CN114810914B - 一种提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构 - Google Patents
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Abstract
一种提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，在位于流道体的缺口处的橡胶主簧的外侧壁设有在粘性液体的冲击下能与外管之间产生位移的旁通；在橡胶主簧自由橡胶型面处的至少一处以上的相邻面之间采用椭圆弧连接。本发明通过在位于流道体的缺口处的橡胶主簧的外侧壁设置旁通，减缓较大冲击载荷和位移时产生的较大压力差，避免橡胶主簧和流道体被破坏；同时将橡胶主簧的自由橡胶型面的连接处采用椭圆弧连接，使承载时连接处的应力可以较均匀地分散，避免连接处应力集中。
Description
技术领域
本发明涉及一种橡胶型面结构，具体涉及一种提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，属于橡胶弹性减振技术领域范围。
背景技术
液压衬套是汽车中广泛应用的一种减振零部件，与传统的橡胶衬套相比，液压衬套可在特定频率范围内提供较大的粘性阻尼特性，提高汽车行驶稳定性和安全性。液压衬套主要由橡胶主簧、塑料流道、止挡、外套和粘性液体组成，其中橡胶主簧由橡胶将内管和内笼硫化成整体。
在实际应用过程中，当液压衬套受到较大的冲击载荷和位移时，液压衬套空心方向上两侧液体腔室压力差急剧增大，通过粘性液体在塑料流道中的流动调节两侧的压力差作用有限，不足以快速降低两侧液体腔室的压力差时，对于橡胶主簧实心方向，特别是实心方向橡胶较薄时，该薄层橡胶会产生较大变形，造成橡胶主簧破坏；同时对塑料流道造成较大冲击力，造成塑料流道破坏。此外，当液压衬套受到轴向、径向、偏摆和扭转工况等复合叠加作用，对橡胶的疲劳性能有较高的要求，疲劳损坏位置常见于部件交界等受力较大位置，传统的解决应力集中的方法通常是在应力集中位置的圆角增大，但液压衬套产品结构紧凑，圆角的大小调节范围十分有限，进而对橡胶疲劳损伤的改善效果有限。
如申请号CN202110789940.3，名称为“一种抗压型杆端球铰的橡胶型面设计方法”的发明专利通过将橡胶型面部分的不同位置设计成不同的型面而形成多段式橡胶型面，再将多段式橡胶型面与隔套相结合来避免橡胶打折开裂，提高球铰的抗压性能，增大球铰承受载荷时的释放空间，避免橡胶在承受载荷时堆积、打折、防止橡胶开裂。
又如申请号CN202111208510.4，名称为“一种节点类产品的橡胶自由型面设计方法”的发明专利申请公开的橡胶自由型面设计方法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。
又如申请号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”的发明专利申请将橡胶层的外端型面设计为向外凸出的圆弧凸面，所述的圆弧凸面由外向内逐渐靠近外套内壁，且圆弧凸面与外套的内壁之间通过过渡面一过渡，圆弧凸面与芯轴的外壁之间通过过渡面二过渡，将所述的过渡面一设计为向内凹进的圆弧面，将所述的过渡面二设计为向内凹进的弧面，减少橡胶型面在承载过程中的褶皱和开裂，提高牵引拉杆节点在大载荷下的疲劳寿命，满足牵引拉杆节点在大载荷下的非线性刚度要求。
上述方案虽然都涉及到橡胶型面的设计来改善性能，但对于结构紧凑的液压衬套，上述方式对橡胶性能的改善都非常有限。
发明内容
本发明针对当前液压衬套的橡胶型面在使用过程中受力情况下抗疲劳性能不佳的问题，提出了一种提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，该橡胶型面结构可有效缓解液压衬套在多向复合工况的作用下性能不佳的问题，显著改善液压衬套中橡胶疲劳损伤情况，进而提高液压衬套的抗疲劳性能。
本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，在位于流道体的缺口处的橡胶主簧的外侧壁设有在粘性液体的冲击下能与外管之间产生位移、且在冲击力消失后能自动复位的旁通；在橡胶主簧自由橡胶型面处的至少一处以上的相邻面之间采用椭圆弧连接。
进一步地，旁通包括分别连接至橡胶主簧两端处的左旁通和右旁通、以及位于左旁通和右旁通之间且与其均连接的连接体，其中左旁通形成朝向右侧的斜面，右旁通形成朝向左侧的斜面。
进一步地，左旁通或右旁通的斜面与橡胶主簧通过旁通处的径向中心线之间的夹角为30-60o。
进一步地，左旁通或右旁通的橡胶厚度为2-5mm。
进一步地，左旁通或右旁通的末端与橡胶主簧通过旁通处的径向中心线之间的距离为1-4mm。
进一步地，左旁通或右旁通与外管之间的过盈量为0.5-1.5mm。
进一步地，橡胶主簧旁通侧的实向处两个液体腔室之间的橡胶厚度为2-6mm。
进一步地，连接体位于左旁通和右旁通之间的厚度为4-15mm。
进一步地，连接体与外管之间的过盈量为0.5-1.5mm。
进一步地，连接体沿周向的末端宽度为10-25mm。
进一步地，橡胶主簧两端处内笼和内管之间的自由橡胶型面的两个相邻面之间采用椭圆弧连接。
进一步地，橡胶主簧液体腔室处的自由橡胶型面在其轴向上的两个相邻面之间采用椭圆弧连接。
进一步地，橡胶主簧液体腔室处的自由橡胶型面在其径向上靠近内管处的两个相邻面之间采用椭圆弧连接，靠近外管处的两个相邻面之间采用圆弧连接。
进一步地，橡胶主簧自由橡胶型面连接处单个椭圆弧的长度为四分之一个椭圆周长。
进一步地，椭圆弧的长轴与短轴比为2:1~5:1。
本发明的有益效果是：
1. 本发明通过在位于流道体的缺口处的橡胶主簧的外侧壁设置旁通，减缓较大冲击载荷和位移时产生的较大压力差，避免橡胶主簧和流道体被破坏；同时将橡胶主簧的自由橡胶型面的连接处采用椭圆弧连接，使承载时连接处的应力可以较均匀地分散，避免连接处应力集中。
2. 本发明将旁通设计成分别朝向两侧的两个斜面，对两个方向的压力差都能起到减缓作用，对橡胶衬套起到保护作用。
3. 本发明将左旁通和右旁通设计成厚度较小的过盈结构，使压力差较小时旁通成封闭状态，液压衬套正常工作，液体不会在旁通处流动；而当压力差较大时，液体能够将旁通推开，降低液压衬套内的两侧液体腔室间压力差，起到保护衬套的作用。
附图说明
图1为实施例一液压衬套整体结构示意图；
图2为图1沿径向剖视示意图；
图3为图2局部放大示意图；
图4为图1沿空向的轴向剖视示意图；
图5为图4局部放大示意图；
图6为图1 去掉外管后结构示意图；
图7为图6局部放大示意图；
图8为橡胶主簧沿左旁通或右旁通处的径向剖视示意图；
图9为实施例一流道体和橡胶止挡组装后结构示意图；
图10为圆角半径和椭圆角短轴相等时受力仿真结果对比示意图；
图11为圆角半径和椭圆角长轴相等时受力仿真结果对比示意图；
图12为椭圆角与以其短轴为半径的圆弧及以其长轴为半径的圆弧所对应的连接处的橡胶厚度示意图。
图中：1.外管，100.橡胶主簧，2.内管，3.内笼，4.橡胶体，5.流道体，51. 缺口，52.流道，6.橡胶止挡，7.粘性液体，8.旁通，81.左旁通，82连接体，83.右旁通，9.液体腔室。
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。需要说明的是，在本发明的描述中，术语左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
一种提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，如图1、图2和图4所示，液压衬套包括最外层的外管1和压装在外管1内的橡胶主簧100，橡胶主簧100为由橡胶体4将内管2和内笼3硫化结合成的整体，外管1和橡胶主簧100之间安装有塑料的流道体5和橡胶止挡6，如图9所示，流道体5为带有缺口51的环状，橡胶止挡6安装到流道体5后再将流道体5安装到橡胶主簧100。
如图2所示，液压衬套的空向上形成两个液体腔室9，两个液体腔室9被橡胶体4在实向上隔开，流道体5上的流道52在一个实向处将两个液体腔室9连接，使粘性液体7能够在两个液体腔室9间流动。如图2和图6所示，橡胶主簧100位于流道体5缺口51的位置处的外侧设有旁通8，如图7所示，旁通8包括左旁通81、连接体82和右旁通83，左旁通81和右旁通83分别连接到橡胶主簧100的两端处，连接体82位于左旁通81和右旁通83之间将二者连接成整体，且左旁通81的末端朝向右侧倾斜，右旁通83的末端朝向左侧倾斜，在连接体82两侧形成两个错开的斜面。如图8所示，左旁通81和右旁通83的橡胶厚度D2设为2-5mm，且左旁通81朝向右侧超出旁通8处径向中心线之间的距离以及右旁通83朝向左侧超出旁通8处径向中心线之间的距离E1为1-4mm，左旁通81或右旁通83的斜面与旁通8处径向中心线之间的夹角设为30-60o，使左旁通81和右旁通83都形成一个末端处在一定的外力作用下可以变形发生位移的结构，当内管2受到较大的向左或向右冲击载荷和位移而向左侧或右侧移动时，液压衬套空向左侧液体腔室9压力大于右侧液体腔室9或者右侧液体腔室9大于左侧液体腔室9，使两个液体腔室9之间的压力差急剧增加，推动粘性液体7在流道52中流动，虽然压力差得以降低，但仍然较大，橡胶主簧100两个液体腔室9之间的橡胶（图7中D1处）和流道体5受到很大的粘性液体7流动冲击力，极易造成破坏，因此，粘性液体7冲击左旁通81或右旁通83,将其推动变形后，从左旁通81或右旁通83处跨腔室流动，从而实现两侧液体腔室9间压力差的快速降低，起到泄压的作用。而当压力差较低到小于旁通处橡胶变形所需的作用力时，左旁通81或右旁通83在橡胶自身的弹性作用下恢复原位，从而保护橡胶主簧100和流道体5免于破坏。同时，左旁通81和右旁通83与外管1之间的过盈量E2设为0.3-1.2mm，使液压衬套在载荷较小时左旁通81和右旁通83均能紧密贴附外管1，当两侧液体腔室9间压力差较小时粘性液体7不会在旁通处跨腔室流动，保证液压衬套正常工作。旁通8侧两个液体腔室9之间的橡胶厚度D1设为2-6mm，既保证足够的强度不会被粘性液体7冲击损坏，同时也降低橡胶主簧100的体积刚度，从而降低液压衬套整体的动刚度及其峰值。
如图7所示，位于左旁通81和右旁通83之间的连接体82的厚度H为-15mm，其末端沿周向上的宽度W为10-25mm，与外管1之间的过盈量为0.5-1.5mm。通过在左旁通81和右旁通83之间设置一个橡胶相对较厚的连接体82对整个旁通8的结构起到支撑，增强旁通8的强度，使左旁通81和右旁通83的两端处均有支撑部分，从而在冲击较小时能够贴附在外管1。同时控制连接体82橡胶的厚度，避免太薄时，在冲击较大时使左旁通81和右旁通83结构产生轴向摆动，产生噪音，同时拉伸旁通，不利于产品的抗疲劳性能；当厚度太厚时，左旁通81和右旁通83在轴向上的高度会很窄，要求很大的液体冲击力才可以使其变形，且每次液体能流过的量会减小，不利于降压，也不利于产品的抗疲劳性能。同时，连接体82两端都刚好对准流道52的开口处，这样，使液压衬套在各个方向都能保持一个均衡的性能。旁通8与流道52末端处也具有一定的空间，根据液压衬套的使用环境及规格来确定此空间的大小，使旁通8结构既能起到保护橡胶的作用，又不能使其在很低的冲击力下就打开，影响衬套的性能。
如图4所示，橡胶主簧100两端处位于内笼3和内管2之间的自由橡胶型面的两个相邻面之间都采用椭圆弧连接，液体腔室9处自由橡胶型面沿轴向上的两个相邻面之间也都采用椭圆弧连接，如图5所示，采用椭圆弧C、椭圆弧D和椭圆弧E连接，以分散各连接处的应力。如图2和图3所示，橡胶主簧100液体腔室9处自由橡胶型面沿径向上靠近内管2处的两个相邻面之间采用椭圆弧A连接，靠近外管处的两个相邻面之间采用圆弧B连接，这是因为在此方向上，橡胶体4靠内和靠外两个位置处所承受的外力何尺寸并不一致，靠内管2处的应力更大，因而需要更好地分散，且靠内管2处的橡胶面更长，因而可以选用椭圆弧连接；而在靠外管1处采用圆弧连接，以满足型面的小尺寸结构要求。在上述椭圆弧连接处，椭圆弧的长度为四分之一个椭圆周长，既方便形状设计，也方便对其进行性能检验。通过在连接处将常规的圆弧连接改为椭圆弧连接，能够在较小的结构空间内实现较大的应力分散调节，大大提高了液压衬套橡胶的抗疲劳性能。图10-图12对圆弧连接和椭圆弧连接时的应力分散情况进行了对比分析，图10和图11都是采用硬度为60ShA的橡胶形成的T型构件，下端面固定，上端面施加固定面力0.4MPa，其中S1是半径为L的圆弧，S2是长轴为3L、短轴为L的椭圆弧，S3是半径为3L的圆弧。
在图10中，左侧用S1圆弧连接，右侧用S2椭圆弧连接，从图中的主应力等值线可以看出，左侧S1圆弧连接处最大主应力随着圆角从下至上依次增加，最大主应力最大值为0.5~0.6MPa，大于0.4MPa区域面积较大，0.35MPa等值线的位置大致位于圆角弧长的中点；右侧S2椭圆弧连接处最大主应力亦随着圆角从下至上依次增加，最大主应力最大值为0.35~0.4MPa。而右侧0.35MPa等值线的位置与左侧位置相当，0.35MPa以下的最大主应力在左、右两侧也分布相当。结果表明，椭圆角长半轴对改善沿受力方向圆角弧长中间位置以上的应力集中效果明显。
在图11中，左侧用S3圆弧连接，右侧用S2椭圆弧连接，从图中的主应力等值线可以看出，左侧圆角处最大主应力随着圆角从下至上依次增加，最大主应力最大值为0.4~0.45MPa，大于0.4MPa区域面积较小；右侧椭圆角最大主应力亦随着圆角从下至上依次增加，最大主应力最大值为0.45~0.5Mpa。可见，当圆角半径与椭圆角长轴相同时，圆角可以降低产品所受应力水平。但是如图12所示，S3圆弧连接处圆角部位的橡胶量远远大于S2椭圆弧连接处的橡胶量，通过测算图12中各截面积，得S1：S2：S3=0.54:1:4.84，S2椭圆角在截面过渡区域比S1增加面积46%，而S3截面过渡区域较S2椭圆角处增加面积384%，因此，对于采用S3圆弧连接的液压衬套，在受力过程中（特别是受压的过程中），圆角处容易产生材料堆积，也即会产生褶皱，进而加剧产品的批量破坏风险；同时，由于液压衬套产品结构紧凑，也就限制了大圆角的使用。
在实际使用中，圆角及椭圆角主要用于断面变化位置，起过渡作用，椭圆角可以让断面的截面积变化更加平滑、平顺，从而使得应力的变化亦更加平滑、平顺，说明椭圆角比圆角更加符合应力的传递方向，图10和图11的仿真结果也证明了这一点。椭圆角可以更加有效地利用了现有产品结构，有效缓解产品在变形过程材料堆积和褶皱的风险。同时可根据实际应力大小和方向等调整椭圆角的长半轴和短半轴的比例和方向，实现不同结构的应力和疲劳性能优化。
此外，椭圆弧的长轴与短轴比设为2:1~5:1，以达到最大的应力分散效果，若比值取值太小时，改善应力集中的效果不明显；取值太大时，对于空间较小的U型连接处，其U型底端处两侧均有连接面，会减少短半轴的尺寸，同样不利于改善应力集中的现象。
如图5所示，橡胶主簧100两端处橡胶体4末端对内管2的包胶厚度N1、以及橡胶体4边缘处对内笼3的包胶厚度N2均设为0.5-1.5mm，通过橡胶对内管2或内笼3进行保护，起到防腐作用，若取值太小，硫化过程中会注胶困难，模具与产品的金属结构间容易发生干涉，从而造成缺胶或者卡模等问题；若取值太大，产品径向尺寸设计将受到受限，过多的橡胶增加材料堆积和褶皱的风险，较厚的橡胶增加了产品重量的同时在受力过程中会外翻或者内陷。此外，在橡胶体4自由橡胶型面的末端处如图5的A1、A2、A3等位置设有0.5-5o的拔模角度，既保证硫化后的产品容易出模，也避免取值太大而增加产品重量、以及导致橡胶材料堆积、产生褶皱和鼓包的风险。同时，橡胶主簧100两端处相邻两个椭圆弧C和D之间的直边长度为1-5mm，既避免取值太小时，此直边可能会成为新的应力集中点；也避免取值太大时，会限制C和D之间的短半轴的尺寸。
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 (9)
1.一种提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：在位于流道体（5）的缺口（51）处的橡胶主簧（100）的外侧壁设有在粘性液体（7）的冲击下能与外管（1）之间产生位移、且在冲击力消失后能自动复位的旁通（8）；在橡胶主簧（100）自由橡胶型面处的一处以上的相邻面之间采用椭圆弧连接；
旁通（8）包括分别连接至橡胶主簧（100）两端处的左旁通（81）和右旁通（83）、以及位于左旁通（81）和右旁通（83）之间且与其均连接的连接体（82），其中左旁通（81）形成朝向右侧的斜面，右旁通（83）形成朝向左侧的斜面。
2.如权利要求1所述的提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：左旁通（81）或右旁通（83）的斜面与橡胶主簧（100）通过旁通（8）处的径向中心线之间的夹角为30-60o。
3.如权利要求1所述的提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：左旁通（81）或右旁通（83）的橡胶厚度为2-5mm。
4.如权利要求1所述的提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：左旁通（81）或右旁通（83）与外管（1）之间的过盈量为0.5-1.5mm。
5.如权利要求1所述的提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：橡胶主簧（100）旁通（8）侧的实向处两个液体腔室（9）之间的橡胶厚度为2-6mm。
6.如权利要求1所述的提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：连接体（82）位于左旁通（81）和右旁通（83）之间的厚度为4-15mm。
7.如权利要求1所述的提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：橡胶主簧（100）两端处内笼（3）和内管（2）之间的自由橡胶型面的两个相邻面之间采用椭圆弧连接。
8.如权利要求1所述的提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：橡胶主簧（100）液体腔室（9）处的自由橡胶型面在其轴向上的两个相邻面之间采用椭圆弧连接。
9.如权利要求1所述的提高液压衬套抗疲劳性能的橡胶型面结构，其特征在于：橡胶主簧（100）自由橡胶型面连接处单个椭圆弧的长度为四分之一个椭圆周长。
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