一种多层杆端球铰的整体设计方法与流程

1.本发明涉及弹性橡胶件减震技术领域，尤其涉及一种多层杆端球铰的整体设计方法。


背景技术：

2.杆端球铰是重要的减震连接元件，多用于火车、高铁、汽车、轮船或飞机上，当机体承受径向、扭转和偏转等复杂载荷工况时，通过杆端球铰的变形来承受偏扭转角度和径向载荷，防止机体在运行时侧翻。目前杆端球铰普遍采用纯金属关节形式或金属外套
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单层橡胶层
‑
金属内套的单层橡胶关节形式；纯金属关节形式环境适应性差，尤其在砂尘环境下易产生磨损，在实际应用过程中常出现大面积异响，无法从对金属关节的改进中改善异响问题，导致金属关节的使用寿命降低，且纯金属关节形式价格高昂；金属外套
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单层橡胶层
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金属内套的单层橡胶关节形式的杆端球铰径向刚度小，仅能承受较小的径向刚度，抗偏扭载荷能力较差，在使用过程中橡胶层容易褶皱断裂，导致球铰的使用寿命低。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提供了一种多层杆端球铰的整体设计方法，通过对橡胶型面、隔套和外套的结构设计来提升球铰的整体性能，通过对橡胶型面设计来提高球铰的使用寿命；通过对隔套的设计来提高球铰的使用寿命或降低球铰在硫化前的加工工艺难度；通过对外套的设计来降低球铰在硫化前的加工工艺难度或提高球铰的使用寿命。
4.为达到上述目的，本发明提出了如下技术方案：一种多层杆端球铰的整体设计方法，所述方法是分别通过对橡胶型面、隔套和外套的结构设计来提升球铰的整体性能，具体为通过对橡胶型面设计来提高球铰的使用寿命；通过对隔套的设计来提高球铰的使用寿命或降低球铰在硫化前的加工工艺难度；通过对外套的设计来降低球铰在硫化前的加工工艺难度或提高球铰的使用寿命。优选的，通过对橡胶型面的设计来提高球铰的使用寿命，是指将相邻隔套之间的橡胶型面与隔套相结合形成内凹的复合型面结构，复合型面结构包括凹底面、位于凹底面下侧且朝向球铰外侧的第一外侧面和位于凹底面上侧且朝向球铰外侧第二外侧面，通过将凹底面设置成多弧面段组合的橡胶型面结构来提高球铰橡胶层的抗拉伸性能，提高球铰的使用寿命。
5.优选的，将多弧面段组合的橡胶型面结构设置成弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线长度设置成不小于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线长度，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线外凸弧度设置成大于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线内凹弧度。
6.优选的，通过对隔套的设计来降低球铰在硫化前的加工工艺难度，是指在隔套上设置隔套上侧面、隔套下侧面和隔套端面，将隔套端面的一端与隔套上侧面连接，隔套端面相对于隔套上侧面的另一端与隔套下侧面连接，在隔套端面与隔套上侧面之间形成尖部e，
通过隔套上侧面和隔套端面之间的尖部e与模具形成点接触，利用尖部e与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位，降低对隔套公差的要求，增加隔套的容差性，以保证硫化效果。
7.优选的，通过对橡胶型面的设计来提高球铰的使用寿命，是指将相邻隔套间的橡胶型面设置成整体内凹的橡胶承载单元，橡胶承载单元为多直面段组合结构，所述多直面段组合结构由多个直面段组成，每个直面段间圆弧过渡；所述直面段包括斜直面段和垂直面段。
8.优选的，通过对隔套的设计来提高球铰的使用寿命，是指将隔套端部朝向外套凸出形成上凸缘，将隔套端部朝向芯轴凸出形成下凸缘，相邻隔套中上一隔套的下凸缘、下一隔套的上凸缘和橡胶承载单元共同形成半封闭结构，半封闭结构为橡胶承载单元在受压变形时提供橡胶型面的形变容积空间；且相邻隔套中上一隔套的下凸缘和下一隔套的上凸缘在受压时形成硬止挡，以降低橡胶应力，避免承受载荷时橡胶褶皱断裂，同时避免橡胶承载单元在受压时从半封闭结构中挤出，以提高球铰的使用寿命。
9.优选的，将相邻隔套中上一隔套的下凸缘和下一隔套的上凸缘相对对中设置，且将相邻隔套中下一隔套上凸缘的宽度设置成大于上一隔套中下凸缘的宽度，使相邻隔套中上一隔套的下凸缘和下一隔套的上凸缘在受压时上一隔套的下凸缘可压实在下一隔套的上凸缘中部上端形成硬止挡。
10.优选的，通过对外套的设计来降低球铰在硫化前的加工工艺难度，是指在杆端球铰外套端面的内侧设置切面，以使硫化前外层隔套可在切面处预装入外套内。
11.优选的，切面为弧形面的切面或锥形面的切面。
12.优选的，通过对外套的设计来提高球铰的使用寿命，是指在外套内周面内侧开设凹槽并在凹槽内硫化橡胶，通过增加外层隔套与外套之间在外套内周面上的橡胶应力释放范围来降低杆端球铰的偏扭转刚度，通过凹槽增加外层隔套与外套之间的橡胶层粘结面积以防止球铰在承受大偏扭载荷时外层橡胶从外套与外层隔套之间剥离，提高球铰的使用寿命。
13.本发明的有益效果是：1、通过将橡胶型面设置成多弧面段组合结构或多直面段组合结构，来避免橡胶型面断裂，提高橡胶层的使用寿命，进而提高球铰的使用寿命。
14.2、通过在隔套端部设置尖部e，在硫化前通过尖部e与模具进行点接触对隔套进行轴向定位，防止硫化时隔套在模具中窜动，保证硫化效果，降低加工工艺难度。
15.3、通过将隔套端部朝向外套凸出形成上凸缘，将隔套端部朝向芯轴凸出形成下凸缘，相邻隔套中上一隔套的下凸缘、下一隔套的上凸缘和橡胶承载单元共同形成半封闭结构，半封闭结构可为橡胶承载单元在受压变形时提供橡胶型面的形变容积空间；相邻隔套中上一隔套的下凸缘和下一隔套的上凸缘在受压时形成硬止挡，可以增加球铰的径向刚度，降低橡胶应力，避免承受载荷时橡胶褶皱断裂，同时避免橡胶承载单元在受压时从半封闭结构中挤出，提高橡胶层的使用寿命，进而提高球铰的使用寿命。
16.4、通过将在外套端面的内侧设置切面，以使硫化前外层隔套可在切面处预装入外套内，降低球铰在硫化前的加工工艺难度。
17.5、通过在外套内周面内侧开设凹槽并在凹槽内硫化橡胶，增加外层隔套与外套之
间在外套内周面上的橡胶应力释放范围来降低杆端球铰的偏扭转刚度，通过凹槽增加外层隔套与外套之间的橡胶层粘结面积以防止球铰在承受大偏扭载荷时外层橡胶从外套与外层隔套之间剥离，提高球铰的使用寿命。
附图说明
18.图1为实施例一中球铰的整体结构示意图。
19.图2为图1中a处的局部放大图。
20.图3为图2中b处的局部放大图。
21.图4为侧部橡胶的示意图。
22.图5为实施例一中球铰在模具中硫化前在模具中定位的局部示意图。
23.图6为图1的侧视图。
24.图7为实施例一中外套的立体结构示意图。
25.图8为实施例一中外套的主视图。
26.图9为图8中b
‑
b方向的剖视图。
27.图10为实施例二中隔套端部的结构示意图。
28.图11为实施例二中球铰在模具中硫化前在模具中定位的局部示意图。
29.图12为实施例三中外套的立体结构示意图。
30.图13为实施例四中球铰的整体结构示意图。
31.图14为实施例五中球铰的整体结构示意图。
32.图15为图14中r处相邻两个隔套与橡胶层之间橡胶型面和隔套的局部示意图。
33.图16为图15中u处的局部放大图。
34.图17为图15中w处的局部放大图。
35.图18为球铰受压时橡胶承载单元及上一隔套的下凸缘和下一隔套的上凸缘的变化过程图。
36.图19为第一斜直面段和第二斜直面段的静态径向载荷曲线示意图。
37.图20为实施例六中外套的立体结构示意图。
38.图21为图20中b
‑
b方向的剖视图（切面为锥形）。
39.图22为图21中i处的局部放大图。
40.图23为图20中b
‑
b方向的剖视图（切面为弧形）。
41.图24为实施例七中如图20所示b
‑
b方向的剖视图（切面为锥形）。
42.图25为实施例七中如图20所示b
‑
b方向的剖视图（切面为弧形）。
43.图26为实施例八中如图20所示b
‑
b方向的剖视图（切面为锥形）。
44.图27为实施例八中如图20所示b
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b方向的剖视图（切面为弧形）。
45.附图标记包括：外套1、芯轴2、橡胶层3、隔套4、外套端面5、隔套上侧面6、隔套下侧面7、隔套弧面8、第二外侧面9、隔套端面10、凹底面11、第一外侧面12、外层隔套13、中部橡胶14、侧部橡胶15、螺纹手柄16、弧面段一s1、弧面段二s2、弧面段三s3、模具17、端面橡胶18，奇数层隔套19、偶数层隔套40、外套上端面21、外套下端面22、外套外周面23、外套内周面24、凹槽25、补强块26、外套内侧面27、水平直面28、斜直面29、橡胶型面一30、橡胶型面二31、外套外侧面
32、小槽33、上凸缘34、下凸缘35、橡胶承载单元36、上顶面37、第一内侧面38、第二内侧面39、下底面40、第一斜直面段43、第二斜直面段44、第三斜直面段45、第四斜直面段46、凹底面47、第一圆弧48、第二圆弧49、第三圆弧50、第四圆弧51、外套52、切面53、凹陷部54、上边角部55、下边角部56、第一切面57、第二切面58、第三切面59、第四切面60、第一瓣隔套61、第二瓣隔套62、外套内周面的截面63、凸棱64。
具体实施方式
46.以下结合附图1
‑
27对本发明做进一步详细描述。
47.实施例一如附图1
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9所示，一种多层杆端球铰的整体设计方法，上述杆端球铰包括外套1、芯轴2和橡胶层3，橡胶层3内设有多个隔套4，将相邻隔套4之间的橡胶型面与隔套4相结合形成内凹的抗拉伸单元，如图3所示，抗拉伸单元包括凹底面11、位于凹底面11下侧且朝向球铰外侧的第一外侧面12和位于凹底面11上侧且朝向球铰外侧第二外侧面9，通过将凹底面11设置成多弧面段组合的橡胶型面结构来提高球铰橡胶层3的抗拉伸性能，防止球铰在承受偏扭载荷时橡胶层3褶皱断裂，提高橡胶层3的使用寿命，进而提高球铰的使用寿命。
48.如图1所示，在外套1外侧还设有螺纹手柄16，本领域技术人员也可以根据实际情况将芯轴2换成内套，或者选择不设置螺纹手柄16或设置其他形式的手柄；抗拉伸单元包括凹底面11、第一外侧面12和第二外侧面9，第一外侧面12位于凹底面11下侧且朝向球铰外侧设置，第二外侧面9位于凹底面11上侧且朝向球铰外侧设置。
49.如图3所示，上述多弧面段组合的橡胶型面结构包括弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线长度设置成不小于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线长度，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线外凸弧度设置成大于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线内凹弧度。
50.多弧面段组合的橡胶型面结构包括弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段，弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段均可为多个，多个弧顶朝向球铰内侧的弧面段和弧顶朝向球铰外侧的弧面段共同组成抗拉伸单元的凹底面11。若朝向球铰内侧的弧面段过长或者内凹弧度过大，则凹底面11向球铰内侧内凹空间较大，橡胶层3不能较好的对球铰进行径向支撑，将大大降低球铰的径向刚度；若朝向球铰外侧的弧面段过短或者外凸弧度过小，则朝向球铰外侧的弧面段向外凸出较少，当球铰在承受大偏扭载荷的工况下时，朝向球铰外侧的弧面段的拉伸距离短，朝向球铰外侧的弧面段的抗疲劳性能差，朝向球铰外侧的弧面段将很容易断裂褶皱，降低球铰的使用寿命；将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线长度设置成不小于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线长度，将弧顶朝向球铰外侧的弧面段的弧线外凸弧度设置成大于弧顶朝向球铰内侧的弧面段的弧线内凹弧度，因此可以在保证球铰抗拉伸能力的同时，还能最大程度的增大球铰的径向刚度，增加球铰的使用寿命。
51.如图3所示，将所述多弧面段组合的橡胶型面结构设置为三段式弧面结构，分别为弧面段一s1、弧面段二s2和弧面段三s3，弧面段一s1的弧顶朝向球铰外侧，弧面段二s2和弧面段三s3的弧顶均朝向球铰内侧，弧面段一s1位于弧面段二s2和弧面段三s3之间且弧面段一s1的弧线长度不小于弧面段二s2和弧面段三s3的长度之和。本实施例将多弧面段组合的
橡胶型面结构设置成三段式弧面结构，包括两个弧顶朝向球铰内侧的弧面段二s2、弧面段三s3和一个弧顶朝向球铰外侧的弧面段一s1，弧面段一s1位于弧面段二s2和弧面段三s3之间，弧面段一s1的上端与弧面段三s3的下端连接过渡，弧面段一s1的下端与弧面段二s2的上端连接过渡；将弧面段一s1的弧线长度设置成不小于弧面段二s2和弧面段三s3的长度之和，因此弧面段二s2和弧面段三s3不会朝向球铰内侧内凹过多而影响球铰的径向刚度，弧面段一s1也不会朝向球铰外侧凸出过少而减少弧面段一s1的拉伸距离而影响球铰的抗拉伸性能。当球铰承受偏扭载荷时，弧面段二s2、弧面段三s3s1和弧面段三s3依次被拉伸。
52.其中，每个弧面段一s1的弧顶连线为l1，每个弧面段二s2和弧面段三s3的弧顶连线为l2，将l1和l2均设置为向球铰内侧内凹的曲线，曲线l1的半径小于曲线l2的半径且曲线l1和曲线l2同圆心设置。如图2所示，曲线l1为隔套4间朝向球铰外侧凸出的弧面段一s1的弧顶的连线，曲线l1整体朝向球铰内侧内凹；曲线l2为隔套4间朝向球铰内侧内凹的弧面段二s2和弧面段三s3的弧顶的连线，曲线l1也整体朝向球铰内侧内凹，因此整个球铰的外端成如图1中h线所示的“反括号型”，当球铰承受大偏扭载荷时，“反括号型”的结构可以增加整个球铰的拉伸距离而从整体上提高球铰的抗拉伸性能。曲线l1的半径小于曲线l2的半径，曲线l1和曲线l2同圆心设置，因此在相同偏转角度的情况下，偏转力相对较小，橡胶型面不容易褶皱变形，且球铰会更灵活并易偏转。
53.其中，曲线l1和曲线l2之间的距离设置为0.5mm
‑
2mm。如果曲线l1和曲线l2之间的距离过大，有两种情况，第一种是朝向球铰内侧内凹的弧面段二s2和弧面段三s3的弧顶内凹过多，会减小橡胶层3的面积，降低球铰的径向刚度；第二种情况是朝向球铰外侧凸出的弧面段一s1的弧顶外凸过大，一方面会使得抗拉伸单元的整体内凹空间变小，降低球铰承受载荷时橡胶的释放空间，引起橡胶堆积，同时弧面段一s1由于外凸过多也容易在承受偏扭载荷时弧顶处直接被拉断。因此将曲线l1和曲线l2之间的距离设置为0.5mm
‑
2mm时，球铰既能保证径向载荷承受能力，又能提高球铰的抗拉伸性能，增加球铰的使用寿命。
54.如图3所示，隔套4包括隔套上侧面6、隔套下侧面7和隔套端面10，隔套端面10位于隔套上侧面6和隔套下侧面7的外侧端部，隔套端面10将隔套上侧面6和隔套下侧面7连接起来；隔套上侧面6和隔套下侧面7均为弧形结构，隔套下侧面7由原有的隔套弧面8在靠近隔套端面10位置处过渡形成直面型面的第二外侧面9，第二外侧面9的内端与隔套弧面8的外端连接，第二外侧面9的外端与隔套端面10的下端连接。弧面段三s3的上端与第二外侧面9的内端相连；隔套下侧面7中原有的隔套弧面8和直面型面的第二外侧面9的过渡点为d点，穿过d点处并与第二外侧面9垂直相交的直线为t1；曲线l2与直线t1之间的距离关系是：以t1为基准线，曲线l2位于t1的
±
0.5mm范围内，即将弧面段二s2和弧面段三s3的弧顶设置在直线t1的
±
0.5mm范围内。
55.第二外侧面9为直面型面，用于产品在硫化时对隔套4进行径向定位，防止隔套4在模具17中窜动，保证硫化效果，第二外侧面9上硫化时不包胶，但是在产品硫化后第二外侧面9上仍会有薄层包胶的橡胶层3，用以保护隔套4，第二外侧面9的内端与弧面段三s3的上端连接，即硫化后，橡胶型面的弧面段s3的上端会延伸至第二外侧面9内端处，且第二外侧面9、弧面段三s3、弧面段三s3s1、弧面段二s2和第一外侧面12共同形成整体朝向球铰内侧内凹的抗拉伸单元。如图3所示，隔套下侧面7中原有的隔套弧面8和直面型面的第二外侧面9的过渡点为d点，穿过d点处并与第二外侧面9垂直相交的直线为t1，直线t1靠近球铰内侧
的部分刚度最强；为了在增加球铰抗拉伸性能的同时保证球铰的径向刚度，使得弧面段二s2和弧面段三s3的弧顶朝向球铰内侧内凸保证拉伸距离，但不会内凸过多降低径向刚度。
56.第一外侧面12为其下方隔套上侧面6包胶后形成的橡胶型面，弧面段二s2的下端与第一外侧面12的内端相连。隔套上侧面6上进行包胶，可以保护隔套4不被腐蚀。
57.外层橡胶层3包括中部橡胶14和侧部橡胶15，侧部橡胶15包裹在外套端面5外侧并延伸至外层隔套13的隔套上侧面6上方；侧部橡胶15的厚度是隔套4间的橡胶层3厚度的2倍以上。如图4所示，外套端面5外侧包裹设置了侧部橡胶15，可大大提高外套1和外层橡胶之间的刚度，防止局部应力导致橡胶变形；当球铰承受大偏扭载荷时，侧部橡胶15能提高橡胶层3的应力释放空间，降低球铰的偏扭转刚度。如图1所示，将外层隔套13的宽度m设置成大于外套1的宽度n，以增加球铰的径向刚度。侧部橡胶15包裹在外套端面5中部下方；若侧部橡胶15将外套端面5全部包裹，则在硫化前外套1不能在模具17中稳定定位，在硫化过程中外套1会在模具17中晃动，影响硫化效果和封胶效果；侧部橡胶15也可包裹至外套端面5的中部靠上，优选为包裹在外套端面5中部下方，既能提高球铰的径向刚度，又不会影响封胶；如图4所示，将侧部橡胶15与外套端面5相连的橡胶型面一30设成弧面，与直面相比，将橡胶型面一30设成弧面可避免球铰在承受载荷时橡胶堆积到外套端面5处引起打折断裂，可以增加球铰的使用寿命；将侧部橡胶15远离外套端面5的橡胶型面二31设置成垂直于芯轴2水平中轴线s的直面，橡胶型面一30的下端与橡胶型面二31的上端连接，垂直于芯轴2水平中轴线s的直面的橡胶型面二31可以在降低偏扭转刚度的同时，增强球铰在最外层橡胶处的径向刚度。
58.其中，球铰的橡胶层3在硫化后采用冷出模方式，具体为将硫化后的球铰出模温度设置为40
°‑
90
°
；通过冷出模方式保证橡胶处于冷收缩状态而降低产品出模后橡胶的收缩。在产品硫化完后，若采用常温出模，则出模温度通常是130度左右，所硫化的橡胶温度较高出模后热收缩，橡胶收缩率较大，弧面段一s1、弧面段s2和弧面段s3均有可能由于收缩过多而影响球铰的抗拉伸性能；本实施例里的产品采用冷出模方式，并将出模温度控制在40
°‑
90
°
范围内，则在出模后橡胶冷收缩，弧面段一s1、弧面段s2和弧面段s3的收缩率小，可保证抗拉伸性能。
59.发明人将本实施例中杆端球铰取一层橡胶层3(包括两个隔套4和两个隔套4之间的橡胶层3)和现有技术的杆端球铰取一层橡胶层3(包括两个隔套4和两个隔套4之间的橡胶层3)在相同的径向拉伸位移下，对其做有限元分析，得出结论如下表所示： 现有技术本实施例优化量橡胶应变1.6471.35217.91%拉伸变形量4.593.6520.48%由上可知，在相同的径向拉伸位移下，本实施例的杆端球铰的拉伸变形量与现有技术中杆端球铰的拉伸变形量相比降低了20.48%，橡胶应变降低了17.91%，有效的提高了本方案这种薄层橡胶的使用寿命。
60.如图5所示，将隔套端面10的一端与隔套上侧面6连接，隔套端面10相对于隔套上侧面6的另一端与第二外侧面9连接，将隔套上侧面6设置成弧面，隔套端面10设置成平行于球铰垂直中轴线l33的直面，隔套上侧面6与隔套端面10的交点处形成尖部e，利用尖部e与模具17进行点接触在硫化过程中对隔套4进行轴向定位，降低对隔套4公差的要求。通过上
述对隔套的设计来降低球铰在硫化前的加工工艺难度。
61.尖部e与模具17是点接触的，相对于面接触的形式，点接触能使隔套4在轴向上定位得更稳定，不会在模具17中晃动，能保证硫化效果；另外如果隔套4端部与模具17是线接触的，会导致隔套4与模具17接触的位置与隔套4紧密贴合而无法包胶，而在产品使用中，隔套4端部与外界接触较多，如果此处没有包胶，产品极容易在使用过程中被腐蚀和磨损，会降低隔套4的使用寿命，而本方案中隔套4端部与模具17是点接触的，不会影响隔套端面10的包胶，隔套端面10在硫化后仍能形成端面橡胶18，可增强产品的防腐性，增加产品的使用寿命。隔套4通过尖部e与模具17接触，还可以提高隔套4的容差性，降低对隔套4公差的要求，减小隔套4加工的工艺难度，当加工出来的隔套4有公差时，隔套4仍然能放入模具17中进行硫化。将第二外侧面9设置成水平的直面，在硫化过程中，利用第二外侧面9与模具17进行线接触对隔套4进行径向定位，可防止硫化过程中隔套4在模具17中移动，影响硫化效果。如图5所示，在硫化前将隔套4放入模具17中时，通过第二外侧面9与模具17进行线接触实现径向定位，利用隔套上侧面6与隔套端面10的交点所形成的尖部e对隔套4进行轴向定位，防止隔套4硫化时在模具17中晃动。同时，隔套4通过尖部e与模具17进行点接触定位，不会影响隔套端面10的包胶。
62.其中，外套1、芯轴2和隔套4同球心设置。外套1、芯轴2和隔套4均同球心，可以保证大径向刚度，增加承受偏扭载荷时的灵活性。
63.如图6所示，隔套4包括分瓣设置的奇数层隔套19和偶数层隔套40，每层隔套4对称分成多瓣，每两瓣之间形成开口k，奇数层隔套19的开口k和偶数层隔套40的开口k错开分布。实际工作中，球铰内隔套4的开口k处是承受载荷时的薄弱点，将奇数层隔套19和偶数层隔套40间的开口k错开设置，则每一层隔套4的薄弱点在不同的位置，不会出现绝对薄弱点，从而球铰在径向疲劳下寿命会更长；球铰在硫化成型时，为了使橡胶能自由流动，通常需单独加工艺孔，本实施例在相邻隔套4间错开设置开口k，一方面使得不再需要单独加工艺孔，简化了操作工艺；另一方面还能让橡胶在硫化成型时更好的流动，进而更好的成型。
64.每层隔套4平均分成两瓣，奇数层隔套19的开口k的连线为直线l4,偶数层隔套40的开口k的连线为直线l5，直线l4和直线l5交叉于球铰的中心点并对称分布于垂直中轴线l33的侧方；直线l4与直线l5以垂直中轴线l33为基准
±
10
°‑
85
°
交错摆放。第一，如果隔套4的开口k杂乱无章的设置，则球铰各个方向受力不同，在工作过程中有偏载的风险，且整个球铰看上去极不美观，本实施例将奇数层隔套19的开口k设置在同一条直线上，偶数层隔套40的开口k也设置在同一条直线上，能将主承载方向与开口k处错开，主承载方向不会产生偏载，极大的增大了球铰的径向刚度。第二，为了保证球铰的径向刚度，隔套4开口k的位置要避开主承载方向，如图6所示，球铰的主承载方向在螺纹手柄16处且主要在垂直中轴线l33上，直线l4和直线l5交叉于球铰的中心点并对称分布于垂直中轴线l33的侧方，能避开主承载方向。如果直线l4与直线l5朝向螺纹手柄16的夹角β低于10
°
时，当球铰在主承载方向受力时，由于夹角β过小，开口k处受力较大且较频繁，开口k处的橡胶极容易断裂；而如果直线l4与直线l5朝向螺纹手柄16的夹角β大于85
°
时，当球铰在主承载方向受力时，容易造成橡胶堆积，影响球铰的使用寿命。第三，零开口k的整体式隔套4，装模难度高，加工难度极大，成本高昂。但若将隔套4分成三瓣或三瓣以上，即在一个隔套4上设置多个开口k，第一球
铰硫化过程中各个零散的隔片难以在模具17中定位，第二每一瓣隔套4的形状区别不大，一个隔套4分成太多瓣，将造成管理混乱，工人在操作过程中容易引起混装；第三开口k越多，径向刚度下降的越严重，隔套4断裂的风险大；第四在径向疲劳过程中，隔片的位置有可能会移动，隔套4的瓣数越多，每一瓣受力能力越低，移动的角度越大，将导致整个球铰的使用寿命降低。本方案在每个隔套4上设置两个开口k，将一个隔套4分成两瓣，既能避免上述问题，又能保证球铰的大径向刚度。
65.直线l4与直线l5以垂直中轴线l33为基准
±
60
°
交错摆放。根据发明人反复试验发现，当一个球体结构等分成3份时，每份是120
°
，则每一个120
°
方向的中部受力最好；因此本实施例里将直线l1与直线l2以垂直中轴线l33为基准
±
60
°
交错摆放，即直线l4与直线l5朝向杆部5的夹角β为60
°
，直线l4与直线l5之间的夹角为120
°
，球铰的主承载方向在l3上，即主承载方向在120
°
方向的中部，此时受力最好。
66.每两瓣之间开口k的宽度为0.5mm
‑
4mm。隔套4开口k的宽度若低于0.5mm，由于开口k缝隙太小，硫化过程中不利于橡胶自由流动，难以成型；隔套4开口k的宽度若大于4mm，不利于应力集中，将降低球铰的径向刚度，且容易造成隔套4移动和断裂。隔套4间开口k的宽度优选为2mm。经过发明人反复测试，当隔套4开口k宽度为2mm时，相对于其他开口k宽度疲劳效果最优，可达到径向刚度，偏扭刚度均承受200万次疲劳强度。
67.隔套4的层数根据球铰的载荷设置，具体为6层以上。本实施例的隔套4一共为8层，将橡胶层31分隔成了9层，9层设计的橡胶层31，增加了球铰的径向刚度，使得球铰能承受较大的径向载荷。
68.其中，与外套1相邻的一层隔套4为外层隔套13，外层隔套13与外套1之间的橡胶层3为最外层橡胶；如图7所示，外套1包括外套外周面23和外套内周面24，在外套内周面24内侧开设凹槽25并在凹槽25内硫化橡胶，凹槽25可以为一个，也可以为相对对称设置在杆端球铰的垂直中轴线l33两侧的两个，本实施例里的凹槽25为两个。通过凹槽25及在凹槽25内硫化橡胶，可增加外层隔套13与外套1之间的最外层橡胶在外套内周面24上的橡胶应力释放范围来降低杆端球铰的偏扭转刚度。
69.在外套外周面23上增设补强块26，将凹槽25与补强块26相对设置在外套1圆周方向的内外两侧，补强块26一共为2个，分别与两个凹槽25对应相对设置。将凹槽25与杆端球铰的主承载方向错开设置并相对对称设置在球铰的垂直中轴线l33两侧，以保证球铰的径向刚度。
70.将凹槽25设置成曲面凹槽25，曲面凹槽25开口的大小大于曲面凹槽25槽底的大小。当在凹槽25中硫化橡胶后，曲面凹槽25开口的大小大于曲面凹槽25槽底的大小，一方面可以防止承受载荷时橡胶在凹槽25内堆积打折，另一方面还能在承受偏扭压力时增加橡胶在曲面凹槽25开口处的橡胶应力释放范围，降低偏扭转刚度。且凹槽25还能增加外层隔套13与外套1之间的最外层橡胶与外套1的粘结面积以防止球铰在承受大偏扭载荷时最外层橡胶从外套1与外层隔套13之间剥离。通过对外套1的上述设计增加球铰的使用寿命。
71.其中，如图4和9所示，将外套1两端面之间弧形的外套内周面24的截面，即弧形的外套内侧面27在靠近外套端面5处设置成平行于芯轴2水平中轴线s的水平直面28，在水平直面28与外套端面5之间设置从水平直面28外端部朝向外套外侧面32向外倾斜的斜直面29，斜直面29处会硫化橡胶，可进一步增加最外层橡胶与外套1之间的粘结面积，防止承受
载荷的过程中最外层橡胶从外套1和外层隔套13中剥离；外套外侧面32即外套1两端面之间弧形的外套外周面23的截面；以此增大外套端面5和外层隔套13端面处开口的大小，增大球铰承受大偏扭载荷时外套1端部和外层隔套13端部开口处橡胶层3的应力释放空间，降低偏扭转刚度。
72.实施例二本实施例如附图10和图11所示，实施例二与实施例一的不同之处在于：将隔套端面5从隔套上侧面6外端朝向球铰内侧倾斜设置，隔套上侧面6和隔套端面5的交点处形成尖部e，利用尖部e与模具进行点接触在硫化过程中对隔套进行轴向定位。将隔套端面5从隔套上侧面6外端朝向球铰内侧倾斜设置可使隔套4在模具中定位的更稳。，进一步降低了球铰在硫化前的加工工艺难度。
73.实施例三如附图12所示，本实施例与实施例二的不同之处是，在曲面凹槽25的槽底设置了若干狭长型的小槽33，在若干小槽33中硫化橡胶，通过曲面凹槽25和若干小槽33进一步增加外层隔套13与外套1之间的粘结面积以防止球铰在承受大偏扭载荷时外层橡胶13从外套1与外层隔套13之间剥离，增加球铰的使用寿命。
74.实施例四如附图13所示，本实施例与实施例二的不同之处是，将整个球铰设置成如图13中f处所示的“八字型”，可增大球铰的径向刚度，又能分散应力，防止橡胶堆积打折，增加球铰的使用寿命。
75.实施例五如附图14
‑
19所示，本实施例与实施例四的不同之处是，相邻隔套4间的橡胶型面整体内凹形成橡胶承载单元36，隔套4端部朝向外套1凸出形成上凸缘34，隔套4端部朝向芯轴2凸出形成下凸缘35，相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35、下一隔套4的上凸缘34和橡胶承载单元36共同形成半封闭结构，半封闭结构为橡胶承载单元36在受压变形时提供橡胶型面的形变容积空间；且相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34在受压时形成硬止挡，以降低橡胶应力，避免承受载荷时橡胶褶皱断裂，同时避免橡胶承载单元36在受压时从半封闭结构中挤出，通过上述对隔套的设计增加球铰的使用寿命。
76.如图15所示，隔套4的端部上下均凸出，隔套4的端部朝向外套1凸出形成上凸缘34，隔套4端部朝向芯轴2凸出形成下凸缘35，相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35、下一隔套4的上凸缘34和由橡胶型面形成的橡胶承载单元36共同形成半封闭结构，当球铰承受载荷时，橡胶型面在上述半封闭结构内进行变形，半封闭结构为橡胶承载单元36提供橡胶型面形变时的容积空间，防止橡胶型面缺乏形变容积空间而堆积变形断裂；当球铰受压时，相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34会接触并形成硬止挡，防止半封闭结构内的橡胶承载单元36进一步弯折变形，降低橡胶应力，防止橡胶褶皱断裂，增加球铰的使用寿命。
77.如图15所示，相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34相对对中设置，且相邻隔套4中下一隔套4上凸缘34的宽度大于上一隔套4中下凸缘35的宽度，使相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34在受压时上一隔套4的下凸缘35可压实在下一隔套4的上凸缘34中部上端形成硬止挡。
78.相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34相对对中设置，在承受载荷时，相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34所形成的硬止挡受力均匀集中，能支撑得更加稳定，防止半封闭结构内的橡胶型面进一步挤压变形褶皱，相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35不会在受压时因支撑不稳而朝下一隔套4的上凸缘34两侧的其中一侧倾斜，进一步防止橡胶型面褶皱变形，增加球铰的使用寿命。
79.如图18所示，当球铰初步受压时，相邻隔套4的变化和橡胶承载单元36的变化如x图所示，此时相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34相互靠近，半封闭结构中的橡胶承载单元36的橡胶型面挤压；当球铰进一步受压时，相邻隔套4的变化和橡胶承载单元36的变化如y图所示，此时相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34进一步靠近，半封闭结构中的橡胶承载单元36的橡胶型面进一步挤压；当球铰深度受压时，相邻隔套4的变化和橡胶承载单元36的变化如z图所示，此时相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34接触并形成止挡，半封闭结构中的橡胶承载单元36的橡胶型面被挤压到极限位置。由于本实施例中相邻隔套4中下一隔套4上凸缘34的宽度大于上一隔套4中下凸缘35的宽度且相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34相对对中设置，因此当球铰深度受压使得相邻隔套4中上一隔套4的下凸缘35和下一隔套4的上凸缘34接触并形成止挡后，上一隔套4的下凸缘35既不会因为朝向球铰内侧设置的太宽而减小橡胶的挤压容积空间而使得橡胶被挤坏，也不会因为向球铰外侧设置的太宽而使得橡胶从半封闭结构中挤压出去而使得橡胶被挤坏。其中，橡胶承载单元36为多直面段组合结构，以实现橡胶的非线性变刚度。将橡胶承载单元36设置成多直面段组合结构，可以调整增加组合线段的数量，也可调整各线段的长度等，使得橡胶不是单一的线性变刚度，增加产品的适用范围和使用寿命。多直面段组合结构由多个直面段组成，每个直面段间圆弧过渡；直面段包括斜直面段和垂直面段。相对于弧面段或其他型面段的橡胶型面，发明人在根据实际情况设计球铰时，直面段的橡胶型面更好设计、计算和分析，以满足各工况下橡胶的变刚度需求。
80.以球铰受压时第一斜直面段43和第二斜直面段44的静态径向载荷变化为例，如图19所示，当球铰受压时，第一斜直面段43和第二斜直面段44的静态径向载荷变化曲线示意图中形成了拐点j，多直面段组合结构中的其他相邻型面段之间也将形成拐点，实现非线性变刚，通过对橡胶型面的上述设计增加球铰的使用寿命。
81.如图15和图16所示，下凸缘35包括第二内侧面39和下底面40，第二内侧面39为下凸缘35朝向球铰的一侧侧面，下底面40为下凸缘35远离上凸缘34的一侧水平面；隔套4包括隔套上侧面6和隔套下侧面7；多直面段组合结构中与下凸缘35相连的直面段为第一斜直面段43，第一斜直面段43与下凸缘35连接于第二内侧面39上且连接于第二内侧面39与隔套下侧面7的拐点g的下方，第一斜直面段43从d点下方起朝向球铰内侧向斜下方倾斜。隔套4下凸缘35的第二内侧面39与隔套下侧面7的拐点为g处，若第一斜直面段43与下凸缘35连接于g处或连接于隔套下侧面7上靠近g处的位置，当球铰受压时，由于g处没有多余的橡胶形变容积空间，第一斜直面段43附近的橡胶被挤压后都将向隔套下侧面7和第二内侧面39的连接拐点g处堆积；本实施例中第一斜直面段43连接于下凸缘35的第二内侧面39上且与第二内侧面39连接于g处的下方，因此当球铰受压时，第一斜直面段43附近的橡胶会逐渐贴近第二内侧面39进行形变，且半封闭结构给第二内侧面39附近的橡胶提供了形变容积空间，此
时橡胶不会堆积在两个面橡胶的拐点g处，增加了球铰的使用寿命。
82.如图15
‑
17所示，多直面段组合结构包括整体内凹的橡胶承载单元36的凹底47；多直面段组合结构还包括第二斜直面段44、第三斜直面段45和第四斜直面段46；第二斜直面段44与第一斜直面段43相连于第一斜直面段43远离第二内侧面39的一端，第二斜直面段44与第一斜直面段43通过第一圆弧48过渡；凹底47的上端与第二斜直面段44相连于第二斜直面段44远离第一斜直面段43的一端，凹底47与第二斜直面段44通过第二圆弧49过渡，第二斜直面段44朝向球铰内侧向斜下方倾斜；凹底47的下端与第三斜直面段45相连于第三斜直面段45的上端，凹底47与第三斜直面段45通过第三圆弧50过渡，第三斜直面段45朝向球铰内侧向斜上方倾斜；第三斜直面段45的下端与第四斜直面段46相连于第三斜直面段45远离凹底47的一端，第三斜直面段45与第四斜直面段46通过第四圆弧51过渡。
83.橡胶承载单元36为多直面段组合结构，其中多直面段组合结构包括第一斜直面段43、第二斜直面段44、第三斜直面段45、凹底47和第四斜直面段46，且第一斜直面段43与第二斜直面段44、第二斜直面段44与凹底47、凹底47与第三斜直面段45、第三斜直面段45与第四斜直面段46均通过圆弧过渡，可以避免球铰受压承受载荷时橡胶在多直面段组合结构的两个线段的拐点处褶皱过大而断裂，增加球铰的使用寿命；本实施例中的凹底47为垂直面段结构，本领域技术人员也可以根据实际需要将凹底47设置成其他型面结构以满足实际工况的需求。
84.如图15和图17所示，上凸缘34包括上顶面37和第一内侧面38，第一内侧面38为上凸缘34朝向球铰内侧的一侧侧面，上顶面37为上凸缘34远离下凸缘35的一侧水平面；第四斜直面段46与隔套上侧面6相连且连接于隔套上侧面6上靠近隔套上侧面6与第一内侧面38的拐点p处。隔套4上凸缘34的第一内侧面38与隔套上侧面6的拐点为p处，若第四斜直面段46与上凸缘34连接于p处或连接于上凸缘34的第一内侧面38上靠近p处的位置，当球铰受压时，p处或第一内侧面38处均没有橡胶形变时的容积空间，第四斜直面段46附近的橡胶被挤压后都将向第一内侧面38与隔套上侧面6的拐点p处或向第一内侧面38处堆积；本实施例中第四斜直面段46与隔套上侧面6相连且连接于隔套上侧面6上靠近隔套上侧面6与第一内侧面38的拐点p处，因此当球铰受压时，第四斜直面段46附近的橡胶会逐渐贴近第一内侧面38进行形变，第四斜直面段46与第一内侧面38之间的空间为第四斜直面段46附近的橡胶提供了形变容积空间，此时橡胶不会堆积在拐点s处或向第一内侧面38处。
85.如图16所示，将第一斜直面段43的斜率设置成30
°‑
60
°
，即将第一斜直面段43与横坐标轴线x1之间的夹角q设置成30
°‑
60
°
；如图17所示，将第四斜直面段46的斜率设置成120
°‑
150
°
，即将第四斜直面段46与横坐标轴线x2之间的夹角v设置成120
°‑
150
°
。
86.若第一斜直面段43的斜率小于30
°
，则当球铰受压时，第一斜直面段43与第二内侧面39之间距离过小将导致第一斜直面段43受压发生形变时没有足够的容积空间而堆积变形；若第一斜直面段43的斜率大于60
°
，第一斜直面段43将贴近隔套下侧面7，即第一斜直面段43处的橡胶厚度小，将影响球铰的径向刚度。
87.若第四斜直面段46的斜率小于120
°
，则当球铰受压时，第四斜直面段46与第一内侧面38之间距离过小将导致第四斜直面段46受压发生形变时没有足够的容积空间而堆积变形；若第四斜直面段46的斜率大于150
°
，第四斜直面段46将贴近隔套上侧面6，即第四斜直面段46处的橡胶厚度小，将影响球铰的径向刚度。
88.实施例六如附图20
‑
27所示，本实施例与实施例五的区别在于，为了在硫化前外层隔套13能顺利预装入外套1内，在杆端球铰外套端面5的内侧设置切面53，将切面53与杆端球铰的主承载方向错开设置，能更好的保证球铰的径向刚度，在硫化后，切面53处也将包胶，可以降低杆端球铰的偏扭转刚度。如图20所示，杆端球铰的外套1为球面体结构，外套1的外套内周面24内凹形成凹陷部54，外套内周面24的内径大于外套端面5的内径，隔套4也为球面体结构，将外层隔套13放入外套1内，外层隔套13需经外套端面5的内口处才能放入外套1内部，因此当外层隔套13的外周面外径大于外套端面5的内径时，外层隔套13无法从外套端面5的内口放进外套1内。本实施例通过在外套端面5的内侧设置切面53，以使外层隔套13能从切面53处放入外套1，且切面53处硫化后，能降低球铰的偏扭刚度。通过上述设计降低了球铰在硫化前的加工工艺难度。
89.本实施例里将切面53设为锥形的切面53，如图21和22所示：锥形切面53的截面从外套端面5朝向球铰的垂直中轴线l3向下倾斜设置。外套内周面的截面63朝向外套1外侧凸出形成位于锥形面的切面53的截面下方的凹陷部54，外层隔套13可从锥形的切面53处斜放入外套1内，并在外套内周面24的凹陷部54处沿着圆周方向旋进外套1内。
90.其中，在锥形的切面53与外套内周面24相交处形成可防止装入后的外层隔套13弹出的凸棱64。当将锥形的一切面53的截面从外套端面5朝向球铰的垂直中轴线l3向下倾斜时，在锥形的切面53和外套内周面24的相交处将自然形成凸棱64。如图21和22所示，锥形的切面53的截面与外套内周面的截面63的相交处自然形成了凸棱64，当外层隔套13从锥形的切面53处斜放入外套1内并在外套内周面24的凹陷部54处沿着圆周方向旋进外套1的过程中以及旋进外套1后，凸棱64可以防止外层隔套13从凹陷部54跳出。
91.本领域技术人员也可以将切面54设置为弧形的切面54，如图23所示，弧形的切面54的截面与球铰的垂直中轴线l3平行。
92.本实施例里的切面53为一个，具体为在外套上端面21内侧与外套内周面24相交处的上边角部55处设置一个切面53，上述一个切面53为第一切面57，在硫化前，两瓣式设置的外层隔套13可从第一切面57处预装入外套1内，预装方法为：第一步先将外层隔套13中如图6所示的第一瓣隔套61的一侧倾斜从第一切面57处放入外套1内，再将第一瓣隔套61的其他部分沿着外套内周面24的圆周方向旋入外套1内；第二步将第二瓣隔套62的一侧沿着第一切面57倾斜放入外套1内，再将第二瓣隔套62其他部分沿着外套内周面24与第一瓣隔套61相反的方向旋入外套1内，整个外层隔套13装入了外套1内。本领域技术人员也可以根据需求将三瓣式或三瓣式以上设置的外层隔套13从第一切面57处装入外套1内。
93.实施例七如附图24和25所示，本实施例与实施例五的不同之处是，在外套上端面21内侧与外套内周面24相交处的上边角部13设置第二切面58，第二切面58与第一切面57以球铰的垂直中轴线l3为基准相对对称设置。本实施例中，分瓣设置或整体设置的外层隔套13均能放入外套1内，分瓣设置的外层隔套13的放置方式与实施例五相同，整体设置的外层隔套13放置方式具体为先将外层隔套13的一侧沿着第一切面57倾斜放入外套1内，并将外套1沿着外套内周面24的圆周方向轻轻旋动，再将外层隔套13的另外一侧沿着第二切面58放入外套1内。
94.实施例八如附图26和27所示，本实施例与实施例六的不同之处在于，在外套下端面22内侧与外套内周面24相交处的下边角部14设置第三切面59和第四切面60，第三切面59和第四切面60与第一切面57和第二切面58以外套垂直于球铰的垂直中轴线l3的径向中轴线为基准相对对称设置。加工过程中，工人既可以从第一切面57和第二切面58处放置外层隔套13，也可从第三切面59和第四切面60处放置外层隔套13，可提高加工效率，提高外套1的适用性。
95.以上实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本发明的实施方式做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。