CN108909755B - 一种双球面牵引橡胶关节及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双球面牵引橡胶关节及其制作方法。双球面牵引橡胶关节包括芯轴、外套和橡胶层；芯轴包括芯轴球面段，芯轴球面段的外侧面为球面，橡胶层硫化粘结在芯轴的外侧球面和外套的内侧球面之间，橡胶层中间的厚度小于或等于橡胶层两端的厚度，芯轴球面段半径与橡胶层中间的厚度之和小于或等于外套球面段半径。制作时，将芯轴中部外侧面、外套中部内侧面均加工为球面，将橡胶层硫化粘结在芯轴和外套的双球面之间；先将橡胶层两端的橡胶型面加工为后贴近式橡胶型面，再通过径向预压缩制作成型。采用本发明，既能够实现高径向刚度要求，又能够实现低偏转刚度，同时还能避免橡胶弯折变形。

Description

一种双球面牵引橡胶关节及其制作方法

技术领域

本发明涉及车辆减振技术领域，特别是一种牵引双球面橡胶关节。

背景技术

牵引橡胶关节是转向架关键减振连接元件，安装在牵引杆两端孔中，用于传递牵引力、制动力并缓和由转向架传递给车体的振动冲击。牵引橡胶关节除了径向承载以外，产品的偏转刚度也是影响产品可靠性的关键因素。偏转刚度大小直接影响车体通过曲线的顺畅性，刚度越小越容易通过曲线，刚度越大容易导致增加转向架的附加刚度,影响转向架的动力学性能，同时阻抗力会导致牵引橡胶关节产生致命损伤。

现有牵引橡胶结构为了实现低偏转刚度，要么优化橡胶型面减少外套侧橡胶粘接面积，要么通过橡胶本体开孔。申请号为CN201510104296.6的发是专利申请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。但此方案中并没有给出当径向刚度提升后，如何同时实现低偏转刚度。申请号为CN201020186503.X的实用新型公开了一种地铁车辆用牵引橡胶关节,由金属外套、芯轴及弹性橡胶体组成,牵引橡胶关节的芯轴、外套与弹性橡胶体是整体硫化在一起的,其中弹性橡胶体上对称设有2个贯通孔,贯通孔的形状为哑铃状,且哑铃的中心线与芯轴扁方平面垂直;在芯轴上对称设有2个刚性凸起,刚性凸起形状为锥台状,且锥台的中心面与贯通孔中心面重合。以上现有技术不能够同时实现高径向刚度要求、低偏转刚度和避免橡胶弯折变形。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种双球面牵引橡胶关节及其制作方法，既能够实现高径向刚度要求，又能够实现低偏转刚度，同时还能避免橡胶弯折变形。

本发明的技术方案是：一种双球面牵引橡胶关节，包括芯轴、外套和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层；芯轴包括芯轴球面段，芯轴球面段的外侧面为球面，外套包括外套球面段，外套球面段的内侧面为球面；橡胶层硫化粘结在芯轴的外侧球面和外套的内侧球面之间，橡胶层中间的厚度小于或等于橡胶层两端的厚度，芯轴球面段半径与橡胶层中间的厚度之和小于或等于外套球面段半径。

橡胶层两端的橡胶型面由后贴近式橡胶型面通过径向预压缩制作成型；所述后贴近式橡胶型面采用凹陷弧面结构，后贴近式橡胶型面包括靠近外套且与芯轴的中心轴线垂直的侧端面一、弧面结构部分、靠近芯轴且与芯轴的中心轴线垂直的侧端面二；其弧面结构部分最里面一端到侧端面一所在平面的垂直距离为后贴近式橡胶型面深度A，后贴近式橡胶型面的弧面结构部分由三段圆弧面组成，从外至内依次为：圆弧面一、中间过渡圆弧面二、圆弧面三；圆弧面一半径为A/2，圆弧面三半径为A。

外套包括位于外套两端的外套内端段和位于外套中部的外套球面段，芯轴包括位于芯轴两端的芯轴外端段和位于芯轴中部的芯轴球面段，外套内端段内侧面与外套球面段内侧球面相接处、芯轴外端段外侧面与芯轴球面段外侧球面相接处均采用半径为2A的圆弧过渡。

橡胶层包括包胶层；橡胶层在芯轴与外套间的径向预压缩量为H，中间过渡圆弧面二高度为H/4，橡胶层两端厚度=圆弧面一的半径+圆弧面三的半径+中间过渡圆弧面二的高度+2*包胶层厚度。

橡胶层的中心线、外套的中心线与芯轴的中心线重合。

外套内端段半径大于芯轴球面段半径。

一种上述的双球面牵引橡胶关节的制作方法，将芯轴中部外侧面、外套中部内侧面均加工为球面，将橡胶层硫化粘结在芯轴和外套的双球面之间；先将橡胶层两端的橡胶型面加工为后贴近式橡胶型面，再通过径向预压缩制作成型。

制作时使橡胶层的中心线、外套的中心线与芯轴的中心线重合；

通过调节外套球面段半径、芯轴球面段半径和橡胶层厚度，调节好所需的橡胶关节的径向变形量和偏转变形量，从而调节好所需的橡胶关节的径向刚度和偏转刚度；

通过调整外套内端段半径与芯轴球面段半径的差值，调节好所需的双球面牵引橡胶关节的轴向变形量，从而调节好所需的橡胶关节的轴向刚度；在橡胶关节成型过程中，对橡胶层两端橡胶型面进行调节，使成型后的橡胶关节的径向、轴向和偏转刚度满足所需的承载需求。

制作时，使橡胶层中间的厚度小于或等于橡胶层两端的厚度，芯轴球面段半径与橡胶层中间的厚度之和小于或等于外套球面段半径；

橡胶层两端橡胶型面采用凹陷弧面结构进行制作，制作时，预先设计好后贴近式橡胶型面深度A，确定好后贴近式橡胶型面的弧面结构部分的三段圆弧面的半径，其中，圆弧面一的半径为A/2，圆弧面三半径为A；

外套内端段内侧面与外套球面段内侧球面相接处、芯轴外端段外侧面与芯轴球面段外侧球面相接处均采用半径为2A的圆弧过渡；

预先设计好橡胶层在芯轴与外套间的径向预压缩量H，设计好橡胶层的包胶层厚度，并确定中间过渡圆弧面二高度为H/4，橡胶层两端厚度=圆弧面一的半径+圆弧面三的半径+中间过渡圆弧面二的高度+2*包胶层厚度。

采用本发明，既能够实现高径向刚度要求，又能够实现低偏转刚度，同时还能避免橡胶弯折变形。本发明的具体有益效果如下：

1、双球面牵引橡胶关节中，橡胶层粘结在芯轴和外套的双球面之间，且橡胶层的中线、外套的中线与芯轴的中线重合，通过调节外套球面半径、芯轴球面段半径和胶层厚度，可调节橡胶关节的径向变形量和偏转变形量，从而调节橡胶关节的径向刚度和偏转刚度，且球面与球面的偏转，能够增大偏转变形量，通过调整外套内端半径与芯轴球面段半径间的距离，可调节轴向变形量，从而调节橡胶关节的轴向刚度，在橡胶关节成型过程中，对两端橡胶型面进行调节，能使成型后的橡胶关节的径向、轴向和偏转刚度满足运行工况的承载需求。

2、在成型过程中，采用后贴近式橡胶型面，通过径向预压缩，成品橡胶型面变为贴近式型面，橡胶型面平滑过渡无弯折变形，且橡胶与外套侧不会因径向预压缩形式密闭空间而无法释放橡胶表面张力。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橡胶关节的变形规律进行，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，可有效提高牵引橡胶关节的抗疲劳性能。

3、橡胶粘结采用球面形式增加了粘结面积，提高了破坏所需要的载荷，从而提高了产品的可靠性。

4 采用双曲面形式,在承载力作用下,橡胶体受力更为均匀,不易产生应力集中,更有利于牵引橡胶关节的抗疲劳性能。

附图说明

图1为本发明中的双球面牵引橡胶关节的结构示意图；

图2为图1中Ⅰ处的局部放大示意图；

图3为径向预压缩后图1中Ⅰ处的局部放大示意图；

图中：芯轴1、外套2、橡胶层3；芯轴球面段1.1、芯轴外端段1.2、外套球面段2.1、外套内端段2.2、圆弧面一3.1、中间过渡圆弧面二3.2、圆弧面三3.3；

中间橡胶层厚度h1，两端橡胶层厚度h2，后贴近式橡胶型面深度为A，外套内端段半径R1，芯轴外端段半径R2，外套球面段半径SR1，芯轴球面段半径SR2。

具体实施方式

请参考图1至图3，一种双球面牵引橡胶关节，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。橡胶层硫化在芯轴和外套的双球面之间，且中间橡胶层厚度h1（即橡胶层中间的厚度）小于等于两端橡胶层厚度h2（即橡胶层两端的厚度）。且芯轴球面段半径SR2与中间橡胶层厚度h1之和小于或等于外套球面段半径SR1。成品的双球面牵引橡胶关节，其橡胶层两端的橡胶型面采用由后贴近式橡胶型面通过径向预压缩制作成型，成型后橡胶型面变为贴近式橡胶型面。

后贴近式橡胶型面采用凹陷弧面结构，后贴近式橡胶型面包括靠近外套且与芯轴的中心轴线垂直的侧端面一、位于后贴近式橡胶型面中部的弧面结构部分、靠近芯轴且与芯轴的中心轴线垂直的侧端面二，侧端面一、弧面结构部分、侧端面二一体相连、连接处可圆滑过渡。其弧面结构部分最里面一端到侧端面一所在平面的垂直距离为后贴近式橡胶型面深度A，后贴近式橡胶型面的弧面结构部分由三段圆弧面圆滑连接组成，从外至内依次为：圆弧面一、中间过渡圆弧面二、圆弧面三；其中，圆弧面一半径为A/2，圆弧面三半径为A。

双球面牵引橡胶关节的径向和偏转刚度可以通过调节芯轴1球面段1.1球半径（即芯轴球面段半径SR2）、外套球面段2.1球半径（即外套球面段半径）和中间橡胶层厚度h1满足设计要求。且芯轴球面段1.1与外套球面段2.1的偏转，如同金属球形滑动球铰，能增大偏转变形量，从而实现低偏转刚度。

外套内端段2.2与外套球面段2.1、芯轴外端段1.2与芯轴球面段1.1中间均采用圆弧（半径为2A）过渡。

橡胶层3粘结在芯轴1和外套2的外套球面段2.1之间，且橡胶层3的中心线、外套2的中心线与芯轴1的中心线（即中心轴线）重合，橡胶层3粘结通过外套球面段2.1和芯轴球面段1.1的球面形式增加了粘结面积，提高了破坏所需要的载荷，从而提高了产品的可靠性。通过调节外套球面段半径、芯轴球面段半径和橡胶层厚度，可调节橡胶关节的径向变形量和偏转变形量，通过调整外套内端段半径R1与芯轴球面段半径SR2的差值，可调节的轴向变形量，从而调节橡胶关节的轴向刚度。

外套内端段半径R1大于芯轴球面段半径SR2。在硫化成型阶段，芯轴1能够轻松放入外套2中，实现整体硫化。

橡胶型面采用由后贴近式橡胶型面通过径向预压缩制作成型的方式制作。后贴近式橡胶型面为成型前产品状态（如图2），通过径向预压缩（预压缩量H），成品橡胶型面变为贴近式橡胶型面（如图3），橡胶平滑过渡无弯折变形，且橡胶3与外套2侧不会因径向预压缩形式密闭空间，无法释放橡胶表面张力。

后贴近式橡胶型面深度为A（如图1所示）。后贴近式橡胶型面由三段圆弧面组成，如图2所示，从外至内依次为：圆弧面一3.1、中间过渡圆弧面二3.2、圆弧面三3.3。圆弧面一半径为A/2，圆弧面三半径为A，中间过渡圆弧面二高度为h（即中间过渡圆弧面二对应所在的橡胶层部分的厚度），h≥0。

橡胶层3在芯轴1与外套2间的径向预压缩量H，中间过渡圆弧面二3.2高度h=H/4，且两端橡胶层厚度h2=A/2(圆弧面一3.1半径)+A(圆弧面三3.3半径)+h(中间过渡圆弧面二3.2高度)+2*包胶层厚度。橡胶层的包胶层采用1mm厚设计，有利于提高橡胶粘结强度。

贴近式橡胶型面是当产品在径向承载时，橡胶向外套“平行贴近”并逐渐“平行贴紧”，从而橡胶的接触面积逐渐增加。橡胶关节有径向挤压实现预压缩这道工序，在挤压之后形成贴近式橡胶型面。

通常的贴近式橡胶型面，挤压之后外套与橡胶无法完全贴死，挤压后橡胶型面始端容易产生应力集中且无法消除。而采用后贴近式结构通过径向预压缩，在挤压工序后形成的贴近式橡胶型面，有利应力释放。

本发明中的双球面牵引橡胶关节是一种低偏转刚度、平滑过渡橡胶型面和高可靠性的牵引橡胶关节。本发明在现有基础上提供了一种双球面牵引橡胶关节制作方法，橡胶层粘结在芯轴和外套的双球面之间，且橡胶层的中心线、外套的中心线与芯轴的中心线重合，通过调节外套球面段半径、芯轴球面段半径和橡胶层厚度，可调节橡胶关节的径向变形量和偏转变形量，从而调节橡胶关节的径向刚度和偏转刚度，且球面与球面的偏转，能够增大偏转变形量，通过调整外套内端半径与芯轴球面段半径间的距离，可调节的轴向变形量，从而调节橡胶关节的轴向刚度，在橡胶关节成型过程中，对两端橡胶型面进行调节，使成型后的橡胶关节的径向、轴向和偏转刚度满足运行工况的承载需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双球面牵引橡胶关节，包括芯轴、外套和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层；其特征是，芯轴包括芯轴球面段，芯轴球面段的外侧面为球面，外套包括外套球面段，外套球面段的内侧面为球面；橡胶层硫化粘结在芯轴的外侧球面和外套的内侧球面之间，橡胶层中间的厚度小于或等于橡胶层两端的厚度，芯轴球面段半径与橡胶层中间的厚度之和小于或等于外套球面段半径；

橡胶层两端的橡胶型面由后贴近式橡胶型面通过径向预压缩制作成型；所述后贴近式橡胶型面采用凹陷弧面结构，后贴近式橡胶型面包括靠近外套且与芯轴的中心轴线垂直的侧端面一、弧面结构部分、靠近芯轴且与芯轴的中心轴线垂直的侧端面二；其弧面结构部分最里面一端到侧端面一所在平面的垂直距离为后贴近式橡胶型面深度A，后贴近式橡胶型面的弧面结构部分由三段圆弧面组成，从外至内依次为：圆弧面一、中间过渡圆弧面二、圆弧面三；圆弧面一半径为A/2，圆弧面三半径为A；

橡胶层包括包胶层；橡胶层在芯轴与外套间的径向预压缩量为H，中间过渡圆弧面二高度为H/4，橡胶层两端厚度=圆弧面一的半径+圆弧面三的半径+中间过渡圆弧面二的高度+2*包胶层厚度。

2.根据权利要求1所述的双球面牵引橡胶关节，其特征是，外套包括位于外套两端的外套内端段和位于外套中部的外套球面段，芯轴包括位于芯轴两端的芯轴外端段和位于芯轴中部的芯轴球面段，外套内端段内侧面与外套球面段内侧球面相接处、芯轴外端段外侧面与芯轴球面段外侧球面相接处均采用半径为2A的圆弧过渡。

3.根据权利要求1所述的双球面牵引橡胶关节，其特征是，橡胶层的中心线、外套的中心线与芯轴的中心线重合。

4.根据权利要求1所述的双球面牵引橡胶关节，其特征是，外套内端段半径大于芯轴球面段半径。

5.一种权利要求1所述的双球面牵引橡胶关节的制作方法，其特征是，将芯轴中部外侧面、外套中部内侧面均加工为球面，将橡胶层硫化粘结在芯轴和外套的双球面之间；先将橡胶层两端的橡胶型面加工为后贴近式橡胶型面，再通过径向预压缩制作成型；

制作时使橡胶层的中心线、外套的中心线与芯轴的中心线重合；

通过调节外套球面段半径、芯轴球面段半径和橡胶层厚度，调节好所需的橡胶关节的径向变形量和偏转变形量，从而调节好所需的橡胶关节的径向刚度和偏转刚度；

通过调整外套内端段半径与芯轴球面段半径的差值，调节好所需的双球面牵引橡胶关节的轴向变形量，从而调节好所需的橡胶关节的轴向刚度；在橡胶关节成型过程中，对橡胶层两端橡胶型面进行调节，使成型后的橡胶关节的径向、轴向和偏转刚度满足所需的承载需求；

制作时，使橡胶层中间的厚度小于或等于橡胶层两端的厚度，芯轴球面段半径与橡胶层中间的厚度之和小于或等于外套球面段半径；

橡胶层两端橡胶型面采用凹陷弧面结构进行制作，制作时，预先设计好后贴近式橡胶型面深度A，确定好后贴近式橡胶型面的弧面结构部分的三段圆弧面的半径，其中，圆弧面一的半径为A/2，圆弧面三半径为A；

外套内端段内侧面与外套球面段内侧球面相接处、芯轴外端段外侧面与芯轴球面段外侧球面相接处均采用半径为2A的圆弧过渡；

预先设计好橡胶层在芯轴与外套间的径向预压缩量H，设计好橡胶层的包胶层厚度，并确定中间过渡圆弧面二高度为H/4，橡胶层两端厚度=圆弧面一的半径+圆弧面三的半径+中间过渡圆弧面二的高度+2*包胶层厚度。

Images