高新文，裴世鵬，鄭立霞

（山東智衡減振科技股份有限公司，山東 青島 266114）

裝配空氣彈簧的車(chē)輛在曲折路面上行駛時(shí)由于空氣彈簧具有剛度特性和減震性能，可以使車(chē)輛具有較好的行駛平順性和穩(wěn)定性[1]，并可保證輪胎與路面的良好接觸，有效減少車(chē)輛對(duì)路面的破壞[2-3]，進(jìn)而提高車(chē)輛在高速行駛時(shí)的操縱性和安全性。

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，空氣彈簧在汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在美國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的高速客車(chē)和城市客車(chē)上的使用率已經(jīng)達(dá)到100%，在中、重型貨車(chē)以及掛車(chē)上的使用率超過(guò)80%[4-5]。隨著GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，我國(guó)汽車(chē)用空氣彈簧將迎來(lái)快速發(fā)展，預(yù)計(jì)在未來(lái)10年內(nèi)，空氣彈簧將普遍裝配在各種類(lèi)型的汽車(chē)上，其普及率將達(dá)到歐洲的現(xiàn)代水平[6]。

與原有鋼彈簧懸掛系統(tǒng)相比，空氣彈簧減振懸架具有質(zhì)量小、彈性好和剛度低的特點(diǎn)，其裝配車(chē)輛高速行駛時(shí)輪胎與地面的附著性好、制動(dòng)距離短[7-8]，但空氣彈簧的耐疲勞性能和使用壽命仍是短板[9]。

本工作將納米微珠二氧化硅添加至空氣彈簧用天然橡膠（NR）膠料中，研究納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR膠料加工性能和物理性能以及空氣彈簧耐疲勞性能的影響，以期為提高汽車(chē)空氣彈簧用膠料的耐屈撓性能和延長(zhǎng)空氣彈簧的使用壽命提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

NR，牌號(hào)SCR5，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國(guó)石化齊魯石油化工公司產(chǎn)品；炭黑N550，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品；氧化鋅，大連氧化鋅廠產(chǎn)品；納米微珠二氧化硅，青島泰洋圣化工有限公司產(chǎn)品；其他材料均為市售品。

納米微珠二氧化硅是一種球形二氧化硅，平均直徑為120 nm，這種球形結(jié)構(gòu)填料添加至橡膠中，可以降低膠料在動(dòng)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力。納米微珠二氧化硅在掃描電子顯微鏡（SEM）下的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 納米微珠二氧化硅的微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of nanobead silica

1.2 配方

NR 60，BR 40，炭黑N55045，納米微珠二氧化硅 變量，氧化鋅 5，硬脂酸 2.5，增塑劑 8，酚醛樹(shù)脂 2.5，防老劑RD 2.5，防老劑40202.5，硫黃 2.2，促進(jìn)劑CBS 0.6，促進(jìn)劑MBTS 1，其他 5。

1.3 主要設(shè)備和儀器

1 L密煉機(jī)，利拿機(jī)械（東莞）實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；GT-M2000-A型硫化儀、AI-7000S型電子拉力機(jī)和GT-7017-M型老化箱，高特威爾檢測(cè)儀器（青島）有限公司產(chǎn)品；UM-2050型門(mén)尼粘度儀，優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；LX-A型橡膠邵氏硬度計(jì)，無(wú)錫錫晶橡塑測(cè)量?jī)x器廠產(chǎn)品；MZ-4003B型屈撓試驗(yàn)機(jī)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司產(chǎn)品；SDZ0025型疲勞試驗(yàn)機(jī)，中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司產(chǎn)品。

（3）能源強(qiáng)度存在β收斂，即區(qū)域間能源強(qiáng)度的差異在逐漸縮小。產(chǎn)業(yè)的規(guī)模性轉(zhuǎn)移不僅改變了產(chǎn)業(yè)的空間布局，而且將先進(jìn)的技術(shù)和成熟的管理經(jīng)驗(yàn)帶到了承接地，區(qū)域產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移可能存在技術(shù)溢出效應(yīng)，從而減慢產(chǎn)業(yè)承接地能源強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度。

1.4 試樣制備

膠料采用兩段混煉工藝混煉，一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，先加入橡膠，再加入小料、炭黑N550和納米微珠二氧化硅；二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，一段混煉膠在開(kāi)煉機(jī)上包輥后加入硫黃、促進(jìn)劑CBS和促進(jìn)劑MBTS，混煉均勻后下片，得到的NR混煉膠在室溫下停放16 h后備用。

物理性能試樣直接在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為160 ℃/12 MPa×10 min。

空氣彈簧試樣先在空氣彈簧專(zhuān)用成型機(jī)上成型，再在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為165 ℃/2.2 MPa×10 min。

1.5 性能測(cè)試

NR膠料各項(xiàng)性能測(cè)試均執(zhí)行相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

空氣彈簧的耐常溫疲勞性能測(cè)試條件為：載荷控制SIN波，頻率 3 Hz，振幅 ±20 mm，空氣內(nèi)壓 1 MPa，環(huán)境箱溫度 （23±2） ℃。

空氣彈簧的耐高溫疲勞性能測(cè)試條件為：載荷控制SIN波，頻率 2 Hz，振幅 ±17 mm，空氣內(nèi)壓 0.7 MPa，環(huán)境箱溫度 （80±5） ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 納 米微珠二氧化硅用量對(duì)NR膠料硫化特性和門(mén)尼粘度的影響

納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR膠料硫化特性的影響如表1所示。

表1 納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR膠料硫化特性的影響Tab.1 Effect of nanobead silica amounts on vulcanization characteristics of NR compounds

從表1可以看出：隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR膠料的FL和Fmax呈增大趨勢(shì)，但增幅不大，其中FL的小幅增大說(shuō)明納米微珠二氧化硅對(duì)膠料流動(dòng)性的影響比一般補(bǔ)強(qiáng)填料要小[10]；NR膠料的t10和t90變化不大。

納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR膠料門(mén)尼粘度的影響如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR膠料的門(mén)尼粘度呈略增大趨勢(shì)，這與NR膠料的FL變化趨勢(shì)相一致。

圖2 納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR膠料門(mén)尼粘度的影響Fig.2 Effect of nanobead silica amounts on Mooney viscosities of NR compounds

2.2 納 米微珠二氧化硅用量對(duì)NR硫化膠物理性能的影響

納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR硫化膠邵爾A型硬度和300%定伸應(yīng)力的影響分別如圖3和4所示。

從圖3和4可以看出：NR硫化膠的邵爾A型硬度隨著納米微珠二氧化硅用量的增大呈先減小后增大趨勢(shì)，且增大階段增幅較小，納米微珠二氧化硅用量每增大7～10份，硫化膠的邵爾A型硬度可增大1度，這是因?yàn)榧{米微珠二氧化硅呈球形結(jié)構(gòu)，其對(duì)NR的補(bǔ)強(qiáng)效果較差造成的，因此空氣彈簧用NR膠料中添加少量納米微珠二氧化硅可忽略其對(duì)硫化膠邵爾A型硬度的影響；納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR硫化膠的300%定伸應(yīng)力無(wú)明顯影響。

圖3 納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR硫化膠 邵爾A型硬度的影響Fig.3 Effect of nanobead silica amounts on Shore A hardnesses of NR vulcanizates

圖4 納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR硫化膠 300%定伸應(yīng)力的影響Fig.4 Effect of nanobead silica amounts on tensile stresses at 300% elongation of NR vulcanizates

納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率的影響如圖5所示。

圖5 納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR硫化膠拉伸強(qiáng)度和 拉斷伸長(zhǎng)率的影響Fig.5 Effect of nanobead silica amounts on tensile strengths and elongations at break of NR vulcanizates

從圖5可以看出：隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率都呈減小趨勢(shì)；當(dāng)納米微珠二氧化硅用量為20份時(shí)，NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度為19.7 MPa，已經(jīng)不能滿足GB/T 13061—2017《商用車(chē)空氣懸架用空氣彈簧技術(shù)規(guī)范》中空氣彈簧橡膠的拉伸強(qiáng)度不小于20 MPa的要求，因此在空氣彈簧用NR膠料中納米微珠二氧化硅用量要小于20份。

納米微珠二氧化硅的用量對(duì)NR硫化膠耐屈撓性能的影響如圖6所示。

圖6 納米微珠二氧化硅用量對(duì)NR硫化膠 耐屈撓性能的影響Fig.6 Effect of nanobead silica amounts on flexure resistance of NR vulcanizates

從圖6可以看出，隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR硫化膠的屈撓次數(shù)先增大后減小，在其用量為10～15份時(shí)，NR硫化膠的耐屈撓性能較佳。填充填料的硫化膠的物理性能主要取決于填料的結(jié)構(gòu)、分散形態(tài)、橡膠-填料相互作用[11-12]，即填料的結(jié)構(gòu)、粒徑和表面活性是影響其在橡膠中補(bǔ)強(qiáng)的三大要素[13-15]，因此納米微珠二氧化硅的球形結(jié)構(gòu)以及其粒徑都對(duì)NR硫化膠的耐屈撓性能有直接的影響。

在硫化膠屈撓過(guò)程中納米微珠的球形結(jié)構(gòu)可以為橡膠分子提供潤(rùn)滑作用（如圖7所示），從而降低NR硫化膠在屈撓過(guò)程中的生熱，提高NR硫化膠的耐屈撓性能；當(dāng)納米微珠二氧化硅用量超過(guò)15份時(shí)，NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度下降明顯，納米微珠二氧化硅的潤(rùn)滑作用不足以彌補(bǔ)NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度下降對(duì)耐屈撓性能產(chǎn)生的影響，導(dǎo)致NR硫化膠的耐屈撓性能降低；當(dāng)納米二氧化硅用量為20份時(shí)，NR硫化膠的屈撓壽命為64.2萬(wàn)次，其耐屈撓性能仍比未添加納米微珠二氧化硅的NR硫化膠的耐屈撓性能提高了23%。

圖7 納米微珠二氧化硅的潤(rùn)滑機(jī)理示意Fig.7 Schematic diagram of lubrication mechanism of nanobead silica

2.3 空氣彈簧的耐疲勞性能

根據(jù)NR膠料的加工性能和物理性能的分析結(jié)果，本工作以未添加納米微珠二氧化硅的1#配方NR膠料和添加10份納米微珠二氧化硅的2#配方NR膠料作為空氣彈簧的內(nèi)外層膠，經(jīng)膠料壓延、成型、硫化和組裝工序制成空氣彈簧后，對(duì)空氣彈簧進(jìn)行耐常溫疲勞性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：常溫（23 ℃）下，1#配方膠料的空氣彈簧在疲勞290萬(wàn)次時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)簾線外露，其耐疲勞性能不能滿足GB/T 13061—2017中規(guī)定的臺(tái)架疲勞壽命長(zhǎng)于300萬(wàn)次的要求；2#配方膠料的空氣彈簧在疲勞368萬(wàn)次時(shí)出現(xiàn)漏氣（內(nèi)壓由1 MPa下降至0.9 MPa）。綜合來(lái)看，在空氣彈簧用NR膠料中加入10份納米微珠二氧化硅可以明顯提高空氣彈簧的耐常溫疲勞性能。

表2 空氣彈簧的耐常溫疲勞性能Tab.2 Fatigue resistances of air springs at room temperature

1#和2#配方膠料的空氣彈簧耐常溫疲勞試驗(yàn)后的狀態(tài)如圖8所示。

圖8 空氣彈簧耐常溫疲勞試驗(yàn)后的狀態(tài)Fig.8 States of air springs after room temperature fatigue resistance tests

1#和2#配方膠料的空氣彈簧的耐高溫疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，高溫（80 ℃）下，1#配方膠料的空氣彈簧疲勞43萬(wàn)次時(shí)爆裂，2#配方膠料的空氣彈簧疲勞52萬(wàn)次時(shí)出現(xiàn)簾線外漏?？梢缘贸?，NR的高溫疲勞壽命由43萬(wàn)次增長(zhǎng)至52萬(wàn)次，其耐高溫疲勞性能提高了21%。

表3 空氣彈簧的耐高溫疲勞性能Tab.3 Fatigue resistances of air springs at high temperature

1#和2#配方膠料的空氣彈簧耐高溫疲勞試驗(yàn)后的狀態(tài)如圖9所示。

圖9 空氣彈簧耐高溫疲勞試驗(yàn)后的狀態(tài)Fig.9 States of air springs after high temperature fatigue resisitance tests

3 結(jié)論

（1）隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR膠料的FL，F(xiàn)max和門(mén)尼粘度略增大，t10和t90變化不大，即NR膠料的硫化特性和門(mén)尼粘度未發(fā)生明顯變化。

（2）隨著納米微珠二氧化硅用量的增大，NR硫化膠的邵爾A型硬度先略減小后略增大，300%定伸應(yīng)力無(wú)明顯變化，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率呈減小趨勢(shì)，納米微珠二氧化硅用量小于20份的空氣彈簧用NR膠料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)納米微珠二氧化硅用量為10～15份時(shí)，NR硫化膠的耐屈撓性能最佳。

（3）在NR膠料中加入10份納米微珠二氧化硅制備的空氣彈簧，其耐常溫疲勞性能和耐高溫疲勞性能都明顯提高。