CN101520076A - 一种变刚度弹性元件及其变刚度方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于各种机车车辆的转向架用的橡胶弹性元件变刚度方法及元件，特别是球铰类橡胶弹性元件变刚度方法及其元件。弹性元件内部结构在互相垂直的方向上沿径向形成实向和空向，内套跟外套通过弹性橡胶体粘结形成连续的实向结构。在橡胶弹性体内沿与实向垂直的部分对称的掏空弹性橡胶体，形成空气隔离区，使该方向产生一个空气段而形成不连续的空向结构。通过弹性元件的不同部位提供不同阶段的产品径向刚度，实现整个弹性元件不同情况不同径向刚度的变化。该方法和元件也适用于工程机械等任何减振弹性连接的部位。

Description

一种变刚度弹性元件及其变刚度方法

技术领域

本发明涉及一种应用于弹性元件领域的变刚度弹性元件及其变刚度方法，尤其是一种应用于各种机车车辆转向架用的橡胶变刚度弹性元件及其变刚度方法，该方法和元件也适用于工程机械等任何减振弹性连接的部位。

背景技术

球铰类橡胶弹性元件是常用的一种橡胶金属复合的减振元件，可广泛应用于各种减振场所，尤其是在机车车辆的转向架中应用十分普遍。

与金属材料不同，橡胶材料是一种典型的非线性材料，因而用橡胶材料制作而成的弹性元件在刚度性能方面也会表现出非线性，比如钢弹簧在使用极限内，其载荷与变形的比值(即刚度)是一个常数(即线性变化)，如图1所示。而橡胶弹性元件则不同，其载荷与变形的比值(即刚度)是不断变化的(即非线性变化)，如图2所示。对于处于压缩状态的橡胶弹性元件，一般来讲其刚度会随着载荷(或变形)的增大而增大。

橡胶弹性元件在变形量(一般在橡胶层厚度的10％以内，根据结构不同会有所差异)比较小的时，非线性不明显，可以做线性处理。随着机车车辆技术和铁路高速、重载发展，越来越多的弹性元件要求具有更加明显的非线性特征，甚至需要在特定的点产生刚度值的突变(可以称之为变刚度特征)。例如在重载货车上采用两级刚度螺旋弹簧组，使列车无论在空载还是重载时都能有运行品质；空、重车之间也不会由于高度的不同而产生连接不好及由此造成列车脱轨事故。而仅仅依靠橡胶材料的非线性不可能产生这种刚度突变，所以需要通过结构上的创新来弥补这种不足。

发明内容

本发明的目的在于针对现有弹性元件的不足，提供一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法及其的变刚度元件结构，以达到球铰类产品具有变刚度工况的目的。

按照本发明，上述技术问题是通过下述技术方案来实现的：

一种弹性元件变刚度方法，包括外套、内套和弹性橡胶体，该方法包括在弹性元件的工作方向上对称的掏空弹性橡胶体，形成空气隔离区，使该方向产生一个空气段而形成不连续结构，通过弹性元件的不同部位提供不同阶段的产品径向刚度，实现整个弹性元件不同情况不同径向刚度的变化。这种应用于球铰类橡胶弹性元件的变刚度方法，采用对称的去除部分橡胶材料(在橡胶弹性体上掏孔)的方法，去除材料的方向即为工作方向，在不同的阶段通过不同的部位(不同的受力方式)提供不同的刚度，从而实现变刚度，同止档有相似的工作原理。

作为该方法进一步的实施方式，在与弹性元件工作方向垂直方向的弹性橡胶体中沿径向***至少一对隔套。

作为该方法又一步的实施方式，该弹性元件变刚度方法包括在第一种实施方式的基础之上，在弹性元件外套和空气隔离区之间沿径向***至少一对隔套。

作为该方法再一步的实施方式，在与弹性元件工作方向垂直方向的弹性橡胶体中沿径向***至少一对隔套的基础之上，再在弹性元件外套和空气隔离区之间沿径向***至少一对隔套。同时，可以通过改变空向角的大小及隔套的数目调节产品径向刚度，通过调整空气隔离区的间隙来调整突变点的位置。

本发明提供的一种变刚度弹性元件是通过下述技术方案实现的：

一种变刚度弹性元件，包括外套、内套和弹性橡胶体，弹性橡胶***于内套和外套之间，弹性元件内部结构在互相垂直的方向上沿径向形成实向和空向，内套跟外套通过弹性橡胶体粘结形成连续的实向结构，橡胶弹性体内沿与实向垂直的部分包括一对对称的空气隔离区形成一个不连续的空向结构。

作为该弹性元件进一步的实施方式，在实向结构的弹性橡胶体内部沿弹性元件轴心方向对称的分布有至少一对隔套。

作为该弹性元件又一步的实施方式，在第一种实施方式的基础之上，在外套和空气隔离区之间沿弹性元件轴心方向对称的分布有至少一对隔套。

作为该弹性元件又一种的实施方式，在第二种实施方式的基础之上，在外套和空气隔离区之间沿弹性元件轴心方向对称的分布有至少一对隔套。

作为该弹性元件再一步的实施方式，弹性元件的空向包括两对对称分布的隔套，在空向上外套与橡胶弹性体之间有隔套一，空气隔离区与弹性橡胶体之间有隔套二，隔套一，隔套二和此方向的橡胶弹性体均为两瓣式结构。同时，橡胶弹性体的空向和实向之间存在一径向空气隔离区。

本发明的球铰类橡胶弹性元件的安装具有方向性，产品一个方向是不连续的(有空隙)。如图5和图6所示，其变刚度实现的过程如下：

第一阶段：假设球铰隔套与内套(芯轴)之间的间隙分别为Δ1和Δ2(理论上Δ1＝Δ2)，随着径向载荷的逐渐增大(如图6，假设内套(芯轴)固定，径向载荷垂直向下)，Δ2将逐渐变小直至零，Δ1将逐渐变大直至2Δ1或2Δ2。

第二阶段：随着径向载荷的继续增大，Δ1将继续变大，而Δ2一直为零。

刚度特性：第一阶段中，由于间隙Δ2大于零，在一定的载荷范围内产品的刚度主要取决于产品实向橡胶的剪切力，此时的径向刚度值比较小，直到间隙Δ2减小到零为止。这就进入了第二阶段，此时空向的隔板与内套(芯轴)接触开始提供径向刚度，那么整个球铰都开始提供径向刚度。由于空向具有较薄的橡胶层和金属隔片，使得该部分能产生较大的径向刚度。从而使整个球较类橡胶弹性元件具有大的径向刚度。

通过应用此种实施方式所描述的方法和元件，能够使得弹性元件在需要的特定点产生刚度值的突变(如图3所示)，因此而具有更加明显的非线性特征，很好地满足了机车车辆对于弹性材料变刚度特性的要求。这样就使列车无论在空载还是重载时都能有运行品质，空、重车之间也不会由于高度的不同而产生连接不好及由此造成列车脱轨事故，从而满足了机车车辆技术和铁路高速、重载的发展要求。

附图说明

图1为一种典型的线性曲线；

图2为一种典型的非线性曲线；

图3为一种典型的变刚度曲线；

图4为本发明实施例1的结构示意图；

图5为本发明实施例1的结构侧向截面示意图；

图6为本发明实施例1承受载荷时的结构示意图；

图7为本发明实施例1承受载荷时的侧向截面示意图；

图8为本发明实施例2的结构示意图；

图9为本发明实施例2的结构侧向截面示意图；

图10为本发明实施例3的结构示意图；

图11为本发明实施例3的结构侧向截面示意图；

图12为本发明实施例4的结构示意图；

图13为本发明实施例4的结构侧向截面示意图。

其中：1-外套，2-弹性橡胶体，3-隔套一，4-隔套二，5-空气隔离区，5`-径向空气隔离区，6-内套，7-隔套，α-空向角，Δ-间隙，Δ1-隔套二与内套下部的间隙，Δ2-隔套二与内套上部的间隙。

具体实施方式：

附图给出了本发明的具体实施例，下面将通过附图和实施例对本发明作进一步的描述。

作为该弹性元件变刚度方法一种较佳的实施方式，一种应用于球铰类橡胶弹性元件的变刚度方法，包括在弹性元件的工作方向上对称的掏空弹性橡胶体2，形成空气隔离区5，使该方向产生一个空气段而形成不连续结构，通过弹性元件的不同部位提供不同阶段的产品径向刚度，实现整个弹性元件不同情况不同径向刚度的变化。同时，在弹性元件外套1和空气隔离区5之间的橡胶弹性体2沿径向***两对隔套，这样使得工作方向的刚度突变大小可以通过增加工作方向隔套数目及空向角α的大小来调整，隔套的数目可以根据径向刚度需要进行增减，且至少为一对。突变点的位置则可以通过调整空气隔离区5的间隙Δ来获得。

另一种实施方式在前种实施方式的基础之上，抽掉空向上的隔套一3和隔套二4，仅仅保留中间空气隔离区5。

第三种实施方式在第一种实施方式的基础之上，在实向***若干隔套7。

第四种实施方式在第三种实施方式的基础之上，抽掉空向上的隔套一3和隔套二4，仍然保留中间空气隔离区5。

作为该变刚度弹性元件的一种较佳实施方式，如图4和图7所示，实施例1包括一个金属内套(芯轴)、金属外套、弹性橡胶体和金属隔套(若干组)；弹性橡胶体与金属构件硫化成一体。弹性元件由两个方向上的不同结构构成。实向部分结构由金属内套6、橡胶弹性体2和金属外套1组成，橡胶弹性体2位于金属内套6和金属外套1之间，且弹性橡胶体2的内表面与金属内套6粘结在一起，外表面与金属外套1粘结在一起；空向由金属外套1、橡胶弹性体2、金属隔套一3、金属隔套二4和金属内套6组成，橡胶弹性体2位于金属外套1与金属隔套一3、或者是金属隔套一3与金属隔套二4之间，橡胶弹性体2的外表面与金属外套1或者金属隔套一3粘结在一起，内表面与金属隔套一3或者金属隔套二4粘结在一起。产品的特点在于：空向(工作方向)的隔套与内套(芯轴)之间存在一定的间隙Δ，而另一方向内套(芯轴)跟外套是通过橡胶体直接或间接连接在一起的。工作方向的刚度突变大小可以通过增加工作方向隔套数目及空向角α的大小来调整。如图所示的弹性元件，包括金属外套1、内套6、隔套一3、隔套二4和弹性橡胶体2，且橡胶弹性体2及隔套为多层结构。在空向上金属外套1与弹性橡胶体2之间有金属隔套一3、空气隔离区5与弹性橡胶体2之间有金属隔套二4，金属隔套一3、隔套二4和此方向的弹性橡胶体均为两瓣结构，在隔套二4和内套6之间有一段空气隔离区5，隔套的数目可以根据径向刚度需要进行增减。在实向上外套1与内套6通过弹性橡胶体硫化在一起。实向和空向之间也可以存在一径向空气隔离区5`。

如图8和图9所示，实施例2跟实施例1结构类似，实施例二是在实施例一的基础上抽掉空向上的隔套一3和隔套二4，仅仅保留中间空气隔离区5。

如图10和图11所示，实施例3跟实施例1结构类似，实施例三是在实施例一的基础上在实向***若干隔套7。

如图12和图13所示，实施例4跟实施例3结构类似，实施例四是在实施例三的基础上抽掉空向上的隔套一3和隔套二4，仍然保留中间空气隔离区5。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域的普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (10)

1、一种弹性元件变刚度方法，包括外套(1)、内套(6)和弹性橡胶体(2)，其特征在于：该方法包括在弹性元件的工作方向上对称的掏空弹性橡胶体(2)，形成空气隔离区(5)，使该方向产生一个空气段而形成不连续结构，通过弹性元件的不同部位提供不同阶段的产品径向刚度，实现整个弹性元件不同情况不同径向刚度的变化。

2、根据权利要求1所述的一种弹性元件变刚度方法，其特征在于：在与弹性元件工作方向垂直方向的弹性橡胶体(2)中沿径向***至少一对隔套。

3、根据权利要求1或2所述的一种弹性元件变刚度方法，其特征在于：在弹性元件外套(1)和空气隔离区(5)之间的弹性橡胶体中沿径向***至少一对隔套。

4、根据权利要求3所述的一种弹性元件变刚度方法，其特征在于：通过改变空向角的大小及隔套的数目调节产品径向刚度。

5、根据权利要求4所述的一种弹性元件变刚度方法，其特征在于：通过调整空气隔离区(5)的间隙Δ来调整突变点的位置。

6、一种变刚度弹性元件，包括外套(1)、内套(6)和弹性橡胶体(2)，弹性橡胶体(2)位于内套(6)和外套(1)之间，弹性元件内部结构在互相垂直的方向上沿径向形成实向和空向，其特征在于，内套(6)跟外套(1)通过弹性橡胶体(2)粘结形成连续的实向结构，橡胶弹性体(2)内沿与实向垂直的部分包括一对对称的空气隔离区(5)形成一个不连续的空向结构。

7、根据权利要求6所述的一种变刚度弹性元件，其特征在于：在实向结构的弹性橡胶体(2)内部沿弹性元件轴心方向对称的分布有至少一对隔套。

8、根据权利要求6或7所述的一种变刚度弹性元件，其特征在于：外套(1)和空气隔离区(5)之间沿弹性元件轴心方向对称的分布有至少一对隔套。

9、根据权利要求8所述的一种变刚度弹性元件，其特征在于：所述弹性元件的空向包括两对对称分布的隔套，在空向上外套(1)与橡胶弹性体(2)之间有隔套一，空气隔离区(5)与弹性橡胶体(2)之间有隔套二，隔套一、隔套二和此方向的橡胶弹性体均为两瓣式结构。

10、根据权利要求9所述的一种变刚度弹性元件，其特征在于：在所述橡胶弹性体(2)的空向和实向之间存在一径向空气隔离区(5`)。

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