CN110345151B - 一种封闭式空心芯轴及应用该芯轴的减振球铰 - Google Patents

Abstract

本发明属于球铰产品技术领域，具体提供一种封闭式空心芯轴及应用该芯轴的减振球铰。芯轴包括芯轴主体，芯轴主体内部为空心结构，芯轴主体两端设有密闭所述空心结构的连接结构；以封闭式空心芯轴为基架，在芯轴与外套之间硫化一层橡胶得到减振球铰。本发明的封闭式空心芯轴，在保证结构强度性能要求的同时，实现了芯轴/球铰的轻量化，同时，球铰使用材料减少，降低了材料成本，综合降低了产品制造成本。在将芯轴制备球铰过程中，本发明空心芯轴相比于实心结构导热速度更快，可节省硫化工艺中的预热工序。本发明的减振球铰能提高汽车底盘件或悬置系统的轻量化、安全性，具有巨大的经济效应的社会效应。

Description

一种封闭式空心芯轴及应用该芯轴的减振球铰

技术领域

本发明属于球铰产品技术领域，更具体的，涉及一种封闭式空心芯轴及应用该芯轴的减振球铰。

背景技术

随着节能环保越来越成为社会广泛关注的话题，节能、减排和轻量化也在汽车领域备受重视，汽车的轻量化在提高汽车操纵性、可靠性、安全性和节能性等方面有着非凡的意义。在当今日益激烈的汽车市场环境中，各大主机厂对汽车轻量化的研究越来越多，要求也越来越高，尤其在汽车底盘件、悬置系统上的要求更加明显。

减振球铰作为汽车底盘和悬置系统中一个常用零部件，为一种橡胶金属结构的产品，多用于系统总成的连接位置，起到柔性连接以缓冲载荷冲击的作用，如图1所示，市面上常用的减振球铰结构形式是在金属芯轴上硫化橡胶及外套得到成品，再将成品压装到系统件中。传递到减振球铰上的载荷可能是沿着径向的、轴向的、偏转的或扭转的，尤其是径向载荷是主要的。

近些年，对减振球铰的轻量化和低成本的研究越来越多，但效果都不佳。由于减振球铰主体一般采用金属芯轴，减振球铰的轻量化可以从制备芯轴的金属材料的选择进行入手，一些研究将金属材料替换成铝/镁合金或其它轻量金属，但是轻量化与强度性能均达标的轻量金属芯轴并不满足人们对低成本的要求；一些研究将金属材料替换成塑料材料，但制备得到的芯轴静刚度不足，在同样的载荷下，得到的芯轴疲劳性能低，无法满足实际需求。

如图2所示，为与减振球铰作用相似的衬套类产品，一些专家想通过该衬套类产品结构来改进球铰及安装方式，该衬套产品的芯轴为空心结构，具体为两端开口的管材结构，但与此同时，需要有一根销轴穿过空心芯轴才能与系统部件连接，并且需要螺栓将销轴与系统部件固定，这种结构从本质上并没有实现芯轴和球铰轻量化的需求。

综上，需设计一种轻量化减振球铰，使其能在满足球铰使用及成本要求的前提下，尽可能的降低减振球铰的重量，达到减振球铰轻量化的要求是急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种设有封闭式空心结构的芯轴，在满足强度性能和低成本的前提下减轻重量，进而实现芯轴轻量化。

本发明的另一目的在于提供一种应用封闭式空心芯轴的减振球铰。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种封闭式空心芯轴，所述芯轴包括芯轴主体，所述芯轴主体为两端开口的空心结构，所述芯轴主体两端设有密闭所述空心结构的连接结构。

本发明将芯轴主体设置成空心结构，芯轴主体两端是连接结构，得到封闭的空心球铰，同时保证结构强度性能要求，实现球铰的轻量化。为保证连接结构的强度，连接结构优选为实心结构。

优选地，所述芯轴主体芯轴主体长度占芯轴整体长度的30％～50％，优选为40％。

优选地，所述芯轴主体外表面向内偏移一定厚度形成内部空心结构轮廓，所述厚度占芯轴主体横切面最大长度的5～20％，进一步优选为6～12％。

优选地，所述芯轴主体的外表面向内偏移一定厚度形成内部空心结构轮廓，外表面每处所述偏移厚度相同。

优选地，所述芯轴主体的外表面向内偏移，形成厚度渐变的内部空心结构。参考芯轴应力分布，芯轴主体中部受力小，两端受力大，优选地将所述芯轴主体厚度的变化规律为中部薄两端厚。所述厚度变化部位表现为在空心结构轮廓上形成过渡曲面。

当芯轴主体为等壁厚时，其内部空心轮廓结构与外表面是相同的；当鼓形空心结构为变壁厚结构时，内部空心轮廓结构相当于外表面结构向内偏移一定的厚度形成，该偏移厚度以一定的规律进行变化，在偏移厚度变化部位形成的内部空心轮廓为光滑的过渡曲面。

本发明所述芯轴主体的形状可根据使用情况进行设置。

优选地，本发明芯轴主体设置为圆筒结构。

优选地，为提高球铰的疲劳性能，本发明所述芯轴主体设置为鼓形空心结构。

优选地，所述连接结构为扁方结构。

进一步优选地，所述芯轴主体及与所述芯轴主体相连的连接结构的接触部分均为回转体结构。

优选地，所述连接结构上设有紧固装置，所述紧固装置被设置为将减振球铰固定在系统部件上。

进一步优选地，所述紧固装置为连接结构上的螺栓孔及与螺栓孔相适配的螺栓，扁方结构两边的平面结构更有利于螺栓和螺母的平面接触和锁紧。

优选地，本发明所述芯轴主体和连接结构为两个独立的零件，连接结构与芯轴主体两端通过摩擦焊工艺或其他工艺固定连接，将不同的芯轴主体和同一种连接结构组合使用，即可得到不同性能的空心芯轴，芯轴主体两端的连接结构主要起连接作用。本发明芯轴主体的空心结构的不同，会得到不同性能的减振球铰。实际使用中，可以按照需求选择芯轴主体和连接结构的组合，对于装配空间相同的系统，减振球铰的连接结构可以相同。将不同的芯轴主体和同一种连接结构组合使用，即可得到不同性能的空心芯轴。因此，本发明的芯轴和减振球铰的实用性强，经济效益显著。

优选地，本发明芯轴主体可通过将管材经过充压镦形成型、内高压成型或旋压成型工艺得到；或者通过棒材机加工成型得到，本发明连接结构为棒材机加工成型、锻造或者铸造成型，再通过摩擦焊、手工焊等常见焊接工艺将芯轴主体与两端的连接结构焊接成一体得到芯轴。

其中，在芯轴主体的各种加工工艺中，冲压镦形工艺对直径变化梯度较大的空心结构，能够满足设计要求的等壁厚或变壁厚；内高压成型工艺成型方便，节约材料，对中空结构件的加工工艺比较成熟稳定；旋压成型模具简单，模具制造成本低，工艺精度、强度较高；机加工成型工艺精度高，可实现度高，易于制备成型。

在连接结构的加工工艺中，锻造成型工艺简单，组织性能呈流线型；铸造成型工艺价格低、产量大。

或者，优选地，本发明由芯轴主体和连接结构组成的芯轴可通过管材充压镦形一体成型得到。

优选地，本发明芯轴不使用一体成型工艺时，其存在接合面，该接合面可为芯轴主体与连接结构的连接面；可为芯轴的任意横切面或者轴切面，进一步优选为对称横切面或者轴切面。

优选地，本发明所述空心结构内设有贯穿空心结构的芯棒，进一步优选地，所述芯棒延空心结构轴向方向设置。本发明芯轴内部为空心结构，在该空心结构的基础上，设置一根贯穿空心结构的中部芯棒，可增加其承载能力。

进一步优选地，芯棒为圆柱形结构。

本发明还提供一种减振球铰，包括上述空心芯轴、外套和硫化在芯轴与外套之间的弹性材料层。优选所述弹性材料为橡胶材料。

优选地，所述减振球铰的成型过程包括以下步骤：

S1.前处理：将芯轴和外套各自与弹性材料结合的表面刷上涂料，置于模具中；

S2.预热：将模具预热至120～200℃；

S3.硫化：将弹性材料注射到模具中，保压压力140～200MPa，保压10～30min；

S4.出模：打开模具，取出产品；

S5.冷却：冷却至室温得到成品。

相比现有技术，本发明有益效果如下：

(1)本发明的封闭式空心芯轴将芯轴主体设置成空心结构，芯轴主体两端是实心的连接结构，得到封闭的空心芯轴，在保证结构强度性能要求的同时，降低了材料成本，在综合降低了产品制造成本的同时，实现了轻量化。

(2)本发明芯轴/球铰主体结构为空心结构，主要以实现轻量化的同时保证使用强度为目的，芯轴主体两端连接结构主要起连接作用，如不使用一体成型工艺制备芯轴，芯轴的芯轴主体和连接结构可分开为两个独立的零件，能够实现组合或借用，降低了开发成本和管理成本。使用一体成型工艺制备得到的芯轴则具备更好的疲劳性能，同时成本更低。

(3)本发明芯轴为空心结构，相比于实心结构导热速度更快，在制备减振球铰时可节省硫化工艺中的预热工序。

(4)本发明的封闭式空心芯轴应用于减振球铰，能提高汽车底盘件或悬置系统的轻量化、安全性，具有巨大的经济效益和社会效应。

附图说明

图1为背景技术现有球铰的结构示意图。

图2为背景技术空心衬套的结构示意图。

图3为本发明实施例1芯轴立体图。

图4为本发明实施例1芯轴主视剖面图。

图5为本发明实施例1芯轴拆分俯视剖面图。

图6为本发明实施例1芯轴主体结构图。

图7为本发明实施例1连接结构结构图。

图8为本发明实施例2芯轴结构图。

图9为本发明实施例3减振球铰结构图。

图10为本发明实施例5仿真建模模型示意图。

图11为本发明实施例5球铰刚度应力分布图。

图12为本发明实施例5球铰变形应力分布图。

图13为本发明实施例5球铰径向应力分布图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

参见图3～7，本实施例提供一种封闭式空心芯轴，包括芯轴主体4，该芯轴主体4为两端开口的空心结构7，芯轴主体4两端设有密闭上述空心结构7的连接结构5。本实施例中，空心芯轴的长度为167mm，芯轴主体长度为62mm。

本实施例中，芯轴主体4为等壁厚的鼓形空心结构，连接结构5为扁方结构，芯轴主体4两端通过常用的焊接工艺(如摩擦焊或者手工焊等，本实施例采用摩擦焊焊接)与连接结构焊接成一体，芯轴主体4的鼓形结构为回转体结构，连接结构5上与芯轴主体4焊接固定的部位也为回转体结构，两个回转体结构直径相同，本实施例中回转体结构的直径为33mm。

本实施例中，芯轴主体4外表面向内偏移一定厚度形成内部空心结构7轮廓，内部空心轮廓结构与外表面是相同的，本实施例中芯轴主体4外表面直径为62mm，芯轴主体壁厚为5mm。

本实施例中，芯轴主体4的空心结构7采用管材成型，能够采用的工艺方法为内高压成型、旋压成型、充压镦形等，也可以用棒材机加工成型。连接结构采用锻造或铸造成型制备得到。

本实施例中，连接结构5上设有螺栓孔6，螺栓孔直径为19mm，另配有与之相适配的螺栓(未示出)和螺母(未示出)，用于为将减振球铰固定在系统部件上。

本实施例中，芯轴材料为40Cr，可用其它高强钢替代，如42CrMo，也可替换为普通碳素结构钢，如45#钢。

实施例2

参见图8，本实施例提供一种封闭式空心芯轴，包括芯轴主体，芯轴主体为两端开口的空心结构，芯轴主体两端设有密闭上述空心结构的连接结构。

本实施例中，芯轴主体为等壁厚的圆筒结构，其内部空心结构为圆柱结构，连接结构为扁方结构，芯轴主体两端通过常用的焊接工艺(如摩擦焊或者手工焊等)与扁方结构焊接成一体，扁方结构与芯轴主体焊接的部位为回转体，接合处两边回转体结构直径相同。

本实施例中，连接结构上设有螺栓孔，另配有与之相适配的螺栓(未示出)和螺母(未示出)，用于为将减振球铰固定在系统部件上。

实施例3

参见图9，本实施例提供一种减振球铰，包括实施例1中的芯轴1，外套3和硫化在外套3与芯轴1之间的橡胶层2。

本实施例中减振球铰的成型过程包括以下步骤：

S1.前处理：将金属芯轴1和外套3各自与橡胶层2结合的表面刷上涂料，置于模具中；

S2.预热：将模具预热至160℃；

S3.硫化：橡胶注射到模具中，保压压力170MPa，保压时间为15min；

S4.出模：打开模具，取出产品；

S5.冷却：冷却至室温得到成品。

实施例4

本实施例提供一种减振球铰，该减振球铰中芯轴的芯轴主体为实心，其空心结构内沿轴向方向设有贯穿空心结构的中部芯棒(直径23mm)，其它结构与实施例3中减振球铰的结构相同。

实施例5

本实施例提供一种减振球铰，该减振球铰中芯轴的芯轴主体为空心，厚度为4mm，空心结构内沿轴向方向设有贯穿空心结构的中部芯棒(直径23mm)，其它结构与实施例3中减振球铰的结构相同。

对比例1

本实施例提供一种减振球铰，该减振球铰中芯轴的芯轴主体为实心，其它结构与实施例3中减振球铰的结构相同。

实施例6

本实施例提供实施例3～5与对比例1的仿真建模分析，具体包括以下步骤：

Y1.建模：根据实施例3～5与对比例1的球铰数据生成4个球铰的仿真分析模型，如图10所示，分别设为a、b、c、d，其中：a对应对比例1，为实心球铰结构；b对应实施例4，为空心芯轴结构，厚度5mm，中部芯棒直径23mm；c对应实施例3，为空心芯轴结构，空心，厚度5mm；d对应实施例5，为空心芯轴结构，厚度4mm，中部芯棒直径23mm。

Y2.芯轴负载测试：本实施例测试过程中，以实心球铰为参照计算常规工况下的刚度和强度，固定芯轴两端，对芯轴中部径向加载100KN，分别得球铰刚度应力分布图(参见图11)、变形应力分布图(参见图12)和径向应力分布图(参见图13)。

Y3.据上述结果计算得到表1，表1为球铰性能参数表，其中：a、b、c、d分别对应对比例1、实施例4、实施例3和实施例5。

表1

减振球铰的轻量化要求在满足强度性能和成本的前提下减轻重量，满足强度性能在此表现为承受荷载在球铰的屈服极限下，保持球铰的正常使用及使用寿命。本实施例通过对4种球铰结构和受载荷分布特点进行分析，其中：分析对比例1可以发现受载状态下实心金属芯轴球铰的力学模型为简支梁，力学表现为两端固定中部受力，即：芯轴中部外表面相对于内部的应力较大，内部对承受载荷的贡献量很小。本发明将芯轴主体内部设置为空心结构，芯轴主体的重量占整个芯轴的50％左右，芯轴主体的重量越轻，整个芯轴的重量越轻，实施例3～5中，芯轴主体两端为实心连接的扁方结构，芯轴主体设置为空心结构后得到的是封闭的空心球铰，差异在于：其中实施例3中空心结构内没有设置芯棒，实施例4和实施例5沿轴向方向设有芯棒，由此带来的效果：增加芯棒提升轴向受荷载能力，但与此同时质量增加，不利于球铰轻量化。根据上述仿真测试，实施例3～5中球铰在100KN中部径向荷载下，都在保证了结构强度性能的要求的前提下实现了球铰的轻量化，其中，没有设置中部芯棒的实施例3中的芯轴减重更是达到39％。

本发明的减振球铰将芯轴主体设置成空心结构，芯轴主体两端是实心的连接结构，得到封闭的空心芯轴和减振球铰，在保证结构强度性能要求的同时，降低了材料成本，在综合降低了产品制造成本的同时，实现了轻量化，具有巨大的经济效益和社会效应。

以上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，均应包含在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种封闭式空心芯轴，所述芯轴包括芯轴主体，其特征在于，所述芯轴主体为两端开口的空心结构，所述芯轴主体两端设有密闭所述空心结构的连接结构；所述芯轴主体的外表面向内偏移，形成厚度渐变的内部空心结构，所述厚度的变化规律为中部薄两端厚；所述芯轴主体为鼓形结构；所述空心结构设有贯穿空心结构的芯棒；所述芯棒沿空心结构轴向方向设置。

2.根据权利要求1所述的封闭式空心芯轴，其特征在于，所述芯轴主体的外表面向内偏移一定厚度形成内部空心结构轮廓，外表面每处所述偏移厚度相同。

3.根据权利要求1所述的封闭式空心芯轴，其特征在于，所述连接结构为扁方结构。

4.根据权利要求1所述的封闭式空心芯轴，其特征在于，所述芯轴主体及与所述芯轴主体相连的连接结构的接触部分均为回转体结构。

5.根据权利要求1所述的封闭式空心芯轴，其特征在于，所述连接结构上设有紧固装置，所述紧固装置被设置为将芯轴固定在系统部件上。

6.一种应用权利要求1~5任一项所述芯轴的减振球铰，其特征在于，包括芯轴、外套和硫化粘结在芯轴与外套之间的弹性材料层；

所述减振球铰的成型过程包括以下步骤：

S1.前处理：将芯轴和外套各自与弹性材料结合的表面刷上涂料，置于模具中；

S2.预热：将模具预热至120~200℃；

S3.硫化： 将弹性材料注射到模具中，保压压力140~200 MPa，保压10~30min；

S4.出模：打开模具，取出产品；

S5.冷却：冷却至室温得到成品。