橡胶材料包括天然橡胶和合成橡胶,因其具有超弹性、大变形等力学特性,在许多工程领域都得到广泛应用。本文中研究的橡胶球铰是由金属外套、金属芯轴和橡胶筒组成,广泛应用在机械、铁道车辆以及汽车等领域,用于传递轴向、径向、扭转、偏转等多向载荷,同时在载荷传递过程中起到消减冲击和振动的作用。由于载荷传递的需要,橡胶球铰必须具有合适的刚度。另一方面,橡胶球铰通常在交变载荷下使用,球铰可能因疲劳而失效,因此研究其疲劳性能同样具有非常重要的意义。为提高疲劳强度和使用寿命,通常在球铰制作过程中对金属外套进行挤压,使橡胶部分处于径向预压状态。然而挤压引起的预压缩量对各向刚度和疲劳寿命的影响却少有研究。本文以现代轨道交通车辆常用的一种橡胶球铰为研究对象,研究其橡胶材料的本构行为、球铰的刚度和疲劳寿命。主要研究内容与结果如下:1.简要评述了橡胶超弹性本构模型的研究进展。对球铰用橡胶材料的标准试样开展单轴拉伸、等双轴拉伸和平面拉伸力学行为测试,并通过常用的几种橡胶超弹性本构模型进行分析,讨论各模型对球铰橡胶本构行为描述的适用性。结果表明,四阶Ogden模型可以很好地描述各实验的力学行为。2.对橡胶球铰进行轴向、径向、偏转和扭转静刚度测试和有限元分析,两者结果基本吻合。在有限元分析中考虑了预压缩量对静刚度的影响,结果表明,各向刚度均随预压缩量的增大而增大。3.对橡胶沙漏试样进行疲劳测试,结果显示其疲劳寿命与最大对数主应变满足负幂律关系。将材料的疲劳寿命方程应用到橡胶球铰的疲劳寿命分析中,通过对橡胶球铰的静态应变分析,得到径向预压缩对橡胶最大对数主应变的影响,进而分析预压缩量对橡胶球铰疲劳寿命的影响。结果表明,橡胶球铰的疲劳寿命随预压缩量的增大是先提高后降低,由此可以确定橡胶球铰预压缩量的优选方案。