CN107161169A - 轨道车辆用牵引球铰及其刚度设计方法 - Google Patents

Abstract

轨道车辆用牵引球铰，包括外套、芯轴和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层，其特征在于所述的芯轴与橡胶层粘结部件的中间段为沿径向向外突起的圆弧面突起，所述的圆弧面突起的中线与芯轴的中线重合，所述的橡胶层的变形型面为沿轴向从外向内逐渐贴近外套内壁的外凸圆弧面，变形型面的圆弧半径为R1，圆弧面突起的圆弧半径为R2，R1<R2。本发明可实现对球铰的轴、径、偏、扭四项刚度调节，并且提高球铰在承载过程中的非线性刚度特性和抗疲劳性能。本发明还提供一种轨道车辆用牵引球铰的刚度设计方法。

Description

轨道车辆用牵引球铰及其刚度设计方法

技术领域

本发明涉及一种轨道车辆用牵引球铰及其刚度设计方法，属于轨道车辆弹性元件技术领域。

背景技术

球铰是常用的一种橡胶金属复合的减振、连接元件，主要作用为连接车体和构架，

可以进行传递力并提供多向缓冲的原件。采用金属件与橡胶通过胶黏剂在一定的温度和压力下硫化成一个整体，其作用是利用硫化橡胶起减振缓冲作用，金属件起支承和安装接口。

随着轨道车辆线路增多，各线路的运行工况也不尽相同，现有的球铰存在缺陷是：

1、不同运行工况，对球铰在承载过程中的刚度要求也不相同，球铰为了更好地满足保证车辆的动力学要求和安全性，要求其径向、轴向、偏转和扭转刚度满足运行工况的承载需求，但现有球铰的结构很难对球铰四项刚度根据运行工况的承载需求进行调整。

2、球铰中的橡胶型面采用向内凹进的U型结构，在大载荷下容易出现褶皱开裂和挤压开裂，疲劳寿命短，

3、球铰在承载过程的非线性刚度特性不高，无法满足大载荷下的非线性刚度需求。

CN 106032832 A，公开了一种球铰类橡胶弹性元件，包括芯轴，套设于所述芯轴外的橡胶，套设于所述橡胶外的外套，所述外套的长度大于所述橡胶的长度，且所述橡胶自与所述外套相接的一侧至与所述芯轴相接的一侧长度逐增。此方案中橡胶自与所述外套相接的一侧至与所述芯轴相接的一侧长度逐增，压缩时橡胶层侧面不会形成褶皱，而是贴近式贴紧外套，以减少橡胶层的开裂和褶皱，但此方案中并没有给出如何根据承载需求，对球铰的四项刚度和非线性刚度特性进行改进。

发明内容

本发明提供针对现有技术中存在的问题，提供一种轨道车辆用牵引球铰及其刚度设计方法，可实现对球铰的轴、径、偏、扭四项刚度调节，并且提高球铰在承载过程中的非线性刚度特性和抗疲劳性能。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是：

轨道车辆用牵引球铰，包括外套、芯轴和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层，其特征在于所述的芯轴与橡胶层粘结部件的中间段为沿径向向外突起的圆弧面突起，所述的圆弧面突起的中线与芯轴的中线重合，所述的橡胶层的变形型面为沿轴向从外向内逐渐贴近外套内壁的外凸圆弧面，变形型面的圆弧半径为R1，圆弧面突起的圆弧半径为R2，R1<R2。

优选的，所述的变形型面与外套内壁之间通过圆角过渡，与芯轴之间通过圆角二平滑过渡，所述的圆角的圆弧半径为R，橡胶层在芯轴与外套间的径向预挤压缩量H，H/4≤R≤H/2，变形型面与外套内壁的最小间距为H/2~2R。

优选的，所述的变形型面沿轴向的外端位于外套端面的内侧，且变形型面沿轴向的外端与外套端面的轴向距离不超过2mm。

优选的，所述的变形型面沿轴向的宽度为A， A≤R1≤2A。

优选的，所述的圆弧面突起的轴向宽度不小于芯轴与橡胶层粘结部件的轴向宽度的80%。

优选的，所述的芯轴由实心的内轴和套装在内轴上的外轴组成，外轴设置在内轴的中间位置与橡胶层硫化粘结，外轴的中间段为圆弧面突起。

以上所述的轨道车辆用牵引球铰的刚度设计方法， 其特征在于根据牵引球铰的承载需求，设计变形型面沿轴向的宽度、圆弧面突起的圆弧半径和圆弧面突起的轴向宽度，从而调节牵引球铰的径向刚度、轴向刚度、偏转刚度和扭转刚度。

优选的，根据牵引球交的承载需求，设计圆角的圆弧半径R，从而调节牵引球铰的初始刚度。

优选的，根据牵引球铰的承载需求，设计圆角的圆弧半径R和变形型面的圆弧半径R1，从而调节牵引球铰的变刚度拐点。

优选的，根据牵引球铰的承载需求，设计变形型面沿轴向的宽度为A和变形型面的圆弧半径R1，从而调节牵引球铰大载荷下的非线性刚度。

本发明的有益效果是：

1、轨道车辆用牵引球铰中，芯轴与橡胶层粘结部件的中间段为沿径向向外突起的圆弧面突起，且圆弧面突起的中线与芯轴的中线重合，通过调节圆弧面突起的轴向宽度和圆弧半径，可调节球铰的径向变形量和扭转变形量，从而调节球铰的径向刚度和扭转刚度，通过调节圆弧面突起的圆弧半径和变形型面沿轴向的宽度，可调节球铰的偏转变形量，从而调节球铰的偏转刚度，通过圆弧面突起的圆弧半径，可调工球铰的轴向变形量，从而调节球铰的轴向刚度，在球铰成型过程中，对芯轴的圆弧面突起和橡胶层的变形型面进行调节，使成型后的球铰的径向、轴向、偏转和扭转刚度满足运行工况的承载需求。

2、大载荷下，随着橡胶层的压缩，橡胶层的变形由变形型面向外套内壁方向鼓出，变形型面的变形顺着牵引球铰的变形规律进行，可有效减少橡胶层与外套及芯轴连接处的橡胶鼓出，变形型面在往复变形中，不容易在靠近外套和芯轴的位置出现皱褶开裂和挤压开裂，可有效提高牵引球铰的抗疲劳性能。

3、变形型面与外套内壁间通过圆角过渡，变形型面与外套内壁的接触，形成牵引球铰的变刚度拐点，通对圆角的圆弧半径和变形型面的圆弧半径的调节，从而调节牵引球铰的变刚度拐点，通过对变形型面沿轴向的宽度和变形型面的圆弧半径的调节，从而调节牵引球铰大载荷下的非线性刚度，提高球铰在承载过程中的非线性刚度特性。

附图说明

图1为具体实施方式中的轨道车辆用牵引球铰的结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为具体实施方式中的轨道车辆用牵引球铰在承载过程中的刚度曲线。

具体实施方式

下面结合附图1至3对本发明的实施例做详细说明。

轨道车辆用牵引球铰，包括外套1、芯轴2和硫化粘结在芯轴2与外套1之间的橡胶层3，其特征在于所述的芯轴2与橡胶层3粘结部件的中间段为沿径向向外突起的圆弧面突起21，所述的圆弧面突起21的中线与芯轴1的中线重合，所述的橡胶层3的变形型面31为沿轴向从外向内逐渐贴近外套1内壁的外凸圆弧面，变形型面31的圆弧半径为R1，圆弧面突起21的圆弧半径为R2，R1<R2。

如图所示，芯轴2上具有圆弧面突起21，橡胶层3的变形型面为外凸圆弧面，变形型面31的圆弧半径小于圆弧面突起21的圆弧半径，在制作牵引球铰时，可根据承载需求，对圆弧面突起21的轴向宽度和圆弧半径、变形型面的圆弧半径和轴向宽度进行调节，使牵引球铰的刚度满足承载需求， 为轨道车辆的运行提供更好的减振及缓冲作用，其中调节圆弧面突起的轴向宽度B和圆弧半径R2，可调节橡胶层3沿轴向的厚度变化，从而改变牵引球铰承载时的径向变形量和转扭变形量，即实现径向刚度和转扭刚度的调节，调节圆弧面突起的圆弧半径R2和变形型面沿轴向的宽度A，可调节橡胶层3两侧的橡胶厚度和轴向长度，从而改变牵引球铰承载时的偏转变形量，即实现偏转刚度的调节，调节圆弧面突起的圆弧半径R2，从而改变牵引球铰承载时的轴向变形量，即实现轴向刚度的调节，因此在牵引球铰成型时，可即根据承载需求，设计圆弧面突起和变形型面，使成型后的球铰的径向、轴向、偏转和扭转刚度满足运行工况的承载需求。橡胶层的变形型面为沿轴向从外向内逐渐贴近外套1内壁的外凸圆弧面，在载荷增加时，橡胶由变形型面31向外套2的内壁方向鼓出，将变形型面31到外套2内壁之间的空间逐渐填充，变形型面31的变形与牵引球铰的径向变形规律一致，可有效减少橡胶层3与外套1与芯轴2连接处的橡胶鼓出，变形型面31在往复变形中，不容易在靠近外套1和芯轴2的位置出现皱褶开裂和挤压开裂，可有效提高牵引球铰的抗疲劳性能。

其中，所述的变形型面31与外套1内壁之间通过圆角11过渡，与芯轴2之间通过圆角二22平滑过渡，所述的圆角11的圆弧半径为R，橡胶层3在芯轴1与外套2间的径向预挤压缩量H，H/4≤R≤H/2，变形型面31与外套1内壁的最小间距为H/2~2R。由于过圆角11的圆弧半径R，决定了变形型面31与外套1内壁接触时，橡胶层3发生的橡胶径向变形量，因此在H/4≤R≤H/2的范围内，调节圆角11的圆弧半径R，可实现牵引球铰初始刚度的调节，使牵引球铰适应用不同承载工况的初始刚度要求。并且在设计圆角11的圆弧半径时，即要兼顾节点的初始刚度和初始应力，经过反复多次试验，得出在H/4≤R≤H/2的范围内，当牵引球铰未承载时，圆角11与外套1内壁的最大间距即变形型面31与外套1内壁的最小间距为H/2~2R，变形型面31所受的初始应力最小，可有效提高变形型面31的变形特性，延长其疲劳寿命。

其中，所述的变形型面31沿轴向的外端位于外套1端面的内侧，且变形型面31沿轴向的外端与外套1端面的轴向距离不超过2mm。保证在大载荷时，变形型面31完全与外套1的内壁贴紧，橡胶层3的鼓出变形完全从变形型面31向外套1内壁的方向进行，将变型面31到外套1内壁的空间填满，避免靠近外套1和芯轴1位置的橡胶鼓出，在大载荷往复加载中，靠近外套1和芯轴2位置的橡胶也不会发生皱褶开裂和挤压开裂，牵引球铰的在大载荷下的疲劳寿命被有效延长。

其中，所述的变形型面31沿轴向的宽度为A， A≤R1≤2A。如图3所示，在牵引球铰承载后，变形型面31与外套1内壁接触，即为承载过程中的变刚度拐点S1，变形型面31的圆弧半径R1和沿轴向宽度A，决定了载荷增大的过程中，不同承载下变形型面31与外套1内壁的接触面积，即决定了变刚度拐点S1后牵引球铰的刚度曲线即非线性刚度，因此调整R1和A的值，可以调整牵引球铰的非线性刚度，通过反复多次的试验得到在A≤R1≤2A的范围内调整R1的值，可以满足不同承载工况，对牵引球铰的非线性刚度要求。

其中，所述的圆弧面突起21的轴向宽度不小于芯轴2与橡胶层3粘结部件的轴向宽度的80%。圆弧面突起21的轴向宽度对牵引球铰的四项刚度均有较大影响，圆弧面突起21的轴向宽度过小，则无法起到对牵引球铰刚度进行调节的作用，在多次试验中得到圆弧面突起21的轴向宽度大于等于芯轴2与橡胶层3粘结部件的轴向宽度的80%时，通过调整圆弧面突起31的半径，有可效调节牵引球铰的四项刚度。

其中，所述的芯轴2由实心的内轴23和套装在内轴23上的外轴24组成，外轴24设置在内轴23的中间位置与橡胶层3硫化粘结，外轴24的中间段为圆弧面突起21。在牵引球铰成型时，为了方便对四项刚度的调节，将芯轴设置为分体结构，通过改变外套24上圆弧面突起21的尺寸，即可进行四项刚度的调节。

以上所述的轨道车辆用牵引球铰的刚度设计方法， 其特征在于根据牵引球铰的承载需求，设计变形型面31沿轴向的宽度A、圆弧面突起21的圆弧半径R2和圆弧面突起21的轴向宽度B，从而调节牵引球铰的径向刚度、轴向刚度、偏转刚度和扭转刚度。其中调节圆弧面突起的轴向宽度和圆弧半径，可调节橡胶层3沿轴向的厚度变化，从而改变牵引球铰承载时的径向变形量和转扭变形量，即实现径向刚度和转扭刚度的调节，调节圆弧面突起的圆弧半径和变形型面沿轴向的宽度，可调节橡胶层3两侧的橡胶厚度和长度，从而改变牵引球铰承载时的偏转变形量，即实现偏转刚度的调节，调节圆弧面突起的圆弧半径，从而改变牵引球铰承载时的轴向变形量，即实现轴向刚度的调节，因此在牵引球铰成型时，可即根据承载需求，设计圆弧面突起和变形型面，使成型后的球铰的径向、轴向、偏转和扭转刚度满足运行工况的承载需求。

根据牵引球交的承载需求，设计圆角11的圆弧半径R，从而调节牵引球铰的初始刚度。由于过圆角11的圆弧半径R，决定了变形型面31与外套1内壁接触时，橡胶层3发生的橡胶径向变形量，因此在H/4≤R≤H/2的范围内，调节圆角11的圆弧半径R，可实现牵引球铰初始刚度的调节，使牵引球铰适应用不同承载工况的初始刚度要求。

根据牵引球铰的承载需求，设计圆角11的圆弧半径R和变形型面31的圆弧半径R1，从而调节牵引球铰的变刚度拐点。由于圆角11的圆弧半径R，决定了变形型面31与外套内壁接触时，橡胶层3发生的橡胶径向变形量，而变形型面31的圆弧半径R1，决定了载荷增大的过程中，不同承载下变形型面31与外套1内壁的接触面积，所以调节圆角11的的圆弧半径R可以调节变刚度拐点在承载过程中出现的位置，而调节圆弧半径R1可以调节变刚度拐点的刚度值，因此得出调节圆角11的圆弧半径R和变形型面31的圆弧半径R1，可实现对牵引位杆节点变刚度拐点的调节。

根据牵引球铰的承载需求，设计变形型面31沿轴向的宽度为A和变形型面31的圆弧半径R1，从而调节牵引球铰大载荷下的非线性刚度。如图3所示，在牵引球铰承载后，变形型面31与外套1内壁接触，即为承载过程中的变刚度拐点S1，变形型面31的圆弧半径R1和沿轴向宽度A，决定了载荷增大的过程中，不同承载下变形型面31与外套1内壁的接触面积，即决定了变刚度拐点S1后牵引球铰的刚度曲线即非线性刚度，因此调整R1和A的值，可以调整牵引球铰的非线性刚度，通过反复多次的试验得到在A≤R1≤2A的范围内调整R1的值，可以满足不同承载工况，对牵引球铰的非线性刚度要求。

以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.轨道车辆用牵引球铰，包括外套（1）、芯轴（2）和硫化粘结在芯轴（2）与外套（1）之间的橡胶层（3），其特征在于所述的芯轴（2）与橡胶层（3）粘结部件的中间段为沿径向向外突起的圆弧面突起（21），所述的圆弧面突起（21）的中线与芯轴（1）的中线重合，所述的橡胶层（3）的变形型面（31）为沿轴向从外向内逐渐贴近外套（1）内壁的外凸圆弧面，变形型面（31）的圆弧半径为R1，圆弧面突起（21）的圆弧半径为R2，R1<R2。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆用牵引球铰，其特征在于所述的变形型面（31）与外套（1）内壁之间通过圆角（11）过渡，与芯轴（2）之间通过圆角二（22）平滑过渡，所述的圆角（11）的圆弧半径为R，橡胶层（3）在芯轴（1）与外套（2）间的径向预挤压缩量H，H/4≤R≤H/2，变形型面（31）与外套（1）内壁的最小间距为H/2~2R。

3.根据权利要求2所述的轨道车辆用牵引球铰，其特征在于所述的变形型面（31）沿轴向的外端位于外套（1）端面的内侧，且变形型面（31）沿轴向的外端与外套（1）端面的轴向距离不超过2mm。

4.根据权利要求1所述的轨道车辆用牵引球铰，其特征在于所述的变形型面（31）沿轴向的宽度为A， A≤R1≤2A。

5.根据权利要求1所述的轨道车辆用牵引球铰，其特征在于所述的圆弧面突起（21）的轴向宽度不小于芯轴（2）与橡胶层（3）粘结部件的轴向宽度的80%。

6.根据权利要求1所述的轨道车辆用牵引球铰，其特征在于所述的芯轴（2）由实心的内轴（23）和套装在内轴（23）上的外轴（24）组成，外轴（24）设置在内轴（23）的中间位置与橡胶层（3）硫化粘结，外轴（24）的中间段为圆弧面突起（21）。

7.权利要求1至权利要求6任一项所述的轨道车辆用牵引球铰的刚度设计方法， 其特征在于根据牵引球铰的承载需求，设计变形型面（31）沿轴向的宽度、圆弧面突起（21）的圆弧半径和圆弧面突起（21）的轴向宽度，从而调节牵引球铰的径向刚度、轴向刚度、偏转刚度和扭转刚度。

8.根据权利要求7所述的刚度设计方法，其特征在于根据牵引球交的承载需求，设计圆角（11）的圆弧半径R，从而调节牵引球铰的初始刚度。

9.根据权利要求7所述的刚度设计方法，其特征在于根据牵引球铰的承载需求，设计圆角（11）的圆弧半径R和变形型面（31）的圆弧半径R1，从而调节牵引球铰的变刚度拐点。

10.根据权利要求7所述的刚度设计方法，其特征在于根据牵引球铰的承载需求，设计变形型面（31）沿轴向的宽度为A和变形型面（31）的圆弧半径R1，从而调节牵引球铰大载荷下的非线性刚度。