一種基於液體壓力的橡膠體積模量的測量裝置及測量方法與流程

2023-11-02 12:39:42 1

本發明屬於超彈性材料的測試領域，具體涉及一種橡膠體積模量的測量裝置及測量方法，特別涉及一種基於液體壓力的橡膠體積模量的測量裝置及測量方法。

背景技術：

隨著汽車產業的飛速發展，人們對汽車乘坐的舒適性也提出了更高的要求。為衰減路面和發動機的激勵，製造商逐步探索將具有超彈特性的橡膠材料應用於汽車上，例如製造發動機橡膠懸置軟墊、排氣系統橡膠懸吊、傳動軸橡膠支撐、駕駛室橡膠懸置軟墊等等。在隔振系統裡，橡膠相當於一個彈簧阻尼器，其彈性用來緩和衝擊，其阻尼用來衰減振動。體積模量是橡膠等超彈性材料的一個重要性能參數，其定義為橡膠所受的體積壓力與橡膠體積變化量之比。

傳統測量橡膠等超彈性材料體積模量的方法是將圓柱形橡膠試件放在剛性的金屬圓柱筒中，且金屬圓筒的內徑等於圓柱橡膠試件的外徑，再用一個與橡膠試件直徑相同的剛性壓頭對橡膠試件的上表面施加載荷，通過壓頭在其施加力的方向的位移大小來推算橡膠試件體積的變化，進而通過施加載荷壓力與圓柱橡膠體積的變化量之比來計算此橡膠試件體積模量。但是，此種測量方法存在以下缺點：首先，圓柱橡膠試件的外徑做不到與金屬筒內徑完全一致，這樣會在金屬筒圓柱面與橡膠試件圓柱面之間產生一定的間隙；由於橡膠試件在試驗過程中的體積變化量很小，導致這部分間隙佔總體積變化量的比重不可忽略，這會使測量結果出現誤差。並且，圓柱橡膠試件在壓縮過程中會發生徑向膨脹，其直徑變大，會與金屬圓筒產生較大摩擦力，阻礙試件壓縮過程的進行，使得靠近壓頭一端橡膠試件壓縮量大，遠離壓頭一端橡膠試件壓縮量小。綜上所述，傳統的測量方法在測量橡膠等超彈性材料體積模量時會產生較大的測量誤差，因此如何精準測量還是目前亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的就在於針對上述現有技術問題的不足，提供一種基於液體壓力的橡膠體積模量的測量裝置及測量方法，該測量裝置是以液體包裹橡膠試件，通過壓頭對液體施加壓力，間接達到壓縮橡膠試件的目的；測量時，通過測量液體的壓力和試件的體積變化量，就可以得到橡膠的體積模量，該測量方法在橡膠試件被壓縮時，受力均勻，從而大大增加了橡膠體積模量測量的準確性。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的，現結合附圖說明如下：

本發明中的流體看成壓縮係數和體脹係數很小的可壓縮流體，液體的體積模量已知。由於金屬腔體3內的流體不涉及到快速流動，所以可以把其看成不考慮黏性的流體模型，即理想流體，由流體微團之間相互作用產生的內摩擦力可以忽略不計，忽略液體高度的變化，可認為在本裝置內的液體在各個高度處壓力相等。

將橡膠試件4放入金屬腔體3內部，注入液體5，讓液體充滿腔體；旋轉壓頭11，壓頭11會沿著軸向移動，從而給液體5施加壓力。通過壓力傳感器13實時讀取液體的壓力值，即橡膠試件4承受的體積壓力；通過壓頭11移動的距離和其橫截面積可以算出橡膠試件4的體積變化量，兩者的比值即橡膠試件的體積模量。

一種基於液體壓力的橡膠體積模量的測量裝置，主要由底座1、中空圓筒形金屬腔體3、頂蓋7、頂蓋蓋板9、壓頭11和壓力傳感器13構成；

所述金屬腔體3的上、下兩端分別與頂蓋7和底座1相連，金屬腔體3與頂蓋7和底座1構成一個能夠容納液體5的密閉空間，金屬腔體3與頂蓋7以及金屬腔體3與底座1之間分別設有墊片2；

所述底座1為凸臺結構，底部開有用於固定試驗臺架的通孔；底座1上部中心處設有凹槽，其內裝有多個突起狀頂針16；

所述頂蓋7為中部開有通孔的柱形凸臺，凸臺下底面直徑與金屬腔體3外徑相等，頂蓋7上端連有頂蓋蓋板9；

所述壓頭11為階梯式圓柱形結構，其底部穿過頂蓋7的凸臺通孔深入金屬腔體3內，給液體5施加體積壓力，且壓頭11下部外徑與頂蓋7內徑為間隙配合，壓頭11上部與頂蓋蓋板9為內外螺紋配合，壓頭11旋轉時能夠軸向移動；

所述壓力傳感器13安裝在金屬腔體3的側壁上，其探針深入到液體5中。

所述液體5為任何不與橡膠發生化學反應的液體。

優選地，液體5為蓖麻油。

所述頂針16的直徑為1mm，頂針16的截面為圓形、三角形、矩形或多邊形。

所述頂蓋7與壓頭11的兩側接觸面上各設有兩個矩形密封槽8，每個密封槽8裡面裝有一個O型密封圈12，壓頭11與O型密封圈12緊密貼合。

所述頂蓋蓋板9與頂蓋7之間設有墊片2。

所述壓頭11通過壓頭外螺紋10軸向移動，即壓頭11每旋轉一圈，壓頭1就會沿著軸線方向移動一個螺距。

一種基於液體壓力的橡膠體積模量的測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

A、製備圓柱形橡膠試件4，其直徑要不超過金屬腔體3內徑的80％，再將製備好的橡膠試件4放在底座1的頂針16上，安裝測量裝置，注入液體5並排掉液體中的空氣；

B、旋轉壓頭11轉過一個小的角度，消除壓頭11外螺紋與頂蓋蓋板9內螺紋之間的間隙；

C、繼續旋轉壓頭11使其轉過角度θ，記錄下壓力傳感器13的讀數P，則橡膠試件4的體積模量其中，V1未壓縮前液體的體積，V2為未壓縮前橡膠試件的體積，K液為注入液體的體積模量，L為壓頭外螺紋10的螺距，A為壓頭11底部表面積；

D、重複步驟C，得到多個K試，它們的平均值為所測橡膠試件的體積模量。

步驟A，所述基於液體壓力的橡膠體積模量的測量裝置的安裝步驟為：先將底座1與金屬腔體3連接，並於接合處加一個墊片2；再將金屬腔體3與頂蓋7連接，於接合處加一個墊片2；接著向金屬腔體3中注滿液體5，將壓頭11穿過頂蓋7內凸臺通孔深入金屬腔體3，並於頂蓋7與壓頭11的接觸面加2個O型密封圈12；調整頂蓋蓋板9的內螺紋與壓頭11上端外螺紋10相配合；最後將頂蓋蓋板9與頂蓋7用螺栓固定在一起。

步驟C，所述橡膠試件4的體積模量由以下推導得出：壓頭11在轉過角度θ後，壓縮的體積壓縮後液體壓力為P，此時液體5被壓縮後的體積為V01，橡膠試件4被壓縮後的體積為V02，有V0＝V01+V02；在液體5未壓縮前，有V＝V1+V2，其中為V1未壓縮前蓖麻油的體積，V2為未壓縮前橡膠試件4的體積，V為未壓縮前蓖麻油和橡膠試件4的總體積；液體5體積變化量為△V1＝V1-V01，橡膠試件4的體積變化量為△V2＝V2-V02；則由於液體5為已知液體，故液體的體積模量K液已知，故則

與現有技術相比，本發明的有益效果在於：本發明採用液體作為測量介質，可有效避免現有測量橡膠體積模量方法中的存在較大測量誤差的缺陷；由於基於液體壓力，可以使橡膠試件被壓縮時受力均勻，保證快速、準確地測量橡膠的體積模量；測量方法具有測量結果準確、結構簡單的優點，在橡膠超彈性材料測量領域具有較廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明的三維實體圖；

圖2為本發明的整體剖視圖；

圖3為本發明底座的結構示意圖；

圖4為本發明金屬腔體的結構示意圖；

圖5為本發明頂蓋的結構示意圖；

圖6為本發明頂蓋蓋板的結構示意圖；

圖7為本發明壓頭的結構示意圖；

圖8為本發明基於液體壓力的壓力傳感器的結構示意圖。

圖中，1.底座 2.墊片 3.金屬腔體 4.橡膠試件 5.液體 6.頂蓋蓋板內螺紋 7.頂蓋8.密封槽 9.頂蓋蓋板 10.壓頭外螺紋 11.壓頭 12.O型密封圈 13.壓力傳感器 14.內六角螺釘 15.連接臺架通孔 16.頂針 17.連接金屬腔體通孔Ⅰ 18.連接底座螺紋孔 19.連接頂蓋螺紋孔 20.壓力傳感器探針通過孔 21.連接金屬腔體通孔Ⅱ 22.連接頂蓋蓋板螺紋孔 23.連接頂蓋通孔。

具體實施方式

如圖1-圖8所示，一種基於液體壓力的橡膠體積模量的測量裝置，主要由底座1、金屬腔體3、頂蓋7、頂蓋蓋板9、壓頭11和壓力傳感器13構成。

所述金屬腔體3為圓筒狀，金屬腔體3上下表面分別開有連接頂蓋螺紋孔19和連接底座螺紋孔18。金屬腔體3下端通過內六角螺釘14分別穿過連接底座螺紋孔18和底座1上的連接金屬腔體通孔Ⅰ與底座1相連。金屬腔體3上端通過內六角螺釘14分別穿過連接頂蓋螺紋孔19和頂蓋7上的連接金屬腔體通孔Ⅱ與頂蓋7相連。金屬腔體3與頂蓋7和底座1構成一個密閉空間，且金屬腔體3內可容納液體5。液體5可以是任何不與橡膠發生化學反應的液體，如蓖麻油。金屬腔體3與頂蓋7以及金屬腔體3與底座1之間分別設有墊片2，有效防止液體5洩露。

所述底座1為凸臺結構，底座1底部設有連接臺架通孔15，測量裝置通過螺栓穿過連接臺架通孔15固定在試驗臺架上；底座1上部中心處設有凹槽，其內裝有多個突起狀頂針16，頂針16的直徑為1mm，其截面可為圓形、三角形、矩形或多邊形等。測試時，將橡膠試件4置於頂針16上，可使橡膠試件4包括底面在內的所有外表面都被液體5包裹，與液體5充分接觸。

所述頂蓋7為中部開有通孔的柱形凸臺，其下底面直徑與金屬腔體3外徑相等。頂蓋7上開有連接頂蓋蓋板螺紋孔22。壓頭11底部穿過凸臺通孔深入金屬腔體3，給金屬腔體3中的液體5施加體積壓力，間接達到壓縮金屬腔體3內橡膠試件4的目的。頂蓋7在壓頭11軸向移動時起到密封作用。

所述頂蓋蓋板9上開有連接頂蓋通孔23，並通過螺栓分別穿過連接頂蓋蓋板螺紋孔22和連接頂蓋通孔23與頂蓋7相連，為進一步防止液體5洩漏，在兩者之間也設有墊片2。頂蓋蓋板9內孔設有頂蓋蓋板內螺紋6。

所述壓頭11為階梯式圓柱形結構，其下部可深入到金屬腔體3的內部擠壓液體5，且壓頭11下部外徑與頂蓋7內徑採用間隙配合。頂蓋7與壓頭11的兩側接觸面上各設有兩個矩形密封槽8，每個密封槽8裡面裝有一個O型密封圈12，壓頭11與O型密封圈12緊密貼合，防止液體5洩漏。壓頭11上部設有與頂蓋蓋板9的頂蓋蓋板內螺紋6相配合的壓頭外螺紋10，壓頭11通過壓頭外螺紋10軸向移動，即壓頭11每旋轉一圈，壓頭1就會沿著軸線方向移動一個螺距。

所述壓力傳感器13安裝在金屬腔體3的側壁上，其探針深入到液體5中，探針通過金屬腔體3所開的壓力傳感器探針通過孔20與其內部液體直接接觸，可以實時測量液體5的壓力。只需測量液體的壓力和橡膠試件4的體積變化量，就可以得到橡膠的體積模量。

所述液體5為任何不與橡膠發生化學反應的液體，優選蓖麻油。

具體安裝過程為：製備圓柱形橡膠試件4，其直徑要不超過金屬腔體3內徑的80％，再將製備好的橡膠試件4放在底座1的頂針16上。將底座1與金屬腔體3用內六角螺釘14連接，為了防松與增加密封性，在底座1與金屬腔體3之間加一個墊片2。金屬腔體3與頂蓋7同樣用內六角螺釘14連接，在接合處加一個墊片2。金屬腔體3中注滿蓖麻油後，將壓頭11穿過頂蓋7內凸臺通孔深入金屬腔體3。為了增加密封性，在頂蓋7與壓頭11的接觸面加2個O型密封圈12。調整頂蓋蓋板9的內螺紋與壓頭11上端外螺紋10相配合，再將頂蓋蓋板9與頂蓋7用螺栓固定在一起。

安裝完畢侯，壓頭11下端伸入蓖麻油中，當轉動壓頭11時，壓頭11會向下運動壓縮蓖麻油，蓖麻油將壓力傳遞給被測橡膠試件4，蓖麻油的壓力P由壓力傳感器13測得。

壓頭11轉過的角度為θ，螺紋為單線螺紋，壓頭外螺紋10的螺距為L，壓頭11底部表面積為A，則壓頭11在轉過角度θ後，壓縮的體積壓縮後液體壓力為P，此時蓖麻油被壓縮後的體積為V01，橡膠試件4被壓縮後的體積為V02。有V0＝V01+V02。在蓖麻油為壓縮前，有V＝V1+V2，其中為V1未壓縮前蓖麻油的體積，V2為未壓縮前橡膠試件4的體積，V為未壓縮前蓖麻油和橡膠試件4的總體積。液體5體積變化量為△V1＝V1-V01，橡膠試件4的體積變化量為△V2＝V2-V02。則液體為已知液體，故液體的體積模量K液已知，故

則在測量過程中，壓頭11每轉過一個角度θ，對應一個K試，多次測量取平均值，計算結果即為被測橡膠的體積模量。

通過測量壓頭11旋轉的角度θ和壓頭外螺紋10的螺距L，計算蓖麻油和橡膠試件4的體積變化量。

一種基於液體壓力的橡膠超彈性材料體積模量測量裝置的測量方法，具體包括以下步驟：

A、製備圓柱形橡膠試件4，其直徑要不超過金屬腔體3內徑的80％，再將製備好的橡膠試件4放在底座1的頂針16上，安裝設備，注入蓖麻油並排掉其中的空氣；

B、旋轉壓頭11轉過一個小的角度，消除螺紋的間隙；

C、繼續旋轉壓頭11使其轉過角度θ，記錄下壓力傳感器13的讀數P，則橡膠試件4的體積模量為其中，V1未壓縮前蓖麻油的體積，V2為未壓縮前橡膠試件的體積，K液為注入蓖麻油的體積模量，L為壓頭外螺紋10的螺距，A為壓頭11底部表面積；

D、重複步驟C，得到多個K試，它們的平均值為所測橡膠試件的體積模量。

步驟A，所述基於液體壓力的橡膠體積模量的測量裝置的安裝步驟為：先將底座1與金屬腔體3連接，並於接合處加一個墊片2；再將金屬腔體3與頂蓋7連接，於接合處加一個墊片2；接著向金屬腔體3中注滿蓖麻油，將壓頭11穿過頂蓋7內凸臺通孔深入金屬腔體3，並於頂蓋7與壓頭11的接觸面加2個O型密封圈12；調整頂蓋蓋板9的內螺紋與壓頭11上端外螺紋10相配合；最後將頂蓋蓋板9與頂蓋7用螺栓固定在一起。

步驟C，所述橡膠試件4的體積模量由以下推導得出：壓頭11在轉過角度θ後，壓縮的體積壓縮後液體壓力為P，此時液體被壓縮後的體積為V01，橡膠試件4被壓縮後的體積為V02，有V0＝V01+V02；在液體未壓縮前，有V＝V1+V2，其中為V1未壓縮前蓖麻油的體積，V2為未壓縮前橡膠試件4的體積，V為未壓縮前蓖麻油和橡膠試件4的總體積；液體體積變化量為△V1＝V1-V01，橡膠試件4的體積變化量為△V2＝V2-V02；則由於液體為已知液體蓖麻油，故液體的體積模量K液已知，故則

所述液體5和橡膠試件4的體積變化量△V1、△V2是通過測量壓頭11旋轉的角度θ和壓頭外螺紋10的螺距L計算出。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，本發明的保護範圍不限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可顯而易見的得到技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發明的保護範圍內。