CN109185331A - 无轮轴转向架用球铰的减震方法和结构 - Google Patents
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Abstract
一种无轮轴转向架用球铰的减震方法和结构，采用在金属内套和金属外套之间设置分瓣式复合层结构的方式来满足对球铰的性能要求，其中复合层结构为在橡胶层的内部设有金属隔板与其硫化形成橡胶‑金属‑橡胶的结构，并在复合层结构的分瓣位置处设置分型面的方式以满足径向、轴向、偏转和扭转四项刚度的需求、并降低橡胶应力。本发明通过在金属内套和金属外套之间设置分瓣式复合层结构，能够实现大的对橡胶的径向预压缩，在提高球铰径向刚度的同时实现极小的扭转刚度。而在分瓣位置处设置的分型面，极大地增加了橡胶的自由面，能够大幅度降低橡胶受到挤压后产生的应力，提高了橡胶的抗疲劳寿命，提高了球铰的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种球铰的减震方法和结构，具体涉及一种无轮轴转向架用球铰的减震方法和结构，属于轨道交通技术领域。
背景技术
无轮轴转向架是一种与BT、AT及国内车型等传统转向架完全不同的技术，其车辆的时速覆盖160公里-350公里，此种无轮轴转向架的最大特点就是：同一个转向架的两个车轮可以差速通过轨道曲线，减少轮缘磨耗，通过曲线时车辆更平稳，但同时对金属橡胶件的各种载荷工况更恶劣。其对各种球铰的技术要求高，同一结构产品需要用于不同位置，因此对产品各个方向的承载能力均要求较高，需要满足四项刚度和苛刻的多项疲劳条件要求，产品设计开发难度非常大。
本项目中的齿轮箱吊杆球铰需满足径向、轴向、偏转和扭转四项刚度性能的匹配要求，且其尺寸非常小，最大外径仅为65mm，最大高度仅为34mm，而常规产品在设计时通常只要求径向、轴向中的一种或两种。也有少数用于国内车型的要求四项刚度匹配的球铰，如本申请人之前申请的申请号CN201410138755.8，名称为“一种大曲率球面多层分瓣式橡胶金属关节”的发明专利采用多层分瓣的方式设计橡胶金属关节。但此结构和性能不能适用于无轮轴转向架的车型。
因此，需要根据无轮轴转向架的特征重新设计。
发明内容
本发明根据无轮轴转向架实际使用的需求，提出了一种无轮轴转向架用球铰的减震方法和结构，提高径向刚度的同时实现极小的扭转刚度，能够适用于无轮轴转向架的多个位置，满足不同部位不同的径向、轴向、偏转、扭转刚度需求。
本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种无轮轴转向架用球铰的减震方法，采用在金属内套和金属外套之间设置分瓣式复合层结构的方式来满足对球铰的性能要求，其中复合层结构为在橡胶层的内部设有金属隔板与其硫化形成橡胶-金属-橡胶的结构，并在复合层结构的分瓣位置处设置分型面的方式以满足径向、轴向、偏转和扭转四项刚度的需求、并降低橡胶应力。
进一步地，通过在金属内套和金属外套之间设置分瓣式复合层结构、并在复合层结构的分瓣位置处设置哑铃状分型面的方式来保证径向刚度值在8.55-11.40 KN/mm、轴向刚度值在0.561-0.759 KN/mm、偏转刚度值在17-23 N m/o，扭转刚度值在6.8-9.2 N m/o，并大幅度降低橡胶应力。
进一步地，根据橡胶层的厚度对复合层结构的橡胶层压缩10-15%以满足径向、轴向、偏转和扭转四项刚度的需求。
进一步地，设计橡胶层靠金属内套处的厚度小于橡胶层靠金属外套处的厚度实现双层等应变设计。
进一步地，设计金属隔板处对应的分型面为哑铃状分型面的中间部分，两侧橡胶层处对应的分型面为哑铃状分型面的两端部分来增加自由面释放橡胶应力，且橡胶层厚度大的一侧的分型面的横截面大于橡胶层厚度小的一侧的分型面的横截面实现内外侧橡胶应力等同。
进一步地，复合层结构硫化粘接在金属内套与金属外套之间，复合层结构的橡胶采用挤压注入的方式实现橡胶层的预压缩；或者复合层结构硫化粘接在金属内套外侧后，将复合层结构过盈压装入金属外套实现橡胶层的预压缩。
一种无轮轴转向架用球铰的结构，依次为内部的金属内套，中间的分瓣式复合层结构，外部的金属外套，其中复合层结构为在橡胶层的内部设置金属隔板与橡胶层硫化形成橡胶-金属-橡胶的结构；复合层结构分为三瓣以上，且在分瓣位置处设置有分型面。
进一步地，复合层结构分为三瓣，且在分瓣位置处设置有哑铃状分型面。
进一步地，复合层结构的橡胶压缩率为10-15%。
进一步地，橡胶层靠金属内套处的厚度小于橡胶层靠金属外套处的厚度。
进一步地，金属隔板处对应的分型面为哑铃状分型面的中间部分，两侧橡胶处对应的分型面为哑铃状分型面的两端部分，且橡胶层厚度大的一侧的分型面的横截面大于橡胶层厚度小的一侧的分型面的横截面。
进一步地，复合层结构与金属内套和金属外套之间均硫化粘接；或者复合层结构与金属内套之间硫化粘接，将复合层结构与金属外套之间过盈组装。
本发明的有益效果是：
1. 本发明通过在金属内套和金属外套之间设置分瓣式复合层结构、并在复合层结构的分瓣位置处设置分型面，能够实现大的对橡胶的径向预压缩，在提高球铰径向刚度的同时实现极小的扭转刚度。
2. 本发明通过在分瓣式复合层结构的分瓣位置处设置哑铃状分型面，极大地增加了橡胶的自由面，能够大幅度降低橡胶受到挤压后产生的应力，提高了橡胶的抗疲劳寿命，提高了球铰的使用寿命。
3. 本发明通过设计哑铃状分型面的形状与橡胶层的厚度匹配，实现内外侧橡胶应力等同。
4. 本发明通过采用分瓣式复合层结构能够保证压装入金属外套时预压缩能够传递至内侧的橡胶。
5. 本发明通过设计金属外套处的橡胶层厚度大于金属内套处的橡胶层厚度，实现橡胶的双层等应变设计，提高了球铰的承载能力。
附图说明
图1为实施例一主视示意图；
图2为图1剖视示意图；
图中：1.金属内套，2.复合层结构，21.橡胶层，22.金属隔板，23.哑铃状分型面，3.金属外套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明是一种用于无轮轴转向架上的球铰，尺寸非常小，成品外径仅为65mm，高度仅为34mm，如作为齿轮箱吊杆球铰使用，但其是一种相对通用的轨道车辆的零部件，不仅仅局限于某一固定位置使用，由于不同位置对性能的要求不同，因而对此球铰的整体性能要求较高。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例为本发明的最佳实施例方案，一种无轮轴转向架用球铰的结构，依次为内部的金属内套1，中间的分瓣式复合层结构2，外部的金属外套3，其中复合层结构2为在橡胶层21的内部设置金属隔板22与橡胶层21硫化形成橡胶-金属-橡胶的结构，复合层结构2硫化粘接在金属内套1与金属外套3之间。采用的分瓣式复合层结构2既能够保证在球铰成型时预压缩能够从外侧橡胶传递至内侧橡胶，同时还能降低球铰的偏转刚度和扭转刚度，而对球铰的径向刚度和轴向刚度影响非常小。分瓣位置处的分型面能够使橡胶层21受到挤压后朝分型面处释放应力，提高橡胶的抗疲劳寿命。将复合层结构2预压缩后过盈组装入金属外套3，能够提高球铰的径向刚度，以达到提高径向刚度的同时实现极小的扭转刚度，满足使用环境下对径向、轴向、偏转和扭转四项刚度的需求。
复合层结构2分为三瓣，且在分瓣位置处设置有哑铃状分型面23。如将复合层结构2分为两瓣所形成的球铰无法达到径、轴、偏、扭四项刚度的需求，而分成等同的三瓣时，不但性能上相对容易达到要求，加工也相对简单。在分瓣位置处设置哑铃状分型面23能够极大地增加橡胶的自由面，从而能够大幅度降低橡胶层21受挤压时产生的应力，提高橡胶的抗疲劳寿命，延长了球铰的使用寿命。
复合层结构2硫化粘接在金属内套1的和金属外套3之间，复合层结构2的橡胶采用挤压注入的方式实现橡胶层21的预压缩率为10-15%。根据使用时对球铰各项刚度的需求选择橡胶的压缩率来设计复合层结构2各处的外径和内径，以使压装后形成的球铰满足刚度的需求，采用将复合层结构2硫化粘接在金属内套1的和金属外套3之间、复合层结构2的橡胶采用挤压注入的方式使球铰在加工时一次性成型，降低了单个球铰的成型时间，提高了批量生产的效率。
橡胶层21靠金属内套1处的厚度小于橡胶层21靠金属外套3处的厚度。当对复合层结构2的橡胶层21进行预压缩时，由于外侧靠金属外套3处的橡胶层21为直接的受力面，因而其受到挤压后被压缩的量会更大，刚度变大，因此必须增加外侧橡胶的厚度来保证内侧和外侧橡胶的等应变，以提高球铰的承载能力。
金属隔板22处对应的分型面为哑铃状分型面23的中间部分，两侧橡胶处对应的分型面为哑铃状分型面的两端部分，且橡胶层21厚度大的一侧的分型面的横截面大于橡胶层21厚度小的一侧的分型面的横截面。当复合层结构2受到挤压时，金属隔板22不会产生变形，因此金属隔板22之间的空隙可以相对较小，而橡胶层21受到挤压后会产生较大的变形，需要较大的自由面来释放应力，尤其是当橡胶层21厚度大的部位需要更大的自由面来释放应力，以此提高橡胶的抗疲劳寿命。
下面是申请人对球铰进行四项刚度测试的结果：
实施例二
本实施例中，金属内套1与复合层结构2硫化粘接，复合层结构2与金属外套3之间为过盈组装，通过设置复合层结构2和金属外套3之间的过盈量来控制橡胶层的预压缩量。
实施例三
本实施例中，复合层结构2可以分为四瓣或者更多。当将复合层结构2分为四瓣时，可以先将两瓣对称硫化在金属内套1的外侧后，再与另外两瓣一起过盈压入金属外套3，这样可以实现较小的径轴刚度比；另外也可以采用这种方式实现组装的两瓣为空向结构，硫化的两瓣为实向结构，就能实现径向的空、实向功能。
同时当分瓣越多时，在设计和加工的难度上会相应增加。
从上述实施例可以看出，本发明还涉及一种无轮轴转向架用球铰的减震方法，采用在金属内套1和金属外套3之间设置分瓣式复合层结构2的方式来满足对球铰的性能要求，其中复合层结构2为在橡胶层21的内部设有金属隔板22与其硫化形成橡胶-金属-橡胶的结构，且在复合层结构2的分瓣位置处设置分型面的方式以满足径向、轴向、偏转和扭转四项刚度的需求、并降低橡胶应力。对球铰的多方面性能要求进行考虑，拓宽了球铰的使用范围，提高了其性能要求。
通过在金属内套1和金属外套3之间设置分瓣式复合层结构2、并在复合层结构2的分瓣位置处设置哑铃状分型面23的方式来保证径向刚度值在8.55-11.40 KN/mm、轴向刚度值在0.561-0.759 KN/mm、偏转刚度值在17-23 N m/o，扭转刚度值在7.88-8.12 m/o，并大幅度降低橡胶应力。目前常规的球铰通常只对径向刚度和轴向刚度中的一个或两个有要求，其扭转刚度的数值通常都是径向刚度数值的两倍以上，而本发明的使用环境则要求极大地降低扭转刚度。
根据橡胶层21的厚度对复合层结构2的橡胶层21压缩10-15%以满足径向、轴向、偏转和扭转四项刚度的需求。
设计橡胶层21靠金属内套1处的厚度小于橡胶层21靠金属外套3处的厚度实现双层等应变设计。当对复合层结构2进行预压缩时，由于外侧靠金属外套3处的橡胶层21为直接的受力面，因而其受到挤压后被压缩的量会更大，刚度变大，因此必须增加外侧橡胶的厚度来保证内侧和外侧橡胶的等应变，以提高球铰的承载能力。
设计金属隔板22处对应的分型面为哑铃状分型面23的中间部分，两侧橡胶层21处对应的分型面为哑铃状分型面23的两端部分来增加自由面释放橡胶应力，且橡胶层21厚度大的一侧的分型面的横截面大于橡胶层21厚度小的一侧的分型面的横截面实现内外侧橡胶应力等同。当复合层结构2受到挤压时，金属隔板22不会产生变形，因此金属隔板22之间的空隙可以相对较小，而橡胶层21受到挤压后会产生较大的变形，需要较大的自由面来释放应力，尤其是当橡胶层21厚度大的部位需要更大的自由面来释放应力，以此提高橡胶的抗疲劳寿命。
复合层结构硫化粘接在金属内套与金属外套之间，复合层结构的橡胶采用挤压注入的方式实现橡胶层的预压缩，采用全部硫化成型的方式一次性将球铰成型，降低了单个球铰的成型时间，提高了批量生产的效率；或者复合层结构硫化粘接在金属内套外侧后，将复合层结构过盈压装入金属外套实现橡胶层的预压缩。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。
Claims (10)
1.一种无轮轴转向架用球铰的减震方法，其特征在于：采用在金属内套（1）和金属外套（3）之间设置分瓣式复合层结构（2）的方式来满足对球铰的性能要求，其中复合层结构（2）为在橡胶层（21）的内部设有金属隔板（22）与其硫化形成橡胶-金属-橡胶的结构，并在复合层结构（2）的分瓣位置处设置分型面的方式以满足径向、轴向、偏转和扭转四项刚度的需求、并降低橡胶应力。
2.如权利要求1所述的无轮轴转向架用球铰的减震方法，其特征在于：通过在金属内套（1）和金属外套（3）之间设置分瓣式复合层结构、并在复合层结构（2）的分瓣位置处设置哑铃状分型面（23）的方式来保证径向刚度值在8.55-11.40 KN/mm、轴向刚度值在0.561-0.759 KN/mm、偏转刚度值在17-23 N m/o，扭转刚度值在6.8-9.2 N m/o，并大幅度降低橡胶应力。
3.如权利要求1所述的无轮轴转向架用球铰的减震方法，其特征在于：根据橡胶层（21）的厚度对复合层结构的橡胶层（21）压缩10-15%以满足径向、轴向、偏转和扭转四项刚度的需求；
设计橡胶层（21）靠金属内套（1）处的厚度小于橡胶层（21）靠金属外套（3）处的厚度实现双层等应变设计。
4.如权利要求1所述的无轮轴转向架用球铰的减震方法，其特征在于：设计金属隔板（22）处对应的分型面为哑铃状分型面（23）的中间部分，两侧橡胶层（21）处对应的分型面为哑铃状分型面（23）的两端部分来增加自由面释放橡胶应力，且橡胶层（21）厚度大的一侧的分型面的横截面大于橡胶层（21）厚度小的一侧的分型面的横截面实现内外侧橡胶应力等同。
5.如权利要求1所述的无轮轴转向架用球铰的减震方法，其特征在于：复合层结构（2）硫化粘接在金属内套（1）与金属外套（3）之间，复合层结构（2）的橡胶采用挤压注入的方式实现橡胶层（21）的预压缩；或者复合层结构（2）硫化粘接在金属内套（1）外侧后，将复合层结构（2）过盈压装入金属外套（3）实现橡胶层（21）的预压缩。
6.一种无轮轴转向架用球铰的结构，其特征在于：依次为内部的金属内套（1），中间的分瓣式复合层结构（2），外部 金属外套（3），其中复合层结构（2）为在橡胶层（21）的内部设置金属隔板（22）与橡胶层（21）硫化形成橡胶-金属-橡胶的结构；复合层结构（2）分为三瓣以上，且在分瓣位置处设置有分型面。
7.如权利要求6所述的无轮轴转向架用球铰的结构，其特征在于：复合层结构（2）分为三瓣，且在分瓣位置处设置有哑铃状分型面（23）。
8.如权利要求6所述的无轮轴转向架用球铰的结构，其特征在于：复合层结构（2）的橡胶压缩率为10-15%；橡胶层（21）靠金属内套（1）处的厚度小于橡胶层（21）靠金属外套（3）处的厚度。
9.如权利要求8所述的无轮轴转向架用球铰的结构，其特征在于：金属隔板（22）处对应的分型面为哑铃状分型面（23）的中间部分，两侧橡胶处对应的分型面为哑铃状分型面（23）的两端部分，且橡胶层（21）厚度大的一侧的分型面的横截面大于橡胶层（21）厚度小的一侧的分型面的横截面。
10.如权利要求6所述的无轮轴转向架用球铰的结构，其特征在于：复合层结构（2）与金属内套（1）和金属外套（3）之间均硫化粘接；或者复合层结构（2）与金属内套（1）之间硫化粘接，将复合层结构（2）与金属外套（3）之间过盈组装。
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