變剛度橡膠彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陳清化 丁小平

摘要：針對軌道交通車輛轉(zhuǎn)向架用軸箱彈簧在受載范圍較大時存在彈簧變形量較大、剛度成線性的問題，提出了一種可變剛度橡膠軸箱彈簧創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其變剛度方法，對軸箱彈簧進(jìn)行了二級減振設(shè)計(jì)，軸箱彈簧在大載荷時，能夠變剛度，減小變形撓度，同時可通過調(diào)整鋼彈簧的參數(shù)改變軸箱彈簧的剛度特性。此種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品剛度的調(diào)節(jié)，提升了車輛的運(yùn)行品質(zhì)，同時也節(jié)省了安裝空間，產(chǎn)品既可以新造又可以從現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，同時也可為其他類似產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考借鑒。

Abstract： Aiming at the problems of large spring deformation and linear stiffness for axle box springs for rail transit vehicle bogies when the load range is large， an innovative structural design of variable stiffness rubber axle box springs and its variable stiffness method are proposed. The axle box spring is designed with secondary vibration reduction. When the axle box spring is under a large load， its stiffness can be changed and the deformation deflection can be reduced. At the same time， the stiffness characteristics of the axle box spring can be changed by adjusting the parameters of the steel spring. This design can adjust the rigidity of the product， improve the running quality of the vehicle， and save the installation space. The product can be newly built and improved from the existing structure， and it can also provide a reference for other similar product structure improvements.

關(guān)鍵詞：錐形彈簧;鋼彈簧;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);變剛度

Key words： conical spring;steel spring;structural design;variable stiffness

中圖分類號：U260? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0011-02

0? 引言

隨著當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，乘坐高鐵和地鐵出行的人口數(shù)量增加較快。同時軌道交通車輛設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造能力的加強(qiáng)，使得車輛自重在不斷減小，載客重量在不斷增加，所以車輛從空載AW0到超載AW3之間的載荷跨度較大。軌道車輛軸箱彈簧安裝在轉(zhuǎn)向架的軸箱與構(gòu)架之間，起第一次衰減輪軌振動的作用，所以稱之為一系懸掛。目前應(yīng)用較廣泛的軸箱彈簧主要有鋼彈簧和橡膠彈簧。其中鋼彈簧對輪軌傳遞過來的振動有衰減作用但是無法吸收振動和噪音，而橡膠彈簧除了衰減振動外，因其橡膠特性可對輪軌振動和噪音進(jìn)行吸收，其減振降噪能力相較鋼彈簧具有較大的優(yōu)勢，所以目前國內(nèi)外很多軌道交通車輛上已普遍采用橡膠彈簧作為軸箱彈簧在使用。

橡膠彈簧的結(jié)構(gòu)種類較多，因錐形彈簧剛度較小、所需圓周方向安裝空間較小等優(yōu)點(diǎn)被經(jīng)常用于軸箱彈簧使用。關(guān)于橡膠軸箱彈簧產(chǎn)品，國內(nèi)外學(xué)者做過大量研究。如：樊云霞[1]等研究分析了軸箱彈簧剛度性能對于車輛運(yùn)行穩(wěn)定性和曲線通過性能的影響規(guī)律，并通過動力學(xué)軟件進(jìn)行了仿真分析。蒲金慶等[2]研究介紹了北京地鐵軸向彈簧國產(chǎn)化的研制、試驗(yàn)及裝車運(yùn)用情況。李瀧[3]等人研究運(yùn)用MATLAB軟件建立地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧模型，并分析了其合理性。陳清化[4-5]等人研究了空氣彈簧結(jié)構(gòu)的拆解以及錐形彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)對于性能的影響規(guī)律。前述研究均未涉及到錐形橡膠彈簧結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品變形及車輛運(yùn)行品質(zhì)的影響。

1? 錐形橡膠彈簧介紹

目前用于軌道交通車輛軸箱彈簧的錐形橡膠彈簧的結(jié)構(gòu)主要由橡膠和金屬隔板間隔硫化而成，具有圓周方向剛度大、橫向位移小，垂向方向剛度小和垂向位移較大的特點(diǎn)，產(chǎn)品垂向方向的載荷位移曲線如圖1所示當(dāng)車輛載荷變大時，錐形橡膠彈簧的載荷變形近似線性比例變化。

軌道交通車輛在運(yùn)行過程中一系彈簧在車輛空載時保持低垂向剛度特性有助于提升車輛動力學(xué)平順性能。鋼彈簧和錐形橡膠彈簧在垂向方向上的剛度非線性都較差，當(dāng)空載至超載的載荷范圍增大時，錐形橡膠彈簧的垂向變形量會增大，從而導(dǎo)致滿載或超載后車輛在高度方向變形量較大，不利于高速和過彎道行車。

為實(shí)現(xiàn)解決當(dāng)前一系錐形橡膠彈簧剛度線性問題以及大載荷下大變形的問題，提出了一種可變剛度的橡膠彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2? 橡膠彈簧創(chuàng)新結(jié)構(gòu)介紹

提出的可變剛度橡膠彈簧結(jié)構(gòu)如圖2所示，在傳統(tǒng)的錐形彈簧內(nèi)部設(shè)計(jì)一個鋼彈簧，錐形彈簧作為主簧，在錐形彈簧內(nèi)部芯軸設(shè)計(jì)成空心開孔狀，在孔內(nèi)并聯(lián)設(shè)置鋼彈簧為輔助彈簧，將錐形彈簧的承重面與鋼彈簧的承重面設(shè)置為一定高度差。其中錐形彈簧的芯軸內(nèi)固定有壓套，鋼彈簧安裝于壓套內(nèi)部，壓套的內(nèi)腔頂端設(shè)計(jì)有凸臺，用于鋼彈簧頂部定位，在壓套底部也設(shè)計(jì)有臺階，用作鋼彈簧的預(yù)壓止擋，在壓套的頂部安裝有磨耗板，保護(hù)金屬間的接觸和碰撞。在芯軸的底端設(shè)計(jì)有可拆卸的底座，底座通過螺釘固定在芯軸上，同時在底座中部設(shè)計(jì)有凸臺，用于鋼彈簧底部定位，在底座的圓周方向還設(shè)有凹臺，防止底座橫向力對螺釘施加較大的剪切力，提高產(chǎn)品的可靠性。

產(chǎn)品生產(chǎn)安裝過程中錐形彈簧直接硫化完成，而要將鋼彈簧順利預(yù)安裝在橡膠錐形彈簧的芯軸內(nèi)，首先需要將壓套從芯軸底部放入芯軸中，然后再將設(shè)計(jì)好的鋼彈簧自由放入壓套中，然后在裝配工裝的輔助下完成底座的安裝。

3? 工作原理介紹

創(chuàng)新橡膠彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)置兩級減振結(jié)構(gòu)，如圖2所示設(shè)計(jì)自由狀態(tài)壓套處于預(yù)安裝位置時，壓套頂部與錐形彈簧的外套的頂端之間存在間隙C，而間隙C需要設(shè)計(jì)大于車輛空載AW0時錐形彈簧外套的下降量H。同時設(shè)計(jì)壓套底部與底座之間預(yù)留間隙A，設(shè)計(jì)壓套頂部與芯軸頂端之間預(yù)留間隙B。設(shè)計(jì)要求錐形彈簧在垂向方向的最大行程等于間隙A與間隙B中的較小者。

當(dāng)產(chǎn)品受載時，錐形彈簧首先承重，外套下沉，當(dāng)橡膠錐形彈簧外套下降到壓套頂端面以下時，壓套及鋼彈簧將接觸車身并承受重力，從而與錐形橡膠彈簧一并進(jìn)行承載，此過程中可實(shí)現(xiàn)剛度的變化，由兩個部件一起提供垂向剛度。間隙C減去空載時外套的下降量H的差值即為產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)變剛度時的位移量，即圖3中的X0點(diǎn)對應(yīng)的位移量，該點(diǎn)為橡膠錐形彈簧的變剛度點(diǎn)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可通過調(diào)整間隙C來改變軸箱彈簧實(shí)現(xiàn)變剛度時所對應(yīng)的載荷大小。

從圖3中可看出本產(chǎn)品由錐形彈簧與鋼彈簧配合工作的二級減振機(jī)構(gòu)，可保證軸箱彈簧在受到大載荷時可提供較大的垂向剛度值，同時減小軸箱彈簧在垂向方向的變形量，而車輛處于空載AW0時，鋼彈簧基本不參與工作，橡膠錐形彈簧空載低剛度特性有助于保持車輛動力學(xué)平順性和穩(wěn)定性。同時本方案結(jié)構(gòu)中鋼彈簧置于橡膠錐形彈簧的芯軸內(nèi)，由此實(shí)現(xiàn)兩彈簧的并聯(lián)，這樣的設(shè)計(jì)方法大大地節(jié)約了所需要的安裝高度。

另外通過調(diào)整鋼彈簧的剛度特性，來實(shí)現(xiàn)不同二級剛度的特性要求，壓套與底座的設(shè)計(jì)便于更換圈數(shù)與節(jié)距不同的鋼彈簧，調(diào)整鋼彈簧參數(shù)調(diào)整如圖3中變剛度點(diǎn)的位置，也就是調(diào)整鋼彈簧開始接觸時的位置，提高運(yùn)營可靠性。

4? 結(jié)論

①提出了一種可變剛度軸箱彈簧創(chuàng)新結(jié)構(gòu)及其變剛度方法，對軸箱彈簧進(jìn)行了二級減振設(shè)計(jì)，軸箱彈簧在大載荷時，能夠變剛度，提供較大垂向剛度，減小裝置的變形撓度，同時可通過調(diào)整鋼彈簧的參數(shù)改變軸箱彈簧的剛度特性。②提出了一種由錐形彈簧與鋼彈簧組成二級減振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其中錐形彈簧的芯軸設(shè)置為空心狀，設(shè)計(jì)輔助彈簧并聯(lián)安裝于橡膠錐形彈簧的芯軸內(nèi)，此種設(shè)計(jì)方法既節(jié)約了安裝高度，又節(jié)省了安裝空間，也降低的成本。③對錐形彈簧芯軸進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)一系列凸臺與凹臺，極大方便了鋼彈簧的安裝與定位;同時設(shè)置有磨耗板，可緩和被承載車身與壓套的擠壓與接觸，延長了產(chǎn)品的使用壽命。④本創(chuàng)新結(jié)構(gòu)既可以全新設(shè)計(jì)制造也可以從現(xiàn)有的錐形彈簧結(jié)構(gòu)上直接進(jìn)行改進(jìn)，同時也可為其他類似結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊云霞，劉春艷，王青權(quán).軸箱彈簧剛度對車輛運(yùn)行性能影響研究[J].城市軌道交通研究，2014（11）：75-77.

[2]蒲金慶，劉慧慧，陳亮，等.北京地鐵5號線軸箱彈簧國產(chǎn)化應(yīng)用研究[J].機(jī)械工程師，2016（5）：198-202.

[3]李瀧，龍一帆.地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸箱彈簧設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（12）：35-36.

[4]陳清化，葉特，程海濤，等.城軌車輛空氣彈簧拆解與裝配工藝研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2019（6）：34-38.

[5]陳清化，程海濤，戚壯，等.城市軌道交通車輛錐形彈簧豎向靜態(tài)剛度計(jì)算模型設(shè)計(jì)研究[J].城市軌道交通研究，2020（12）：41-45，61.