徐冬美， 张永生， 栗飞云

(中国公路车辆机械有限公司， 北京 100055)

本公司近期接触到一批客车吊杆,其聚氨酯衬套件在行驶过程中发生多处破裂，造成客车行驶过程中噪声大、振动大的不良后果；另有破裂后的聚氨酯衬套从原有位置脱落，使得钢件在客车行进中直接接触碰撞，发出异响并造成钢件磨损，进而发生断裂。如不及早发现并解决，容易在行驶中造成事故。

经初步测试研究发现，吊杆与聚氨酯衬套件间的连接未发现异常，吊杆件本身无质量问题。因此需要对涉及到的衬套件性能进行深入分析，避免再次发生类似事故。

1 聚氨酯衬套在汽车中的应用

影响汽车平顺性的主要因素有悬架系统、车架和轮胎等，其中以悬架系统的影响最为重要[1-2]。悬架系统中零件众多，汽车运动时零件连接位置会发生振动和碰撞。为了减缓振动、降低噪声、提高乘坐舒适性和操纵稳定性[3]，通常会在零件连接位置使用衬套、垫片等作为柔性连接，常用材料有橡胶、聚氨酯等。

聚氨酯材料由于具有较高的撕裂强度、耐臭氧老化和较低的压缩永久变形率正在逐步替代传统硫化橡胶，扩大其在汽车领域的应用范围。该类材料的弹性模量较钢件小很多，在较宽的硬度范围内仍具有优良的弹性，作为阻尼减振材料，可在车辆运行中有效地减缓振动、避免谐振[4]。

目前市面上已有使用聚氨酯材料制作的汽车减振器支座[5]、吊杆衬套、保险杠[6]、减振坐垫、稳定杆衬套、前摆臂衬套[7]等零件。相比于其他材料，聚氨酯类制品可明显提高减振效果和汽车行驶平顺性，承担更大的横向或纵向载荷，增强了汽车行驶的安全性和舒适性[8]。用聚氨酯材料制作的衬套件还可通过硫化、胶粘等工艺与悬架其他零件粘接在一起，起到保护零件和降噪的作用。但聚氨酯衬套件的性能由于受到合成方法、加工工艺和成型条件等多种因素的影响，如长期处于高温、高湿环境中会加速聚氨酯的分解，易造成衬套件失效。

2 聚氨酯衬套的性能测试及改进

针对前述问题追溯物料供应发现，此次出现批量破裂的聚氨酯衬套均为某供应商生产(与下述样品2为同厂家同批次)。为了解决前述衬套件破裂问题，避免日后其他供应商出现类似问题，分别对3家供应商提供的衬套样品(以下简称样品1、2、3)进行有关性能检测，以找到衬套破裂的原因。这3种衬套样品初始状态的邵氏A硬度值均大于70，都满足技术要求。

2.1 耐水解和硬度测试

汽车悬架系统中用到的衬套材料通常是浇注型聚氨酯，一般是由异氰酸酯和低聚物多元醇聚酯或聚醚发生加聚反应，再添加小分子扩链剂，通过液体混合浇注的加工成型方法得到的固化交联嵌段型高分子聚合物[9-10]。由于聚氨酯易通过水解反应引发自裂解，从而造成产品性能变差甚至失效，因此有必要对3种样品进行耐水解测试。

参照QB/T 4671—2014[11]和相关文献的测定方法[12]，分别从3种衬套件上各裁取一定尺寸的样品，将其置于70 ℃的水浴锅中加热，并添加一定浓度的NaOH溶液作为水解催化剂，通过观察不同时间段下(初始、1 h、2 h、4 h)各个试样瓶的浑浊程度、测量实验前后的硬度情况，来比较3种样品的耐水解性能。其中初始状态和70 ℃加热搅拌4 h状态的结果如图1所示。

(a)初始状态

(b)70 ℃加热搅拌4 h

图1 3种衬套产品的耐水解实验记录图

通过观察不同时间段的样品状态可知，初始状态下3种衬套样品均未有水解发生，溶液呈澄清透明状。在70 ℃下加热搅拌1 h后，样品2所在的溶液出现了轻微浑浊现象，表明此时已有少部分发生水解，在随后4 h的观测试验中，可以看到2号样品瓶中的溶液浑浊度和不透明度逐渐增加，且下层沉淀越来越多。说明材料的水解反应逐渐从外部表面渗入到内部，而此时样品1和样品3则与初始状态无太大差别，表明样品1和样品3的耐水解性能优于样品2。

在此基础上，对水解实验前后的样品进行硬度检测可以直观地反映水解对聚氨酯衬套性能的影响。采用邵氏A硬度计测量的结果见表1。

表1 3种衬套样品水解前后的邵氏A硬度值变化

从表1可以看出，3种衬套样品经过4 h的耐水解实验后硬度均有所下降，其中样品2的硬度值下降最大，为18.1%。与水解溶液的结果趋势一致。此时样品2的邵氏A硬度值已低于70，不满足使用技术要求，与其在使用过程中出现破裂的情况相对应。

2.2 微观形貌测试

聚合物的微观形貌和结构可以直接影响产品的机械性能，采用冷场发射扫描电子显微镜(SEM)与X射线能谱仪(EDS)联用可以直观地观测到聚合物内部的微观形貌和元素分布情况。分别将样品1、2、3置于液氮中淬断，断面朝上放置于样品台上，以10 kV的加速电压轰击材料断面，在1 000倍的放大倍数下观察各个样品的断面形态和元素分布，结果如图2所示。

样品1的SEM图

样品1的EDS图

样品1的氧元素图

样品2的SEM图

样品2的EDS图

样品2的氧元素图

样品3的SEM图

样品3的EDS图

样品3的氧元素图

图2 3种衬套样品的SEM扫描图像、EDS分层图像和氧元素分布图像

由图2可知，3种样品的SEM扫描图像呈现不一样的断面形貌，样品1的断面较为光滑均匀，无大块团聚出现；样品2的断面有大块聚集体出现，表面有凸起和凹陷；样品3有少量鼓包，但整体较为平整。观测EDS分层图像也可以发现类似规律，元素的不均匀分布会对产品的力学性能和疲劳性能有一定影响。选取EDS中氧元素的分布图像可以看到，样品1的氧元素分布图最为致密均匀，其次是样品3，样品2的均匀性最差。

综上分析，前述衬套件破裂的原因为：衬套件样品2的内部组成分布不均，从微观角度看易造成由小分子扩链剂、异氰酸酯组成的硬段和以聚酯或聚醚多元醇为代表的软段间接触不充分，使得聚氨酯硬段和软段间的氢键减少，交联强度降低；宏观直接表现为衬套件耐水解、硬度和强度等性能变差，在汽车行驶过程中无法提供有效的支撑减振作用。

2.3 改进方案与效果

通过以上综合对比可得出：样品1的综合性能较为优异，其耐水解程度和微观形貌都较另外两种样品更好，推荐使用；样品2和样品3均有不同程度的性能缺陷，不建议继续使用。

针对此次问题提出的改进方案为：使用样品1所属供应商提供的质量合格的聚氨酯衬套件更换该批车辆的所有吊杆衬套。更换衬套件后，在后期随访中未出现类似问题，车辆运行正常，表明问题得到解决。

3 结束语

衬套类产品在汽车悬架系统中起着减缓振动和降低噪声的重要作用，其产品性能对悬架和整车运行都有至关重要的作用。本文通过实验测试的方法对比多家供应商衬套件的性能，找到衬套件的失效原因并提出有效的解决方案。