球铰类橡胶弹性元件变刚度方法及球铰类橡胶弹性元件

摘要

一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法及球铰类橡胶弹性元件，采取多段式球铰类橡胶弹性体组合的方式，并使得每一段的球铰类橡胶弹性体的非线性特性不一样，通过将不同非线性特性球铰类橡胶弹性体组合在一个芯轴上，实现整个球铰类橡胶弹性元件不同情况不同径向刚度的变化，从而达到变刚度的目的。球铰类橡胶弹性元件，包括一个金属芯轴、金属外套、弹性橡胶体和金属内套；弹性橡胶体与金属外套和金属内套通过硫化成为一体，且金属内套套在金属芯轴上。本发明的特点在于球铰类橡胶弹性元件为相互独立的三段式弹性体组合结构，整个球铰类橡胶弹性元件是由三个独立的金属外套、弹性橡胶体、金属内套组合构成，弹性体在芯轴上轴向组合起来连接成一个整体。

说明书

技术领域

本发明属于一种减振方法及部件产品，特别是指球铰类橡胶弹性元件变刚度方法及产品，主要用于各种地铁、城市轻轨车辆的转向架用的橡胶弹性元件中，同时也可以适用于工程机械等任何减振弹性连接的部位。

背景技术

球铰类橡胶弹性元件是常用的一种橡胶金属复合的减振元件，可广泛应用于各种减振场所，尤其是在机车车辆的转向架中应用十分普遍。

与金属材料不同，橡胶材料是一种典型的非线性材料，因而用橡胶材料制作而成的弹性元件在刚度性能方面也会表现出非线性，比如钢弹簧在使用极限内，其载荷与变形的比值(即刚度)是一个常数，而橡胶弹性元件则不同，其载荷与变形的比值(即刚度)是不断变化的，对于处于压缩状态的橡胶弹性元件，一般来讲其刚度会随着载荷(或变形)的增大而增大，附图1就是一种典型的线性曲线，而附图2则是一种典型的非线性曲线。

但橡胶弹性元件还有一个特点，就是当橡胶变形较小(一般在橡胶层厚度的10％以内，根据结构不同会有所差异)时，刚度的非线性表现不是太明显，甚至接近线性，在实际使用时一般也会当作线性处理。而随着机车车辆技术和铁路高速、重载发展，越来越多的弹性元件要求具有更加明显的非线性特征(可以称之为变刚度特征，如附图3所示)，比如车辆用一系轴箱弹簧就一种独特的变刚度结构设计，小载荷时垂向刚度非常小，使得空载时车辆具有较大的垂向变形，这样就能保证车辆在空载时也具有良好的动力学性能，但随着垂向载荷的增大，一系轴箱弹簧的垂向刚度急剧增加，其垂向变形的增加速度随着载荷的增加迅速减小，保证车辆在满载时的高度不至于下降太快。同样的道理，如果不设法改变球铰产品结构，而仅仅依靠橡胶材料的非线性特性，也是无法满足刚度要求的。因此，需要一种更新的结构来弥补橡胶材料非线性特征的不足，以满足变刚度的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有球铰类橡胶弹性元件的不足，提供一种非线性特性更加明显的球铰类橡胶弹性元件变刚度方法及球铰类橡胶弹性元件，以达到变刚度的目的。

根据本发明的目的，所提出的技术实施方案是：一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法，采取多段式球铰类橡胶弹性体组合的方式，并使得每一段的球铰类橡胶弹性体的非线性特性不一样，通过将不同非线性特性球铰类橡胶弹性体组合在一个芯轴上，实现整个球铰类橡胶弹性元件不同情况不同径向刚度的变化，从而达到变刚度的目的。

根据上述方法所提出的球铰类橡胶弹性元件，包括一个金属芯轴、金属外套、弹性橡胶体和金属内套；弹性橡胶体与金属外套和金属内套通过硫化成为一体，且金属内套套在金属芯轴上。整个产品的特点在于球铰类橡胶弹性元件为相互独立的三段式弹性体组合结构，整个球铰类橡胶弹性元件是由三个独立的金属外套、弹性橡胶体、金属内套(可加金属隔套)组合构成的，弹性体在芯轴上轴向组合起来连接成一个整体。所述的三段式弹性体包括两件A球铰部件和一个B球铰部件，且A球铰部件和B球铰部件为不同结构和不同刚度的弹性球铰。其中，A球铰和/或B球铰可以分别由金属外套、弹性橡胶体、金属内套组成，弹性橡胶体的外表面与金属外套粘结在一起，弹性橡胶体的内表面与金属内套粘结在一起，金属外套和金属内套均为整体结构。A球铰和/或B球铰也可以分别由金属外套、弹性橡胶体、金属内套和金属隔套组成，金属隔套的数量根据需要确定，弹性橡胶体的数量根据金属隔套的数量而定，每部分弹性橡胶体的外表面与相临的金属外套或金属隔套粘结在一起，弹性橡胶体的内表面与相临的金属隔套或金属内套粘结在一起，金属外套为整体结构，金属隔套和内套为分瓣结构，弹性橡胶体也为分瓣结构，分瓣数为2-4。

而且A球铰的金属内套紧套在芯轴上。B球铰的金属内套与芯轴之间存在一定的间隙，且金属内套的内径曲率R与芯轴的外径曲率r相同，但R与r的圆心位置相差Δ(偏心Δ)，此Δ等于内套内径与芯轴外径之间的间隙。2件A球铰与B球铰的金属外套通过过盈配合轴向连接在一起。

本发明的球铰类橡胶弹性元件由三个相互独立的弹性体组合而成，在轴向方向橡胶是非连续的(有明显的断开面)，而非整体的。其变刚度实现的过程如下：

第一阶段：假设B球铰两瓣内套与芯轴之间的间隙分别为Δ1和Δ2(理论上Δ1＝Δ2)，随着径向载荷的逐渐增大(如图8，假设芯轴固定，径向载荷垂直向下)，Δ2将逐渐变小直至零，Δ1将逐渐变大直至2Δ1或2Δ2。

第二阶段：随着径向载荷的继续增大，Δ1将继续变大，而Δ2一直为零。

刚度特性：第一阶段中，由于Δ2大于零，且B球铰的内套为两瓣，因此球铰类橡胶弹性元件承受径向载荷时，只有A球铰起作用，而B球铰是不提供任何刚度，两件A球铰的并联刚度就是整个球铰类橡胶弹性元件的刚度，由于A球铰的橡胶层厚度大(相对B球铰)，因此整个球铰类橡胶弹性元件具有较小的径向刚度。第一阶段中，Δ2变为零，B球铰开始为整个球铰类橡胶弹性元件提供径向刚度，球铰类橡胶弹性元件的径向刚度开始体现为两件A球铰和一件B球铰的并联刚度，且由于B球铰具有较薄的橡胶层和金属隔片，因而具有较大的径向刚度，从而整个球铰类橡胶弹性元件在第二阶段也体现较大的径向刚度。

通过试验发现按照本发明方法及结构制作出来的球铰类橡胶弹性元件的确拥有更为优异的变刚度性能，非线性特性更加明显。根据不同的组合可以实现不同的变刚度特性曲线。

附图说明

图1为一种典型的线性曲线；

图2为一种典型的非线性曲线；

图3为一种典型的变刚度曲线；

图4为本发明实施例一的结构示意图；

图5为本发明实施例一的结构侧向截面示意图；

图6为本发明实施例一组合前的结构示意图；

图7为本发明实施例一A球铰的结构示意图；

图8为本发明实施例一B球铰的结构示意图；

图9为本发明实施例一B球铰的侧向截面结构示意图；

图10为本发明实施例一B球铰与芯轴组合初使状态图；

图11为本发明实施例一承受载荷时的结构示意图；

图12为本发明实施例一承受载荷时的侧向截面示意图；

图13为本发明实施例二的结构示意图；

图14为本发明实施例二的结构侧向截面示意图；

图15为本发明实施例三的结构示意图；

图16为本发明实施例四的结构示意图；

图17三个实施例的效果曲线图。

图中：1、芯轴；2、A球铰；3、B球铰；4、A球铰金属内套；5、A球铰弹性橡胶体；6、A球铰金属外套；7、接口；8、B球铰金属外套；9、B球铰弹性橡胶体；10、B球铰金属隔套；11、B球铰金属内套；12、径向空气隔离层；13、轴向空气隔离段；14、扇形空隙；15、轴套；16、隔套；17、；。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

实施例一

从附图4—5中可以看出，球铰类橡胶弹性元件是由A球铰2、B球铰3和芯轴1组合构成；其中，A球铰2为两件，B球铰3为一件；A球铰2和B球铰3均套在芯轴1上，且B球铰3位于两个A球铰之间，且A球铰部件和B球铰部件为不同结构和不同刚度的弹性球铰。附图6为本实施例的分体结构示意图。

其中，如图4和图7所示，A球铰2由A球铰金属内套4、A球铰橡胶弹性体5和A球铰金属外套6组成，A球铰橡胶弹性体5位于A球铰金属内套4和A球铰金属外套6之间，且A球铰弹性橡胶体5的内表面与A球铰金属内套4粘结在一起，A球铰弹性橡胶体5的外表面与A球铰金属外套6粘结在一起，A球铰金属内套4通过过盈配合紧套在芯轴1上。

如图4和图8—9所示，B球铰3由B球铰金属外套8、B球铰橡胶弹性体9、B球铰金属隔套10和B球铰金属内套11组成，且B球铰橡胶弹性体9和B球铰金属隔套10为多层结构；B球铰橡胶弹性体9位于B球铰金属外套8与B球铰金属隔套10、或者是B球铰金属隔套10与B球铰金属内套11之间、或者B球铰两个金属隔套10之间；B球铰橡胶弹性体9的外表面与B球铰金属外套8或者B球铰金属隔套10粘结在一起，B球铰橡胶弹性体9的内表面与B球铰金属隔套10或者B球铰金属内套11粘结在一起；B球铰金属外套8为整体结构，B球铰金属隔套10和B球铰金属内套11为分瓣结构，B球铰弹性橡胶体9也为分瓣结构，分瓣数为2-4；B球铰的每两分瓣结构之间有一扇形空隙14，以保证球铰径向压缩时留有一定的压缩空间。在B球铰金属内套11与芯轴1之间存在径向空气隔离层12；在B球铰3与A球铰2之间存在轴向空气隔离段13；且如附图10所示，B球铰金属内套11与芯轴1为偏心结构，B球铰金属内套11的内径曲率R与芯轴1的外径曲率r相同，但R与r的圆心位置相差Δ(偏心Δ)，此Δ等于内套内径与芯轴外径之间的间隙。此外，在A球铰金属外套6与B球铰金属外套8处的二段接口7处为“子口”相配，2件A球铰与B球铰的金属外套通过过盈配合的“子口”轴向连接在一起，以保证B球铰与芯轴1之间的径向空气隔离层12在初始状态处于均匀分布状态。同时A球铰与B球铰同时安装在轴套15内，为过盈配合安装(如附图11—12所示)。

实施例二

附图13—14为本发明的另一个实施例，实施例二与实施例一的结构基本是类似的，只是在A球铰2的橡胶弹性体里增加了隔套16，为类似B球铰3的分瓣式结构，隔套16的数量可根据需要调整，这样也能得到变刚度的产品性能，但较之实施例一，能得到较为陡峭的第一阶段的刚度曲线。

实施例三

附图15为本发明的另一个实施例，实施例三与实施例一的结构是类似的，只是将B球铰弹性橡胶体9取消中间分瓣金属隔套10，这样也能得到变刚度的产品性能，但较之实施例一，能得到较为平缓的第二阶段的刚度曲线。

实施例四

附图16为本发明的另一个实施例，实施例四与实施例二的结构是类似的，只是将B球铰弹性橡胶体9取消中间分瓣金属隔套10，这样也能得到变刚度的产品性能，但较之实施例一，能得到较为陡峭的第一阶段的刚度曲线和较为平缓的第二阶段的刚度曲线。

通过对实施例一至四的试验，发现按照本发明方法及结构制作出来的球铰类橡胶弹性元件的确拥有更为优异的变刚度性能，非线性特性更加明显。根据不同的组合可以实现不同的变刚度特性曲线。实施例一至四的特性曲线如附图17所示。