軌道車輛用牽引球鉸及其剛度設計方法與流程

本發明涉及一種軌道車輛用牽引球鉸及其剛度設計方法，屬于軌道車輛彈性元件技術領域。

背景技術：

球鉸是常用的一種橡膠金屬復合的減振、連接元件，主要作用為連接車體和構架，

可以進行傳遞力并提供多向緩沖的原件。采用金屬件與橡膠通過膠黏劑在一定的溫度和壓力下硫化成一個整體，其作用是利用硫化橡膠起減振緩沖作用，金屬件起支承和安裝接口。

隨著軌道車輛線路增多，各線路的運行工況也不盡相同，現有的球鉸存在缺陷是：

1、不同運行工況，對球鉸在承載過程中的剛度要求也不相同，球鉸為了更好地滿足保證車輛的動力學要求和安全性，要求其徑向、軸向、偏轉和扭轉剛度滿足運行工況的承載需求，但現有球鉸的結構很難對球鉸四項剛度根據運行工況的承載需求進行調整。

2、球鉸中的橡膠型面采用向內凹進的u型結構，在大載荷下容易出現褶皺開裂和擠壓開裂，疲勞壽命短，

3、球鉸在承載過程的非線性剛度特性不高，無法滿足大載荷下的非線性剛度需求。

cn106032832a，公開了一種球鉸類橡膠彈性元件，包括芯軸，套設于所述芯軸外的橡膠，套設于所述橡膠外的外套，所述外套的長度大于所述橡膠的長度，且所述橡膠自與所述外套相接的一側至與所述芯軸相接的一側長度逐增。此方案中橡膠自與所述外套相接的一側至與所述芯軸相接的一側長度逐增，壓縮時橡膠層側面不會形成褶皺，而是貼近式貼緊外套，以減少橡膠層的開裂和褶皺，但此方案中并沒有給出如何根據承載需求，對球鉸的四項剛度和非線性剛度特性進行改進。

技術實現要素：

本發明提供針對現有技術中存在的問題，提供一種軌道車輛用牽引球鉸及其剛度設計方法，可實現對球鉸的軸、徑、偏、扭四項剛度調節，并且提高球鉸在承載過程中的非線性剛度特性和抗疲勞性能。

為達到上述目的本發明采用的技術方案是：

軌道車輛用牽引球鉸，包括外套、芯軸和硫化粘結在芯軸與外套之間的橡膠層，其特征在于所述的芯軸與橡膠層粘結部件的中間段為沿徑向向外突起的圓弧面突起，所述的圓弧面突起的中線與芯軸的中線重合，所述的橡膠層的變形型面為沿軸向從外向內逐漸貼近外套內壁的外凸圓弧面，變形型面的圓弧半徑為r1，圓弧面突起的圓弧半徑為r2，r1<r2。

優選的，所述的變形型面與外套內壁之間通過圓角過渡，與芯軸之間通過圓角二平滑過渡，所述的圓角的圓弧半徑為r，橡膠層在芯軸與外套間的徑向預擠壓縮量h，h/4≤r≤h/2，變形型面與外套內壁的最小間距為h/2~2r。

優選的，所述的變形型面沿軸向的外端位于外套端面的內側，且變形型面沿軸向的外端與外套端面的軸向距離不超過2mm。

優選的，所述的變形型面沿軸向的寬度為a，a≤r1≤2a。

優選的，所述的圓弧面突起的軸向寬度不小于芯軸與橡膠層粘結部件的軸向寬度的80%。

優選的，所述的芯軸由實心的內軸和套裝在內軸上的外軸組成，外軸設置在內軸的中間位置與橡膠層硫化粘結，外軸的中間段為圓弧面突起。

以上所述的軌道車輛用牽引球鉸的剛度設計方法，其特征在于根據牽引球鉸的承載需求，設計變形型面沿軸向的寬度、圓弧面突起的圓弧半徑和圓弧面突起的軸向寬度，從而調節牽引球鉸的徑向剛度、軸向剛度、偏轉剛度和扭轉剛度。

優選的，根據牽引球交的承載需求，設計圓角的圓弧半徑r，從而調節牽引球鉸的初始剛度。

優選的，根據牽引球鉸的承載需求，設計圓角的圓弧半徑r和變形型面的圓弧半徑r1，從而調節牽引球鉸的變剛度拐點。

優選的，根據牽引球鉸的承載需求，設計變形型面沿軸向的寬度為a和變形型面的圓弧半徑r1，從而調節牽引球鉸大載荷下的非線性剛度。

本發明的有益效果是：

1、軌道車輛用牽引球鉸中，芯軸與橡膠層粘結部件的中間段為沿徑向向外突起的圓弧面突起，且圓弧面突起的中線與芯軸的中線重合，通過調節圓弧面突起的軸向寬度和圓弧半徑，可調節球鉸的徑向變形量和扭轉變形量，從而調節球鉸的徑向剛度和扭轉剛度，通過調節圓弧面突起的圓弧半徑和變形型面沿軸向的寬度，可調節球鉸的偏轉變形量，從而調節球鉸的偏轉剛度，通過圓弧面突起的圓弧半徑，可調工球鉸的軸向變形量，從而調節球鉸的軸向剛度，在球鉸成型過程中，對芯軸的圓弧面突起和橡膠層的變形型面進行調節，使成型后的球鉸的徑向、軸向、偏轉和扭轉剛度滿足運行工況的承載需求。

2、大載荷下，隨著橡膠層的壓縮，橡膠層的變形由變形型面向外套內壁方向鼓出，變形型面的變形順著牽引球鉸的變形規律進行，可有效減少橡膠層與外套及芯軸連接處的橡膠鼓出，變形型面在往復變形中，不容易在靠近外套和芯軸的位置出現皺褶開裂和擠壓開裂，可有效提高牽引球鉸的抗疲勞性能。

3、變形型面與外套內壁間通過圓角過渡，變形型面與外套內壁的接觸，形成牽引球鉸的變剛度拐點，通對圓角的圓弧半徑和變形型面的圓弧半徑的調節，從而調節牽引球鉸的變剛度拐點，通過對變形型面沿軸向的寬度和變形型面的圓弧半徑的調節，從而調節牽引球鉸大載荷下的非線性剛度，提高球鉸在承載過程中的非線性剛度特性。

附圖說明

圖1為具體實施方式中的軌道車輛用牽引球鉸的結構示意圖。

圖2為圖1的局部放大圖。

圖3為具體實施方式中的軌道車輛用牽引球鉸在承載過程中的剛度曲線。

具體實施方式

下面結合附圖1至3對本發明的實施例做詳細說明。

軌道車輛用牽引球鉸，包括外套1、芯軸2和硫化粘結在芯軸2與外套1之間的橡膠層3，其特征在于所述的芯軸2與橡膠層3粘結部件的中間段為沿徑向向外突起的圓弧面突起21，所述的圓弧面突起21的中線與芯軸1的中線重合，所述的橡膠層3的變形型面31為沿軸向從外向內逐漸貼近外套1內壁的外凸圓弧面，變形型面31的圓弧半徑為r1，圓弧面突起21的圓弧半徑為r2，r1<r2。

如圖所示，芯軸2上具有圓弧面突起21，橡膠層3的變形型面為外凸圓弧面，變形型面31的圓弧半徑小于圓弧面突起21的圓弧半徑，在制作牽引球鉸時，可根據承載需求，對圓弧面突起21的軸向寬度和圓弧半徑、變形型面的圓弧半徑和軸向寬度進行調節，使牽引球鉸的剛度滿足承載需求，為軌道車輛的運行提供更好的減振及緩沖作用，其中調節圓弧面突起的軸向寬度b和圓弧半徑r2，可調節橡膠層3沿軸向的厚度變化，從而改變牽引球鉸承載時的徑向變形量和轉扭變形量，即實現徑向剛度和轉扭剛度的調節，調節圓弧面突起的圓弧半徑r2和變形型面沿軸向的寬度a，可調節橡膠層3兩側的橡膠厚度和軸向長度，從而改變牽引球鉸承載時的偏轉變形量，即實現偏轉剛度的調節，調節圓弧面突起的圓弧半徑r2，從而改變牽引球鉸承載時的軸向變形量，即實現軸向剛度的調節，因此在牽引球鉸成型時，可即根據承載需求，設計圓弧面突起和變形型面，使成型后的球鉸的徑向、軸向、偏轉和扭轉剛度滿足運行工況的承載需求。橡膠層的變形型面為沿軸向從外向內逐漸貼近外套1內壁的外凸圓弧面，在載荷增加時，橡膠由變形型面31向外套2的內壁方向鼓出，將變形型面31到外套2內壁之間的空間逐漸填充，變形型面31的變形與牽引球鉸的徑向變形規律一致，可有效減少橡膠層3與外套1與芯軸2連接處的橡膠鼓出，變形型面31在往復變形中，不容易在靠近外套1和芯軸2的位置出現皺褶開裂和擠壓開裂，可有效提高牽引球鉸的抗疲勞性能。

其中，所述的變形型面31與外套1內壁之間通過圓角11過渡，與芯軸2之間通過圓角二22平滑過渡，所述的圓角11的圓弧半徑為r，橡膠層3在芯軸1與外套2間的徑向預擠壓縮量h，h/4≤r≤h/2，變形型面31與外套1內壁的最小間距為h/2~2r。由于過圓角11的圓弧半徑r，決定了變形型面31與外套1內壁接觸時，橡膠層3發生的橡膠徑向變形量，因此在h/4≤r≤h/2的范圍內，調節圓角11的圓弧半徑r，可實現牽引球鉸初始剛度的調節，使牽引球鉸適應用不同承載工況的初始剛度要求。并且在設計圓角11的圓弧半徑時，即要兼顧節點的初始剛度和初始應力，經過反復多次試驗，得出在h/4≤r≤h/2的范圍內，當牽引球鉸未承載時，圓角11與外套1內壁的最大間距即變形型面31與外套1內壁的最小間距為h/2~2r，變形型面31所受的初始應力最小，可有效提高變形型面31的變形特性，延長其疲勞壽命。

其中，所述的變形型面31沿軸向的外端位于外套1端面的內側，且變形型面31沿軸向的外端與外套1端面的軸向距離不超過2mm。保證在大載荷時，變形型面31完全與外套1的內壁貼緊，橡膠層3的鼓出變形完全從變形型面31向外套1內壁的方向進行，將變型面31到外套1內壁的空間填滿，避免靠近外套1和芯軸1位置的橡膠鼓出，在大載荷往復加載中，靠近外套1和芯軸2位置的橡膠也不會發生皺褶開裂和擠壓開裂，牽引球鉸的在大載荷下的疲勞壽命被有效延長。

其中，所述的變形型面31沿軸向的寬度為a，a≤r1≤2a。如圖3所示，在牽引球鉸承載后，變形型面31與外套1內壁接觸，即為承載過程中的變剛度拐點s1，變形型面31的圓弧半徑r1和沿軸向寬度a，決定了載荷增大的過程中，不同承載下變形型面31與外套1內壁的接觸面積，即決定了變剛度拐點s1后牽引球鉸的剛度曲線即非線性剛度，因此調整r1和a的值，可以調整牽引球鉸的非線性剛度，通過反復多次的試驗得到在a≤r1≤2a的范圍內調整r1的值，可以滿足不同承載工況，對牽引球鉸的非線性剛度要求。

其中，所述的圓弧面突起21的軸向寬度不小于芯軸2與橡膠層3粘結部件的軸向寬度的80%。圓弧面突起21的軸向寬度對牽引球鉸的四項剛度均有較大影響，圓弧面突起21的軸向寬度過小，則無法起到對牽引球鉸剛度進行調節的作用，在多次試驗中得到圓弧面突起21的軸向寬度大于等于芯軸2與橡膠層3粘結部件的軸向寬度的80%時，通過調整圓弧面突起31的半徑，有可效調節牽引球鉸的四項剛度。

其中，所述的芯軸2由實心的內軸23和套裝在內軸23上的外軸24組成，外軸24設置在內軸23的中間位置與橡膠層3硫化粘結，外軸24的中間段為圓弧面突起21。在牽引球鉸成型時，為了方便對四項剛度的調節，將芯軸設置為分體結構，通過改變外套24上圓弧面突起21的尺寸，即可進行四項剛度的調節。

以上所述的軌道車輛用牽引球鉸的剛度設計方法，其特征在于根據牽引球鉸的承載需求，設計變形型面31沿軸向的寬度a、圓弧面突起21的圓弧半徑r2和圓弧面突起21的軸向寬度b，從而調節牽引球鉸的徑向剛度、軸向剛度、偏轉剛度和扭轉剛度。其中調節圓弧面突起的軸向寬度和圓弧半徑，可調節橡膠層3沿軸向的厚度變化，從而改變牽引球鉸承載時的徑向變形量和轉扭變形量，即實現徑向剛度和轉扭剛度的調節，調節圓弧面突起的圓弧半徑和變形型面沿軸向的寬度，可調節橡膠層3兩側的橡膠厚度和長度，從而改變牽引球鉸承載時的偏轉變形量，即實現偏轉剛度的調節，調節圓弧面突起的圓弧半徑，從而改變牽引球鉸承載時的軸向變形量，即實現軸向剛度的調節，因此在牽引球鉸成型時，可即根據承載需求，設計圓弧面突起和變形型面，使成型后的球鉸的徑向、軸向、偏轉和扭轉剛度滿足運行工況的承載需求。

根據牽引球交的承載需求，設計圓角11的圓弧半徑r，從而調節牽引球鉸的初始剛度。由于過圓角11的圓弧半徑r，決定了變形型面31與外套1內壁接觸時，橡膠層3發生的橡膠徑向變形量，因此在h/4≤r≤h/2的范圍內，調節圓角11的圓弧半徑r，可實現牽引球鉸初始剛度的調節，使牽引球鉸適應用不同承載工況的初始剛度要求。

根據牽引球鉸的承載需求，設計圓角11的圓弧半徑r和變形型面31的圓弧半徑r1，從而調節牽引球鉸的變剛度拐點。由于圓角11的圓弧半徑r，決定了變形型面31與外套內壁接觸時，橡膠層3發生的橡膠徑向變形量，而變形型面31的圓弧半徑r1，決定了載荷增大的過程中，不同承載下變形型面31與外套1內壁的接觸面積，所以調節圓角11的的圓弧半徑r可以調節變剛度拐點在承載過程中出現的位置，而調節圓弧半徑r1可以調節變剛度拐點的剛度值，因此得出調節圓角11的圓弧半徑r和變形型面31的圓弧半徑r1，可實現對牽引位桿節點變剛度拐點的調節。

根據牽引球鉸的承載需求，設計變形型面31沿軸向的寬度為a和變形型面31的圓弧半徑r1，從而調節牽引球鉸大載荷下的非線性剛度。如圖3所示，在牽引球鉸承載后，變形型面31與外套1內壁接觸，即為承載過程中的變剛度拐點s1，變形型面31的圓弧半徑r1和沿軸向寬度a，決定了載荷增大的過程中，不同承載下變形型面31與外套1內壁的接觸面積，即決定了變剛度拐點s1后牽引球鉸的剛度曲線即非線性剛度，因此調整r1和a的值，可以調整牽引球鉸的非線性剛度，通過反復多次的試驗得到在a≤r1≤2a的范圍內調整r1的值，可以滿足不同承載工況，對牽引球鉸的非線性剛度要求。

以上結合附圖對本發明的實施例的技術方案進行完整描述，需要說明的是所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。