專利名稱：球鉸類橡膠彈性元件變剛度方法及球鉸類橡膠彈性元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種減振方法及部件產(chǎn)品，特別是指球鉸類橡膠彈性元件變剛 度方法及產(chǎn)品，主要用于各種地鐵、城市輕軌車輛的轉(zhuǎn)向架用的橡膠彈性元件 中，同時(shí)也可以適用于工程機(jī)械等任何減振彈性連接的部位。
背景技術(shù)：
球鉸類橡膠彈性元件是常用的一種橡膠金屬復(fù)合的減振元件，可廣泛應(yīng)用 于各種減振場所，尤其是在機(jī)車車輛的轉(zhuǎn)向架中應(yīng)用十分普遍。
與金屬材料不同，橡膠材料是一種典型的非線性材料，因而用橡膠材料制 作而成的彈性元件在剛度性能方面也會(huì)表現(xiàn)出非線性，比如鋼彈簧在使用極限 內(nèi)，其載荷與變形的比值(即剛度)是一個(gè)常數(shù)，而橡膠彈性元件則不同，其 載荷與變形的比值(即剛度)是不斷變化的，對于處于壓縮狀態(tài)的橡膠彈性元 件， 一般來講其剛度會(huì)隨著載荷(或變形)的增大而增大，附圖l就是一種典
型的線性曲線，而附圖2則是一種典型的非線性曲線。
但橡膠彈性元件還有一個(gè)特點(diǎn)，就是當(dāng)橡膠變形較小(一般在橡膠層厚度 的10%以內(nèi)，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同會(huì)有所差異)時(shí)，剛度的非線性表現(xiàn)不是太明顯， 甚至接近線性，在實(shí)際使用時(shí)一般也會(huì)當(dāng)作線性處理。而隨著機(jī)車車輛技術(shù)和 鐵路高速、重載發(fā)展，越來越多的彈性元件要求具有更加明顯的非線',征(可 以稱之為變剛度特征，如附圖3所示)，比如車輛用一系軸箱彈簧就一種獨(dú)特 的變剛度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，小載荷時(shí)垂向剛度非常小，使得空載時(shí)車輛具有較大的垂 向變形，這樣就能保證車輛在空載時(shí)也具有良好的動(dòng)力學(xué)性能，但隨著垂向載 荷的增大， 一系軸箱彈簧的垂向剛度急劇增加，其垂向變形的增加速度隨著載
荷的增加迅速減小，保證車輛在滿載時(shí)的高度不至于下降太快。同樣的道理， 如果不設(shè)法改變球鉸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而僅僅依靠橡膠材料的非線性特性，也是無法 滿足剛度要求的。因此，需要一種更新的結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)橡膠材料非線性特征的不 足，以滿足變剛度的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有球鉸類橡膠彈性元件的不足，提供一種非線性 特性更加明顯的球鉸類橡膠彈性元件變剛度方法及球鉸類橡膠彈性元件，以達(dá) 到變剛度的目的。
根據(jù)本發(fā)明的目的，所提出的技術(shù)實(shí)施方案是 一種球鉸類橡膠彈性元件 變剛度方法，采取多段式球鉸類橡膠彈性體組合的方式，并使得每一段的球鉸 類橡膠彈性體的非線性特性不一樣，通過將不同非線性特性球鉸類橡膠彈性體 組合在一個(gè)芯軸上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件不同情況不同徑向剛度的變 化，從而達(dá)到變剛度的目的。
根據(jù)上述方法所提出的球鉸類橡膠彈性元件，包括一個(gè)金屬芯軸、金屬外 套、彈性橡膠體和金屬內(nèi)套；彈性橡膠體與金屬外套和金屬內(nèi)套通過硫化成為 一體，且金屬內(nèi)套套在金屬芯軸上。整個(gè)產(chǎn)品的特點(diǎn)在于球鉸類橡膠彈性元件 為相互獨(dú)立的三段式彈性體組合結(jié)構(gòu)，整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件是由三個(gè)獨(dú)立 的金屬外套、彈性橡膠體、金屬內(nèi)套(可加金屬隔套)組合構(gòu)成的，彈性體在 芯軸上軸向組合起來連接成一個(gè)整體。所述的三段式彈性體包括兩件A球鉸部 件和一個(gè)B球鉸部件，且A球鉸部件和B球鉸部件為不同結(jié)構(gòu)和不同剛度的 彈性球鉸。其中，A球鉸和/或B球鉸可以分別由金屬外套、彈性橡膠體、金屬 內(nèi)套組成，彈性橡膠體的外表面與金屬外套粘結(jié)在一起，彈性橡膠體的內(nèi)表面 與金屬內(nèi)套粘結(jié)在一起，金屬外套和金屬內(nèi)套均為整體結(jié)構(gòu)。A球鉸和/或B
球鉸也可以分別由金屬外套、彈性橡膠體、金屬內(nèi)套和金屬隔套組成，金屬隔 套的數(shù)量根據(jù)需要確定，彈性橡膠體的數(shù)量根據(jù)金屬隔套的數(shù)量而定，每部分 彈性橡膠體的外表面與相臨的金屬外套或金屬隔套粘結(jié)在一起，彈性橡膠體的 內(nèi)表面與相臨的金屬隔套或金屬內(nèi)套粘結(jié)在一起，金屬外套為整體結(jié)構(gòu)，金屬
隔套和內(nèi)套為分瓣結(jié)構(gòu)，彈性橡膠體也為分瓣結(jié)構(gòu)，分瓣數(shù)為2-4。
而且A球鉸的金屬內(nèi)套緊套在芯軸上。B球鉸的金屬內(nèi)套與芯軸之間存在 一定的間隙，且金屬內(nèi)套的內(nèi)徑曲率R與芯軸的外徑曲率r相同，但R與r的 圓心位置相差A(yù) (偏心A)，此A等于內(nèi)套內(nèi)徑與芯軸外徑之間的間隙。2件A
球鉸與B球鉸的金屬外套通過過盈配合軸向連接在一起。
本發(fā)明的球鉸類橡膠彈性元件由三個(gè)相互獨(dú)立的彈性體組合而成，在軸向 方向橡膠是非連續(xù)的(有明顯的斷開面)，而非整體的。其變剛度實(shí)現(xiàn)的過程 如下
第一階段假設(shè)B球鉸兩瓣內(nèi)套與芯軸之間的間隙分別為A1和A2(理論 上A1-A2)，隨著徑向載荷的逐漸增大(如圖8，假設(shè)芯軸固定，徑向載荷垂 直向下)，A2將逐漸變小直至零，A1將逐漸變大直至2A1或2A2。
第二階段隨著徑向載荷的繼續(xù)增大，Al將繼續(xù)變大，而A2—直為零。 剛度特性第一階段中，由于A2大于零，且B球鉸的內(nèi)套為兩瓣，因此 球鉸類橡膠彈性元件承受徑向載荷時(shí)，只有A球鉸起作用，而B球鉸是不提供 任何剛度，兩件A球鉸的并聯(lián)剛度就是整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件的剛度，由于 A球鉸的橡膠層厚度大(相對B球鉸)，因此整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件具有較小 的徑向剛度。第一階段中，A2變?yōu)榱?，B球鉸開始為整個(gè)球鉸類橡膠彈性元 件提供徑向剛度，球鉸類橡膠彈性元件的徑向剛度開始體現(xiàn)為兩件A球鉸和一 件B球鉸的并聯(lián)剛度，且由于B球鉸具有較薄的橡膠層和金屬隔片，因而具有
較大的徑向剛度，從而整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件在第二階段也體現(xiàn)較大的徑向 剛度。
通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)按照本發(fā)明方法及結(jié)構(gòu)制作出來的球鉸類橡膠彈性元件的 確擁有更為優(yōu)異的變剛度性能，非線性特性更加明顯。根據(jù)不同的組合可以實(shí) 現(xiàn)不同的變剛度特性曲線。


圖1為一種典型的線性曲線；
圖2為一種典型的非線性曲線；
圖3為一種典型的變剛度曲線；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)側(cè)向截面示意圖6為本發(fā)明實(shí)施例一組合前的結(jié)構(gòu)示意圖7為本發(fā)明實(shí)施例一 A球鉸的結(jié)構(gòu)示意圖8為本發(fā)明實(shí)施例一 B球鉸的結(jié)構(gòu)示意圖9為本發(fā)明實(shí)施例一 B球鉸的側(cè)向截面結(jié)構(gòu)示意圖10為本發(fā)明實(shí)施例一 B球鉸與芯軸組合初使?fàn)顟B(tài)圖11為本發(fā)明實(shí)施例一承受載荷時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖12為本發(fā)明實(shí)施例一承受載荷時(shí)的側(cè)向截面示意圖13為本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖14為本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)側(cè)向截面示意圖15為本發(fā)明實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖16為本發(fā)明實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意圖17三個(gè)實(shí)施例的效果曲線圖。
圖中1、芯軸；2、 A球鉸；3、 B球鉸；4、 A球鉸金屬內(nèi)套；5、 A球鉸 彈性橡膠體；6、 A球鉸金屬外套；7、接口； 8、 B球鉸金屬外套；9、 B球鉸彈 性橡膠體；10、 B球鉸金屬隔套；11、 B球鉸金屬內(nèi)套；12、徑向空氣隔離層； 13、軸向空氣隔離段；14、扇形空隙；15、軸套；16、隔套；17、；。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
實(shí)施例一
從附圖4一5中可以看出，球鉸類橡膠彈性元件是由A球鉸2、 B球鉸3和 芯軸l組合構(gòu)成；其中，A球鉸2為兩件，B球鉸3為一件；A球鉸2和B球 鉸3均套在芯軸1上，且B球鉸3位于兩個(gè)A球鉸之間，且A球鉸部件和B 球鉸部件為不同結(jié)構(gòu)和不同剛度的彈性球鉸。附圖6為本實(shí)施例的分體結(jié)構(gòu)示 意圖。
其中，如圖4和圖7所示，A球鉸2由A球鉸金屬內(nèi)套4、 A球鉸橡膠彈 性體5和A球鉸金屬外套6組成，A球鉸橡膠彈性體5位于A球鉸金屬內(nèi)套4 和A球鉸金屬外套6之間，且A球鉸彈性橡膠體5的內(nèi)表面與A球鉸金屬內(nèi)套 4粘結(jié)在一起，A球鉸彈性橡膠體5的外表面與A球鉸金屬外套6粘結(jié)在一起， A球鉸金屬內(nèi)套4通過過盈配合緊套在芯軸1上。
如圖4和圖8—9所示，B球鉸3由B球鉸金屬外套8、 B球鉸橡膠彈性體 9、 B球鉸金屬隔套10和B球鉸金屬內(nèi)套11組成，且B球鉸橡膠彈性體9和B 球鉸金屬隔套10為多層結(jié)構(gòu)；B球鉸橡膠彈性體9位于B球鉸金屬外套8與B 球鉸金屬隔套10、或者是B球鉸金屬隔套10與B球鉸金屬內(nèi)套11之間、或者 B球鉸兩個(gè)金屬隔套10之間；B球鉸橡膠彈性體9的外表面與B球鉸金屬外套 8或者B球鉸金屬隔套10粘結(jié)在一起，B球鉸橡膠彈性體9的內(nèi)表面與B球鉸
金屬隔套10或者B球鉸金屬內(nèi)套11粘結(jié)在一起；B球鉸金屬外套8為整體結(jié) 構(gòu)，B球鉸金屬隔套lO和B球鉸金屬內(nèi)套ll為分瓣結(jié)構(gòu)，B球鉸彈性橡膠體9 也為分瓣結(jié)構(gòu)，分瓣數(shù)為2-4; B球鉸的每兩分瓣結(jié)構(gòu)之間有一扇形空隙14， 以保證球鉸徑向壓縮時(shí)留有一定的壓縮空間。在B球鉸金屬內(nèi)套11與芯軸1 之間存在徑向空氣隔離層12;在B球鉸3與A球鉸2之間存在軸向空氣隔離 段13;且如附圖10所示，B球鉸金屬內(nèi)套ll與芯軸l為偏心結(jié)構(gòu)，B球鉸金 屬內(nèi)套ll的內(nèi)徑曲率R與芯軸1的外徑曲率r相同，但R與r的圓心位置相 差A(yù) (偏心A)，此A等于內(nèi)套內(nèi)徑與芯軸外徑之間的間隙。此夕卜，在A球鉸 金屬外套6與B球鉸金屬外套8處的二段接口 7處為"子口"相配，2件A球 鉸與B球鉸的金屬外套通過過盈配合的"子口"軸向連接在一起，以保證B球 鉸與芯軸1之間的徑向空氣隔離層12在初始狀態(tài)處于均勻分布狀態(tài)。同時(shí)A 球鉸與B球鉸同時(shí)安裝在軸套15內(nèi)，為過盈配合安裝(如附圖11一12所示)。 實(shí)施例二
附圖13 — 14為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，實(shí)施例二與實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)基本 是類似的，只是在A球鉸2的橡膠彈性體里增加了隔套16，為類似B球鉸3 的分瓣式結(jié)構(gòu)，隔套16的數(shù)量可根據(jù)需要調(diào)整，這樣也能得到變剛度的產(chǎn)品 性能，但較之實(shí)施例一，能得到較為陡峭的第一階段的剛度曲線。
實(shí)施例三
附圖15為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，實(shí)施例三與實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)是類似的， 只是將B球鉸彈性橡膠體9取消中間分瓣金屬隔套10，這樣也能得到變剛度的 產(chǎn)品性能，但較之實(shí)施例一，能得到較為平緩的第二階段的剛度曲線。
實(shí)施例四
附圖16為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，實(shí)施例四與實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)是類似的，
只是將B球鉸彈性橡膠體9取消中間分瓣金屬隔套10，這樣也能得到變剛度的 產(chǎn)品性能，但較之實(shí)施例一，能得到較為陡峭的第一階段的剛度曲線和較為平 緩的第二階段的剛度曲線。
通過對實(shí)施例一至四的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)按照本發(fā)明方法及結(jié)構(gòu)制作出來的球鉸 類橡膠彈性元件的確擁有更為優(yōu)異的變剛度性能，非線性特性更加明顯。根據(jù) 不同的組合可以實(shí)現(xiàn)不同的變剛度特性曲線。實(shí)施例一至四的特性曲線如附圖 17所示。
權(quán)利要求
1.一種球鉸類橡膠彈性元件變剛度方法，其特征在于采取多段式球鉸類橡膠彈性體組合的方式，并使得每一段的球鉸類橡膠彈性體的非線性特性不一樣，通過將不同非線性特性球鉸類橡膠彈性體組合在一個(gè)芯軸上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件不同情況不同徑向剛度的變化。
2. —種球鉸類橡膠彈性元件，包括一個(gè)金屬芯軸、金屬外套、彈性橡膠體 和金屬內(nèi)套；彈性橡膠體與金屬外套和金屬內(nèi)套通過硫化成為一體，且金屬內(nèi) 套套在金屬芯軸上；其特征在于球鉸類橡膠彈性元件為相互獨(dú)立的三段式彈 性體組合結(jié)構(gòu)，整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件是由三個(gè)獨(dú)立的金屬外套、彈性橡膠 體、金屬內(nèi)套組合構(gòu)成的，彈性體在芯軸上軸向組合起來連接成一個(gè)整體。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種球鉸類橡膠彈性元件，其特征在于所述的三 段式彈性體包括兩件A球鉸部件和一個(gè)B球鉸部件，且A球鉸部件和B球鉸 部件為不同結(jié)構(gòu)和不同剛度的彈性球鉸。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種球鉸類橡膠彈性元件，其特征在于所述的A 球鉸和/或B球鉸分別由金屬外套、彈性橡膠體、金屬內(nèi)套組成，彈性橡膠體的 外表面與金屬外套粘結(jié)在一起，彈性橡膠體的內(nèi)表面與金屬內(nèi)套粘結(jié)在一起， 金屬外套和金屬內(nèi)套均為整體結(jié)構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種球鉸類橡膠彈性元件，其特征在于所述的A 球鉸和/或B球鉸分別由金屬外套、彈性橡膠體、金屬內(nèi)套和金屬隔套組成，每 部分彈性橡膠體的外表面與相臨的金屬外套或金屬隔套粘結(jié)在一起，彈性橡膠 體的內(nèi)表面與相臨的金屬隔套或金屬內(nèi)套粘結(jié)在一起，金屬外套為整體結(jié)構(gòu)， 金屬隔套和內(nèi)套為分瓣結(jié)構(gòu)，彈性橡膠體也為分瓣結(jié)構(gòu)，分瓣數(shù)為2-4。
6. 如權(quán)利要求3所述的一種球鉸類橡膠彈性元件，其特征在于所述的A球鉸的金屬內(nèi)套緊套在芯軸上；B球鉸的金屬內(nèi)套與芯軸之間存在一定的間隙， 且金屬內(nèi)套的內(nèi)徑曲率R與芯軸的外徑曲率r相同，但R與r為偏心結(jié)構(gòu)，偏 心等于內(nèi)套內(nèi)徑與芯軸外徑之間的間隙；2件A球鉸與B球鉸的金屬外套通過 過盈配合軸向連接在一起。
7. 如權(quán)利要求3所述的一種球鉸類橡膠彈性元件，其特征在于B球鉸的 每兩分瓣結(jié)構(gòu)之間有一扇形空隙，以保證球鉸徑向壓縮時(shí)留有一定的壓縮空 間。
8. 如權(quán)利要求3所述的一種球鉸類橡膠彈性元件，其特征在于所述的B 球鉸金屬內(nèi)套與芯軸之間存在徑向空氣隔離層；在B球鉸3與A球鉸之間存 在軸向空氣隔離段。
9. 如權(quán)利要求3所述的一種球鉸類橡膠彈性元件，其特征在于所述的A 球鉸金屬外套與B球鉸金屬外套處的二段接口處為"子口"相配，2件A球鉸 與B球鉸的金屬外套通過過盈配合的"子口"軸向連接在一起，以保證B球鉸 與芯軸之間的徑向空氣隔離層在初始狀態(tài)處于均勻分布狀態(tài)。
全文摘要
一種球鉸類橡膠彈性元件變剛度方法及球鉸類橡膠彈性元件，采取多段式球鉸類橡膠彈性體組合的方式，并使得每一段的球鉸類橡膠彈性體的非線性特性不一樣，通過將不同非線性特性球鉸類橡膠彈性體組合在一個(gè)芯軸上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件不同情況不同徑向剛度的變化，從而達(dá)到變剛度的目的。球鉸類橡膠彈性元件，包括一個(gè)金屬芯軸、金屬外套、彈性橡膠體和金屬內(nèi)套；彈性橡膠體與金屬外套和金屬內(nèi)套通過硫化成為一體，且金屬內(nèi)套套在金屬芯軸上。本發(fā)明的特點(diǎn)在于球鉸類橡膠彈性元件為相互獨(dú)立的三段式彈性體組合結(jié)構(gòu)，整個(gè)球鉸類橡膠彈性元件是由三個(gè)獨(dú)立的金屬外套、彈性橡膠體、金屬內(nèi)套組合構(gòu)成，彈性體在芯軸上軸向組合起來連接成一個(gè)整體。
文檔編號B61G5/02GK101368609SQ20081014302
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者伍華東, 孫海燕, 張春良 申請人:株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司