CN104832581B - 带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器 - Google Patents

带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，包括花键式外圈，花键式内圈，间隔扩变层，橡胶层；所述花键式外圈与所述花键式内圈之间有所述间隔扩变层；所述花键式外圈、所述花键式内圈、所述间隔扩变层，这三者均与所述橡胶层硫化粘接在一起；所述橡胶层中有均匀分布的金属颗粒和金属丝。本发明既增加了径向拉压变形量和剪切变形量，提高了减振器的结构阻尼损耗因子，增强了减振器的径向减振效果，又改善了橡胶的散热效果，延长了橡胶减振器的使用寿命；内外圈均采用花键式结构，增加了周向扭转变形量和剪切变形量，从而提高了减振器的结构阻尼损耗因子，增强了减振器的周向减振效果。

Description

带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器
技术领域
本发明属于减振器的技术领域，具体涉及一种应用于柴油发动机悬置系统的橡胶减振器。
背景技术
使用柴油机的重型机械，使用工况都比较恶劣，低频振动比较突出，危害也比较大。普通管状结构的橡胶减振器，橡胶的径向变形量和周向变形量均比较有限，阻尼损耗因子低，减振效果不佳，限制了其使用范围。
发明内容
本发明为了解决现有普通管状橡胶减振器结构阻尼损耗因子低、减振效果一般的问题，提供了一种带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器结构，以期提高减振器的结构阻尼损耗因子、改善减振效果。
本发明采用如下的技术方案实现：
一种带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，包括花键式内圈、橡胶层、花键式外圈以及间隔扩变层，花键式内圈与花键式外圈之间设置间隔扩变层；花键式内圈、间隔扩变层以及花键式外圈均为金属件且通过橡胶层硫化粘接在一起；橡胶层中有均匀分布的金属颗粒和金属丝。
花键式内圈和花键式外圈的花键齿形间隔配置。
花键式内圈的厚度、花键式外圈的厚度以及花键式内圈和花键式外圈的花键齿形之间的橡胶层的厚度，三者相当。所述花键式内圈的花键槽深度约为花键式内圈单边厚度的一半左右；所述花键式外圈的花键槽深度为花键式外圈单边厚度的一半。
间隔扩变层设置有轴向的贯通孔，沿周向均匀布置。
间隔扩变层的轴向贯通孔的孔径为间隔扩变层厚度的一半。
间隔扩变层为沿周向均匀布置的三个等径的1/3圈结构。
本发明为了提高橡胶减振器的阻尼减振效果，设计了带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，旨在不改变外部连接结构的前提下，通过改变减振器的内部结构和减振机理，提高其阻尼损耗因子，改善减振效果。
a、在外力作用下，减振器内外圈产生相对转动，导致凹凸式花键槽附近的一些部分橡胶发生拉伸变形，另一部分橡胶则发生压缩变形，从而增加了橡胶的变形程度，使更多的橡胶分子参与变形耗能，有利于损耗更多振动能量。从能量的角度来看，与普通内外圈结构相比，该结构具有更高的阻尼损耗因子，可以更好地衰减周向的扭转振动。
b.在外力作用下，中间的间隔扩变层发生变形，增加了橡胶部分的剪切变形量，同样可以增加能量损耗，提高阻尼损耗因子；同时轴向孔可以看作散热通道，不仅能起到散热作用，还可以改善橡胶的使用环境、提高减振器的使用寿命.
c.将混炼胶与适量的金属颗粒和金属丝混合均匀，并且金属丝尽量沿轴向布置，再进行硫化粘接处理处理；不仅可以增加橡胶减振器的刚度，而且最重要的是金属颗粒可以吸收橡胶变形产生的热量，并通过金属丝传导至空气中，改善橡胶部分的导热性能.
本发明具有如下的有益效果：结构和工艺都比较简单；不仅可以有效地减少振动，降低噪音，减少环境污染，而且其良好的散热结构有助于延长橡胶的使用寿命；制造成本低，经济效益和社会效益都比较好，是一款很有市场潜力的新型减振器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为图1的A-A剖面图，
图3为图2的B-B剖面图，
图4为图3的I局部放大图，
图5为橡胶材料小应变时的耗能迟滞曲线，
图6为橡胶材料大应变时的耗能迟滞曲线，
图7为橡胶材料阻尼损耗因子b 的温频动态特性曲线，
图8为结构阻尼损耗因子计算模型，
图9为凹凸花键式管状橡胶减振器的力学模型，
图10为左前悬置减振装置的安装示意图，
图11为左前悬置减振装置减振前的振动加速度，
图12为左前悬置减振装置减振后的振动加速度，
图中：1-花键式内圈，2-橡胶层，3-花键式外圈，4-间隔扩变层。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1、2、3、4，一种带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，包括花键式内圈1、橡胶层2、花键式外圈3以及间隔扩变层4，花键式内圈1与花键式外圈3之间设置间隔扩变层4；花键式内圈1、花键式外圈3以及间隔扩变层4均为金属件且通过橡胶层2硫化粘接在一起；橡胶层2中有均匀分布的金属颗粒和金属丝，其分布密度要适当；密度过小，不能及时导热散热；密度过大，则会影响橡胶部分的设计刚度。
花键式内圈1和花键式外圈3的花键齿形间隔配置，保证了既有处于压缩状态下的橡胶，又有处于拉伸状态下橡胶，或者处于拉伸压缩复合状态下的橡胶，以利于提高阻尼损耗因子。
所述花键式内圈1的厚度、花键式外圈3的厚度以及花键式内圈1与花键式外圈3的花键齿形之间的橡胶层2的厚度（也就是不包括键槽中的部分橡胶），三者相当。
所述花键式内圈1的花键槽深度约为内圈厚度（单边厚度）的一半左右；所述花键式外圈3的花键槽深度约为外圈厚度（单边厚度）的一半左右。
所述的间隔扩变层4设置有轴向的贯通孔，沿圆周均匀布置。轴向贯通孔的孔径为间隔扩变层厚度的一半，孔径过小，起不到扩变作用；孔径过大，容易被压溃，影响结构的减振性能和使用寿命。间隔扩变层4为沿周向均匀布置的三个等径的1/3圈结构。
实施例：
在减振器外圈的内表面上加工出内花键型的槽，内圈的外表面上加工出外花键型的槽；间隔扩变层为三个沿周向均匀布置的等径的1/3圈结构，其轴向加工出贯通孔（可根据具体生产条件，间隔扩变层4适当采用剖分式结构：即沿着这些贯通孔截面圆心的弧形连线，把间隔扩变层4分为内外两层分别冲压成型，再焊接为一个整体，方便加工制造，降低成本）；橡胶层2将混炼胶与适量的金属颗粒和金属丝混合均匀，并且金属丝尽量沿轴向布置，将以上各部分进行硫化粘接处理成为一个整体。
（1）在外力作用下，减振器内外圈产生相对转动，导致凹凸式花键槽附近的一部分橡胶发生拉伸变形，而另一部分橡胶则发生压缩变形，从而增加了橡胶的变形程度，使更多的橡胶分子参与变形耗能，有利于损耗更多振动能量。从能量的角度来看，与普通管状结构相比，该结构具有更高的阻尼损耗因子，可以更好地衰减周向的扭转振动。
（2）在外力作用下，中间的间隔扩变层发生变形，增加了橡胶部分的剪切变形量，同样可以增加能量损耗，提高阻尼损耗因子；同时轴向孔可以兼做散热通道，不仅能起到散热作用，还可以改善橡胶的使用环境、提高减振器的使用寿命。
（3）将混炼胶与适量的金属颗粒和金属丝混合均匀，并且金属丝尽量沿轴向布置，再进行硫化粘接处理处理；不仅可以增加橡胶减振器的刚度，而且最重要的是金属颗粒可以吸收橡胶变形产生的热量，并通过与之相邻的金属丝传导至空气中散发出去，改善橡胶部分的导热性能。
（4）橡胶部分采用性能优异的天然橡胶作为原材料。
1、减振原理及其效益分析
1.1、减振原理分析
在不改变减振器外部连接结构的前提下，通过改变减振器的内部结构及减振机理，提高其阻尼损耗因子，改善减振效果。
利用凹凸花键式结构，增加内外圈对橡胶部分的拉伸压缩作用，从而导致橡胶变形量增加，提高阻尼损耗因子；利用间隔扩变层，增加橡胶的剪切变形量，也可以提高阻尼损耗因子；利用间隔扩变层的轴向孔，增加导热散热，改善橡胶的使用环境；利用金属颗粒与金属丝，及时将橡胶内部产生热量及时传导出来，改善橡胶散热条件。
橡胶属于粘弹性材料，既有弹性材料的大变形、不可压缩等超弹性特点；同时也具有粘性材料的迟滞效应、阻尼耗能等阻尼减振功能。由于橡胶分子中长链分子结构以及分子间存在较弱的次级力，使得橡胶材料呈现出独特的粘弹性能，如图5、图6所示。橡胶的滞后特性和变形时的内摩擦使振动的机械能转变为热能而耗散掉，因而起到较好的减振降噪作用。橡胶内摩擦和滞后特性通常用损耗因子来表示，损耗因子越大，橡胶的阻尼特性就越明显，而损耗因子的大小不仅与橡胶本身的结构有关，而且与温度和频率有关，如图7所示。
本发明通过改变橡胶减振器的内部结构来增加橡胶材料的变形量（拉压变形量、剪切变形量），进一步增加参与阻尼耗能的橡胶分子数量，利用橡胶材料本身的阻尼耗能特性，更好地衰减振动能量，达到减振降噪的要求。
在工程实际中，橡胶阻尼耗能作用的发挥对温度的依赖性较高，因此适当改善橡胶的使用环境，及时地将橡胶内部产生的热量及时散发出去，将有利于提高橡胶本身的性能，对衰减振动能量，延长橡胶减振器的使用寿命都是有利的。
1.2、效益分析
本发明所述的凹凸花键式管状橡胶减振器，结构和工艺都比较简单；不仅可以有效地减少振动，降低噪音，减少环境污染，而且其良好的散热结构有助于延长橡胶的使用寿命；制造成本低，经济效益和社会效益都比较好，是一款很有市场潜力的新型减振器。
2、相关参数确定
2.1、花键尺寸
内外圈上的花键结构，尽量采用标准花键型式，具体尺寸见表1。这样有利于采用现有的刀具来加工，降低制造成本。
表1 花键尺寸参数表
（1）外圈上的内花键
（2）内圈上的外花键
其中，N 为花键齿数，d 为花键小径，D 为花键大径，B 为花键宽度。
（3）键槽深度与内外圈厚度的关系
外圈上，内花键的键槽深度大约为外圈单边厚度的一半左右；内圈上，外花键的键槽深度大约为内圈单边厚度的一半左右。
2.2、阻尼层与约束层的厚度比
从阻尼结构的角度来看，该减振器相当于约束阻尼结构。其中，内外圈相当于约束层，橡胶部分相当于阻尼层。通过查阅相关资料可知，约束层与阻尼层的厚度比接近于1:1时，约束阻尼结构的阻尼损耗因子可以最大化，从而充分发挥阻尼结构的减振性能。
2.3、间隔扩变层的厚度与轴向孔直径的比值
间隔扩变层主要起间隔和扩变作用，其厚度不宜过大，即不要显著增加结构的刚度；而轴向孔为贯通孔，其直径为间隔扩变层厚度的一半，以便在不发生压溃的情况下，尽量增加扩变作用。
图8为结构阻尼损耗因子计算模型,图中A 为基础弹性约束层（基层）外直径；H 1 、 H 2 、H 3 分别为各弹性约束层的厚度；E 1 、E 2 、E 3 分别为各弹性约束层的弹性模量。
2.4、金属颗粒与金属丝的分布密度
在橡胶层中加入金属颗粒与金属丝，主要是为了改善橡胶部分的导热性能，使减振器工作过程中的热量及时散发出来，避免过度温升影响橡胶的阻尼减振性能和减振器的使用寿命。因此，金属颗粒与金属丝的分布密度不宜过大或者过小。过小，不能及时导热散热；过大，则会影响橡胶部分的设计刚度。
2.5、结构损耗因子计算
为方便计算结构阻尼损耗因子，忽略间隔扩变层和花键的影响，将花键式内、外圈及橡胶层简化为简单管状结构，计算模型如图6所示。
（1）
式中 η ——组合结构的损耗因子，(EI) *——N 弹性层复弯曲刚度，E 为弹性层材料的抗弯模量，I 为结构横截面对中性层的惯性矩，Y ——组合结构的几何参数；Z * ——管状间隔阻尼层合结构的耦连参数，为复数，其表达式为
（2）
式中 b ——粘弹性阻尼材料的损耗因子；
x s ——粘弹性材料的复剪切参数X *的实部，其表达式为
（3）
式中G *、G ′——粘弹性材料复剪切模量和其对应实部；
b ——层合结构截面的宽度；
K ——各弹性层的组合抗拉刚度；
H v——各粘弹性阻尼层的平均厚度；
p ——振动波波数，其表达式为
（4）
式中， m 表示层合结构单位长度的质量；f 为激振频率；(E )r表示结构件抗弯刚度，有
（5）
把式（4）、（5）代入式（3），又有
（6）
式中Y 为刚度参数，(EI)0表示无耦连的弯曲刚度，对于该结构，Y 可由下式求得
（7）
式中(EI)t——传递弯曲刚度；
(EI)∞——完全耦连条件下的弯曲刚度。
对于本阻尼结构，其弯曲刚度可表示为（8）
组合结构的几何参数可表示为：
（9）
3、阻尼减振模型
3.1、力学模型
凹凸花键式管状橡胶减振器，在垂直方向（Z 向）、左右方向（Y 向）和前后方向（X向），均有减振效果，力学模型如图9所示。
模型参数如下：分别表示X 、Y 、Z 方向的刚度系数，N/mm；分别表示X 、Y 、Z 方向的阻尼系数，Ns/m。
3.2、数学模型
根据动力学理论，采用拉格朗日（Lagrange）方程，建立以该款凹凸花键式管状减振器为减振元件的橡胶悬置系统的阻尼减振数学模型：
（10）
式中,t 为时间；T为系统动能矩阵；V为系统势能矩阵；D为系统耗散能矩阵；Q为刚体的广义坐标向量；F0为广义力矩阵。
将上述动力学方程写成矩阵形式，
（11）
式中，M为系统质量矩阵；C为系统阻尼矩阵；K为系统刚度矩阵；Q为系统位移向量；F为激振力向量。
4、应用实例
4.1、试验对比
参照有关橡胶减振器动态性能测试的国家标准，试验采用非谐振法：选定试验频率和振幅，施加正弦波载荷作为激励，分别采集试验过程中的载荷波、变形波；再通过一系列的波形运算，求得橡胶阻尼材料的特性参数。具体试验过程如下：在保证外部载荷相同的前提下，对普通管状橡胶减振器（用类型1表示）、带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器（用类型2表示）进行动态特性试验，具体试验结果如表2所示。
表2 减振器动态特性试验对比
减振器 预载/N 动力幅/N 频率/HZ 结构损耗因子/无量纲
类型1 2000 400 30 0.396
类型2 2000 400 30 0.126
从试验结果可以看出，带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器的结构阻尼损耗因子，大约是普通管状橡胶减振器结构损耗因子的3倍左右，因此不难推断，在实际应用中该款凹凸花键式管状橡胶减振器比普通管状橡胶减振器具有更好的减振效果。
4.2、应用实例
根据上述带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器的结构原理，结合现有的生产加工条件进行产品试制，并且在胶轮车发动机悬置系统中进行减振效果实测。减振器的安装示意图如图10所示，左前悬置减振装置减振前后的振动加速度（即，左前悬置减振装置上下侧的振动加速度）测试结果如图11、12所示。
从上述振动加速度曲线图可以看出，对以该款带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器作为发动机悬置系统减振元件的胶轮车而言，测得的机架侧振动加速度大约为发动机侧振动加速度的三分之一左右，振动水平明显降低，客观上来讲符合预期效果；而且从驾驶员的主观反应角度来讲，振动明显减弱，舒适性提高，深受欢迎。综上所述，该款带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，值得大范围推广应用，也必将取得良好的经济效益和社会效益。

Claims (4)

1.一种带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，其特征是：包括花键式内圈（1）、橡胶层（2）、花键式外圈（3）以及间隔扩变层（4），花键式内圈（1）与花键式外圈（3）之间设置间隔扩变层（4）；花键式内圈（1）、花键式外圈（3）及间隔扩变层（4）均为金属件且通过橡胶层（2）硫化粘接在一起；橡胶层（2）中有均匀分布的金属颗粒和金属丝，间隔扩变层（4）为沿周向均匀布置的三个等径的1/3 圈结构，所述的间隔扩变层（4）设置有轴向的贯通孔，沿周向均匀布置，所述间隔扩变层（4）的轴向贯通孔的孔径为间隔扩变层厚度的一半，间隔扩变层（4）采用剖分式结构：即沿着这些贯通孔截面圆心的弧形连线，把间隔扩变层（4） 分为内外两层分别冲压成型，再焊接为一个整体。
2.根据权利要求1 所述的带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，其特征是：花键式内圈（1）和花键式外圈（3）的花键齿形间隔配置。
3.根据权利要求1 或2 所述的带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，其特征是：所述花键式内圈（1）的厚度、花键式外圈（3）的厚度以及花键式内圈（1）和花键式外圈（3）的花键齿形之间的橡胶层（2）的厚度，三者相当。
4.根据权利要求3 所述的带间隔扩变层的凹凸花键式管状橡胶减振器，其特征是：所述花键式内圈（1）的花键槽深度约为花键式内圈（1）单边厚度的一半左右；所述花键式外圈（3）的花键槽深度为花键式外圈（3）单边厚度的一半。
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