CN113623312A - 一种新型橡胶球铰 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型橡胶球铰，包括芯轴，套在芯轴外、外套和在芯轴与外套之间通过硫化与芯轴和外套粘接的橡胶层，在芯轴上侧和下侧的橡胶层中，有对称设置的橡胶空腔；在橡胶空腔中设有刚度大于橡胶体的支撑体，支撑体的外侧安装在外套上，支撑体的内侧与芯轴之间具有万向偏转结构，支撑体四周与橡胶空腔内壁之间有偏移间隙；工况下，支撑体能够在芯轴与外套之间提供刚度大于橡胶体的径向支撑，同时，通过万向偏转结构使外套能够使外套绕橡胶球铰中心作任意方向的偏扭转。新型橡胶球铰径向刚度显著提高，显著增强了抗侧滚扭杆在抑制列车车厢侧滚时反应的及时性和有效性。同时，新型橡胶球铰偏扭转刚度大大降低，有利于延长橡胶球铰的使用寿命。

Description

一种新型橡胶球铰

技术领域

本发明涉及列车抗侧滚扭杆上使用的一种新型橡胶球铰，属于球铰技术领域。

背景技术

列车上抗侧滚扭杆的垂向拉杆的上下两端均要使用球铰。

金属橡胶球铰可以提供的偏扭转角度大、偏扭转刚度小，但产品容易产生异响、产品寿命短、成本高。

橡胶球铰制造成本低、不易产生异响。但是，现有用于抗侧滚扭杆的橡胶球铰都是通过硫化形成实心橡胶填充，即在金属芯轴与金属外套之间采用橡胶实心硫化。这种橡胶球铰相对于列车抗侧滚而言，其特点是径向刚度偏小，偏扭转刚度偏大，极限偏扭转角度偏小。

径向刚度偏小，不能及时、足量地向拉杆和扭转臂传导拉力或推力，导致车厢抗侧滚的反应滞后，车厢侧滚在初始状态不能得到及时有效的抑制。

偏扭转刚度偏大，极限偏扭转角度偏小的不利后果就是影响到橡胶球铰的使用寿命。抗侧滚扭杆工作时，拉杆要发生角度变化，带动球铰外套绕芯轴发生偏转或扭转，外套与芯轴之间的实心橡胶体使得这种偏转或扭转的刚度很大。某些工况下，这种偏转或扭转的角度要超过15°，外套与芯轴之间的橡胶体长期、反复地大角度强力扭转势必导致橡胶体疲劳以及橡胶体与硫化件之间裂损，从而缩短橡胶球铰的使用寿命。

为解决径向刚度偏小的问题，业内曾采取在橡胶层内加设多层金属隔套一起硫化的方式，使橡胶球铰的径向刚度显著增强，但这样一来，偏扭转刚度偏大和极限偏扭转角度偏小的问题不但没有得到解决，反而比纯橡胶填充支撑的橡胶球铰更加严重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何同时增大径向刚度，减低偏扭转刚度及在低偏扭转刚度时相应加大偏扭转角度的问题。

针对上述问题，本发明提出的技术方案是：

一种新型橡胶球铰，包括芯轴，套在芯轴外的与芯轴共轴心线的外套，在芯轴与外套之间通过硫化分别与芯轴和外套粘接的橡胶层，在芯轴上侧和下侧的橡胶层中，有对称设置的橡胶空腔；在橡胶空腔中设有刚度大于橡胶体的支撑体，所述支撑体的外侧安装在外套上，支撑体的内侧与芯轴之间具有万向偏转结构，支撑体四周与橡胶空腔内壁之间有偏移间隙；工况下，支撑体能够在芯轴与外套之间提供刚度大于橡胶体的径向支撑，同时，通过万向偏转结构使外套能够使外套绕橡胶球铰中心作任意方向的偏扭转。

进一步地，所述芯轴上侧的橡胶空腔与下侧的橡胶空腔之间的橡胶层为两个在芯轴前后对称的橡胶实心体，在橡胶空腔的左右两侧是对称设置的橡胶侧壁；在不遭受载荷冲击的情形下，芯轴外的外套受橡胶实心体和橡胶侧壁支撑与芯轴保持共轴心线的状态。

进一步地，所述芯轴位于橡胶球铰中心区域的部分为球形的芯轴球，芯轴球具有露于橡胶空腔的球面；所述支撑体内侧具有与球面对应的凹球面，凹球面能够在球面上作任意方向的偏转滑移。

进一步地，所述芯轴球露于橡胶空腔的球面上刷敷有耐磨耗的涂层，并形成光滑的外球面；所述凹球面的球半径大于外球面的球半径。

进一步地，所述支撑体包括内侧的曲面滑块和位于曲面滑块外侧的与曲面滑块连接的衬块，所述衬块为刚性体，曲面滑块为刚度大于橡胶刚度的由复合材料制作的弹性体；所述凹球面为曲面滑块的内侧面。

进一步地，所述衬块的内侧具有按橡胶球铰周向开设的T形槽，所述曲面滑块外侧具有与T形槽相配合的T形嵌脚，通过T形嵌脚嵌入T形槽实现述曲面滑块与衬块之间的刚性连接；所述凹球面的球半径与外球面的球半径的差小于0.1mm。

进一步地，所述凹球面的球半径与外球面的球半径的差为0.1mm—0.3mm。

进一步地，所述曲面滑块与衬块之间设置有圆顶形的橡胶夹层，橡胶夹层通过硫化分别与曲面滑块衬块连接；所述橡胶夹层的顶部的厚度大于橡胶夹层的边缘的厚度。

进一步地，所述所述橡胶夹层的顶部的厚度为0.4—0.6mm，所述橡胶夹层的边缘的厚度为0.2—0.3mm。

进一步地，外套在橡胶空腔部位开设有径向安装口，所述径向安装口内侧设有止口台；所述衬块外侧具有与衬块一体成型的弧形盖板，所述弧形盖板的厚度与径向安装口至止口台的深度相等；所述加大径向刚度的结构还包括紧固套；所述弧形盖板的内侧边缘压在径向安装口内侧设置的止口台上，所述弧形盖板的外周面与外套的外周面在同一圆弧面上，所述紧固套以过盈配合方式套在外套及弧形盖板的外周；所述凹球面与外球面之间具有0.1—0.3mm的间距。

有益效果：

1、新型橡胶球铰径向刚度显著提高，显著增强了抗侧滚扭杆在抑制列车车厢侧滚时反应的及时性和有效性。

2、新型橡胶球铰偏扭转刚度大大降低，也相应加大了偏扭转角度，能够有效避免外套与芯轴之间的橡胶体因长期、反复地大角度强力扭转所导致的橡胶体疲劳以及橡胶体与硫化件之间裂损，从而保证橡胶球铰的使用寿命。

附图说明

图1为实施例一所述橡胶球铰的内窥立体示意图，图中采用互相垂直相交的三个截面展示橡胶空腔内的结构；

图2为实施例一所述橡胶球铰的内窥立体示意图，图中采用互相垂直相交的两个截面展示橡胶空腔内的结构；

图3为实施例一所述橡胶球铰与紧固套分拆的立体示意图，图中未示出支撑体；

图4为实施例一所述橡胶球铰横切面示意图；

图5为实施例一所述曲面滑块与衬块分拆的立体示意图；

图6为实施例一所述芯轴球与支撑体的横切面示意图，图中示出橡胶球铰在未遭遇较大载荷冲击时曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间有间隙；

图7为实施例一所述芯轴球与支撑体的横切面示意图，图中示出橡胶球铰在遭遇大载荷冲击时曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间相贴合，芯轴的外球面获得最大受压面；

图8为实施例二所述曲面滑块与衬块分拆的立体示意图，图中未示出橡胶夹层；

图9为实施例二所述芯轴球与支撑体的横切面示意图，图中示出橡胶球铰在未遭遇较大载荷冲击时曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间有间隙；

图10为实施例二所述芯轴球与支撑体的横切面示意图，图中示出橡胶球铰在遭遇大载荷冲击时曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间相贴合，芯轴的外球面获得最大受压面；图中F2、F3表示橡胶夹层的边缘受压达到形变极限时衬块施加在曲面滑块外侧边缘的力，F1表示芯轴球外球面对曲面滑块顶部区域施加的反作用力，当F1、F2、F3的力达到一定值时，迫使曲面滑块进一步变形，使曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间相贴合。

图中：1、芯轴；11、芯轴球；12、涂层；13、外球面；2、外套；21、径向安装口；22、止口台；3、橡胶层；31、橡胶空腔；32、橡胶实心体；33、橡胶侧壁；4、衬块；41、T形槽；42、弧形盖板；5、曲面滑块；51、凹球面；52、T形嵌脚；6、橡胶夹层；61、顶部；62、边缘；7、紧固套。

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—7所示，一种新型橡胶球铰，包括芯轴1，套在芯轴1外的与芯轴1共轴心线的外套2，在芯轴1与外套2之间通过硫化分别与芯轴1和外套2粘接的橡胶层3。在芯轴1上侧和下侧的橡胶层3中，有对称设置的橡胶空腔31。在橡胶空腔31中设有刚度大于橡胶体的支撑体，所述支撑体的外侧安装在外套上，支撑体的内侧与芯轴1之间具有万向偏转结构，支撑体四周与橡胶空腔31内壁之间有偏移间隙。工况下，支撑体能够在芯轴1与外套2之间提供刚度大于橡胶体的径向支撑，同时，通过万向偏转结构使外套2能够绕橡胶球铰中心作任意方向的偏扭转。这样，通过在橡胶层3中设置橡胶空腔31，使得橡胶层3与传统球铰的橡胶层相比，橡胶总量减少40%左右，这大大降低了种新型橡胶球铰的偏扭转刚度。通过支撑体以及支撑体与芯轴1之间万向偏转结构的设置，使得橡胶球铰的径向刚度显著提高，并使得橡胶球铰能够在芯轴球11上进行任意方向的偏扭转，确保通过减少橡胶层的橡胶总量所获得的偏扭转刚度降低的效果得以维持。

所述芯轴1上侧的橡胶空腔31与下侧的橡胶空腔31之间的橡胶层3为两个在芯轴1前后对称的橡胶实心体32，在橡胶空腔31的左右两侧是对称设置的橡胶侧壁33；在不遭受载荷冲击的情形下，芯轴1外的外套2受橡胶实心体32和橡胶侧壁33支撑与芯轴1保持共轴心线的状态。这样，在实现偏扭转刚度降低的同时，依然使橡胶层3保留必要的径向支撑刚度和偏扭转刚度。

所述芯轴1位于橡胶球铰中心区域的部分为球形的芯轴球11，芯轴球11具有露于橡胶空腔31的球面；所述支撑体内侧具有与球面对应的凹球面51，凹球面51能够在球面上作任意方向的偏转滑移。

所述芯轴球11露于橡胶空腔31的球面上刷敷有耐磨耗的涂层12，并形成光滑的外球面13；所述涂层为TPFE涂层，TPFE涂层被加工成具有球面特性的光滑的外球面13。这样的外球面13具有摩擦系数低、耐磨耗的特性。同时，一定厚度的TPFE涂层12还能形成微小但却十分有用的弹性形变，在受到凹球面压力时能够形成较大的受压面，有利于分散压力，降低压强，保护涂层的安全。

所述凹球面51的球半径大于外球面13的球半径，这样才有利于套压在外球面13上。

所述支撑体包括内侧的曲面滑块5和位于曲面滑块5外侧的与曲面滑块5连接的衬块4，所述衬块4为刚性体，曲面滑块5为刚度大于橡胶刚度的由复合材料制作的弹性体；所述凹球面51为曲面滑块5的内侧面。曲面滑块5具有一定弹性，一方面也是要求橡胶球铰在增大径向刚度的同时，依然要保有一定的弹性，另一方面是曲面滑块5的凹球面51能够产生弹性形变，使凹球面51压在芯轴球11外球面13时，能够使外球面13获得更大的受压面，以降低外球面13的受压压强。

所述曲面滑块5与衬块4之间为刚性连接。这样设置就是避免曲面滑块5受压时产生整体变形，只允许曲面滑块5受压时在应力作用下在凹球面51产生形变。

所述衬块4的内侧具有按橡胶球铰周向开设的T形槽41，所述曲面滑块5外侧具有与T形槽41相配合的T形嵌脚52，通过T形嵌脚52嵌入T形槽41实现述曲面滑块5与衬块4之间的刚性连接；所述凹球面51的球半径与外球面13的球半径的差小于0.1mm。曲面滑块5是包括树脂基、碳纤维、芳纶纤维的复合材料与衬块4的T形槽41通过浇注成型。这样，就能够使曲面滑块5与衬块4牢固的连接在一起。由于本实施例限制曲面滑块5不能产生整体变形，为使外球面13获得更大的受压面，设置凹球面51的球半径与外球面13的球半径的差小于0.1mm。也就是凹球面51的球半径与外球面13的球半径的差越小，受压时，凹球面51只需产生很小的形变就能与外球面13吻合，从而使外球面13更容易获得大的受压面。

外套2在橡胶空腔31部位开设有径向安装口21，所述径向安装口21内侧设有止口台22；所述衬块4外侧具有与衬块4一体成型的弧形盖板42，所述弧形盖板42的厚度与径向安装口21至止口台22的深度相等；所述加大径向刚度的结构还包括紧固套7；装配时，支撑体的曲面滑块5及衬块4从径向安装口21插入至橡胶空腔31内，所述弧形盖板42的内侧边缘压在径向安装口21内侧设置的止口台22上，所述弧形盖板42的外周面与外套2的外周面在同一圆弧面上，所述紧固套7以过盈配合方式套在外套2及弧形盖板42的外周；这样设置，便于支撑体在外套2上安装固定。同时，这样设置也是为了使凹球面51与外球面13之间能够保持0.1—0.3mm的间距，其作用是在橡胶球铰遭遇载荷冲击较小时，凹球面51与外球面13尽量不接触或能够以较小的压力接触，也就能够减少凹球面51与外球面13接触摩擦的次数和减轻摩擦时受到的压力。产生这一作用的原理，是设计时结合了橡胶空腔31两侧的橡胶侧壁33所起到的支撑作用来实现的。也就是在橡胶球铰遭遇载荷冲击较小时，橡胶空腔31两侧的橡胶侧壁33所起的支撑作用能够使凹球面51与外球面13保持间隙。

实施例二

如图8—10所示，其与实施例一 的不同之处在于：

所述凹球面51的球半径与外球面13的球半径的差为0.1mm—0.3mm。由于外球面13的球半径小于凹球面51的球半径，与实施例一相比，外球面13的球半径不变，实际是加大了凹球面51的球半径。对于本发明的橡胶球铰各部件的加工和组装来说，凹球面51的球半径与外球面13的球半径的差值越大，加工和组装就可容许一定的对心偏差（凹球面51和外球面13的两个球心要求与凹球面51顶点在一条直线上），加工和组装就相对容易。反之，凹球面51的球半径与外球面13的球半径的差值越小，加工和组装要求的精度就越高，加工和组装就越难。

所述曲面滑块5与衬块4之间设置有圆顶形的橡胶夹层6，橡胶夹层6通过硫化分别与曲面滑块5衬块4连接；所述橡胶夹层6的顶部61的厚度大于橡胶夹层6的边缘62的厚度。这样设置的作用原理是，当衬块4通过橡胶夹层6、曲面滑块5的凹球面51向芯轴球11的外球面13施加更大压力时，芯轴球11的外球面13向凹球面51施加的反作用力使曲面滑块5反压橡胶夹层6，橡胶夹层6被压缩，当橡胶夹层6周边被压缩到极限，曲面滑块5的外周不能够继续向衬块4靠近，而反压力又持续加大时，由于橡胶夹层6顶部区域的厚度大于周边的厚度，橡胶夹层6顶部仍有压缩空间，能迫使曲面滑块5中部产生凹陷变形，使曲面滑块5的凹球面51更多地与芯轴球11的外球面13贴合，从而使外球面13能够获得更大的受压面，以减小外球面13遭遇载荷冲击时的压强。

所述橡胶夹层6的顶部61的厚度为0.4—0.6mm，如0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm；所述橡胶夹层6的边缘62的厚度为0.2—0.3mm，如0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm。将橡胶夹层6的边缘62的厚度设置为0.2—0.3mm，是曲面滑块5在产生整体形变时，曲面滑块5的外侧弧面与芯轴的内侧弧面之间会发生相对位移，可以通过切向拉伸0.2—0.3mm厚的橡胶来实现。但橡胶夹层6的边缘62不宜太厚，太厚就会降低整个支撑体 的径向刚度。将橡胶夹层6的顶部61的厚度设置为0.4—0.6mm，就是当橡胶夹层6的边缘62被压缩到极限时，橡胶夹层6顶部仍有0.15mm左右的压缩空间。

本实施例除了能够满足本发明的发明要求，更有利于加工组装外，还获得以下效果：

1、曲面滑块5能够产生整体的弹性形变，其刚度远大于橡胶层的橡胶体，既满足了提高橡胶球铰径向刚度的要求，又在橡胶球铰遭遇大载荷冲击时起到宝贵的缓冲作用。

2、橡胶夹层6的设置在橡胶球铰突然遭遇载荷冲击时，能够缓解曲面滑块5的凹球面51对芯轴球11外球面13的撞击力，有效保护外球面13上刷敷的涂层。

上述实施例只用于更清楚的描述本发明，而不能视为限制本发明涵盖的保护范围，任何等价形式的修改都应视为落入本发明涵盖的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种新型橡胶球铰，包括芯轴（1），套在芯轴（1）外的与芯轴（1）共轴心线的外套（2），在芯轴（1）与外套（2）之间通过硫化分别与芯轴（1）和外套（2）粘接的橡胶层（3），其特征在于：在芯轴（1）上侧和下侧的橡胶层（3）中，有对称设置的橡胶空腔（31）；在橡胶空腔（31）中设有刚度大于橡胶体的支撑体，所述支撑体的外侧安装在外套上，支撑体的内侧与芯轴（1）之间具有万向偏转结构，支撑体四周与橡胶空腔（31）内壁之间有偏移间隙；工况下，支撑体能够在芯轴（1）与外套（2）之间提供刚度大于橡胶体的径向支撑，同时，通过万向偏转结构使外套（2）能够使外套（2）绕橡胶球铰中心作任意方向的偏扭转。

2.根据权利要求1所述的新型橡胶球铰，其特征在于：所述芯轴（1）上侧的橡胶空腔（31）与下侧的橡胶空腔（31）之间的橡胶层（3）为两个在芯轴（1）前后对称的橡胶实心体（32），在橡胶空腔（31）的左右两侧是对称设置的橡胶侧壁（33）；在不遭受载荷冲击的情形下，芯轴（1）外的外套（2）受橡胶实心体（32）和橡胶侧壁（33）支撑与芯轴（1）保持共轴心线的状态。

3.根据权利要求2所述的新型橡胶球铰，其特征在于：所述芯轴（1）位于橡胶球铰中心区域的部分为球形的芯轴球（11），芯轴球（11）具有露于橡胶空腔（31）的球面；所述支撑体内侧具有与球面对应的凹球面（51），凹球面（51）能够在球面上作任意方向的偏转滑移。

4.根据权利要求3所述的新型橡胶球铰，其特征在于：所述芯轴球（11）露于橡胶空腔（31）的球面上刷敷有耐磨耗的涂层（12），并形成光滑的外球面（13）；所述凹球面（51）的球半径大于外球面（13）的球半径。

5.根据权利要求4所述的新型橡胶球铰，其特征在于：所述支撑体包括内侧的曲面滑块（5）和位于曲面滑块（5）外侧的与曲面滑块（5）连接的衬块（4），所述衬块（4）为刚性体，曲面滑块（5）为刚度大于橡胶刚度的由复合材料制作的弹性体；所述凹球面（51）为曲面滑块（5）的内侧面。

6.根据权利要求5所述的新型橡胶球铰，其特征在于：所述衬块（4）的内侧具有按橡胶球铰周向开设的T形槽（41），所述曲面滑块（5）外侧具有与T形槽（41）相配合的T形嵌脚（52），通过T形嵌脚（52）嵌入T形槽（41）实现述曲面滑块（5）与衬块（4）之间的刚性连接；所述凹球面（51）的球半径与外球面（13）的球半径的差小于0.1mm。

7.根据权利要求5所述的新型橡胶球铰，其特征在于：所述凹球面（51）的球半径与外球面（13）的球半径的差为0.1mm—0.3mm。

8.根据权利要求7所述的新型橡胶球铰，其特征在于：所述曲面滑块（5）与衬块（4）之间设置有圆顶形的橡胶夹层（6），橡胶夹层（6）通过硫化分别与曲面滑块（5）衬块（4）连接；所述橡胶夹层（6）的顶部（61）的厚度大于橡胶夹层（6）的边缘（62）的厚度。

9.根据权利要求8所述的新型橡胶球铰，其特征在于：所述所述橡胶夹层（6）的顶部（61）的厚度为0.4—0.6mm，所述橡胶夹层（6）的边缘（62）的厚度为0.2—0.3mm。

10.根据权利要求6或8所述的新型橡胶球铰，其特征在于：外套（2）在橡胶空腔（31）部位开设有径向安装口（21），所述径向安装口（21）内侧设有止口台（22）；所述衬块（4）外侧具有与衬块（4）一体成型的弧形盖板（42），所述弧形盖板（42）的厚度与径向安装口（21）至止口台（22）的深度相等；所述加大径向刚度的结构还包括紧固套（7）；所述弧形盖板（42）的内侧边缘压在径向安装口（21）内侧设置的止口台（22）上，所述弧形盖板（42）的外周面与外套（2）的外周面在同一圆弧面上，所述紧固套（7）以过盈配合方式套在外套（2）及弧形盖板（42）的外周；所述凹球面（51）与外球面（13）之间具有0.1—0.3mm的间距。

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