CN85109016A - 复合弹簧 - Google Patents

Abstract

本弹簧包括一个管状弹性体，最好为橡胶弹性体以及包括一个嵌粘在该弹性体内的螺旋弹簧。该螺旋弹簧控制着在轴向负载作用下弹性体中不稳定对称膨胀的发生。这种不稳定对称膨胀沿着弹性体长度，在螺旋弹簧的相邻圈之间依次产生，直到弹性结合体出现连续的螺纹形状为止。

Description

本发明涉及的是复合弹簧，更详细地说，它是由天然橡胶或其它的弹性材料和一根螺旋弹簧或其它加强件共同结合在一起构成的。文中所用的术语“刚性”指的是复合弹簧的压力与偏移关系曲线中有相对高的弹簧变化率的那些部分，无论是不变的斜率或者是一般的上升变化率，它都是以逐渐增加对压缩变形的抗力为其特征。而所用的术语“柔性”指的是曲线中有相对较低的弹簧变化率的部分，无论变化率增加，减少或者既不增加也不减少它都是以对压缩变形的较小抗力为其特征。

过去，这类复合弹簧已提出过它的压力与偏移的关系曲线，靠近曲线中部处弹簧是柔性的，而在其端部则是刚性的。这一结果可以在一定条件下，根据弹性的不同但又基本稳定的特性来控制弹性材料弹力元件的变形而得到的。在美国专利第2605099号由布朗发明的一例复合弹簧中，该复合弹簧是由呈波形壁截面的橡胶包层和装嵌在其中以加强该包层的钢簧所组成。另一个由布什发明的大体上相似的复合弹簧公布在美国专利号2822165上。

这些复合弹簧的主要缺点是其压力/偏移关系曲线的“柔性”持续段很短，它即使有，也是十分有限的，这在某些要求有较长“柔性”持续段的应用中是不能令人满意的。一个如车辆悬挂系统中的应用，特别在机动车辆悬挂系统中的应用就是这样的。这是因为乘坐的舒适与否常常和悬挂弹簧的压力/偏移曲线中的“柔性”持续段的乘坐特性有关。

本发明提出的一种弹簧，它包括一个细长的管状弹性体和与所述弹性结合在一起用于控制所述弹性体的变形的装置，这样在一个预先设定的轴向负载条件下，沿着所述弹性体长度的若干间隔位置上就出现一种不稳定对称膨胀。

为此，本发明提出的一种复合弹簧在它的一根压力/偏移关系曲线中有较长的“柔性”持续段;根据具体要求，提出一根能选择“刚性”“柔性”持续段并可控制的压力/偏移关系曲线，尤其提供了在预先设定的负荷下，防止“柔性”承载特性超越持续偏移范围的预防措施;以及提出了一个可以“调节”的复合弹簧，所以它很容易适应压力、偏移及其它特殊用途的需要。

本发明的这些特征、目的及优点将在下述的详细说明和权利要求中显得更清楚，连同附图，相同部分有着相等的参考数字。

图1是本发明目前推荐的一个复合弹簧最佳实施例的压力/偏移关系曲线图;

图2是本发明目前推荐的一个复合弹簧最佳实施例的局部纵剖面侧视图，图示为弹簧处于无负载时的放松位置上;

图3是一个类似图2的侧视图，图中表示的是弹簧在图2时承受轴向负载下所出现的不稳定对称膨胀图形;

图4是一个类似图2的侧视图，图中表示的是弹簧在图2时承受轴向负载到头时所出现的不稳定对称膨胀的图形;

图5是图2中弹簧一个内圈部分的一个纵剖面图，它示出其内部形状以及在轴向负载下的内外壁膨胀程度;

图6是图5一个部分的压力/偏移关系曲线图;

图7是五个图5部分的压力/偏移关系曲线图;以及

图8是图2中弹簧一个举例实例的压力/偏移关系曲线图。

参见图2，它是本发明目前推荐的复合弹簧的一个最佳实施例，包括一个管状弹性体10以及以螺旋弹簧12的形式构成的加强装置，该弹簧12嵌入并粘接在该弹性体中，用来控制该弹性体的变形，这样，弹簧的压力/偏移关系曲线就有了两个“刚性”持续段，而每一个都大体上以该弹性体的稳定压缩为特征，还有一个以弹性体不稳定对称膨胀为特征的，处于中间位置上的“柔性”持续段。

参考图1是典型的压力/偏移关系曲线图，如前所述，它包括一个下面的“刚性”持续段14，其刚度是与组成弹性体10所用材料的抗剪弹性模量成比例的。在该区段内，基本上只出现该弹性体的单轴向的压缩，由此就产生一段近似为线性弹簧变化率的大体恒定斜率的曲线。压力/偏移关系曲线还包括一段上面的“刚性”持续段16，其刚度与抗剪弹性模量成比例，但也受将要叙述的其它因素的影响。在该区段内该弹性体处在压缩状态下，不同于区段14，其弹簧变化率是上升的。不管在区段14还是区段16中，该弹性体是在大体稳定压缩条件下变形的。

为了抑止不稳定性以得到较长的中间“柔性”持续段18（图1），由此产生本发明，它提供了不稳定性的控制，从而对称的定了位，亦即这样弹性体就不会受到柱向的或其它不对称的膨胀了。（术语“对称”和“不对称”是和弹性体的纵向轴相关的）。这种控制是由螺旋弹簧12来完成的，因为弹簧嵌粘在筒体10中，它约束着筒形弹性体，使它在沿着与每个弹簧圈一致的螺旋通道19（图3和4）膨胀。无论如何，该弹性体按弹簧12的间距，在螺旋通道19的相邻圈的轴向间隙当中（或者在各弹簧圈12之间）作横向自由膨胀。这样，该复合弹簧就像一个橡胶螺旋弹簧，而横向膨胀的每个“圈”形成一个“螺旋”。

在未偏移状态下，本发明的复合弹簧有一个简单的筒形壁，而在图2所示的纵剖面上呈直线组成状。当施加柱向或轴向的负载于弹性体10时，就出现单轴向的压缩，一直到该弹簧偏移到未受负载时长度的大约20%为止，或且近似0.2H（见图1）。正是在这样一种偏移状态下其局部的不稳定对称膨胀就开始在弹簧12的相邻圈之间依次出现。这时的压力/偏移关系曲线已经沿着经过区段14并逐渐向上到达区段18。如图1及图3所示，当继续偏移并超过大约0.2H时，不稳定对称膨胀在相邻的弹簧圈12之间就会出现横向的向外膨胀，首先出现在弹性体10的中部（如图3所示），依次再发生在其它邻圈上。结果，该复合弹簧的外表面很快就形成一个波纹状的外形。区段18的持续长短相应于偏移的范围，其间不稳定对称膨胀增长，最后呈现出连续的螺旋外形（如图4所示）。当偏移超过约0.6H时，相邻的波纹相触并相互接触到底（见图4所示），进而不稳定膨胀也就基本上停止了。继续偏移使弹性体沿着压力/偏移关系曲线中的区段16（图1）像单轴向压缩的区段14所受单轴向压缩条件那样作进一步的压缩，除了相邻波纹的进一步接触，还产生出一个增加的有效形状因素，因此由上升弹簧变化率替代了线性弹簧变化率。

本发明的一个重要方面就是复合弹簧的特性曲线是各橡胶圈累积作用的结果，也即是，弹簧12的相邻活动圈之间的弹性体部分累积作用的结果。在图5所示的单一内圈的弹性体部分，其轴向压缩的定位效果表现为内壁40及外壁50相应地既向内又向外膨胀。如图中点划线所示，壁40向内的膨胀量，在轴向负载的条件下，它大体上比壁50的向外膨胀量小。与壁40及壁50邻近的内外周或者圈的变形使相对的不可压缩的材料引起弹性体部分的径向地朝外溢出，产生内圈的模向膨胀，橡胶螺旋弹簧的整个情况见图2～4所示。这种变形随着轴向压力的增加而增加，并沿着膨胀表面轴向地分布着，其最大的变形大致出现在弹簧12相邻圈的中间部位上，而在紧靠各圈处的变形为零。由于变形分布所形成的“溢出”造成弹性体部分好像是膨胀的不稳定状态中的瞬间偏移。

由所说的图5中内圈弹性体部分或橡胶螺旋的每一个压力/偏移曲线特性，可以看到它首先是单个，然后是叠加。单个-每一个橡胶螺旋有一根与复合弹簧类似的压力/偏移关系曲线，此外，如图6所示，该曲线有一个负斜率的区段60，这表现出在橡胶螺旋圈内存在着对称膨胀不稳定性。叠加-其膨胀不稳定性是从靠近弹性体中部的橡胶圈开始的，并依次朝向弹性体的两端传送。如图3所示，首先在圈22和圈24之间发生膨胀不稳定性，其后在圈21，22或24，26之间出现，结果，橡胶圈逐个接触到不稳定对称膨胀点，所以螺旋圈不稳定性存在的累加作用表现为多根图6中的压力/偏移关系曲线。如图7所示的复合弹簧压力/偏移关系曲线，是作为多根图6压力/偏移曲线叠加出现的，从而可得出复合弹簧的一根平均压力/偏移关系曲线64。在推导中，单个橡胶圈的负斜率区域是由其它橡胶圈的相反效果所弥补，而未表明出其偏移的状态。曲线64因此有一似类似平直部分，它相当于图1曲线上的区段18。

再参照图1，曲线的平直部分可以在预先设定的负载条件下产生，如图中曲线A、B及C所表示的，即目前所叙述的形成的样子。很明显由图1的这一区段的斜率，不管是正、是零、或是负，它都可根据负载条件来变换的，由这不稳定性出现柔性弹簧特性和其它因素。因而，在不稳定性存在时，出现实际上的轴向偏移力，可以根据沿区段18位置某些情况下的变化作为选择弹簧的设计负载或负载强度，在该处，弹簧受到正、负载荷，并可在需要时加上。设计负载的选择理应取决于实际的应用，例如，在大多数车辆悬浮的用途中，希望选择图1中的点66作为设计负载，它对应于区段18的开始值，以得出一个跨越柔性悬吊偏移的最大有效范围。希望采用的柔软度和范围要不趋出限制在该偏移范围内的某一刚度，这可以根据本发明进一可的原理，靠调节弹簧来控制。

不稳定对称膨胀的出现是能够控制的，所以其复合弹簧是协调的，这样就能出现所希望的图1持续段较长的软区段18。在这些因素中一般控制：壁厚及弹性体长度;弹簧12的尺寸、个数、位置及圈数、节距;组成弹性体材料的性能以及其它因素。将从下面的叙述和要求中使其变得更加明显。

相对簧圈的弹性体壁厚影响着不稳定膨胀的形成。对给定的簧圈空间壁越薄，供弹性体膨胀的趋向也越大。为了控制图5单独内螺圈弹性体部分的补偿作用，最好能逐一预侧不稳定膨胀的出现。最好的是先在弹性体中间或近弹性体中间部位上出现不稳定膨胀，之后逐渐朝向弹性体端部。当完成这一目的，弹性体壁厚应在弹性体的中部较薄，并逐渐向两端变厚。更好的是不稳定膨胀宁可在弹簧圈间向外凸出，而不使其向内凸出，为的是防止或减小所不希望的表面应力。为使向外凸出的倾向增加到最大限度，弹簧12应紧靠壁40嵌入弹性体10中。

弹簧的有效圈数、直径及弹性体的长度都是附加的稳定因素。（“有效”圈指的是弹簧除去末端圈以外的总圈数。其末端的被定为“无效”圈。如图2所示，有效圈设计成参考示数21、22，24及26，而无效圈设计成参考示数28及30）。例如，有效圈数越大或者圈数间的距离越大，则弹性体整个在柱向负载下的不对称膨胀的趋向越大。如弹簧的有效圈数过多，弹性体则基本上被分成如图5的许多内圈体，它趋向于转变为不可预料的非对称的变形条件。太少的有效圈数则会形成过大的圈间距离，另外，在单个部分内容易引起非对称性的膨胀。

弹簧上的直径，或者弹簧12单个圈的断面尺寸是又一个稳定因素由于不适当的圈直径而缺少足够的加强作用，弹性体就趋向不对称膨胀根据众所周知的柱向负载的原理，这取决于它的长度。如果单圈的直径过大，不管怎样，弹簧12将承受如图1曲线20所示的较大的负载量，它将相应地减损弹性材料的有利负载作用。不应暴露每个圈，而最好选取比弹性体壁厚度稍小一些的最大直径。在许多实际情况中，每个簧圈直径实际上小于壁厚。

可由下述来表达这些情况：

（a）稳定因素（S）

S＝ (（R-r）n)/(2H) （1）

（b）加强效果因素（E）

E＝ (（R-r）)/(t) （2）

见图1所示，这里

H＝弹性体10的长度，或是柱体总高度

n＝弹簧的有效圈数

r＝弹性体10的内径

R＝弹性体10的外径

t＝弹簧12的簧丝直径

（R-r）＝弹性体壁的厚度

在上述式（1）中，可取稳定因素S在0.03～0.8之间，最好在0.05～0.2之间。在上述式（2）中，可取加强效果因素E在0.03～5之间，最好在0.05～3之间。除上述内容外，每当R/2H之比小于近似0.1时，那很可能出现不能接受的不稳定性。

根据材料的性能，或弹性体10的壁厚，或根据两者，就有可能来控制沿图1出现在区段18垂直座标上的压力点66。对已定弹簧结构硬度上的增减或者弹性体材料抗剪弹性横量的增减，都会在沿压力座标轴区段18上产生相应的上下变化。参照图1，曲线A、B和C相应代表所用弹性体材料的抗剪弹性横量逐渐增加的效果。同样，对于一给定抗剪弹性横量或者材料的硬度，靠弹性体10的壁厚（R-r）增减也能得到相似的变化（图2）。因此，可以用预先设定的设计负荷来构成复合弹簧，则就会在区段18上产生有关的柔软度。区段14，16及18内的变化，也可以在上述（1）式和（2）式中的规定内，用调节弹簧有效圈数来实现，或者用调节弹簧12的节距，或两者都采用。这在车辆悬架的应用上是一种特殊的优点，它可以在一定的设计负载下协调悬挂弹簧元件来得到柔软的乘坐效果。

目前最佳的弹性体10材料是以天然橡胶混以常用的配料，来形成一种工程级的硫化橡胶，尽管它也可以采用适当的合成弹性材料，或者是天然橡胶混以合成弹性料的混合物。另外，作为基本的负载承受材料，这种橡胶既依靠隔离又依靠阻尼而提供了减弱从不加弹簧的物体传送至支在弹簧上的物体所有的震动或冲撞。降低稳定支在弹簧上物体中的弹簧刚度来减小其自然频率，或者用不变的刚度来增加支在弹簧上的物体中的弹簧强度以减小其自然频率。至于本发明的橡胶螺旋弹簧，它在设计负载下的静态刚性及动态刚性都是低的，其自然频率也是低的，还与良好的震动缩减相一致。这种橡胶螺旋弹簧格外提供了有效的隔离，这是用比弹簧/物体系统的自然频率高的频率进行隔离的，这样就在它的弹力增加时，震幅减小。橡胶螺旋弹簧有着更进一步的优点，和全金属弹簧相比，它在高度协调的传送装置中的敏感极小而保持着特有的稳定，在许多实例中，它明显地要比全金属弹簧稳定得多，并且能减少任何共振条件的影响，它还存在着没有遇到过的弹簧/物体系统固有振动频率的扰动频率。

这是增加混合橡胶固有阻尼众所周知的结论，在取除压缩负载后，残余变形将有所增加。这正如负载下的塑性变形。这些效能可引用到弹簧长度，从而使支在弹簧上物体的高度逐渐缩小的特殊用途上，例如，它能在某些车辆悬幅架的应用中对保险杆高度起作用。无论是何，在安装前采用预压橡胶螺旋弹簧的办法，可以控制这些影响，并能保持在适当的限度内。这是人所共知的，橡胶中的物理蠕变率近似以时间为对数的常数，一般讲到的是最实际的车辆悬浮上的应用。这样，蠕变的影响可缩小到最小限度，或者简单地用预压橡胶螺旋弹簧来消除，为了弹簧的使用寿命，或者用算出的时间周期对橡胶螺旋弹簧预设应力，以补偿生期的蠕变量。

最好用螺旋弹簧12作为加强物，把形成的不稳定膨胀限制在其间位置。既嵌入了弹簧又使与橡胶粘接而形成弹性体10，这可以用任何合适的橡胶粘接剂来完成。然而，应当承认，其它类型或形状的环状减震器诸如排列在螺旋模子中的轮胎帘布或纤维材料，一般可用来代替或者与弹簧一起使用。另一种可行的结构是把分开的环粘接在一起而成为一种叠加关系，并以适当的分隔器粘接其间以促使横向膨胀。既不是这些环，也不是弹性体10需要园形的横断面，它可以呈椭圆形状、多平面边状或者其它形状的断面，根据本发明的原理，得出可接受的变形状态，尽管它可以由加强纤维，塑料或者其它非金属并含有合适的结构性能成分的材料做加强物，但最好用金属做的弹簧。而且，它也不是经常需要把弹簧粘接到橡胶上，也不需要把弹簧充分的嵌在弹性体的壁中，或者两者都不需要。所给出的摩擦及其它机械和热效果和这些结构上的变化一起产生满意的结果。

如图示及描述的橡胶螺旋弹簧是打算给予轴向柱形的负荷的。如图1所示，弹性体10的端部是平面的，并惯伸到纵向轴上。这种复合弹簧对图中70及图中72平行面之间的轴向柱形负载是合适的，不管怎样，它容易适应不平行面承受的负载，而使装在枢轴上的是一块或几块板。可以遇到在车辆悬架的例子中，有用A形杆或叉臂架作为枢轴的。在这些应用中，弹性体的端部将和纵向轴线形成一个角度，或者横板相应地倾斜，或者是两者。所形成的合成力向量是沿着纵向轴线的，这能适应支在弹簧上的物体或不加弹簧的物体的摆动运动，对其所需的大小要能够达到控制前面所述的不稳定对称膨胀。它也可容易地适用于非平面端，例如，弹簧端部切成平的而不是园的，形成阶梯状的端部，使能设置在合适的定位器中。

为了用图解说明本发明的上述原理，而不是作为条件的限制，例举如下。

例子

橡胶螺旋弹簧一般与图2中所示的相似，其中的内径（r）＝41mm，外径（R）＝55mm，自由长度（H）＝300mm，五个有效圈，确定的天然橡胶为50个国际橡胶硬度标度。这个弹簧的压力/偏移关系曲线和设计负载在图8中表示出。该弹簧将在车辆悬挂系统中概括地给出“柔性”乘坐特性。

虽然本发明目前推荐的实例已经在这里图示并叙述过，多种变化将使本文的规定技术变得明白。所以，本发明并不限制在这里所图示和叙述过的具体实例中，而本发明的实际范围是由有关的权利要求所决定的。

Claims (17)

1、一种弹簧，它包括一个细长的管状弹性体和与所述弹性体结合在一起用于控制所述弹性体变形的装置，这样在一个预先设定的轴向负载条件下，沿着所述弹性体长度的若干间隔位置上就出现一种不稳定的对称膨胀。

2、在权利要求1中的弹簧，其中所述不稳定膨胀使弹性结合体呈现连续螺旋形式。

3、在权利要求2中的弹簧，其中所述控制装置包括具有若干簧圈的螺旋弹簧，在簧圈间形成所述弹性结合体螺旋。

4、在权利要求3中的弹簧，其中所述弹性体和所述螺旋弹簧，是根据下面式子构成并安排的：

（a）S＝ (（R-r）n)/(2H)

（b）E＝ (（R-r）)/(t)

这里（如图2所示出的）：

H＝所述弹性体的总的轴向长度，

n＝所述螺旋弹簧的总圈数，

r＝所述弹性体的内径，

R＝所述弹性体的外径，

（R-r）＝所述弹性体的壁厚，以及

t＝所述螺旋弹簧的簧圈钢丝直径，

其中S值大约在0.03和0.8之间，而E值大约在0.03和5.0之间。

5、在权利要求4中的弹簧，其中S值大约在0.05和0.2之间，而E值大约在0.05和3.0之间。

6、在权利要求4或5中的弹簧，其中R/2H比值大约小于0.1。

7、在权利要求3、4、5或6中的弹簧，其中所述螺旋弹簧是嵌在所述弹性体中的。

8、在权利要求7中的弹簧，其中所述螺旋弹簧是与所述弹性体相粘接的。

9、在上述权利要求任何一项中的弹簧，其中所述弹性体是由一种与所述预先设定负载条件有关的，经选择过硬度的材料所组成。

10、在权利要求1至8中任一项的弹簧，其中所述弹性体是由天然橡胶混合物所组成。

11、在权利要求10中的弹簧，其中所述混合物是预压的。

12、在权利要求10或11中的弹簧，其中所述弹性体端部是相对于加力方向构成和安排的。

13、在权利要求8中的弹簧，其中所述弹性体，在没有负载时，它的外表基本上呈圆柱形状，而在满载时，其外表基本上呈连续螺旋形状;所述弹性体和所述螺旋弹簧是这样构成和安排的;在预先设定的轴向负载条件下，所述外表面在所述螺旋弹簧相邻圈之间，以不稳定但对称的方式向外膨胀，其膨胀从靠近所述弹性体的中部开始，通过相邻圈朝向所述弹性体的端部依次膨胀，直到出现所述连续螺旋形状为止。

14、在权利要求13中的弹簧，其中所述弹性体是由天然橡胶混合物所组成。

15、在权利要求1中的弹簧，其中所述控制装置包括沿所述弹性体长度间隔设置并固定到所述弹性体上的装置，以加强该弹性体，防止在轴向压力下的横向膨胀，这样就使得所述弹性体在所述预定的轴向负载条件下，能把不稳定的对称膨胀限制在这些间隔部位之间。

16、在权利要求1中的弹簧，其中所述弹性体包括沿着一根共轴线作用在一起的许多独立弹簧部分，所述部分是能同时压缩的，而时刻经受着不稳定的压缩，以在所述预定负载条件下产生出逐渐增加的柔软弹簧特性。

17、在权利要求16中的弹簧，其中所述部分经受着依次选定的不稳定的压缩，以提供所述柔软弹簧特性。

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