CN110375026B - 一种变刚度沙漏簧及变刚度方法 - Google Patents

Abstract

一种变刚度沙漏簧，包括橡胶体和支撑杆，橡胶体开有垂向贯通橡胶体的空腔，支撑杆嵌在橡胶体的中部，上端板嵌在橡胶体的上端，支撑杆两侧的橡胶体的外侧都开有外侧内凹孔，外侧内凹孔包括内凹弧面和平直面，且平直面设在靠近支撑杆的一侧，内凹弧面设在远离支撑杆的一侧；内凹弧面为向橡胶体内部凹陷的弧面，且内凹弧面的一端与平直面的一端连接。通过将沙漏簧的橡胶体设置成类似蝙蝠翅膀的多段弧线组成的橡体，实现不同垂向载荷工况下分段圆弧逐渐接触，从而实现产品垂向的变刚度。有效提高了产品垂向刚度非线性，提高了产品垂向承载能力，提高产品在较大垂向载荷工况的可靠性。

Description

一种变刚度沙漏簧及变刚度方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，具体涉及一种二系悬挂系统的橡胶弹簧的变刚度。

背景技术

沙漏型橡胶弹簧简称沙漏簧，具有结构简单，质量轻，垂向、横向、纵向形变大的特点，逐渐用于城轨车辆二系悬挂系统。垂向大工况载荷条件下，由于车辆在轨道上运行，会伴随着各种振动和冲击，现有的沙漏簧垂向承载能力不足，在大载荷下沙漏簧刚度增加较平缓，也就是缺少变刚度，产品易损坏产生裂纹。

虽然可以在现有的沙漏簧的橡胶体中增加一些横向分布的金属体来增加沙漏簧的垂向刚度，但这一样来，沙漏簧的垂向缓冲和减振的性能会大幅度降低，会影响乘客乘车的舒适度。因此，如何让沙漏簧在不降低垂向缓冲和减振的性能，以及不大幅度改变沙漏簧尺寸的前提下，大幅度提高沙漏簧的垂向刚度，还需进一步研究。

通过国内检索发现以下专利与本发明有相似之处：

申请号为CN201020266478.6，名称为“一种二系悬挂的橡胶弹簧”的实用新型公开了一种二系悬挂橡胶弹簧，由上金属止挡、下金属止挡与沙漏式橡胶硫化体组装而成。橡胶硫化体由上下两块端板、中间支撑金属组件和橡胶硫化粘结而成：橡胶硫化体形状成中间直径小，两端直径大的沙漏式结构，两端成喇叭型；橡胶硫化体的两端内设有上端板和下端板，上端板和下端板为环形，且包容于橡胶硫化体内；中间支撑金属组件采用圆筒型金属管与环形金属板焊接而成，并与橡胶硫化体硫化在一起，中间支撑金属组件位于弹簧的中间部位。在橡胶硫化体两端头设有上金属止挡和下金属止挡，上金属止挡和下金属止挡为相同结构，上下对称布置。通过沙漏式结构和金属止挡，提高弹簧的垂向和横向刚度，垂向对弹簧起限位作用，又对弹簧的横向位移不发生干涉。

上述专利虽然公开的也是一种沙漏簧，虽然这种沙漏簧也能提供较大的垂向形变，缓冲和减振的性能还不错。但其在结构上缺少变刚度，在大载荷下橡胶体易出现疲劳，从而产生裂纹。本发明的沙漏簧是申请号为CN201020266478.6的专利产品的改进，能通过改变橡胶体的结构，增加沙漏簧的变刚度，从而增大了产品在满载工况下的垂向刚度，有效提高了产品的承载能力。改善了产品在大载荷工况下的疲劳性能，显著提高了产品的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何让沙漏簧在不降低垂向缓冲和减振的性能，以及不大幅度改变沙漏簧尺寸的前提下，大幅度提高沙漏簧的垂向刚度，减少沙漏簧的损坏，提高沙漏簧的可靠性，延长沙漏簧的使用寿命。

针以上述问题，本发明提出的技术方案是：一种变刚度沙漏簧，包括橡胶体和支撑杆，橡胶体开有垂向贯通橡胶体的空腔，支撑杆嵌在橡胶体的中部，上端板嵌在橡胶体的上端，支撑杆两侧的橡胶体的外侧都开有外侧内凹孔，外侧内凹孔包括内凹弧面和平直面，且平直面设在靠近支撑杆的一侧，内凹弧面设在远离支撑杆的一侧；内凹弧面为向橡胶体内部凹陷的弧面，且内凹弧面的一端与平直面的一端连接。

进一步地，外侧内凹孔的两侧的橡胶体上都设有外侧内凹圆弧面，外侧内凹圆弧面为向橡胶体内部凹陷的弧面，且外侧内凹圆弧面的一端与内凹弧面的一端连接。

进一步地，橡胶体的顶部设有上端面，橡胶体的内侧设有内侧内凹圆弧面，内侧内凹圆弧面为向橡胶体内部凹陷的弧面，且内侧内凹圆弧面的一端与上端面的一端连接。

进一步地，橡胶体的内侧还设有内侧外凸圆弧面，内侧外凸圆弧面为向橡胶体外部凸起的弧面，内侧外凸圆弧面的一端与内侧内凹圆弧面连接，内侧外凸圆弧面的另一端与支撑杆连接。

进一步地，支撑杆包括支撑柄和支撑端部，支撑柄与支撑端部无缝连接成一个整体，支撑柄全部嵌在橡胶体中；支撑端部的一端伸出橡胶体，支撑端部的另一端嵌在橡胶体中，支撑端部嵌在橡胶体一端具有两个拐角，且所述的两个拐角都进行了倒圆角。

进一步地，橡胶体的下端设有支脚，支脚包括支撑体和橡胶外套，支撑体的上端嵌在橡胶体的下端中，支撑体的其余部分伸出橡胶体的下端，橡胶外套套在伸出橡胶体的支撑体上。

一种沙漏簧的变刚度方法，在橡胶体上开垂向贯通橡胶体的空腔，并将支撑杆嵌在橡胶体的中部，还在支撑杆两侧的橡胶体的外侧开外侧内凹孔，沙漏簧在承受载荷时外侧内凹孔会收缩；当沙漏簧承受的载荷增大时外侧内凹孔会逐渐闭合，当沙漏簧承受的载荷使支撑杆两侧的外侧内凹孔都完全闭合时，橡胶体的形变受到支撑杆的阻挡，沙漏簧产生变刚度。

进一步地，在橡胶体的内侧设置内侧外凸圆弧面，在内侧外凸圆弧面的两侧设置内侧内凹圆弧面，在内侧内凹圆弧面的外侧还设有安装底座；当沙漏簧承受的载荷增大使橡胶体两端的内侧内凹圆弧面贴合在安装底座上时，橡胶体的形变受到安装底座的阻挡，沙漏簧产生变刚度。

进一步地，当沙漏簧承受的载荷增大时，橡胶体两端的内侧内凹圆弧面都是以滚动的方式逐渐向安装底座贴合，且此时内侧外凸圆弧面会向橡胶体的内侧膨胀。

进一步地，通过调节外侧内凹孔的高度和内凹圆弧面的高度，能调节沙漏簧产生变刚度时所承受的载荷的大小。

本发明的优点是：通过将沙漏簧的橡胶体设置成类似蝙蝠翅膀的多段弧线组成的橡体，实现不同垂向载荷工况下分段圆弧逐渐接触，从而实现产品垂向的变刚度。有效提高了产品垂向刚度非线性，提高了产品垂向承载能力，提高产品在较大垂向载荷工况的可靠性。

附图说明

图1为实施例一的整体结构剖视示意图；

图2为图1中D区域的局部放大图；

图3为实施例一中沙漏簧在大载荷下产生的形变的剖视示意图；

图4为实施例一中沙漏簧的垂向刚度曲线图。

图中：1橡胶体、11外侧内凹孔、111内凹弧面、112平直面、12外侧内凹圆弧面、13内侧内凹圆弧面、14内侧外凸圆弧面、15上端面、2支撑杆、21支撑柄、22支撑端部、3支脚、31支撑体、32橡胶外套、4上端板。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的描述：

实施例一

如图1所示，沙漏簧包括橡胶体1、支撑杆2、支脚3和上端板4，橡胶体1上开有垂向贯通橡胶体1的空腔，支撑杆2以横向分布的方式嵌在橡胶体1的中部。支撑杆2两侧的橡胶体1的外侧都开有外侧内凹孔11，外侧内凹孔11的两侧的橡胶体1上都设有外侧内凹圆弧面12。而橡胶体1的内侧设有内侧内凹圆弧面13和内侧外凸圆弧面14，上端面15嵌在橡胶体1的顶部，，橡胶体1的下端设有支脚3。

沙漏簧的橡胶体1的顶部和底部都还设有安装底座，安装底座在图中未画出，沙漏簧的橡胶体1受到载荷挤压时，安装底座会与橡胶体1的顶部和底部贴合，并使橡胶体1产生形变。由于橡胶体1在外侧内凹孔11与内侧内凹圆弧面13处进行了挖空，因此这两处的橡胶体1产生形变的幅度会较大。随着载荷的增加或车辆行驶时振动产生的冲击，外侧内凹孔11会向中部收缩，内侧内凹圆弧面13会向安装底座贴合，这个过程中刚度变化是较平缓的，不会产生变刚度。

如图3所示，当车辆的载荷接近或达到极限载荷时，橡胶体1在大载荷的挤压下，外侧内凹孔11会完全闭合，内侧内凹圆弧面13会完全与安装底座贴合。此时，橡胶体1受到的形变受到支撑杆2和安装底座和阻挡，橡胶体1的形状难以产生进一步的形变，沙漏簧产生变刚度。此时，沙漏簧的刚度会出现突增，从而使沙漏簧能在大载荷下仍能正常工作，从而提高沙漏簧的可靠性，延长沙漏簧的使用寿命。

如图1和图2所示，为了让车辆在空载和一般载荷下有良好的垂向缓冲和减振的性能，而在大载荷下出现变刚度，减少沙漏簧的损坏。本实施例的具体结构为：外侧内凹孔11包括内凹弧面111和平直面112，且平直面112设在靠近支撑杆2的一侧，内凹弧面111设在远离支撑杆2的一侧.内凹弧面111为向橡胶体1内部凹陷的弧面，且内凹弧面111的一端与平直面112的一端连接。外侧内凹圆弧面12为向橡胶体1内部凹陷的弧面，且外侧内凹圆弧面12的一端与内凹弧面111的一端连接。

内侧内凹圆弧面13为向橡胶体1内部凹陷的弧面，且内侧内凹圆弧面13的一端与上端面15的一端连接。内侧外凸圆弧面14为向橡胶体1外部凸起的弧面，内侧外凸圆弧面14的一端与内侧内凹圆弧面13连接，内侧外凸圆弧面14的另一端与支撑杆2连接。支撑杆2包括支撑柄21和支撑端部22，支撑柄21与支撑端部22无缝连接成一个整体，支撑柄21全部嵌在橡胶体1中。支撑端部22的一端伸出橡胶体1，支撑端部22的另一端嵌在橡胶体1中，支撑端部22嵌在橡胶体1一端具有两个拐角，且所述的两个拐角都进行了倒圆角。支脚3包括支撑体31和橡胶外套32，支撑体31的上端嵌在橡胶体1的下端中，支撑体31的其余部分伸出橡胶体1的下端，橡胶外套32套在伸出橡胶体1的支撑体31上。

如图1至图3所示，本实施例中，将外侧内凹孔11的高度设为A, 内侧内凹圆弧面13的高度设为C，外侧内凹圆弧面12底部到内侧内凹圆弧面13底部的高度设为B。通过调节外侧内凹孔11的高度A和内侧内凹圆弧面13的高度C，能调节沙漏簧产生变刚度时所承受的载荷的大小。具体说来就是：在橡胶体1的高度不变的情况下，增加外侧内凹孔11的高度A和内侧内凹圆弧面13的高度C，沙漏簧会在承受较大的载荷下才会产生变刚度。而减小外侧内凹孔11的高度A和内侧内凹圆弧面13的高度C，沙漏簧会在承受相对较小的载荷时就会产生变刚度。而调节外侧内凹圆弧面12底部到内侧内凹圆弧面13底部的高度B，以及外侧内凹圆弧面12的深度主要是会影响沙漏簧的整体刚度。

如图4所示，本实施例中，产生了2次变刚度，第一次变刚度是在载荷为37KN左右时产生的，第二次变刚度是在载荷为50KN左右时产生的。由于本实施例中内侧内凹圆弧面13的高度C小于外侧内凹孔11的高度A，因此，第一次变刚度是在内侧内凹圆弧面13完全与安装底座贴合时产生的，第二次变刚度是在外侧内凹孔11完全闭合，内凹弧面111和平直面112贴合在一起时产生的。如果由于车辆的车型不同，行驶过程中所承受的载荷不同，需要将车辆产生第一次变刚度的载荷出现在42KN，将车辆产生第二次变刚度的载荷出现在60KN，则需要增加外侧内凹孔11的高度A和内侧内凹圆弧面13的高度C。

本实施例中，橡胶体1的两侧是指横向方向上的，而支撑杆2和外侧内凹孔11的两侧是指垂向方向上的。平直面112的垂向截面为平直的线段，内凹弧面111、外侧内凹圆弧面12、内侧内凹圆弧面13和内侧外凸圆弧面14的垂向截面都是一段向橡胶体1内部凹陷或向橡胶体1外部凸起的圆弧。另外，为防止橡胶体1形变时产生折皱和应力集中，橡胶体1上各个面交界的地方都进行了倒圆角。

很显然，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出的若干改进或修饰都应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种变刚度沙漏簧，包括橡胶体（1）和支撑杆（2），橡胶体（1）开有垂向贯通橡胶体（1）的空腔，支撑杆（2）嵌在橡胶体（1）的中部，上端板（4）嵌在橡胶体（1）的上端，其特征在于，支撑杆（2）包括支撑柄（21）和支撑端部（22），支撑柄（21）与支撑端部（22）无缝连接成一个整体，支撑柄（21）全部嵌在橡胶体（1）中，支撑端部（22）的一端伸出橡胶体（1），支撑端部（22）的另一端嵌在橡胶体（1中）；支撑杆（2）两侧的橡胶体（1）的外侧都开有外侧内凹孔（11），外侧内凹孔（11）包括内凹弧面（111）和平直面（112），且平直面（112）设在靠近支撑杆（2）的一侧，内凹弧面（111）设在远离支撑杆（2）的一侧；内凹弧面（111）为向橡胶体（1）内部凹陷的弧面，且内凹弧面（111）的一端与平直面（112）的一端连接；外侧内凹孔（11）的两侧的橡胶体（1）上都设有外侧内凹圆弧面（12），外侧内凹圆弧面（12）为向橡胶体（1）内部凹陷的弧面，且外侧内凹圆弧面（12）的一端与内凹弧面（111）的一端连接；橡胶体（1）的顶部设有上端面（15），橡胶体（1）的内侧设有内侧内凹圆弧面（13），内侧内凹圆弧面（13）为向橡胶体（1）内部凹陷的弧面，且内侧内凹圆弧面（13）的一端与上端面（15）的一端连接。

2.根据权利要求1所述一种变刚度沙漏簧，其特征在于，橡胶体（1）的内侧还设有内侧外凸圆弧面（14），内侧外凸圆弧面（14）为向橡胶体（1）外部凸起的弧面，内侧外凸圆弧面（14）的一端与内侧内凹圆弧面（13）连接，内侧外凸圆弧面（14）的另一端与支撑杆（2）连接。

3.根据权利要求2所述一种变刚度沙漏簧，其特征在于，支撑杆（2）包括支撑柄（21）和支撑端部（22），支撑柄（21）与支撑端部（22）无缝连接成一个整体，支撑柄（21）全部嵌在橡胶体（1）中；支撑端部（22）的一端伸出橡胶体（1），支撑端部（22）的另一端嵌在橡胶体（1）中，支撑端部（22）嵌在橡胶体（1）一端具有两个拐角，且所述的两个拐角都进行了倒圆角。

4.根据权利要求1所述一种变刚度沙漏簧，其特征在于，橡胶体（1）的下端设有支脚（3），支脚（3）包括支撑体（31）和橡胶外套（32），支撑体（31）的上端嵌在橡胶体（1）的下端中，支撑体（31）的其余部分伸出橡胶体（1）的下端，橡胶外套（32）套在伸出橡胶体（1）的支撑体（31）上。

5.一种沙漏簧的变刚度方法，在橡胶体（1）上开垂向贯通橡胶体（1）的空腔，并将支撑杆（2）嵌在橡胶体（1）的中部，其特征在于，还在支撑杆（2）两侧的橡胶体（1）的外侧开外侧内凹孔（11），沙漏簧在承受载荷时外侧内凹孔（11）会收缩；当沙漏簧承受的载荷增大时外侧内凹孔（11）会逐渐闭合，当沙漏簧承受的载荷使支撑杆（2）两侧的外侧内凹孔（11）都完全闭合时，橡胶体（1）的形变受到支撑杆（2）的阻挡，沙漏簧产生变刚度；在橡胶体（1）的内侧设置内侧外凸圆弧面（14），在内侧外凸圆弧面（14）的两侧设置内侧内凹圆弧面（13），在内侧内凹圆弧面（13）的外侧还设有安装底座；当沙漏簧承受的载荷增大使橡胶体（1）两端的内侧内凹圆弧面（13）贴合在安装底座上时，橡胶体（1）的形变受到安装底座的阻挡，沙漏簧产生变刚度。

6.根据权利要求5所述一种沙漏簧的变刚度方法，其特征在于，当沙漏簧承受的载荷增大时，橡胶体（1）两端的内侧内凹圆弧面（13）都是以滚动的方式逐渐向安装底座贴合，且此时内侧外凸圆弧面（14）会向橡胶体（1）的内侧膨胀。

7.根据权利要求5或6所述一种沙漏簧的变刚度方法，其特征在于，通过调节外侧内凹孔（11）的高度和内侧内凹圆弧面（13）的高度，能调节沙漏簧产生变刚度时所承受的载荷的大小。

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