一种对整体式空、实向橡胶节点进行补强的方法与流程

本发明涉及一种补强方法，尤其涉及一种对整体式空、实向橡胶节点进行补强的方法。

背景技术：

橡胶节点应用于车辆转向架悬挂系统中，是实现车辆牵引或者制动平稳保证车辆动力学舒适性的关键元件之一。在轨道车辆中，橡胶节点分别安装在牵引拉杆的两端作为柔性连接关节，牵引拉杆的一端通过橡胶节点连接在转向架上，其另一端通过橡胶节点与车体相连，用于传递转向架和车体之间的牵引力和制动力，从而使轨道车辆在牵引和制动以及运行时具有良好的动力学舒适性。橡胶节点的技术方案按其结构大体分为三种类型：整体式回转体橡胶节点、整体式空、实向橡胶节点以及组装式分瓣橡胶节点。

现有的整体式空、实向橡胶节点的结构包括金属芯轴、金属外套以及带空隙的橡胶弹性体，三者通过特定的硫化过程硫化成型为一整体后，一般再通过径向挤压并二次精加工形成成品，在橡胶节点中，从其中心点往具有空隙的橡胶弹性体延伸的方向为该橡胶节点的空向，从其中心点往不具有空隙的橡胶弹性体延伸的方向为该橡胶节点的实向。图1为一种设置有两个空隙1的整体式空、实向橡胶节点，两个空隙1关于金属芯轴2的轴线对称分布，在该图中，X向代表该橡胶节点的实向，Y向代表该橡胶节点的空向，因此从图1中可以看出，空、实向在该橡胶节点上沿周向依次交替分布。

当加工时对图1中的橡胶节点进行径向挤压后，橡胶节点的金属外套变形程度差异大而形成一个椭圆，影响橡胶节点的安装，这种现象称为产品椭圆现象。另外，在橡胶节点的工作过程中，受到工作载荷的影响，橡胶节点随着使用时间的增加，其产品椭圆程度会更加明显，这样，橡胶节点的椭圆现象一方面会影响产品的性能及使用寿命，另外一方面，其会损坏其他与之相关的装配件。

公开号为CN101520076A，公开日为2009年9月2日的中国发明专利公开了一种弹性元件变刚度方法，包括外套、内套和弹性橡胶体，该方法包括在弹性元件的工作方向上对称的掏空弹性橡胶体，形成空气隔离区，使该方向产生一个空气段而形成不连续结构，通过弹性元件的不同部位提供不同阶段的产品径向刚度，实现整个弹性元件不同情况不同径向刚度的变化。

上述专利文献中的弹性元件中由于存在空、实向，在受到径向挤压后，其金属外套在空、实向上变形程度的差异也会很大，从而产生上述问题。

图2为一种设置有三个空隙的整体式空、实向橡胶节点，其中的两个空隙1关于金属芯轴2的轴线对称分布，在该图中，X向代表该橡胶节点的实向，Y向代表该橡胶节点的空向，因此从图2中可以看出，空、实向在该橡胶节点上也是沿周向依次交替分布的。

图2中的整体式空、实向橡胶节点在进行径向挤压后，也会出现橡胶节点的金属外套变形程度差异大，导致产生影响橡胶节点的安装、影响产品的性能及使用寿命和损坏其他与之相关的装配件的问题。

综上，如何设计一种方法，使其能减小金属外套在空、实向上变形程度的差异，以便于安装，提高橡胶节点的性能及使用寿命且能避免损坏其他与之相关的装配件是急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种对整体式空、实向橡胶节点进行补强的方法，其能减小金属外套在空、实向上变形程度的差异，以便于安装，提高了橡胶节点的性能及使用寿命且能避免损坏其他与之相关的装配件。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种对整体式空、实向橡胶节点进行补强的方法，所述方法是通过在整体式空、实向橡胶节点中金属外套的内壁上且位于应力过渡区内设置补强结构凸块来对金属外套进行补强的，所述补强结构凸块的形状是根据设计要求中整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量与整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度之间的关系来确定的或根据应力过渡区的周长与整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长之间的关系来确定的或根据补强结构凸块的径向最大厚度与整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度之间的关系来确定的。

优选的，当整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量≤橡胶弹性体的径向厚度的8%时，补强结构凸块采用圆弧形；当橡胶弹性体的径向厚度的8%＜整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量＜橡胶弹性体的径向厚度的15%时，补强结构凸块采用梯形；当整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量≥橡胶弹性体的径向厚度的15%时，补强结构凸块采用三角形。

优选的，当应力过渡区的周长≤整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长的1/4时，补强结构凸块采用圆弧形；当整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长的1/4＜应力过渡区的周长＜整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长的3/4时，补强结构凸块采用梯形；当应力过渡区的周长≥整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长的3/4时，补强结构凸块采用三角形。

优选的，当补强结构凸块的径向最大厚度≤整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的25%时，补强结构凸块采用梯形；当整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的25%＜补强结构凸块的径向最大厚度＜整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的50%时，补强结构凸块采用圆形；当补强结构凸块的径向最大厚度≥整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的50%时，补强结构凸块采用三角形。

优选的，所述方法的具体步骤为：

（1）、根据整体式空、实向橡胶节点的刚度要求，确定整体式空、实向橡胶节点的空向和实向的具体结构；

（2）、通过有限元法计算整体式空、实向橡胶节点受到径向挤压后的作用力及应力分布状况；

（3）、根据第（2）步骤中的计算结果确定出应力过渡区，将圆弧形或梯形或三角形的补强结构凸块设置到金属外套的内壁上且位于应力过渡区内的位置处，得到具有补强结构凸块的整体式空、实向橡胶节点；

（4）、通过有限元法计算具有补强结构凸块的整体式空、实向橡胶节点的刚度、挤压后的作用力及应力分布状况；

（5）、检查第（4）步骤中计算出的刚度、挤压后的作用力及应力分布状况是否符合要求；如果都符合要求，则完成整个补强步骤；如果其中有一项不符合要求，则沿金属外套的内壁在应力过渡区内调整补强结构凸块的位置，再返回从第（4）步骤开始执行直至完成整个补强步骤。

优选的，所述第（2）步骤中有限元法计算是通过三维软件建立模型，根据实际载荷确定整体式空、实向橡胶节点各部件材料属性进行分析计算，得到金属外套和金属芯轴的应力应变云图，确定整体式空、实向橡胶节点在给定条件下金属外套和金属芯轴的变形状态，其具体步骤为：

a、使用软件建立整体式空、实向橡胶节点的几何特征模型，并可在软件中确定整体式空、实向橡胶节点各部件的几何位置特征；

b、将整体式空、实向橡胶节点几何特征模型转化为网格软件所支持格式并对不影响分析的细部特征进行简化，最后对所有部件进行网格划分，建立整体式空、实向橡胶节点网格模型；

c、对整体式空、实向橡胶节点各部件相应表面进行关系定义，根据关系定义对各部件进行表面连接；

d、对所建立整体式空、实向橡胶节点网格模型各个部件进行材料及截面属性定义；

e、根据整体式空、实向橡胶节点的实际载荷及边界条件，在整体式空、实向橡胶节点网格模型上施加相应边界条件及载荷条件；

f、将所建立分析整体式空、实向橡胶节点模型提交有限元分析软件进行求解计算，获取各部件应力应变分布，最终得到金属外套和金属芯轴的应力应变云图，确定整体式空、实向橡胶节点在给定条件下金属外套和金属芯轴的变形状态。

优选的，所述第c步骤中的表面连接是通过共节点方法来对各个部件表面进行共节点处理的。

优选的，所述第d步骤中的材料及截面属性定义需要根据实际载荷条件进行选择，即若实际载荷较小，整体式空、实向橡胶节点变形较小，则金属外套和金属芯轴只需定义弹性属性，橡胶弹性体选择适应于小变形的本构模型；若实际载荷大，整体式空、实向橡胶节点变形较大，则金属外套和金属芯轴定义塑性属性，橡胶弹性体选择适应于大变形的或者非线性的本构模型。

优选的，所述第d步骤中，金属外套或金属芯轴若其各向尺寸相差较大则应选取非协调单元。

优选的，所述第e步骤中，整体式空、实向橡胶节点在径向预载荷作用下，其垂直于径向预载荷方向约束应施加自由约束。

本发明的有益效果为：本发明通过在金属外套的内壁上且位于应力过渡区内增设适当形状的补强结构凸块对金属外套进行补强，从而大大的减小了金属外套在空、实向上变形程度的差异，减小了产品椭圆现象的发生，便于整体式空、实向橡胶节点的安装，提高了整体式空、实向橡胶节点的性能及使用寿命且避免了损坏其他与之相关的装配件；通过本发明能够将补强结构凸块精确的设置在应力过渡区内合适的位置上，从而使得补强效果更加好。通过本发明中的有限元法，能够得到更为精确的金属外套和金属芯轴的应力应变云图，从而能够更加精确的确定出应力过渡区，为对补强结构凸块的设置提供更加精确的科学依据。

附图说明

图1为现有的一种整体式空、实向橡胶节点沿径向的剖视结构示意图；

图2为现有的另外一种整体式空、实向橡胶节点沿径向的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例1中整体式空、实向橡胶节点沿径向的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例1中整体式空、实向橡胶节点沿轴向的剖视结构示意图；

图5为本发明实施例1中整体式空、实向橡胶节点的金属外套的结构示意图；

图6为本发明实施例2中整体式空、实向橡胶节点沿径向的剖视结构示意图；

图7为本发明实施例3中整体式空、实向橡胶节点沿径向的剖视结构示意图；

图中：1.空隙，2. 金属芯轴，211. 轴体，212. 金属芯轴凸缘，3. 补强结构凸块，4. 金属外套，5. 橡胶弹性体。

具体实施方式

申请人通过多次试验和分析发现，因设置有空隙，使得橡胶弹性体在周向上存在不连续性，当整体式空、实向橡胶节点通过径向挤压后，这种不连续性会使得橡胶弹性体在沿实向上的反弹较大，而其在沿空向上的反弹较小，从而使得产品的金属外套在空、实向上变形程度的差异较大，因此，申请人利用补强结构凸块对金属外套进行补强，以减小金属外套在空、实向上变形程度的差异。另外，申请人通过多次试验计算分析发现，当整体式空、实向橡胶节点通过径向挤压后，这种不连续性还会导致在位于空向和实向相接处（即位于靠近空隙两端处）的橡胶弹性体位置出现应力过渡区，在此区域，应力分布极不均匀，这也是导致金属外套在空、实向上变形程度的差异较大的一个重要原因，因此，本发明通过在上述应力过渡区增设补强结构凸块对金属外套进行补强，从而大大的减小了金属外套在空、实向上变形程度的差异。需要说明的是，空、实向是根据实际的工作要求情况来设置的，即空隙的数量和位置在设计时是根据实际的工作要求来确定的。下面通过对设置有两个空隙的橡胶节点（实施例1和实施例3）和设置有三个空隙的橡胶节点（实施例2）的补强方法进行描述从而阐述本发明的设计构思。

实施例1：一种对整体式空、实向橡胶节点进行补强的方法，所述方法是通过在整体式空、实向橡胶节点中金属外套的内壁上且位于应力过渡区内设置补强结构凸块来对金属外套进行补强的，所述补强结构凸块的形状是根据设计要求中整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量与整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度之间的关系来确定的。

当整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量≤橡胶弹性体的径向厚度的8%时，补强结构凸块采用圆弧形；当橡胶弹性体的径向厚度的8%＜整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量＜橡胶弹性体的径向厚度的15%时，补强结构凸块采用梯形；当整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量≥橡胶弹性体的径向厚度的15%时，补强结构凸块采用三角形。

通过上述方法能减小金属外套在空、实向上变形程度的差异，以便于安装，提高橡胶节点的性能及使用寿命且能避免损坏其他与之相关的装配件。

所述方法的具体步骤为：

（1）、根据整体式空、实向橡胶节点的刚度要求，确定整体式空、实向橡胶节点的空向和实向的具体结构；

（2）、通过有限元法计算整体式空、实向橡胶节点受到径向挤压后的作用力及应力分布状况；

（3）、根据第（2）步骤中的计算结果确定出应力过渡区，将圆弧形或梯形或三角形的补强结构凸块设置到金属外套的内壁上且位于应力过渡区内的位置处，得到具有补强结构凸块的整体式空、实向橡胶节点；

（4）、通过有限元法计算具有补强结构凸块的整体式空、实向橡胶节点的刚度、挤压后的作用力及应力分布状况；

（5）、检查第（4）步骤中计算出的刚度、挤压后的作用力及应力分布状况是否符合要求；如果都符合要求，则完成整个补强步骤；如果其中有一项不符合要求，则沿金属外套的内壁在应力过渡区内调整补强结构凸块的位置，再返回从第（4）步骤开始执行直至完成整个补强步骤。

通过上述步骤能够根据产品的设计要求，先将补强结构凸块的形状确定下来，再将补强结构凸块精确的设置在合适的位置上，从而使得补强效果更加好。

所述第（2）步骤中有限元法计算是通过三维软件建立模型，根据实际载荷确定整体式空、实向橡胶节点各部件材料属性进行分析计算，得到金属外套和金属芯轴的应力应变云图，确定整体式空、实向橡胶节点在给定条件下金属外套和金属芯轴的变形状态，其具体步骤为：

a、使用软件建立整体式空、实向橡胶节点的几何特征模型，并可在软件中确定整体式空、实向橡胶节点各部件的几何位置特征；

b、将整体式空、实向橡胶节点几何特征模型转化为网格软件所支持格式并对不影响分析的细部特征进行简化，最后对所有部件进行网格划分，建立整体式空、实向橡胶节点网格模型，其中不影响分析的细部特征主要有金属外套的倒角以及金属外套或金属芯轴的包胶；

c、对整体式空、实向橡胶节点各部件相应表面进行关系定义，根据关系定义对各部件进行表面连接；

d、对所建立整体式空、实向橡胶节点网格模型各个部件进行材料及截面属性定义；

e、根据整体式空、实向橡胶节点的实际载荷及边界条件，在整体式空、实向橡胶节点网格模型上施加相应边界条件及载荷条件；

f、将所建立分析整体式空、实向橡胶节点模型提交有限元分析软件进行求解计算，获取各部件应力应变分布，最终得到金属外套和金属芯轴的应力应变云图，确定整体式空、实向橡胶节点在给定条件下金属外套和金属芯轴的变形状态。通过上述步骤得到更为精确的金属外套和金属芯轴的应力应变云图，从而使得第（2）步骤中的计算结果更加精确，能够更加精确的确定出应力过渡区，为对补强结构凸块的设置提供更加精确的科学依据。

所述第c步骤中的表面连接是通过共节点方法来对各个部件表面进行共节点处理的。所述第d步骤中的材料及截面属性定义需要根据实际载荷条件进行选择，即若实际载荷较小，整体式空、实向橡胶节点变形较小，则金属外套和金属芯轴只需定义弹性属性，橡胶弹性体选择适应于小变形的本构模型；若实际载荷大，整体式空、实向橡胶节点变形较大，则金属外套和金属芯轴定义塑性属性或者该金属材料包含的在大载荷条件作用下表现的其他属性，橡胶弹性体选择适应于大变形的或者非线性的本构模型。所述第d步骤中，金属外套或金属芯轴若其各向尺寸相差较大则应选取非协调单元。所述第e步骤中，整体式空、实向橡胶节点在径向预载荷作用下，其垂直于径向预载荷方向约束应施加自由约束。这样，能使得第（2）步骤中的计算结果进一步精确。

在三维软件建立模型时，若在设计要求中整体式空、实向橡胶节点的安装配合部件具有刚度则应当在模型中设置相应具有实际刚度特性或者相等变形的径向预载工装，通过在模型中增加径向预载工装能够更加逼真的模拟现实产品环境，从而使得第（2）步骤中的计算结果更加精确。

所述第（4）步骤中的有限元法计算步骤与第（2）步骤中的有限元法计算步骤一致，只不过计算对象换成了具有补强结构凸块的整体式空、实向橡胶节点。

如图3至图5所示，在本实施例中，所述具有补强结构凸块3的整体式空、实向橡胶节点包括金属芯轴2、金属外套4和设置有两个空隙1的橡胶弹性体5，所述金属芯轴2包括轴体211和设置在所述轴体211中部的金属芯轴凸缘212，橡胶弹性体5设置在金属芯轴凸缘212和金属外套4之间，所述橡胶弹性体5、金属芯轴凸缘212和金属外套4硫化形成一体，所述应力过渡区位于整体式空、实向橡胶节点的空向和实向相接处，即共有四个应力过渡区，整体式空、实向橡胶节点受到的径向挤压量为橡胶弹性体的径向厚度的20%，因此，在本实施例中补强结构凸块3采用三角形，即将四个三角形补强结构凸块分别设置在四个应力过渡区内，补强结构凸块3与金属外套4是一体的。

实施例2：与实施例1相比，不同之处在于：所述补强结构凸块的形状是根据应力过渡区的周长与整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长之间的关系来确定的。

所述应力过渡区的周长是通过以下步骤得到：

1）、根据整体式空、实向橡胶节点的刚度要求，确定整体式空、实向橡胶节点的空向和实向的具体结构；

2）、通过有限元法计算整体式空、实向橡胶节点受到径向挤压后的作用力及应力分布状况；

3）、根据第（2）步骤中的计算结果确定出应力过渡区的周长。

当应力过渡区的周长≤整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长的1/4时，补强结构凸块采用圆弧形；当整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长的1/4＜应力过渡区的周长＜整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长的3/4时，补强结构凸块采用梯形；当应力过渡区的周长≥整体式空、实向橡胶节点的金属外套或金属芯轴的周长的3/4时，补强结构凸块采用三角形。

如图6所示，在本实施例中，根据整体式空、实向橡胶节点刚度设计要求，该橡胶节点中，所述空隙1设置有三个，其沿周向依次分布在橡胶弹性体5上，其中两个空隙1关于金属芯轴2的轴线对称分布，空向Y和实向X沿周向依次交替分布在橡胶节点上，应力过渡区共有三个，三个应力过渡区的总周长＝金属外套的周长的1/4，因此，本实施例采用的补强结构凸块3为圆弧形，即将三个圆弧形的补强结构凸块分别设置在三个应力过渡区中，补强结构凸块3与金属外套4是一体的。

实施例3：与实施例1相比，不同之处在于：所述补强结构凸块的形状是根据补强结构凸块的径向最大厚度与整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度之间的关系来确定的。

当在产品设计要求中，补强结构凸块的径向最大厚度≤整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的25%时，补强结构凸块采用梯形；当整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的25%＜补强结构凸块的径向最大厚度＜整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的50%时，补强结构凸块采用圆形；当补强结构凸块的径向最大厚度≥整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的50%时，补强结构凸块采用三角形。

如图7所示，在本实施例中，所述具有补强结构凸块的整体式空、实向橡胶节点包括金属芯轴2、金属外套4和设置有两个空隙1的橡胶弹性体5，所述金属芯轴2包括轴体211和设置在所述轴体211中部的金属芯轴凸缘212，橡胶弹性体5设置在金属芯轴凸缘212和金属外套4之间，所述橡胶弹性体5、金属芯轴凸缘212和金属外套4硫化形成一体，所述应力过渡区位于整体式空、实向橡胶节点的空向和实向相接处，即共有四个应力过渡区，补强结构凸块的径向最大厚度为整体式空、实向橡胶节点中橡胶弹性体的径向厚度的18%，因此在本实施例中补强结构凸块3采用梯形，即将四个梯形补强结构凸块分别设置在四个应力过渡区内，补强结构凸块3与金属外套4是一体的。

综上，本发明通过在金属外套的内壁上且位于应力过渡区内增设适当形状的补强结构凸块对金属外套进行补强，从而大大的减小了金属外套在空、实向上变形程度的差异，减小了产品椭圆现象的发生，便于整体式空、实向橡胶节点的安装，提高了整体式空、实向橡胶节点的性能及使用寿命且避免了损坏其他与之相关的装配件；通过本发明能够将补强结构凸块精确的设置在应力过渡区内合适的位置上，从而使得补强效果更加好。通过本发明中的有限元法，能够得到更为精确的金属外套和金属芯轴的应力应变云图，从而能够更加精确的确定出应力过渡区，为对补强结构凸块的设置提供更加精确的科学依据。

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。