型需结合工况核心参数精准匹配；

• 橡胶层的撕裂失效是“应力集中诱发微裂纹-交变载荷加速裂纹扩展-环境因素加剧失效”的协同过程，通过配方优化（复合填充、短纤维改性）、结构优化（边缘圆角、增强织物复合）、工艺改进（优化硫化参数、二次硫化）可显著提升抗撕裂性能；

• 工程案例验证表明，基于本文技术路径的优化方案，可使橡胶层撕裂强度提升60%，吊环整体疲劳寿命从10.5万公里提升至26.8万公里，完全满足严苛工况使用需求。

  
  

未来研究可聚焦以下方向，进一步提升减震器吊环橡胶层的抗撕裂性能与适配性：

• 多场耦合研究：建立“温度-载荷-介质”多场耦合作用下的橡胶层撕裂失效模型，提升复杂工况下抗撕裂性能预测精度；

• 智能化优化：结合机器学习算法，构建橡胶材质配方-结构参数-抗撕裂性能的智能匹配模型，实现多参数精准优化；

• 新型材料与工艺探索：研发纳米改性橡胶、橡胶基复合材料等新型抗撕裂材料，探索橡胶-金属一体化成型新工艺，进一步提升综合性能；

• 长效性能监测：建立橡胶层健康监测技术，实现撕裂失效的早期预警，延长吊环整体服役寿命。