汽车排气管悬挂软垫失效分析

王亮 黄文长 黄硕 黄江玲 樊乃霖 郭文博430058) (东风汽车集团股份有限公司技术中心,武汉 摘要:某车型在道路试验中排气管悬挂软垫发生断裂,为寻找失效原因,通过外观检查、邵氏硬度检测、红外光谱与热重分析与断口分析等方法对失效件进行了检测。并分析了零件的安装与受力状态,结合有限元仿真对零件进行应力分析,得出了零件受到过大交变载荷而疲劳断裂的结论。在此基础上,提出了增加尼龙织带环绕零件限制过大应力的改进方法,并在新的道路试验中通过了验证。关键词:悬挂软垫 失效 断裂 疲劳 减振橡胶U465.4+2

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1 前言

在乘用车上,橡胶件主要起密封[1- 3]、减振、胶管[4,5]和传送多契带等用途。实际使用过程中,橡胶件的失效易引起整个零件或整个系统的功能失效。研究乘用车中橡胶件的失效原因,探求橡胶件的失效预测,对于提高零件或总成的安全性和使用寿命有着重要意义[6]。

排气管的悬挂软垫又称排气管吊耳,是发动机系统中连接排气管与车身的重要零件。它用于支撑排气管的质量以及减轻排气系统与车身之间振动,振动主要来源于发动机的工作振动、排气激励与路面激励等几个方面[7]。同时由于车辆运行时发动机排出的高温气体在排气管内流动,排气管表面400~600 ℃,温度很高,可达 使得布置在附近的悬挂软垫的环境温度也较高,因此悬挂软垫一般选取 耐热性能好的橡胶如三元乙丙橡胶或硅橡胶。

某越野车新车型道路试验几千公里发现悬挂软垫断裂失效,对失效的悬挂软垫进行了外观检查和邵氏硬度检测,对其材质进行红外光谱与热重分析验证,并对其断口进行了观察和扫描电镜检测。在此基础上,分析悬挂软垫的失效原因并提出了改进方法。

2 试验过程与结果 2.1 外观检查

失效的悬挂软垫在车上的布置与零件外观如1 1b图 所示,图 中零件左侧部分连接排气管端,右侧与车身部分相连。零件长期受到左右两侧的拉伸和挤压的交变应力。检查失效零件,左端有一处裂纹,但并未断裂;左上部位有一处断裂,是此次本零件失效的位置,其余部位无损伤。零件表面未见明显的硬化、龟裂等老化现象。

2.2 材质验证

采用裂解法对失效样件进行红外光谱分析,

1983—), , , ,作者简介:王亮( 男 工程师 硕士学位 研究方向为材料学。

2 1 378 cm- 1 462 cm-结果如图 所示。图中 1和 1两个C- H峰分别为甲基和亚甲基的 面内弯曲振动峰, 2 922 cm- 2 852 cm- C- H 1和 1为甲基和亚甲基的 面1 709 cm- C=O内伸缩振动峰。 1应为 伸缩振动峰,该键为热裂解时橡胶氧化反应产生的。除此以外其余吸收峰峰值较小。

取少量样品进行热重分析测试,试验条件为40 ℃ 20 ℃/min在氮气氛围下由 以 的升温速率加热600 ℃ 3到 。测试结果如图 所示。图中可见胶料486 ℃的分解温度为 。

综合红外与热重的分析结果可以判定该零件EPDM),材质为三元乙丙橡胶( 与零件的材料定义 一致。

2.3 硬度检测

采用非标试样对断裂悬挂软垫进行邵氏硬度A 60 61 61, 61 ( 型)检测,结果分别是 、 、 中值 。该零60±5件材料定义的邵氏硬度值要求为 。其硬度值在规定的范围之内,说明该悬挂软垫未发生明显的老化。

2.4 断口观察

4失效悬挂软垫的断裂部位的断口形貌如图所示,断面无明显气泡或杂质。该断口可分为两A个区, 区为疲劳区,该区表面粗糙,裂纹以源区为B中心呈放射状发展。 区表面随着裂纹的发展而A B逐渐平整, 区和 区呈现出的由粗糙发展到平整A的特点与橡胶韧性断裂的特征相似[8- 9]。 区形貌5 A A如图 所示, 区中箭头所指为裂纹源区。 区有B环状的疲劳条纹;区为裂纹的快速发展区。疲劳曲线特征消失,密集的裂纹逐渐减少为几条大的裂纹快速发展,直到零件最终断裂。

将断口喷金后放入扫描电子显微镜内对其微A SEM 6观特征进行观察, 区的 形貌如图 所示,图中可见裂纹源引发的裂纹呈放射状,并可见环状疲劳条纹。

6 7图中红色虚线框标注部位为裂纹源区,图SEM为裂纹源区的 形貌图。箭头所指位置为裂纹源,图中可见围绕裂纹源的环状疲劳带,裂纹源位

裂纹源

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