CN113550995B - 一种杆端球铰的隔套设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及弹性橡胶件减震领域，具体为一种杆端球铰的隔套设计方法，杆端球铰包括外套、芯轴和橡胶层，在橡胶层内设有隔套，在隔套上设置隔套上侧面、隔套下侧面和隔套端面，将隔套端面的一端与隔套上侧面连接，隔套端面相对于隔套上侧面的另一端与隔套下侧面连接，在隔套端面与隔套上侧面之间形成尖部B1，通过隔套上侧面和隔套端面之间的尖部B1与模具形成点接触，利用尖部B1与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位，降低对隔套公差的要求。

Description

一种杆端球铰的隔套设计方法

技术领域

本发明涉及一种杆端球铰的隔套设计方法，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，多用于火车、高铁、汽车、轮船或飞机上，当机体承受径向、扭转和偏转等复杂载荷工况时，通过杆端球铰的变形来承受偏扭转角度和径向载荷，防止机体在运行时侧翻。目前的杆端球铰一般采用金属外套-单层橡胶层-金属内套的单层橡胶关节形式或者纯金属关节形式；单层橡胶关节径向刚度小，仅能承受较小的径向载荷，抗偏扭载荷能力较差，由于橡胶层是一体式结构，偏扭刚度大，灵活性小，极容易造成杆端球铰的破坏；纯金属关节形式价格昂贵，在使用一年以后，常大面积出现异响现象，且无法从对金属关节的改进中改善异响问题。

针对上述问题，现有技术中出现了多层橡胶结构，如专利号为“CN201120260433.2 ”，专利名称为“一种高速列车扭杆系统用连杆关节”的中国实用新型专利，包括一个金属内套、金属外套、弹性橡胶体和金属隔套，弹性橡胶体与金属外套、金属内套和金属隔套通过硫化成为一体。其特点在于：金属外套为球头式结构，隔套为球面结构且分为两瓣，每层的两瓣隔套所形成的开口与水平面成45°夹角，并且每相邻两层隔套的开口交叉布置并成90°夹角；弹性橡胶体通过热扩挤金属内套内孔的方式对弹性橡胶体进行预压缩，该实用新型使得球铰类弹性元件的偏扭转刚度很低，安装和径向刚度的调整方便，同时解决了球头式球铰类产品无法对弹性橡胶体进行预压缩的问题。但是该专利仍然存在如下问题：

1、隔套端面为常规结构，由于空间限制，多层橡胶结构中隔套的厚度通常非常小，导致隔套极易变形，在模具中难以稳定定位，进而使得成品中各层隔套分布不均，影响抗疲劳性能，产品寿命无法得到保证。

2、现有的设计，当承受的径向载荷较大时，由于受力角度的问题，仍然容易出现产品抗疲劳性能差，产品损坏的问题。

针对上述隔套在模具中难以稳定定位的问题，现有技术中，多将隔套端部设置成如图1中虚线D右侧的矩形端部C的形式，隔套端部和模具之间采用矩形端部C中上端面7、下端面10和侧端面8三个面与模具进行面接触定位形式，该种方式对模具和金属隔套之间的精度要求非常高，隔套的容差性差，产品成本高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种杆端球铰的隔套设计方法，通过在隔套端部设置尖部，可增加隔套的容差性，降低对隔套公差的要求，且能在硫化过程中利用尖部与模具进行点接触对隔套进行轴向定位。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种杆端球铰的隔套设计方法，杆端球铰包括外套、芯轴和橡胶层，在橡胶层内设有隔套，在隔套上设置隔套上侧面、隔套下侧面和隔套端面，将隔套端面的一端与隔套上侧面连接，隔套端面相对于隔套上侧面的另一端与隔套下侧面连接，在隔套端面与隔套上侧面之间形成尖部B1，通过隔套上侧面和隔套端面之间的尖部B1与模具形成点接触，利用尖部B1与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位，降低对隔套公差的要求。

优选的，将隔套上侧面设置成弧面，隔套端面设置成平行于球铰垂直中轴线L3的直面，隔套上侧面与隔套端面的交点处形成尖部B1，利用尖部B1与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位。

优选的，将隔套上侧面设置成弧面，隔套端面朝向球铰内侧倾斜设置，隔套上侧面和隔套端面的交点处形成尖部B1，利用尖部B1与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位。

优选的，将隔套下侧面靠近隔套端面的位置设置成水平直线型面形成隔套下侧面直面，隔套下侧面分成隔套下侧面弧面和隔套下侧面直面，隔套端面相对于隔套上侧面的另一端与隔套下侧面直面连接，利用隔套下侧面直面与模具进行线接触在硫化过程中对隔套进行径向定位保证硫化效果。

优选的，外套、芯轴和隔套同球心设置。

优选的，隔套包括分瓣设置的奇数层隔套和偶数层隔套，每层隔套对称分成多瓣，每两瓣之间形成开口，奇数层隔套的开口和偶数层隔套的开口错开分布。

优选的，每层隔套平均分成两瓣，奇数层隔套开口的连线为直线L1,偶数层隔套的开口为直线L2，直线L1和直线L2交叉于球铰的中心点并对称分布于垂直中轴线L3的侧方；直线L1与直线L2以垂直中轴线L3为基准±10°-85°交错摆放。

优选的，直线L1与直线L2以垂直中轴线L3为基准±60°交错摆放。

优选的，每两瓣之间开口的宽度为0.5mm-4mm。

优选的，隔套的层数根据球铰的载荷设置，具体为6层以上。可增大球铰的径向刚度。

本发明的有益效果如下：

1、隔套上侧面与隔套端面之间形成尖部，利用尖部与模具配合对隔套进行轴向定位

1）工艺加工过程中，先要把隔套放入模具固定，定位好之后再进行硫化，将隔套上侧面设置成弧面，隔套端面设置成平行于球铰垂直中轴线L3的直面，隔套上侧面与隔套端面的交点处形成尖部B1，尖部B1可在模具中对隔套进行轴向定位；或将隔套端面倾斜设置，从而倾斜设置的隔套端面与隔套上侧面的交点处形成尖部B1，尖部B1可在模具中对隔套进行轴向定位。其中尖部B1与模具是点接触的，相对于面接触的形式，首先点接触能使隔套在轴向上定位得更稳定，不会在模具中晃动，能保证硫化效果；其次如果隔套端部与模具是线接触的，会导致隔套与模具接触的位置与隔套紧密贴合而无法包胶，而在产品使用中，隔套端部与外界接触较多，如果此处没有包胶，产品极容易在使用过程中被腐蚀和磨损，会降低隔套的使用寿命。

2）由于球铰橡胶层中的隔套通常很薄，加工工艺难度极大，加工出来的隔套的大小、长度、厚度等参数会存在一定的公差，而模具的大小是一定的；当加工出来的隔套太长时，很可能导致隔套无法放进模具内，导致已经加工出来的隔套变成废品，造成资源浪费，加大生产成本；而在隔套端部上设置尖部，采用尖部定位，在模具的总长度一定的情况下，隔套的容差性更好，对隔套的公差要求相对较小，偏长的隔套仍然可以放入模具中，可以减小隔套生产的工艺难度，减少资源浪费。

2、通过隔套的水平直线型面的隔套下侧面直面与模具进行线接触，使得在硫化过程中隔套下侧面直面可以对隔套进行径向定位，防止硫化过程中隔套在模具中移动，影响硫化效果。

3、本方案中隔套分瓣设置，且每两瓣之间形成开口，奇数层隔套的开口和偶数层隔套的开口错开分布

1）实际工作中，球铰内隔套的开口处是承受载荷时的薄弱点，本方案中奇数层隔套和偶数层隔套间的开口错开设置，则每一层隔套的薄弱点在不同的位置，不会出现绝对薄弱点，从而球铰在径向疲劳下寿命会更长；

2）球铰在硫化成型时，为了使橡胶能自由流动，通常需单独加工艺孔，本方案在相邻隔套间错开设置开口，一方面使得不再需要单独加工艺孔，简化了操作工艺；另一方面还能让橡胶在硫化成型时更好的流动，进而更好的成型。

4、本方案将奇数层隔套的开口设置在同一条直线上，偶数层隔套的开口也设置在同一条直线上，奇数层隔套连线L1和偶数层隔套连线L2交叉于球铰的中心点并对称分布于垂直中轴线L3的侧方，能将主承载方向与开口处错开，主承载方向不会产生偏载，极大的增大了球铰的径向刚度。

5、本方案设置的隔套开口大小适当，既能在硫化过程中保证橡胶能顺利流动，又能避免产品工作中应力集中，造成断裂等产品损坏现象。

附图说明

图1为背景技术中隔套端部的示意图。

图2的实施例一的正视示意图。

图3为的图2的侧视示意图。

图4为图3中I处的局部放大图。

图5为图4中A处的局部放大图。

图6为实施例一中球铰在硫化前隔套在模具中定位的局部示意图。

图7为实施例二中如图3中所示I处的局部放大图。

图8为图7中所示A处的局部放大图。

图9为实施例二中球铰在硫化前隔套在模具中定位的局部示意图。

附图标记包括：橡胶层1、奇数层隔套2.1、偶数层隔套2.2、隔套端面2.5、隔套上侧面2.6、隔套下侧面2.7、下侧面弧面2.7.1、下侧面直面2.7.2、尖部B1、外套3、芯轴4、杆部5、端面橡胶6、开口K、上端面7、侧端面8、模具9、下端面10。

具体实施方式

下面结合附图1-9对本发明的实施例做详细说明：

实施例一

本实施例如附图2-6所示，一种杆端球铰的隔套设计方法，上述杆端球铰包括外套3、芯轴4、橡胶层1和杆部5，橡胶层1位于外套3和芯轴4之间，外套上设有杆部5，杆部5为螺纹手柄。如图3所示，在橡胶层1内设置了多层隔套，多层隔套将橡胶层1分为多层结构；如图2和图5所示，在隔套上设置了隔套上侧面2.6、隔套下侧面2.7和隔套端面2.5，将隔套端面2.5的一端与隔套上侧面2.6连接，隔套端面2.5相对于隔套上侧面2.6的另一端与隔套下侧面2.7连接，将隔套上侧面2.6设置成弧面，隔套端面2.5设置成平行于球铰垂直中轴线L3的直面，隔套上侧面2.6与隔套端面2.5的交点处形成尖部B1，利用尖部B1与模具9进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位，降低对隔套公差的要求。

尖部B1与模具9是点接触的，相对于面接触的形式，点接触能使隔套在轴向上定位得更稳定，不会在模具9中晃动，能保证硫化效果；另外如果隔套端部2.5与模具9是线接触的，会导致隔套与模具9接触的位置与隔套紧密贴合而无法包胶，而在实际使用中，隔套端部2.5与外界接触较多，如果此处没有包胶，产品极容易在使用过程中被腐蚀和磨损，会降低隔套的使用寿命，而本方案中隔套端部2.5与模具9是点接触的，不会影响隔套端面2.5的包胶，隔套端面2.5在硫化后仍能形成端面橡胶6，可增强产品的防腐性，增加产品的使用寿命。

隔套通过尖部B1与模具9接触，还可以提高隔套的容差性，降低对隔套公差的要求，减小隔套加工的工艺难度，当加工出来的隔套有公差时，隔套仍然能放入模具9中进行硫化。

其中，将隔套下侧面2.7靠近隔套端面2.5的位置设置成水平直线型面形成隔套下侧面直面2.7.2，隔套下侧面2.7分成隔套下侧面弧面2.7.1和隔套下侧面直面2.7.2，隔套端面2.5相对于隔套上侧面2.6的另一端与隔套下侧面直面2.7.2连接，利用隔套下侧面直面2.7.2与模具9进行线接触在硫化过程中对隔套进行径向定位保证硫化效果。如图5所示，隔套下侧面直面2.7.2设置成水平直面，在硫化过程中，隔套下侧面直面2.7.2与模具9进行线接触对隔套进行径向定位，可防止硫化过程中隔套在模具9中移动，影响硫化效果。

如图6所示，在硫化前将隔套放入模具9中时，通过隔套下侧面直面2.7.2与模具9进行线接触实现径向定位，利用隔套上侧面2.6与隔套端面2.5的交点所形成的尖部B1对隔套进行轴向定位，防止隔套硫化时在模具9中晃动。同时，隔套通过尖部B1与模具9进行点接触定位，不会影响隔套端面2.5的包胶。

其中，外套3、芯轴4和隔套同球心设置。外套3、芯轴4和隔套均同球心，可以保证大径向刚度，增加承受偏扭载荷时的灵活性。

其中，如图2所示，隔套包括分瓣设置的奇数层隔套2.1和偶数层隔套2.2，每层隔套对称分成多瓣，每两瓣之间形成开口K，奇数层隔套2.1的开口K和偶数层隔套2.2的开口K错开分布。实际工作中，球铰内隔套的开口K处是承受载荷时的薄弱点，将奇数层隔套2.1和偶数层隔套2.2间的开口K错开设置，则每一层隔套的薄弱点在不同的位置，不会出现绝对薄弱点，从而球铰在径向疲劳下寿命会更长；球铰在硫化成型时，为了使橡胶能自由流动，通常需单独加工艺孔，本实施例在相邻隔套间错开设置开口K，一方面使得不再需要单独加工艺孔，简化了操作工艺；另一方面还能让橡胶在硫化成型时更好的流动，进而更好的成型。

其中，如图2所示，每层隔套平均分成两瓣，奇数层隔套2.1的开口K的连线为直线L1,偶数层隔套2.2的开口K的连线为直线L2，直线L1和直线L2交叉于球铰的中心点并对称分布于垂直中轴线L3的侧方；直线L1与直线L2以垂直中轴线L3为基准±10°-85°交错摆放。第一，如果隔套的开口K杂乱无章的设置，则球铰各个方向受力不同，在工作过程中有偏载的风险，且整个球铰看上去极不美观，本实施例将奇数层隔套2.1的开口K设置在同一条直线上，偶数层隔套2.2的开口K也设置在同一条直线上，能将主承载方向与开口K处错开，主承载方向不会产生偏载，极大的增大了球铰的径向刚度。第二，为了保证球铰的径向刚度，隔套开口K的位置要避开主承载方向，如图2所示，球铰的主承载方向在杆部5处且主要在垂直中轴线L3上，直线L1和直线L2交叉于球铰的中心点并对称分布于垂直中轴线L3的侧方，能避开主承载方向。如果直线L1与直线L2朝向杆部5的夹角β低于10°时，当球铰在主承载方向受力时，由于夹角β过小，开口K处受力较大且较频繁，开口K处的橡胶极容易断裂；而如果直线L1与直线L2朝向杆部5的夹角β大于85°时，当球铰在主承载方向受力时，容易造成橡胶堆积。第三，零开口K的整体式隔套，装模难度高，加工难度极大，成本高昂。但若将隔套分成三瓣或三瓣以上，即在一个隔套上设置多个开口K，第一球铰硫化过程中各个零散的隔片难以在模具中定位，第二每一瓣隔套的形状区别不大，一个隔套分成太多瓣，将造成管理混乱，工人在操作过程中容易引起混装；第三开口K越多，径向刚度下降的越严重，隔套断裂的风险大；第四在径向疲劳过程中，隔片的位置有可能会移动，隔套的瓣数越多，每一瓣受力能力越低，移动的角度越大，将导致整个球铰的使用寿命降低。本方案在每个隔套上设置两个开口K，将一个隔套分成两瓣，既能避免上述问题，又能保证球铰的大径向刚度。

其中，如图2所示，直线L1与直线L2以垂直中轴线L3为基准±60°交错摆放。根据发明人反复试验发现，当一个球体结构等分成3份时，每份是120°，则每一个120°方向的中部受力最好；因此本实施例里将直线L1与直线L2以垂直中轴线L3为基准±60°交错摆放，即直线L1与直线L2朝向杆部5的夹角β为60°，直线L1与直线L2之间的夹角为120°，球铰的主承载方向在L3上，即主承载方向在120°方向的中部，此时受力最好。

其中，每两瓣之间开口K的宽度为0.5mm-4mm。隔套开口K的宽度若低于0.5mm，由于开口K缝隙太小，硫化过程中不利于橡胶自由流动，难以成型；隔套开口K的宽度若大于4mm，不利于应力集中，将降低球铰的径向刚度，且容易造成隔套移动和断裂。隔套间开口K的宽度优选为2mm。经过发明人反复测试，当隔套开口K宽度为2mm时，相对于其他开口K宽度疲劳效果最优，可达到径向刚度，偏扭刚度均承受200万次疲劳强度。

其中，隔套的层数根据球铰的载荷设置，具体为6层以上。橡胶层1内设有隔套，隔套为5层以上，即将橡胶层1分为6层以上，本实施例的隔套一共为8层，将橡胶层1分隔成了9层，9层设计的橡胶层1，增加了球铰的径向刚度，使得球铰能承受较大的径向载荷。

实施例二

本实施例如附图7-9所示，实施例二与实施例一的不同之处在于：隔套为9层，即将橡胶层1分成了10层；将隔套上侧面2.6设置成弧面，隔套端面2.5朝向球铰内侧倾斜设置，隔套上侧面2.6和隔套端面2.5的交点处形成尖部B1，利用尖部B1与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位；倾斜设置的隔套端面2.5与隔套上侧面2.6的交点B1与模具9进行点接触定位。

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 (10)

1.一种杆端球铰的隔套设计方法，所述杆端球铰包括外套（3）、芯轴（4）和橡胶层（1），其特征在于，在橡胶层（1）内设置隔套，在隔套上设置隔套上侧面（2.6）、隔套下侧面（2.7）和隔套端面（2.5），将隔套端面（2.5）的一端与隔套上侧面（2.6）连接，隔套端面（2.5）相对于隔套上侧面（2.6）的另一端与隔套下侧面（2.7）连接，在隔套端面（2.5）与隔套上侧面（2.6）之间形成尖部B1，通过隔套上侧面（2.6）和隔套端面（2.5）之间的尖部B1与模具形成点接触，利用尖部B1与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位，降低对隔套公差的要求。

2.根据权利要求1所述杆端球铰的隔套设计方法，其特征在于，将隔套上侧面（2.6）设置成弧面，隔套端面（2.5）设置成平行于球铰垂直中轴线L3的直面，隔套上侧面（2.6）与隔套端面（2.5）的交点处形成尖部B1，利用尖部B1与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位。

3.根据权利要求1所述杆端球铰的隔套设计方法，其特征在于，将隔套上侧面（2.6）设置成弧面，隔套端面（2.5）朝向球铰内侧倾斜设置，隔套上侧面（2.6）和隔套端面（2.5）的交点处形成尖部B1，利用尖部B1与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位。

4.根据权利要求2或3中任一项所述杆端球铰的隔套设计方法，其特征在于，将隔套下侧面（2.7）靠近隔套端面（2.5）的位置设置成水平直线型面形成隔套下侧面直面（2.7.2），隔套下侧面（2.7）分成隔套下侧面弧面（2.7.1）和隔套下侧面直面（2.7.2），隔套端面（2.5）相对于隔套上侧面（2.6）的另一端与隔套下侧面直面（2.7.2）连接，利用隔套下侧面直面（2.7.2）与模具进行线接触在硫化过程中对隔套进行径向定位保证硫化效果。

5.根据权利要求4所述杆端球铰的隔套设计方法，其特征于，所述外套（3）、芯轴（4）和隔套同球心设置。

6.根据权利要求5所述杆端球铰的隔套设计方法，其特征在于，所述隔套包括分瓣设置的奇数层隔套（2.1）和偶数层隔套（2.2），每层隔套对称分成多瓣，每两瓣之间形成开口K，奇数层隔套（2.1）的开口K和偶数层隔套（2.2）的开口K错开分布。

7.根据权利要求6所述杆端球铰的隔套设计方法，其特征在于，每层隔套平均分成两瓣，奇数层隔套（2.1）的开口K的连线为直线L1,偶数层隔套（2.2）的开口K的连线为直线L2，直线L1和直线L2交叉于球铰的中心点并对称分布于垂直中轴线L3的侧方；直线L1与直线L2以垂直中轴线L3为基准±10°-85°交错摆放。

8.根据权利要求7所述杆端球铰的隔套设计方法，其特征在于，直线L1与直线L2以垂直中轴线L3为基准±60°交错摆放。

9.根据权利要求8所述杆端球铰的隔套设计方法，其特征在于，每两瓣之间开口K的宽度为0.5mm-4mm。

10.根据权利要求9所述的隔套设计方法，其特征在于，所述隔套的层数根据球铰的载荷设置，具体为6层以上。

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