一种采用喇叭口式隔板的锥形弹簧及减振方法与流程

本发明涉及采用橡胶弹性元件减振技术领域。

背景技术：

锥形弹簧是常用的一种橡胶金属复合的减振降噪元件，主要指金属橡胶结合的具有减振作用的弹簧，弹簧的外观呈锥形结构。锥形弹簧安装在机车车辆一系悬挂和二系悬挂的车体上，主要作用为承受车体和构架的载荷。应用原理为：车辆正常运行时，锥形弹簧不但承受构架和车体的垂向载荷，保证车体与地面的高度外，还承受牵引或制动方向的纵向力，同时在过弯道时承受横向力，确保车辆运行时的舒适度。锥形弹簧结构应用最为普遍的是金属件均为锥型直板的结构。随着机车车辆技术的发展，特别是高铁动车组、城轨、地铁和低地板车技术的发展，锥形弹簧需要更好地满足车辆的动力学要求，在确保蠕变性能和刚度性能的情况下，提高疲劳寿命成为锥形弹簧研究的重要方向。锥形弹簧是终身免维修的产品，现代车辆承受的疲劳载荷也越来越苛刻，对锥形弹簧疲劳性能的要求越来越高，迫切需要有一种新型的结构以实现这些要求。现有锥形弹簧存在的主要问题有：1、橡胶受载后主要产生剪切变形，导致橡胶受载不均，存在受拉的情况，橡胶的特性是抗压但不抗拉，因此受拉部位容易出现开胶和裂纹，缩短产品的疲劳寿命，影响产品的使用；2、橡胶受载后容易产生“褶皱”变形，褶皱处容易产生摩擦生热，最终因橡胶疲劳失效导致橡胶开裂。

现有技术中，实用新型专利cn201420133483.8公开了一种圆柱式和圆锥式相结合的锥形弹簧，包括硫化在一起的金属件和橡胶体，所述金属件包括外套、芯轴以及位于外套和芯轴之间的隔套，所述锥形弹簧采用圆柱形和圆锥形相结合的结构，其上部为圆柱形段、下部为圆锥形段。所述金属件为圆柱形和圆锥形相结合的结构；所述锥形弹簧为由金属件和橡胶通过胶黏剂以及高温硫化形成的整体结构。所述金属件的圆柱形段长度以及圆锥形段锥角的角度，与垂向刚度和水平刚度的大小相配合。所述橡胶体上设有盲孔；所述隔套为二层以上。申请号为201510115772.4的中国发明专利申请公开了一种锥形弹簧变刚度及防止褶皱和开裂的方法及产品，锥形弹簧包括内锥体、橡胶体和外锥体，橡胶体环绕在内锥体的外围，外锥体环绕在橡胶体的外围，橡胶体与内锥体和外锥体一起形成一个锥形布置的橡胶金属弹簧；锥形弹簧的橡胶体上部橡胶型面和橡胶体下部橡胶型面采用多段结构形式；其中，橡胶体上部橡胶型面为多段下坡结构，橡胶体下部橡胶型面为多段上坡结构；锥形弹簧通过改变橡胶体上部橡胶型面多段下坡结构和橡胶体下部橡胶型面多段上坡结构中每一段的形状、斜率、长度和段数，来调整锥形弹簧的刚度变化的大小和刚度变化的位置，并通过控制多段的数量实现多次变刚度的调整。以上现有技术，在有效分配橡胶内部的应力应变分布情况等方面有待进一步改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有锥形弹簧的不足，提供一种采用喇叭口式隔板的锥形弹簧及减振方法，采用喇叭口式隔板和斜面式橡胶型面相结合的方式，在满足锥形弹簧各向刚度性能匹配的前提下，优化承受载荷后橡胶型面的变形方式，能有效地改善橡胶内部的应力应变分布情况，提高锥形弹簧的疲劳寿命。

本发明的技术方案是：一种采用喇叭口式隔板的锥形弹簧，包括通过胶黏剂硫化在一起的外套、芯轴、隔板和橡胶，隔板位于外套和芯轴之间，隔板设有一层以上，所述隔板采用喇叭口式结构，隔板为喇叭口式隔板。

所述橡胶包括橡胶型面，橡胶型面采用斜面式结构，橡胶型面为斜面式橡胶型面，所述橡胶为斜面式型面橡胶。

斜面式型面包括位于橡胶顶面的上斜面式橡胶型面和位于橡胶底面的下斜面式橡胶型面。

喇叭口式隔板上部开口为喇叭口状，开口半径大小与锥形弹簧的垂向刚度和水平刚度相匹配。

所述隔板设有三层，从内至外依次包括喇叭口式隔板一、喇叭口式隔板二和喇叭口式隔板三。

所述外套和芯轴也采用喇叭口式结构，外套和芯轴的形状结构与隔板的形状结构相配合。

一种减振方法，采用锥形弹簧进行减振，锥形弹簧的隔板采用喇叭口式结构，锥形弹簧的橡胶型面采用斜面式型面结构，通过喇叭口式结构和斜面式型面结构的组合来改善橡胶内部的应力应变分布状况，提高锥形弹簧的疲劳寿命。

所述锥形弹簧为上述采用喇叭口式隔板的锥形弹簧；锥形弹簧的芯轴、外套和隔板均采用相互配合的喇叭口式结构，当锥形弹簧在承受垂向载荷或者同时承受垂向载荷+水平载荷时，橡胶处于剪切和压缩相结合状态，支撑垂向载荷，同时提供水平刚度；

锥形弹簧采用斜面式橡胶型面结构，受挤压后的橡胶以滚动方式与金属件相接触，增大了橡胶的应力释放面积，消除了应力集中点，防止出现橡胶从中间部位打折现象，提高了锥形弹簧的疲劳寿命；所述金属件包括芯轴、外套和隔板。

通过改变隔板喇叭口半径大小来实现锥形弹簧的垂向刚度和横向刚度的匹配：喇叭口半径越小，垂向刚度越大，水平刚度越小；喇叭口半径越大，垂向刚度越小，水平刚度越大。

本发明采用喇叭口式隔板和斜面式橡胶型面相结合的方式，在满足锥形弹簧各向刚度性能匹配的前提下，优化承受载荷后橡胶型面的变形方式，能有效地分配橡胶内部的应力应变，提高锥形弹簧的疲劳寿命。本发明采用斜面式橡胶型面和喇叭口式隔板结构，使得该种类型的锥形弹簧无论承受垂向载荷还是同时承受垂向+水平载荷，橡胶都处于剪切和压缩相结合状态，既可支撑垂向载荷，避免垂向方向的蠕变过大，也可提供一定的水平刚度，较好的满足产品使用性能的要求。同时由于橡胶材料不可压缩的特性，受载后由于金属件之间的间隙会变小，橡胶会从锥形弹簧两端型面往外鼓出，改进后的斜面式结构橡胶型面会贴合隔板往外鼓出，与隔板间形成滚动式的接触方式，能防止出现原有结构的橡胶从中间部位打折（“褶皱”变形）的现象。

附图说明

图1是现有技术中隔板为直板的锥形弹簧示意图；

图2和图3分别是图1中ⅰ处和ⅱ处的局部视图（勾形橡胶型面示意图）；

图4是现有技术中隔板为直板的锥形弹簧承受载荷后的示意图（截面图）；

图5是本发明采用喇叭口式隔板的锥形弹簧的结构示意图；

图6和图7分别是图5中ⅲ处和ⅳ处的局部视图（斜面式橡胶型面示意图）；

图8是本发明采用喇叭口式隔板的锥形弹簧承受载荷后的示意图（截面图）；

图中：1、直板式隔板一；2、直板式隔板二；3、直板式隔板三；4、勾形型面橡胶；5、芯轴；6、喇叭口式隔板一；7、喇叭口式隔板二；8、喇叭口式隔板三；9、斜面式型面橡胶；10、外套。

具体实施方式

请参考图5至图8，采用喇叭口式隔板的锥形弹簧包括芯轴5、喇叭口式隔板（其上部开口部分为喇叭口状，喇叭口式隔板包括喇叭口式隔板一6、喇叭口式隔板二7和喇叭口式隔板三8）、斜面式型面橡胶9（其型面为斜面）、外套10。采用喇叭口式隔板的锥形弹簧主要是由外套、芯轴和三层喇叭口式隔板与橡胶通过胶黏剂高温硫化在一起而形成。隔板位于外套和芯轴之间，隔板设有若干层（优选为三层），相邻二个隔板之间、隔板与外套之间以及隔板与芯轴之间均设有橡胶。外套和芯轴的形状与喇叭口式隔板相匹配，芯轴与橡胶相接触部分的外侧面形状为喇叭状，外套与橡胶相接触部分的内侧面形状也大致为喇叭状。成型后的锥形弹簧的橡胶型面为斜面式型面（橡胶型面为斜面）。斜面式橡胶型面包括上斜面式橡胶型面和下斜面式橡胶型面，分别如图5至图7中的ⅲ和ⅳ所示。

采用喇叭口式隔板的锥形弹簧采用喇叭口式结构+斜面式橡胶型面结构组合的结构，外套和芯轴之间根据刚度需求设计有喇叭口式结构的隔板，与橡胶通过胶黏剂以及高温硫化在一起，形成复合金属橡胶弹簧。金属件（包括外套、芯轴和喇叭口式隔板）均为喇叭口式结构，其中间隔板可根据需要设计一层、二层或多层。

一种减振方法，采用上述锥形弹簧进行减振，通过喇叭口式结构和斜面式型面结构的组合来改善橡胶内部的应力应变分布状况，提高锥形弹簧的疲劳寿命。锥形弹簧的芯轴、外套和隔板均采用相互配合的喇叭口式结构，当锥形弹簧在承受垂向载荷或者同时承受垂向载荷+水平载荷时，橡胶处于剪切和压缩相结合状态，支撑垂向载荷，同时提供水平刚度。受挤压后的橡胶以滚动方式与金属件相接触，增大了橡胶的应力释放面积，消除了应力集中点，从而提高了锥形弹簧的疲劳寿命；金属件包括芯轴、外套和隔板。

如图8所示，本发明通过喇叭口式隔板结构和斜面式型面结构的组合能有效降低锥形弹簧橡胶内部承受的应力应变，从而提高锥形弹簧的疲劳寿命。第一，锥形弹簧采用喇叭口式隔板，能提高产品疲劳性能，锥形弹簧在受垂向载荷时，橡胶部分承受压缩和剪切载荷，隔板的喇叭口处结构主要承受压缩载荷，满足使用刚度和蠕变特性的前提下，能够大幅度降低橡胶部分承受的应力和应变，从而有效提高锥形弹簧的疲劳寿命。第二，锥形弹簧采用斜面式橡胶型面，能提高锥形弹簧的疲劳性能，在受挤压后的橡胶会沿着隔板的两侧以滚动方式与隔板相接触，防止传统锥形弹簧中橡胶型面往往出现打折现象的发生，增大了橡胶的应力释放面积，有效消除了应力集中点，降低了疲劳裂纹出现的可能性，从而提高了锥形弹簧的疲劳寿命。第三，采用喇叭口结构隔板的锥形弹簧可以根据产品刚度性能的需求来进行设计，通过改变喇叭口半径大小来实现垂向和横向刚度的匹配性。喇叭口半径越小，垂向刚度越大，水平刚度越小；喇叭口半径越大，垂向刚度越小，水平刚度越大。

下面将现有技术与本发明进一步进行对比分析。

现有技术中的锥形弹簧的隔板多采用锥型直板结构，型面多采用勾形橡胶型面，如图1、图2、图3所示，现有技术中隔板为直板的锥形弹簧的隔板包括直板式隔板一1、直板式隔板二2、直板式隔板三3，其橡胶为勾形型面橡胶4。勾形橡胶型面包括上勾形橡胶型面面和下勾形橡胶型面，分别如图1至图3中的ⅰ和ⅱ所示。以一种圆柱式和圆锥式相结合的锥形弹簧为典型代表例，其隔板的结构为圆柱式和圆锥式相结合的结构（非圆弧过度），其中间隔套可根据需要设计一层或多层；型面采用勾型结构。一种圆柱式和圆锥式相结合的锥形弹簧，金属件的圆柱形段长度以及圆锥形段锥角，根据产品刚度性能需要设计。圆柱形长度越长，垂向刚度越小，水平刚度越大；圆锥形段锥角越大，垂向刚度越大，水平刚度越小。不足：采用勾形橡胶型面,在垂向受载情况下，橡胶型面中间部位会出现严重“褶皱”现象，且产品的垂向载荷由橡胶受剪切承担为主，在重复疲劳载荷的作用下，橡胶就会在褶皱处生成裂纹，并逐渐扩展，最终造成产品的失效。

现有技术中存在的技术问题主要有：第一.橡胶受载后主要产生剪切变形：现有的锥形弹簧铁件都采用锥型直板结构，这种结构型式的特点是可以通过改变锥面的角度来灵活的调节锥形弹簧的垂向和横向刚度匹配。但存在的缺点是橡胶结构在受载时主要承受剪切变形，导致橡胶受载不均，存在受拉的情况，橡胶的特性是抗压但不抗拉，因此受拉部位容易出现开胶和裂纹，缩短产品的疲劳寿命，影响产品的使用。第二.橡胶受载后容易产生“褶皱”变形：由于现有锥型弹簧橡胶的型面采用勾型结构，产品在垂向载荷下，上下部的橡胶型面容易出现“褶皱”变形（如图4所示），形成应力集中,受到变化的载荷后橡胶反复变形的过程中褶皱处容易产生摩擦生热，最终因橡胶疲劳失效导致橡胶开裂。

与现有技术相比，本发明通过上述技术方案，解决以上所述的现有技术中存在的技术问题。采用喇叭口式隔板和斜面式橡胶型面相结合的方式，在满足锥形弹簧各向刚度性能匹配的前提下，优化了承受载荷后橡胶型面的变形方式，有效地改善了橡胶内部的应力应变分布情况，提高锥形弹簧的疲劳寿命。用“斜面式橡胶型面结构”取代了原有勾形橡胶型面结构，改进后的斜面式结构橡胶型面会贴合隔板往外鼓出，与隔板间形成滚动式的接触方式，从而能防止了橡胶从中间部位打折的现象出现。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。