鋸齒嚙合橡膠關節結構介紹

潘文彬，李永濤，張春良，程海濤

（中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

鋸齒嚙合橡膠關節結構介紹

潘文彬，李永濤，張春良，程海濤

（中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

以一種機車用軸箱拉桿橡膠關節為例，介紹一種鋸齒嚙合橡膠關節結構。該結構的特點在于能實現較小的徑向/軸向剛度比，具有軸向自鎖功能，良好的承載能力，疲勞性能好。

鋸齒嚙合；橡膠關節；疲勞性能

金屬—橡膠關節產品（簡稱橡膠關節）因結構簡單，能有效地起到柔性連接和減振降噪的作用，且能為系統提供合適的剛度而廣泛應用于機車車輛的牽引系統和懸掛系統。常規的橡膠關節產品因受結構限制，其徑向/軸向剛度比（簡稱徑/軸剛度比）一般限于7∶1以上，而在一些特定的場合，如機車軸箱定位結構中，由于系統性能的要求，往往需要更小徑/軸剛度比的橡膠關節產品，這就需要一種新結構來實現。本文通過一種機車用軸箱拉桿橡膠關節，介紹一種鋸齒嚙合狀能實現小徑/軸剛度比的橡膠關節結構。

1 鋸齒嚙合［1］結構的研發背景

2006年國內研制某重載貨運機車，該車軸箱拉桿橡膠關節接口尺寸如圖1，要求徑向剛度為195 k N/mm，軸向剛度為57 k N/mm，即要求橡膠關節徑/軸剛度比為3.42∶1。

圖1 軸箱拉桿橡膠關節示意圖

按其接口尺寸要求，采用傳統的平軸和凸軸結構橡膠關節，如圖2、圖3所示，其徑/軸剛度比都在15∶1以上（見表1），不能滿足技術輸入要求。

圖2 平軸結構橡膠關節

圖3 凸軸結構橡膠關節

表1 傳統橡膠關節徑/軸剛度比

2 鋸齒嚙合橡膠關節結構的提出

因為橡膠材料具有壓縮模量遠大于剪切模量的特性［2］，傳統結構的橡膠關節在承受軸向載荷時，橡膠主要承受剪切力，尤其是平軸結構幾乎是純剪切力；在受到徑向載荷時，橡膠材料主要受壓縮力，因而傳統結構橡膠關節具有較大的徑/軸剛度比。如果我們改變產品的結構，使其在承受徑向載荷時橡膠承受一定的剪切力，在承受軸向載荷時橡膠承受一定的壓縮力，就可以降低徑/軸剛度比。

根據以上原理，我們設計了一種軸向組合式橡膠關節，產品結構見圖4。它由左右2個球鉸和芯軸組成。左右球鉸由外鋼套、內鋼套和橡膠彈性體粘合在一起。這種結構的橡膠關節徑/軸剛度比可以達到小于2∶1，但它要求有較大的幾何空間，直徑需達到φ130以上，而現有產品外徑尺寸為φ80，沒有足夠的幾何空間。因此按其接口尺寸要求，需設計一種新的結構來實現3.42∶1的徑/軸剛度比。

鋸齒嚙合橡膠關節由外套、兩瓣隔套、橡膠和芯軸組成（圖5），其中芯軸、兩瓣隔套和橡膠彈性體硫化粘合在一起，再通過過盈配合壓入外套得到成品，其特點在于金屬隔套和芯軸呈鋸齒狀，兩者的鋸齒是相互鑲嵌、嚙合在一起的。

圖4 軸向組合式橡膠關節結構示意圖

圖5 鋸齒嚙合橡膠關節結構簡圖

3 鋸齒嚙合橡膠關節結構特性

3.1 鋸齒嚙合橡膠關節可靠性高

（1）粘合面積增加提高可靠性

因為芯軸與兩瓣隔套呈鋸齒狀，該關節橡膠與金屬的粘結面積比平軸結構、凸軸結構大30%～50%，提高了產品的可靠性。

（2）具有軸向自鎖功能提高可靠性

從圖5可以看出，芯軸鋸齒外徑要比隔套鋸齒內徑大，是一種軸向過盈的裝配方式，具有軸向自鎖功能，可以確保在橡膠出現裂紋甚至破壞的情況下芯軸也不會從隔套中脫離而造成事故，提高了產品的可靠性。

3.2 鋸齒嚙合橡膠關節徑/軸剛度比小

鋸齒嚙合橡膠關節通過鋸齒相互鑲嵌、嚙合在一起，因此在其承受軸向載荷時，橡膠也受到一定的壓縮力，具有較大的軸向剛度；在承受徑向載荷時，橡膠也承受一定的剪切力，具有相對較小的徑向剛度及較小的徑/軸剛度比。

3.3 鋸齒嚙合結構徑/軸剛度比調節范圍廣

通過調節鋸齒齒數、鋸齒嚙合長度L（圖6）可以有效的調節橡膠關節的徑/軸剛度比。為研究鋸齒嚙合結構的剛度特性，本文以有限元技術為手段，以鋸齒齒數、鋸齒嚙合長度L為優化對象，探討鋸齒嚙合橡膠關節的剛度特性。

由于受到安裝尺寸的限制，鋸齒嚙合橡膠關節外徑一般為φ80～φ100，外套長度一般為100～140，因此可以布置的齒數2～6個不等，嚙合長度2～8 mm不等。

根據計算結果，一般隨著鋸齒齒數的增加，徑/軸剛度比大幅下降；隨著鋸齒嚙合長度的增加，徑/軸剛度比適當下降。從圖7、圖8可以看出鋸齒嚙合橡膠關節徑/軸剛度比可以達到3∶1～2.5∶1，調節范圍廣。

圖6 嚙合長度L示意圖

圖7 鋸齒齒數對橡膠關節徑/軸剛度比的影響

圖8 嚙合長度對橡膠關節徑/軸剛度比的影響

4 鋸齒嚙合橡膠關節試驗驗證

用于重載貨運機車的軸箱拉桿關節，受力工況較為復雜，需為機車運行提供合適的縱向剛度和橫向剛度，還需確保在重載牽引下產品的可靠性［3］，因此產品的試驗內容包括靜態剛度試驗及疲勞試驗。

表2為鋸齒嚙合橡膠關節靜態剛度試驗驗證結果，可以滿足靜態剛度的要求，徑/軸剛度比可以達到3.57∶1，同時產品還能滿足高偏轉剛度的設計要求。

表2 鋸齒型橡膠關節各向剛度試驗驗證

為了更有效的驗證產品的可靠性，疲勞試驗模擬軸箱拉桿系統進行（圖9），在橫向、垂向施加疲勞載荷，疲勞加載方式見圖10，疲勞試驗條件見表3。產品通過高達100萬次的強化疲勞試驗，外觀良好，無橡膠與金屬剝離及橡膠本體開裂現象，各向剛度變化率都小于15%，驗證了鋸齒嚙合橡膠關節的可靠性及優良的承載能力。

圖9 疲勞試驗安裝示意圖

圖10 軸箱拉桿橡膠關節疲勞加載方式

表3 軸箱拉桿橡膠關節疲勞試驗條件

5 裝車使用情況

鋸齒嚙合橡膠關節用于該型重載貨運機車，累計裝車超過170臺份，產品數量超過10 000件，在線運行時間超過5年，情況良好，可靠性高，能出色的承擔重載貨運牽引的任務。

6 鋸齒嚙合結構產品的應用推廣

鑒于該型產品結構精巧，能在較小的幾何空間內實現小的徑/軸剛度比，可靠性高，值得推廣。株洲時代新材料科技股份有限公司在此產品成功應用的基礎上，開發出多種新型號，使其得到推廣應用。

7 結束語

鋸齒嚙合結構能在較小的幾何空間內實現小的徑/軸剛度比，其徑/軸剛度比可以達到3∶1～2.5∶1，特別適合機車車輛轉向架軸箱拉桿等要求小的徑/軸剛度比的場合。

鋸齒嚙合橡膠關節具有較高的可靠性。與傳統橡膠關節相比，粘結面積大幅提高，且具有軸向自鎖功能，能避免產品因橡膠破壞問題而發生芯軸竄出的安全事故。

通過疲勞試驗和運用經驗證明鋸齒嚙合橡膠關節具有良好的承載能力及較好的疲勞特性；鋸齒嚙合結構是一種值得推廣的橡膠球鉸結構。

［1］ 唐先賀，張春良，郭紅鋒，楊 軍.大功率交流傳動機車橡膠彈性元件［J］.機車電傳動，2008，（3）：27-30.

［2］ 龔積球，龔震震，趙熙雍.橡膠件的工程設計及應用［M］.上海：上海交通大學出版社，2003.

［3］ 張春良，許呈祥，唐先賀.SS7E機車新軸箱拉桿設計［J］.機車電傳動，2012，（2）：18-21.

Introduction of Serration Meshed Rubber Bushing

PAN Wenbin，LI Yongtao，ZHANG Chunliang，CHENG Haitao

（Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.，CSR，Zhuzhou 412007 Hunan，China）

Taking a locomotive Rod Rubber Bushing for instance，a serration meshed Rubber Bushing was introduced.Structure of serration meshed with self-locking function was proved to have low radial/axial stiffness matching，which has better load carrying capacity and fatigue performance.

serration meshed；Rubber Bushing；fatigue performance

U260.6＋7

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.08

1008－7842（2014）03－0032－03

1—）男，工程師（

2013－11－29）