CN104989761B - 一种弹性支撑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弹性支撑结构，包括承压面，在所述承压面的下端面设有多个承压面端齿，所述承压面用于承受压力；支撑面，在上述支撑面的上端面设有多个支撑面端齿，所述支撑面端齿与所述承压面端齿为啮合配合，所述支撑面用于提供基础支撑；和弹性层，设于所述承压面和所述支撑面之间，用于提供缓冲支撑。本发明提供的弹性支撑结构的结构简单，相互配合的形式灵活，在全频段、全负荷段中均可变化出适应的结构形式。

Description

一种弹性支撑结构

技术领域

本发明属于通用机械结构中的支撑减振技术领域，涉及一种弹性支撑结构，具体地说，是指一种可以用在转子支撑及地面车辆轮胎中的弹性支撑结构。

背景技术

旋转动力机械支撑结构需要一定的弹性和阻尼特性，以保证转子工作频率和固有频率保持合理的裕度，避免振动过大。传统设计中，会采用在支撑中增加弹性零部件和阻尼环节的办法达到调整刚度和阻尼的目的。但会导致机械结构复杂，零件数量增加，整体可靠性也随之降低。

另外，地面车辆如汽车、自行车、电动车等多使用充气式轮胎，以达到支撑和减振的作用。但这种结构会伴随漏气、爆胎等问题，直接影响到工作的可持续性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹性支撑结构，以至少解决现有技术的旋转动力机械支撑结构复杂、可靠性低的技术问题，以及进一步地解决现有技术的支撑结构持续性能低的技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种弹性支撑结构，其技术方案如下：

一种弹性支撑结构，包括承压面，在所述承压面的下端面设有多个承压面端齿，所述承压面用于承受压力；支撑面，在所述支撑面的上端面设有多个支撑面端齿，所述支撑面端齿与所述承压面端齿为啮合配合，所述支撑面用于提供基础支撑；和弹性层，设于所述承压面和所述支撑面之间，用于提供缓冲支撑。

在上述弹性支撑结构中，进一步优选为：所述承压面端齿和所述支撑面端齿的形状为梯形、弧形、角形中的任意一种。

在上述弹性支撑结构中，进一步优选为：所述弹性层为单层金属层、多层钢带组合层、橡胶制品层中的任意一种。

在上述弹性支撑结构中，进一步优选为：所述弹性层上表面为斜纹面，所述斜纹面的斜纹线与承压面端齿的端齿线之间的夹角为锐角。

在上述弹性支撑结构中，进一步优选为：所述弹性层下表面与所述支撑面齿形端齿的配合形式为静止配合，用于防止所述弹性层与所述支撑面之间产生振动噪音。

在上述弹性支撑结构中，进一步优选为：所述静止配合形式为梯形齿与梯形齿啮合、弧形齿与弧形齿啮合、角形齿与角形齿啮合中的任意一种。

在上述弹性支撑结构中，进一步优选为：在所述弹性层与所述支撑面齿形波谷之间填充阻尼填充物；在所述弹性层与所述承压面齿形波谷之间填充阻尼填充物。

在上述弹性支撑结构中，进一步优选为：所述阻尼填充物的材料为金属橡胶材料、橡胶材料、粘弹性材料中的任意一种。

在上述弹性支撑结构中，进一步优选为：所述阻尼填充物的形状为颗粒状填充物、条形状填充物、方块状填充物中的任意一种。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

一、本发明提供的弹性支撑结构的结构简单，相互配合的形式灵活，在全频段、全负荷段中均可变化出适应的结构形式。

二、本发明适用环境及适用对象范围广，尤其是在转子支撑和车辆轮胎领域中。

三、本发明的弹性层上表面设计为斜纹面，斜纹走向与承压面端齿走向夹角为锐角，可在接触面微动过程中增加阻尼效果，斜纹面与承压面齿形展向存在夹角，也是为了增加结构阻尼效果，夹角增加，阻尼效果增加。

四、本发明的弹性层与支撑面齿形波谷之间以及弹性层与承压面齿形波谷填充阻尼材料，使支撑面、弹性层和承压面之间相当于刚度串联，既可以调节刚度，也可以增加结构阻尼。

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构示意图。

图1为本发明优选实施例的弹性支撑结构的结构示意图。

图2为本发明优选实施例的两种类别的弹性层的结构示意图。

图3为本发明优选实施例的支撑面与弹性层配合的结构示意图。

图4为本发明优选实施例的支撑面(或承压面)的齿面形状的结构示意图。

图5为本发明优选实施例的带有斜纹的弹性层的结构示意图、弹性层的斜纹与承压面的斜纹交叉图、带有斜纹的支撑面的结构示意图。

图6为本发明优选实施例的支撑面与弹性层的齿形配合图。

图7为本发明优选实施例的弹性支撑结构使用图(转子中)。

图8为本发明优选实施例的弹性支撑结构使用图(车辆轮胎中)。

图中，1-承压面；11-承压面端齿；12-承压面波谷；13-承压面波峰；14-承压面齿形夹角；2-支撑面；21-支撑面端齿；22-支撑面波峰；23-支撑面波谷；24-支撑面齿形夹角；3-弹性层；31-弹性层上表面；32-弹性层下表面；4-轴承；5-壳体件；6-封闭式外罩；7-斜纹夹角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明优选实施例的弹性支撑结构主要包括承压面1，用于承受压力；支撑面2，用于提供基础支撑；弹性层3，设于承压面1和支撑面之间，用于提供缓冲支撑。

具体而言，本发明的承压面1为直接承受压力的结构段，并将压力通过弹性层3传向支撑面2；弹性层3作为提供弹性作用的结构层，位于承压面1与支撑面2的中间；支撑面2为承受压力载荷的基础支撑面。本发明提供的弹性支撑结构，可直接在刚性支撑件中加工成型，并根据需要决定是否添加阻尼材料；结构简单，不会明显增加零件数量，形式灵活，性能可靠。

如图1所示，在承压面1的下端面设有多个承压面端齿11；在支撑面2的上端面设有多个支撑面端齿21，承压面1的多个承压面端齿11与支撑面2的多个支撑面端齿21呈相互啮合排布。压力传递的路径顺序为承压面1、弹性层3和支撑面2，具体为：承压面1通过承压面端齿11与弹性层上表面31接触，装配关系为过渡配合；支撑面2通过支撑面端齿21与弹性层下表面32接触，装配关系为过渡配合；承压面端齿11与支撑面端齿21交错分布，即承压面齿形波峰13对应支撑面齿形波谷23，承压面齿形波谷12对应支撑面齿形波峰22；承压面齿形夹角14和支撑面齿形夹角24影响弹性支承结构整体刚度大小，夹角越大刚度越小，反之则越大。在本发明中，承压面齿形夹角14是承压面1的相邻承压面端齿11之间的夹角；同理支撑面齿形夹角24是支撑面2的相邻支撑面端齿21之间的夹角。

如图4所示，本发明的承压面端齿11和支撑面端齿21的形状可以是但不限于梯形(图4a)、弧形(图4b)、角形(图4c)；可依据负荷强度的大小，选择不同的端齿形状：梯形配合为面接触，接触应力最小(传递给弹性层3的载荷最小)，三个接触面可提供摩擦阻尼(阻尼效果最强)，适用于全频段全负荷工况(高、低速，轻、重型转子)；弧形配合为线接触(受压变形情况下接触区域投影为椭圆形小面接触)，接触应力较大(传递给弹性层3的载荷适中)，接触区域内可提供阻尼效果(阻尼效果适中)，适合低频&中高负荷工况(低速，中、大型转子)；角形配合为线接触(受压变形情况下接触区域投影为椭圆形小面接触)，接触应力最大(传递给弹性层3的载荷最大)，接触区域内可提供阻尼效果(阻尼效果相对最小)，适合高频&低负荷工况(高速轻型转子)。根据具体需求采用不同形状的承压面端齿11或者支撑面端齿21。

弹性层3依据不同的使用场合，形式可以包括但不限于单层金属层、多层钢带组合层(这里表述的不固定意指多层钢带之间不做直接自由度限定，但组合钢带层与支撑面或安装壳体之间需要做轴向位置限定，以防止工作过程中的脱落或意外。使用中在安装壳体或相配合的零件中设置轴向定位台即可达到防止轴向窜动、脱落的目的。实际使用中也没足够的空间使钢带轴向脱落。如图2a所示)(多层钢带组合层是由多个单层金属层依次叠加而成，不需要固定，多个单层金属层之间可以有相对位移，从而增强阻尼、提高减振效果)、橡胶制品层(如图2b所示)；如图7所示，对于转子支撑需求，单层金属层的刚度小，可提供较大的弹性，但阻尼效果相对不明显；多层钢带组合层在提供较大弹性的同时，由于多层钢带组合层的各个单层金属层之间会发生相对位移(这里所述位移意指相对微观位移，方向可以是周向或径向)，这样可以使阻尼效果明显并提高了减振效果，当然在装配的过程中，需要将多层钢带组合层的各个单层金属层依次叠加，这样会使多层钢带组合层的装配较为繁琐。如图8所示，对于车辆轮胎支撑需求，橡胶制品层(即橡胶层)的质量小，避免造成车轮系统转动惯量过大，从而使阻力矩过大，同时可以通过改变橡胶制品层的厚度、张紧度调整支撑刚度和阻尼效果。变化规律为：橡胶制品层的厚度增加，支撑刚度增加，阻尼效果降低；橡胶制品层的厚度减小，支撑刚度降低，阻尼效果提高。采用哪种弹性层3适用到转子或者车辆轮胎中，根据转子或者车辆轮胎的具体需求而定。

如图5所示，弹性层上表面31可以为平面或斜纹面(图5c)，当弹性层上表面31为斜纹面、承压面端齿11的端齿走向为斜线走向时，弹性层上表面31的斜纹面的斜纹线与承压面端齿11(图5a)的端齿正向走向(图5a中的指针线指向的方向定义为端齿的正向走向)之间的斜纹夹角7为锐角α(图5b)，0°﹤α﹤90°。弹性层上表面31为斜纹面时，可在弹性层上表面31和承压面端齿11之间的接触面微动过程中增加阻尼效果，但相对会增加加工成本。弹性层上表面31(即当弹性层上表面31为斜纹面时)与承压面端齿11的端齿走向(即承压面端齿11的端齿走向为斜线走向时)存在夹角，也是为了增加结构阻尼效果，在夹角增加时，其弹性层上表面31与承压面端齿11之间的阻尼效果就会增加。其实本发明可以仅将弹性层上表面31设计为斜纹面，斜纹面的斜纹线与承压面端齿11的端齿线(即承压面端齿11的端齿走向为正向走向)之间的夹角为锐角，这样也能满足阻尼效果的需求。

如图4所示，支撑面端齿21和承压面端齿11的横截面可以为梯形齿(图4a所示)、弧形齿(如图4b所示)、角形齿(如图4c所示)；当然弹性层下表面32与支撑面端齿21包括但不限于以下配合形式：图4a中所示的梯形齿与梯形齿啮合(或者称为梯形齿与梯形槽配合)、图4b中所示的弧形齿与弧形齿啮合(或者称为圆弧齿与圆弧槽配合)、图4c中所示的角形齿与角形齿啮合(或者称为角形齿与角形槽配合)；同时，齿(槽)形与齿形横截面方向夹角可以为直角(图6a所示)或者非直角(图6b所示)，齿(槽)形可以为直齿(图6a所示)，斜齿(图6b所示)、弧形齿(弧线)(图6c所示)、曲线形齿(图6d所示)。(在图6中，水平线为表述角度视觉直观而设置。)作为弹性支撑结构，支撑面2应为相对静止件，并提供稳定的受力基础，尽量避免与弹性层3、承压面1发生瞬态整体位移，因此，相同的形齿(同形齿槽)相配，可以达到上述目的。同时，齿形展向(意同齿(槽)形与齿形横截面方向夹角所形成的线)可以为直线(图6a、图6b所示)、弧线(图6c所示)或其它曲线(图6d所示)。齿形展向为直线时，加工简单，装配误差要求低，接触面积相对较小，但阻尼效果相对较差，易产生振动噪音；齿形展向为弧线时，加工较繁，装配误差要求适中，接触面积增加，阻尼效果增强，不易产生振动噪音；齿形展向为任意曲线时，加工最难，装配误差要求最严，接触面积最大，阻尼效果最好，最不易产生振动噪音；根据实际具体需求而定。在本发明中，所谓齿形横截面即表达齿形轮廓(如图4所示)；所谓齿(槽)形与齿形横截面方向夹角是指齿形沿齿宽方向发展时与齿形横截面之间的夹角。

如图1所示，在弹性层3与支撑面齿形波谷23之间的空隙处以及弹性层3与承压面齿形波谷12之间的空隙处填充阻尼填充物，根据使用条件不同可以填充阻尼填充物的材料包括但不限于金属橡胶材料、橡胶材料、粘弹性材料；在弹性层3与支撑面齿形波谷23之间的空隙处以及弹性层3与承压面齿形波谷12之间的空隙处填充不同材料的填充物，相当于刚度串联，既可以调节刚度，也可以增加结构阻尼。在钢制结构(例如轴承)中，填充金属橡胶、橡胶或者粘弹性材料，可以降低刚度，增加阻尼；在橡胶结构(例如轮胎)中，填充金属橡胶、橡胶材料时，可增大刚度，增加阻尼；填充粘弹性材料时，可增加或降低刚度，增加阻尼。本发明的粘弹性材料依其基低的不同分为四类：沥青、水溶物、乳胶和环氧树脂，根据不同的情形采用不同的粘弹性材料。根据使用条件不同可以填充阻尼填充物的形状包括但不限于颗粒状填充物、条形状填充物、方块状填充物；

填充颗粒状填充物时，增加阻尼，同时：

可以提高刚度，当颗粒状填充物刚度高于现有结构环节(例如轴承或者轮胎)刚度时，可以提高现有结构环节的总刚度；

可以降低刚度，当颗粒状填充物刚度低于现有结构环节(例如轴承或者轮胎)刚度时，可以降低现有机构环节的总刚度；串联刚度计算公式：1/k＝1/k1+1/k2+1/k3+…+1/kn；(K是指整个弹性支撑结构总体的刚度，K1、K2……Kn这些是指各子结构的刚度，子结构包括：承压面、支撑面、弹性层、填充物等。)

填充条形状填充物、方块状填充物时，在钢制结构(例如轴承)中，可以降低刚度，增加阻尼，此时条形状填充物可以为金属橡胶材料、橡胶材料、粘弹性材料中的任意一种；在橡胶结构(例如轮胎)中，填充金属橡胶材料、橡胶材料的条形状填充物时，可提高刚度，增加阻尼；填充粘弹性材料的条形状填充物时，可提高刚度(当粘弹性材料填充物刚度高于橡胶结构刚度时)或降低刚度(当粘弹性材料填充物刚度低于橡胶结构刚度时)，增加阻尼。

在本发明中，颗粒状填充物的材料仅能采用橡胶材料和粘弹性材料制作而成，颗粒状填充物的摩擦面更多，没有方向性限制，阻尼减振效果更好，但是在需要封装、磨损后会产生较多碎屑，并且在硬度要求较高的情况下，可能会产生噪音。

在本发明中，所谓的金属橡胶材料是指一种多孔的功能性结构阻尼材料，金属橡胶是由金属丝经过选丝、绕丝、拉伸、编织和模压成型等过程制作而成。因其宏观上具有类似橡胶的大分子结构和弹性，又是全金属制品，因此称为“金属橡胶”。金属橡胶依靠金属丝间的干摩擦耗散振动能量，达到减振的作用；具有高弹性、高阻尼、重量轻、环境适应性强等特点，而且易于制成各种复杂的形状。所谓的橡胶材料是指现有技术中的常规橡胶。

实施例一：

本实施例提供一种用在转子支撑系统中的弹性支撑结构，所述弹性支撑结构作为轴承4的支撑系统，弹性支撑结构与壳体件5的装配关系如图7，弹性支撑结构的承压面1位于轴承4的外部，弹性支撑结构的支撑面2位于壳体件5的内部；承压面1通过承压面端齿11与弹性层上表面31接触，装配关系为过渡配合；所述支撑面2通过支撑面端齿21与弹性层下表面32接触，装配关系为过渡配合。

实施例二：

对于车辆轮胎领域，如图8，在实施例一提供的弹性支撑结构的基础上，宜在外围设置封闭式外罩6，以防止杂物填充进弹性支撑结构空隙，从而丧失弹性支撑、减振的功能。所述承压面1、支撑面2、弹性层3的材料均选用橡胶即可，其余技术特征及规律如实施例一所述。利用本发明提供的弹性支撑结构的原理，使用普通轮胎所用的橡胶材料，即可实现非充气轮胎结构。既保证行驶性能，又避免了充气结构的弊端。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

一、本发明提供的弹性支撑结构的结构简单，相互配合的形式灵活，在全频段、全负荷段中均可变化出适应的结构形式。

二、本发明适用环境及适用对象范围广，尤其是在转子支撑和车辆轮胎领域中。

三、本发明的弹性层上表面设计为斜纹面，斜纹走向与承压面端齿走向夹角为锐角，可在接触面微动过程中增加阻尼效果，斜纹面与承压面齿形展向存在夹角，也是为了增加结构阻尼效果，夹角增加，阻尼效果增加。

四、本发明的弹性层与支撑面齿形波谷之间以及弹性层与承压面齿形波谷填充阻尼材料，使支撑面、弹性层和承压面之间相当于刚度串联，既可以调节刚度，也可以增加结构阻尼。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (5)

1.一种弹性支撑结构，其特征在于，包括：

承压面，在所述承压面的下端面设有多个承压面端齿，所述承压面用于承受压力；

支撑面，在所述支撑面的上端面设有多个支撑面端齿，所述支撑面端齿与所述承压面端齿为相互啮合的交错分布，所述支撑面用于提供基础支撑；和

弹性层，设于所述承压面和所述支撑面之间，用于提供缓冲支撑；

在所述弹性层与所述支撑面齿形波谷之间填充阻尼填充物；

在所述弹性层与所述承压面齿形波谷之间填充阻尼填充物；

所述弹性层为多层钢带组合层；

所述弹性层下表面与所述支撑面齿形端齿的配合形式为静止配合，用于防止所述弹性层与所述支撑面之间产生振动噪音；

所述弹性层上表面为斜纹面，所述斜纹面的斜纹线与承压面端齿的端齿线之间的夹角为锐角。

2.根据权利要求1所述的弹性支撑结构，其特征在于：

所述承压面端齿和所述支撑面端齿的形状为梯形、弧形、角形中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的弹性支撑结构，其特征在于：

所述静止配合形式为梯形齿与梯形齿啮合、弧形齿与弧形齿啮合、角形齿与角形齿啮合中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的弹性支撑结构，其特征在于：

所述阻尼填充物的材料为金属橡胶材料、橡胶材料、粘弹性材料中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的弹性支撑结构，其特征在于：

所述阻尼填充物的形状为颗粒状填充物、条形状填充物、方块状填充物中的任意一种。