一种橡胶球铰中加大径向刚度的结构的制作方法

1.本发明涉及一种抗侧滚扭杆中使用的橡胶球铰，具体涉及一种橡胶球铰中加大径向刚度的结构，属于橡胶球铰技术领域。


背景技术：

2.一直以来，列车上抗侧滚扭杆的垂向拉杆的上下两端均要使用橡胶球铰。
3.橡胶球铰制造成本低、不易产生异响。但是，现有用于抗侧滚扭杆的橡胶球铰都是通过硫化形成实心橡胶填充，即在金属芯轴与金属外套之间采用橡胶实心硫化。这种橡胶球铰相对于列车抗侧滚而言，其特点是径向刚度偏小，偏扭转刚度偏大，极限偏扭转角度偏小。
4.径向刚度偏小，不能及时、足量地向拉杆和扭转臂传导拉力或推力，导致抗车厢侧滚的反应滞后，车厢侧滚在初始状态不能得到及时有效的抑制。
5.偏扭转刚度偏大，极限偏扭转角度偏小的不利后果就是影响到橡胶球铰的使用寿命。抗侧滚扭杆工作时，拉杆要发生角度变化，带动球铰外套绕芯轴发生偏转或扭转，外套与芯轴之间的实心橡胶体使得这种偏转或扭转的刚度很大。某些工况下，这种偏转或扭转的角度要超过15
°
，外套与芯轴之间的橡胶体长期、反复地大角度强力扭转势必导致橡胶体疲劳以及橡胶体与硫化件之间裂损，从而缩短橡胶球铰的使用寿命。
6.为解决径向刚度偏小的问题，业内曾采取在橡胶层内加设多层金属隔套一起硫化的方式，使橡胶球铰的径向刚度显著增强，但这样一来，偏扭转刚度偏大和极限偏扭转角度偏小的问题不但没有得到解决，反而比纯橡胶填充支撑的橡胶球铰更加严重。
7.为适应大偏转角度、大扭转角度、大径向载荷的恶劣复合载荷工况，我公司将橡胶球铰做了系列改进（于同日另案申报发明专利），改进包括降低偏扭转刚度。
8.接下来，是如何增加橡胶球铰的径向刚度的问题。如果是单纯的增加橡胶球铰的径向刚度是比较容易的，困难在于必须同时确保降低的偏扭转刚度得以维持。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是：在维持降低的偏扭转刚度的前提下，如何增加橡胶球铰的径向刚度的问题。
10.针对上述问题，本发明提出的技术方案是：为适应大偏转角度、大扭转角度、大径向载荷的恶劣复合载荷工况，将橡胶球铰中位于芯轴上部的芯轴与外套之间的橡胶层内以及位于芯轴下部的芯轴与外套之间的橡胶层内设置成橡胶空腔。这样设置后，只有芯轴前后的橡胶层为实心橡胶体，在橡胶空腔左右两侧依然具有橡胶支撑壁，橡胶支撑壁依然对外套提供径向支撑力。
11.由于橡胶空腔的存在，使得橡胶层的橡胶总量减少了40%左右，从而能够使得其偏扭转刚度显著降低，偏扭转角度相应加大。
12.设置橡胶空腔的目的，就是要在橡胶空腔内设置加大径向刚度的机构，而且，设置
加大径向刚度的机构必须确保降低的偏扭转刚度得以维持。
13.一种橡胶球铰中加大径向刚度的结构，包括芯轴，在芯轴外周与芯轴硫化粘接的橡胶层，在橡胶层外周与橡胶层粘接的环形外套，在芯轴上部橡胶层内的橡胶空腔和芯轴下部橡胶层内的橡胶空腔内，分别设置弹性刚度大于橡胶弹性刚度的支撑体；所述支撑体的内侧与芯轴之间具有万向偏转结构，支撑体的外侧与外套固定连接；工况下，外套获得支撑体的径向支撑，并能够通过万向偏转结构在芯轴上进行任意方向的偏扭转。
14.进一步地，所述万向偏转结构是指芯轴位于橡胶球铰中心部位为球形的芯轴球，芯轴球具有露于橡胶空腔的球面，所述球面刷敷有耐磨耗且摩擦系数低的涂层，形成光滑的外球面；所述支撑体内侧具有与外球面对应的凹球面，凹球面的球半径大于外球面的球半径，凹球面能够在外球面上作任意方向的偏转滑移。
15.进一步地，所述支撑体包括内侧的曲面滑块和位于曲面滑块外侧的与曲面滑块连接的衬块，所述衬块为刚性体，曲面滑块为刚度大于橡胶刚度的由复合材料制作的弹性体；所述凹球面为曲面滑块的内侧面。
16.进一步地，所述曲面滑块与衬块之间为刚性连接。
17.进一步地，所述衬块的内侧具有按橡胶球铰周向开设的t形槽，所述曲面滑块外侧具有与t形槽相配合的t形嵌脚，通过t形嵌脚嵌入t形槽实现述曲面滑块与衬块之间的刚性连接。
18.进一步地，所述外球面的球半径小于凹球面的球半径，凹球面的球半径与外球面的球半径的差小于0.1mm。
19.进一步地，所述凹球面的球半径与外球面的球半径的差为0.1mm—0.3mm。
20.进一步地，所述曲面滑块与衬块之间设置有圆顶形的橡胶夹层，橡胶夹层通过硫化分别与曲面滑块衬块连接；所述橡胶夹层的顶部的厚度大于橡胶夹层的边缘的厚度。
21.进一步地，所述所述橡胶夹层的顶部的厚度为0.4—0.6mm，所述橡胶夹层的边缘的厚度为0.2—0.3mm。
22.进一步地，外套在橡胶空腔部位开设有径向安装口，所述径向安装口内侧设有止口台；所述衬块外侧具有与衬块一体成型的弧形盖板，所述弧形盖板的厚度与径向安装口至止口台的深度相等；所述加大径向刚度的结构还包括紧固套；装配时，支撑体的曲面滑块及衬块从径向安装口插入至橡胶空腔内，所述弧形盖板的内侧边缘压在径向安装口内侧设置的止口台上，所述弧形盖板的外周面与外套的外周面在同一圆弧面上，所述紧固套以过盈配合方式套在外套及弧形盖板的外周；所述凹球面与外球面之间具有0.1—0.3mm的间距。
23.有益效果：橡胶球铰的径向刚度能够按要求得到提高；同时，橡胶球铰能够向任意方向偏扭转，确保通过减少橡胶层的橡胶总量所获得的降低偏扭转刚度的效果得以维持，也能够按要求加大橡胶球铰的偏扭转角度。
附图说明
24.图1为所述橡胶球铰的立体示意图；图2为所述橡胶球铰的内窥立体示意图；
图3为所述橡胶球铰与紧固套分拆的立体示意图，图中未示出支撑体；图4为所述橡胶球铰横切面示意图；图5为实施例一所述曲面滑块与衬块分拆的立体示意图；图6为实施例一所述芯轴球与支撑体的横切面示意图，图中示出橡胶球铰在未遭遇较大载荷冲击时曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间有间隙；图7为实施例一所述芯轴球与支撑体的横切面示意图，图中示出橡胶球铰在遭遇大载荷冲击时曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间相贴合，芯轴的外球面获得最大受压面；图8为为实施例二所述曲面滑块与衬块分拆的立体示意图，图中未示出橡胶夹层；图9为实施例二所述芯轴球与支撑体的横切面示意图，图中示出橡胶球铰在未遭遇较大载荷冲击时曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间有间隙；图10为实施例二所述芯轴球与支撑体的横切面示意图，图中示出橡胶球铰在遭遇大载荷冲击时曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间相贴合，芯轴的外球面获得最大受压面；图中f2、f3表示橡胶夹层的边缘受压达到形变极限时衬块施加在曲面滑块外侧边缘的力，f1表示芯轴球外球面对曲面滑块顶部区域施加的反作用力，当f1、f2、f3的力达到一定值时，迫使曲面滑块进一步变形，使曲面滑块的凹球面与芯轴的外球面之间相贴合。
25.图中：1、芯轴；11、芯轴球；12、涂层；13、外球面； 2、外套；21、径向安装口；22、止口台；3、橡胶层；31、橡胶空腔；32、橡胶支撑壁；4、衬块；41、t形槽；42、弧形盖板；5、曲面滑块；51、t形嵌脚；52、凹球面；6、橡胶夹层；61、顶部；62、边缘；8、紧固套。
具体实施方式
26.下面结合实施例和附图对本发明做进一步的描述：为更好的描述和理解本发明的实施方式，下面对本发明提出的总体结构进行描述。
27.如图1—4所示，为适应大偏转角度、大扭转角度、大径向载荷的恶劣复合载荷工况，将橡胶球铰中位于芯轴1上部的芯轴1与外套2之间的橡胶层3内以及位于芯轴1下部的芯轴1与外套2之间的橡胶层3内设置成橡胶空腔31。这样设置后，只有芯轴1前后的橡胶层3为实心橡胶体，在橡胶空腔31左右两侧依然具有橡胶支撑壁32，橡胶支撑壁32依然对外套2提供径向支撑力。
28.由于橡胶空腔的存在，使得橡胶层的橡胶总量减少了40%左右，从而能够使得其偏扭转刚度显著降低，偏扭转角度相应加大。
29.设置橡胶空腔31的目的，就是要在橡胶空腔31内设置加大径向刚度的机构，而且，设置加大径向刚度的机构必须确保降低的偏扭转刚度得以维持。
30.实施例一如图2—7所示，一种橡胶球铰中加大径向刚度的结构，包括芯轴1，在芯轴1外周与芯轴1硫化粘接的橡胶层3，在橡胶层3外周与橡胶层3粘接的环形的外套2，在芯轴1上部橡胶层3内的橡胶空腔31和芯轴1下部橡胶层3内的橡胶空腔31内，分别设置弹性刚度大于橡胶弹性刚度的支撑体；所述支撑体的内侧与芯轴1之间具有万向偏转结构，支撑体的外侧与外套2固定连接。这样，使得橡胶球铰的径向刚度显著提高，同时，通过在支撑体的内侧与芯
轴1之间设置的万向偏转结构，使得橡胶球铰能够在芯轴上进行任意方向的偏扭转，确保通过减少橡胶层的橡胶总量获得的偏扭转刚度降低的效果得以维持。
31.所述万向偏转结构是指芯轴1位于橡胶球铰中心部位为球形的芯轴球11，芯轴球11具有露于橡胶空腔31的球面，所述球面刷敷有耐磨耗且摩擦系数低的涂层12，形成光滑的外球面；所述支撑体内侧具有与外球面13对应的凹球面52，凹球面52的球半径大于外球面13的球半径，凹球面52能够在外球面13上作任意方向的偏转滑移。
32.所属涂层12为tpfe涂层， tpfe涂层具有摩擦系数低、耐磨耗的特性，且在达到一定厚度是还能产生一定的弹性形变，在在凹球面52压在具有tpfe涂层的外球面13上时，还能够形成较大的受压面，起到分散压力，降低压强的作用。
33.所述支撑体包括内侧的曲面滑块5和位于曲面滑块5外侧的与曲面滑块5连接的衬块4，所述衬块4为在压力下不会产生变形的刚性体，曲面滑块5为刚度远大于橡胶刚度的由复合材料制作的弹性体；所述凹球面52为曲面滑块5的内侧面。曲面滑块5具有一定弹性，一方面也是要求橡胶球铰在增大径向刚度的同时，依然要保有一定的弹性，另一方面是曲面滑块5的凹球面52能够产生弹性形变，使凹球面52压在芯轴球11外球面13时，能够使外球面13获得更大的受压面，以降低外球面13的受压压强。
34.所述曲面滑块5与衬块4之间为刚性连接。这样设置就是避免曲面滑块5受压时产生整体变形，只允许曲面滑块5受压时在应力作用下在凹球面52产生形变。
35.所述衬块4的内侧具有按橡胶球铰周向开设的t形槽41，所述曲面滑块5外侧具有与t形槽41相配合的t形嵌脚51，通过t形嵌脚51嵌入t形槽41实现述曲面滑块5与衬块4之间的刚性连接。所述曲面滑块5是包括树脂基、碳纤维、芳纶纤维的复合材料与衬块4的t形槽41通过浇注成型。这样，就能够使曲面滑块5与衬块4牢固的连接在一起。
36.为保证曲面滑块5的凹球面52能够正常压在芯轴球的外球面13，设置外球面13的球半径小于凹球面52的球半径。由于本实施例限制曲面滑块5不能产生整体变形，为使外球面13获得更大的受压面，设置凹球面52的球半径与外球面13的球半径的差小于0.1mm。也就是凹球面52的球半径与外球面13的球半径的差越小，受压时，凹球面52只需产生很小的形变就能与外球面13吻合，从而使外球面13更容易获得大的受压面。
37.外套2在橡胶空腔31部位开设有径向安装口21，所述径向安装口21内侧设有止口台22；所述衬块4外侧具有与衬块4一体成型的弧形盖板42，所述弧形盖板42的厚度与径向安装口21至止口台22的深度相等；所述加大径向刚度的结构还包括紧固套8；装配时，支撑体的曲面滑块5及衬块4从径向安装口21插入至橡胶空腔31内，所述弧形盖板42的内侧边缘压在径向安装口21内侧设置的止口台22上，所述弧形盖板42的外周面与外套2的外周面在同一圆弧面上，所述紧固套8以过盈配合方式套在外套2及弧形盖板42的外周；这样设置，便于支撑体在外套2上安装固定。同时，这样设置也是为了使凹球面52与外球面13之间能够保持0.1—0.3mm的间距，其作用是在橡胶球铰遭遇载荷冲击较小时，凹球面52与外球面13尽量不接触或能够以较小的压力接触，也就能够减少凹球面52与外球面13接触摩擦的次数和减轻摩擦使受到的压力。产生这一作用的原理，是设计时结合了橡胶空腔31两侧的橡胶支撑壁32所起到的支撑作用来实现的。也就是在橡胶球铰遭遇载荷冲击较小时，橡胶空腔31两侧的橡胶支撑壁32所起的支撑作用能够使凹球面52与外球面13保持间隙。
38.实施例二
其与实施例1 的不同之处在于：如图2、4、8、9、10所示，所述凹球面52的球半径与外球面13的球半径差0.1mm—0.3mm。由于外球面13的球半径小于凹球面52的球半径，与实施例一相比，外球面13的球半径不变，实际是加大了凹球面52的球半径。对于本发明的橡胶球铰各部件的加工和组装来说，凹球面52的球半径与外球面13的球半径的差值越大，加工和组装就可容许一定的对心偏差（凹球面52和外球面13的两个球心要求与凹球面52顶点在一条直线上），加工和组装就相对容易。反之，凹球面52的球半径与外球面13的球半径的差值越小，加工和组装要求的精度就越高，加工和组装就越难。
39.所述曲面滑块5与衬块4之间设置有圆顶形的橡胶夹层6，橡胶夹层6通过硫化分别与曲面滑块5衬块4连接；所述橡胶夹层6的顶部61的厚度大于橡胶夹层6的边缘62的厚度。
40.这样设置的作用原理是，当衬块4通过橡胶夹层6、曲面滑块5的凹球面52向芯轴球11的外球面13施加更大压力时，芯轴球11的外球面13向凹球面52施加的反作用力使曲面滑块5反压橡胶夹层6，橡胶夹层6被压缩，当橡胶夹层6周边被压缩到极限，曲面滑块5的外周不能够继续向衬块4靠近，而反压力又持续加大时，由于橡胶夹层6顶部区域的厚度大于周边的厚度，橡胶夹层6顶部仍有压缩空间，能迫使曲面滑块5中部产生凹陷变形，使曲面滑块5的凹球面52更多地与芯轴球11的外球面13贴合，从而使外球面13能够获得更大的受压面，以减小外球面13遭遇载荷冲击时的压强。
41.所述橡胶夹层6的顶部61的厚度为0.4—0.6mm，如0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm；所述橡胶夹层6的边缘62的厚度为0.2—0.3mm，如0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm。将橡胶夹层6的边缘62的厚度设置为0.2—0.3mm，是曲面滑块5在产生整体形变时，曲面滑块5的外侧弧面与芯轴的内侧弧面之间会发生相对位移，可以通过切向拉伸0.2—0.3mm厚的橡胶来实现。但橡胶夹层6的边缘62不宜太厚，太厚就会降低整个支撑体 的径向刚度。将橡胶夹层6的顶部61的厚度设置为0.4—0.6mm，就是当橡胶夹层6的边缘62被压缩到极限时，橡胶夹层6顶部仍有0.15mm左右的压缩空间。
42.本实施例除了能够满足本发明的发明要求，更有利于加工组装外，还获得以下效果：1、曲面滑块5能够产生整体的弹性形变，其刚度远大于橡胶层的橡胶体，既满足了提高橡胶球铰径向刚度的要求，又在橡胶球铰遭遇大载荷冲击时起到宝贵的缓冲作用。
43.2.橡胶夹层6的设置在橡胶球铰突然遭遇载荷冲击时，能够缓解曲面滑块5的凹球面52对芯轴球11外球面13的撞击力，有效保护外球面13上刷敷的涂层12。
44.上述实施例只用于更清楚的描述本发明，而不能视为限制本发明涵盖的保护范围，任何等价形式的修改都应视为落入本发明涵盖的保护范围之中。