CN101852263B - 一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法和橡胶弹性元件 - Google Patents

一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法和橡胶弹性元件 Download PDF

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Abstract

一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法和橡胶弹性元件及其制作方法，采用对称的去除部分橡胶材料，在不同的受力阶段通过接触面及橡胶变形受限程度的大小提供不同的刚度，实现变刚度。所述对称的去除部分橡胶材料是在橡胶弹性体表面沿周向掏出3-5个圆环状空间，使得橡胶弹性体在与外金属套组合安装后，在空载状况时外金属套与橡胶弹性体之间只有部分接触，处于有3-5道圆环状空气隔离区的状况，而且两端供橡胶鼓出的空间非常小；同时橡胶弹性体在外金属套组合安装后，在橡胶弹性体与外金属套内侧面之间也留有环状空隙带。当球铰类橡胶弹性元件受力时，分阶段通过橡胶弹性体与外金属套之间的外圆接触面和侧面接触面的改变实现球铰类橡胶弹性元件变刚度。

Description

一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法和橡胶弹性元件
技术领域
本发明涉及一种弹性元件变刚度方案及部件产品，特别是指球铰类橡胶弹性元件产品及其变刚度方法和部件产品及其制作方法，主要用于各种机车车辆的转向架用的橡胶弹性元件中，同时也适用于工程机械等任何减振弹性连接的部位。 
背景技术
球铰类橡胶弹性元件是常用的一种橡胶金属复合的减振元件，可广泛应用于各种减振场所，尤其是在机车车辆的转向架中应用十分普遍。 
与金属材料不同，橡胶材料是一种典型的非线性材料，因而用橡胶材料制作而成的弹性元件在刚度性能方面也会表现出非线性，比如钢弹簧在使用极限内，其载荷与变形的比值(即刚度)是一个常数(即线性变化)，见附图1；而橡胶弹性元件则不同，其载荷与变形的比值(即刚度)是不断变化的(即非线性变化)，见附图2。对于处于压缩状态的橡胶弹性元件，一般来讲其刚度会随着载荷(或变形)的增大而增大。 
橡胶弹性元件在变形量(一般在橡胶层厚度的10％以内，根据结构不同会有所差异)比较小的时，非线性不明显，可以做线性处理。随着机车车辆技术和铁路高速、重载发展，越来越多的弹性元件要求具有更加明显的非线性特征，甚至需要在特定的点产生刚度值的突变(可以称之为变刚度特征)。例如在重载货车上采用两级刚度螺旋弹簧组，使列车无论在空载还是重载时都能有好的运行品质；空、重车之间也不会由于高度的不同而产生连接不好及由此可能造成列车事故。但这种特性的需求靠目前的弹性球铰是达不到的，因为现有的球铰主要是单纯依靠橡胶材料的非线性来实现变刚度，这样是很难产生这种刚度突变效果的，所以需要通过弹性球铰结构上的创新来弥补这种不足。近来有些弹性橡胶球铰通过因此研究一种新的弹性球铰很有必要。 
发明内容
本发明的目的在于针对现有变刚度球铰的不足，提供一种能满足现在高速、重载车辆对变刚度需要，可以有效实现球铰类橡胶弹性元件刚度突变效果的新型的球铰类橡胶弹性元件 变刚度实现方法及变刚度球铰结构，以达到球铰类产品具有变刚度工况的目的。 
本发明的另一目的在于提供一种上述球铰的制作方法。 
本发明的目的是通过下述技术方案实现的，一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法，采用对称的去除部分橡胶材料，并最大限度的封闭橡胶所在空间的方法，在不同的受力阶段通过接触面及橡胶变形受限程度的大小提供不同的刚度，从而实现变刚度。其特点是：所述的对称的去除部分橡胶材料是在橡胶弹性体表面沿周向掏出3-5个圆环状空间，使得橡胶弹性体在与外金属套组合安装后，在空载状况时外金属套与橡胶弹性体之间只有部分接触，处于有3-5道圆环状空气隔离区的状况，而且两端供橡胶鼓出的空间非常小；同时橡胶弹性体在外金属套组合安装后，在橡胶弹性体与外金属套内侧面之间也留有环状空隙带。当球铰类橡胶弹性元件受力时，分阶段通过橡胶弹性体与外金属套之间的外圆接触面和侧面接触面的改变实现球铰类橡胶弹性元件变刚度。刚度突变大小可以通过增加橡胶弹性体上圆环的深度及可供橡胶填充的空间大小来调整。其变刚度实现的过程如下： 
第一阶段：假设球铰安装完后橡胶弹性体上圆环的深度为Δ1，随着径向载荷的逐渐增大(如图9，假设芯轴固定，径向载荷垂直向下)，Δ1将逐渐变小直至零。第一阶段中，由于间隙Δ1大于零，在一定的载荷范围内产品的刚度主要取决于翻边套筒与橡胶弹性体之间接触面积的大小，此时的径向刚度值比较小，直到间隙Δ1减小到零为止。 
第二阶段：随着径向载荷的继续增大，橡胶弹性体将向两端空间填充。此时橡胶弹性体上的圆环完全被橡胶填充，于是橡胶仅能通过向两端空间鼓出来保持体积不变，而两端的空间比较小，通过橡胶自身的不可压缩特性使得产品能突然产生较大的径向刚度。从而使整个球较类橡胶弹性元件具有突变的径向刚度。 
根据上述方法所提出的球铰类橡胶弹性元件，包括一个金属芯轴、外金属套和橡胶弹性体；橡胶弹性体与芯轴硫化在一起，且橡胶弹性体压装在外金属套内；橡胶弹性体的外圆为带有3-5道圆环沟槽的波浪状圆柱体，且橡胶弹性体的外圆与外金属套的内圆通过压入贴合安装在一起，并在橡胶弹性体与外金属套的内圆之间形成有3-5道圆环状空气隔离区；同时橡胶弹性体两端部周围与外金属套的内圆之间也留有环形状空隙带。所述的外金属套可以是 由金属翻边套筒与两个金属挡块组合形成，两个金属挡块轴向相对排列，金属翻边套筒套在两个金属挡块的外边，并通过翻边抱紧金属挡块，形成一个组合式外金属套。 
球铰类橡胶弹性元件的制作方法是： 
A、先将橡胶弹性体直接硫化在金属芯轴上； 
B、再将两个金属挡块从橡胶弹性体的两个端面方向套入，一直压到两个金属挡块碰到一起； 
C再将金属翻边套筒套在两个金属挡块上，并通过两端的翻边翻转抱紧两个金属挡块，使两个金属挡块与金属翻边套筒套形成一个组合外金属套。 
本发明的球铰类橡胶弹性元件的特点在于刚度特性是通过两个阶段实现突变的：第一阶段中，由于间隙Δ1大于零，在一定的载荷范围内产品的刚度主要取决于翻边套筒与橡胶弹性体之间接触面积的大小，此时的径向刚度值比较小，直到间隙Δ1减小到零为止。这就进入了第二阶段，此时橡胶弹性体上的圆环完全被橡胶填充，于是橡胶仅能通过向两端空间鼓出来保持体积不变，而两端的空间比较小，通过橡胶自身的不可压缩特性使得产品能突然产生较大的径向刚度。从而使整个球较类橡胶弹性元件具有突变的径向刚度。 
附图说明
图1为一种典型的线性曲线； 
图2为一种典型的非线性曲线； 
图3为一种典型的变刚度曲线； 
图4为本发明实施例一的结构示意图； 
图5为本发明实施例一I部分的放大示意图； 
图6为本发明实施例一II部分的放大示意图； 
图7为本发明实施例一组装前的结构示意图； 
图8为本发明实施例一承受载荷时的结构示意图； 
图9为本发明实施例一的承载过程放大示意图； 
图中：1、金属翻边套筒；2、金属挡块；3、橡胶弹性体；4、芯轴；5、圆环状空气隔 离区；6、外金属套；7、环形状空隙带。 
具体实施方式
附图给出了本发明的具体实施例，下面将通过附图和实施例对本发明作进一步的描述。 
实施例一 
通过附图4可以看出，本发明为一种球铰类橡胶弹性元件，采用对称的去除部分橡胶材料，并最大限度的封闭橡胶所在空间的方法，在不同的受力阶段通过接触面及橡胶变形受限程度的大小提供不同的刚度，从而实现变刚度。其特点是：所述的对称的去除部分橡胶材料是在橡胶弹性体表面沿周向掏出3-5个圆环状空间，使得橡胶弹性体在与外金属套组合安装后，在空载状况时外金属套与橡胶弹性体之间只有部分接触，处于有3-5道圆环状空气隔离区的状况，而且两端供橡胶鼓出的空间非常小；同时橡胶弹性体在外金属套组合安装后，在橡胶弹性体与外金属套内侧面之间也留有环状空隙带。当球铰类橡胶弹性元件受力时，分阶段通过橡胶弹性体与外金属套之间的外圆接触面和侧面接触面的改变实现球铰类橡胶弹性元件变刚度。刚度突变大小可以通过增加橡胶弹性体上圆环的深度及可供橡胶填充的空间大小来调整。其变刚度实现的过程如下： 
第一阶段：假设球铰安装完后橡胶弹性体上圆环的深度为Δ1，随着径向载荷的逐渐增大(如图9，假设芯轴固定，径向载荷垂直向下)，Δ1将逐渐变小直至零。第一阶段中，由于间隙Δ1大于零，在一定的载荷范围内产品的刚度主要取决于翻边套筒与橡胶弹性体之间接触面积的大小，此时的径向刚度值比较小，直到间隙Δ1减小到零为止。 
第二阶段：随着径向载荷的继续增大，橡胶弹性体将向两端空间填充。此时橡胶弹性体上的圆环完全被橡胶填充，于是橡胶仅能通过向两端空间鼓出来保持体积不变，而两端的空间比较小，通过橡胶自身的不可压缩特性使得产品能突然产生较大的径向刚度。从而使整个球较类橡胶弹性元件具有突变的径向刚度。 
根据上述方法所提出的球铰类橡胶弹性元件如附图4所示，包括一个金属芯轴4、外金属套6和橡胶弹性体3；橡胶弹性体与芯轴硫化在一起，且橡胶弹性体压装在外金属套内；橡胶弹性体的外圆为带有3-5道圆环沟槽的波浪状圆柱体，且橡胶弹性体的外圆与外金属套 6的内圆通过压入贴合安装在一起，并在橡胶弹性体与外金属套6的内圆之间形成有3-5道圆环状空气隔离区4；同时橡胶弹性体两端部周围与外金属套6的内圆之间也留有环形状空隙带7，两端面通过啮合状结构限制橡胶弹性体的变形。所述的外金属套6可以是由金属翻边套筒1与两个金属挡块2组合形成，两个金属挡块2轴向相对排列，金属翻边套筒1套在两个金属挡块2的外边，并通过翻边8抱紧金属挡块2，形成一个组合式外金属套。圆环状空气隔离区的数目可以根据径向刚度需要进行增减。 
球铰类橡胶弹性元件的制作方法是： 
A、先将橡胶弹性体直接硫化在金属芯轴上； 
B、再将两个金属挡块从橡胶弹性体的两个端面方向套入，一直压到两个金属挡块碰到一起； 
C、再将金属翻边套筒套在两个金属挡块上，并通过两端的翻边翻转抱紧两个金属挡块，使两个金属挡块与金属翻边套筒套形成一个组合外金属套。 

Claims (4)

1.一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法，采用对称的去除部分橡胶材料，并最大限度的封闭橡胶所在空间的方法，在不同的受力阶段通过接触面及橡胶变形受限程度的大小提供不同的刚度，从而实现变刚度；其特征在于：所述的对称的去除部分橡胶材料是在橡胶弹性体表面沿周向掏出3-5个圆环状空间，使得橡胶弹性体在与外金属套组合安装后，在空载状况时外金属套与橡胶弹性体之间只有部分接触，处于有3-5道圆环状空气隔离区的状况，而且两端供橡胶鼓出的空间非常小；同时橡胶弹性体在外金属套组合安装后，在橡胶弹性体与外金属套内侧面之间也留有环状空隙带；当球铰类橡胶弹性元件受力时，分阶段通过橡胶弹性体与外金属套之间的外圆接触面和侧面接触面的改变实现球铰类橡胶弹性元件变刚度；刚度突变大小通过增加橡胶弹性体上圆环的深度及可供橡胶填充的空间大小来调整。
2.如权利要求1所述的球铰类橡胶弹性元件变刚度方法，其特征在于：其变刚度实现的过程如下：
第一阶段：假设球铰安装完后橡胶弹性体上圆环的深度为Δ1，随着径向载荷的逐渐增大，Δ1将逐渐变小直至零；
第一阶段中，由于间隙Δ1大于零，在一定的载荷范围内产品的刚度取决于翻边套筒与橡胶弹性体之间接触面积的大小，此时的径向刚度值比较小，直到间隙Δ1减小到零为止；
第二阶段：随着径向载荷的继续增大，橡胶弹性体将向两端空间填充；此时橡胶弹性体上的圆环完全被橡胶填充，于是橡胶仅能通过向两端空间鼓出来保持体积不变，而两端的空间比较小，通过橡胶自身的不可压缩特性使得产品能突然产生较大的径向刚度；从而使整个球铰类橡胶弹性元件具有突变的径向刚度。
3.一种球铰类橡胶弹性元件，包括一个金属芯轴、外金属套和橡胶弹性体；橡胶弹性体与芯轴硫化在一起，橡胶弹性体压装在外金属套内；其特征在于：橡胶弹性体的外圆为带有3-5道圆环沟槽的波浪状圆柱体，且橡胶弹性体的外圆与外金属套的内圆通过压入贴合安装在一起，并在橡胶弹性体与外金属套的内圆之间形成有3-5道圆环状空气隔离区；同时橡胶弹性体两端部周围与外金属套（6）的内圆之间也留有环形状空隙带（7），两端面通过啮合状结构限制橡胶弹性体的变形。
4.如权利要求3所述的球铰类橡胶弹性元件，其特征在于：所述的外金属套是由金属翻边套筒与两个金属挡块组合形成，两个金属挡块轴向相对排列，金属翻边套筒套在两个金属挡块的外边，并通过翻边抱紧金属挡块，形成一个组合式外金属套。
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