空气弹簧

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株 洲 工 学 院 2006届毕业设计说明书

船舶用水润滑橡胶轴承模具及工装设计

院(系)、部： 机械工程学院 学生姓名： 熊四美 指导教师： 唐川林 职称 教授 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： 机材02-2班 完成时间： 2006年5月29日

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目 录

摘 要 ...................................................................................................................................................... 2 1 绪论 ...................................................................................................................................................... 4

1.1空气弹簧的发展现状 ................................................................................................................. 5 1.2空气弹簧橡胶囊的结构 ............................................................................................................. 5 1.4空气弹簧的控制系统 ................................................................................................................. 7 1.5空气弹簧的破坏形式 ................................................................................................................. 7 1.6空气弹簧承受垂直载荷时的弹性特性 ..................................................................................... 9 1.6空气弹簧承的选配 ................................................................................................................... 10 1.6空气弹簧承模具的设计与装配 ............................................................................................... 12 1.3空气弹簧 ................................................................................................................................... 18

1.3.1特点 ............................................................................................................................... 18 1.3.2空气弹簧的刚度特性 ................................................................................................... 19 1.3.3空气弹簧的有效面积特性 ........................................................................................... 20 1.3.4空气弹簧的空气悬架频率特性 ................................................................................... 20 1.3.5空气弹簧的空气悬架频率特性 ................................................................................... 21 1.3.5空气弹簧的设计制造技术要求及发展方向 ............................................................... 22 1.4模具的设计 ............................................................................................................................... 23

1.4.1模具结构 ........................................................................................................................ 23 1.4.2模具结构基本要求 ........................................................................................................ 25

2 橡胶模具和工装设计 ......................................................................................................................... 26

2.2橡胶模具设计 ........................................................................................................................... 26

2.2.1水润滑橡胶轴承模具设计原则 ................................................................................... 26 2.2.3模具结构的确定 ........................................................................................................... 26 2.2.4收缩率的确定 ............................................................................................................... 29 2.2.5型腔尺寸的计算 ........................................................................................................... 30 2.2.6模具外形尺寸的确定 ................................................................................................... 31 2.2.7压铸料腔的设计 ........................................................................................................... 31 2.2.9中模的设计 ................................................................................................................... 33 2.2.10上模的设计 ................................................................................................................. 34 2.2.11下模的设计 ................................................................................................................. 34 2.2.12模芯的设计 ................................................................................................................. 34 2.2.13模具材料的选用 ......................................................................................................... 34 2.2.14模具精度 ..................................................................................................................... 35 2.2.15脱模设计 ..................................................................................................................... 36 2.3.2工作原理 ....................................................................................................................... 36 2.3.3夹具心轴的设计 ........................................................................................................... 37 2.3.4球面垫圈，锥面垫圈及螺母的设计 ........................................................................... 45 2.3.5胀套的设计 ................................................................................................................... 45 2.3.6弹簧的设计 ................................................................................................................... 46

参考文献................................................................................................................................................. 49 致谢 ........................................................................................................................................................ 50

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附录 ........................................................................................................................................................ 51

摘 要

列举了水润滑轴承用的金属、塑料、陶瓷、橡胶材料的特点, 随着水润滑轴承的发展，在很多情况下，塑料、陶瓷、橡胶材料可用来替代金属轴承。轴承的高速化，重载化和低成本化对轴承的材料和润滑提出了更高的要求。对当前水润滑橡胶轴承的发展现状及存在的问题进行了深入剖析,并针对存在的问题进行了一些理论分析。对水润滑橡胶轴承及其润滑机理和工作特点进行了简单介绍,提出了水润滑橡胶轴承的设计原则及在设计中需注意的重要技术问题。提供了水润滑橡胶轴承的一些设计理论和设计公式。对水润滑橡胶轴承的工作特性和成型工艺进行分析，并进行了该产品的模具结构设计及精加工夹具设计。压铸模具采用轴分式模腔等结构，使模具结构简单合理；夹具采用心轴胀套式，使精加工方便，解决生产中的难题，取得良好的经济效益。

关键词 水润滑橡胶轴承；模具；心轴

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ABSTRACT

Some characters of the water lubricated bearings with different materials such as metal, plastics, pottery and rubber were introduced, with the development of the water lubricated bearings, they can be used instead of metal bearings in many situations. With the development of the bearings which is aiming at high speed, heavy load and low cost , strict requirement was presented for bearing materials and lubrication, the developing status and the existed problems of the present water lubricated rubber bearings was analyzed completely in the paper. Some numerical calculations and theoretical analysis were made for solving those problems. The lubricating mechanism and characteristics of the rubber bearings were introduced in the paper. On the basis of many native and foreign literatures in water lubricated rubber bearings, the designing standards and some key technical questions were discussed in the paper. Some theory analysis and formulae for design were presented. Analyzed the working behavior ,the structure characteristic , the moulding process of the water lubricated bearing, and the mould structure and the fixture of finishing cut have been also designed. This die-casting mould consists of the axis-separated cavity and the mosaic core and so on, which make the mould structure simple and reasonable. The fixture adopts the structure of arbor with swelling housing,

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which makes the cutting convenient. It solves the difficult problems in the production and receives good economic benefits.

Key words water-lubricated rubber bearings; mould; arbor

1 绪论

近年来,随着人们对车辆乘坐舒适性要求的提高和我国商用汽车特别是客车悬架技术的发展 ,空气弹簧悬架在商用汽车特别在客车上的应用日益广泛。目前,空气悬架的控制模式主要有机械控制和电子控制种。传统的空气悬架控制模式是采用机械高度控制阀,通过高度阀阀门的开启控制气囊的充放气,从而保持车辆恒定的行驶高度 但随着空气悬架应用的推广和车辆控制技术的发展 ,电子控制模式逐渐被应用 ,这种模式不仅提高了操作的舒适性和反应的灵敏度,而且能利用悬架侧倾实现单独升降 这在城市客车中有很重要 的作用 和自动调整空气弹簧的刚度及阻尼等功能 ,提高了行驶的平顺性和操纵稳定性,同时降低车辆转向时的侧倾和减少空气的消耗量 。

空气弹簧悬架系统是高档客车关键部件 ,是汽车钢板弹簧悬架系统的更新换代产品 ,现已成为提升客车性能的主要部件之一 ,其独特的变刚度、 低振动频率、 抗道路冲击的特性,更加有效地提高了汽车行驶平顺性以及操纵稳定性(通过试验证明同样一种车型的客车 ,用装有空气悬架和普通钢板弹簧做比较平顺性要小 426dB) ,同时还具有提高运行速度、 减少路面破坏等多项性能。在国外 , 空气悬架系统在大客车上得到广泛应用。如纽波兰BN316、INBUSL303、 奔驰 O371、 沃尔沃 R10R 等客车上都广泛应用空气悬架。在国内 ,近些年来, 国产的大型高档客车特别是引进国外先进技术制造的大型高档客车大都采用了空气弹簧悬架。如扬州亚星产客车选

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用 Neway 及 Reyco的空气悬架 ,东风杭汽产客车采用 Neway 和科曼的空气悬架 ,一汽客车主要选用 Neway或 Reyco 的空气悬架,厦门金龙、 苏州金龙一边选用 Neway 和其他国外空气悬架产品 ,一边在进行自主开发。

1.1空气弹簧的发展现状

空气弹簧诞生于 19世纪中叶 ,有专利记载在 1847年 John Lewis申请了空气弹簧的发明专利,同年在《美国科学》的创刊号上提出了“ride on air” 的概念。在空气弹簧诞生后 ,很多人在空气弹簧的密封性、结构的改进、 应用上进行了大量的研究。空气弹簧的最早应用专利出现在 1901年,被用作有轨电车悬架的减振元件; 1910年 George Bancroft获得了将空气弹簧应用在汽车悬架上的专利;而第一个装有空气弹簧的汽车产品出现在 1914年 ,是由发明家 GeorgeWestinghouse设计制造的,但是由于橡胶制品还有缺陷 ,导致当时的这些专利和产品没有得到商业应用。直到上个世纪中叶 ,随着合成人造橡胶的出现 ,才使空气弹簧得到了真正的应用。 1953年通用汽车公司生产的豪华大客车使用了 Firest one公司提供的以空气弹簧 为主要减振元件的悬架系统 ,使得空气弹簧得到了飞速发展;在空气弹簧得到商业上的推广以后 ,空气弹簧悬架系统的控制理论与方法成为研究重点 ,Stein利用前馈与反馈相结合的“ 天棚 ” 控制理论 ,研究了座椅上假人的垂直振动响应并用计算机进行模拟;1984年福特汽车公司在 ContinentalMark V IIi型上成功地应用了电子控制空气弹簧悬架系统,从此开始了空气弹簧的智能控制时代。

我国空气弹簧的研究始于 1957年 ,当时只是局限于车辆用的空气弹簧 ,当年在郭孔辉院士的领导下 ,对空气弹簧的理论进行了初步研究 ,发表了几篇关于空气弹簧理论的文章 ,并作了大量的试验 ,积累了一些经验。上世纪 80年代初长春汽车研究所再次进行了空气弹簧悬架的研究 ,并为国内几家车辆厂设计了空气弹簧悬架。进入 90年代 ,国内相关研究所、 各大汽车厂和一些大专院校陆续开始了空气弹簧产品的研究与开发 ,如同济大学与安徽江淮汽车底盘股份有限公司等合作将 5种客车底盘的钢板弹簧悬架改型为以空气弹簧悬架。

1.2空气弹簧橡胶囊的结构

现今国内、 外对空气弹簧的分类很不统一。我国将空气弹簧主要分为三种种类型,囊式、 膜式和其它型式。囊式空气弹簧按曲数可以分为单曲、 双曲和多曲,但是对于四曲以上的囊式空气弹簧稳定性很差,所以很少使用。膜式空气弹簧可以分为自由膜式和约束膜式。国外的分类各有不同,日本将空气弹簧分为轮胎型、 平板型、 耳垂型和特殊型,德国依据胶囊形状将可空气弹簧分为波纹形胶囊、 辊柱形胶囊、 半胶囊和束带式辊柱形胶囊空气弹簧。

囊式和膜式空气弹簧各有优缺点 ,囊式空气弹簧优点是寿命长 ,缺点是刚度大、 制造工艺比较复杂;式空气弹簧的优点是刚度小 ,对约束膜式来讲,优点空气弹

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簧的特性曲线容易用内外筒的形状来控制;点是由于橡胶膜在工作时与内外筒、 上盖或底座发生摩擦 ,因此使用寿命较低。

作为空气悬架系统的核心部件，空气弹簧由上盖、气囊和活塞组成，气囊是由纺织物作为骨架增强层的弹性支撑承载部件，结构如图 2 所示。气囊帘布层一般为偶数层，汽车空气弹簧一般由互成一定角度的 2 层帘线组成。由于活塞形状影响空气弹簧的有效面积，从而直接影响空气弹簧的刚度特性，空气弹簧的活塞形状一般需根据性能进行设计。

空气弹簧有囊式和膜式两种，如图 3 所示。囊式空气弹簧是由夹有帘线的橡胶气囊和密闭在其中的压缩空气所组成。囊式的内层用气密性的橡胶制成，而外层则用耐油橡胶制成。气囊的上下盖板将气囊密闭。空气弹簧的活塞形状一般根据性能进行设计，由于活塞形状影响空气弹簧的有效面积，从而直接影响空气弹簧的刚度特性。目前城市大客车空气悬架系统普遍采用膜片式

空气弹簧。膜式空气弹簧弹性曲线非线性程度大，刚度特性好。 囊式空气弹簧，寿命长，制造方便。目前为货车浮动桥空气悬挂系统广泛采用。

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1.4空气弹簧的控制系统

空气弹簧的控制系统随着其它相关科技的进步发生了两次变革 ,经历了三个发展阶段:机械控制 ,电子控制和智能控制。但无论何种控制系统都大致包含三个子模块:空气供给系统 (气源 ) ,控制元器件(包括软件 ) ,安全装置 (保证空气弹簧的正常运行 )。三种控制系统的气源和安全装置随着控制元器件的不同会有一定的差异 ,但是它们最根本的差异在于控制元器件 ,对于机械控制系统来讲 ,它的控制元器件主要是高度控制阀 ,利用其自动地对空气弹簧进行充气和排气 ,实现空气弹簧高度的控制;电子控制系统较机械控制系统前进了一大步 ,是一个质的飞跃 ,它是利用电子控制器 ( ECU)采集各类传感器传来的信号 ,对信号进行分析后将控制信号发送给执行器 (主要是各种电磁阀 ) ,从而实现对空气弹簧的控制;智能控制系统是在电子控制系统的基础之上借助当今自动控制理论发展起来的 ,它主要是对 ECU的软件部分进行了改进 ,不但可以控制空气弹簧的高度和刚度 ,而且可以利用模 糊神经网络等控制技术可以实现空气弹簧非线性特性的控制。

1.5空气弹簧的破坏形式

空气弹簧自诞生之日起就一直努力提高使用寿命 ,影响空气弹簧使用寿命的主要是气囊的寿命 ,虽然随着科技的进步、 气囊材料的改变 ,气囊的使用寿命得到了大幅提高 ,但是从空气弹簧破坏的统计数据来看 ,空气弹簧的破坏还是集中在气囊上 ,约占 90% ,其它零部件的损坏约占 10%。空气弹簧的破坏主要有以下几 种形式: (1)密封不牢导致气囊从上下盖板脱落 ,如图5所示; (2)气囊在与上下盖板的连接处疲劳断裂 ,如图 6所示; (3)受外界硬物冲击破坏 ,如图 6所示; (4) 局部磨损破坏 ,主要发生在约束膜式的空气弹簧上 ,如图 7所示; (5)上下盖板等受力产生裂纹 ,如图 8所示。(6)其它破坏形式 ,主要是指空气弹簧附件的破坏 ,如 电磁阀失灵、 控制系统失效、 连接管路漏气等。度 ,目前的资料显示 ,此方向的研究还不彻底 ,还有很多工作要做 ,特别是对附加气室体积可控的空气弹簧暂时还

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无人研究。

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1.6空气弹簧承受垂直载荷时的弹性特性

空气弹簧（简称气囊）是在一个密封的容器中充入压缩气体（气压为 0.5~1MPa），利用气体的可压缩性实现其弹簧作用的。这种弹簧的刚度是可变的，作用在弹簧上的载荷增加时，容器内的定量气体受压缩，气压升高，则弹簧的刚度增大。反之，当载荷减少时，弹簧内的气压下降，刚度减小。这样气囊就具有理想的弹性特性。空气弹簧上的载荷、内压（绝对气压），有效面积之间的关系为 (1)

式中：P为空气弹簧上的载荷，N；p为弹簧内压的绝对气压，N/mm2

；A为有效面积，mm2； 当载荷引起空气弹簧高度变化时，气囊的容积和内压也发生

变化，其变化规律满足气体状态方程

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式中：p 为任一位置时气囊内气体的绝对气压，/mm2；V 为任一位置时气囊内的容积，mm3；P0为静平衡位置时气囊内气体的绝对气压，N/mm2；0 为静平衡位置时气囊内的容积，mm3；m 为多变指数。

当汽车缓慢行驶或在实验室作静态实验时，气体状态的变化接近于等温过程，可取 m=1；当汽车在环路上振动激烈时，气体状态的变化接近于绝热过程，此时可取m=1.4；在一般情况下，取m=1.33。 空气弹簧的垂直刚度k为

由于静平衡位置时，V=V0、p=p0，即可得到静平衡位置时的弹簧刚度为

由此可求出静平衡位置时的振动频率为

式中：g为重力加速度，mm/s2；n0为振动频率，Hz。

1.6空气弹簧承的选配

为适应现代城市客车需要，充分考虑乘坐舒适性和操纵稳定性而开发全空气悬架系统大客车，该空气悬架所有垂直载荷由空气弹簧承受。 1.设计参数的确定

大客车的设计载客人数为72人，按照GB 12428—90《客车装载质量计算方法》，每人按平均60 kg计算质量，考虑到城市公交运输时乘客携带少量行李和客车超载，载客总质量为6 t，整车准备质量为10.5 t，大客车最大质量为16.5 t，前后桥簧下质量为1.5 t，考虑到前后桥载荷分配的比例关系，前悬簧上载荷为5 t，后悬簧上载荷为11 t。每个气囊最大承载21.26 kN。

由 Contitech 气囊负载曲线（图 4）可以看出，644空气弹簧在7 bar 时最大承载能力为29.5 kN，基本确定选用644空气弹簧。

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2.刚度计算分析

以前悬为例：取大气压Pa=0.1 MPa，气囊高度X0=260 mm，气囊容积V0=13650 cm3，气囊有效面积 20 508.4 cm eA = ，气囊内相对压力 0rp =0.42 MPa。 空气弹簧刚度为

悬架系统偏频为

3、设计匹配注意问题

空气弹簧匹配设计时，可根据悬架要求和承载能力选择适当的弹簧工作高度以及合适的弹簧刚度，以获车辆良好平顺性。 对于相同尺寸的橡胶空气弹簧，改变其工作内压，可获得到不同的承载能力，承载能力大致与内压成正比，因此同一种橡胶空气弹簧可适应多种载荷要求。

在设计确定空气弹簧的刚度时，也可以不影响汽车操纵稳定性前提下，尽可能选择较低的悬架高度刚度。由于空气弹簧刚度可以通过改变弹簧内压而加以改变，刚度与内压大致成正比，因此对于一个尺寸既定的橡胶空气弹簧，刚度是可变的，

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这样当载荷的改变时，自振频率几乎可以不变，这正是空气悬架优点所在。

1.6空气弹簧承模具的设计与装配

橡胶弹簧也称为缓冲器、 减振器等,被广泛用在各种振动设备上。为了减少振动单元对机体的振动,都要在振动单元与机体之间加减振弹簧。在比较粗糙的振动设备上, 通常都是用钢制弹簧做减振弹簧, 例如矿山用的筛分设备、铸造用的清沙设备等。这种减振弹簧的优点是制作简单、 价格比较低;而缺点是噪音比较大。而比较精密的振动设备, 多采用纯橡胶弹簧或钢弹簧与橡胶硫化在一起的复合橡胶弹簧。优点是运行比较平稳、 噪音比较低。图1 是一种纯橡胶弹簧、 图2 是一种复合橡胶弹簧。

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做为减振用的橡胶弹簧都是成组使用的, 为了保证橡胶弹簧各部位尺寸的一致,通常都是用硫化模具硫化成型的。

图3 是图 1 橡胶弹簧的硫化模。件 1 为上模套、 件2 为下模套、 件 3为上模体、 件4 为下模体、 件5为模芯、 件6 为定位板。通常情况是把上模套与上模体设计成一体为上模、 下模套与下模体设计成一体为下模。但由于两端孔径太小, 上下模合模后车工无法加工型腔。故而把上模分成上模套与上模体、 把下模分成下模套与下模体。上、 下模套合模一起加工两端孔;上、 下模体合模一起加工型腔。开模后分别将上、 下模体与上、 下模套用过盈配合装在一起。为了保证橡胶弹簧里孔各处尺寸对外圆各尺寸一致不变,我们把模芯设计一定位槽,使其与定位板

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配合,以保证各部尺寸。

这里有一个关键, 模芯最大尺寸为 5 55, 而橡胶弹簧端部最大尺寸为 5 31, 用手工是无论如何也是退不出模芯的,我们专门设计一套退模芯工装, 如图4 所示。

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橡胶弹簧硫化好后, 把橡胶弹簧与模芯一起从硫化模中取出。这时橡胶弹簧牢牢地套在模芯上。把橡胶弹簧里孔大的一端放到退芯工装里( 见图4) ,再放到10 吨液压机工作台上,模芯上端加一推料杆,开动液压机,便将模芯很容易的退出来。

由于退模芯时间比较长, 模芯退出后温度又下降很多, 还需要对模芯加热。工作效率比较低。为了解决这一问题, 同时加工出几个模芯,工作时几个模芯同时预热。当一个模芯在液压机上进行退芯时,就用另一模芯进行硫化。为了保证尺寸的一致,加工模芯时用靠模保证,或用数控机床加工。与其它橡胶硫化模一样,上、 下模的导向定位用两个直径不一样的导向定位销来保证, 这里不再介绍。

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图5 是图2复合橡胶弹簧的硫化模。

图中件1 为上模、 件2 为右堵头、 件 3 为模芯、件4 为下模、 件 5 为左堵头。在设计加工该模具时有以下几点要注意: ( 1) 要保证金属弹簧与橡胶弹簧同轴; ( 2)要保证件 3 与件 2、 件 5 不装反; 件2、件5 与件1、 件4 不装反; ( 3) 要保证硫化后的高度尺寸达到图纸要求。

这几个问题我们是这样解决的: ( 1) 我们把左、右堵头( 件5、 2) 里凸台直径设计成弹簧的内径, 保证了金属弹簧与橡胶弹簧的同轴; ( 2) 因为模芯(件3) 与左、 右堵头(件 5、 2) 的定位处锥面都是配研出来的,左、 右堵头( 件5、 2)与件1、 件4 定位处的锥面都是配做的, 一旦装反就有可能把模具压坏。为此我们把配合处的尺寸设计成明显的不一样,左堵头(件5) 的外凸台直径大于件 1、 件4 右端孔径,保证左堵头放不进右端定位槽; 同样把模芯( 件 3) 左右定位锥面设计成一大一小,使模芯大端锥面最小直径大于右堵头( 件 2) 锥面最大直径,从而保证了各件不会装反; ( 3) 怎样保证硫化后的高度尺寸达到图纸要求

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1.3空气弹簧

1.3.1特点

1)空气弹簧具有变刚度特性 ,其刚度随载荷的增大而增大。空载和满载时的工作高度相同 ,固有振动频率几乎不变。根据需要 ,可以选择不同的气囊工作高度 ,获得理想的固有频率 ,从而得到良好的行驶平顺性。表 1 为两种客车(丹东 KL 6120HC底盘(数字2 表示) ,少片板簧和 HFF 6120D05 底盘(数字 3 表示) )的空气悬架在平坦水泥路面上行驶时 , 振动加速度均方根值的比较结果。结果表明 ,装有空气悬架的大型客车 ,其舒适性明显改善。

2)空气弹簧具有非线性的特性 ,可以将它的载荷2挠度曲线设计成理想的“S” 形。如图 2 所示 ,即在曲线的中间区段具有比较低的刚度 ,而在拉伸和压缩行程的边缘区段刚度逐渐增加 ,这样可以保证汽车在正常行车范围内运行性能柔软 ,而在通过沟坎等偶然场合空气弹簧被大幅度拉伸或压缩时 ,它逐渐变硬 ,从而限制车体的振幅。

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3)空气弹簧具有高吸振和低噪声性能。与钢板弹簧相比 ,空气弹簧对高频振动具有好的吸收性能 ,又由于没有金属相碰和硬摩擦部分 ,工作时几乎没有噪声,这对高级旅游车是特别需要的。

4)空气弹簧的使用寿命比钢板弹簧高十几倍。通过疲劳寿命试验对比 ,结果表明 ,在运动行程为12 cm时 ,空气弹簧运行次数可达 300 万次以上;而金属弹簧在 8 c小行程下 ,也仅能运行27 万次[3 ]。

5)通过高度调节阀的控制作用 ,空气弹簧工作高度不随车辆载质量的变化而变化车体能保持平稳 ,乘坐感到舒适。

6)车辆采用空气悬架,增加其行驶平顺性和舒适性 ,使车身底板空载与满载时保衡定的同时 ,甚至可带有屈膝功能便于乘客上下。

1.3.2空气弹簧的刚度特性

理论计算时 ,空气弹簧刚度可以直接由载荷 F对位移s 求导得到,即 k = d F/ ds ,考虑到 F = peA e ,则有:

由于空气弹簧的支承、 弹性作用取决于空气弹簧内的压缩空气,空气弹簧变形时其内部气体变化基本满足气体状态方程:

式中 p—— 绝对压力,

p0 为大气压力, pe 为相对气压, v 为气体容积,指数 n的选择取决于弹簧变形的速度,变形速度慢可视为等温过程, n = 1 ;变形速度快可视为绝热过程, n = 1. 4。由式(1) (2) (3)可得:

由式(4)可知:空气弹簧的刚度是可变的,它取决于其工作压力、 有效面积和工作时的容积;空气弹簧刚度随位移的变化是非线性的;在工作压力一定的情况下,减小有效面积变化率,增大空气弹簧容积可减小其刚度。

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1.3.3空气弹簧的有效面积特性

在式(4)中 , ( pe5Ae / 5s)表示有效面积变化率对空气弹簧刚度的影响。由于空气弹簧是一个弹性体,一般情况下在空气弹簧变形时有效面积 Ae 是变化的,而且不同结构型式的空气弹簧,其有效面积Ae 的变化是不同的。囊式空气弹簧有效面积变化率较大,弹簧刚度较大。但可通过增加气囊的曲数,减小有效面积变化率(因气囊变形时由各个曲部平均分担,有效直径变化率小)或采用辅助气室以减小其刚度。膜式空气弹簧有效面积的变化率比囊式小,并可通过改变底座形状的方法控制其有效面积变化率,以获得比较理想的弹性特性。对于膜式空气弹簧,当活塞座轮廓为圆柱形时,其有效面积几乎不随位移变化而变化,此时空气弹簧刚度计算公式

可简化为:

1.3.4空气弹簧的空气悬架频率特性

汽车在行驶过程中 ,假定不考虑轮胎的质量、 刚

度和阻尼 ,可将汽车简化为单质量弹簧系统。悬架系统的固有频率可由如下公式计算得到:

传统的金属弹簧悬架的弹簧刚度一般是固定的,所以当簧载质量发生变化时,由公式可知悬架系统的固有频率也随之发生变化。当簧载质量增加,系统的固有频率下降,反之上升。

空气悬架在簧载质量即载荷发生较大变化时,空气弹簧的内部工作压力 pe 因高度调节阀的作用而也随之改变(空气弹簧变形时,其有效面积 Ae 往往变化不大,空气弹簧的承载能力 F几乎与 pe 成正比) ;另一方面,由式(5)可知 k与 p0 + pe 成正比 ,所以弹簧刚度与弹簧载荷的比值基本保持一定值 ,即空气弹簧上的载荷变化对系统的固有频率影响不大 ,可称为准等频特性。

另外 ,可以通过降低空气弹簧的工作压力、 减小有效面积变化率、 增大空气弹簧容积等简单的措施减小其刚度 ,从而使空气悬架具有较低的固有频率。

空气悬架如此的频率特性对改善汽车的平顺性提供有利条件。

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1.3.5空气弹簧的空气悬架频率特性

图3 所示为空气悬架簧载质量垂直加速度的频率特性曲线。从图中可以看出 ,汽车悬架系统有两个固有频率 ,即簧载质量和非簧载质量固有频率。如果汽车仅由弹簧支承而无阻尼器 ,则在此两固有频率处振动幅度达到无穷大。若有阻尼器存在 ,当频率在两固有频率附近时 ,若阻尼力越大 ,则弹簧质量的加速度越小 ,因而行驶平顺性越好。然而在其它频率处 ,只有当阻尼力较小时 ,汽车的行驶平顺性才会更好。同样 ,在阻尼力一定的条件下 ,对弹簧刚度而言,若刚度越小 ,则簧载质量的固有频率越低 ,因而行驶平顺越好。但这时汽车由于路面凹凸不平引起的悬架动挠度增大 ,降低了汽车的行驶稳定性。由此可见 ,为了提高汽车的乘坐舒适性和行驶稳定性 ,弹簧刚度系数需要根据行驶条件的变化而变化。

如今对弹簧刚度系数调节的控制方法有很多 ,如文献[ 4 ]介绍了一种模糊控制方法;文献[ 5 ]介绍了一种神经网络控制方法;文献[ 6 ]介绍了一种模糊神经网络控制方法;文献[ 7 ]介绍了一种基于最优控制方法;文献[ 8 ]介绍了电子控制空气悬架为目前较为先进的空气悬架系统 ,它可以通过以上控制策略 ,调节弹簧刚度 ,实现除控制正常行车高度外 ,还可与开关配合 ,实现其它控制功能。如正常高度 1/ 2 的切换 ,限高功能 ,屈膝功能 ,监控输入气压等功能。某典型客车采用的电子控制空气悬架的基本组成结构如图4 所示。

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正常行驶状况下 ,各前气囊、 后气囊是相互独立的 ,且与外界无关。只有在颠簸路面、 转弯或停靠车站人为控制气囊升降时 ,才通过 ECAS电磁阀由气囊用储气筒充气或直接由电磁阀放气。安装于车轴上的高度传感器感应车桥与车架高度的变化。一般前桥一只、 后桥两只 ,也可前后相反。该客车采用前桥一只、 后桥两只的方式。当客车在颠簸路面、 转弯等非正常行驶状况下行驶时 ,车桥与车架高度的变化会由高度传感器产生传感器信号 ,通过电子控制单元( ECU)传给 ECAS电磁阀 ,从而自动控制各气囊的充放气。功能选择开关可通过电子控制单元( ECU)使 ECAS电磁阀工作 ,使气囊升降从而实现功能选择开关上所选的功能。

1.3.5空气弹簧的设计制造技术要求及发展方向

1、空气弹簧的设计包括两个方面:

1)根据空气悬架设计要求确定空气弹簧参数:如刚度、 有效承压面积和空气容积等。通过对空气弹簧结构和尺寸、 辅助气室及膜式空气弹簧活塞底座形状和节流孔的优化设计 ,可以满足高性能空气悬架要求。

2)橡胶气囊的设计。橡胶气囊基体由形变较大

的橡胶材料和形变较小的锦纶或聚醋帘线复合而成 ,力学行为十分复杂。研究表明:帘线的角度、 粗细、 排列密度及胶层厚度对橡胶气囊的形变、 内部应力及刚度影响较大 ,并且直接影响空气弹簧的特性。另外 ,橡胶气囊设计时还要考虑气囊与金属连接件间的密封问题。因此 ,橡胶气囊的内部结构设计和材料参数优化需深入研究。目前空气弹簧的设计以试验和经验为依据 ,设计成本高而且效率低。随着现代计算机应用技术的发展 ,采用虚拟技术可以在空气弹簧设计初期设计、分析和评估产品性能 ,确定和优化各项参数 ,从而缩短新产品研究和开发周期 ,降低开发成本和风险 ,提高产品质量和性能,满足用户多样化的需求。因此 ,采用虚拟技术进行产品设计和开发是客车用空气弹簧工程技术的发展方向。

2、空气弹簧的制造技术与设计技术一样 ,直接影响空气弹簧的性能和寿命。在生产过程中 ,空气弹簧橡胶气囊的内外层胶料、 帘布、 钢丝圈及半成品性能必须达到指标要求。空气弹簧总成装配完成后 ,总成的气密性应达到指标要求 ,同时保证产品良好的贮存和运输条件。不断采用新材料、 新配方 ,改善生产工艺 ,改进生产设备 ,提高产品性能以及降低生产成本是空气弹簧制造技术的关键。

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1.4模具的设计

1.4.1模具结构

硫化模具与一般模压硫化模差不多, 上、中、下模采用 15b 锥面定位, 结构见图 2 本设计的独特之处是: 在内表面成形时, 没有使用整体或拼块式模心结构, 取代品是 1个橡胶内胆 (见图 2)。

这种内胆是用于空气弹簧硫化时的辅助工具,充入惰性气体后, 整体模心, 可重复使用。内胆具有易成形和易脱模的特点。 模具生产制造程序如下。

( 1) 产品毛坯的预成形 首先预成形空气弹簧

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其作用相当于2006届毕业设计说明书

( 2) 中模的设计 中模两端采用 15b 锥面定位,配合面高度 30 mm, 模具不碰伤, 在内径圆周上车削出 6道 R 115mm半圆弧排气沟槽及 8道R 115 mm半圆弧排气直沟槽, 2种沟槽之间相连通, 确保产品硫化时气体的排出。中模零件结构见图 5。

31直排气槽的加工上模、下模、中模上均有直排气槽, 直槽的加工较为困难, 尤其是在上、下模的圆弧面上加工直槽。实际生产中, 找到一种很简单的方法, 可在普通 C630车床上直接拉出直槽。具体加工时, 主轴不转, 用小拖板直接用长刀杆拉出

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直槽, 深为 115mm, 然后人工修整R 115圆弧。 1.4.2模具结构基本要求

1.结构设计要求 为了确保伦胎具有正确的几何形状和尺寸,方便加工安装使用,模具的结钩设计应满足以下要求。

(1) 有 良好的加工精度和表面光洁度 有 合理的排气沟槽和跑气孔。

( 3 ) 模具要有足够的强度和刚度,在硫化时要能承受足够的硫化压力而不产生变形。

( 4 ) 模具设计要有正确的装配尺寸。

( 5 ) 模具设计有 吊耳,在制作装卸时起吊安全方便。 (6 ) 模具应便于装填半成品和取出轮胎方 便 i青洗 。 ( 7 )模具加工和修理要方便,成本要低廉。 2.

模具型腔尺寸与模型材料选用

( 1 )模具型腔尺寸,P I l 果工艺上没有提出特殊要求(收缩系数),一般去很据伦胎断面给定尺寸要求进行设计。( 之) 模具的材料,主要零件,上模,下模,钢圈一般通常 采 用Z G3 5钢,其余附件压板,吊耳等均可采 用 入。

( 3 ) 模具铸件后,型腔表面不允许有砂眼,气孔,裂纹,蜘等铸晒陷, 3.加工精度和表而光洁度

(1 ) 模具型腔轮廓按样板加工验收,样板的主要部件尺寸按G B 1 8 0 1 一即 ,工 T 7级标准公差数值制作,几何形状偏差为士 0.1毫米 ,光洁度7 7抓

（2）模体与钢圈的配合采用G B 1 8 0 1 ~ 7 9,基越制分 级公差带的动配合。 （3）上下模加工。后再与加工好的钢圈焊接后精车。

(4 )外胎的花纹儿何形状 以样板为准。模具型腔及获坟表面均采用抛光,抛不到的部位,应修整到无明显刀痕及扁铲印迹。

(5)热水咀子中心留偏差 士0.3 毫米,合模后,上下压板 间 距的偏差为 士 。.2毫米。

( 6 ) 模具的外 型 尺寸按G B l s0 1 一7 9 1 甲 , 公差带加工,上下底面的光洁度甲,其余甲。

( 7 ) 模具组装后,上下底平面不平行度0.5毫米。

(8)各种内胎模、外胎模、水胎模等须研口密合,研合面宽度不小于1 0 毫米。分型面间隙可采用压铅法检查,压铅一般采用四点均布即可。测得压铅厚度 ：( a)对于9 0 0 一2 0 以下的小于等于O.0 5毫米 ,(b ) 对于9.00 J一2 0 以上的小于等于0.1毫米。

( 9) 对于带蒸汽套的模具 ;内胎模、胶囊模、夹套式翻胎活络模等,粗加工后焊接, 作二次退火处理,再精车。

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4 商标字样 各种不同轮胎规格的商标,须在加工好的模具上,按轮胎商标图纸要求加工,要求字迹清楚,排列整齐,字宽窄或字深允差为 士0.2毫米。

5 水压试验 内胎模 胶囊檬犷 夹套式翻胎合络模等,必须依据受压容器检验规定 的要求进行水压试验。一般不得低于12公斤/ 厘米 。

2 橡胶模具和工装设计

2.2橡胶模具设计

2.2.1水润滑橡胶轴承模具设计原则

橡胶模具是生产橡胶制品硫化的主要设备之一，模具设计的依据是制品的形状，特性和适用要求。根据同有橡胶制品可设计几种不同结构的模具，模具结构直接关系到制品质量，生产效率和使用寿命，因此模具结构设计研究是相当重要的。

为了保证橡胶压制品有正确的几何形状和一定的尺寸精度，模具的结构设计应遵循几项主要原则：

（1）掌握和了解橡胶制品的所用材料的硬度、收缩率以及使用要求。 （2）模具结构合理，定位可靠，操作方便，易于清洗和制品修边。 （3）模具腔数应适当，易于机械加工和模具使用并兼顾生产效率。 （4）模具应有足够的强度和刚度，力求外形小，质量轻。

（5）模具模腔使用时便于装料、排气、逃余料；硫化时，胶料应有足够的压力。 （6）模具设计应符合系列化、标准化、力求通用化。 2.2.3模具结构的确定

压铸成型模具与普通模压硫化相比，由于带有压铸塞，料腔，压铸胶料流道口等结构，且模具压铸过程中压力较高，所以压铸成型模具结构设计时，应该注意以下几点：

（1）模具的结构，材料应有足够的强度和刚度。因为压铸时的压力高于开放式压模的压力，如果强度不够，压铸胶料时模具易变形，造成制品超差模具报废。

（2）在设计或选择压铸流道或压铸面位置时应避免制品的工作面或重要表面（有外观要求的表面）。流道尽可能短，缩短硫化时间。

（3）设计中，尽可能使模具闭合高度短一些，有利于压铸和脱模，为了使生产的橡胶制品达到理想的质量要求，具有较长的寿命，还必须满足设计的工艺技术要

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求。

(1)模具结构形式和腔数的确定 1模具结构形式的确定 ○

橡胶模具是生产橡胶制品硫化的主要设备之一，模具设计的依据是制品的形状，特性和适用要求。根据同有橡胶制品可设计几种不同结构的模具，模具结构直接关系到制品质量，生产效率和使用寿命，因此模具结构设计研究是相当重要的。

在实际生产中，小批量生产的模压产品，其模具结构采用压制结构形式。一些薄壁、高硬度制品、带骨架而难以装胶的产品模具则采用压铸成型结构。对于大批量生产的产品模具有注射条件的应尽量采用注射模具结构。此橡胶轴承的模具应采用整体立式压铸成型结构。其最大的特点是提高生产效率，改进橡胶制品的质量，尤其是能硫化普通模压法所不能硫化的薄壁、超长和超厚的制品，还能增强金属嵌件的结合粘着力，模具在使用过程中先合模后加料，模具不易损坏。

压铸成型模具的原理：在普通的模压模具上增加两个组合零件：压铸塞（头）与压铸料腔，起装填胶料的作用。在压铸料腔底部与相连接的模板或模腔部位开置一定数量的压铸胶料流道口，在平板硫化机的压力作用下，将力传递至压铸塞压缩胶料，在受热、受压情况下，胶料软化呈半流体状态并快速挤入胶料流道口进入模具模腔中，然后通过定时、恒压硫化阶段。胶料定型而得到模压制品。 2模具腔数的确定 ○

模具腔数的多少主要根据该产品生产量和硫化平板的吨位、压力来确定。由于此橡胶轴承属于小批量生产，因此采用单腔压铸成型模具。 (2)分型面的确定

分型面是指橡胶模具中模块的分合面，由于此橡胶轴承采用整体立式压铸成型模具，由上模、中模和下模三个模块组成，所以模具的分型面有两个。

选择分型面是模具设计中最关键的环节，它直接影响模具的加工，模具的使用和模压产品质量。因此分型面的选择有以下原则：

1分型面要有利于启模和制品取出； ○

2分型面的位置要利于飞边的去除； ○

3使压制结构模具分型面装胶容易； ○

4密封制品模具分型面要尽量避开产品密封部位； ○

5模具加工容易，强度足够。 ○(3)模具的定位

模具的定位包括模具各模块之间的定位和模具与硫化设备的定位。模具各模块之间的定位方式有圆柱面定位、圆锥面定位、斜面定位和定位销（导向销、圆柱定

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位销和圆锥定位销）定位。模具与设备的定位主要存在于注射模具和小部分的压制模具中，其定位方式主要是与设备的螺纹螺栓固定和T形槽配套螺栓定位。

外形为圆形的模具所占的比例是很大的，其中绝大多数是圆形制品的单腔模，比如单腔油封模具、单腔矩形圈模具。圆形模具的定位方式主要是圆柱面定位和圆锥面定位。

此橡胶模具的模块与模块之间的定位采用圆锥面定位。模芯采用活芯子，因为是小批量生产，因此活动模芯采用圆柱面配合，以便于模具加工。圆柱面活动模芯装配方式中模芯与装配孔的公差是间隙配合，一般取基孔制H8/f7间隙配合。料腔和上模之间采用圆柱销定位。 (4)余胶槽和启模槽 1余胶槽 ○

为使型腔有足够的压力将胶料压密实，半成品的体积就要比模腔大一些，所有的胶料不可能全部被压入型腔，余胶槽（也叫流胶槽，跑胶槽等）的主要作用就是使多余的胶料能尽量流入其中，而不留在分型面处产生大厚胶边，影响产品质量。另外，余胶槽也有跑气作用，并能使分型面接触面积减少，使这一分型面的压强增大。

此橡胶模具因为是小批量生产，因此采用普通型余胶槽，为了加工方便采用半圆形余胶槽（取半径R=1.5mm），余胶槽距离型腔2mm。表面粗糙度Ra值为1.6-3.2μm。此橡胶模具取Ra=1.6。 2启模槽 ○

此橡胶模具由三块模板组成，为了便于将启模用的工具（铜启子、橇棒等）插入以撬开模具，必须开设必要的启模槽（也叫启模口、撬口等）。由模具规格与启模槽的关系，可得启模槽高度为5mm，启模槽宽度12mm。 (5)排气孔和排气槽

所谓排气就是排出模具型腔内的空气，让胶料充满型腔。在模具的设计制造中，为了有效地进行排气，常在模具结构的相关部位设计制作排气槽或者排气孔。由于此模具为压铸模具（模芯配合紧密，且先合模后加料），因此选用设计制作排气槽来排气。排气槽的设计与模具的浇注系统密切相关，即排气槽与浇注系统的进料口的位置有关。排气槽的开设按下面的原则确定：

1排气槽应开设在远离浇口的浇道末端，那是气体最终聚集的地方； ○

2排气槽应开设在靠近嵌件或壁缘最小处，以及橡胶汇合处，最易形成流动最○

后熔接缝，熔接缝处应排尽气体，并排除部分余胶，在硫化过程中当熔接缝处有橡胶排出时，说明橡胶已充满型腔。

3排气槽应开设在分型面上，这样易排气。 ○

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此橡胶模具排气槽的规格为h=0.5mm，b=3mm。

(6)手柄的设计

对于一些外形和质量较大的模具，为了硫化操作和搬运方便，需要安装相适应的手柄。在模具的设计中，对于手柄的设计要求是：形状实用、美观大方、尺寸合适、连接牢固、使用可靠、持拿操作顺手和方便。安装手柄时应注意：

1手柄的直径与模具的质量相适宜。焊接要牢固，以保证硫化操作和起吊时不○变形、不脱落。

2不同模板的手柄要错开，不能错开而在同位置的收兵要通过调整角度或长度○

而形成空间，以便于操作。

该模具采用简易手柄，直接用直径为10mm的钢筋制成，焊接在模板上。这种手柄制作简单，材料易得，不需要其他的机械加工，造价最低。但不美观，焊接时有可能使模具局部变形。遇到模具返修时，需要割开焊接处，返修后要重新装手柄，很麻烦。简易手柄一般用于简易模具，模具使用期短，质量不大（10Kg以下），但模板厚度在15mm以上的情况。 2.2.4收缩率的确定 (1)收缩率的概念

硫化前后，分子结构由线性结构变成了立体网状结构。而且在硫化过程中也发生了一系列的化学反映，放出一些气体，与硫化前相比，橡胶体积变小，相应的线性尺寸也变小，这种现象称为收缩。在模具设计中，橡胶硫化收缩率指在一定的条件下生产橡胶制品，硫化后的橡胶制品尺寸与模具尺寸差同制品尺寸之比。 (2)收缩率的影响因素

胶料在硫化时，其收缩率不仅受胶种和胶料配方的影响，而且还要受模压时的硫化条件（温度、压力、和时间）的影响，另外也与制品的形状、尺寸、结构及模具的结构有关。 1胶种和胶料硬度 ○

1)胶种 天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶和丁苯橡胶的收缩率几乎重合，它们的收缩率范围基本都在1.1%-2.3%之间。

2)胶料硬度 橡胶收缩率随硫化后橡胶硬度增加而呈马鞍形曲线变化。 2硫化工艺条件对收缩率的影响 ○

1)温度 硫化温度越高，收缩率越大。

2)压力 模腔受力大，产品致密度高，因而收缩率小；反之，模腔受力小，产品致密度小，因而收缩率大。

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3)硫化时间 正硫化时间与硫化温度相关，硫化温度没提高10°C，硫化时间就缩短一半，所以正硫化时间对收缩率的影响表现在硫化温度上。而欠硫和过硫都会使收缩率变小。另外，胶料停放时间长，收缩率会变小。 (3)收缩率的确定

该橡胶轴承中的橡胶采用丁腈橡胶5471，邵尔硬度为78±5，模压收缩率范围为1.1%-2%，选收缩率为1.5%。 2.2.5型腔尺寸的计算

(1)型腔尺寸的计算及相关因素的考虑 1型腔尺寸的计算 ○

按照有无胶边影响把型腔尺寸确定分为两部分：水平方向尺寸计算和垂直方向尺寸确定。

1)水平方向尺寸计算 因为水平方向的尺寸往往不受胶边和硫化机热板精度的影响，一般用公式D模=D制（1+C），已知产品尺寸和胶料收缩率为1.5%，直接计算出模具型腔尺寸。型腔的内径B为：

B=190（1+1.5%）=19031.015=192.85（mm） ????????????2.1 为慎重起见，运用公式C=D模／D制－1校核所给定的型腔尺寸所允许的收缩率范围：B的尺寸上限为190.8mm，下限为189.2mm。

上面计算出该尺寸的模具型腔尺寸为192.85mm，此尺寸所允许的收缩率的最小值为：

C下=D模／D制－1=192.85÷190.8－1=0.0107=1.07% ???????????2.2 此尺寸所允许的收缩率的最大值为：

C上=D模／D制－1=192.85÷189.2－1=0.02=2% ?????????????2.3 由计算可以看出，收缩率的允许范围在1.07%-2%之间。对于丁腈橡胶5471来说，其收缩率不会超出此范围。

2)垂直方向尺寸确定

垂直方向会受胶边的影响，一般用公式D模=D制（1+C），已知产品尺寸和胶料收缩率为1.5%，直接计算出模具型腔尺寸。型腔的高度L为：

L=609.3（1+1.5%）=609.331.015=618.44mm ?????????????2.4 2腔尺寸确定时相关因素的考虑 ○

1)模具的可修性，对于一般的产品，精度要求不高，对收缩率也很有把握，这种情况不需要考虑模具的可修性。因此此处不考虑可修性。

2)产品的公差，无论产品的哪个尺寸，只要有公差，在给定模具尺寸时都不要只考虑收缩率。参考公差是很有必要的，很多时候往往直接将产品的尺寸上限作为

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模具的型腔尺寸。 (2)型腔尺寸公差的确定

对于精度在M3级和M3级以下的产品，可直接把产品公差的1/3-1/5作为模具尺寸公差。尺寸大时取1/5，小时取1/3。因此型腔的内径B=192.85±0.16mm，型腔的高度L=618.440

+0.12

。

2.2.6模具外形尺寸的确定 (1)经验估算法

一般的压铸模具和压制模具其外形尺寸主要与型腔尺寸有关，而且要考虑模具的强度。在生产实践中，因为模压平板的热板面积基本能够满足常见中、小型产品的生产需求。所以在确定模具的外形尺寸时，一般不考虑硫化机热板的大小，而主要由型腔尺寸和模具强度两方面来决定。

由于模具在模压过程中的受力很复杂，难以进行准确的受力分析和计算。所以，目前橡胶模具外形尺寸的确定仍采用以经验估算为主、理论计算为辅的方法。

一般开放式单腔模具的外形尺寸与型腔最大尺寸有关，其中留出足够的余胶槽和启模槽位置。查表得模具的外形尺寸即外径尺寸为340mm（其中193.01mm为型腔的最大尺寸）。

(2)模具外形与设备关系

由模具的外径尺寸340mm查表得所用硫化机的吨位为450KN。 2.2.7压铸料腔的设计

压铸料腔是用来装填胶料和传递平板硫化机压力的密封压缩容器，这个容器必须有一定的容量，能一次装填满足制品成型用的胶料，同时，料腔要有足够的强度和刚度，否则，压铸时，易变形和挤损料腔。 (1)压铸料腔的结构设计

在设计料腔的结构和尺寸时，必须结合制品形状特点和使用予与考虑，考虑到普通模具难以加料，并为提高制品质量，现在采用圆形有底压铸料腔（有利于机加工和降低加工成本），基本结构如图，料腔底部有多孔圆柱进胶料道，与型腔相通。压铸料腔的结构见下图2.2所示：

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图2.2 料腔结构图

(2)压铸料腔的尺寸计算

1压铸料腔与压铸定位高度的计算 ○

在设计和计算压铸料腔的具体尺寸是，首先考虑加料后压铸塞进入压铸料腔能一次将胶料铸满模腔，而后考虑压铸塞进入料腔时定位高度与半成品胶料在料腔中占有的有效容积。由型腔的最大尺寸193.01mm估算料腔的直径一定不小于193.01mm，由此查表可得定位高度为9-10mm，取h1=10mm。

2压铸料腔尺寸计算 ○

为了使橡胶制品的致密性好，耗量少，要合理设计半成品胶量的重量，加料腔容积过大，特别是料腔断面过宽，压铸时，阻力大，进胶慢，而料腔断面过小，使压铸塞与料腔配合高度相应加深，从而给模具操作加工带来一定的困难，压铸料腔设计的总容积应为工艺间隙的容积与半成品以及压铸塞进入料腔定位高度所占的容积之和。

1)加料腔的断面直径D（水平投影尺寸），一般单腔模可按制品的形状或大小确定。取D=218mm。

2)料腔深度的计算 a．制品橡胶质量计算

查表得丁腈橡胶5471的密度为1.35g/cm3 ，轴瓦的体积V计算得：

2 V≈609.633.143[（88.92 －12322 －76.2 ） ]????????????2.5

=3921640.80288mm3 =3921.64cm3

3 则制品质量G=ρ3V=1.35g/cm3 33921.64cm =5294.214g ???????2.6

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b．料腔深度的计算

有底压铸料腔深度H可有以下公式计算：

H = h1 + h0 = h1 +（h2 + h3 ）???????????????????2.7 其中：h2 = G3（1+10%）／（ρ3S） h3 = 0.5 h2 式子中：

H——料腔深度，mm；

h1——压铸塞与料腔定位高度，mm； h0——料腔加料工艺高度，mm； h2——料腔加料理论高度，mm；

h3——料腔加料后工艺间隙或称压缩行程高度，mm； G——制品质量，g；

G3（1+10%）——半成品工艺质量，g； ρ——胶料密度，g/cm3 ； S——料腔投影面积。 故：

H = h1 + h0 = h1 +（h2 + h3 ）= 10 + 1.535294.21431.1／（0.001353109

33.14）mm = 183.45mm

即料腔的深度为183.45mm。 (3)料腔的定位

为了保证料腔的进胶流道与上模的流道准确对准，以便顺利注胶，料腔和上模采用2个圆柱销定位。这种结构简单，易于加工，使用时安全、可靠。 2.2.9中模的设计

中模是水润滑轴承中最重要的组成部分，其结构形式及尺寸定位的准确程度直影响着制品的质量。 (1)中模的结构形式

由于该水润滑的规格和寸较大，因此中模采用立式轴分式模结构，两半模采用定位销（2个）准确定位，6个螺栓固紧，中模与上、下模采用圆锥面定位，这种定位使得模具结构整体性很强，避免了组装因素的影响。该锥面的角度为15°，考虑到注胶时压力大，中模最好设计有加强肋。 (2)中模尺寸的确定

中模的长度要根据轴承的长度来决定，由以上算出的型腔的垂直方向的尺寸可得中模的长度为618.440

+0.12

2

mm，由以上算出的模具外形尺寸可得中模的直径为340mm。

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对于中模壁厚及边缘部分一般根据经验知己人确定，但要满足强度要求，否则将产生不良后果。中模的强度不足，将导致模具的破坏；刚度不足，中模承压后产生弹性变形，影响制品零件的某些尺寸的精确性，甚至造成废品，使操作工人的劳动强度增大，生产效率下降和生产成本提高。为了使中模能够更好的夹紧，两半模要以微小间隙接触，通过拧紧螺栓使两半模把轴套夹紧。 2.2.10上模的设计

上模同时兼有整形盖和注胶盖的作用，与中模采用锥面定位，与料腔采用圆柱销定位。上模要开排气槽，防止橡胶制品中产生气穴，并有检查橡胶是否注满的作用。

2.2.11下模的设计

下模的主要破坏形式为压溃，`因此设计时主要考虑其硬度问题，同时也要考虑到定位和排气等。与中模采用锥面定位。 2.2.12模芯的设计

模芯主要是根据橡胶制品的形状来设计，该水润滑橡胶轴承中，由于轴瓦有内凹的沟槽，因此模芯要设计成外凸的形状。模芯与上、下模采用圆柱面配合，以便于模具加工。 (1)模芯的结构设计

在此橡胶模具中，由于模芯的尺寸比较大，模芯需要吊装，因此模芯的端部要具有螺纹孔。

(2)模芯尺寸的确定

模芯大径D的计算 由橡胶轴瓦的尺寸可得模芯大径D=168.4mm。 2.2.13模具材料的选用

橡胶模具对其使用材料的要求如下：

(1)胶材料要易于得到，并有良好的机械加工性能和电蚀加工性能； (2)模具材料具有良好的热处理性能和表面处理性能（即易于金属镀层的附 着）；

(3)模具材料应有良好的导热性能；

(4)由于橡胶在硫化过程中会产生腐蚀性的气体，所以要求模具材料具有良

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好的抗腐蚀性能；

(5)模具材料应有足够的机械强度等综合性能及耐磨性能；

(6)模具材料经机械加工和电蚀加工后，其变形量小，研磨抛光性能好，表 面粗糙度低，花纹图案的刻蚀性能好，并有良好的焊接性能；

(7)材料组织应均匀，无气孔、缩松、缩孔、夹渣以及其他缺陷； (8)材料的热膨胀系数较小。 (1)热处理

根据设计要求，由于制品是小批量生产，因此材料采用45＃钢，此材料易得，易于加热煅打，淬透性好，并且热处理后具有足够的机械强度。其热处理为调质（淬火后高温回火），热处理后硬度为30-35HRC，且45＃钢有良好的机械加工性能和焊接性能，在一定程度上能耐硫化物的腐蚀。

45＃钢模具的加工工艺过程是：下料——正火（改善热加工后的组织）——粗加工——调质——精加工。 (2)表面处理

在橡胶制品的硫化过程中，由于混炼胶由各种配合剂混炼而成，在硫化过程中受热分解出的不同硫化物，对模具有腐蚀或积垢作用，破坏和影响模腔表面的粗糙度。为另外避免硫化物的腐蚀和提高模腔表面粗糙度，常采用表面镀硬铬的办法，镀铬层厚度不宜太厚，一般为0.005-0.011mm，否则镀铬层容易剥落，影响制品外观质量和模具使用寿命，特别是配合面剥落容易拉毛。镀铬前，模具模腔表面粗糙度应在Ra0.8以上，配合面Ra3.2以上。 2.2.14模具精度

模具的精度应该包括尺寸精度、形位公差和表面粗糙度三方面，前面已经确定了型腔尺寸和模具外形尺寸，下面确定模具各部分形位公差和表面粗糙度。

(1)模具各部分的配合公差和精度

模具中模腔及各部位的精度直接影响到橡胶制品尺寸和外观质量，也影响到模具的使用和装拆。具体要求如下：

1模具中型腔的精度已经在“型腔尺寸的计算”中确定。模具中模芯的精度比○

制品的精度要求提高2-3级，其值约等于制品公差的0.3倍。

2非成型部位的配合选择 ○

1)该模具结构为了启模、合模方便及定位安全，中模与上、下模采用圆锥面定位配合。定位配合公差按过渡配合公差选取，要求配合接触面不低于80%，且配合面要求密合，不允许有松动现象。

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2)模芯与上、下模之间采用圆柱面定位，取基孔制H8/f7间隙配合。

3)料腔和上模之间采用圆柱销定位，圆柱销与料腔、上模的配合为基孔制，即料腔、上模的孔是一次组合加工而成的，圆柱销分别按照与料腔、上模的配合性质而确定其公差范围。

圆柱销与料腔（可动部分的间隙配合）的配合选用H8/f7。 圆柱销与上模（固定部分的过盈配合）的配合选用H7/p6。 4)模具承压面的平面度小于0.05mm。

5)压铸塞，压铸腔与模具承压面的垂直度偏差小于0.05mm。 6)模具各零件的配合同轴度偏差应小于0.03mm。 7)模具非配合部位的精度按7级自由公差要求。

8)模具中间隙配合部位，如模芯与孔的配合，压铸塞与料腔的配合灵活，不要斜，卡住现象。 (2)表面粗糙度

模具模腔的表面粗糙度直接影响制品的质量，特别是制品的工作面，模具配合面粗糙度与模具定位有直接关系，虽然经过调质、淬火、镀硬铬，但因模具使用过程中受压、受热，并切绝对不能加油或其他润滑剂，粗糙度低于Ra3.2就容易拉毛或损坏，因此对模具表面粗糙度要有一定要求。查有关表格可得，模具型腔各面，芯轴表面，组合芯轴各拼合表面，型芯表面，浇注系统所有腔面表面粗糙度取Ra0.8，分型面，模具的上、下平面，定位配合面，导向面，型芯固定面，定位销（套）配合面表面粗糙度取Ra1.6，余胶槽，排气槽的表面粗糙度取Ra3.2，模板四周侧面，启模口的表面粗糙度取Ra6.3，模具外形边棱倒角的表面粗糙度取Ra12.5，手柄的表面粗糙度取Ra25。 2.2.15脱模设计

橡胶制品硫化后要脱模，脱模直接影响到制品质量和工效高低。脱模与模具结构，操作方法，熟练程度以及胶料强度，硬度有关。该橡胶轴承由于长度较长，因此模芯较难取出，可采用液压脱模系统把模芯顶出，其操作方法如下：

把模具打开后，把轴承和模芯浸泡一下肥皂水，让肥皂水渗透至内部起隔离作用，然后把轴承与模芯放到液压系统，在橡胶冷却之前，用液压把模芯强制顶出。

顶出的速度要快，若速度缓慢，橡胶冷却收缩变硬，较难强制剥离模芯。 2.3.2工作原理

把轴承装到夹具上后，通过旋紧两端的带肩螺母，使球面垫圈压紧内胀套，内胀套驱使收缩缝（外胀套）张开胀紧，从而来夹紧轴承。当加工完毕后，通过弹簧

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把内胀套顶出。 2.3.3夹具心轴的设计

心轴作为车床夹具的主要部件，其设计的合理性及其精度、强度和刚度直接影响到轴承的加工质量，因此该设计非常重要。 (1)心轴材料的选择

刚性心轴的材料一般采用低碳钢或低碳合金钢，如20，20Gr，18GrMnTi等，在该夹具的设计中，心轴采用45号钢，经过调质处理，端部渗碳，硬度为HRC58-62，其机械性能由表查得：抗拉强度σb=650Mpa，σs=360Mpa，τ(2)车床类型的选择

精加工心轴时，采用卧式CA6140， 其技术性能指标如下： 最大回转直径：400mm

最大车削长度（四种）：650mm，900mm，1400mm，1900mm； 最大工件长度（四种）：750mm，1000mm，1500mm，2000mm； 主轴内孔直径：48mm；

刀架上最大工件回转直径：210mm；

主轴中心至床身平面导轨距离（中心高）：205mm； 主轴内孔前端锥度：莫式6号； 主电机：P=7.5KW，n=1450r/min； 快速移动电机：P=0.37KW，n=2600r/min； 机床轮廓尺寸：2670mm31000mm31190mm。 (3)初步计算轴的直径

45号钢的C的范围为118~117，选C=100，则根据： dmin?C3-1

=155Mpa，σ-1=300Mpa。

P ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.1 n7.5?17.29mm 1450 =100?3

考虑到轴上两个键，轴径增大7%~10% 即：dmin=17.293（1+10%）≈19.02mm 即：d≥19mm 现取d=20mm (4)心轴的结构设计

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按工作要求，轴上所支撑的零件主要有轴承以及胀套等。根据轴上零件的定位，加工要求以及零件的装配，参考轴的结构设计的基本要求可确定轴的各段尺寸，其结构简图如下图3.1所示：

图3.1 心轴的结构简图

(5)弯矩合成及校核 1画受力简图 ○

画轴的空间受力简图，将轴上的作用力分解，把作用在轴上的分布载荷作用集中力求解，其受力图如下：

图3.2 心轴受力简图

2轴上受力分析 ○

心轴的力源可由两部分组成，一是轴承的重力，二是切削力，故分类讨论

1)轴承所受的重力

滑动轴承的重量由轴套的质量和橡胶的质量组成。此外，还有胀套的质量，以

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及弹簧架的重量，弹簧的质量，球面垫圈、螺母的质量，由于球面垫圈和螺母的质量相对于其他质量来说比较小，所以省略。

即：

m总?v铜?铜?v胶?胶?v套?套?v架?架 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.2

?17.782?15.242?12?42??22=?19.05?17.78?60.96?8.5+?60.96?1.35? ??44???????252?21.32??9.54?7.8???252?5.82??64???7.8?+???25.42?52??8?7.9?2

?4=114406.31 2)切削力的计算

在车床的切削力的计算中，Z轴的切削力占总切削力的95%，而X轴，Y轴的切削力只占5%，所以略去。

根据切削力的经验公式：

FZ?p?Ac ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.3 P——单位切削力（N/mm） Ac——切削面积（m2）

车外圆时，切削条件为：YG6刀片

P=736N/mm2 f=0.3mm/r ar=0.3mm 所以：

Fz?p?ar?f ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.4 =73630.330.3 =66.24N ③轴所传递的扭距为：

9.55?106?PT? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.5

n?9.55?106?7.5?1450?4.94?104N?mm

3计算轴反力 ○

水平面内支反力：

RHa?Fz?ld2 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.6

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66.24?25?0.854N

775dFz?2 ． RHb?．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.7 l66.24?25 ??0.8547N

775?竖直面内支反力：

F??l?149.525??180?917.124?316.9??l?350??316.9?350=789.43N Rv?al．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.8

RvB?Fb??l?180??702.605?149.525?316.9??l?350??316.9?350=721.32N

l．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.9

4计算轴的弯矩 ○

分别做出垂直面内和水平面上的弯矩图，并按照公式：

Mca?MH?MV ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.10

5计算当量弯矩图 ○

Maca?MH?MV?220.362?2000342?11.8?104

Mbcb?MH?MV?241.22?200062.82?12.98?104 Mccc?MH?MV?4692?265867.362?15.68?104 Mdcd?MH?MV?4692?271962.3582?16.04?104

2222222222转距按脉动循环变化计算，取：

αr=0.63494000=19640N2mm 6校核轴的强度 ○

一般而言，轴的强度是否满足对危险截面进行校核即可，而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处。根据轴的结构尺寸和当量弯矩图知：b-b外截面弯矩最大且截面尺寸也较强度校核。考虑键槽的影响：

btd?t?Wb?? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.11

322d?d3?2 40

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???303328?4?30?4? ?2?302??2.2cm3

?bcaMbca? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.12 Wb?49.59 2.2?20.54MPa????1?b

btd?t? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.13 Wd??322d?d3?2???3433210?5?34?5?2?34??2?3.742cm3

?dcaMdca? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.14 Wd?78.81 3.247?24.27MPa????1?b

故安全。 (6) 按安全系数校核 1判断危险截面 ○

截面b-b外存在应力集中源（键槽），当量弯矩较大，故确定为危险截面。d-d出弯矩最大，且有应力集中，故也为危险截面。 2疲劳强度校核 ○

1)b-b截面的校核 a、b-b截面上的应力：

M ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.15 W55 ??25MPa

2.2弯曲应力副： ?a?扭转应力副： ?a?T ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.16 2WT 41

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btd?t? 又 WT? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.17 ??d3?2162d???303?216?8?4?30?4?2?30?4.914cm3

所以： ?a?T2W?49.44.914?2?5.026MPa T弯曲平均应力： ?m?0MPa

扭转平均应力： ?m??a?5.026MPa

b、材料的疲劳极限：

根据?b=650Mpa，?s=360Mpa，得：

???0.2 ???0.1 c、b-b截面应力集中系数：

K??1.825 K??1.625

d、表面状态及尺寸参数：

??0.94 ???0.84 ???0.78 e、分别考虑弯距及扭距时的安全系数：

S1????K ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．????a?????m???3001.825=5.19

0.84?0.94?25S??1??k ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．???a?????m????1551.625

0.78?0.94?5.026?0.1?5.026=13.32

42

3.18 3.19

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所以：

Sca?S??S?S??S?22 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.20

?5.19?13.325.19?13.3222

=5.98>[S] 故安全。

2）d-d截面的校核 a、d-d截面上的应力：

M ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.21 W66.4 ??20.45MPa

3.247弯曲应力副： ?a?扭转应力副： ?a?T ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.22 2WTbtd?t?? 又 WT? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.23 162d?d3?2???3431610?5?34?5???7.095cm3

2?342?所以： ?a?T49.4??3.467MPa 2WT7.095?2弯曲平均应力： ?m?0MPa

MPa扭转平均应力： ?m??a?3.467

b、材料的疲劳极限：

根据?b=650Mpa，?s=360Mpa，得：

???0.2 ???0.1 c、d-d截面应力集中系数：

K??1.825 K??1.625

d、表面状态及尺寸参数：

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??0.94 ???0.81 ???0.76 e、分别考虑弯距及扭距时的安全系数：

S????1K??a?????m???? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.24

300=6.12 ?1.825?20.450.81?0.94S????1k??a?????m???? ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.25

?1551.625?3.467?0.1?3.4670.76?0.94

=59.13

所以：

Sca?S??S?S??S?22 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.26

?59.13?6.1259.13?6.1222

=8.61>[S] 故安全。 （7）按刚度校核

轴受载荷后会发生弯曲变形和扭曲变形，该心轴由于较长，故必须进行刚度校核。假设作用力都作用于c，d两点，则根据材料力学知识，由F产生的最大挠度：

32f1max??pb(l2?b2)93EIl ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.27

322 ??780?(775?200)?20034293?210?10???58?775 =-0.005mm f2max??

pb(l2?b2)93EIl32 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.28

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93?210?10???58?775 =-0.0046mm

所以：

f合?0.005?0.0046?[f]?0.0002?775

=0.2465mm

??776?(775?200)?200342322

故刚度符合条件。

2.3.4球面垫圈，锥面垫圈及螺母的设计

通过球面垫圈和锥面垫圈两者的配合使用，具有自动调位作用，使螺母支撑面与螺杆垂直，消除螺杆受的弯矩，其材料采用45号钢，经过热处理，硬度为HRC40-48，表面处理氧化，其具体规格根据轴的直径选取国家标准。

螺母采用夹具专用螺母，通过螺母的旋转，顶紧球面垫圈，锥面垫圈又顶紧内胀套，使伸缩缝（外胀套）张开，从而加紧轴承内壁，螺母的材料选用45号钢，经过热处理，硬度为HRC35-40。其具体规格根据轴的直径选取国家标准。 2.3.5胀套的设计

胀套是该夹具的重要组成部分，它通过收缩缝的张合来夹紧轴承，它可使轴承受力均匀，保证轴承和夹具同心，满足加工要求。 （1）胀套材料的选择

胀套可采用45号钢，经过渗碳处理，硬度为HRC50。 （2）胀套的工作原理

胀套分为内外胀套，通过内胀套的向里移动，其推动外胀套（伸缩缝）张开，从而夹紧轴承。 1内胀套的设计 ○

1）胀套的结构设计

内胀套根据外胀套的轴径共同决定其规格，轴径决定内胀套毂孔的大小，并且内胀套和心轴通过键来联接定位，内胀套的内侧的斜度为15°。其具体规格见车磨心轴胀套图。

2）内胀套的尺寸设计

考虑胀套的使用性能要求，L取48mm，DB=118.28mm，D=142.93mm，内侧倾角为15°。其具体的尺寸及工艺方面要求见车磨心轴内胀套图。 2外胀套的设计 ○

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1）外胀套的结构设计以及尺寸设计

外胀套主要根据轴承内径和胀套的使用的使用性能来设计，其外表面的母线与中轴线的平行度一定要高，内侧面的母线成15°，各个伸缩缝要交错开口（设计6个伸缩缝），伸缩缝中孔到各边缘的距离为5mm，孔的作用主要起分散应力的作用。伸缩缝宽为4mm。其具体规格尺寸见车磨心轴外胀套（伸缩缝）。

2）工艺要求

a．铣口（不铣通，开口为3mm）； b．淬火HRC40-50； c．磨内孔；

d．装好夹具，磨外圆；

e. 内孔粗糙度Ra=0.4，其余Ra=3.2 2.3.6弹簧的设计 （1）弹簧材料的选择

根据弹簧的工作条件，弹簧采用65锰，其强度高，性能好。适用于做小的 弹簧。其中，许用应力[τ]=570Mpa，[σb]=710Mpa。 （2）弹簧尺寸的计算 1计算弹簧所受的最大载荷 ○

假设弹力跟胀套所受的摩擦力平衡，则：

Fmax?N·F?G·F ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.29

又因为

?23.6219.813223.6?19.83???25?8?7.9?2G??8?????7.9?10??220N ???444?10??43所以

F磨?fG ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.30

=22230.15=33.3N

考虑到橡胶的弹力作用，所以取

Fmax?1.2F ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.31

=39.9N

2钢丝直径的计算 ○

根据内胀套的结构尺寸，则取弹簧的中径尺寸为16mm。现在取弹簧指数：C=8 则

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D ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.32 c16 ??2mm

84c?10.615 ．．．．．．．．．．．．．．．． 3.33 k??4c?4cd? =1.1768

由公式

d?1.6Pnkc?p ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.34

?1.61.176?39.96?8?1.29mm

570所以可取：d = 2 mm 3计算有效圈数n ○

由工作条件可知，弹簧的最大变形量为：?max?35mm，查表得G=793103 Mpa 按照公式

n?G?maxd ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.35

8Fmaxc379?103?35?2??33.7

8?39.96?83所以取：n=30

4弹簧的节距P、自由高度H ○

0

取螺旋角α=5°，则根据

．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.36 P??Dtan? ．

???16?tan??4.395mm

所以

H0?nP?1.5d ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.37

?4.395?30?1.5?2?134.85mm

取标准值：H0=140mm 5校核稳定性 ○根据公式：

Pc?Cs?p?H0 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.38

?0.11?

GD?140 48c?3047

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79?103?16?0.11??140

8?84?30 ?19.8N?pn?39.96N

不满足稳定性，需要设置导杆。导杆的直径为12mm 6强度校核 ○

弹簧的应用载荷次数＜103 ，则根据静强度校核，则为： S? ?max??S ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.39 ?max8kd ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.40 3?d8?1.176?16??39.96?239.27MPa

??8

?s?570MPa ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3.41

S??s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 3.42 ?max570?2.37?1.7 239.7?所以满足强度条件。

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参考文献

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