一种轴向组合式小径轴刚度比

1、一种轴向组合式小径、轴刚度比橡胶球铰结构的介绍张春良1，2，袁贵根2，张亚新2，郭红锋1，21西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 6100312株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007摘 要：本文以一种地铁车辆用转臂定位节点为例，介绍了一种轴向组合式橡胶金属球铰结构，此种结构具有小的径向和轴向刚度比、橡胶预压缩简单可靠、刚度调节范围广、疲劳可靠性好等特点。关键词：橡胶球铰，轴向组合式，径、轴刚度比，疲劳可靠性，4橡胶金属球铰产品（简称橡胶球铰）因结构简单，重量轻，且能有效地起到柔性连接和减震降噪的作用而广泛应用于机车车辆的牵引和悬挂系统，但常规的橡胶球铰产品受结构限制，其径

2、向和轴向刚度比（简称径、轴刚度比）一般限于7：1以上，而在一些特定的场合，尤其是机车车辆转臂轴箱定位结构中，往往需要具有更小的径、轴刚度比的橡胶球铰产品1，此时就需要有一种新结构来实现。本文就是通过一种地铁车辆用转臂定位节点，介绍了一种沿轴向两段组合式的、具有小的径、轴刚度比的橡胶球铰产品结构，详细阐述了其设计思路，分析了该种结构的优缺点，为橡胶球铰的结构设计提供了一种新的思路。1 轴向组合式结构的提出2005年，国内某主机厂研制某型地铁车辆时，对该车的转臂定位提出了纵向刚度11kN/mm、横向刚度4kN/mm的技术参数，纵向和横向即橡胶球铰的径向和轴向，两者要求比值2.75：1。传统的平轴和

3、凸轴结构橡胶球铰，如图1和图2所示，其径、轴刚度比较大（大于7：1），比如凸轴结构只能实现7：1以上的径、轴刚度比，而平轴结构的径、轴刚度比比凸轴结构更大，一般都会在15：1以上，因此必须提出一种新的结构来实现2.75：1的径、轴刚度比。图1 平轴结构橡胶球铰图2 凸轴结构橡胶球铰2 轴向组合式橡胶球铰的结构形式轴向组合式橡胶球铰主要部件为图3所示的左右两个球铰和芯轴。左右球铰由图4所示的外钢套、内钢套和橡胶弹性体硫化粘合而成。左右球铰分别由芯轴的两端压入，如图3，其内钢套与芯轴通过过盈配合而紧密结合在一起。左右球铰的外钢套的一端，通过“背靠背”的方式紧贴。1 左球铰 2 芯轴 3 右球铰图3

4、 轴向组合式橡胶球铰结构分解1 内钢套 2 橡胶 3 外钢套 4 芯轴图4 轴向组合式橡胶球铰结构简图3 轴向组合式结构橡胶预压缩实现方式由图4可以看处，轴向组合式橡胶球铰的轴向橡胶截面呈明显的“L”形，且与径向和轴向都有夹角，因此，通过调整左右球铰内钢套在芯轴上轴向位置，就可调节橡胶预压缩的大小，图5所示的内钢套位置1和2表示左右球铰组装前后的位置，这是一种典型的通过轴向预压缩来实现径向预压缩的结构，实践表明，这是一种非常简单且有效的预压缩方法。1组装前自由状态（实线） 2组装后（虚线）图5 内钢套组装前后轴向位置4 轴向组合式结构刚度性能特点橡胶材料具有压缩模量远大于剪切模量的特性2，传统

5、结构的橡胶球铰在承受轴向载荷时，橡胶主要是受到剪切，尤其是平轴结构，几乎是纯剪切，在受到径向载荷时，橡胶材料主要是受到压缩，因而具有较大的径、轴刚度比。而组合式球铰的轴向橡胶截面呈明显的“L”形，因此其在承受轴向载荷时，橡胶可受到较大的压缩，在承受径向载荷时，橡胶可受到较大的剪切，因而可大大降低径、轴刚度比。其次，较大的形状系数也有利于降低径、轴刚度比。轴向组合式橡胶因由左右两个球铰轴向组合而成，每个球铰都有两个橡胶自由面，与传统球铰结构相比，自由面大大增加，在承受径向载荷时，橡胶有更多的区域可自由移动，这也有利于降低橡胶球铰的径、轴刚度比。5 轴向组合式结构径、轴刚度比可调节性通过调节左右球

6、铰轴向橡胶截面“L”形两个边的长度和夹角，如图6，可以灵活改变各部分橡胶层受压和受剪的面积，因而很容易实现各种不同的径、轴刚度比，同时通过调节左右球铰轴向橡胶截面“L”形两个边橡胶层的厚度，也可以改变改变橡胶球铰的径、轴刚度匹配。表1是研制过程中涉及的两种结构的刚度性能实测结果。1 结构一（实线） 2 结构二（虚线）图6 橡胶球铰表1 轴向组合式结构两种不同设计方案的刚度性能要求值结构一结构二橡胶硬度（°sha）参考6163径向刚度（kN/mm）11（1±15%）9.312.1轴向刚度（kN/mm）4（1±15%）8.44.6径、轴刚度比2.751.112.63由

7、表1可以看出，当橡胶材料的硬度为63°sha时，结构二的结果完全达到了技术要求的参数，因此，采用轴向组合式的结构，是能够满足设计要求的小径、轴刚度比的。其次，通过调节左右球铰轴向橡胶截面“L”形两个边的长度、夹角及橡胶层的厚度，橡胶球铰的径、轴刚度比从1.11变到2.63，充分说明了轴向组合式结构具有非常宽的刚度调节范围。6 轴向组合式结构疲劳可靠性分析6.1轴向组合式结构具有较小应力应变相比传统的平轴和凸轴结构，轴向组合式结构的橡胶与金属粘接面积要多出20%50%。图7是此次研制过程当中尝试过的一种结构，这种结构也能基本实现11：4的径、轴刚度比，如表2中的结果，其特点是采用了突变

8、式橡胶截面。而在实现同样刚度匹配的前提下，轴向组合式结构能最大限度地避免图7所示的突变结构，因此可设计出结构流畅的橡胶型面。图7 某突变结构简图较大的粘接面积和流畅的橡胶型面都有利于降低橡胶的应力和应变，如表2。表2 轴向组合式结构与某突变结构的应力应变比较结果突变结构轴向组合式结构降低比例径向刚度（kN/mm）11.911-/-轴向刚度（kN/mm）4.64-/-轴向应变0.650.34-47%径向应变0.860.44-59%轴向应力（MPa）6.73.1-53.7%径向应力（MPa）15.86.9-56.3%6.2 试验表明轴向组合式结构具有较好的疲劳可靠性表3是轴向组合式结构与图7所示的

9、某突变结构对比疲劳的结果，通过对比可以看出，轴向组合式结构的疲劳性能有非常明显的优势。表3 疲劳试验结果对比进程实验条件某突变架构轴向组合式结构径向疲劳阶段一30±9KN，300万次，4HZ完好完好阶段二33±9.9KN，100万次，4HZ完好完好阶段三36±10.8KN，50万次，4HZ破坏！完好阶段四39±11.7KN，20万次，4HZ完好阶段五42±12.6KN，10万次，4HZ完好7 轴向组合式结构其它特点7.1 工艺性相比传统橡胶金属一体硫化的平轴和凸轴结构，轴向组合式结构多了一道将左右球铰压入芯轴的工序。7.2 二次加工外套外径是橡

10、胶球铰的安装尺寸，涉及到产品的安装和安全性，一般要求精度都非常高。传统橡胶金属一体硫化的平轴和凸轴结构，其外套一般都采用整体径向挤压技术来实现橡胶预压缩，但这种强制金属外套径向缩小的技术必然会造成外套外径的不均匀，即椭圆和锥度，因此必须进行二次机加工，而椭圆和锥度越大，外套外径所需留的加工余量就越大，这样就会降低二次机加工的效率，并提高产品成本，这对批量生产是不利的。而轴向组合式结构采用的是轴向预压缩，不存在外套径向方向缩小，其椭圆和锥度变形就非常小，因此只需留较小的加工余量，这有利于提高二次机加工的效率，并能降低成本。表3 传统结构与轴向组合式结构椭圆度和锥度及二次加工余量比较产品有效尺寸传

11、统挤压结构组合式结构外套长度直径110（长度）×120椭圆度0.30.1锥度0.30.1所留加工余量mm0.60.37.3 偏转刚度相比传统的平轴和凸轴结构，轴向组合式结构的偏转刚度偏大，表4是尺寸接近的两种结构的偏转刚度对比。表4 同尺寸传统结构与轴向组合式结构偏转刚度比较产品有效尺寸传统挤压结构组合式结构外套长度直径110（长度）×120偏转刚度（N.m）/deg35497.4 左右球铰内钢套存在在芯轴上轴向窜动的风险由于轴向组合式结构是通过将左右球铰压装在芯轴之上，因此，当橡胶球铰承受轴向载荷时，左右球铰内钢套存在芯轴上轴向窜动的风险，在设计时必须特别注意保证两者之间有足够的过盈量。8 结论实践表明，轴向组合式结构能有效降低橡胶球铰的径、轴刚度比，特别适合如机车车辆转臂部位等对小径、轴刚度要求高的场合。轴向组合式结构还具有橡胶预压缩可靠、刚度调节范围广、疲劳特性优