[发明专利]一种多层杆端球铰及其设计方法

权利要求书

1.一种多层杆端球铰，所述杆端球铰包括外套（4）、芯轴（1）和位于外套（4）和芯轴（1）之间的橡胶层（3），橡胶层（3）内设有隔套（2），隔套（2）将橡胶层（3）分成多层结构，其特征在于，相邻隔套（2）间的橡胶型面整体内凹形成橡胶承载单元（5），隔套（2）端部朝向外套（4）凸出形成上凸缘（21），隔套（2）端部朝向芯轴（1）凸出形成下凸缘（22），相邻隔套（2）中上一隔套（2）的下凸缘（22）、下一隔套（2）的上凸缘（21）和橡胶承载单元5共同形成半封闭结构，所述半封闭结构为橡胶承载单元5在受压变形时提供橡胶型面的形变容积空间；且相邻隔套（2）中上一隔套（2）的下凸缘（22）和下一隔套（2）的上凸缘（21）在受压时形成硬止挡，以降低橡胶应力，避免承受载荷时橡胶褶皱断裂，同时避免橡胶承载单元5在受压时从半封闭结构中挤出；相邻隔套（2）中上一隔套（2）的下凸缘（22）和下一隔套（2）的上凸缘（21）相对对中设置，且相邻隔套（2）中下一隔套（2）上凸缘（21）的宽度大于上一隔套（2）中下凸缘（22）的宽度，使相邻隔套（2）中上一隔套（2）的下凸缘（22）和下一隔套（2）的上凸缘（21）在受压时上一隔套（2）的下凸缘（22）可压实在下一隔套（2）的上凸缘（21）中部上端形成硬止挡；所述橡胶承载单元5为多线段组合结构，以实现橡胶的非线性变刚度；所述多线段组合结构由多个直面段组成，每个直面段间圆弧过渡；所述直面段包括斜直面段和垂直面段；下凸缘（22）包括第二内侧面（221）和下底面（222），第二内侧面（221）为下凸缘（22）朝向球铰的一侧侧面，下底面（222）为下凸缘（22）远离上凸缘（21）的一侧水平面；隔套（2）包括隔套上端面（23）和隔套下端面（24）；多线段组合结构中与下凸缘（22）相连的直面段为第一斜直面段（31），第一斜直面段（31）与下凸缘（22）连接于第二内侧面（221）上且连接于第二内侧面（221）与隔套下端面（24）的拐点D的下方，第一斜直面段（31）从D点下方起朝向球铰内侧向斜下方倾斜。

2.根据权利要求1所述的多层杆端球铰，其特征在于，多线段组合结构包括凹底面（35），凹底面（35）为整体内凹的橡胶承载单元5的凹底；多线段组合结构还包括第二斜直面段（32）、第三斜直面段（33）和第四斜直面段（34）；第二斜直面段（32）与第一斜直面段（31）相连于第一斜直面段（31）远离第二内侧面（221）的一端，第二斜直面段（32）与第一斜直面段（31）通过第一圆弧（36）过渡；凹底面（35）的上端与第二斜直面段（32）相连于第二斜直面段（32）远离第一斜直面段（31）的一端，凹底面（35）与第二斜直面段（32）通过第二圆弧（37）过渡，第二斜直面段（32）朝向球铰内侧向斜下方倾斜；凹底面（35）的下端与第三斜直面段（33）相连于第三斜直面段（33）的上端，凹底面（35）与第三斜直面段（33）通过第三圆弧（38）过渡，第三斜直面段（33）朝向球铰内侧向斜上方倾斜；第三斜直面段（33）的下端与第四斜直面段（34）相连于第三斜直面段（33）远离凹底面（35）的一端，第三斜直面段（33）与第四斜直面段（34）通过第四圆弧（39）过渡。

3.根据权利要求2所述的多层杆端球铰，其特征在于，上凸缘（21）包括上顶面（211）和第一内侧面（212），第一内侧面（212）为上凸缘（21）朝向球铰内侧的一侧侧面，上顶面（211）为上凸缘（21）远离下凸缘（22）的一侧水平面；第四斜直面段（34）与隔套上端面（23）相连且连接于隔套上端面（23）上靠近隔套上端面（23）与第一内侧面（212）的拐点S处。

4.一种多层杆端球铰的设计方法，设计如权利要求1-3中任一项所述的杆端球铰，其特征在于，将第一斜直面段（31）的斜率设置成30°-60°，即将第一斜直面段（31）与横坐标轴线X1之间的夹角B1设置成30°-60°；将第四斜直面段（34）的斜率设置成120°-150°，即将第四斜直面段（34）与横坐标轴线X2之间的夹角B2设置成120°-150°。

5.根据权利要求4所述的多层杆端球铰的设计方法，其特征在于，橡胶型面形成的橡胶承载单元5的刚度变化大小和刚度变化位置通过调整第一斜直面段（31）、第二斜直面段（32）、凹底面（35）、第三斜直面段（33）或第四斜直面段（34）的斜率或长度来实现。

6.根据权利要求5所述的多层杆端球铰的设计方法，其特征在于，通过调整上一隔套（2）的下凸缘（22）和下一隔套（2）的上凸缘（21）之间的距离，使由橡胶型面形成的橡胶承载单元5在褶皱断裂前，上一隔套（2）下凸缘（22）的上顶面（211）即与下一隔套（2）的上顶面（211）接触并形成硬止挡，防止橡胶承载单元褶皱断裂。