叠层弹簧及其设计方法与流程

本发明涉及一种叠层弹簧，用于风机齿轮箱与主机架的连接，起减振支承作用，属于减隔振技术领域，本发明还涉及一种叠层弹簧的设计方法 。

背景技术：

风力发电是世界各国重点开发的能源之一。风机在运转时，会产生噪音和振动，导致风机损坏和报废。为减少风机齿轮箱传到到机架和塔架上的噪音，在齿轮箱和机架之间设置弹性隔振组件。齿轮箱隔振元件通常采用叠层簧结构。现有的叠层簧存在以下缺点：

1、现有的叠层簧通常为多层隔板多层橡胶粘合的结构，如图1所示，其隔板为宽度一致的圆板或方板，当齿轮箱叠层簧在承受垂向载荷时，各层隔板的内端为应力集中点，隔板的应力集中点对齐，应力大的隔板在长时间运行下易发生断裂，导致叠层簧失效。

2、如图1中A图所示，现有技术中为了防止相邻隔板端部间的橡胶鼓出，大多采用将相邻隔板端部间的橡胶型面设计成U字型型面，在叠层弹簧压缩时，如图1中的B图所示，U字型的橡胶型面，容易产生褶皱，运行一段时间后，打褶的部位易出现疲劳裂纹，导致叠层弹簧失效。

3、现有叠层仅通过将相邻隔板外端间的橡胶型面挖成向外开口的U字型型面，来增大橡胶的变形空间，当叠层簧承载压缩时，如图1中的B图所示U字型橡胶型面褶皱后形成向外鼓出的形状，如变形空间有限，则褶皱形成的鼓出形状极易从隔板外端鼓出，造成隔板外端对橡胶体的磨损，缩短叠层簧的使用寿命。

四点支撑结构的风力发电机组，要求其设计寿命长达20年。上述缺陷使现有的叠层簧结构在承载时，易出现疲劳破坏，很能满足设计寿命要求。

技术实现要素：

本发明提供的叠层弹簧，通过对现有叠层弹簧结构的改进，克服现有叠层弹簧的缺陷，使叠层弹簧的使用寿命延长，使用可靠性更高，本发明还提供一种叠层弹簧的设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：叠层弹簧，包括橡胶体和硫化在橡胶体中的隔板，多层的隔板均匀间隔分布，且各层隔板的外端沿垂向对齐，其特征在于相邻的所述隔板的宽度不相等使相邻隔板内端在橡胶体中错开分布，且相邻隔板的外端之间形成扩口形状，橡胶体位于相邻隔板外端之间的橡胶型面为从内向外的“人”字型型面，橡胶型面随橡胶体的压缩而从内向外逐渐贴合。

优选的，从底层隔板到顶层隔板的宽度依次增加使底层隔板的内端到顶层隔板的内端依次向内伸进，相邻隔板的宽度相差不小于5毫米。

优选的，隔层隔板的宽度相等且相邻隔板的宽度不相等，奇数层隔板的宽度为偶数层隔板的宽度的1/2~2/3。

优选的，所述的橡胶型面由靠近上层隔板的上型面和靠近下层隔板的下型面组成，所述的上型面和下型面随橡胶体的压缩从由向外逐渐贴合。

优选的，所述的隔板外端的底部边缘为倒角边缘，在隔板外端的底面形成倾斜倒角面，使相邻隔板的外端之间形成扩口形状。

优选的，所述的倾斜倒角面的倾斜角度不大于10°，且宽度为隔板宽度的1/3~1/2。

优选的，所述的上型面和下型面通过小圆弧面过渡，上型面为由内向外逐渐靠近倾斜倒角面的斜面，下型面为向上凸起的上凸型面。

优选的，所述的上型面与倾斜倒角面之间的橡胶厚度小于1毫米，且上型面的外边缘与倾斜倒角面的外边缘重合。

优选的，所述的下型面由内斜面和连接在内斜面外的外弧面组成，所述的内斜面与外弧面相切，并与上型面呈镜像对称分布，且内斜面的宽度为下型面宽度的1/5~1/2。

以上所述的叠层弹簧的设计方法，根据叠层弹簧的实际承载情况进行设计，包括：

（一）在满足叠层弹簧垂向刚度需求的前提下，根据隔板的不发生断裂时隔板内端可承受应力的上限值，设计相邻隔板的宽度，使相邻隔板的应力集中点错开分布，承载过程中隔板内端的应力值小于隔板的不发生断裂时隔板内端可承受应力的上限值；

（二）根据叠层弹簧中橡胶体的发生最大压缩变形时所需的变形空间，设计相邻隔板外端之间的扩口形状的尺寸，使橡胶体在发生最大压缩变形时相邻隔板间的橡胶体不从隔板的外端鼓出；

（三）根据橡胶体的压缩变形过程，设计相邻隔板外端之间的橡胶型面的深度和组成橡胶型面的各型面的形状，使承载过程中橡胶型面从内向外的逐渐贴合与橡胶体的逐渐压缩同步。

本发明的有益效果是：

1、 本发明的叠层弹簧，将现有叠层弹簧中各层隔板宽度一致，改进为相邻隔板的宽度不相等，使相邻隔板内端在橡胶体中错开分布即相邻隔板的应力集中点错开分布，避开相邻隔板在同一垂直面上产生应力集中，减少隔板内端的应力，通过橡胶体将隔板内端的应力传递到整个隔板上，避免隔板内端应力过大造成隔板断裂。

2、本发明的叠层弹簧，将相邻隔板外端之间的橡胶型面设计为从内向外的“人”字型型面，相对比现有技术中相邻隔板外端之间的“U”字型弄面，“人”字型的橡胶型面可随橡胶体的压缩而逐渐贴合，不会形成橡胶型面的褶皱，从而避免橡胶型面因褶皱产生疲劳裂纹，防止因疲劳裂纹导致叠层橡胶失效，叠层弹簧的使用可靠性更高。

3、 由于本发明的相邻隔板外端间橡胶型面为”人”字型面，相对比现有技术中的U字型型面其橡胶体的可变形空间可能更小，因此将现有叠层弹簧的相邻隔板外端之间的平行开口形状，改进为相邻隔板的外端之间形成扩口形状，增大橡胶体在相邻隔板间的压缩变形空间，可有效防止橡胶体从隔板的外端鼓出，从而避免隔板外端对橡胶体的磨损，延长叠层弹簧的使用寿命。

、本发明的叠层弹簧的设计方法，通过设计相邻隔板的宽度，使相邻隔板的应力集中点错开分布，可有效避免隔板在承载过程中发生断裂；设计相邻隔板外端之间的橡胶型面的深度和组成橡胶型面的各型面的形状，使橡胶型面的贴合与橡胶体的压缩同步，避免橡胶型面褶皱产生疲劳裂纹，从而提高叠层弹簧的使用可靠性；设计相邻隔板外端之间的扩口形状的尺寸，增大相邻隔板间橡胶体的变形空间，可防止橡胶体在压缩过程中从隔板外端鼓出造成磨损，可延长叠层弹簧的使用寿命。

附图说明

图1为现有技术中的叠层弹簧的示意图；其中A图为现有的叠层弹簧空载时的结构示意图，B图为现有的叠层弹簧压缩产生褶皱时的示意图。

图2为具体实施方式中一种叠层弹簧的结构示意图。

图3为具体实施方式中另一种叠层弹簧的结构示意图。

图4为隔板的结构示意图。

图5 为具体实施方式中的叠层弹簧的局部放大图。

图6为图4的局部放大图。

图7为本发明的叠层弹簧压缩变型时橡胶型面逐渐贴合的变化示意图。

具体实施方式

下面结合图2至图7对本发明的实施例做详细说明。

叠层弹簧，包括橡胶体1和硫化在橡胶体1中的隔板2，多层的隔板2均匀间隔分布，且各层隔板2的外端沿垂向对齐，相邻的所述隔板2的宽度不相等使相邻隔板2内端在橡胶体1中错开分布，且相邻隔板2的外端之间形成扩口形状，橡胶体1位于相邻隔板2外端之间的橡胶型面11为从内向外的“人”字型型面，橡胶型面11随橡胶体1的压缩而从内向外逐渐贴合。

如图2和图3所示，叠层弹簧中的相邻隔板2的宽度均不相等，由于隔板2的应力集中点在隔板内端，相邻隔板2宽度不同，使得相邻隔板2的内端不在同一垂直面对齐，即相邻隔板2的应力集中点错开分布，当叠层弹簧承载压缩时，相邻隔板2中宽度较长的隔板2的应力集中点分布在较宽度短的隔板2的应力集中点的内侧，而与宽度较长隔板2的应力集中点对齐的垂直面为橡胶体，通过橡胶体的变形使应力由隔板内端传递到隔整个隔板上，可减少隔板内端的应力集中，隔板内端的应力值更小，避免隔板内端应力过大造成断裂；而相邻隔板2中宽度较短的隔板2的内端处于宽度较长隔板2内端的外侧，内端越住外侧其所受应力值越小，因此宽度较短的隔板内端有较的避开了应力集中，其所受应力更小，可有效防止隔板2断裂。再者，将相邻隔板2外端之间的橡胶型面11设计为从内向外的“人”字型型面，相对比现有技术中相邻隔板外端之间的“U”字型弄面，“人”字型的橡胶型面11可随橡胶体1的压缩而逐渐贴合，不会形成橡胶型面11的褶皱，从而避免橡胶型面因褶皱产生疲劳裂纹。第三，相邻隔板2的外端之间形成扩口形状，增大橡胶体1在相邻隔板间的压缩变形空间，可有效防止橡胶体1从隔板2的外端鼓出，从而避免隔板外端对橡胶体的磨损。

具体的，如图2所示的一种叠层弹簧，从底层隔板2到顶层隔板2的宽度依次增加使底层隔板2的内端到顶层隔板2的内端依次向内伸进，相邻隔板2的宽度相差不小于5毫米，其中顶层隔板2内端的应力值最大，通过顶层隔板2到低层隔板2间的橡胶传递应力，可大幅减少顶层隔板2内端的集中应力，而从第二层隔板2至底层隔板2其内端依次外移，使第二层隔板2与底层隔板2的内端应力依次减小，可有效防止各层隔板2的断裂，相邻隔板2的宽度相差不小于5毫米，保证相邻隔板2之间具有足够的橡胶传递隔板2内端的应力，达到减小隔板2内端应力的目的。

如图3所示的另一种叠层弹簧，隔层隔板2的宽度相等且相邻隔板2的宽度不相等，奇数层隔板2的宽度为偶数层隔板2的宽度的1/2~2/3。相邻隔板2的宽度不等，通过相邻隔板2间的橡胶传递应力，减少宽度较长隔板2内端的集中应力，而且奇数层隔板2的宽度为偶数层隔板2宽度的1/2~2/3，保证相邻隔板2之间具有足够的橡胶传递隔板2的内端的应力，达到减小隔板2内端应力的目的。

具体的，所述的橡胶型面11由靠近上层隔板2的上型面11.1和靠近下层隔板2的下型面11.2组成，所述的上型面11.1和下型面11.2随橡胶体1的压缩从由向外逐渐贴合，如图7所示，A图为橡胶型面11未变形时的示意图，B图为叠层弹簧承载，橡胶型面11逐渐贴合的示意图，上型面11.1和下型面11.2在叠层弹簧承载过程中逐渐贴合，橡胶型面在变形过程不会产生褶皱。

所述的隔板2外端的底部边缘为倒角边缘，在隔板2外端的底面形成倾斜倒角面21，使相邻隔板2的外端之间形成扩口形状。如图4和图5所示，橡胶型面11为由上型面11.1和下型面11.2组成的人字型弄面，相对于现有技术中的U字型型面，人字型的橡胶型面的空间可能更小，为了增大相邻隔板2之间的橡胶体的变形空间，防止橡胶体1从隔板2外端鼓出，在隔板2外端的底部边缘倒角，形成倾斜倒角面21，从而在形成人字型的橡胶型面11防止橡胶型面褶皱的同时，也使橡胶体1在相邻隔板2之间具有足够的变形空间，可有效防止橡胶体鼓出，解决了叠层弹簧的橡胶体压缩过程中鼓出磨损和褶皱开裂两个技术问题。

经过反复试验得到，在保证由于倾斜倒角面21产生的隔板2厚度变化不对叠层弹簧的垂向刚度造成影响的前提下，所述的倾斜倒角面21的倾斜角度β不大于10°，且宽度为隔板2宽度的1/3~1/2，即可充分满足相邻隔板2间的橡胶体的压缩变形空间需求。

其中，所述的上型面11.1和下型面11.2通过小圆弧面过渡，上型面11.1为由内向外逐渐靠近倾斜倒角面21的斜面，下型面11.2为向上凸起的上凸型面。上型面11.1为斜面，使橡胶体1在压缩过程中上型面11.1与下型面11.2保持由内向外逐渐贴合。

具体的，如图5和6所示，所述的上型面11.1与倾斜倒角面21之间的橡胶厚度小于1毫米，且上型面11.1的外边缘与倾斜倒角面21的外边缘重合，橡胶体压缩过程中，上型面11.1的刚度始终大于下型面11.2的刚度，即上型面11.1在压缩时逐渐向下型面贴近。

所述的下型面11.2由内斜面11.21和连接在内斜面11.21外的外弧面11.22组成，所述的内斜面11.21与外弧面11.22相切，并与上型面11.1呈镜像对称分布，且内斜面11.21的宽度为下型面宽度的1/5~1/2。内斜面11.21与上型面11.1镜像对称使橡胶体压缩前期，橡胶型面11即贴合，有效防止橡胶型面11的内端在变型初期产生褶皱，内斜面11.21与外弧面11.22相切，内斜面11.21与上型面11.1贴合后， 上型面11.1即与外弧面11.22接触，再通过橡胶体1的逐渐压缩，上型面11.1逐渐与外型面11.22压合，经过反复试验得到内斜面11.21的宽度为下型面宽度的1/5~1/2可有较保证上型面11.1与下型面11.2的贴合与橡胶体1的压缩同步。

以上所述的叠层弹簧的优点在于：

1、 将现有叠层弹簧中各层隔板宽度一致，改进为相邻隔板2的宽度不相等，使相邻隔板2内端在橡胶体1中错开分布即相邻隔板的应力集中点错开分布，避开相邻隔板2在同一垂直面上产生应力集中，减少隔板内端的应力，通过橡胶体将隔板内端的应力传递到整个隔板上，避免隔板内端应力过大造成隔板断裂。

2、将相邻隔板外端之间的橡胶型面11设计为从内向外的“人”字型型面，相对比现有技术中相邻隔板外端之间的“U”字型弄面，“人”字型的橡胶型面11可随橡胶体的压缩而逐渐贴合，不会形成橡胶型面的褶皱，从而避免橡胶型面因褶皱产生疲劳裂纹，防止因疲劳裂纹导致叠层橡胶失效，叠层弹簧的使用可靠性更高。

3、 由于相邻隔板外端间橡胶型面11为”人”字型面，相对比现有技术中的U字型型面其橡胶体的可变形空间可能更小，因此将现有叠层弹簧的相邻隔板2外端之间的平行开口形状，改进为相邻隔板的外端之间形成扩口形状，增大橡胶体1在相邻隔板2间的压缩变形空间，可有效防止橡胶体从隔板的外端鼓出，从而避免隔板外端对橡胶体的磨损，延长叠层弹簧的使用寿命。

本发明还保证以上所述的叠层弹簧的设计方法，根据叠层弹簧的实际承载情况进行设计，包括：

（一）在满足叠层弹簧垂向刚度需求的前提下，根据隔板2的不发生断裂时隔板2内端可承受应力的上限值，设计相邻隔板2的宽度，使相邻隔板2的应力集中点错开分布，承载过程中隔板2内端的应力值小于隔板2的不发生断裂时隔板2内端可承受应力的上限值，即通过设计相邻隔板2的宽度，减少隔板2内端的应力集中，有效防止隔板2断裂；

（二）根据叠层弹簧中橡胶体1的发生最大压缩变形时所需的变形空间，设计相邻隔板2外端之间的扩口形状的尺寸，使橡胶体1在发生最大压缩变形时相邻隔板2间的橡胶体1不从隔板2的外端鼓出，即通过设计相邻隔板2外端之间的扩口形状来增大橡胶体1在相邻隔板2之间的变形空间，有效防止橡胶体1从隔板2外端鼓出造成磨损；

（三）根据橡胶体1的压缩变形过程，设计相邻隔板2外端之间的橡胶型面11的深度和组成橡胶型面11的各型面的形状，使承载过程中橡胶型面11从内向外的逐渐贴合与橡胶体1的逐渐压缩同步，即通过设计橡胶型面11的深度和型面型状，有效防止橡胶型面11在变形过程中发生褶皱，防止橡胶体1因褶皱而出现疲劳裂纹。

以上所述的叠层弹簧的设计方法，通过设计相邻隔板2的宽度，使相邻隔板的应力集中点错开分布，可有效避免隔板2在承载过程中发生断裂；设计相邻隔板2外端之间的橡胶型面的深度和组成橡胶型面的各型面的形状，使橡胶型面11的贴合与橡胶体的压缩同步，避免橡胶型面褶皱产生疲劳裂纹，从而提高叠层弹簧的使用可靠性；设计相邻隔板2外端之间的扩口形状的尺寸，增大相邻隔板间橡胶体的变形空间，可防止橡胶体1在压缩过程中从隔板2外端鼓出造成磨损，可延长叠层弹簧的使用寿命。

以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。