CN112901718B - 新型橡胶球铰、转向架及轨道车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型橡胶球铰、转向架及轨道车辆，所述橡胶球铰包括芯轴、衬套和弹性件；所述衬套套设于所述芯轴的外部；所述弹性件设置于所述衬套和所述芯轴之间；其中，所述弹性件至少部分为负泊松比材料制成的芯材。本发明提供的一种新型橡胶球铰、转向架及轨道车辆，通过改变弹性体的结构来改变其受力状态和散热性能，同时通过弹性体结构与材料的优化来满足橡胶球铰弹性元件各载荷及刚度性能要求，从而实现橡胶球铰弹性元件功能和使用寿命的提升。

Description

新型橡胶球铰、转向架及轨道车辆

技术领域

本发明涉及弹性元件技术领域，尤其涉及一种新型橡胶球铰、转向架及轨道车辆。

背景技术

近年来，“高铁”成为了人们耳边的热词，以高铁为代表的轨道车辆发展迅猛，同时旅客在乘坐轨道车辆时的舒适度也在不断提高，这得益于越来越多的传统钢弹簧被性能卓越的橡胶弹性元件所替代。橡胶球铰作为轨道车辆的关键弹性元件之一，不但能较好的满足结构上的刚度要求，而且还能避免结构间的机械摩擦，起柔性连接和缓冲振动冲击的作用。与此同时，橡胶球铰使用工况复杂，性能要求各异，也使得橡胶球铰在轨道车辆应用上面临以下问题：

第一、普通橡胶球铰主要弹性部件由整体橡胶构成，在车辆交变载荷作用下，橡胶体内生热严重，而橡胶材料自身导热能力较差，导致橡胶球铰弹性橡胶体温度较高，从而影响弹性体的力学性能并加剧橡胶老化，影响产品使用寿命。

第二、普通橡胶球铰整体橡胶体承载车辆的交变载荷时，橡胶体受各种拉压、剪切载荷作用，载荷状态复杂多变，因此，在橡胶体表面易产生疲劳累积损伤及橡胶体与金属粘合面开裂，最终导致产品失效。

第三、普通橡胶球铰的力学性能通过合理结构设计的优化能力有限，为了进一步改善普通橡胶球铰的力学性能，流固耦合橡胶球铰应运而生，但该类橡胶球铰结构复杂，制造成本较高且需定期维护，限制了其应用与发展。

发明内容

本发明提出一种新型橡胶球铰，用以解决现有技术中胶材料自身导热能力较差，导致橡胶球铰弹性橡胶体温度较高，从而影响弹性体的力学性能并加剧橡胶老化，在橡胶体表面易产生疲劳累积损伤及橡胶体与金属粘合面开裂以及流固耦合橡胶球铰制造成本较高且需定期维护的缺陷，通过改变弹性体的结构来改变其受力状态和散热性能，同时通过弹性体结构与材料的优化来满足橡胶球铰弹性元件各载荷及刚度性能要求，从而实现橡胶球铰弹性元件功能和使用寿命的提升。

本发明还提出一种转向架，用以解决现有技术中胶材料自身导热能力较差，导致橡胶球铰弹性橡胶体温度较高，从而影响弹性体的力学性能并加剧橡胶老化，在橡胶体表面易产生疲劳累积损伤及橡胶体与金属粘合面开裂以及流固耦合橡胶球铰制造成本较高且需定期维护的缺陷，通过在转向架中设置负泊松比高弹材料制成的弹性单元，不仅可以满足橡胶球铰不同功能的需求，同时还能改善弹性体的受力状态和散热性能，提高产品使用寿命；相对于在转向架中应用的其它功能性橡胶球铰，如液固耦合球铰，本发明通过将弹性单元设置为负泊松比的高弹材料，取得了结构更加简单、成本较低、可靠性强以及免维护等有益效果，使其更能适用于不同轨道车辆转向架的转臂节点需要。

本发明又提出一种轨道车辆，用以解决现有技术中胶材料自身导热能力较差，导致橡胶球铰弹性橡胶体温度较高，从而影响弹性体的力学性能并加剧橡胶老化，在橡胶体表面易产生疲劳累积损伤及橡胶体与金属粘合面开裂以及流固耦合橡胶球铰制造成本较高且需定期维护的缺陷，通过改变弹性体的结构来改变其受力状态和散热性能，同时通过弹性体结构与材料的优化来满足橡胶球铰弹性元件各载荷及刚度性能要求，从而实现橡胶球铰弹性元件功能和使用寿命的提升，特别地在转向架中应用具有负泊松比高弹材料制成的弹性单元，取得了结构更加简单、成本较低、可靠性强以及免维护等有益效果，使其更能适用于不同轨道车辆转向架的转臂节点需要。

根据本发明第一方面提供的一种新型橡胶球铰，包括：芯轴、衬套和弹性件；

所述衬套套设于所述芯轴的外部；

所述弹性件设置于所述衬套和所述芯轴之间；

其中，所述弹性件至少部分为负泊松比材料制成的芯材。

根据本发明的一种实施方式，所述弹性件包括：第一弹性部、第二弹性部和第三弹性部；

所述第一弹性部铺设于所述芯轴的外表面；

所述第二弹性部铺设于所述衬套的内表面；

所述第三弹性部设置于所述第一弹性部和所述第二弹性部之间；

其中，所述第一弹性部和所述第二弹性部为弹性橡胶制成；

所述第三弹性部为负泊松比材料制成。

具体来说，本实施例提供了一种弹性单元的实施方式，将弹性件设置为包括第一弹性部、第二弹性部和第三弹性部三个部分，其中将第一弹性部和第二弹性部设置为橡胶材料，便于第一弹性部和第二弹性部分别与芯轴和衬套的连接，同时将第三弹性部设置为负泊松比材料则增强了弹性件的力学性能，通过负泊松比材料的特性改变橡胶球铰的受力状态和散热性能。

需要说明的是，将弹性件设置为三个部分的分体结构，一方面可以较好的满足生产工艺要求，另一方面可以改善弹性体(橡胶和芯材)结构的受力状态。

根据本发明的一种实施方式，所述第三弹性部分别与所述第一弹性部和所述第二弹性部粘接后通过过盈压紧实现连接。

具体来说，本实施例提供了一种第三弹性部的实施方式，通过将所述第三弹性部分别与所述第一弹性部和所述第二弹性部粘接和过盈压紧，确保了弹性件的扭转刚度。

需要说明的是，通过相互间的过盈配合在弹性件内形成预压应力，从而提高弹性元件的疲劳寿命。

根据本发明的一种实施方式，所述第三弹性部为整体挤压成型的筒状芯材结构，或者由多个基本胞元拼接形成的筒状芯材结构。

具体来说，本实施例提供了另一种第三弹性部的实施方式，通过挤压成型或者多个基本胞元拼接形成，并配合第一弹性部和第二弹性部配合处不同的预紧力，使得第三弹性部沿轴向的中部过盈量大于沿轴向两侧的过盈量。

在一个应用场景中，将第三弹性部设置为整体挤压成型工艺，即筒状芯材结构由单个基本胞元拼装而成，基本胞元类别、材料、拼装结构分布按橡胶球铰弹性元件功能需求选择，从而最大程度满足产品在不同车辆装配的灵活性要求。

在一个应用场景中，将第三弹性部设置为多个基本胞元的拼接工艺，可以满足在不同受力场景下的负泊松比对第三弹性部形状的需求，筒状芯材结构的层数可以为一层或者多层，当筒状芯材结构为多层时，各层之间形状可以按使用功能要求合理组合，各基本胞元结构也可以采用加强筋板等形式满足结构刚度增强的力学性能要求。

根据本发明的一种实施方式，所述第三弹性部为具有梯度增强结构的负泊松比材料制成的多孔道芯材；

所述孔道均布于所述芯轴的周向，并沿所述芯轴的轴向分别连通所述第三弹性部的两个端面。

具体来说，本实施例提供了又一种第三弹性部的实施方式，通过将第三弹性部设置为梯度增强结构的负泊松比材料，实现橡胶球铰的可变刚度设计，实现梯度增强形式可以是连续增强、也可以是离散增强，实现梯度增强的方式可以为改变壁厚或使用复合材料等方式。

需要说明的是，梯度增强结构负泊松比材料是指特性点阵材料的物性参数如弹性模量、泊松比、密度等随空间位置呈梯度变化。这种具有梯度负泊松比特性的点阵材料结构自重轻，可设计性强，具有独特的力学性能，如剪切模量高，抗断裂性能强，缓冲效果好。

进一步地，多孔道的设置，使得弹性件承受扭力时，例如轨道车辆交变载荷，橡胶产生的热量能通过第三弹性部及芯轴、衬套迅速传导并辐射到环境中，从而使整个弹性件始终在合适温升下工作，避免出现橡胶材料及胶粘层的加速老化，本发明提供的弹性件各组装部件结构简单，满足产品使用要求时性能可靠，避免定期维护，能较好的适用于各类轨道车辆转向架的转臂节点。

在一个应用场景中，第一弹性部和第二弹性部的橡胶材料类别可以不一样，两者的硬度可以根据橡胶球铰的刚度需求合理匹配设计，从而形成分层梯度增强的可变刚度橡胶球铰弹性元件。

根据本发明的一种实施方式，所述第三弹性部的刚性自朝向所述第一弹性部和所述第二弹性部一侧的表面向中心逐渐递增。

具体来说，本实施例提供了再一种第三弹性部的实施方式，通过对第三弹性部的刚性梯度变化进行设置，使得弹性件承受扭力时，例如轨道车辆交变载荷，橡胶产生的热量能通过第三弹性部及芯轴、衬套迅速传导并辐射到环境中，从而使整个弹性件始终在合适温升下工作，避免出现橡胶材料及胶粘层的加速老化。

进一步地，第三弹性部的中部刚性大于朝向第一弹性部和第二弹性部的两侧，使得第三弹性部中间部分能够承受更大的扭力，在弹性件受力的过程中，第三弹性部提供的承受力越来越强。

根据本发明的一种实施方式，还包括：第一环向槽，所述第一环向槽环向设置于所述芯轴的外表面；

所述第一弹性部硫化于所述第一环向槽内；

所述第一环向槽包括：第一环槽弧形段和第一环槽柱形段；

两个所述第一环槽柱形段沿所述芯轴的轴向设置于所述第一环槽弧形段的两侧；

其中，所述第一环槽柱形段的周壁与所述芯轴的轴向平行设置。

具体来说，本实施例提供了一种在芯轴表面设置第一环向槽的实施方式，通过将第一环向槽设置为包括第一环槽弧形段和第一环槽柱形段，使得第一弹性部能够通过第一环槽弧形段一方面实现硫化，保证橡胶与金属界面的粘结性能，另一方面也通过芯轴表面的弧形凹槽实现了对第一弹性部的定位约束。

进一步地，第一环槽柱形段的设置目的在于提供第三弹性部与第一弹性部之间过盈配合的变形量，通过第一环槽弧形段和第一环槽柱形段的弧形凹槽和柱形面结构，实现第一弹性部的波段式形变，保证了第一弹性部在第一环槽柱形段的对第三弹性部的预紧力大于第一环槽弧形段。

根据本发明的一种实施方式，还包括：卡槽和卡箍；

所述卡槽沿所述芯轴的轴向与所述第一环向槽间隔设置；

所述卡箍对应所述卡槽设置，并且与所述第一弹性部抵接。

具体来说，本实施例提供了一种在芯轴一端设置卡槽和卡箍的实施方式，通过设置卡槽和卡箍一方面保证了芯轴、衬套和弹性件的安装，另一方面也通过卡箍对第一弹性部进行限位，避免第一弹性部沿芯轴的轴向发生形变导致对第三弹性部的预紧力减小。

根据本发明的一种实施方式，还包括：轴肩，所述轴肩设置于所述芯轴沿轴向相对于所述卡槽的另一端，并与所述第一弹性部抵接。

具体来说，本实施例提供了一种在芯轴另一端设置轴肩的实施方式，通过设置轴肩使得第一弹性部在芯轴的轴向获得限位，避免第一弹性部沿芯轴的轴向发生形变导致对第三弹性部的预紧力减小。

在一个应用场景中，第一弹性部的厚度为4至8mm，径向方向略低于轴肩3至8mm，此种设计一方面可以使第一弹性部变形时始终处于限制边界内，避免过大拉应力对第一弹性部造成撕裂及疲劳破坏，另一方面也可以保证负泊松比芯材装配时与芯轴的配合定位约束。

根据本发明的一种实施方式，所述衬套包括：衬体和挡圈；

所述衬体呈绕所述芯轴的环形设置；

所述挡圈对称设置于所述衬体的两端，并朝向所述衬体的轴线一侧延伸；

其中，所述挡圈与所述衬体的内表面形成用于容纳所述第二弹性部的台阶状结构。

具体来说，本实施例提供了一种衬套的实施方式，通过将衬体设置为筒状的圆环，并且在衬体轴向的两端设置挡圈，使得衬体和挡圈包围形成容纳第二弹性部的台阶状结构。

根据本发明的一种实施方式，所述衬体包括：第二环向槽，所述第二环向槽环向设置于所述衬体的内表面；

所述第二弹性部硫化于所述第二环向槽内；

所述第二环向槽包括：第二环槽弧形段和第二环槽柱形段；

两个所述第二环槽柱形段沿所述衬套的轴向设置于所述第二环槽弧形段的两侧，并与所述挡圈抵接；

其中，所述第二环槽柱形段的周壁与所述衬套的轴向平行设置。

具体来说，本实施例提供了一种在衬套表面设置第二环向槽的实施方式，通过将第二环向槽设置为包括第二环槽弧形段和第二环槽柱形段，使得第二弹性部能够通过第二环槽弧形段一方面实现硫化，保证橡胶与金属界面的粘结性能，另一方面也通过衬体表面的弧形凹槽实现了对第二弹性部的定位约束。

进一步地，第二环槽柱形段的设置目的在于提供第三弹性部与第二弹性部之间过盈配合的变形量，通过第二环槽弧形段和第二环槽柱形段的弧形凹槽和柱形面结构，实现第二弹性部的波段式形变，保证了第二弹性部在第二环槽柱形段的对第三弹性部的预紧力大于第二环槽弧形段。

在一个应用场景中，第二弹性部的厚度为4至8mm，径向方向略低于轴肩3至8mm，此种设计一方面可以使第二弹性部变形时始终处于限制边界内，避免过大拉应力对第二弹性部造成撕裂及疲劳破坏，另一方面也可以保证负泊松比芯材装配时与芯轴的配合定位约束。

根据本发明的一种实施方式，所述第二弹性部的厚度小于所述台阶状结构的高度。

具体来说，本实施例提供了一种第二弹性部与衬套配合的实施方式，通过将第二弹性部的厚度小于台阶状结构的高度，使得挡圈一方面可以对第二弹性部形成一定的定位约束作用，另一方面还可以对第三弹性部形成一定的定位约束作用，避免第二弹性部和第三弹性部沿衬体的轴向发生形变。

根据本发明第二方面提供的一种转向架，具有上述的一种新型橡胶球铰。

根据本发明第三方面提供的一种轨道车辆，具有上述的一种新型橡胶球铰，或者上述的一种转向架。

本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本发明提供的一种新型橡胶球铰、转向架及轨道车辆，通过改变弹性体的结构来改变其受力状态和散热性能，同时通过弹性体结构与材料的优化来满足橡胶球铰弹性元件各载荷及刚度性能要求，从而实现橡胶球铰弹性元件功能和使用寿命的提升。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的新型橡胶球铰的装配关系示意图之一；

图2是本发明提供的新型橡胶球铰的装配关系示意图之二；

图3是本发明提供的新型橡胶球铰的装配关系示意图之三；

图4是本发明提供的新型橡胶球铰中，芯轴的结构示意图；

图5是本发明提供的新型橡胶球铰中，衬套结构示意图之一；

图6是本发明提供的新型橡胶球铰中，衬套结构示意图之二；

图7是本发明提供的新型橡胶球铰中，第一弹性部的结构示意图；

图8是本发明提供的新型橡胶球铰中，第二弹性部的结构示意图；

图9是本发明提供的新型橡胶球铰中，第三弹性部的结构示意图。

附图标记：

10、芯轴； 11、第一环向槽； 12、第一环槽弧形段；

13、第一环槽柱形段； 14、卡槽； 15、卡箍；

16、轴肩； 20、衬套； 21、衬体；

22、挡圈； 23、第二环槽弧形段； 24、第二环槽柱形段；

30、弹性件； 31、第一弹性部； 32、第二弹性部；

33、第三弹性部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1至图3是本发明提供的新型橡胶球铰的装配关系示意图之一、之二和之三。从图1至图3中可以看出，在芯轴10和衬套20之间设置了弹性件30，其中弹性件30由负泊松比材料制成的三明治夹心结构，通过改变弹性体的结构来改变其受力状态和散热性能，同时通过弹性体结构与材料的优化来满足橡胶球铰弹性元件各载荷及刚度性能要求，从而实现橡胶球铰弹性元件功能和使用寿命的提升

图4是本发明提供的新型橡胶球铰中，芯轴10的结构示意图。从图4中可以看出，对芯轴10的结构进行了展示，包括了第一环向槽11、第一环槽弧形段12、第一环槽柱形段13、卡槽14、卡箍15和轴肩16。通过将第一环向槽11设置为包括第一环槽弧形段12和第一环槽柱形段13，使得第一弹性部31能够通过第一环槽弧形段12一方面实现硫化，保证橡胶与金属界面的粘结性能，另一方面也通过芯轴10表面的弧形凹槽实现了对第一弹性部31的定位约束。

图5和图6是本发明提供的新型橡胶球铰中，衬套20结构示意图之一和之二。从图5和图6中可以看出，对衬套20的结构进行了展示，衬套20包括衬体21、挡圈22、第二环槽弧形段23和第二环槽柱形段24。通过将衬体21设置为筒状的圆环，并且在衬体21轴向的两端设置挡圈22，使得衬体21和挡圈22包围形成容纳第二弹性部32的台阶状结构。

图7至图8是本发明提供的新型橡胶球铰中，第一弹性部31、第二弹性部32和第三弹性部33的结构示意图。从图7至图8中可以看出，本发明对第一弹性部31、第二弹性部32和第三弹性部33的具体结构进行了展示，将弹性件30设置为包括第一弹性部31、第二弹性部32和第三弹性部33三个部分，其中将第一弹性部31和第二弹性部32设置为橡胶材料，便于第一弹性部31和第二弹性部32分别与芯轴10和衬套20的连接，同时将第三弹性部33设置为负泊松比材料则增强了弹性件30的力学性能，通过负泊松比材料的特性改变橡胶球铰的受力状态和散热性能。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一些具体实施方案中，如图1至图9所示，本方案提供一种新型橡胶球铰，包括：芯轴10、衬套20和弹性件30；衬套20套设于芯轴10的外部；弹性件30设置于衬套20和芯轴10之间；其中，弹性件30至少部分为负泊松比材料制成的芯材。

详细来说，本发明提出一种新型橡胶球铰，用以解决现有技术中胶材料自身导热能力较差，导致橡胶球铰弹性橡胶体温度较高，从而影响弹性体的力学性能并加剧橡胶老化，在橡胶体表面易产生疲劳累积损伤及橡胶体与金属粘合面开裂以及流固耦合橡胶球铰制造成本较高且需定期维护的缺陷，通过改变弹性体的结构来改变其受力状态和散热性能，同时通过弹性体结构与材料的优化来满足橡胶球铰弹性元件各载荷及刚度性能要求，从而实现橡胶球铰弹性元件功能和使用寿命的提升。

在本发明一些可能的实施例中，弹性件30包括：第一弹性部31、第二弹性部32和第三弹性部33；第一弹性部31铺设于芯轴10的外表面；第二弹性部32铺设于衬套20的内表面；第三弹性部33设置于第一弹性部31和第二弹性部32之间；其中，第一弹性部31和第二弹性部32为弹性橡胶制成；第三弹性部33为负泊松比材料制成。

具体来说，本实施例提供了一种弹性单元的实施方式，将弹性件30设置为包括第一弹性部31、第二弹性部32和第三弹性部33三个部分，其中将第一弹性部31和第二弹性部32设置为橡胶材料，便于第一弹性部31和第二弹性部32分别与芯轴10和衬套20的连接，同时将第三弹性部33设置为负泊松比材料则增强了弹性件30的力学性能，通过负泊松比材料的特性改变橡胶球铰的受力状态和散热性能。

需要说明的是，将弹性件30设置为三个部分的分体结构，一方面可以较好的满足生产工艺要求，另一方面可以改善弹性体(橡胶和芯材)结构的受力状态。

在本发明一些可能的实施例中，第三弹性部33分别与第一弹性部31和第二弹性部32粘接后通过过盈压紧实现连接。

具体来说，本实施例提供了一种第三弹性部33的实施方式，通过将第三弹性部33分别与第一弹性部31和第二弹性部32粘接和过盈压紧，确保了弹性件30的扭转刚度。

需要说明的是，通过相互间的过盈配合在弹性件30内形成预压应力，从而提高弹性元件的疲劳寿命。

在本发明一些可能的实施例中，第三弹性部33为整体挤压成型的筒状芯材结构，或者由多个基本胞元拼接形成的筒状芯材结构。

具体来说，本实施例提供了另一种第三弹性部33的实施方式，通过挤压成型或者多个基本胞元拼接形成，并配合第一弹性部31和第二弹性部32配合处不同的预紧力，使得第三弹性部33沿轴向的中部过盈量大于沿轴向两侧的过盈量。

在一个应用场景中，将第三弹性部33设置为整体挤压成型工艺，即筒状芯材结构由单个基本胞元拼装而成，基本胞元类别、材料、拼装结构分布按橡胶球铰弹性元件功能需求选择，从而最大程度满足产品在不同车辆装配的灵活性要求。

在一个应用场景中，将第三弹性部33设置为多个基本胞元的拼接工艺，可以满足在不同受力场景下的负泊松比对第三弹性部33形状的需求，筒状芯材结构的层数可以为一层或者多层，当筒状芯材结构为多层时，各层之间形状可以按使用功能要求合理组合，各基本胞元结构也可以采用加强筋板等形式满足结构刚度增强的力学性能要求。

在本发明一些可能的实施例中，第三弹性部33为具有梯度增强结构的负泊松比材料制成的多孔道芯材；孔道均布于芯轴10的周向，并沿芯轴10的轴向分别连通第三弹性部33的两个端面。

具体来说，本实施例提供了又一种第三弹性部33的实施方式，通过将第三弹性部33设置为梯度增强结构的负泊松比材料，实现橡胶球铰的可变刚度设计，实现梯度增强形式可以是连续增强、也可以是离散增强，实现梯度增强的方式可以为改变壁厚或使用复合材料等方式。

进一步地，多孔道的设置，使得弹性件30承受扭力时，例如轨道车辆交变载荷，橡胶产生的热量能通过第三弹性部33及芯轴10、衬套20迅速传导并辐射到环境中，从而使整个弹性件30始终在合适温升下工作，避免出现橡胶材料及胶粘层的加速老化，本发明提供的弹性件30各组装部件结构简单，满足产品使用要求时性能可靠，避免定期维护，能较好的适用于各类轨道车辆转向架的转臂节点。

在一个应用场景中，第一弹性部31和第二弹性部32的橡胶材料类别可以不一样，两者的硬度可以根据橡胶球铰的刚度需求合理匹配设计，从而形成分层梯度增强的可变刚度橡胶球铰弹性元件。

在本发明一些可能的实施例中，第三弹性部33的刚性自朝向第一弹性部31和第二弹性部32一侧的表面向中心逐渐递增。

具体来说，本实施例提供了再一种第三弹性部33的实施方式，通过对第三弹性部33的刚性梯度变化进行设置，使得弹性件30承受扭力时，例如轨道车辆交变载荷，橡胶产生的热量能通过第三弹性部33及芯轴10、衬套20迅速传导并辐射到环境中，从而使整个弹性件30始终在合适温升下工作，避免出现橡胶材料及胶粘层的加速老化。

进一步地，第三弹性部33的中部刚性大于朝向第一弹性部31和第二弹性部32的两侧，使得第三弹性部33中间部分能够承受更大的扭力，在弹性件30受力的过程中，第三弹性部33提供的承受力越来越强。

在本发明一些可能的实施例中，还包括：第一环向槽11，第一环向槽11环向设置于芯轴10的外表面；第一弹性部31硫化于第一环向槽11内；第一环向槽11包括：第一环槽弧形段12和第一环槽柱形段13；两个第一环槽柱形段13沿芯轴10的轴向设置于第一环槽弧形段12的两侧；其中，第一环槽柱形段13的周壁与芯轴10的轴向平行设置。

具体来说，本实施例提供了一种在芯轴10表面设置第一环向槽11的实施方式，通过将第一环向槽11设置为包括第一环槽弧形段12和第一环槽柱形段13，使得第一弹性部31能够通过第一环槽弧形段12一方面实现硫化，保证橡胶与金属界面的粘结性能，另一方面也通过芯轴10表面的弧形凹槽实现了对第一弹性部31的定位约束。

进一步地，第一环槽柱形段13的设置目的在于提供第三弹性部33与第一弹性部31之间过盈配合的变形量，通过第一环槽弧形段12和第一环槽柱形段13的弧形凹槽和柱形面结构，实现第一弹性部31的波段式形变，保证了第一弹性部31在第一环槽柱形段13的对第三弹性部33的预紧力大于第一环槽弧形段12。

在本发明一些可能的实施例中，还包括：卡槽14和卡箍15；卡槽14沿芯轴10的轴向与第一环向槽11间隔设置；卡箍15对应卡槽14设置，并且与第一弹性部31抵接。

具体来说，本实施例提供了一种在芯轴10一端设置卡槽14和卡箍15的实施方式，通过设置卡槽14和卡箍15一方面保证了芯轴10、衬套20和弹性件30的安装，另一方面也通过卡箍15对第一弹性部31进行限位，避免第一弹性部31沿芯轴10的轴向发生形变导致对第三弹性部33的预紧力减小。

在本发明一些可能的实施例中，还包括：轴肩16，轴肩16设置于芯轴10沿轴向相对于卡槽14的另一端，并与第一弹性部31抵接。

具体来说，本实施例提供了一种在芯轴10另一端设置轴肩16的实施方式，通过设置轴肩16使得第一弹性部31在芯轴10的轴向获得限位，避免第一弹性部31沿芯轴10的轴向发生形变导致对第三弹性部33的预紧力减小。

在一个应用场景中，第一弹性部31的厚度为4至8mm，径向方向略低于轴肩163至8mm，此种设计一方面可以使第一弹性部31变形时始终处于限制边界内，避免过大拉应力对第一弹性部31造成撕裂及疲劳破坏，另一方面也可以保证负泊松比芯材装配时与芯轴10的配合定位约束。

在本发明一些可能的实施例中，衬套20包括：衬体21和挡圈22；衬体21呈绕芯轴10的环形设置；挡圈22对称设置于衬体21的两端，并朝向衬体21的轴线一侧延伸；其中，挡圈22与衬体21的内表面形成用于容纳第二弹性部32的台阶状结构。

具体来说，本实施例提供了一种衬套20的实施方式，通过将衬体21设置为筒状的圆环，并且在衬体21轴向的两端设置挡圈22，使得衬体21和挡圈22包围形成容纳第二弹性部32的台阶状结构。

在本发明一些可能的实施例中，衬体21包括：第二环向槽，第二环向槽环向设置于衬体21的内表面；第二弹性部32硫化于第二环向槽内；第二环向槽包括：第二环槽弧形段23和第二环槽柱形段24；两个第二环槽柱形段24沿衬套20的轴向设置于第二环槽弧形段23的两侧，并与挡圈22抵接；其中，第二环槽柱形段24的周壁与衬套20的轴向平行设置。

具体来说，本实施例提供了一种在衬套20表面设置第二环向槽的实施方式，通过将第二环向槽设置为包括第二环槽弧形段23和第二环槽柱形段24，使得第二弹性部32能够通过第二环槽弧形段23一方面实现硫化，保证橡胶与金属界面的粘结性能，另一方面也通过衬体21表面的弧形凹槽实现了对第二弹性部32的定位约束。

进一步地，第二环槽柱形段24的设置目的在于提供第三弹性部33与第二弹性部32之间过盈配合的变形量，通过第二环槽弧形段23和第二环槽柱形段24的弧形凹槽和柱形面结构，实现第二弹性部32的波段式形变，保证了第二弹性部32在第二环槽柱形段24的对第三弹性部33的预紧力大于第二环槽弧形段23。

在一个应用场景中，第二弹性部32的厚度为4至8mm，径向方向尺寸略低于轴肩16尺寸3至8mm，此种设计一方面可以使第二弹性部32变形时始终处于限制边界内，避免过大拉应力对第二弹性部32造成撕裂及疲劳破坏，另一方面也可以保证负泊松比芯材装配时与芯轴10的配合定位约束。

在本发明一些可能的实施例中，第二弹性部32的厚度小于台阶状结构的高度。

具体来说，本实施例提供了一种第二弹性部32与衬套20配合的实施方式，通过将第二弹性部32的厚度小于台阶状结构的高度，使得挡圈22一方面可以对第二弹性部32形成一定的定位约束作用，另一方面还可以对第三弹性部33形成一定的定位约束作用，避免第二弹性部32和第三弹性部33沿衬体21的轴向发生形变。

在本发明的一些具体实施方案中，本方案提供一种转向架，具有上述的一种新型橡胶球铰。

详细来说，本发明还提出一种转向架，用以解决现有技术中胶材料自身导热能力较差，导致橡胶球铰弹性橡胶体温度较高，从而影响弹性体的力学性能并加剧橡胶老化，在橡胶体表面易产生疲劳累积损伤及橡胶体与金属粘合面开裂以及流固耦合橡胶球铰制造成本较高且需定期维护的缺陷，通过在转向架中设置负泊松比高弹材料制成的弹性单元，不仅可以满足橡胶球铰不同功能的需求，同时还能改善弹性体的受力状态和散热性能，提高产品使用寿命；相对于在转向架中应用的其它功能性橡胶球铰，如液固耦合球铰，本发明通过将弹性单元设置为负泊松比的高弹材料，取得了结构更加简单、成本较低、可靠性强以及免维护等有益效果，使其更能适用于不同轨道车辆转向架的转臂节点需要。

在本发明的一些具体实施方案中，本方案提供一种轨道车辆，具有上述的一种新型橡胶球铰，或者上述的一种转向架。

详细来说，本发明又提出一种轨道车辆，用以解决现有技术中胶材料自身导热能力较差，导致橡胶球铰弹性橡胶体温度较高，从而影响弹性体的力学性能并加剧橡胶老化，在橡胶体表面易产生疲劳累积损伤及橡胶体与金属粘合面开裂以及流固耦合橡胶球铰制造成本较高且需定期维护的缺陷，通过改变弹性体的结构来改变其受力状态和散热性能，同时通过弹性体结构与材料的优化来满足橡胶球铰弹性元件各载荷及刚度性能要求，从而实现橡胶球铰弹性元件功能和使用寿命的提升，特别地在转向架中应用具有负泊松比高弹材料制成的弹性单元，取得了结构更加简单、成本较低、可靠性强以及免维护等有益效果，使其更能适用于不同轨道车辆转向架的转臂节点需要。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (11)

1.一种新型橡胶球铰，其特征在于，包括：芯轴、衬套和弹性件；

所述衬套套设于所述芯轴的外部；所述弹性件设置于所述衬套和所述芯轴之间；所述弹性件至少部分为负泊松比材料制成的芯材；

所述弹性件包括：第一弹性部、第二弹性部和第三弹性部；所述第一弹性部铺设于所述芯轴的外表面；所述第二弹性部铺设于所述衬套的内表面；所述第三弹性部设置于所述第一弹性部和所述第二弹性部之间；

所述第一弹性部和所述第二弹性部为弹性橡胶制成；所述第三弹性部为负泊松比材料制成；所述第三弹性部为具有梯度增强结构的负泊松比材料制成的多孔道芯材；所述孔道均布于所述芯轴的周向，并沿所述芯轴的轴向分别连通所述第三弹性部的两个端面；

所述第三弹性部的刚性自朝向所述第一弹性部和所述第二弹性部一侧的表面向中心逐渐递增。

2.根据权利要求1所述的一种新型橡胶球铰，其特征在于，所述第三弹性部分别与所述第一弹性部和所述第二弹性部粘接后通过过盈压紧实现连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型橡胶球铰，其特征在于，所述第三弹性部为整体挤压成型的筒状芯材结构，或者由多个基本胞元拼接形成的筒状芯材结构。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种新型橡胶球铰，其特征在于，还包括：第一环向槽，所述第一环向槽环向设置于所述芯轴的外表面；

所述第一弹性部硫化于所述第一环向槽内；

所述第一环向槽包括：第一环槽弧形段和第一环槽柱形段；

两个所述第一环槽柱形段沿所述芯轴的轴向设置于所述第一环槽弧形段的两侧；

其中，所述第一环槽柱形段的周壁与所述芯轴的轴向平行设置。

5.根据权利要求4所述的一种新型橡胶球铰，其特征在于，还包括：卡槽和卡箍；

所述卡槽沿所述芯轴的轴向与所述第一环向槽间隔设置；

所述卡箍对应所述卡槽设置，并且与所述第一弹性部抵接。

6.根据权利要求5所述的一种新型橡胶球铰，其特征在于，还包括：轴肩，所述轴肩设置于所述芯轴沿轴向相对于所述卡槽的另一端，并与所述第一弹性部抵接。

7.根据权利要求1至3任一所述的一种新型橡胶球铰，其特征在于，所述衬套包括：衬体和挡圈；

所述衬体呈绕所述芯轴的环形设置；

所述挡圈对称设置于所述衬体的两端，并朝向所述衬体的轴线一侧延伸；

其中，所述挡圈与所述衬体的内表面形成用于容纳所述第二弹性部的台阶状结构。

8.根据权利要求7所述的一种新型橡胶球铰，其特征在于，所述衬体包括：第二环向槽，所述第二环向槽环向设置于所述衬体的内表面；

所述第二弹性部硫化于所述第二环向槽内；

所述第二环向槽包括：第二环槽弧形段和第二环槽柱形段；

两个所述第二环槽柱形段沿所述衬套的轴向设置于所述第二环槽弧形段的两侧，并与所述挡圈抵接；

其中，所述第二环槽柱形段的周壁与所述衬套的轴向平行设置。

9.根据权利要求7所述的一种新型橡胶球铰，其特征在于，所述第二弹性部的厚度小于所述台阶状结构的高度。

10.一种转向架，其特征在于，具有上述权利要求1至9任一所述的一种新型橡胶球铰。

11.一种轨道车辆，其特征在于，具有上述权利要求1至9任一所述的一种新型橡胶球铰，或者上述权利要求10所述的一种转向架。

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