CN113919098A - 一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法 - Google Patents

一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法 Download PDF

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Abstract

一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法，根据节点类产品的接口尺寸和刚度性能要求，解析计算得出橡胶体的有效承载长度L；同时假设芯轴与外套间橡胶体末端的连线为K1，在K1的中点与外套末端N1以及芯轴末端N2之间选取橡胶型面的连接点，依次将外套末端N1、各连接点以及芯轴末端N2用线段连接并将连接点处圆弧过渡，得到橡胶型面的最终形状，将此型面朝内移动，得到橡胶体的自由型面。本发明能够依据牵引节点金属部件的结构特点，快速设计出橡胶自由型面，该橡胶自由型面在大径向载荷作用下能够实现平滑变形，变形后的橡胶自由型面呈现近似平直状态，不存在褶皱，能适应牵引节点的高承载、高寿命要求。

Description

一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法
技术领域
本发明涉及一种橡胶自由型面的设计方法，具体涉及一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法，可针对包括高速动车组用的牵引节点、定位节点、电机节点以及普通球铰类产品等在内的各类具有大承载工况要求的各类弹性元件橡胶自由型面设计。
背景技术
节点类产品通常都是由橡胶将金属芯轴和金属外套硫化成整体，起到既支撑又减振的作用，如高速动车组的牵引节点、定位节点和电机节点等均需满足减振降噪的性能需求，在其设计制造过程中，一个重点考虑的问题就是大承载工况下橡胶自由型面的设计，良好的橡胶自由面可以大幅程提高产品的承载变形能力和疲劳性能，但目前的橡胶自由型面设计具有一定的随意性，设计出来的橡胶自由型面在承载变形过程中存在橡胶自由型面褶皱，且可能出现不止一处褶皱。而出现褶皱的部位，往往是较易出现疲劳失效的危险区域。为了获得良好的橡胶自由型面，需要根据橡胶自由型面承载变形的仿真分析分析结果，对橡胶自由型面进行多轮优化，但即使这样，也很难获得承载变形后不存在褶皱的理想橡胶自由型面。
如申请号CN201710617061.6，名称为“牵引拉杆节点的橡胶型面设计方法及牵引拉杆节点”的发明专利申请，申请号CN201910675943.7，名称为“一种轴箱拉杆橡胶关节及提高抗疲劳性能方法”的发明专利申请，申请号CN201910753404.0，名称为“一种锥型橡胶截面牵引球铰及防止橡胶型面开裂的方法”的发明专利申请，都提及了通过橡胶自由面的型面设计来提高产品的性能的方法，但上述方式都是针对特定的环境来有针对性地设计的，而且需要多次调整，才能获得较理想的型面，无法形成一种通用的方式应用于不同的场合。
发明内容
本发明针对当前节点类产品的橡胶自由型面需要单独设计、多次调整才能满足要求的问题，提出了一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法，能够根据节点类产品金属部件的结构特点，快速设计出橡胶自由型面。
本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法，根据节点类产品的接口尺寸和刚度性能要求，解析计算得出橡胶体的有效承载长度L；同时假设芯轴与外套间橡胶体末端的连线为K1，在K1的中点与外套末端N1以及芯轴末端N2之间选取橡胶型面的连接点，依次将外套末端N1、各连接点以及芯轴末端N2用线段连接并将连接点处圆弧过渡，得到橡胶型面的最终形状，将此型面朝内移动，得到橡胶体的自由型面。
进一步地，K1与外套的外表面垂直。
进一步地，解析计算得出橡胶体的有效承载长度是指根据橡胶节点各向刚度的计算公式计算橡胶层的内径R1、外径R2和长度L。
进一步地，各向刚度的技算公式采用以下方程组：
Figure BDA0003307877280000021
Figure BDA0003307877280000022
Figure BDA0003307877280000023
Figure BDA0003307877280000024
其中：L为橡胶体长度，G为橡胶的剪切模量，R2为橡胶体的外径，R1为橡胶体的内径，M为胶料硬度相关系数，S为内外径承载面积比，δ1、δ2、δ3、δ4为刚度计算修正系数。
进一步地，在K1的中点与外套末端N1以及芯轴末端N2之间选取橡胶型面的连接点是指：在K1的中点与N1和N2之间的位置选取三个连接点作为橡胶型面形状各段的连接点。
进一步地，三个连接点的选取方式如下：将K1的中点分别与N1和N2连接，得到连线K2和K3，假设K2与K1之间的夹角为A1、K3与K1之间的夹角为A2；在K2的中点P1与K1之间设置连线K4，使K4与K2之间的夹角B1为(90°-A1)/2；在K3的中点P2与K1之间设置连线K5，使K5与K3之间的夹角B2为(90°-A2)/2；设K4与K5之间的交点为P3；则P1、P2、P3为连接点。
进一步地，依次将外套末端N1、各连接点以及芯轴末端N2用线段连接并将连接点处圆弧过渡是指：依次将N1、P2、P3、P1以及N2用线段连接，且在P2、P3、P1处均用圆弧将各点两侧的线段连接。
进一步地，根据橡胶体的长度L计算出的橡胶体末端与外套末端之间的距离，假设为D，并设P1、P2、P3各点处的圆弧直径分别为R1、R2、R3，D≤R1≤2D，D/3≤R2≤D/2，D/3≤R3≤D/2。
进一步地，D的计算方式为：D＝(H-L)/2，其中H为外套的长度。
进一步地，将此型面朝内移动是指将橡胶型面的最终形状朝连线K1处移动至与K1相切。
本发明的有益效果是：
1.本发明能够依据牵引节点金属部件的结构特点，快速设计出橡胶自由型面，该橡胶自由型面在大径向载荷作用下能够实现平滑变形，变形后的橡胶自由型面呈现近似平直状态，不存在褶皱，能适应牵引节点的高承载、高寿命要求。
2.本发明橡胶自由型面的设计具有规律性，不需要多轮优化就能得到理想的型面，且此方式可直接应用于包括高速动车组用的牵引节点、定位节点、电机节点以及普通球铰类产品等在内的各类具有大承载工况要求的各类弹性元件橡胶自由型面设计，大大提高了设计效率。
3.本发明所设计的橡胶自由型面，在大径向载荷作用下能够实现平滑变形，变形后的橡胶自由型面呈现近似平直状态，不存在褶皱，能适应牵引节点的高承载、高寿命要求。
附图说明
图1为实施例一节点类产品结构示意图，其中仅对橡胶体进行了剖视；
图2为实施例一三个连接点设置示意图；
图3为实施例一三个连接点位置示意图；
图4为实施例一橡胶自由型面形状示意图；
图5为实施例一最终的橡胶自由型面示意图；
图6为实施例一橡胶型面变形后示意图；
图中：1.芯轴，2.橡胶体，3.外套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例一
如图1-图5所示，一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法，由于不同的节点类产品被使用于不同的环境，有不同的性能要求和安装条件，因此，首先根据产品的接口尺寸和刚度性能要求通过下列橡胶节点的各向刚度的方程组来解析计算产品中橡胶体2的有效承载长度L：
Figure BDA0003307877280000041
Figure BDA0003307877280000042
Figure BDA0003307877280000043
Figure BDA0003307877280000044
其中：L为橡胶体2长度，G为橡胶的剪切模量，R2为橡胶体2的外径，R1为橡胶体2的内径，M为胶料硬度相关系数，S为内外径承载面积比，δ1、δ2、δ3、δ4为刚度计算修正系数。上述方程组中，未知量只有三个，为L、R1、R2，但方程有四个，通过四个刚度计算修正系统δ1、δ2、δ3、δ4来使计算结果满足要求。
当橡胶体2长度L确定以后，由于芯轴1与外套3尺寸确定，计算得出的承载的橡胶体2末端至外套3末端之间的距离D：D＝(H-L)/2，其中H为外套的长度。
因为节点产品的橡胶体2为回转体，因此在设计其自由型面时仅需在一个截面上形成平面形状后经过旋转即可，如图1-图5所示，本实施例就是针对截面的平面图形来进行设计的。
第一步，沿着计算得出的长度为L的橡胶体2的边缘画线段K1，K1连接外套3和芯轴1且与外套3外表面垂直，也即与芯轴1的中心线垂直。
第二步，将K1的中点与外套3末端N1和芯轴1末端N2分别用线段K3和K2连接，且设K2与K1之间的夹角为A1，K3与K1之间的夹角为A2.
第三步，在K2的中点P1与K1之间画直线K4，使K4与K2之间的夹角B1＝(90°-A1)/2；在K3的中点P2与K1之间画直线K5，使K5与K3之间的夹角B2＝(90°-A2)/2。
第四步，K2的中点P1、K3的中点P2、K4和K5的交点P3即为橡胶自由型面各段的连接点，也就是说，N1与P2之间的线段、P3与P3之间的线段、P3与P1之间的线段、P1与N2之间的线段构成橡胶自由型面的四段；在P1、P2、P3三个连接点处分别用圆弧R1、R2、R3将两端线段过渡连接，且D≤R1≤2D，D/3≤R2≤D/2，D/3≤R3≤D/2。
第五步，将第四步中形成的连线整体朝橡胶体2处平移，直至其与K1相切，此时的连线所对应的形状即为橡胶自由型面的形状。
至此，即完成轴向截面上橡胶自由型面的设计，在实际生产过程中，将上述形状进行旋转和对称，就可得到整个橡胶体2自由型面的设计。此方法能够很方便地应用于各种节点类产品，大大提高了设计的速度，且如图6所示，本型面在大径向载荷作用下能够实现平滑变形，变形后的橡胶自由型面呈现平直状态，不存在褶皱，能适应牵引节点的高承载、高寿命要求。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (10)

1.一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：根据节点类产品的接口尺寸和刚度性能要求，解析计算得出橡胶体的有效承载长度L；同时假设芯轴与外套间橡胶体末端的连线为K1，在K1的中点与外套末端N1以及芯轴末端N2之间选取橡胶型面的连接点，依次将外套末端N1、各连接点以及芯轴末端N2用线段连接并将连接点处圆弧过渡，得到橡胶型面的最终形状，将此型面朝内移动，得到橡胶体的自由型面。
2.如权利要求1所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：K1与外套的外表面垂直。
3.如权利要求1所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：解析计算得出橡胶体的有效承载长度L是指根据橡胶节点各向刚度的计算公式计算橡胶层的内径R1、外径R2和长度L。
4.如权利要求3所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：各向刚度的技算公式采用以下方程组：
Figure FDA0003307877270000011
Figure FDA0003307877270000012
Figure FDA0003307877270000013
Figure FDA0003307877270000014
其中：L为橡胶体长度，G为橡胶的剪切模量，R2为橡胶体的外径，R1为橡胶体的内径，M为胶料硬度相关系数，S为内外径承载面积比，δ1、δ2、δ3、δ4为刚度计算修正系数。
5.如权利要求3所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：在K1的中点与外套末端N1以及芯轴末端N2之间选取橡胶型面的连接点是指：在K1的中点与N1和N2之间的位置选取三个连接点作为橡胶型面形状各段的连接点。
6.如权利要求5所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：三个连接点的选取方式如下：将K1的中点分别与N1和N2连接，得到连线K2和K3，假设K2与K1之间的夹角为A1、K3与K1之间的夹角为A2；在K2的中点P1与K1之间设置连线K4，使K4与K2之间的夹角B1为(90°-A1)/2；在K3的中点P2与K1之间设置连线K5，使K5与K3之间的夹角B2为(90°-A2)/2；设K4与K5之间的交点为P3；则P1、P2、P3为连接点。
7.如权利要求6所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：依次将外套末端N1、各连接点以及芯轴末端N2用线段连接并将连接点处圆弧过渡是指：依次将N1、P2、P3、P1以及N2用线段连接，且在P2、P3、P1处均用圆弧将各点两侧的线段连接。
8.如权利要求7所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：根据橡胶体的长度L计算出的橡胶体末端与外套末端之间的距离，假设为D，并设P1、P2、P3各点处的圆弧直径分别为R1、R2、R3，D≤R1≤2D，D/3≤R2≤D/2，D/3≤R3≤D/2。
9.如权利要求8所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：D的计算方式为：D＝(H-L)/2，其中H为外套的长度。
10.如权利要求1所述的节点类产品的橡胶自由型面设计方法，其特征在于：将此型面朝内移动是指将橡胶型面的最终形状朝连线K1处移动至与K1相切。
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