[发明专利]变刚度球铰及其变刚度设计方法

说明书

变刚度球铰及其设计方法，包括球铰本体和套装在球铰本体上的外层外套，其特征在于所述的球铰本体与外层外套之间具有沿周向的环形密封空间，所述的环形密封空间深入至球铰本体的橡胶层，环形密封空间中设置环形止挡，环形止挡未将环形密封空间完全填满，在球铰本体与环形止挡之间形成沿轴向设置的环形间隙，所述的环形间隙的最小径向宽度为X，0.5mm＜X＜10mm。本发明满足球铰在小载荷时所需刚度小，大载荷时所需刚度明显增加并且可及时限位的承载需求，可有效预防外部的灰尘，泥土甚至是沙粒进入球铰内部，增大了橡胶的释放空间，有效避免橡胶产生“弯折”变形，有利于产品预压缩量的增加，防止橡胶裂纹的产生，提高疲劳寿命。

技术领域

本发明涉及一种变刚度球铰及其变刚度设计方法，属于球铰设计领域。

背景技术

球铰产品在装车运行过程中，根据安装位置和设计功能的不同，可以实现减振、牵引和柔性连接等作用。为了保证车辆运行的舒适性，要求球铰产品在小载荷（正常运行）时的刚度较小；为了保证车辆运行的可靠性，要求产品在大载荷（启动和制动）时的刚度明显增加从而及时限位，这样就要求球铰产品具备一定程度的变刚度。

由于橡胶在拉伸载荷作用下容易撕裂，球铰的径向变形必须控制在一定的范围内，否则很容易产生橡胶拉伸破坏。为了防止该现象的发生，产品在硫化后，需要对其进行预压缩处理，使橡胶处于压缩状态。根据产品在使用过程中的最大变形量设计产品的预压缩量，这样可有效避免橡胶拉伸破坏的发生。

在现有的球铰产品中，均采用橡胶全贯通开孔的方法来实现大的变刚度要求,小的变刚度则采用普通没有开孔的结构，而开孔结构的球铰，受载变形都非常大，采用全贯通的空实向结构容易导致产品在预压缩后以及受载情况下，橡胶型面交汇处会出现严重“弯折”现象，预压缩越大或受载越大，“弯折”现象越严重，因此限制了产品预压缩量的增加，使承载过程中橡胶容易处于拉伸状态，进而产生裂纹。而且外部开孔结构容易导致外部的灰尘，泥土甚至是沙粒进入球铰内部，外部的灰尘，泥土甚至是沙粒进入球铰内部不仅会造成空向变小，使产品刚度提前进入非线性阶段，而且会造成橡胶腐蚀和割裂。开孔结构的球铰中由于橡胶空间有限，预压缩越大或受载越大，“弯折”现象越严重，无法实现前期刚度小，后期刚度大的目的，疲劳性能较差。

检索到的相关现有技术：

CN 108035999 A，一种牵引球铰非线性变刚度调整方法及牵引球铰，通过调整轨道交通牵引球铰的金属件与橡胶件的位置关系调整轨道交通牵引球铰的非线性变刚度，其特征在于：轨道交通牵引球铰的非线性变刚度调整包括调整轨道交通牵引球铰的径向变刚度调整和轴向变刚度调整，通过调整轨道交通牵引球铰的径向变刚度调整和轴向变刚度调整实现整个轨道交通牵引球铰的非线性变刚度。

CN 107269749A, 牵引橡胶球铰，包括芯轴、外套和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层，其特征在于所述的橡胶层的橡胶外型面由靠近外套的端面一和靠近芯轴的端面二组成，所述的端面一呈由外向内逐渐靠近外套的向外凸起形状，且由多个环形面依次连接组成，所述的端面二为环形平面，并与端面一通过圆角平滑过渡，端面一与外套内壁通过小圆角过渡连接。

CN 101852263 A, 一种球铰类橡胶弹性元件变刚度方法和橡胶弹性元件及其制作方法，采用对称的去除部分橡胶材料，在不同的受力阶段通过接触面及橡胶变形受限程度的大小提供不同的刚度，实现变刚度。所述对称的去除部分橡胶材料是在橡胶弹性体表面沿周向掏出 3-5 个圆环状空间，使得橡胶弹性体在与外金属套组合安装后，在空载状况时外金属套与橡胶弹性体之间只有部分接触，处于有3-5 道圆环状空气隔离区的状况，而且两端供橡胶鼓出的空间非常小 ；同时橡胶弹性体在外金属套组合安装后，在橡胶弹性体与外金属套内侧面之间也留有环状空隙带。

以上所述的现有专利，在满足球铰产品在小载荷（正常运行）时的刚度小，大载荷（启动和制动）时的刚度明显增加并且可及时限位的承载需求方面、疲劳寿命和可靠性方面还有待提高。

发明内容