專利名稱：一種變剛度彈性元件及其變剛度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于彈性元件領(lǐng)域的變剛度彈性元件及其變剛度方法，尤其是一種應(yīng) 用于各種機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架用的橡膠變剛度彈性元件及其變剛度方法，該方法和元件也適用于
工程機(jī)械等任何減振彈性連接的部位。
背景技術(shù)：
球鉸類橡膠彈性元件是常用的一種橡膠金屬復(fù)合的減振元件，可廣泛應(yīng)用于各種減振場(chǎng) 所，尤其是在機(jī)車車輛的轉(zhuǎn)向架中應(yīng)用十分普遍。
與金屬材料不同，橡膠材料是一種典型的非線性材料，因而用橡膠材料制作而成的彈性 元件在剛度性能方面也會(huì)表現(xiàn)出非線性，比如鋼彈簧在使用極限內(nèi)，其載荷與變形的比值(即 剛度)是一個(gè)常數(shù)(即線性變化)，如圖1所示。而橡膠彈性元件則不同，其載荷與變形的比 值(即剛度)是不斷變化的(即非線性變化)，如圖2所示。對(duì)于處于壓縮狀態(tài)的橡膠彈性元 件， 一般來講其剛度會(huì)隨著載荷(或變形)的增大而增大。
橡膠彈性元件在變形量(一般在橡膠層厚度的10%以內(nèi)，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同會(huì)有所差異)比 較小的時(shí)，非線性不明顯，可以做線性處理。隨著機(jī)車車輛技術(shù)和鐵路高速、重載發(fā)展，越 來越多的彈性元件要求具有更加明顯的非線性特征，甚至需要在特定的點(diǎn)產(chǎn)生剛度值的突變 (可以稱之為變剛度特征)。例如在重載貨車上采用兩級(jí)剛度螺旋彈簧組，使列車無論在空載 還是重載時(shí)都能有運(yùn)行品質(zhì)；空、重車之間也不會(huì)由于高度的不同而產(chǎn)生連接不好及由此造 成列車脫軌事故。而僅僅依靠橡膠材料的非線性不可能產(chǎn)生這種剛度突變，所以需要通過結(jié)
構(gòu)上的創(chuàng)新來彌補(bǔ)這種不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有彈性元件的不足，提供一種球鉸類橡膠彈性元件變剛度方法 及其的變剛度元件結(jié)構(gòu)，以達(dá)到球鉸類產(chǎn)品具有變剛度工況的目的。 按照本發(fā)明，上述技術(shù)問題是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
一種彈性元件變剛度方法，包括外套、內(nèi)套和彈性橡膠體，該方法包括在彈性元件的工 作方向上對(duì)稱的掏空彈性橡膠體，形成空氣隔離區(qū)，使該方向產(chǎn)生一個(gè)空氣段而形成不連續(xù) 結(jié)構(gòu)，通過彈性元件的不同部位提供不同階段的產(chǎn)品徑向剛度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)彈性元件不同情況 不同徑向剛度的變化。這種應(yīng)用于球鉸類橡膠彈性元件的變剛度方法，采用對(duì)稱的去除部分 橡膠材料(在橡膠彈性體上掏孔)的方法，去除材料的方向即為工作方向，在不同的階段通 過不同的部位(不同的受力方式)提供不同的剛度，從而實(shí)現(xiàn)變剛度，同止檔有相似的工作原理。作為該方法進(jìn)一步的實(shí)施方式，在與彈性元件工作方向垂直方向的彈性橡膠體中沿徑向 插入至少一對(duì)隔套。作為該方法又一步的實(shí)施方式，該彈性元件變剛度方法包括在第一種實(shí)施方式的基礎(chǔ)之 上，在彈性元件外套和空氣隔離區(qū)之間沿徑向插入至少一對(duì)隔套。作為該方法再一步的實(shí)施方式，在與彈性元件工作方向垂直方向的彈性橡膠體中沿徑向 插入至少一對(duì)隔套的基礎(chǔ)之上，再在彈性元件外套和空氣隔離區(qū)之間沿徑向插入至少一對(duì)隔 套。同時(shí)，可以通過改變空向角的大小及隔套的數(shù)目調(diào)節(jié)產(chǎn)品徑向剛度，通過調(diào)整空氣隔離 區(qū)的間隙來調(diào)整突變點(diǎn)的位置。本發(fā)明提供的一種變剛度彈性元件是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種變剛度彈性元件，包括外套、內(nèi)套和彈性橡膠體，彈性橡膠體位于內(nèi)套和外套之間， 彈性元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)在互相垂直的方向上沿徑向形成實(shí)向和空向，內(nèi)套跟外套通過彈性橡膠體 粘結(jié)形成連續(xù)的實(shí)向結(jié)構(gòu)，橡膠彈性體內(nèi)沿與實(shí)向垂直的部分包括一對(duì)對(duì)稱的空氣隔離區(qū)形 成一個(gè)不連續(xù)的空向結(jié)構(gòu)。作為該彈性元件進(jìn)一步的實(shí)施方式，在實(shí)向結(jié)構(gòu)的彈性橡膠體內(nèi)部沿彈性元件軸心方向 對(duì)稱的分布有至少一對(duì)隔套。作為該彈性元件又一步的實(shí)施方式，在第一種實(shí)施方式的基礎(chǔ)之上，在外套和空氣隔離 區(qū)之間沿彈性元件軸心方向?qū)ΨQ的分布有至少一對(duì)隔套。作為該彈性元件又一種的實(shí)施方式，在第二種實(shí)施方式的基礎(chǔ)之上，在外套和空氣隔離 區(qū)之間沿彈性元件軸心方向?qū)ΨQ的分布有至少一對(duì)隔套。作為該彈性元件再一步的實(shí)施方式，彈性元件的空向包括兩對(duì)對(duì)稱分布的隔套，在空向 上外套與橡膠彈性體之間有隔套一，空氣隔離區(qū)與彈性橡膠體之間有隔套二，隔套一，隔套 二和此方向的橡膠彈性體均為兩瓣式結(jié)構(gòu)。同時(shí)，橡膠彈性體的空向和實(shí)向之間存在一徑向 空氣隔離區(qū)。本發(fā)明的球鉸類橡膠彈性元件的安裝具有方向性，產(chǎn)品一個(gè)方向是不連續(xù)的(有空隙)。 如圖5和圖6所示，其變剛度實(shí)現(xiàn)的過程如下第一階段假設(shè)球鉸隔套與內(nèi)套(芯軸)之間的間隙分別為A1和A2 (理論上A^A2)， 隨著徑向載荷的逐漸增大(如圖6，假設(shè)內(nèi)套(芯軸)固定，徑向載荷垂直向下)，A2將逐漸 變小直至零，Al將逐漸變大直至2A1或2A2。第二階段隨著徑向載荷的繼續(xù)增大，Al將繼續(xù)變大，而A2—直為零。剛度特性第一階段中，由于間隙A2大于零，在一定的載荷范圍內(nèi)產(chǎn)品的剛度主要取決于產(chǎn)品實(shí)向橡膠的剪切力，此時(shí)的徑向剛度值比較小，直到間隙A2減小到零為止。這就進(jìn)入 了第二階段，此時(shí)空向的隔板與內(nèi)套(芯軸)接觸開始提供徑向剛度，那么整個(gè)球鉸都開始 提供徑向剛度。由于空向具有較薄的橡膠層和金屬隔片，使得該部分能產(chǎn)生較大的徑向剛度。 從而使整個(gè)球較類橡膠彈性元件具有大的徑向剛度。通過應(yīng)用此種實(shí)施方式所描述的方法和元件，能夠使得彈性元件在需要的特定點(diǎn)產(chǎn)生剛 度值的突變(如圖3所示)，因此而具有更加明顯的非線性特征，很好地滿足了機(jī)車車輛對(duì)于 彈性材料變剛度特性的要求。這樣就使列車無論在空載還是重載時(shí)都能有運(yùn)行品質(zhì)，空、重 車之間也不會(huì)由于高度的不同而產(chǎn)生連接不好及由此造成列車脫軌事故，從而滿足了機(jī)車車 輛技術(shù)和鐵路高速、重載的發(fā)展要求。


圖1為一種典型的線性曲線；圖2為一種典型的非線性曲線；圖3為一種典型的變剛度曲線；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)側(cè)向截面示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例1承受載荷時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例1承受載荷時(shí)的側(cè)向截面示意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)側(cè)向截面示意圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)側(cè)向截面示意圖；圖12為本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)側(cè)向截面示意圖。其中l(wèi)-外套，2-彈性橡膠體，3-隔套一，4-隔套二， 5-空氣隔離區(qū)，5、-徑向空氣隔離區(qū)， 6-內(nèi)套，7-隔套，cc-空向角，A-間隙，Al-隔套二與內(nèi)套下部的間隙，A2-隔套二與內(nèi)套上部的間隙。
具體實(shí)施例方式附圖給出了本發(fā)明的具體實(shí)施例，下面將通過附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。 作為該彈性元件變剛度方法一種較佳的實(shí)施方式， 一種應(yīng)用于球鉸類橡膠彈性元件的變剛度方法，包括在彈性元件的工作方向上對(duì)稱的掏空彈性橡膠體2，形成空氣隔離區(qū)5，使該方向產(chǎn)生一個(gè)空氣段而形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)，通過彈性元件的不同部位提供不同階段的產(chǎn)品徑向剛度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)彈性元件不同情況不同徑向剛度的變化。同時(shí)，在彈性元件外套1和空氣隔 離區(qū)5之間的橡膠彈性體2沿徑向插入兩對(duì)隔套，這樣使得工作方向的剛度突變大小可以通 過增加工作方向隔套數(shù)目及空向角a的大小來調(diào)整，隔套的數(shù)目可以根據(jù)徑向剛度需要進(jìn)行 增減，且至少為一對(duì)。突變點(diǎn)的位置則可以通過調(diào)整空氣隔離區(qū)5的間隙A來獲得。另一種實(shí)施方式在前種實(shí)施方式的基礎(chǔ)之上，抽掉空向上的隔套一 3和隔套二 4，僅僅 保留中間空氣隔離區(qū)5。第三種實(shí)施方式在第一種實(shí)施方式的基礎(chǔ)之上，在實(shí)向插入若干隔套7。第四種實(shí)施方式在第三種實(shí)施方式的基礎(chǔ)之上，抽掉空向上的隔套一 3和隔套二 4，仍 然保留中間空氣隔離區(qū)5。作為該變剛度彈性元件的一種較佳實(shí)施方式，如圖4和圖7所示，實(shí)施例l包括一個(gè)金 屬內(nèi)套(芯軸)、金屬外套、彈性橡膠體和金屬隔套(若干組)；彈性橡膠體與金屬構(gòu)件硫化 成一體。彈性元件由兩個(gè)方向上的不同結(jié)構(gòu)構(gòu)成。實(shí)向部分結(jié)構(gòu)由金屬內(nèi)套6、橡膠彈性體2 和金屬外套1組成，橡膠彈性體2位于金屬內(nèi)套6和金屬外套1之間，且彈性橡膠體2的內(nèi) 表面與金屬內(nèi)套6粘結(jié)在一起，外表面與金屬外套1粘結(jié)在一起空向由金屬外套l、橡膠 彈性體2、金屬隔套一3、金屬隔套二4和金屬內(nèi)套6組成，橡膠彈性體2位于金屬外套1與 金屬隔套一 3、、或者是金屬隔套一 3與金屬隔套二 4之間，橡膠彈性體2的外表面與金屬外 套1或者金屬隔套一 3粘結(jié)在一起，內(nèi)表面與金屬隔套一 3或者金屬隔套二 4粘結(jié)在一起。 產(chǎn)品的特點(diǎn)在于空向(工作方向)的隔套與內(nèi)套(芯軸)之間存在一定的間隙△，而另一 方向內(nèi)套(芯軸)跟外套是通過橡膠體直接或間接連接在一起的。工作方向的剛度突變大小 可以通過增加工作方向隔套數(shù)目及空向角a的大小來調(diào)整。如圖所示的彈性元件，包括金屬 外套l、內(nèi)套6、隔套一3、隔套二4和彈性橡膠體2，且橡膠彈性體2及隔套為多層結(jié)構(gòu)。 在空向上金屬外套1與彈性橡膠體2之間有金屬隔套一 3、空氣隔離區(qū)5與彈性橡膠體2之 間有金屬隔套二4，金屬隔套一3、隔套二4和此方向的彈性橡膠體均為兩瓣結(jié)構(gòu)，在隔套二 4和內(nèi)套6之間有一段空氣隔離區(qū)5，隔套的數(shù)目可以根據(jù)徑向剛度需要進(jìn)行增減。在實(shí)向上 外套1與內(nèi)套6通過彈性橡膠體硫化在一起。實(shí)向和空向之間也可以存在一徑向空氣隔離區(qū)如圖8和圖9所示，實(shí)施例2跟實(shí)施例1結(jié)構(gòu)類似，實(shí)施例二是在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上抽 掉空向上的隔套一 3和隔套二 4，僅僅保留中間空氣隔離區(qū)5。如圖10和圖11所示，實(shí)施例3跟實(shí)施例1結(jié)構(gòu)類似，實(shí)施例三是在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上在實(shí)向插入若干隔套7。如圖12和圖13所示，實(shí)施例4跟實(shí)施例3結(jié)構(gòu)類似，實(shí)施例四是在實(shí)施例三的基礎(chǔ)上抽掉空向上的隔套一3和隔套二4，仍然保留中間空氣隔離區(qū)5。雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要 求的范圍內(nèi)作出各種變形或修改。
權(quán)利要求
1、一種彈性元件變剛度方法，包括外套(1)、內(nèi)套(6)和彈性橡膠體(2)，其特征在于該方法包括在彈性元件的工作方向上對(duì)稱的掏空彈性橡膠體(2)，形成空氣隔離區(qū)(5)，使該方向產(chǎn)生一個(gè)空氣段而形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)，通過彈性元件的不同部位提供不同階段的產(chǎn)品徑向剛度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)彈性元件不同情況不同徑向剛度的變化。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彈性元件變剛度方法，其特征在于在與彈性元件工作方向垂直方向的彈性橡膠體(2)中沿徑向插入至少一對(duì)隔套。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種彈性元件變剛度方法，其特征在于在彈性元件外套(1) 和空氣隔離區(qū)(5)之間的彈性橡膠體中沿徑向插入至少一對(duì)隔套。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種彈性元件變剛度方法，其特征在于通過改變空向角的大 小及隔套的數(shù)目調(diào)節(jié)產(chǎn)品徑向剛度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種彈性元件變剛度方法，其特征在于通過調(diào)整空氣隔離區(qū)(5)的間隙A來調(diào)整突變點(diǎn)的位置。
6、 一種變剛度彈性元件，包括外套(1)、內(nèi)套(6)和彈性橡膠體(2),彈性橡膠體(2)位于內(nèi)套(6)和外套(1)之間，彈性元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)在互相垂直的方向上沿徑向形成實(shí)向和空向，其特征在于，內(nèi)套(6)跟外套(1)通過彈性橡膠體(2)粘結(jié)形成連續(xù)的實(shí)向結(jié)構(gòu)，橡膠彈性體(2)內(nèi)沿與實(shí)向垂直的部分包括一對(duì)對(duì)稱的空氣隔離區(qū)(5)形成一個(gè)不連續(xù)的空向結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種變剛度彈性元件，其特征在于在實(shí)向結(jié)構(gòu)的彈性橡膠體(2) 內(nèi)部沿彈性元件軸心方向?qū)ΨQ的分布有至少一對(duì)隔套。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種變剛度彈性元件，其特征在于外套(1)和空氣隔離區(qū)(5)之間沿彈性元件軸心方向?qū)ΨQ的分布有至少一對(duì)隔套。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種變剛度彈性元件，其特征在于所述彈性元件的空向包括兩對(duì)對(duì)稱分布的隔套，在空向上外套(1)與橡膠彈性體(2)之間有隔套一，空氣隔離區(qū)(5)與彈性橡膠體(2)之間有隔套二，隔套一*隔套二和此方向的橡膠彈性體均為兩瓣式結(jié)構(gòu)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種變剛度彈性元件，其特征在于在所述橡膠彈性體(2)的空向和實(shí)向之間存在一徑向空氣隔離區(qū)(5')。
全文摘要
一種應(yīng)用于各種機(jī)車車輛的轉(zhuǎn)向架用的橡膠彈性元件變剛度方法及元件，特別是球鉸類橡膠彈性元件變剛度方法及其元件。彈性元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)在互相垂直的方向上沿徑向形成實(shí)向和空向，內(nèi)套跟外套通過彈性橡膠體粘結(jié)形成連續(xù)的實(shí)向結(jié)構(gòu)。在橡膠彈性體內(nèi)沿與實(shí)向垂直的部分對(duì)稱的掏空彈性橡膠體，形成空氣隔離區(qū)，使該方向產(chǎn)生一個(gè)空氣段而形成不連續(xù)的空向結(jié)構(gòu)。通過彈性元件的不同部位提供不同階段的產(chǎn)品徑向剛度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)彈性元件不同情況不同徑向剛度的變化。該方法和元件也適用于工程機(jī)械等任何減振彈性連接的部位。
文檔編號(hào)F16F1/38GK101520076SQ20091004307
公開日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者張春良, 敏 艾, 郭紅鋒 申請(qǐng)人:株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司