空簧襯套過盈裝配公差設(shè)計(jì)

王宏偉，沈旭奎，田亞林，李芍君，蘇強(qiáng)

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著城市交通壓力的不斷增加，地鐵車輛在城市軌道交通中的地位顯著提高。在車輛輕量化設(shè)計(jì)的趨勢下，鋁合金憑借其比強(qiáng)度高、可塑性好的優(yōu)點(diǎn)成為國內(nèi)外地鐵車輛的首選材料。但鋁合金的耐磨性差、硬度低，與轉(zhuǎn)向架連接的關(guān)鍵接口，還需要借助耐磨性較高的鋼件來實(shí)現(xiàn)功能需求。本文基于某鋁合金A型車對鋁合金枕梁空簧安裝座與轉(zhuǎn)向架空簧的接口進(jìn)行分析。

1 底架枕梁結(jié)構(gòu)

底架為全鋁合金焊接底架結(jié)構(gòu)，枕梁由3塊通長型材通過攪拌摩擦焊組焊而成，枕梁上設(shè)有空簧安裝座、抗側(cè)滾扭桿座、垂向減振器座等關(guān)鍵接口。其中空簧安裝座與枕梁型材采用焊接形式連接，為全壽命周期件，與某B型地鐵螺栓連接的空簧座相比降低了維修維護(hù)成本，提高了密封安全性。

為了提高空簧安裝座與轉(zhuǎn)向架空簧導(dǎo)柱連接的耐磨性，與轉(zhuǎn)向架導(dǎo)柱接觸處設(shè)置有不銹鋼襯套，不銹鋼襯套與枕梁空簧安裝座采用過盈裝配[1]，為了確保空簧襯套能夠順利安裝且安裝后的空簧襯套內(nèi)徑公差無需二次加工即可滿足裝配需求，對空簧襯套的內(nèi)外公差及空簧安裝座底孔公差進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 空簧安裝座與空簧襯套過盈量計(jì)算

空簧安裝座與空簧襯套過盈量的設(shè)計(jì)原則包括：1）保證過盈聯(lián)結(jié)傳遞給定的負(fù)荷；2）保證聯(lián)結(jié)件不產(chǎn)生塑性變形；3）保證聯(lián)結(jié)件的過盈量小于空簧襯套經(jīng)過液氮冷卻后的縮小量，提高液氮冷裝的工藝性。

2.1 保證過盈聯(lián)結(jié)傳遞給定的負(fù)荷

過盈聯(lián)結(jié)傳遞負(fù)荷所需的最小過盈量計(jì)算過程如下[2-4]。

空簧襯套與轉(zhuǎn)向架導(dǎo)柱為間隙配合，中間有橡膠圈起密封作用，所受轉(zhuǎn)矩可以忽略不計(jì)。保證襯套安裝后，在運(yùn)行過程中不脫落，需克服自身重力。已知襯套質(zhì)量m=0.579 kg。由于列車在運(yùn)行過程中承受動(dòng)載，取加速度為3g，安全系數(shù)為3，所以受軸向力Ft=9mg=9×0.579×9.8=51.07 N。所以最小結(jié)合壓力計(jì)算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（2），求得qa=0.679。

表1 計(jì)算用的主要參數(shù)

空簧襯套直徑比計(jì)算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（6），求得Ci=8.77。

空簧襯套傳遞負(fù)荷所需的最小直徑變化量計(jì)算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（9），求得δmin=0.0193 mm。

2.2 保證空簧安裝座和空簧襯套不產(chǎn)生塑性變形

不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量計(jì)算過程如下[2-4]。

空簧安裝座不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大結(jié)合壓力計(jì)算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（12），求得Ft=51 kN。

空簧安裝座不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大直徑變化量計(jì)算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（13），求得eamax=0.133 mm。

空簧襯套不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大直徑變化量計(jì)算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（14），求得eimax=0.127 mm。

不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過盈量計(jì)算公式為

最終求得δemax=0.26 mm。

2.3 保證空簧安裝座和空簧襯套的過盈量小于空簧襯套經(jīng)過液氮冷卻后的縮小量

空簧襯套采用液氮冷壓的方式安裝，為了便于安裝，在保證聯(lián)接強(qiáng)度的前提下，需要保證過盈量小于空簧襯套液氮冷卻后的徑向收縮量，才能保證空簧襯套不借助外力順利安裝。

襯套為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)線膨脹系數(shù)計(jì)算平均徑向收縮量時(shí)的長度，可以按照襯套平均周長近似計(jì)算，通過冷卻后的周長反推可得到冷卻后的直徑，則冷卻前后襯套平均周長收縮量為[5]

式中：α為空簧襯套的線性膨脹系數(shù)，查機(jī)械制造手冊[4],馬氏體不銹鋼的線性膨脹系數(shù)為1.0×10-5；t1為襯套在放入液氮前的溫度，25 ℃；t2為液氮溫度，-197 ℃。

由式（16）得出徑向收縮量為

最終求得Δd=0.398 mm。所以襯套單邊半徑縮小量為Δr=0.199 mm。

2.4 確定最終過盈量

綜上所述，保證空簧襯套傳遞給定負(fù)荷的最小過盈量為δmin=0.0193 mm；保證空簧安裝座與空簧襯套不產(chǎn)生塑性變形的最大有效過盈量為δemax=0.26 mm；滿足液氮冷裝工藝需求的最大過盈量為δ=Δr=0.199 mm。

由于空簧襯套與轉(zhuǎn)向架的配合為橡膠圈密封，聯(lián)接強(qiáng)度儲(chǔ)備要求低，考慮更高的聯(lián)接件材料儲(chǔ)備要求，結(jié)合液氮安裝工藝的便利性，所以此處取過盈量0.019 mm＜δb＜0.199 mm。

3 確定空簧安裝座底孔及空簧襯套外徑公差尺寸

3.1 確定空簧安裝座底孔的公差

空簧安裝座與枕梁的聯(lián)接方式為焊接且不可拆卸，因此空簧安裝座底孔與空簧襯套的配合選擇基孔制，取精度等級為IT8，空簧安裝座底孔的公差取95H8（公差H8的公差范圍為0～+0.054）。

3.2 確定空簧襯套的外徑公差尺寸

4 空簧襯套安裝后的內(nèi)徑縮小量計(jì)算過程

空簧襯套為環(huán)類件，在與空簧安裝座過盈裝配后會(huì)產(chǎn)生內(nèi)徑縮小的現(xiàn)象，為了保證安裝后的空簧襯套的尺寸滿足與轉(zhuǎn)向架空簧導(dǎo)柱的裝配精度要求，不需要額外加工，需對空簧襯套安裝后的內(nèi)徑縮小量進(jìn)行計(jì)算[2-4]。

根據(jù)上述空簧安裝座及空簧襯套最終公差，計(jì)算出過盈量的范圍值為0.07 mm＜δ＜0.174 mm。

由實(shí)際過盈量計(jì)算得出聯(lián)接件的結(jié)合壓力，其中最小結(jié)合壓力計(jì)算公式為

查表1，將參數(shù)代入式（21），求得Δdimax=0.088 mm。因此空簧襯套安裝后的內(nèi)徑縮小量為0.026～0.088 mm,平均縮小量Δd=（0.026+0.088）÷2=0.057 mm。

5 空簧襯套內(nèi)徑公差尺寸計(jì)算

6 空簧襯套液氮冷裝試驗(yàn)

以上述計(jì)算得出的空簧安裝座底孔尺寸和空簧襯套的內(nèi)外徑尺寸公差為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證空簧襯套液氮冷裝的工藝可行性及空簧襯套安裝后內(nèi)徑尺寸的合格性。

空簧安裝座及空簧襯套尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 空簧襯套

圖2 空簧安裝座

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)工件及液氮裝置

6.1 測量方法

轉(zhuǎn)向架空簧導(dǎo)柱與枕梁空簧襯套主要靠空簧導(dǎo)柱頂部的橡膠圈密封，所以需要保證空簧導(dǎo)柱與空簧襯套的接觸部分的尺寸精度，測量時(shí)要對其重點(diǎn)測量?？栈蓪?dǎo)柱結(jié)構(gòu)如圖4所示,橡膠圈位置分別對應(yīng)空簧襯套安裝后的中部和下部。

圖4 轉(zhuǎn)向架空簧導(dǎo)柱

6.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照計(jì)算結(jié)果，對襯套與安裝座進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，整理襯套安裝后的內(nèi)徑尺寸數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 安裝后襯套內(nèi)徑尺寸

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，空簧襯套上下尺寸相差較大，先進(jìn)入安裝座的底部由于受擠壓力較大變形偏大，內(nèi)徑偏??；而后進(jìn)入安裝座的空簧襯套中部變形較小，內(nèi)徑偏大。安裝后的空簧襯套呈錐形，大部分為中部尺寸滿足要求，而下部尺寸偏小不滿足要求。

借鑒第一批試驗(yàn)襯套的經(jīng)驗(yàn)，考慮到第一批襯套硬度不足，導(dǎo)致變形量受壓力大小的影響較大，決定提高第二批空簧襯套的硬度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。整理后的空簧襯套安裝后的尺寸數(shù)據(jù)如圖6所示。最終經(jīng)過熱處理的空簧襯套安裝后內(nèi)徑尺寸中部與下部變形量相當(dāng)，且均滿足安裝后的公差要求。

圖6 熱處理空簧襯套安裝后內(nèi)徑尺寸

7 結(jié)論

通過計(jì)算得出過盈裝配的襯套類零件過盈量及收縮量，最終保證安裝后的公差尺寸。同一零件不同部位的收縮量的穩(wěn)定性與過盈裝配件的硬度有關(guān)，需要熱處理至合理硬度方能保證變形量的穩(wěn)定性。