摘要：某车型在道路试验中排气管悬挂软垫发生断裂，为寻失效原因，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
中图分类号：U465.4+2
文献标识码：B
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
（东风汽车集团股份有限公司技术中心，武汉430058）
作者简介：王亮（1983—），男，工程师，硕士学位，研究方向为材料学。
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，排气管表面温度很高，可达400~600℃，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
图1所示，图1b 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，
结果如图2所示。图中1378cm -1和1462cm -1两个峰分别为甲基和亚甲基的C-H 面内弯曲振动峰，2922cm -1和2852cm -1为甲基和亚甲基的C-H 面内伸缩振动峰。1709cm -1应为C=O 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，试验条件为在氮气氛围下由40℃以20℃/min 的升温速率加热到600℃。测试结果如图3所示。图中可见胶料的分解温度为486℃。
综合红外与热重的分析结果可以判定该零件材质为三元乙丙橡胶（EPDM ），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 型）检测，结果分别是60、61、61，中值61。该零件材料定义的邵氏硬度值要求为60±5。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
失效悬挂软垫的断裂部位的断口形貌如图4
所示，断面无明显气泡或杂质。该断口可分为两个区，A 区为疲劳区，该区表面粗糙，裂纹以源区为中心呈放射状发展。B 区表面随着裂纹的发展而逐渐平整，A 区和B 区呈现出的由粗糙发展到平整的特点与橡胶韧性断裂的特征相似[8-9]。A 区形貌如图5所示，A 区中箭头所指为裂纹源区。A 区有环状的疲劳条纹；B 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观特征进行观察，A 区的SEM 形貌如图6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。
图6中红虚线框标注部位为裂纹源区，图7为裂纹源区的SEM 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
图1
失效悬挂软垫在车上的布置与零件外观
（b ）失效悬挂软垫的外观
（a ）失效悬挂软垫安装位置
悬挂软垫A
悬挂软垫B
悬挂软垫C 悬挂软垫D
悬挂软垫
E
图2失效悬挂软垫的红外光谱
图3失效悬挂软垫的热重分析结果
4000
3000
200010000
波数/cm -1
103
101999795939189透射率/%
2922.89cm -1
2882.18cm -11709.61cm -1
1462.87cm -1
1378.6cm -1
100200
300400
500
600
温度/℃
10090807060504030质量变化率/%
质量变化
-5
-10-15-20
-25质量变化率一
阶导数/%·m i n -1
图4悬挂软垫的断面整体形貌
图5A 区的宏观形貌
A
B
裂纹源
置未见明显缺陷、损伤与杂质。
3
受力及有限元分析
3.1
悬挂软垫受力分析
通过对失效车辆和同一批其他试验车辆进行
检查分析，可以排除装配不正常或在使用过程中发生干涉等因素造成悬挂软垫断裂的可能性。
排气管的悬挂软垫受到的作用力主要来源于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振动、排气激励与路面震动等几个方面。其受力主要是安装状态下垂直方向的拉伸或压缩的交变应力(拉伸作用力较大)，如图8所示。为进一步分析悬挂软垫的应力分布情况，运用有限元对其进行仿真分析。橡胶件的有限元分析常用于预测零件寿命[10-11]，本研究主要用于分析零件应力分布。3.2
仿真分析
对悬挂软垫的约束与加载如图9所示。软垫两端孔内加载，一端固定，一端活动，在活动孔内加载拉力。该零件的极限工作受力为500N ，两个安装孔因为在工作状态下有金属杆穿过而设定为不可变形。悬挂软垫材料为EPDM 。
采用Abaqus 软件进行仿真分析，结果如图10
所示。图中红线框标注区域即软垫安装孔的两侧应力最大。其分析结果中的应力最大部位与实际失效件的断裂源位置一致。
4分析讨论与改进建议
红外光谱和热重分析测试结果说明失效悬挂
软垫的材质符合材料定义。外观检查与硬度测试表明，失效零件无明显的老化现象，说明零件断裂与材料老化关系不大。受力与仿真分析表明零件的裂纹产生源区与工作状态中零件应力最大的区域一致，排除干涉或安装不正确等情况发生。裂纹源区的SEM 图显示裂纹源区未见明显损伤、缺陷与杂质，排除了制造缺陷导致的零件失效。
汽车道路试验中路面情况复杂，有时道路颠簸会导致零件承受很大拉力。此时，橡胶材料变形很大，并会在图10中红标注位置处产生最大
图6A 区SEM 形貌
图7
裂纹源区SEM
形貌
图8安装状态下悬挂软垫受力
F
F
图9悬挂软垫仿真约束与加载
汽车排气管改装500N
拉力
固定
图10
悬挂软垫应力分布
应力。汽车在道路试验中受到发动机的振动、排气激励与路面激励多重影响而形成交变载荷。因此该位置受到交变应力的作用而产生疲劳条纹。疲劳区逐渐扩大，形成了A 区，然后转变为裂纹快速发展区，最终零件断裂。
综上所述，失效的主要原因为悬挂软垫受到过大的交变载荷。因此建议将零件结构改进，增加尼龙织带环绕零件，并进行相应结构更改。尼龙织带抗拉强度与模量均很大，在悬挂软垫受到过大载荷导致较大形变时可以有效控制形变量并承受多余应力。图11所示为改进前后的悬挂软垫对比图，改进后的悬挂软垫进行了加厚，取消中间连接部位，端部设计凹槽对尼龙织带限位，并对局部位置进行加强等结构更改。改进后的悬挂软垫已搭载该车型通过八万公里道路试验，未出现类似失效问题。
5结论
a .失效悬挂软垫的材质、邵氏硬度均符合材料
定义要求；
b .失效悬挂软垫断裂属于疲劳断裂；
c .零件失效的主要原因为失效件受到了过大的交变载荷；
d .失效零件增加尼龙织带以后解决了载荷过大的问题，道路试验通过。
参考文献：
[1]罗鹏，倪洪启，陈富新.液压系统丁晴橡胶(NBR)密封件失效形貌特征分析[J].重型机械科技,2004,(2):35-37.[2]熊华，张延利，许涛.某燃油泵活塞皮碗开裂分析[J].失效分析与预防.2006,1(1)：53-56．
[3]王力，张玲，于涛等.橡胶膨胀节开裂原因分析[J].理化检验-物理分册.2013,49(8)：538-545．
[4]刘高远，范金娟.某型硅橡胶胶管开裂原因分析[J].失效分析与预防.2006,1(4)：51-54．
[5]范金娟，郭孟秋.软油箱连接管开裂与鼓泡分析[J].失效分析与预防.2008,3(2)：33-36．
[6]许风和，邸祥发等.航空非金属件失效分析[M].北京：科学出版社,1993.12-13.
[7]宋珍.汽车排气系统悬置软垫的设计[J].汽车与配件.2010,36(9)：42-43.
[8]张栋，钟培道，陶春虎等.失效分析[M].北京：国防工业出版社,2008.261-265.
[9]侯学勤，范金娟.橡胶密封件的失效分析与橡胶断口形态[J].世界橡胶工业,2010,37(12):33-37.[10]黄鹏程，王聪昌，陈凯.车用橡胶衬套疲劳的有限元分
析[J].橡胶工业.2013,60(8)：488-492.
[11]刘建勋，黄友剑，刘柏兵等.一种橡胶弹性元件疲劳寿
命预测方法的研究[J].电力机车与城轨车辆.2011,34(3)：12-14.
图11
改进前后悬挂软垫对比
（b ）侧视图
（a ）俯视图
改进后
改进前改进前改进后