带止挡开孔式球铰的变刚度方法及带止挡开孔式球铰与流程

本发明涉及牵引类球铰产品，具体涉及一种带止挡开孔式球铰的变刚度方法。本发明还涉及一种带止挡开孔式球铰。

背景技术：

牵引类球铰产品广泛运用于轨道车辆悬挂领域，能够传递牵引力、制动力，吸收振动，实现柔性连接和弹性定位的功能。为了保证车辆运行的动力学性能和舒适性，要求产品具有变刚度特性，即产品变形较小时，刚度较低，保证车辆运行的舒适性，变形进一步增大时，刚度逐渐增大，变形受到限制，达到限位目的，有利于传递牵引力和制动力，保证车辆运行安全性。

为实现球铰产品的变刚度特性，常见的方式是在产品的橡胶上开孔，如图1所示，球铰产品包括芯轴、外套、止挡和弹性橡胶体。芯轴、外套和止挡通过弹性橡胶体硫化为整体，以圆心为轴所述橡胶上对称设置有两个孔结构，所述孔结构贯穿所述橡胶的轴向。孔结构在外套与芯轴之间的橡胶型面100一般为凹形，橡胶型面100的端点a、端点b和中点c分别与圆心o形成连线ao、bo、co，连线ao、bo、co又分别与y轴形成夹角a、b、c，夹角a<c，夹角b<c。但是上述球铰产品的开孔结构设计不理想，产品在径向受载的情况下，开孔处连接外套和芯轴的橡胶型面易在中点c附近打折，使该处应力集中明显，最终导致橡胶在此处开裂，如图2所示；现有球铰产品的变刚度设计存在刚度突变而不利于橡胶产品发挥减振和柔性连接作用缺陷，原因是：随着载荷的增加，开孔处连接外套和芯轴的凹形橡胶型面在径向变形条件下，橡胶型面只有自贴合接触，而不与外套、芯轴和止挡贴合接触，因此在止挡接近但未接触外套时不能提供任何附加刚度，此时产品的刚度较小且基本不变；当载荷增加至一定程度后，止挡与外套接触，变形突然受到限制，刚度突然增加，由此，现有技术中的带止挡的开孔式球铰，在受载过程中，球铰的刚度变化不够平缓，影响球铰的减振和柔性连接作用，并且容易出现橡胶型面打折，导致橡胶开裂。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的带止挡的开孔式球铰，在受载过程中，球铰的刚度变化不够平缓，影响球铰的减振和柔性连接作用，并且容易出现橡胶型面打折，导致橡胶开裂的技术问题，提供一种带止挡开孔式球铰的变刚度方法，使带止挡开孔式球铰在受载过程中刚度变化平缓，减振和柔性连接作用更佳，避免橡胶型面打折。本发明还提供一种带止挡开孔式球铰。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是：带止挡开孔式球铰的变刚度方法，包括芯轴、套在芯轴外面的外套和固定在芯轴上的两个止挡，止挡沿芯轴轴向设置，且止挡以芯轴轴线对称分布，芯轴与外套之间以及外套与止挡之间均通过弹性橡胶体硫化连接，在止挡与外套之间开有轴向通孔，其特征在于所述的轴向通孔靠外套侧的外型面为与向外凸起的弧面，轴向通孔靠止挡侧的内型面与止挡的外表面型面一致，轴向通孔处于芯轴和外套之间的型面为向轴向通孔内部凸进的内凸型面，所述内凸型面为弧型面，两个内凸型面对称分布，内凸型面靠近外套侧的边缘为外端边缘，靠近芯轴侧的边缘为内端边缘，所述的内凸型面从弧面中间至外端边缘与外套之间的间隙逐渐减小，内凸型面从弧面中间至内端边缘与止挡之间的间隙逐渐减小，在径向压缩过程中，通过所述内凸型面的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套，内凸型面的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡，实现所述的带止挡开孔式球铰的刚度平缓增加，止挡与外套接触，使所述带止挡开孔球铰的刚度达到最大值。

以上所述的带止挡开孔式球铰的变刚度方法，将轴向通孔处于芯轴和外套之间的型面设置为向轴向通孔内部凸进的内凸型面，并且所述的内凸型面从弧面中间至外端边缘与外套之间的间隙逐渐减小，内凸型面从弧面中间至内端边缘与止挡之间的间隙逐渐减小，在所述球铰受载过程中，弹性橡胶体向径向逐渐压缩，径向压缩过程中，在止挡与外套发生接触之前，内凸型面的弧面中间至外端边缘逐渐贴近外套，内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡，使所述球铰的刚度逐渐增大，当止挡与外套发生接触时，球铰的刚度增大到最大值，达到限位状态。在整个受载过程中，所述球铰的刚度变化平缓，不会出现刚度突变的现象，使球铰的减振和柔性连接作用更佳。

进一步的，相对于所述芯轴的圆心两个所述内凸型面的外端边缘之间的扇形角度为α，两个内凸型面的内端边缘之间的扇形角度为β，两个内凸型面的弧面中线之间的扇形角度为θ，α≥β，α>θ，在径向压缩过程中，所述内凸型面的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套，内凸型面的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡，所述的弹性橡胶体朝内凸型面的弧面中间鼓出变形，避免内凸型面在压缩过程中打折。

带止挡开孔式球铰，包括芯轴、套在芯轴外面的外套和固定在芯轴上的两个止挡，止挡沿芯轴轴向设置，且止挡以芯轴轴线对称分布，芯轴与外套之间以及外套与止挡之间均通过弹性橡胶体硫化连接，在止挡与外套之间开有轴向通孔，其特征在于所述的轴向通孔靠外套侧的外型面为与向外凸起的弧面，轴向通孔靠止挡侧的内型面与止挡的外表面型面一致，轴向通孔处于芯轴和外套之间的型面为向轴向通孔内部凸进的内凸型面，所述内凸型面为弧型面，两个内凸型面对称分布，内凸型面靠近外套侧的边缘为外端边缘，靠近芯轴侧的边缘为内端边缘，所述的内凸型面从弧面中间至外端边缘与外套之间的间隙逐渐减小，内凸型面从弧面中间至内端边缘与止挡之间的间隙逐渐减小，径向压缩所述的弹性橡胶体，所述内凸型面的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套，内凸型面的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡。

以上所述的带止挡开孔式球铰，轴向通孔处于芯轴和外套之间的型面为向轴向通孔内部凸进的内凸型面，并且所述的内凸型面从弧面中间至外端边缘与外套之间的间隙逐渐减小，内凸型面从弧面中间至内端边缘与止挡之间的间隙逐渐减小，径向压缩所述的弹性橡胶体，所述内凸型面的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套，内凸型面的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡，使所述球铰的刚度逐渐增大，当止挡与外套发生接触时，球铰的刚度增大到最大值，达到限位状态。在整个受载过程中，所述球铰的刚度变化平缓，不会出现刚度突变的现象，使球铰的减振和柔性连接作用更佳。

进一步的，相对于所述芯轴的圆心两个所述内凸型面的外端边缘之间的扇形角度为α，两个内凸型面的内端边缘之间的扇形角度为β，两个内凸型面的弧面中线之间的扇形角度为θ，α≥β，α>θ。在径向压缩过程中，所述内凸型面的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套，内凸型面的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡，所述的弹性橡胶体朝内凸型面的弧面中间鼓出变形，避免内凸型面在压缩过程中打折。

进一步的，所述的内凸型面的弧面中间为半径1mm~100mm的过渡圆弧面。

进一步的，所述的内凸型面为圆弧面。

进一步的，所述的外型面与内凸型面之间通过倒角圆弧面一过渡，所述的内型面与内凸型面通过倒角圆弧面二过渡，所述的倒角圆弧面一和倒角圆弧面二的半径均为0.5mm~50mm。

进一步的，所述的轴向通孔的外型面为与外套同轴的圆弧面。

进一步的，所述的外型面与外套之间的弹性橡胶体的厚度和内型面与止挡之间的弹性橡胶体的厚度均小于2mm。

进一步的，所述的内凸型面的外端边缘到外套内壁的最短距离等于内凸型面内端边缘到止档外表面的最短距离。

附图说明

图1为现有技术中的带止挡开孔式球铰的结构示意图。

图2为现有技术中的带止挡开孔式球铰在径向压缩变形时的结构示意图。

图3为本发明的带止挡开孔式球铰的结构示意图；图3a为本发明的带止挡开孔式球铰的主视剖视图；图3b为本发明的带止挡开孔式球铰的横切面示意图。

图4为本发明的带止挡开孔式球铰自由状态下和径向压缩变形时的结构示意图；图4a为本发明的带止挡开孔式球铰自由状态下的横切面示意图。图4b为本发明的带止挡开孔式球铰径向压缩变形时的横切面示意图。

图5为本发明的带止挡开孔式球铰的横切面局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图3至附图5对本发明的实施例做详细说明。

带止挡开孔式球铰的变刚度方法，包括芯轴1、套在芯轴1外面的外套2和固定在芯轴1上的两个止挡3，止挡3沿芯轴1轴向设置，且止挡3以芯轴1轴线对称分布，芯轴1与外套2之间以及外套2与止挡3之间均通过弹性橡胶体4硫化连接，在止挡3与外套2之间开有轴向通孔41，其特征在于所述的轴向通孔41靠外套侧的外型面411为与向外凸起的弧面，轴向通孔41靠止挡侧的内型面412与止挡3的外表面型面一致，轴向通孔41处于芯轴1和外套2之间的型面为向轴向通孔41内部凸进的内凸型面413，所述内凸型面413为弧型面，两个内凸型面413对称分布，内凸型面413靠近外套侧的边缘为外端边缘，靠近芯轴侧的边缘为内端边缘，所述的内凸型面413从弧面中间至外端边缘与外套2之间的间隙逐渐减小，内凸型面413从弧面中间至内端边缘与止挡3之间的间隙逐渐减小，在径向压缩过程中，通过所述内凸型面413的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套2，内凸型面413的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡3，实现所述的带止挡开孔式球铰的刚度平缓增加，止挡3与外套2接触，使所述带止挡开孔球铰的刚度达到最大值。

以上所述的带止挡开孔式球铰的变刚度方法，将轴向通孔41处于芯轴和外套之间的型面设置为向轴向通孔内部凸进的内凸型面413，并且所述的内凸型面413从弧面中间至外端边缘与外套之间的间隙逐渐减小，内凸型面413从弧面中间至内端边缘与止挡之间的间隙逐渐减小，在所述球铰受载过程中，弹性橡胶体向径向逐渐压缩，径向压缩过程中，在止挡3与外套2发生接触之前，内凸型面413的弧面中间至外端边缘逐渐贴近外套2，内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡3，使所述球铰的刚度逐渐增大，当止挡3与外套2发生接触时，球铰的刚度增大到最大值，达到限位状态。在整个受载过程中，所述球铰的刚度变化平缓，不会出现刚度突变的现象，使球铰的减振和柔性连接作用更佳。

相对于所述芯轴1的圆心两个所述内凸型面413的外端边缘之间的扇形角度为α，两个内凸型面413的内端边缘之间的扇形角度为β，两个内凸型面413的弧面中线之间的扇形角度为θ，α≥β，α>θ，在径向压缩过程中，所述内凸型面413的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套2，内凸型面413的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡3，所述的弹性橡胶体4朝内凸型面413的弧面中间鼓出变形，避免内凸型面413在压缩过程中打折。从图3b所示，α≥β，α>θ的设置，使得内凸型面413的外端边缘a必须设置在内凸型面413弧面中线c的外侧，而内凸型面413的内端边缘b与外端边缘b相对芯轴1的径向对齐或者内端边缘b设置于外端边缘a的内侧，在弹性橡胶体4被压缩变形时，如图4b中的c至a弧面逐渐贴近外套2即所述内凸型面413的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套2，c至b弧面逐渐贴近止挡3即内凸型面413的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡3，因此在压缩时，所述的球铰横切面如图4a的形状变化至如图4b的形状，内凸型面413的外端边缘a和内端边缘b的刚度不断增大，弹性橡胶体4变形流动只能从内凸型面413的两端向内凸型面413的弧面中间鼓出，流动至轴向通孔41中，弹性橡胶体4向内凸型面413弧面中间流动，避免了内凸型面413的自贴合接触，从而避免内凸型面413在压缩过程中打折。

带止挡开孔式球铰，包括芯轴1、套在芯轴1外面的外套2和固定在芯轴1上的两个止挡3，止挡3沿芯轴1轴向设置，且止挡3以芯轴1轴线对称分布，芯轴1与外套2之间以及外套2与止挡3之间均通过弹性橡胶体4硫化连接，在止挡3与外套2之间开有轴向通孔41，所述的轴向通孔41靠外套侧的外型面411为与向外凸起的弧面，轴向通孔41靠止挡侧的内型面412与止挡3的外表面型面一致，轴向通孔41处于芯轴1和外套2之间的型面为向轴向通孔41内部凸进的内凸型面413，所述内凸型面413为弧型面，两个内凸型面413对称分布，内凸型面413靠近外套侧的边缘为外端边缘，靠近芯轴侧的边缘为内端边缘，所述的内凸型面413从弧面中间至外端边缘与外套2之间的间隙逐渐减小，内凸型面413从弧面中间至内端边缘与止挡3之间的间隙逐渐减小，径向压缩所述的弹性橡胶体4，所述内凸型面413的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套2，内凸型面413的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡3。

以上所述的带止挡开孔式球铰，轴向通孔41处于芯轴1和外套2之间的型面为向轴向通孔内部凸进的内凸型面413，并且所述的内凸型面413从弧面中间至外端边缘与外套之间的间隙逐渐减小，内凸型面从弧面中间至内端边缘与止挡之间的间隙逐渐减小，径向压缩所述的弹性橡胶体4，所述内凸型面413的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套2，内凸型面413的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡3，使所述球铰的刚度逐渐增大，当止挡3与外套2发生接触时，球铰的刚度增大到最大值，达到限位状态。在整个受载过程中，所述球铰的刚度变化平缓，不会出现刚度突变的现象，使球铰的减振和柔性连接作用更佳。

具体结构中，相对于所述芯轴1的圆心两个所述内凸型面413的外端边缘之间的扇形角度为α，两个内凸型面413的内端边缘之间的扇形角度为β，两个内凸型面413的弧面中线之间的扇形角度为θ，α≥β，α>θ。从图3b所示，α≥β，α>θ的设置，使得内凸型面413的外端边缘a必须设置在内凸型面413弧面中线c的外侧，而内凸型面413的内端边缘b与外端边缘b相对芯轴1的中轴线径向对齐或者内端边缘b设置于外端边缘a的内侧，在弹性橡胶体4被压缩变形时，如图3b中的c至a弧面逐渐贴近外套2即所述内凸型面413的外端边缘至弧面中间逐渐贴近外套2，c至b弧面逐渐贴近止挡3即内凸型面413的内端边缘至弧面中间逐渐贴近止挡3，因此在压缩时，内凸型面413的外端边缘a和内端边缘b的刚度不断增大，弹性橡胶体4变形流动只能从内凸型面413的两端向内凸型面413的弧面中间鼓出，流动至轴向通孔41中，弹性橡胶体4向内凸型面413弧面中间流动，避免了内凸型面413的自贴合接触，从而避免内凸型面413在压缩过程中打折。

优选方案，所述的内凸型面413的弧面中间为半径1mm~100mm的过渡圆弧面。内凸型面413的弧面中间为圆弧面，更有利于弹性橡胶体4的流动变形，减小弹性橡胶体4在变形过程中的内应力。内凸型面413的弧面中间的半径，是根据所述的球铰中芯轴1、外套2和止挡3的具体尺寸来设置的，所述球铰的规格越大，尺寸芯轴1、外套2和止挡3的尺寸也越大，轴向通孔41的尺寸也随之增大，则内凸型面413的弧面中间的半径增大。

优选方案中，所述的内凸型面413为圆弧面。将内凸型面413设置为圆弧面，轴向通孔41的成型更简单，且可以进一步减小弹性橡胶体4流动变形过程中的内应力。

优选方案中，所述的外型面411与内凸型面413之间通过倒角圆弧面一414过渡，所述的内型面412与内凸型面413通过倒角圆弧面二415过渡，所述的倒角圆弧面一414和倒角圆弧面二415的半径均为0.5mm~50mm。内凸型面413与外型面411和内型面412

均通过倒角圆弧面过渡，可增大弹性橡胶体4在变形时的流动空间，使所述球铰的刚度变化更加缓和，使所述的球铰在受载过程中的刚度变化更加平缓。其中倒角圆弧面一414和倒角圆弧面二415的半径，也是根据球铰的规格尺寸的变化而变化的。

优选方案中，所述的轴向通孔41的外型面411为与外套2同轴的圆弧面，在弹性橡胶体4上开设两个对称的轴向通孔41时，通过外型面41与外套2同轴，保证两个轴向孔41的对称性。

优选方案中，所述的外型面411与外套2之间的弹性橡胶体4的厚度和内型面412与止挡3之间的弹性橡胶体4的厚度均小于2mm。在轴向通孔41与外套2和止挡3之间均有一层厚度小于2mm弹性橡胶体4，对止挡3与外套2的接触起缓冲作用，使所述球铰的刚度变化更加平缓，也可以减少止挡3与外套2接触时所发生的撞击声。

优选方案中，所述的内凸型面413的外端边缘到外套2内壁的最短距离等于内凸型面413内端边缘到止档3外表面的最短距离。使弹性橡胶体4在压缩变形过程中，内凸型面413两端的刚度变化保持均衡，避免弹性橡胶体4内轴向通孔411流动时，偏向内凸型面413的一端鼓出，进一步减少弹性橡胶体4压缩变形时的内应力，使所述的球铰在受载过程中的刚度变化更加平缓。

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。