一种提高刚度的球铰及提高球铰刚度的方法
【专利摘要】一种提高刚度的球铰，球铰包括橡胶层、芯轴和外套，芯轴外围的主圆弧段的两侧设向外侧凸出的外凸圆弧段，且外凸圆弧段的圆弧半径小于主圆弧段的圆弧半径，外凸圆弧段的外侧设有向内侧凹陷的内凹圆弧段。在芯轴的主圆弧段的两侧削出向外侧凸出的外凸圆弧段，在外凸圆弧段的外侧削出向内侧凹陷的内凹圆弧段，同时使得硫化在芯轴上的橡胶层的结构也随之发生改变。通过改变球铰中芯轴和橡胶层的结构，增加了球铰的刚度。本发明中外凸圆弧段和内凹圆弧段使得球铰的开口处尺寸增大，且主圆弧段、外凸圆弧段和内凹圆弧段之间是平滑的过渡，能有效的降低橡胶层的应变，从而提高产品的抗疲劳性能和产品的稳定性。
【专利说明】
_种提局刚度的球较及提局球较刚度的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种提高球铰刚度的方法及产品，具体涉及一种通过改进球铰中的芯轴和橡胶层两侧的结构来提高球铰刚度的方法及产品。
【背景技术】
[0002]球铰是常用的一种橡胶金属复合的减振、连接元件，主要作用为连接车体和构架，可以进行传递力并提供多向缓冲的原件。采用金属件与橡胶通过胶黏剂在一定的温度和压力下硫化成一个整体，其作用是利用硫化橡胶起减振缓冲作用，金属件起支承和安装接口。
[0003]在现有的球铰产品中，一般采用单弧度设计。随着科技进步，球铰径向刚度要求越来越大，同时产品的偏扭转刚度不变，现阶段的这种设计已经难以满足这种需求。随着机车车辆技术的发展，特别是高速重载机车技术的发展，球铰为了更好地满足保证车辆的动力学要求和安全性，要求刚度越来越大，但同时要保证产品的尺寸，需要一种新型的结构以实现这些要求。
[0004]目前为了提高球铰的刚度采用的方法有:
1.采用增大产品体积来实现提高刚度，这种方法占用空间大，产品太重，安装麻烦，还可能会造成相关联的部件的位置和尺寸要进行改造；
2.采用硬度很高的胶料来制造橡胶层，这种方法会使得产品的应变较大，产品的抗疲劳性能不理想。
[0005]通过国内检索发现以下专利与本发明有相似之处:
申请号为CN200810143954.2，名称为“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”的发明公开了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，采取四瓣式球铰类橡胶弹性体组合方式，两个为一组，并且是以相对的两个为一组，构成相互垂直的两组球铰类橡胶弹性体;通过改变两组球铰类橡胶弹性体的垂直方向结构，使得两组球铰类橡胶弹性体的刚度性能不一样，并通过调整两组球铰类橡胶弹性体的结构，实现球铰类橡胶弹性体的变刚度，以满足各个方向具有不同刚度性能要求。所述的相互垂直的两组球铰类橡胶弹性体，一个方向的橡胶弹性体与金属外套是无间隙地整体硫化在一起，另一个方向的橡胶弹性体与金属外套之间的留有一定间隙。
[0006]申请号为CN200910043823.1，名称为“一种球铰类橡胶弹性元件组装方式及产品”的发明公开了一种球铰类橡胶弹性元件组装方式及产品，将弹性橡胶体与金属内套构成的弹性体压入金属外套后，再将金属止挡压入金属外套;然后再将金属外套进行翻边，并在翻边过程中迫使金属止挡压缩弹性橡胶体，通过金属外套翻边来实现球铰类橡胶弹性元件的弹性橡胶体的预压缩应力。球铰类橡胶弹性元件包括一个金属内套、金属外套、弹性橡胶体、金属止挡，弹性橡胶体与金属内套通过硫化成为弹性体，且弹性体是被压入金属外套内的;在金属外套上有翻边;在弹性橡胶体的外边沿压有金属止挡，且金属止挡是被金属外套的翻边向内包裹起来。此发明的优点是径向和轴向预压缩应力都可以改变，所以可以更灵活的调整径向、轴向刚度比。
[0007]申请号为CN201010129020.0，名称为“一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法和橡胶弹性元件及其制作方法”的发明公开了一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法和橡胶弹性元件及其制作方法，采用对称的去除部分橡胶材料，在不同的受力阶段通过接触面及橡胶变形受限程度的大小提供不同的刚度，实现变刚度。所述对称的去除部分橡胶材料是在橡胶弹性体表面沿周向掏出3-5个圆环状空间，使得橡胶弹性体在与外金属套组合安装后，在空载状况时外金属套与橡胶弹性体之间只有部分接触，处于有3-5道圆环状空气隔离区的状况，而且两端供橡胶鼓出的空间非常小；同时橡胶弹性体在外金属套组合安装后，在橡胶弹性体与外金属套内侧面之间也留有环状空隙带。当球铰类橡胶弹性元件受力时，分阶段通过橡胶弹性体与外金属套之间的外圆接触面和侧面接触面的改变实现球铰类橡胶弹性元件变刚度。
[0008]上述专利都涉及到球铰的刚度，与本发明有相似之处，但申请号为CN200810143954.2和CN200910043823.1的发明专利中芯轴的外表面都是采用单弧度设计，也就是说，芯轴的外表面只有主圆弧段。而申请号为CN201010129020.0的发明专利中芯轴的外表面除了主圆弧段外还设有与主圆弧段相连接的内凹圆弧段，但此专利的主圆弧段和内凹圆弧段之间没有设外凸圆弧段，其刚度特征与本发明有所不同。事实上，申请号为CN201010129020.0的发明专利在主圆弧段上掏出有3-5个圆环状空间，其作用主要是实现球铰类橡胶弹性元件变刚度。
【发明内容】
[0009]本发明要解决的技术问题是:如何在保持现有球铰的尺寸不变的情况下提高球铰的刚度，以满足车辆的动力学要求和安全性。
[0010]针以上述问题，本发明提出的技术方案是:一种提高了刚度的球铰，球铰包括橡胶层、芯轴和外套，芯轴外围的主圆弧段的两侧设向外侧凸出的外凸圆弧段，且外凸圆弧段的圆弧半径小于主圆弧段的圆弧半径，外凸圆弧段的外侧设有向内侧凹陷的内凹圆弧段。
[0011]外凸圆弧段有2段，主圆弧段的两侧各与I段外凸圆弧段连接，主圆弧段与两侧的外凸圆弧段都在连接处形成平滑的过渡。
[0012]外凸圆弧段的外侧都与I段内凹圆弧段的内侧连接，且外凸圆弧段与内凹圆弧段在连接处形成平滑的过渡。
[0013]内凹圆弧段的外侧还设有环形平直段，内凹圆弧段与环形平直段在连接处形成平滑的过渡。
[0014]将芯轴的主圆弧段的两侧削出向外侧凸出的外凸圆弧段，且使得外凸圆弧段的圆弧半径小于主圆弧段的圆弧半径;并在外凸圆弧段的外侧削出向内侧凹陷的内凹圆弧段。
[0015]在主圆弧段与外凸圆弧段的连接处进行了平滑处理，使主圆弧段和外凸圆弧段在连接处形成平滑的过渡。
[0016]在外凸圆弧段与内凹圆弧段的连接处进行了平滑处理，使外凸圆弧段与内凹圆弧段在连接处形成平滑的过渡。
[0017]本发明的优点是:
1.在芯轴的主圆弧段的两侧削出向外侧凸出的外凸圆弧段，在外凸圆弧段的外侧削出向内侧凹陷的内凹圆弧段，同时使得硫化在芯轴上的橡胶层的结构也随之发生改变。通过改变球铰中芯轴和橡胶层的结构，增加了球铰的刚度。
[0018]2.外凸圆弧段和内凹圆弧段使得球铰的开口处尺寸增大，且主圆弧段、外凸圆弧段和内凹圆弧段之间是平滑的过渡，能有效的降低橡胶层的应变，从而提高产品的抗疲劳性能和产品的稳定性。
[0019]3.在芯轴的外表面削出的外凸圆弧段和内凹圆弧段，虽然改变了芯轴和橡胶层的结构，但不会对外套的位置、形状等参数造成影响。也就是说，本发明在提高刚度和抗疲劳性能的同时不需要改变球铰的尺寸，也就不用对与球铰相关的各个部件进行改造，没有产生后续的改造费用。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的结构剖视图；
图2为图1中的局部放大图；
图3为本发明与改进前的结构对比图；
图4为本发明与改进前的刚度曲线对比图；
图中:I外套、2橡胶层、3芯轴、31主圆弧段、32外凸圆弧段、33内凹圆弧段、34环形平直段。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例和附图对本发明做一步的描述:
实施例一
如图1和图2所示，球铰的外套1、橡胶层2和芯轴3都是旋转体，外套I和芯轴3是金属部件，外套I和芯轴3与橡胶层2硫化在一起。芯轴3的外围表面包括主圆弧段31、外凸圆弧段32、内凹圆弧段33和环形平直段34。主圆弧段31的两侧设有2段向外侧凸出的外凸圆弧段32，但外凸圆弧段32的圆弧半径小于主圆弧段31的圆弧半径。外凸圆弧段32的外侧设有向内侧凹陷的内凹圆弧段33，内凹圆弧段33的外侧还设有环形平直段34。
[0022]其中主圆弧段31、外凸圆弧段32和内凹圆弧段33都是圆环状的结构，其纵截面都是圆弧。环形平直段34也是圆环状的结构，但其纵截面是线段。外凸圆弧段32的内侧与主圆弧段31连接，外凸圆弧段32的外侧与内凹圆弧段33连接，内凹圆弧段33的外侧与环形平直段34连接。
[0023]而且主圆弧段31与两侧的外凸圆弧段32都在连接处形成平滑的过渡，外凸圆弧段32与内凹圆弧段33在连接处形成平滑的过渡，内凹圆弧段33的内凹圆弧段33与环形平直段34在连接处形成平滑的过渡，内凹圆弧段33与环形平直段34在连接处形成平滑的过渡。
[0024]让主圆弧段31、外凸圆弧段32、内凹圆弧段33和环形平直段34在连接处形成平滑的过渡，主要是为了防止橡胶层2在受到载荷的挤压发生形变时，橡胶层2内部的应力集中，使橡胶层2容易产生疲劳而裂开，失去原有的性能。也就是说，让各个连接处形成平滑的过渡主要是高产品的抗疲劳性能。
[0025]对比例一
如图3和图2所示，在外套1、橡胶层2和芯轴3的纵截面中，在本发明前芯轴3的外表面的纵截面为图中的A曲线所示，芯轴3的外表面只有主圆弧段31和环形平直段34。而本发明的芯轴3的外表面的纵截面为图中的B曲线所示，芯轴3的外表面包括主圆弧段31、外凸圆弧段32、内凹圆弧段33和环形平直段34。
[0026]由于外凸圆弧段32的圆弧半径小于主圆弧段31的圆弧半径，因此，虽然外凸圆弧段32是向外侧凸起的但仍在原来的主圆弧段31的内侧。外凸圆弧段32和内凹圆弧段33—起增大了球铰开口处的橡胶层2的尺寸，从而有效的降低了橡胶层2的应变，提高了球铰的刚度。
[0027]如图4所示，本发明在静态的载荷下的刚度曲线为C，在对原有结构进行改进前的产品在静态的载荷下的刚度曲线为D。从刚度曲线中可以看出:产生同样程的形变时，本发明能承受更大的载荷，也就是说，本发明的刚度相对于原来的结构提高了。
[0028]综上所述，目前的球铰、弧线相关的专利都是采用改变产品端部型面来实现提高疲劳性能而本发明则是通过改变产品内部型面来实现提高刚度、提高疲劳性能;且目前改变产品端部型面主要是通过调整产品受力变形后的褶皱来提高疲劳效果，而本发明能通过降低橡胶硬度，降低产品内部应力来提升产品的疲劳效果。
[0029]很显然，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出的若干改进或修饰都应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种提高刚度的球铰，球铰包括橡胶层(2)、芯轴(3)和外套(I)，其特征在于，芯轴(3)外围的主圆弧段(31)的两侧设向外侧凸出的外凸圆弧段(32)，且外凸圆弧段(32)的圆弧半径小于主圆弧段(31)的圆弧半径，外凸圆弧段(32)的外侧设有向内侧凹陷的内凹圆弧段(33)。2.根据权利要求1所述的一种提高刚度的球铰，其特征在于，外凸圆弧段(32)有2段，主圆弧段(31)的两侧各与I段外凸圆弧段(32)连接，主圆弧段(31)与两侧的外凸圆弧段(32)都在连接处形成平滑的过渡。3.根据权利要求1所述的一种提高刚度的球铰，其特征在于，外凸圆弧段(32)的外侧都与I段内凹圆弧段(33)的内侧连接，且外凸圆弧段(32)与内凹圆弧段(33)在连接处形成平滑的过渡。4.根据权利要求1所述的一种提高刚度的球铰，其特征在于，内凹圆弧段(33)的外侧还设有环形平直段(34)，内凹圆弧段(33)与环形平直段(34)在连接处形成平滑的过渡。5.—种提高球铰刚度的方法，球铰包括橡胶层(2)、芯轴(3)和外套(1)，其特征在于，将芯轴(3)的主圆弧段(31)的两侧削出向外侧凸出的外凸圆弧段(32)，且使得外凸圆弧段(32)的圆弧半径小于主圆弧段(31)的圆弧半径;并在外凸圆弧段(32)的外侧削出向内侧凹陷的内凹圆弧段(33)。6.根据权利要求5所述的一种提高球铰刚度的方法，其特征在于，在主圆弧段(31)与外凸圆弧段(32)的连接处进行了平滑处理，使主圆弧段(31)和外凸圆弧段(32)在连接处形成平滑的过渡。7.根据权利要求5所述的一种提高球铰刚度的方法，其特征在于，在外凸圆弧段(32)与内凹圆弧段(33)的连接处进行了平滑处理，使外凸圆弧段(32)与内凹圆弧段(33)在连接处形成平滑的过渡。
【文档编号】F16F1/387GK105972064SQ201610622934
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年8月2日
【发明人】颜瑶, 荣继刚, 林立钿, 冯万盛
【申请人】株洲时代新材料科技股份有限公司