CN107269749B - 牵引橡胶球铰及其多次变刚度方法 - Google Patents

Abstract

牵引橡胶球铰，包括芯轴、外套和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层，其特征在于所述的橡胶层的橡胶外型面由靠近外套的端面一和靠近芯轴的端面二组成，所述的端面一呈由外向内逐渐靠近外套的向外凸起形状，且由多个环形面依次连接组成，所述的端面二为环形平面，并与端面一通过圆角平滑过渡，端面一与外套内壁通过小圆角过渡连接。本发明的牵引橡胶球铰抗疲劳性能高、可实现多次变刚度且非线性刚度特性高，本发明还提供一种牵引橡胶球铰的多次变刚度方法。

Description

牵引橡胶球铰及其多次变刚度方法

技术领域

本发明涉及一种牵引橡胶球铰及其多次变刚度方法，实现牵引橡胶球铰在承载过程中的多次变刚度，属于轨道车辆弹性元件领域。

背景技术

球铰产品在装车运行过程中，根据安装位置和设计功能的不同，可以实现减振、牵引和柔性连接等作用。为了保证车辆运行的舒适性，要求产品在小载荷 ( 正常运行 ) 时的刚度较小；但是为了保证车辆运行的可靠性，要求产品在大载荷时(启动和制动)的刚度明显增加从而及时限位，因此球铰特别是牵引球铰需要具备一定程度的变刚度。在复杂运行工况下，球铰不仅需要具备一定程度的变刚度，还需要根据运行工况的承载变化，形成多次变刚度，以满足复杂工况下的承载需求。

现有的球铰产品，橡胶型面采用向内凹进的U型结构，其缺点在于在型面上形成裂纹或褶皱，容易在靠近外套和芯轴的位置出现褶皱开裂和挤压开裂，而且刚度变化单一，无法满足大载荷下的刚度需求，而且刚度的非线性特性低，无法满足复杂运行工况的承载需求。

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，橡胶的接触面积是随着载荷逐渐增加的，产品刚度呈渐进式逐步增加，刚度增长均匀，同时还可以根据需要满足多个载荷下的多个刚度要求。但没有解决在复杂运行工况下，根据承载需求，如何实现产品的多次变刚度及如何调整产品的非线性刚度的技术问题。

发明内容

本发明提供针对现有技术中存在的问题，提供一种抗疲劳性能高、可实现多次变刚度且非线性刚度特性高的牵引橡胶球铰，本发明还提供一种牵引橡胶球铰的多次变刚度方法。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是：牵引橡胶球铰，包括芯轴、外套和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层，其特征在于所述的橡胶层的橡胶外型面由靠近外套的端面一和靠近芯轴的端面二组成，所述的端面一呈由外向内逐渐靠近外套的向外凸起形状，且由多个环形面依次连接组成，所述的端面二为环形平面，并与端面一通过圆角平滑过渡，端面一与外套内壁通过小圆角过渡连接。

优选的，所述的端面一由与小圆角连接的环形面一、与端面二通过圆角过渡的环形面二和连接在环形面一和环形面二之间的至少一个环形面三组成，两个相邻的环形面三之间通过圆角平滑过渡，环形面三与环形面一及环形面二均通过圆角平滑过渡。

优选的，所述的环形面一、环形面二和环形面三均为环形平面，环形面一的斜率小于环形面三的斜率，环形面三的斜率小于环形面二的斜率，且由内至外的环形面三斜率依次增大。

优选的，所述的端面一沿轴向的外端位于外套端面的内侧，且端面一沿轴向的外端与外套端面的轴向距离不超过2mm。

优选的，所述的橡胶层硫化粘结在芯轴与外套之间的径向预挤压缩量为H，所述的小圆角的圆弧半径为R，H/4≤R≤H/2，所述的环形面一与外套之间的最小间隙为H/2~2R。

以上所述的牵引橡胶球铰的多次变刚度方法，其特征在于通过调整端面一中环形面的数量来调节牵引橡胶球铰承载过程中变刚度的次数，实现牵引橡胶球铰的多次变刚度。

优选的，通过调整端面一中每个环形面的形状、斜率和沿轴向的宽度来调节牵引橡胶球铰多次变刚度拐点的位置以及相邻变刚度拐点之间的刚度变化。

优选的，通过调整小圆角的圆弧半径，来调节牵引橡胶球铰的初始刚度。

优选的，通过调整小圆角的圆弧半径和环形面一与外套之间的最小间隙来调节牵引橡胶球铰的初次变刚度拐点。

本发明的牵引橡胶球铰中，橡胶层的橡胶外型面由靠近外套的端面一和靠近芯轴的端面二组成，所述的端面一呈由外向内逐渐靠近外套的向外凸起形状，端面一与外套内壁通过小圆角过渡连接，大载荷下，随着橡胶层的压缩，橡胶层的变形由端面一向外套内壁方向鼓出，橡胶外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，橡胶外型面在往复变形中，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。

端面一由多个环形面依次连接组成，通过调整环形面的数量来调节牵引橡胶球铰承载过程中变刚度的次数，实现牵引橡胶球铰的多次变刚度。通过调整每个环形面的形状、斜率和沿轴向的宽度来调节牵引橡胶球铰多次变刚度拐点的位置以及相邻变刚度拐点之间的刚度变化，满足不同运行工况对牵引橡胶球铰变刚度的不同要求，提高球铰的非线性刚度特性。

端面一与外套内壁之间通过小圆角过渡，根据橡胶层的初始预挤压量来调整过渡面一的圆弧半径，从而实现牵引拉杆节点初始刚度的调节，使牵引拉杆节点适应用不同承载工况的初始刚度要求。根据橡胶层的初始预挤压量和小圆角的圆弧半径，调节小圆角与外套内壁的最大间距，从而使橡胶层外型面的始初应力最小，提高橡胶层外型面在承载过程中的变形特性。

附图说明

图1为具体实施方式中牵引橡胶球铰的结构示意图。

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。

牵引橡胶球铰，包括芯轴1、外套2和硫化粘结在芯轴1与外套2之间的橡胶层3，其特征在于所述的橡胶层3的橡胶外型面由靠近外套2的端面一31和靠近芯轴的端面二32组成，所述的端面一31呈由外向内逐渐靠近外套2的向外凸起形状，且由多个环形面依次连接组成，所述的端面二32为环形平面，并与端面一31通过圆角平滑过渡，端面一31与外套2内壁通过小圆角33过渡连接。

如图所示，端面一31呈由外向内逐渐靠近外套2的向外凸起形状，小圆角33连接外套2内壁，端面二32连接芯轴1，承载过程中，载荷逐渐增大，橡胶层3挤压向外变形，橡胶层3的变形由端面一31向外套2内壁方向鼓出，将端面一31逐渐贴在外套2内壁上，橡胶的鼓出逐渐向端面一31到外套2内壁间的空间填充，橡胶外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3与外套2及芯轴1连接处的橡胶鼓出，橡胶外型面在往复变形中，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。端面一31由三个环形面依面依次连接组成，在端面一31与外套2内壁贴紧的过程中，三个环形面由内至外依次由外套2内壁贴紧，形成承载过程中的两次变刚度拐点，在实际结构中，环形面的数量由运行工况的承载需求决定，需要说明的是为了实现多次变刚度拐点，端面一31沿轴向的长度和外套2沿轴向的长度也需根据端面31与外套2逐渐贴紧的需求而加长。

具体的，所述的端面一31由与小圆角33连接的环形面一31.1、与端面二32通过圆角过渡的环形面二31.2和连接在环形面一31.1和环形面二31.2之间的至少一个环形面三31.3组成，两个相邻的环形面三31.3之间通过圆角平滑过渡，环形面三31.3与环形面一31.1及环形面二31.2均通过圆角平滑过渡。通过圆角的平滑过渡，保证变刚度拐点时，刚度平缓过渡，不会产生刚度陡增，减少发生变刚度拐点时，橡胶球铰的振动，提高列车运行的舒适性。

具体的，如图2所示，所述的环形面一31.1、环形面二31.2和环形面三31.3均为环形平面，环形面一31.1的斜率小于环形面三31.3的斜率，环形面三31.3的斜率小于环形面二31.2的斜率，且由内至外的环形面三31.3斜率依次增大，形成由外向内逐渐靠近外套2且向外凸起的端面31，大载荷下，环形面一31.1、环形面三31.3和环形面二31.2依次对外套2内壁贴紧。

具体的，所述的端面一31沿轴向的外端位于外套2端面的内侧，且端面一31沿轴向的外端与外套2端面的轴向距离不超过2mm。保证在大载荷时，端面一31完全与外套2的内壁贴紧，橡胶层3的鼓出变形完全从端面一31向外套2内壁的方向进行，将端面一31到外套2内壁的空间填满，避免靠近外套2和芯轴1位置的橡胶鼓出，在大载荷往复加载中，靠近外套2和芯轴1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。

具体的，所述的橡胶层3硫化粘结在芯轴1与外套2之间的径向预挤压缩量为H，所述的小圆角33的圆弧半径为R，H/4≤R≤H/2，所述的环形面一31.1与外套2之间的最小间隙为H/2~2R。由于过小圆角33的圆弧半径R，决定了端面一31与外套2内壁接触时，橡胶层3发生的橡胶径向变形量，即变刚度之前橡胶层3发生的变形量，因此调节小圆角33的半径，可调节球铰的初始刚度，经过反复试验得出，H/4≤R≤H/2的范围内，调节小圆角33的圆弧半径R，可实现球铰初始刚度的调节，使球铰适应用不同承载工况的初始刚度要求。并且在设计小圆角33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，当球铰未承载时，小圆角33与外套2内壁的最大间距即端面一31与外套2内壁的最小间距为H/2~2R，端面一31所受的初始应力最小，可有效提高端面一31的变形特性，延长其疲劳寿命。

本发明还保护以上所述的牵引橡胶球铰的多次变刚度方法，其特征在于通过调整端面一31中环形面的数量来调节牵引橡胶球铰承载过程中变刚度的次数，实现牵引橡胶球铰的多次变刚度。根据橡胶球铰的承载需求，设计端面一31中环形面的数量，当每个环形面与外套内壁开始接触时，即形成变刚度拐点，通过环形面数量的增减调节变刚度拐点的数量，如图3所示，由于端面一31包括环形面一31.1、环形面二31.2和一个环形面三31.3，因此在球铰的刚度曲线中，形成两个变刚度拐点S1和S2，变刚度的次数为两次，由于由内至外环形面的斜率依次增加，因此刚度曲线的斜率也在每次变刚度拐点后增加，在实际运用中，也可根据承载需求，设计变刚度的次数。

具体的，通过调整端面一31中每个环形面的形状、斜率和沿轴向的宽度来调节牵引橡胶球铰多次变刚度拐点的位置以及相邻变刚度拐点之间的刚度变化。如图3中所示，变刚度拐点S1形成的位置（即刚度曲线的横坐标）和刚度大小（即刚度曲线纵坐标）与环形面一31.1的形状、斜率和轴向宽度有关，变刚度拐点S2形成的位置和刚度大小与环形面三31.3和环形面二31.2的形状、斜率和轴向宽度有关，因此调整端面一31中每个环形面的形状、斜率和轴向宽度，即可调节橡胶球多次变刚度拐点的位置，及相邻变刚度拐点之间的刚度变化，即调整图3中的0~S1、S1~S2和S2至终点这三段刚度曲线。

具体的，通过调整小圆角33的圆弧半径，来调节牵引橡胶球铰的初始刚度。由于小圆角33的圆弧半径R，决定了端面一31与外套2内壁接触时，橡胶层3发生的橡胶径向变形量，即变刚度之前橡胶层3发生的变形量，因此调节小圆角33的半径，可调节球铰的初始刚度，经过反复试验得出，在H/4≤R≤H/2的范围内，调节小圆角33的圆弧半径R，可实现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。

具体的，通过调整小圆角33的圆弧半径和环形面一31.1与外套2之间的最小间隙来调节牵引橡胶球铰的初次变刚度拐点。由于小圆角33的圆弧半径R，决定了端面一31与外套内壁接触时，橡胶层3发生的橡胶径向变形量，而环形面一31.1的形状、斜率和轴向宽度，决定了载荷增大时，环形面一31.1与外套2内壁的接触面积，所以调节圆角11的的圆弧半径R可以调节初次变刚度拐点在承载过程中出现的位置，而调节环形面一31.1的形状、斜率和轴向宽度可以调节初次变刚度拐点的刚度值，因此得出调节圆角11的圆弧半径R和环形面一31.1的形状、斜率和轴向宽度，可实现对初次变刚度拐点的调节。

以上所述的牵引橡胶球铰及其多次变刚度方法的优点在于：

1、橡胶外型面在往复变形中，橡胶外型面的变形顺着牵引球铰的变形规律进行，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。

2、实现牵引橡胶球铰的多次变刚度，满足不同运行工况对牵引橡胶球铰变刚度的不同要求，提高球铰的非线性刚度特性。

3、实现牵引拉杆节点初始刚度的调节，使牵引拉杆节点适应用不同承载工况的初始刚度要求。

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 (7)

1.牵引橡胶球铰，包括芯轴（1）、外套（2）和硫化粘结在芯轴（1）与外套（2）之间的橡胶层（3），其特征在于所述的橡胶层（3）的橡胶外型面由靠近外套（2）的端面一（31）和靠近芯轴的端面二（32）组成，所述的端面一（31）呈由外向内逐渐靠近外套（2）的向外凸起形状，且由多个环形面依次连接组成，所述的端面二（32）为环形平面，并与端面一（31）通过圆角平滑过渡，端面一（31）与外套（2）内壁通过小圆角（33）过渡连接；

所述的端面一（31）由与小圆角（33）连接的环形面一（31.1）、与端面二（32）通过圆角过渡的环形面二（31.2）和连接在环形面一（31.1）和环形面二（31.2）之间的至少一个环形面三（31.3）组成，两个相邻的环形面三（31.3）之间通过圆角平滑过渡，环形面三（31.3）与环形面一（31.1）及环形面二（31.2）均通过圆角平滑过渡；

所述的橡胶层（3）硫化粘结在芯轴（1）与外套（2）之间的径向预挤压缩量为H，所述的小圆角（33）的圆弧半径为R，H/4≤R≤H/2，所述的环形面一（31.1）与外套（2）之间的最小间隙为H/2~2R。

2.根据权利要求1所述的牵引橡胶球铰，其特征在于所述的环形面一（31.1）、环形面二（31.2）和环形面三（31.3）均为环形平面，环形面一（31.1）的斜率小于环形面三（31.3）的斜率，环形面三（31.3）的斜率小于环形面二（31.2）的斜率，且由内至外的环形面三（31.3）斜率依次增大。

3.根据权利要求1所述的牵引橡胶球铰，其特征在于所述的端面一（31）沿轴向的外端位于外套（2）端面的内侧，且端面一（31）沿轴向的外端与外套（2）端面的轴向距离不超过2mm。

4.权利要求1至权利要求3任一项所述的牵引橡胶球铰的多次变刚度方法，其特征在于通过调整端面一（31）中环形面的数量来调节牵引橡胶球铰承载过程中变刚度的次数，实现牵引橡胶球铰的多次变刚度。

5.根据权利要求4所述的多次变刚度方法，其特征在于通过调整端面一（31）中每个环形面的形状、斜率和沿轴向的宽度来调节牵引橡胶球铰多次变刚度拐点的位置以及相邻变刚度拐点之间的刚度变化。

6.根据权利要求4所述的牵引橡胶球铰的多次变刚度方法，其特征在于通过调整小圆角（33）的圆弧半径，来调节牵引橡胶球铰的初始刚度。

7.根据权利要求4所述的牵引橡胶球铰的多次变刚度方法，其特征在于通过调整小圆角（33）的圆弧半径和环形面一（31.1）与外套（2）之间的最小间隙来调节牵引橡胶球铰的初次变刚度拐点。

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