近年來，由于汽車的高性能化等原因，汽車用橡膠件所處的環(huán)境日益苛刻。汽車中使用的橡膠件多數(shù)承擔重要的功能，就是說，一旦發(fā)生故障，很可能產生嚴重的后果。因而要求汽車用橡膠件必須具備相當高的可靠性，對汽車用橡膠件來說，重要的是它對時效老化故障的可靠性。由于汽車用橡膠件的通用性很強，一旦發(fā)生時效老化故障，后果不堪設想，所以必須充分考慮其使用壽命。橡膠件的時效老化，主要是受熱產生的老化，所以文中重點敘述了熱老化壽命的預測方法。

1 關于確保橡膠件可靠性的考慮

         為了確保對時效老化的可靠性，可以采用圖 1所示的思考步驟。

1)掌握故障狀態(tài)

       對于實際使用的汽車，需要弄清在實際使用狀態(tài)下會發(fā)生哪種故障，具體講，依據(jù)重現(xiàn)使用狀況的部件模擬試驗以及實際試驗，將施加在橡膠部件上的物理壓力和化學能量，加大到使該部件發(fā)生故障時為止，以此作為故障的模式。

     由于輸人的應力和橡膠種類等因素的不同，即使是同樣結構的部件，也會出現(xiàn)不同的故障狀態(tài)。所以，實際進行的部件模擬試驗以及實際試驗必須進行到發(fā)生故障時為止，這一點很重要。

2)解析故障機理

     通過觀察和分析發(fā)生故障的部件，測定構成部件的各種材料的老化程度，以掌握該部件發(fā)生故障的原因和機理。文中僅就確認的熱負荷為主要原因，進行解析。

3)找出代用(材料)特性的相關性

    在解析故障機理時，需要明確故障機理和材料的哪種特性具有相關性。同時，還需要掌握這種代用材料特性降低到何種程度時，才會發(fā)生故障(臨界值)。

4)繪制“溫度一使用壽命曲線”圖

     對于已經掌握的代用材料特性，需要進行三個以上溫度水準下的加速老化試驗，根據(jù)各溫度下代用材料特性降低到臨界值的時間，繪出“溫度一使用壽命曲線圖”。

5)預測市場壽命

    為了預測橡膠件的使用壽命，掌握該部件的“等效溫度”是很重要的。所謂的等效溫度，是指相對于某一規(guī)定時間內由于受到熱負荷的作用(變化溫度)所產生的老化狀態(tài)，或在達到同等老化程度時相同時間內的某一恒定溫度。使用上述4)項中求得的溫度一使用壽命曲線圖，采用局部法定律，根據(jù)該橡膠件的溫度頻率分布即可求出等效溫度。但是，能否適用于局部法定律，需要預先通過試驗加以驗證。

      如果掌握了橡膠件的等效溫度，即可從溫度一使用壽命曲線圖中求出該部件的使用壽命。

2 預測膠管使用壽命的實例

    以下僅就汽車動力轉向裝置膠管(PS 膠管)和汽車變速器用油冷卻器膠管(AT 膠管)為例，說明汽車用橡膠件熱老化的壽命預測。

2.1  PS 膠管

2.1.1  PS膠管的功能

      在圖2 所示的 PS 體系中，PS 膠管將油壓傳遞給PS 傳動裝置，使其具有輔助的控制轉向功能。

2.1.2  PS膠管的構成

    如圖3所示，PS 膠管由內層橡膠，增強層和外層橡膠三部分構成。關于橡膠和增強層材質的選擇，最重要的是要考慮熱負荷以及耐壓性，所以應慎重選擇材料。

2.1.3 膠管的壽命預測

1)PS膠管的故障形式

          在相當于實車的PS 體系中，再現(xiàn)實際使用方式對 PS膠管達到發(fā)生故障時的狀態(tài)進行試驗(溫度，壓力，壓力的交替變化等)。從試驗結果看，可以確認最終 PS 膠管破裂，液體泄漏。關于故障形式的確認應該考慮到實際使用方式有多種類型，因而希望能對所有的條件進行評估。

2)解析故障機理

       在調查實際故障時，需要特別慎重地確認發(fā)生故障的原因。在對液體泄漏的 PS 膠管進行研究時發(fā)現(xiàn)，正如圖4 所示的，可以觀察到在外層橡膠中有龜裂，其中有一部分龜裂發(fā)展到內層橡膠上。然而，在增強層中卻未觀察到損傷情況。

         對于 PS 膠管來說，這時僅僅是目察所看到的水平，由于故障的不同，有時肉眼也難以觀察出來。在這種情況下，最好采用顯微鏡放大后觀察之。另外，當故障以不同的形式出現(xiàn)時，必須進行全面檢查驗證。

           其次，在重現(xiàn)實際使用方式的橡膠件試驗中，取出液體泄漏前的 PS 膠管，測定其爆裂壓力。結果如圖S 所示，爆破壓力與時間無關。觀察測定破裂壓力后的PS 膠管時發(fā)現(xiàn)，增強層出現(xiàn)了損傷，這和實際使用有所不同。

      在橡膠件進行試驗時，有必要充分確定所有特性值的精度，特別是在特性值容易發(fā)生誤差的場合，希望增加測定次數(shù)，以確保特性值的真實。

3)找出橡膠特性的相關性

        測定 PS 膠管內層橡膠的伸長率，結果如圖6 所示。從圖6 可知，隨著時間的延長，橡膠的伸長率有逐漸降低的趨勢。

      與其它的特性相比，橡膠的伸長率也容易發(fā)生誤差。所以，必須采用可靠性較高的數(shù)據(jù)。另外，在取樣時，由于會受到取樣方式的影響，所以必須充分考慮到這一點。

        其次，為了確認達到產生故障時表征伸長率特性的臨界值，采用了以下的作法。在試驗中，對于爆破的 PS 膠管和沒有爆破的 PS 膠管分別測定它們的內層橡膠的伸長率，其結果如圖 7 所示。

    由圖6 及圖7 可以確認，內層橡膠的特性值對于故障的產生有影響。在作比較時需要注意的是，要取多個已發(fā)生故障的橡膠件，測定其特性值并加以比較。如果試樣的數(shù)量較少，有時試驗結果會和實際現(xiàn)象不符。

    1)在三種以上的溫度條件下，測定伸長率中的降低值。

      2)算出各個溫度下降低到臨界值的時間。這里，由于每個橡膠件可能存在不同的伸長臨界值，所以，在分析故障機理時，應采用從實際部件中則得的數(shù)值。

     3)繪出溫度一使用壽命曲線圖(logt-1/T，式中t:時間 T:絕對溫度)

    圖9 為實際繪制成的溫度一使用壽命曲線圖。

(代用材料特性為內層橡膠的伸長率)

      4)繪制代用材料特性的“溫度一使用壽命曲線圖”

      在對 PS 膠管進行試驗時，為了了解橡膠的伸長率和膠管故障之間的關系，需要對橡膠在拉伸狀態(tài)下的老化進行壽命預測。橡膠伸長率降低，是由于橡膠交聯(lián)密度提高引起了化學反應。該反應導致產生了老化，可以采用以下的“阿雷尼烏斯方程式”預測其使用壽命。

     阿雷尼烏斯(Arrhenius)方程式:

    t= A x exp(E/RT)

式中:

t:降低到臨界值的時間

A :常數(shù)

E :活化能

R:氣體常數(shù)

T:絕對溫度

  橡膠伸長時的“溫度一使用壽命曲線圖”可以按照以下的步驟制成。

5)使用壽命預測

    在圖9 所示的PS 膠管溫度一使用壽命曲線圖中，如果知道了橡膠件的等效溫度，則可以預測該部件的使用壽命，如圖10 所示。

2.2  AT 膠管的實例

下文介紹AT 膠管的實例。

  1)AT 膠管的故障形式

   如圖11所示，AT 膠管也具有和 PS 膠管同樣的“內層橡膠/增強層/外層橡膠”這種結構。

       在相當于實際汽車的 AT 體系中，為了再現(xiàn)實際使用方式，進行了 AT 膠管產生故障時的試驗。結果表明，和 PS 膠管一樣，觀察到了AT 膠管最終出現(xiàn)破裂，液體泄漏的現(xiàn)象。

2) 解析故障機理

     在研究 AT 膠管發(fā)生液體泄漏的情況時，可以觀察到在外層橡膠上有龜裂，并且伸入內層橡膠。但是，與 PS 膠管不同，液體泄漏部位的增強層也發(fā)生了破損，如圖 12 所示。

2)找出代用材料特性的相關性

    和 PS 膠管一樣，也探討了故障和爆破壓力，橡膠特性，增強層特性等的相關性。重現(xiàn)實際使用方式對橡膠件進行了試驗，取出發(fā)生液體泄漏前的 AT 膠管，測定其爆破壓力。從測試結果可知，爆破壓力隨著時間的延長而逐漸降低，二者之間具有相關性，如圖 13 所示。

      在故障和材料特性的相關性方面，如圖14和圖15 所示那樣，它和PS膠管不同，爆破壓力和橡膠的伸長率無關，而和增強層的織物強度有關。從這一點可以推論，由于增強層的老化造成的耐壓性降低，是液體泄漏的主要原因。

      如果能夠掌握代用材料特性和臨界值，則可以和 PS 膠管一樣，繪制成“溫度一使用壽命曲線圖”，進行壽命預測。

3 結束語

     以上介紹的實例是具有類似結構的 PS 膠管和AT 膠管的情況，雖然故障形式同樣都是液體泄漏，但產生故障的機理是完全不同的。如前所述，在預測橡膠件的使用壽命時，如果不能準確地了解產生故障的機理，則會發(fā)生和實際狀況不符的錯誤的使用壽命判斷，所以，準確地了解產生故障機理是非常重要的。為了確保橡膠件的可靠性，有必要事先繪制好在各種機理條件下以使用壽命預測為基礎的“溫度-使用壽命曲線圖”。