牽引橡膠球鉸及其多次變剛度方法與流程

本發明涉及一種牽引橡膠球鉸及其多次變剛度方法，實現牽引橡膠球鉸在承載過程中的多次變剛度，屬于軌道車輛彈性元件領域。

背景技術：

球鉸產品在裝車運行過程中，根據安裝位置和設計功能的不同，可以實現減振、牽

引和柔性連接等作用。為了保證車輛運行的舒適性，要求產品在小載荷(正常運行)時的剛度較小；但是為了保證車輛運行的可靠性，要求產品在大載荷時(啟動和制動)的剛度明顯增加從而及時限位，因此球鉸特別是牽引球鉸需要具備一定程度的變剛度。在復雜運行工況下，球鉸不僅需要具備一定程度的變剛度，還需要根據運行工況的承載變化，形成多次變剛度，以滿足復雜工況下的承載需求。

現有的球鉸產品，橡膠型面采用向內凹進的u型結構，其缺點在于在型面上形成裂紋或褶皺，容易在靠近外套和芯軸的位置出現褶皺開裂和擠壓開裂，而且剛度變化單一，無法滿足大載荷下的剛度需求，而且剛度的非線性特性低，無法滿足復雜運行工況的承載需求。

cn106032832a，公開了一種球鉸類橡膠彈性元件，包括芯軸，套設于所述芯軸外的橡膠，套設于所述橡膠外的外套，所述外套的長度大于所述橡膠的長度，且所述橡膠自與所述外套相接的一側至與所述芯軸相接的一側長度逐增。此方案中橡膠自與所述外套相接的一側至與所述芯軸相接的一側長度逐增，橡膠的接觸面積是隨著載荷逐漸增加的，產品剛度呈漸進式逐步增加，剛度增長均勻，同時還可以根據需要滿足多個載荷下的多個剛度要求。但沒有解決在復雜運行工況下，根據承載需求，如何實現產品的多次變剛度及如何調整產品的非線性剛度的技術問題。

技術實現要素：

本發明提供針對現有技術中存在的問題，提供一種抗疲勞性能高、可實現多次變剛度且非線性剛度特性高的牽引橡膠球鉸，本發明還提供一種牽引橡膠球鉸的多次變剛度方法。

為達到上述目的本發明采用的技術方案是：牽引橡膠球鉸，包括芯軸、外套和硫化粘結在芯軸與外套之間的橡膠層，其特征在于所述的橡膠層的橡膠外型面由靠近外套的端面一和靠近芯軸的端面二組成，所述的端面一呈由外向內逐漸靠近外套的向外凸起形狀，且由多個環形面依次連接組成，所述的端面二為環形平面，并與端面一通過圓角平滑過渡，端面一與外套內壁通過小圓角過渡連接。

優選的，所述的端面一由與小圓角連接的環形面一、與端面二通過圓角過渡的環形面二和連接在環形面一和環形面二之間的至少一個環形面三組成，兩個相鄰的環形面三之間通過圓角平滑過渡，環形面三與環形面一及環形面二均通過圓角平滑過渡。

優選的，所述的環形面一、環形面二和環形面三均為環形平面，環形面一的斜率小于環形面三的斜率，環形面三的斜率小于環形面二的斜率，且由內至外的環形面三斜率依次增大。

優選的，所述的端面一沿軸向的外端位于外套端面的內側，且端面一沿軸向的外端與外套端面的軸向距離不超過2mm。

優選的，所述的橡膠層硫化粘結在芯軸與外套之間的徑向預擠壓縮量為h，所述的小圓角的圓弧半徑為r，h/4≤r≤h/2，所述的環形面一與外套之間的最小間隙為h/2~2r。

以上所述的牽引橡膠球鉸的多次變剛度方法，其特征在于通過調整端面一中環形面的數量來調節牽引橡膠球鉸承載過程中變剛度的次數，實現牽引橡膠球鉸的多次變剛度。

優選的，通過調整端面一中每個環形面的形狀、斜率和沿軸向的寬度來調節牽引橡膠球鉸多次變剛度拐點的位置以及相鄰變剛度拐點之間的剛度變化。

優選的，通過調整小圓角的圓弧半徑，來調節牽引橡膠球鉸的初始剛度。

優選的，通過調整小圓角的圓弧半徑和環形面一與外套之間的最小間隙來調節牽引橡膠球鉸的初次變剛度拐點。

本發明的牽引橡膠球鉸中，橡膠層的橡膠外型面由靠近外套的端面一和靠近芯軸的端面二組成，所述的端面一呈由外向內逐漸靠近外套的向外凸起形狀，端面一與外套內壁通過小圓角過渡連接，大載荷下，隨著橡膠層的壓縮，橡膠層的變形由端面一向外套內壁方向鼓出，橡膠外型面的變形順著牽引球鉸的變形規律進行，可有效減少橡膠層與外套及芯軸連接處的橡膠鼓出，橡膠外型面在往復變形中，不容易在靠近外套和芯軸的位置出現皺褶開裂和擠壓開裂，可有效提高牽引球鉸的抗疲勞性能。

端面一由多個環形面依次連接組成，通過調整環形面的數量來調節牽引橡膠球鉸承載過程中變剛度的次數，實現牽引橡膠球鉸的多次變剛度。通過調整每個環形面的形狀、斜率和沿軸向的寬度來調節牽引橡膠球鉸多次變剛度拐點的位置以及相鄰變剛度拐點之間的剛度變化，滿足不同運行工況對牽引橡膠球鉸變剛度的不同要求，提高球鉸的非線性剛度特性。

端面一與外套內壁之間通過小圓角過渡，根據橡膠層的初始預擠壓量來調整過渡面一的圓弧半徑，從而實現牽引拉桿節點初始剛度的調節，使牽引拉桿節點適應用不同承載工況的初始剛度要求。根據橡膠層的初始預擠壓量和小圓角的圓弧半徑，調節小圓角與外套內壁的最大間距，從而使橡膠層外型面的始初應力最小，提高橡膠層外型面在承載過程中的變形特性。

附圖說明

圖1為具體實施方式中牽引橡膠球鉸的結構示意圖。

圖2為圖1的局部放大圖。

圖3為具體實施方式在承載過程中的剛度曲線。

具體實施方式

下面結合附圖1至3對本發明的實施例做詳細說明。

牽引橡膠球鉸，包括芯軸1、外套2和硫化粘結在芯軸1與外套2之間的橡膠層3，其特征在于所述的橡膠層3的橡膠外型面由靠近外套2的端面一31和靠近芯軸的端面二32組成，所述的端面一31呈由外向內逐漸靠近外套2的向外凸起形狀，且由多個環形面依次連接組成，所述的端面二32為環形平面，并與端面一31通過圓角平滑過渡，端面一31與外套2內壁通過小圓角33過渡連接。

如圖所示，端面一31呈由外向內逐漸靠近外套2的向外凸起形狀，小圓角33連接外套2內壁，端面二32連接芯軸1，承載過程中，載荷逐漸增大，橡膠層3擠壓向外變形，橡膠層3的變形由端面一31向外套2內壁方向鼓出，將端面一31逐漸貼在外套2內壁上，橡膠的鼓出逐漸向端面一31到外套2內壁間的空間填充，橡膠外型面的變形順著牽引球鉸的變形規律進行，可有效減少橡膠層3與外套2及芯軸1連接處的橡膠鼓出，橡膠外型面在往復變形中，不容易在靠近外套和芯軸的位置出現皺褶開裂和擠壓開裂，可有效提高牽引球鉸的抗疲勞性能。端面一31由三個環形面依面依次連接組成，在端面一31與外套2內壁貼緊的過程中，三個環形面由內至外依次由外套2內壁貼緊，形成承載過程中的兩次變剛度拐點，在實際結構中，環形面的數量由運行工況的承載需求決定，需要說明的是為了實現多次變剛度拐點，端面一31沿軸向的長度和外套2沿軸向的長度也需根據端面31與外套2逐漸貼緊的需求而加長。

具體的，所述的端面一31由與小圓角33連接的環形面一31.1、與端面二32通過圓角過渡的環形面二31.2和連接在環形面一31.1和環形面二31.2之間的至少一個環形面三31.3組成，兩個相鄰的環形面三31.3之間通過圓角平滑過渡，環形面三31.3與環形面一31.1及環形面二31.2均通過圓角平滑過渡。通過圓角的平滑過渡，保證變剛度拐點時，剛度平緩過渡，不會產生剛度陡增，減少發生變剛度拐點時，橡膠球鉸的振動，提高列車運行的舒適性。

具體的，如圖2所示，所述的環形面一31.1、環形面二31.2和環形面三31.3均為環形平面，環形面一31.1的斜率小于環形面三31.3的斜率，環形面三31.3的斜率小于環形面二31.2的斜率，且由內至外的環形面三31.3斜率依次增大，形成由外向內逐漸靠近外套2且向外凸起的端面31，大載荷下，環形面一31.1、環形面三31.3和環形面二31.2依次對外套2內壁貼緊。

具體的，所述的端面一31沿軸向的外端位于外套1端面的內側，且端面一31沿軸向的外端與外套1端面的軸向距離不超過2mm。保證在大載荷時，端面一31完全與外套2的內壁貼緊，橡膠層3的鼓出變形完全從端面一31向外套2內壁的方向進行，將端面一31到外套1內壁的空間填滿，避免靠近外套1和芯軸1位置的橡膠鼓出，在大載荷往復加載中，靠近外套2和芯軸1位置的橡膠也不會發生皺褶開裂和擠壓開裂，牽引球鉸的在大載荷下的疲勞壽命被有效延長。

具體的，所述的橡膠層3硫化粘結在芯軸1與外套2之間的徑向預擠壓縮量為h，所述的小圓角33的圓弧半徑為r，h/4≤r≤h/2，所述的環形面一31.1與外套2之間的最小間隙為h/2~2r。由于過小圓角33的圓弧半徑r，決定了端面一31與外套2內壁接觸時，橡膠層3發生的橡膠徑向變形量，，即變剛度之前橡膠層3發生的變形量，因此調節小圓角33的半徑，可調節球鉸的初始剛度，經過反復試驗得出，h/4≤r≤h/2的范圍內，調節小圓角33的圓弧半徑r，可實現球鉸初始剛度的調節，使球鉸適應用不同承載工況的初始剛度要求。并且在設計小圓角33的圓弧半徑時，即要兼顧節點的初始剛度和初始應力，經過反復多次試驗，得出在h/4≤r≤h/2的范圍內，當球鉸未承載時，小圓角33與外套2內壁的最大間距即端面一31與外套2內壁的最小間距為h/2~2r，端面一31所受的初始應力最小，可有效提高端面一31的變形特性，延長其疲勞壽命。

本發明還保護以上所述的牽引橡膠球鉸的多次變剛度方法，其特征在于通過調整端面一31中環形面的數量來調節牽引橡膠球鉸承載過程中變剛度的次數，實現牽引橡膠球鉸的多次變剛度。根據橡膠球鉸的承載需求，設計端面一31中環形面的數量，當每個環形面與外套內壁開始接觸時，即形成變剛度拐點，通過環形面數量的增減調節變剛度拐點的數量，如圖3所示，由于端面一31包括環形面一31.1、環形面二31.2和一個環形面三31.3，因此在球鉸的剛度曲線中，形成兩個變剛度拐點s1和s2，變剛度的次數為兩次，由于由內至外環形面的斜率依次增加，因此剛度曲線的斜率也在每次變剛度拐點后增加，在實際運用中，也可根據承載需求，設計變剛度的次數。

具體的，通過調整端面一31中每個環形面的形狀、斜率和沿軸向的寬度來調節牽引橡膠球鉸多次變剛度拐點的位置以及相鄰變剛度拐點之間的剛度變化。如圖3中所示，變剛度拐點s1形成的位置（即剛度曲線的橫坐標）和剛度大小（即剛度曲線縱坐標）與環形面一31.1的形狀、斜率和軸向寬度有關，變剛度拐點s2形成的位置和剛度大小與環形面三31.3和環形面二31.2的形狀、斜率和軸向寬度有關，因此調整端面一31中每個環形面的形狀、斜率和軸向寬度，即可調節橡膠球多次變剛度拐點的位置，及相鄰變剛度拐點之間的剛度變化，即調整圖3中的0~s1、s1~s2和s2至終點這三段剛度曲線。

具體的，通過調整小圓角33的圓弧半徑，來調節牽引橡膠球鉸的初始剛度。由于小圓角33的圓弧半徑r，決定了端面一31與外套1內壁接觸時，橡膠層3發生的橡膠徑向變形量，即變剛度之前橡膠層3發生的變形量，因此調節小圓角33的半徑，可調節球鉸的初始剛度，經過反復試驗得出，在h/4≤r≤h/2的范圍內，調節小圓角33的圓弧半徑r，可實現球鉸初始剛度的調節，使牽引球鉸適應用不同承載工況的初始剛度要求。

具體的，通過調整小圓角33的圓弧半徑和環形面一31.1與外套2之間的最小間隙來調節牽引橡膠球鉸的初次變剛度拐點。由于小圓角33的圓弧半徑r，決定了端面一31與外套內壁接觸時，橡膠層3發生的橡膠徑向變形量，而環形面一31.1的形狀、斜率和軸向寬度，決定了載荷增大時，環形面一31.1與外套1內壁的接觸面積，所以調節圓角11的的圓弧半徑r可以調節初次變剛度拐點在承載過程中出現的位置，而調節環形面一31.1的形狀、斜率和軸向寬度可以調節初次變剛度拐點的剛度值，因此得出調節圓角11的圓弧半徑r和環形面一31.1的形狀、斜率和軸向寬度，可實現對初次變剛度拐點的調節。

以上所述的牽引橡膠球鉸及其多次變剛度方法的優點在于：

1、橡膠外型面在往復變形中，橡膠外型面的變形順著牽引球鉸的變形規律進行，不容易在靠近外套和芯軸的位置出現皺褶開裂和擠壓開裂，可有效提高牽引球鉸的抗疲勞性能。

2、實現牽引橡膠球鉸的多次變剛度，滿足不同運行工況對牽引橡膠球鉸變剛度的不同要求，提高球鉸的非線性剛度特性。

3、實現牽引拉桿節點初始剛度的調節，使牽引拉桿節點適應用不同承載工況的初始剛度要求。

以上結合附圖對本發明的實施例的技術方案進行完整描述，需要說明的是所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。