CN111791513B - 轻量化球铰用复合芯轴的制作方法、轻量化球铰 - Google Patents
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Abstract
轻量化球铰用复合芯轴的制作方法，轻量化球铰用复合芯轴包括金属芯轴和固化在金属芯轴中间段上的缠绕段，缠绕段的外壁为从两端到中间直径逐渐增大的外凸球面，制造步骤为：根据轻量化球铰的轻量化需求，设计金属芯轴和缠绕段的重量比例，并根据轻量化球铰的重量及尺寸需求设计出金属芯轴和缠绕段的尺寸；制造金属芯轴，并在金属芯轴的中间段中加工出用于对缠绕段轴向定位的定位结构；采用缠绕工艺将浸润树胶的玻璃纤维缠绕至金属芯轴中间段，缠绕后进行树脂凝胶及固化成型，然后通过机加工形成符合尺寸设计需求的缠绕段。本发明减轻芯轴的质量，保证缠绕段与金属芯轴轴向定位，在轻量化的同时不影响球铰的使用性能，本发明还提供一种轻量化球铰。
Description
技术领域
本发明涉及轻量化球铰用复合芯轴的制作方法、轻量化球铰，属于球铰制作技术领域。
背景技术
TB/T2843-2015《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》附录A给出了常见的橡胶弹性元件的示例和示意图，其中弹性节点是由橡胶与金属件硫化复合而成的弹性连接体，起柔性连接和缓存振动冲击的作用。为了提高弹性节点的径向刚度和轴向刚度，降低偏转刚度，与橡胶粘接的金属芯轴形状一般设计为球形或近似球形，这类弹性节点也叫做“球铰”。 这类球型芯轴的弹性节点，金属芯轴重量相对较重。对于小批量生产的弹性节点，金属芯轴一般用圆钢为原材料，通过切削加工方法得到芯轴的外形尺寸，在加工过程中切削量较大，材料利用率不高。现有技术中的球铰金属芯轴，材料为45钢，外径尺寸A为86mm，长度尺寸L为180mm，净重3.65kg；而加工该芯轴的圆钢直径90mm，下料重量约9.4kg，芯轴净重与毛坯重量比率为39%。
由于橡胶体的弹性受力，中间段芯轴与橡胶粘接区域承受相对均匀的载荷，中间段芯轴的应力水平较低，安全系数较高。金属芯轴基本结构是绕中心轴回转体，质量与直径的平方成正比，中间段芯轴所占质量比例较高。如何满足球铰的轻量化需求，同时又不影响球铰的使用性能，是这本明研究的方向。
检测到的相关现有技术：
1. CN201811318915.1-一种可转动复合芯轴的弹性球铰；
2. CN201811318923.6-一种具有复合突块芯轴的弹性球铰；
3. CN201821827719.2-一种用于弹性球铰的突块型复合芯轴。
发明内容
本发明提供的轻量化球铰用复合芯轴的制作方法、轻量化球铰，减轻芯轴的质量，保证缠绕段与金属芯轴轴向定位，在轻量化的同时不影响球铰的使用性能，即保证了缠绕段的强度，也便于在机加工时精准加工出缠绕段的所需尺寸。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
轻量化球铰用复合芯轴的制作方法，轻量化球铰用复合芯轴包括金属芯轴和固化在金属芯轴中间段上的缠绕段，缠绕段的外壁为从两端到中间直径逐渐增大的外凸球面，其特征在于制造步骤如下：
S1:根据轻量化球铰的轻量化需求，设计金属芯轴和缠绕段的重量比例，并根据轻量化球铰的重量及尺寸需求设计出金属芯轴和缠绕段的尺寸；
S2:制造金属芯轴，并在金属芯轴的中间段中加工出用于对缠绕段轴向定位的定位结构；
S3:采用缠绕工艺将浸润树脂胶液的玻璃纤维缠绕至金属芯轴中间段，缠绕后进行树脂凝胶及固化成型，然后通过机加工形成符合尺寸设计需求的缠绕段。
优选的，步骤S2中的“在金属芯轴的中间段中加工出用于对缠绕段轴向定位的定位结构”是指将金属芯轴中间段加工成从端部至中间直径逐渐减小且表面平滑的内凹形，通过内凹形的金属芯轴中间段对缠绕段进行轴向定位，金属轴芯中间段的最小直径小于最大直径2~4mm。
优选的，其特征在于步骤S3具体是指：
S31.准备玻璃纤维布，玻璃纤维布的宽度尺寸与缠绕段的轴向宽度相同，并将树脂和固化剂混合后注入浸胶槽混合，开启恒温设备控制树脂温度；
S32.将金属芯轴装入缠绕机，再将玻璃纤维布一端穿过缠绕机的张力控制器、浸胶槽和挤胶辊，之后贴在金属芯轴中间段；
S33.绕中轴线转动金属芯轴，玻璃纤维布缠绕至金属芯轴中间段，当缠绕后的尺寸大于缠绕段最大直径1mm~2mm，剪断玻璃纤维布停止缠绕，在金属芯轴中间段形成内凹形的缠绕段毛坯；
S34.缠绕完成后取下芯轴，依次进行室温凝胶、加热保温固化和固化后的冷却，得到缠绕段半成品；
S35.根据设计的缠绕段尺寸，机械加工缠绕段半成品得到缠绕段。
优选的，步骤S2中的“在金属芯轴的中间段中加工出用于对缠绕段轴向定位的定位结构”是指将金属芯轴中间段分为位于端部的直筒段、位于两个直筒段之间的凸起段和位于直筒段与凸起段之间的定位段，直筒段为直筒形状，凸起段为从两端到中间直径逐渐增大且表面平滑的外凸形状，定位段为直径均小于直筒段和凸起段的内凹环槽，通过定位段对缠绕段轴向定位。
优选的，定位段直径比直筒段直径小3mm~5mm，凸起段直径比直筒段直径大2mm~4mm。
优选的，步骤S3具体是指：
a.准备玻璃纤维纱，并将树脂和固化剂混合后注入浸胶槽混合，开启恒温设备控制树脂温度，再将金属芯轴装入缠绕机；
b.以金属芯轴上的一个定位段作为起始端进行缠绕，将两个定位段缠绕至与直筒段齐平，完成初始绑定；
c.初始绑定后将玻璃纤维纤所在的定位段的外边缘设为缠绕起始位置，以另一个定位段的外边缘设为缠绕终止位置进行缠绕，并通过依次向内调整缠绕起始位置和缠绕终止位置，将缠绕起始位置和缠绕终止位置逐步向凸起段中心靠拢，形成从两端到中间直径逐渐增大的缠绕段毛坯，缠绕段毛坏的尺寸大于缠绕段的尺寸1mm~2mm；
d.缠绕完成后取下芯轴，依次进行室温凝胶、加热保温固化和固化后的冷却，得到缠绕段半成品；
e.根据缠绕的设计尺寸，机械加工缠绕段半成品得到缠绕段。
优选的，步骤b的具体过程是：将多股玻璃纤维纱穿过缠绕机的张力控制器、浸胶槽、挤胶辊后捆绑在在金属芯轴的一个定位段上作为起始端，绕中轴线转动金属芯轴，以90度缠绕角围绕定位段缠绕若干圈直至与直筒段平齐，再以小于90度缠绕角将维纤纱线绕至金属芯轴的另一定位段，然后以90度缠绕角围绕定位段缠绕若干圈直至与直筒段平齐，完成初始绑定。
优选的，步骤c中的缠绕角度在60度至90度之间。
优选的，所述的金属芯轴由圆钢加工而成，金属芯轴与下料圆钢的重量比率为0.5-0.6。
轻量化球铰，包括内由至外硫化成一体的芯轴、橡胶层和外套，其特征在于所述的芯轴采用以上所述的轻量化球铰用复合芯轴制作方法制作而成。
发明的有益效果是：
1.本发明的轻量化球铰用复合芯轴的制作方法，在金属芯轴上固化缠绕段，用缠绕段代替部分金属芯轴，减轻芯轴的质量，使球铰可满足轻量化需求，同时通过在金属芯轴上加上出用于对缠绕段轴向定位的定位结构，保证缠绕段与金属芯轴轴向定位，在轻量化的同时不影响球铰的使用性能。
2.金属芯轴中间段加工成从端部至中间直径逐渐减小且表面平滑的内凹形，通过内凹形的金属芯轴中间段对缠绕段进行轴向定位，并用浸润树脂的玻璃纤维布缠绕至金属芯轴中间段上，通过玻璃纤布的整体缠绕避免出现缠绕过程中的滑纱现象，缠绕效率高且效果佳，缠绕后形成的缠绕段毛坯为与金属芯轴中间段表面形状相同的内凹形状，在固化形成缠绕段半成品后，通过机加工将缠绕段半成品的外壁加工成从两端到中间直径逐渐增大的外凸球面形成缠绕段，即保证了缠绕段的强度，也便于在机加工时精准加工出缠绕段的所需尺寸。
3.在金属芯轴中间段中加工出内凹环槽状的定位段，通过定位段对缠绕段轴向定位，并用浸润树脂的玻璃纤维纱缠绕至金属芯轴中间段上，缠绕时先在定位段上缠绕直至定位段与直筒段齐平，然后以定位段的外边缘作为缠绕起始位置和缠绕终止位置进行缠绕，并通过依次向内调整缠绕起始位置和缠绕终止位置，将缠绕起始位置和缠绕终止位置逐步向凸起段中心靠拢，形成从两端到中间直径逐渐增大的缠绕段毛坯，缠绕起始位置和缠绕终止位置逐步向内靠拢，从端部至中心直径逐步增大的缠绕段毛坯，固化形成缠绕半成品后，通过机加工将缠绕段半成品的外壁加工成从两端到中间直径逐渐增大的外凸球面形成缠绕段，即保证了缠绕段的强度，也便于在机加工时精准加工出缠绕段的所需尺寸。
附图说明
图1为实施例一中轻量化球铰用复合芯轴的结构示意图。
图2为实施例一中金属芯轴的结构示意图。
图3为实施例一中缠绕段毛坯的结构示意图。
图4为实施例二中轻量化球铰用复合芯轴的结构示意图。
图5为实施例二中金属芯轴结构示意图。
图6为本发明的轻量化球铰的结构示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图6对本发明的实施例做详细说明。
实施例一：
轻量化球铰用复合芯轴的制作方法，轻量化球铰用复合芯轴包括金属芯轴1和固化在金属芯轴1中间段上的缠绕段2，缠绕段2的外壁为从两端到中间直径逐渐增大的外凸球面，其特征在于制造步骤如下：
S1:根据轻量化球铰的轻量化需求，设计金属芯轴1和缠绕段2的重量比例，并根据轻量化球铰的重量及尺寸需求设计出金属芯轴1和缠绕段2的尺寸；
S2:制造金属芯轴1，并在金属芯轴1的中间段中加工出用于对缠绕段2轴向定位的定位结构；
S3:采用缠绕工艺将浸润树脂胶液的玻璃纤维缠绕至金属芯轴1中间段，缠绕后进行树脂凝胶及固化成型，然后通过机加工形成符合尺寸设计需求的缠绕段2。
以上所述的轻量化球铰用复合芯轴的制作方法，在金属芯轴1上固化缠绕段2，用缠绕段2代替部分金属芯轴2，减轻芯轴的质量，使球铰可满足轻量化需求，同时通过在金属芯轴上加上出用于对缠绕段轴向定位的定位结构，保证缠绕段与金属芯轴轴向定位，在轻量化的同时不影响球铰的使用性能。
其中，步骤S2中的“在金属芯轴1的中间段中加工出用于对缠绕段2轴向定位的定位结构”是指将金属芯轴1中间段加工成从端部至中间直径逐渐减小且表面平滑的内凹形，通过内凹形的金属芯轴1中间段对缠绕段2进行轴向定位，金属轴芯1中间段的最小直径小于最大直径2~4mm。金属芯轴1中间段加工成从端部至中间直径逐渐减小且表面平滑的内凹形，通过内凹形的金属芯轴中间段对缠绕段进行轴向定位，形成缠绕段2后，缠绕段2被金属芯轴1中间段的内凹形状轴向定位，在外套与芯轴发生球面滑动时，保证缠绕段2不会在金属芯轴1上发生轴向相对运动，从而保证球铰的使用性能。
其中，步骤S3具体是指：
S31.准备玻璃纤维布，玻璃纤维布的宽度尺寸与缠绕段2的轴向宽度相同，并将树脂和固化剂混合后注入浸胶槽混合，开启恒温设备控制树脂温度；
S32:将金属芯轴装入缠绕机，再将玻璃纤维布一端穿过缠绕机的张力控制器、浸胶槽和挤胶辊，之后贴在金属芯轴1中间段；
S33.绕中轴线转动金属芯轴，玻璃纤维布缠绕至金属芯轴1中间段，当缠绕后的尺寸大于缠绕段2最大直径1mm~2mm，剪断玻璃纤维布停止缠绕，在金属芯轴1中间段形成内凹形的缠绕段毛坯；
S34.缠绕完成后取下芯轴，依次进行室温凝胶、加热保温固化和固化后的冷却，得到缠绕段半成品；
S35.根据设计的缠绕段2尺寸，机械加工缠绕段半成品得到缠绕段2。
用浸润树脂的玻璃纤维布缠绕至金属芯轴1中间段上，通过玻璃纤布的整体缠绕避免出现缠绕过程中的滑纱现象，缠绕效率高且效果佳，如图3所示，缠绕后形成的缠绕段毛坯为与金属芯轴中间段表面形状相同的内凹形状，在固化形成缠绕段半成品后，通过机加工将缠绕段半成品的外壁加工成从两端到中间直径逐渐增大的外凸球面形成缠绕段，即保证了缠绕段的强度，也便于在机加工时精准加工出缠绕段的所需尺寸。
实施例二：
与实施例一的不同之处在于：步骤S2中的“在金属芯轴1的中间段中加工出用于对缠绕段2轴向定位的定位结构”是指将金属芯轴1中间段分为位于端部的直筒段11、位于两个直筒段11之间的凸起段12和位于直筒段11与凸起段12之间的定位段13，直筒段11为直筒形状，凸起段12为从两端到中间直径逐渐增大且表面平滑的外凸形状，定位段13为直径均小于直筒段11和凸起段12的内凹环槽，通过定位段12对缠绕段2轴向定位。在金属芯轴中间段中加工出内凹环槽状的定位段13，通过定位段13对缠绕段2轴向定位，缠绕段2被金属芯轴1中间段的定位段13限制，在外套与芯轴发生球面滑动时，保证缠绕段2不会在金属芯轴1上发生轴向相对运动，从而保证球铰的使用性能。
其中，定位段13直径比直筒段11直径小3mm~5mm，凸起段12直径比直筒段11直径大2mm~4mm。直筒段11的直径可作为定位段13被缠绕填平的直径标准，当玻璃纤维纱线在定位段13中缠绕，直至将定位段13填平至与直筒段11齐平，形成从直筒段11到定位段13均为直筒形状，将凸起段12设计为外凸形状且外径大于直筒段11，便于在缠绕时形成从两端至中间直径逐渐增大的缠绕段毛坯，凸起段12直径比直筒段11直径大2mm~4mm，使凸起段12的凸起弧度较小，可有效防止缠绕过程中的滑纱现象。
其中，步骤S3具体是指：
a.准备玻璃纤维纱，并将树脂和固化剂混合后注入浸胶槽混合，开启恒温设备控制树脂温度，再将金属芯轴装入缠绕机；
b.以金属芯轴1上的一个定位段13作为起始端进行缠绕，将两个定位段13缠绕至与直筒段12齐平，完成初始绑定；
c.初始绑定后将玻璃纤维纤所在的定位段13的外边缘设为缠绕起始位置，以另一个定位段13的外边缘设为缠绕终止位置进行缠绕，并通过依次向内调整缠绕起始位置和缠绕终止位置，将缠绕起始位置和缠绕终止位置逐步向凸起段12中心靠拢，形成从两端到中间直径逐渐增大的缠绕段毛坯，缠绕段毛坏的尺寸大于缠绕段2的尺寸1mm~2mm；
d.缠绕完成后取下芯轴，依次进行室温凝胶、加热保温固化和固化后的冷却，得到缠绕段半成品；
e.根据缠绕2的设计尺寸，机械加工缠绕段半成品得到缠绕段2。
缠绕时先在定位段13上缠绕直至定位段13与直筒段11齐平，然后以定位段13的外边缘作为缠绕起始位置和缠绕终止位置进行缠绕，并通过依次向内调整缠绕起始位置和缠绕终止位置，将缠绕起始位置和缠绕终止位置逐步向凸起段12中心靠拢，形成从两端到中间直径逐渐增大的缠绕段毛坯，缠绕起始位置和缠绕终止位置逐步向内靠拢，从端部至中心直径逐步增大的缠绕段毛坯，固化形成缠绕半成品后，通过机加工将缠绕段半成品的外壁加工成从两端到中间直径逐渐增大的外凸球面形成缠绕段，即保证了缠绕段的强度，也便于在机加工时精准加工出缠绕段的所需尺寸。
其中，步骤b的具体过程是：将多股玻璃纤维纱穿过缠绕机的张力控制器、浸胶槽、挤胶辊后捆绑在在金属芯轴1的一个定位段13上作为起始端，绕中轴线转动金属芯轴，以90度缠绕角围绕定位段13缠绕若干圈直至与直筒段11平齐，再以小于90度缠绕角将维纤纱线绕至金属芯轴1的另一定位段13上，然后以90度缠绕角围绕定位段13缠绕若干圈直至与直筒段11平齐，完成初始绑定。90度缠绕角即缠绕方向与金属芯轴1轴向成90度，沿金属芯轴1径向缠绕，先将一个定位段13填平至与直筒段11齐平，再绕至另一个定位段13中将其填平至与直筒段11齐平，之后在两个定位段13之间缠绕形成缠绕段毛坯，使形成的缠绕段2在两端与金属芯轴1均轴向定位，定位可靠性高，保证轻量化球铰使用过程中缠绕段2不会相对于金属芯轴1发生轴向相对运动。
其中，步骤c中的缠绕角度λ在60度至90度之间，提高缠绕张力，可有效避免缠绕过程中的纱线滑脱。
其中，所述的金属芯轴1由圆钢加工而成，金属芯轴1与下料圆钢的重量比率为0.5-0.6。相于对现有技术中金属材质的芯轴，其金属芯轴1与下料圆钢的重量比率更高，可有效减小金属芯轴1形成过程中原料钢材的浪费，且金属芯轴1的加工难度更小，更易被加工成型。
本发明还保护一种轻量化球铰，包括内由至外硫化成一体的芯轴、橡胶层和外套，其特征在于所述的芯轴采用以上所述的轻量化球铰用复合芯轴制作方法制作而成。球铰可满足轻量化需求，同时通过在金属芯轴上加上出用于对缠绕段轴向定位的定位结构，保证缠绕段与金属芯轴轴向定位，在轻量化的同时不影响球铰的使用性能。
以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.轻量化球铰用复合芯轴的制作方法，轻量化球铰用复合芯轴包括金属芯轴（1）和固化在金属芯轴（1）中间段上的缠绕段（2），缠绕段（2）的外壁为从两端到中间直径逐渐增大的外凸球面，其特征在于制造步骤如下：
S1:根据轻量化球铰的轻量化需求，设计金属芯轴（1）和缠绕段（2）的重量比例，并根据轻量化球铰的重量及尺寸需求设计出金属芯轴（1）和缠绕段（2）的尺寸；
S2:制造金属芯轴（1），并在金属芯轴（1）的中间段中加工出用于对缠绕段（2）轴向定位的定位结构；
S3:采用缠绕工艺将浸润树脂胶液的玻璃纤维缠绕至金属芯轴（1）中间段，缠绕后进行树脂凝胶及固化成型，然后通过机加工形成符合尺寸设计需求的缠绕段（2）；
步骤S3具体是指：
S31.准备玻璃纤维布，玻璃纤维布的宽度尺寸与缠绕段（2）的轴向宽度相同，并将树脂和固化剂混合后注入浸胶槽混合，开启恒温设备控制树脂温度；
S32:将金属芯轴装入缠绕机，再将玻璃纤维布一端穿过缠绕机的张力控制器、浸胶槽和挤胶辊，之后贴在金属芯轴（1）中间段；
S33.绕中轴线转动金属芯轴，玻璃纤维布缠绕至金属芯轴（1）中间段，当缠绕后的尺寸大于缠绕段（2）最大直径1mm~2mm，剪断玻璃纤维布停止缠绕，在金属芯轴（1）中间段形成内凹形的缠绕段毛坯；
S34.缠绕完成后取下芯轴，依次进行室温凝胶、加热保温固化和固化后的冷却，得到缠绕段半成品；
S35.根据设计的缠绕段（2）尺寸，机械加工缠绕段半成品得到缠绕段（2）；
步骤S2中将金属芯轴（1）中间段加工成从端部至中间直径逐渐减小且表面平滑的内凹形，通过内凹形的金属芯轴（1）中间段对缠绕段（2）进行轴向定位，金属芯轴（1）中间段的最小直径小于最大直径2~4mm。
2.根据权利要求1所述的轻量化球铰用复合芯轴制作方法，其特征在于步骤S2中将金属芯轴（1）中间段分为位于端部的直筒段（11）、位于两个直筒段（11）之间的凸起段（12）和位于直筒段（11）与凸起段（12）之间的定位段（13），直筒段（11）为直筒形状，凸起段（12）为从两端到中间直径逐渐增大且表面平滑的外凸形状，定位段（13）为直径均小于直筒段（11）和凸起段（12）的内凹环槽，通过定位段（12）对缠绕段（2）轴向定位；
步骤S3具体是指：
a.准备玻璃纤维纱，并将树脂和固化剂混合后注入浸胶槽混合，开启恒温设备控制树脂温度，再将金属芯轴装入缠绕机；
b.以金属芯轴（1）上的一个定位段（13）作为起始端进行缠绕，将两个定位段（13）缠绕至与直筒段（12）齐平，完成初始绑定；
c.初始绑定后将玻璃纤维所在的定位段（13）的外边缘设为缠绕起始位置，以另一个定位段（13）的外边缘设为缠绕终止位置进行缠绕，并通过依次向内调整缠绕起始位置和缠绕终止位置，将缠绕起始位置和缠绕终止位置逐步向凸起段（12）中心靠拢，形成从两端到中间直径逐渐增大的缠绕段毛坯，缠绕段毛坏的尺寸大于缠绕段（2）的尺寸1mm~2mm；
d.缠绕完成后取下芯轴，依次进行室温凝胶、加热保温固化和固化后的冷却，得到缠绕段半成品；
e.根据缠绕段（2）的设计尺寸，机械加工缠绕段半成品得到缠绕段（2）。
3.根据权利要求2所述的轻量化球铰用复合芯轴制作方法，其特征在于定位段（13）直径比直筒段（11）直径小3mm~5mm，凸起段（12）直径比直筒段（11）直径大2mm~4mm。
4.根据权利要求2所述的轻量化球铰用复合芯轴制作方法，其特征在于步骤b的具体过程是：将多股玻璃纤维纱穿过缠绕机的张力控制器、浸胶槽、挤胶辊后捆绑在金属芯轴（1）的一个定位段（13）上作为起始端，绕中轴线转动金属芯轴，以90度缠绕角围绕定位段（13）缠绕若干圈直至与直筒段（11）平齐，再以小于90度缠绕角将维纤纱线绕至金属芯轴（1）的另一定位段（13）上，然后以90度缠绕角围绕定位段（13）缠绕若干圈直至与直筒段（11）平齐，完成初始绑定。
5.根据权利要求2所述的轻量化球铰用复合芯轴制作方法，其特征在于步骤c中的缠绕角度在60度至90度之间。
6.根据权利要求1所述的轻量化球铰用复合芯轴制作方法，其特征在于所述的金属芯轴（1）由圆钢加工而成，金属芯轴（1）与下料圆钢的重量比率为0.5-0.6。
7.轻量化球铰，包括内由至外硫化成一体的芯轴、橡胶层和外套，其特征在于所述的芯轴采用权利要求1至6任一项所述的轻量化球铰用复合芯轴制作方法制作而成。
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