CN113503310B - 一种提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及弹性橡胶件减震领域，具体为一种提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，上述杆端球铰包括外套、芯轴和橡胶层，橡胶层内设有多个隔套，将相邻隔套之间的橡胶型面与隔套相结合形成内凹的抗拉伸单元，抗拉伸单元包括凹底面、位于凹底面下侧且朝向球铰外侧的第一外侧面和位于凹底面上侧且朝向球铰外侧第二外侧面，通过将凹底面设置成多弧面段组合的橡胶型面结构来提高球铰橡胶层的抗拉伸性能。

Description

一种提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，属于弹性橡胶件减震技术领域。

背景技术

杆端球铰是重要的减震连接元件，通过杆端球铰的变形来承受车体的偏扭转位移和径向载荷。杆端球铰包括芯轴、外套和橡胶层，为了增强橡胶体的径向刚度，使车体能承受更大的载荷，通常会在橡胶层中增加隔套。现有很多工况中，车体承受的偏扭载荷较大，在持续的偏扭位移中，杆端球铰容易因为拉伸过多而使得橡胶层断裂，抗拉伸性能弱。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，通过将隔套间整体内凹的抗拉伸单元的凹底面设置成多弧面段组合的橡胶型面结构来提高球铰的抗拉伸性能，在保证橡胶层大径向刚度的前提下，降低橡胶层的局部拉伸应力，增加拉伸距离，避免橡胶在承受偏扭载荷时断裂。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，上述杆端球铰包括外套、芯轴和橡胶层，橡胶层内设有多个隔套，将相邻隔套之间的橡胶型面与隔套相结合形成内凹的抗拉伸单元，抗拉伸单元包括凹底面、位于凹底面一侧且朝向球铰外侧的第一外侧面和位于凹底面相对于第一外侧面的另一侧且朝向球铰外侧第二外侧面，通过将凹底面设置成多弧面段组合的橡胶型面结构来提高球铰橡胶层的抗拉伸性能。

优选的，将多弧面段组合的橡胶型面结构设置成弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线长度设置成不小于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线长度，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线外凸弧度设置成大于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线内凹弧度。

优选的，将所述多弧面段组合的橡胶型面结构设置为三段式弧面结构，分别为弧面段一S1、弧面段二S2和弧面段三S3，弧面段一S1的弧顶朝向球铰外侧，弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶均朝向球铰内侧，弧面段一S1位于弧面段二S2和弧面段三S3之间且弧面段一S1的弧线长度不小于弧面段二S2和弧面段三S3的长度之和。

优选的，每个弧面段一S1的弧顶连线为L1，每个弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶连线为L2，将L1和L2均设置为向球铰内侧内凹的曲线，曲线L1的半径小于曲线L2的半径且曲线L1和曲线L2同圆心设置。

优选的，曲线L1和曲线L2之间的距离设置为0.5mm-2mm。

优选的，隔套包括隔套上侧面、隔套下侧面和隔套端面，隔套端面位于隔套上侧面和隔套下侧面的外侧端部并将隔套上侧面和隔套下侧面连接起来；隔套下侧面由原有的隔套弧面在靠近隔套端面位置处过渡形成直面型面的第二外侧面，弧面段三S3的上端与第二外侧面的内端相连；隔套下侧面中原有的隔套弧面和直面型面的第二外侧面的过渡点为D点，穿过D点处并与第二外侧面垂直相交的直线为T1；曲线L2与直线T1之间的距离关系是：以T1为基准线，曲线L2位于T1的±0.5mm范围内，即将弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶设置在直线T1的±0.5mm范围内。

优选的，第一外侧面为在其下方隔套上侧面上包胶后形成的橡胶型面，将弧面段二S2的下端与第一外侧面的内端相连。

优选的，靠近外套的一层隔套为外层隔套，将外套的宽度设置成小于外层隔套的宽度，且在外套和外层隔套之间硫化外层橡胶层。

优选的，将外层橡胶层设置成中部橡胶和侧部橡胶，侧部橡胶包裹在外套端面外并延伸至外层隔套的隔套上侧面上方；侧部橡胶的厚度是隔套间的橡胶层厚度的2倍以上。

优选的，球铰的橡胶层在硫化后采用冷出模方式，具体为将硫化后的球铰出模温度设置为40°-90°；通过冷出模方式保证橡胶处于冷收缩状态而降低产品出模后橡胶的收缩。

本发明的有益效果是：

1、本发明中通过将隔套间整体内凹的抗拉伸单元的凹底面设置成多弧面段组合的橡胶型面结构，当球铰承受大偏扭载荷时，通过多弧面段组合的橡胶型面结构增加拉伸距离，分散局部应力，提高球铰橡胶层的抗拉伸性能。

2、本发明中将隔套间整体内凹的抗拉伸单元的凹底面设置成三段式弧面结构，通过合理的设置三段式弧面结构的弧线长度和弧度，提高球铰的局部抗拉伸性能。

3、本发明涉及的杆端球铰在硫化成型后，采用40°-90°的冷出模方式来出模，保证橡胶层在出模时处于冷收缩状态而不会收缩太多，使三段式弧面结构设置的凹底面的三个弧面段出模后在原有的设计范围内不会收缩过多，保证球铰的抗拉伸能力。

附图说明

图1为实施例一中杆端球铰的整体结构示意图。

图2为图1中I处的的局部放大图。

图3为图2中A处的局部放大图。

图4为现有技术中常规隔套和橡胶层的示意图。

图5为本发明的实施例中取出做有限元分析的一层橡胶层（两个隔套加一层橡胶层）的示意图。

附图标记包括：外套1、芯轴2、橡胶层3、隔套4、隔套上侧面401、隔套下侧面402、隔套弧面4021、第二外侧面4022、隔套端面403、凹底面5、第一外侧面6、外层隔套7、中部橡胶801、侧部橡胶802、螺纹手柄9、弧面段一S1、弧面段二S2、弧面段三S3。

具体实施方式

下面结合附图1-5以及具体实施例来进一步阐述本发明的内容：

一种提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，上述杆端球铰包括外套1、芯轴2和橡胶层3，橡胶层3内设有多个隔套4，将相邻隔套4之间的橡胶型面与隔套4相结合形成内凹的抗拉伸单元，抗拉伸单元包括凹底面5、位于凹底面5一侧且朝向球铰外侧的第一外侧面6和位于凹底面5相对于第一外侧面的另一侧且朝向球铰外侧第二外侧面4022，通过将凹底面5设置成多弧面段组合的橡胶型面结构来提高球铰橡胶层3的抗拉伸性能。

如图1所示，以上所述的杆端球铰包括外套1、芯轴2和橡胶层3，在外套1外侧还设有螺纹手柄9，本领域技术人员也可以根据实际情况将芯轴2换成内套，或者选择不设置螺纹手柄9或设置其他形式的手柄；在橡胶层3中设有多个隔套4，多个隔套4将整个橡胶层3分成了多层；球铰外侧的相邻隔套4之间形成了内凹的抗拉伸单元，抗拉伸单元包括凹底面5、第一外侧面6和第二外侧面4022，第一外侧面6位于凹底面5下侧且朝向球铰外侧设置，第二外侧面4022位于凹底面5上侧且朝向球铰外侧设置。本实施例将凹底面5设置成多弧面段组合的橡胶型面结构，以此来提高球铰橡胶层3的抗拉伸性能。

其中，上述多弧面段组合的橡胶型面结构包括弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线长度设置成不小于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线长度，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线外凸弧度设置成大于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线内凹弧度。

多弧面段组合的橡胶型面结构包括弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段，弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段均可为多个，多个弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段共同组成抗拉伸单元的凹底面5。若朝向球铰内侧的弧面段过长或者内凹弧度过大，则凹底面5向球铰内侧内凹空间较大，橡胶层3不能较好的对球铰进行径向支撑，将大大降低球铰的径向刚度；若朝向球铰外侧的弧面段过短或者外凸弧度过小，则朝向球铰外侧的弧面段向外凸出较少，当球铰在承受大偏扭载荷的工况下时，朝向球铰外侧的弧面段的拉伸距离短，朝向球铰外侧的弧面段的抗疲劳性能差，朝向球铰外侧的弧面段将很容易断裂褶皱；将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线长度设置成不小于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线长度，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线外凸弧度设置成大于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线内凹弧度，因此可以在保证球铰抗拉伸能力的同时，还能最大程度的增大球铰的径向刚度。

其中，将所述多弧面段组合的橡胶型面结构设置为三段式弧面结构，分别为弧面段一S1、弧面段二S2和弧面段三S3，弧面段一S1的弧顶朝向球铰外侧，弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶均朝向球铰内侧，弧面段一S1位于弧面段二S2和弧面段三S3之间且弧面段一S1的弧线长度不小于弧面段二S2和弧面段三S3的长度之和。

如图3所示，本实施例将多弧面段组合的橡胶型面结构设置成三段式弧面结构，包括两个弧顶朝向球铰内侧的弧面段二S2、弧面段三S3和一个弧顶朝向球铰外侧的弧面段一S1，弧面段一S1位于弧面段二S2和弧面段三S3之间，弧面段一S1的上端与弧面段三S3的下端连接过渡，弧面段一S1的下端与弧面段二S2的上端连接过渡；将弧面段一S1的弧线长度设置成不小于弧面段二S2和弧面段三S3的长度之和，因此弧面段二S2和弧面段三S3不会朝向球铰内侧内凹过多而影响球铰的径向刚度，弧面段一S1也不会朝向球铰外侧凸出过少而减少弧面段一S1的拉伸距离而影响球铰的抗拉伸性能。当球铰承受偏扭载荷时，弧面段二S2、弧面段三S1和弧面段三S3依次被拉伸。

其中，每个弧面段一S1的弧顶连线为L1，每个弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶连线为L2，将L1和L2均设置为向球铰内侧内凹的曲线，曲线L1的半径小于曲线L2的半径且曲线L1和曲线L2同圆心设置。

如图2所示，曲线L1为隔套4间朝向球铰外侧凸出的弧面段一S1的弧顶的连线，曲线L1整体朝向球铰内侧内凹；曲线L2为隔套4间朝向球铰内侧内凹的弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶的连线，曲线L1也整体朝向球铰内侧内凹，因此整个球铰的外端成如图1中H线所示的“反括号型”，当球铰承受大偏扭载荷时，“反括号型”的结构可以增加整个球铰的拉伸距离而从整体上提高球铰的抗拉伸性能。曲线L1的半径小于曲线L2的半径，曲线L1和曲线L2同圆心设置，因此在相同偏转角度的情况下，偏转力相对较小，橡胶型面不容易断裂，且球铰会更灵活并易偏转。

其中，曲线L1和曲线L2之间的距离设置为0.5mm-2mm。如果曲线L1和曲线L2之间的距离过大，有两种情况，第一种是朝向球铰内侧内凹的弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶内凹过多，会减小橡胶层3的面积，降低球铰的径向刚度；第二种情况是朝向球铰外侧凸出的弧面段一S1的弧顶外凸过大，一方面会使得抗拉伸单元的整体内凹空间变小，降低球铰承受载荷时橡胶的释放空间，引起橡胶堆积，同时弧面段一S1由于外凸过多也容易在承受偏扭载荷时弧顶处直接被拉断。因此将曲线L1和曲线L2之间的距离设置为0.5mm-2mm时，球铰既能保证径向载荷承受能力，又能提高球铰的抗拉伸性能。

其中，隔套4包括隔套上侧面401、隔套下侧面402和隔套端面403，隔套端面403位于隔套上侧面401和隔套下侧面402的外侧端部并将隔套上侧面401和隔套下侧面402连接起来；隔套下侧面402由原有的隔套弧面4021在靠近隔套端面403位置处过渡形成直面型面的第二外侧面4022，弧面段三S3的上端与第二外侧面4022的内端相连；隔套下侧面402中原有的隔套弧面4021和直面型面的第二外侧面4022的过渡点为D点，穿过D点处并与第二外侧面4022垂直相交的直线为T1；曲线L2与直线T1之间的距离关系是：以T1为基准线，曲线L2位于T1的±0.5mm范围内，即将弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶设置在直线T1的±0.5mm范围内。

如图2和图3所示，隔套4包括隔套上侧面401、隔套下侧面402和隔套端面403，隔套端面403位于隔套上侧面401和隔套下侧面402的外侧端部，隔套端面403将隔套上侧面401和隔套下侧面402连接起来。隔套上侧面401和隔套下侧面402均为弧形结构，且隔套下侧面402在靠近隔套4端部的位置由原有的弧形型面的隔套弧面4021过渡形成直面型面的第二外侧面4022，第二外侧面4022的内端与弧面段三S3的上端连接，第二外侧面4022的外端与隔套端面403的下端连接。第二外侧面4022为隔套4型面，第二外侧面4022为直面型面，用于产品在硫化时对隔套4进行径向定位，防止隔套4在模具中窜动，保证硫化效果，第二外侧面4022上硫化时不包胶，但是在产品硫化后第二外侧面4022上仍会有薄层包胶的橡胶层3，用以保护隔套4，第二外侧面4022的内端与弧面段三S3的上端连接，即硫化后，橡胶型面的弧面段S3的上端会延伸至第二外侧面4022内端处，且第二外侧面4022、弧面段三S3、弧面段三S1、弧面段二S2和第一外侧面6共同形成整体朝向球铰内侧内凹的抗拉伸单元。如图3所示，隔套下侧面402中原有的隔套弧面4021和直面型面的第二外侧面4022的过渡点为D点，穿过D点处并与第二外侧面4022垂直相交的直线为T1，直线T1靠近球铰内侧的部分刚度最强；为了在增加球铰抗拉伸性能的同时保证球铰的径向刚度，使得弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶朝向球铰内侧内凸保证拉伸距离，但不会内凸过多降低径向刚度，曲线L2与直线T1之间的距离关系是：以T1为基准线，曲线L2位于T1的±0.5mm范围内，即将弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶设置在直线T1的±0.5mm范围内。

其中，第一外侧面6为其下方隔套上侧面401包胶后形成的橡胶型面，弧面段二S2的下端与第一外侧面6的内端相连。隔套上侧面401上也进行包胶，可以保护隔套不被腐蚀。

其中，靠近外套1的一层隔套4为外层隔套7，将外套1的宽度设置成小于外层隔套7的宽度，且在外套1和外层隔套7之间硫化外层橡胶层3。外套1的宽度小于隔套4的宽度，因此外层隔套7在装模时可以顺利放入模具中，不会与外套1相互干涉；还能增加球铰的径向刚度。

其中，外层橡胶层3包括中部橡胶801和侧部橡胶802，侧部橡胶802包裹在外套端面外并延伸至外层隔套7的隔套上侧面401上方；侧部橡胶802的厚度是隔套4间的橡胶层3厚度的2倍以上。如图1和图2所示，外套端面外侧包裹设置了侧部橡胶802，可大大提高外套1和外层橡胶之间的刚度，防止局部应力导致橡胶变形；当球铰承受大偏扭载荷时，侧部橡胶802能提高橡胶层的应力释放空间，降低球铰的偏扭转刚度。

其中，球铰的橡胶层3在硫化后采用冷出模方式，具体为将硫化后的球铰出模温度设置为40°-90°；通过冷出模方式保证橡胶处于冷收缩状态而降低产品出模后橡胶的收缩。在产品硫化完后，若采用常温出模，则出模温度通常是130度左右，所硫化的橡胶温度较高出模后热收缩，橡胶收缩率较大，弧面段一S1、弧面段S2和弧面段S3均有可能由于收缩过多而影响球铰的抗拉伸性能；本实施例里的产品采用冷出模方式，并将出模温度控制在40°-90°范围内，则在出模后橡胶冷收缩，弧面段一S1、弧面段S2和弧面段S3的收缩率小，可保证抗拉伸性能。

图4为现有常规的杆端球铰隔套4和橡胶层3，发明人将本实施例中杆端球铰取一层橡胶层3(包括两个隔套4和两个隔套4之间的橡胶层3)和现有技术的杆端球铰取一层橡胶层3(包括两个隔套4和两个隔套4之间的橡胶层3)在相同的径向拉伸位移下，对其做有限元分析，得出结论如下表所示：

	现有技术	本实施例	优化量
				橡胶应变	1.647	1.352	17.91%
拉伸变形量	4.59	3.65	20.48%

由上可知，在相同的径向拉伸位移下，本实施例的杆端球铰的拉伸变形量与现有技术中杆端球铰的拉伸变形量相比降低了20.48%，橡胶应变降低了17.91%，有效的提高了本方案这种薄层橡胶的拉伸寿命。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明内容的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，所述杆端球铰包括外套（1）、芯轴（2）和橡胶层（3），橡胶层（3）内设有多个隔套（4），其特征在于，将相邻隔套（4）之间的橡胶型面与隔套（4）相结合形成内凹的抗拉伸单元，抗拉伸单元包括凹底面（5）、位于凹底面（5）一侧且朝向球铰外侧的第一外侧面（6）和位于凹底面（5）相对于第一外侧面（6）的另一侧且朝向球铰外侧第二外侧面（4022），通过将凹底面（5）设置成多弧面段组合的橡胶型面结构来提高球铰橡胶层（3）的抗拉伸性能；

将多弧面段组合的橡胶型面结构设置成弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线长度设置成不小于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线长度，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线外凸弧度设置成大于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线内凹弧度；

将所述多弧面段组合的橡胶型面结构设置为三段式弧面结构，分别为弧面段一S1、弧面段二S2和弧面段三S3，弧面段一S1的弧顶朝向球铰外侧，弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶均朝向球铰内侧，弧面段一S1位于弧面段二S2和弧面段三S3之间且弧面段一S1的弧线长度不小于弧面段二S2和弧面段三S3的弧线长度之和；

每个弧面段一S1的弧顶连线为L1，每个弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶连线为L2，将L1和L2均设置为向球铰内侧内凹的曲线，曲线L1的半径小于曲线L2的半径且曲线L1和曲线L2同圆心设置；

将所述曲线L1和曲线L2之间的距离设置为0.5mm-2mm。

2.根据权利要求1所述的提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，其特征在于，在隔套（4）上设置隔套上侧面（401）、隔套下侧面（402）和隔套端面（403），隔套端面（403）位于隔套上侧面（401）和隔套下侧面（402）的外侧端部并将隔套上侧面（401）和隔套下侧面（402）连接起来；隔套下侧面（402）由原有的隔套弧面（4021）在靠近隔套端面（403）位置处过渡形成直面型面的第二外侧面（4022），弧面段三S3的上端与第二外侧面（4022）的内端相连；隔套下侧面（402）中原有的隔套弧面（4021）和直面型面的第二外侧面（4022）的过渡点为D点，穿过D点处并与第二外侧面（4022）垂直相交的直线为T1；曲线L2与直线T1之间的距离关系是：以T1为基准线，曲线L2位于T1的±0.5mm范围内，即将弧面段二S2和弧面段三S3的弧顶设置在直线T1的±0.5mm范围内。

3.根据权利要求2所述的提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，其特征在于，第一外侧面（6）为在其下方隔套上侧面（401）上包胶后形成的橡胶型面，将弧面段二S2的下端与第一外侧面（6）的内端相连。

4.根据权利要求3所述的提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，其特征在于，靠近外套（1）的一层隔套（4）为外层隔套（7），将外套（1）的宽度设置成小于外层隔套（7）的宽度，且在外套（1）和外层隔套（7）之间硫化外层橡胶层（3）。

5.根据权利要求4所述的提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，其特征在于，在外层橡胶层（3）上设置中部橡胶（801）和侧部橡胶（802），侧部橡胶（802）包裹在外套端面外并延伸至外层隔套（7）的隔套上侧面（401）上方；侧部橡胶（802）的厚度是隔套（4）间的橡胶层（3）厚度的2倍以上。

6.根据权利要求5所述的提高杆端球铰的橡胶层抗拉伸性能的方法，其特征在于，所述球铰的橡胶层（3）在硫化后采用冷出模方式，具体为将硫化后的球铰出模温度设置为40°-90°；通过冷出模方式保证橡胶处于冷收缩状态而降低产品出模后橡胶的收缩。

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