CN102007318A - 空气弹簧装置 - Google Patents

Abstract

一种空气弹簧装置，其包括：空气弹簧(4)，其中气体填充在由上面板(1)、下面板(2)以及筒状挠性膜体(3)所限定的内部中，筒状可挠膜体(3)的相反端部分别气密地连接到上面板(1)和下面板(2)。在下面板(2)和从下面板(2)向下隔开的下支撑板(8)之间，串联有剪切弹簧部件(5)和压缩弹簧部件(6)，剪切弹簧部件(5)和压缩弹簧部件(6)均主要由橡胶材料制成。当垂直载荷施加到空气弹簧装置时，剪切弹簧部件(5)和压缩弹簧部件(6)分别主要被剪切变形和压缩变形。空气弹簧装置还包括抵接构件(10)，在剪切弹簧部件(5)的变形量达到预定水平之后，抵接构件(10)允许压缩弹簧部件(6)替代剪切弹簧部件(5)支撑载荷。

Description

空气弹簧装置

技术领域

本发明涉及一种空气弹簧，其可适用于铁路车辆用的无枕梁转向架(bolsterless bogie)。特别地，本发明提供了如下的空气弹簧装置：其能够使整个装置的上下方向的弹簧常数(spring constant)在宽的位移范围上维持足够小，以便实现铁路车辆的改进的乘坐舒适性：另一方面，即使在空气弹簧由于穿孔等而处于泄气状态下也能保持空气弹簧的柔性弹簧特性，以便实现车辆的安全行驶；并且即使在被施加大的垂直载荷而发生较大变形的情况下，也能确保实现对垂直方向力和水平方向力的有效弹性支撑。

背景技术

这种类型的空气弹簧装置也常被称为“欧式”空气弹簧装置，并且例如在专利文献1中公开。从该文献了解的空气弹簧装置包括：外筒；内筒；以跨接在内筒和外筒之间的方式布置的膜(diaphragm)；具有圆锥面或角锥面形式的外周面的支撑构件，跨接支撑构件的外周面和内筒之间布置有环状弹性体；以及减振构件，该减振构件具有布置在内筒和支撑构件之间的弹性构件，使得在弹性体已经弹性地变形预定量之后，开始弹性构件的由于内筒和支承构件之间的相对靠近的移动而引起的弹性变形。

在这种示例中，弹性构件形式的减振构件被配置在内筒和支撑构件之间，并且被构造成使得在弹性体已经弹性地变形预定量之后，开始弹性构件的由于内筒和支承构件之间的相对靠近的移动而引起的弹性变形。由此，说明了当作用于外筒的载荷超过预定水平时，归因于减振构件的弹性被增加到弹性体的弹性，使得易于增大弹簧常数。还说明了所公开的构造提供了其中空气弹簧在较轻载荷的情况下由于弹簧常数较小而具有柔性弹簧特性的状态以及空气弹簧在较重载荷的情况下由于弹簧常数较大而具有刚性弹簧特性的另一状态。结果实现了改进的空气弹簧，该空气弹簧包括具有圆锥台或角锥台形状的外周面的支撑构件，其中以跨接在支撑构件的外周面和内筒之间的形式配置的环状弹性体提供了非线性特性，该非线性特性允许弹性体在通常的正常操作中具有较柔的弹簧特性并且在被施加较重的载荷时具有较硬的弹簧特性。顺便提及，还说明了当弹性体由层叠橡胶制成时，支撑构件和内筒以稳定的方式彼此弹性地支撑。

专利文献1：日本特开2006-329280号公报

发明内容

发明要解决的问题

上述现有技术的特征在于两种圆锥形元件的即均具有圆锥形状的弹性构件和缓冲构件(cushion member)的串联布置，该两种圆锥形元件被配置于在内筒和外筒之间延伸跨接的膜的下侧。由此，当弹性构件和缓冲构件两者都变形到它们的极限位置时，使支撑构件和内筒通过缓冲构件的非弹性构件而金属接触(metal contact)，使得随后不能对垂直载荷弹性支撑。此外，关于水平载荷的输入，尽管在金属接触之后，内筒和外筒可以相对滑动运动，但是随后不能对水平载荷弹性支撑。

本发明的任务是解决现有技术的上述问题。由此，本发明的主要目的是提供一种改进的空气弹簧装置，其即使在空气弹簧装置处于由穿孔等引起的泄气状态下而不能实现期望的弹簧功能时，也能充分地呈现出空气弹簧装置在上下方向上的柔性弹簧特性，以在保持可接受的乘坐舒适性的同时允许安全行驶。本发明的另一目的是提供一种改进的空气弹簧装置，其即使在发生大的变形使得柔性弹簧特性达到极限值而被施加大垂直载荷时也能够工作，以通过硬的弹簧常数弹性地支撑垂直载荷。本发明的又一个目的是提供一种改进的空气弹簧装置，无论垂直载荷的大小如何，该空气弹簧装置都能实现对水平载荷的柔性且弹性的支撑。

用于解决问题的方案

根据本发明，提供一种空气弹簧装置，其包括如下被配置成彼此串联连接的部件：空气弹簧，其具有被填充有气体的内部，该内部由上面板、下面板和筒状挠性膜体限定，其中筒状挠性膜体具有分别气密连接到上面板和下面板的端部；剪切弹簧部件，其包括内筒、外筒以及在内筒和外筒的相对的周面之间交替地层叠配置的环状橡胶构件和环状刚性板，剪切弹簧部件能响应于垂直载荷而剪切变形；以及压缩弹簧部件，其包括上端环、下端支撑板以及在上端环和下端支撑板之间交替地层叠配置的橡胶构件和刚性板，压缩弹簧部件能响应于垂直载荷而压缩变形；其中，空气弹簧装置还包括抵接部，该抵接部用于限制剪切弹簧部件的内筒和外筒之间在垂直方向上的相对位移量，使得相对位移被限制时，在内筒和下端支撑板之间留有间隙。

优选地，剪切弹簧部件包括层叠结构(laminated structure)，在层叠结构中，锥台状的橡胶构件和锥台状的刚性板彼此交替地层叠，所述层叠结构被接合到内筒和外筒。

优选地，压缩弹簧部件包括层叠结构，在所述层叠结构中，圆环状的橡胶构件和圆环状的刚性板彼此交替地层叠，所述层叠结构被接合到下端支撑构件和上端环，以及剪切弹簧部件的外筒具有凸缘部，所述凸缘部嵌合于上端环。

优选地，从空气弹簧侧方观察，剪切弹簧部件和压缩弹簧部件被顺次地配置，且下面板设置有抵接构件，该抵接构件与压缩弹簧部件抵接，以限制剪切弹簧部件的位移量。在该示例中，抵接构件优选地被构造成：在抵接构件与压缩弹簧部件侧抵接之后并且更优选地当压缩弹簧部件被压缩变形时，在下端支撑板和剪切弹簧部件之间留有间隙，特别地，在下端支撑板与在剪切弹簧部件弹性变形作用下突到最下位置的刚性构件之间留有间隙。

优选地，剪切弹簧部件的内筒为筒状体的形式并且被固定到下面板的下表面，空气弹簧的筒状挠性膜体具有自密封结构，以在填充在其内部的气体的作用下使挠性膜体气密于上面板和下面板上，抵接构件和压缩弹簧部件侧的构件中的至少一方设置有配置在这些元件之间的缓冲构件。缓冲构件是由橡胶、塑料、各种纤维或皮革构成，且优选地与剪切弹簧部件的橡胶部件成为一体。

为了实际上在空气弹簧的正常状态下利用空气弹簧实现期望的减振功能，优选地，上面板具有节流通道，所述节流通道使将空气弹簧与辅助空气容器连通的气体通道变窄。

发明的效果

在根据本发明的空气弹簧装置中，空气弹簧、剪切弹簧部件和压缩弹簧部件被配置成彼此串联排列。借助串联弹簧的优点，这种配置确保当被施加垂直载荷时，具有较低的弹簧常数的弹簧部件起主要作用，从而使载荷主要被空气弹簧和剪切弹簧部件以柔性且弹性的方式支撑。另一方面，一旦抵接构件开始响应于超过剪切弹簧部件的变形极限的垂直载荷的增大而操作时，载荷主要被空气弹簧和具有较硬的弹簧常数的压缩弹簧部件支撑。这同样适用如下情形：在空气弹簧由于穿孔等而泄气的状态下，垂直载荷被剪切弹簧部件和压缩弹簧部件两者支撑，此时空气弹簧不能执行其期望的功能。

当水平载荷施加到空气弹簧装置时，载荷能够主要地被空气弹簧的水平变形和压缩弹簧部件的剪切变形以弹性的方式柔性地支撑。不管空气弹簧是否处于泄气状态，借助剪切弹簧部件和压缩弹簧部件的串联连接的优点，完全实现了对于水平载荷的这种弹性支撑，由此，无论垂直载荷的大小如何，压缩弹簧部件的剪切弹簧常数起主要作用。

由此，在根据本发明的空气弹簧装置中，即使施加了大的载荷而使剪切弹簧部件经历超过其变形极限的变形且随后仅由压缩弹簧部件的功能来实现对于垂直载荷的弹性支承，无论空气弹簧是否处于泄气的状态，水平载荷也能以弹性的方式被压缩弹簧部件的剪切变形柔性地支撑。

顺便提及，从空气弹簧侧观察，如果剪切弹簧部件和压缩弹簧部件被顺次地配置，且下面板设置有与压缩弹性部件抵接以限制剪切弹簧部件的位移量的抵接构件，并且抵接构件被构造成在抵接构件与压缩弹簧部件侧抵接之后在下端支撑板和剪切弹簧部件之间留有间隙，则可以利用该弹簧装置的简单结构完全地实现上述各种功能。即使剪切弹簧部件在垂直载荷作用下变形到其极限位置，也可以使压缩弹性部件完全顺利地且确实地作用以用于弹性地支撑水平载荷。

在本发明中，如果剪切弹簧部件包括锥台状的橡胶构件和锥台状的刚性板彼此交替地层叠的层叠结构，并且该层叠结构被接合到内筒和外筒，则使橡胶构件不仅在剪切方向上变形，而且在压缩方向上变形，以使弹簧常数趋于或多或少地增加。由此，与只允许剪切变形的情况相比，可以抑制橡胶构件的绝对变形量，从而改进橡胶构件的耐久性。另一方面，可以使剪切弹簧部件有助于实现响应于水平载荷的施加的弹性功能。

此外，如果压缩弹簧部件包括例如均被水平地配置的环状的橡胶构件和环状的刚性板彼此交替地层叠的层叠结构，并且这种层叠结构被接合到均被水平配置的下端支撑构件和上端环，而且剪切弹簧部件的外筒具有与上端环嵌合的凸缘部，则压缩弹簧部件针对施加的垂直载荷可以呈现出较硬的弹簧常数，而在施加水平载荷时在环状橡胶构件的剪切变形作用下呈现较柔的弹簧常数。

顺便，如果剪切弹簧部件的形状为角锥台状的内筒例如通过使其具有大的表面的底部侧被固定到下面板的下表面，则与压缩弹簧部件的中空部的尺寸关联地，剪切弹簧部件可以部分地配置在中空部中，以节省装置占据的空间并且允许外形尺寸小型化，由此实现铁道车辆低床化(low floor height)。另一方面，还可以的是，剪切弹簧部件和压缩弹簧部件以如下方式响应于水平载荷而作为串联弹簧起作用：对于水平载荷，借助于串联弹簧的优点，具有较低的弹簧常数的弹簧部件的功能起主要作用。

在空气弹簧装置的上述配置中，如果空气弹簧的筒状挠性膜体具有自密封结构，则可以取消用于将筒状挠性膜体安装到面板的固定构件，由此有效地减小了部件的数目并且简化了筒状挠性膜体的维护和更换。此外，可以减小空气弹簧自身的高度，结合前述内容，更易于实现低床化的铁路车辆。

在本发明中，如果抵接构件和所述压缩弹簧部件侧的构件中的至少一方设置有配置在这些元件之间的缓冲构件，并且该缓冲构件由橡胶、塑料、各种纤维或皮革构成，则在抵接构件与压缩弹簧部件侧的构件抵接时，可以有效地抑制振动和噪音的发生。在该示例中，如果缓冲构件与剪切弹簧部件的橡胶构件成为一体，使得剪切弹簧部件的橡胶构件覆盖剪切弹簧部件的外筒的凸缘部的表面，其中该凸缘部配置于压缩弹簧部件上，则可以降低整合该缓冲构件的成本和装配步骤的数目。

此外，如果上面板具有使所述空气弹簧和辅助空气容器连通的气体通道变窄的节流通道，则不管下面板和下端支撑板之间的剪切弹簧部件和压缩弹簧部件的位移方式和/或变形方式如何，空气弹簧都可以通过具有设计的形状和尺寸的不变形的通道与辅助容器连通。由此，可以为空气弹簧装置提供一直恒定的减振功能，而不受装置的构成元件的位移或变形影响。

此外，如果对于上面板设置节流通道，则不必在空气弹簧的下面板、下面板下方的压缩弹簧部件内部和下端支撑板中的任一方设置空气通道，由此允许实际上显著地简化气体通道结构以及气体通道的密封结构。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的纵向截面图；

图2是示出本发明的另一实施方式的纵向截面图；

图3是示出垂直载荷和弹簧常数的关系的曲线图；以及

图4是示出水平载荷和弹簧常数的关系的曲线图。

附图标记说明

1上面板

2下面板

3筒状挠性膜体

4空气弹簧

5剪切弹簧部件

5a橡胶构件

5b、6b刚性板

6压缩弹簧部件

6a橡胶板

7a内筒

7b外筒

7c凸缘部

8下端支撑板

8a下轴

9上端环

10抵接构件

11缓冲构件

12聚四氟乙烯层

13上轴

14辅助容器

15气体通道

16节气通道

x、y间隙

具体实施方式

图1是示出本发明的一个实施方式的纵向截面图，在所示出的实施方式中，通过示例，附图标记1表示以水平姿态配置在车体侧上的上面板，附图标记2表示下面板，附图标记3表示具有自密封结构的筒状挠性膜体，其中挠性膜体的端部气密地连接到上面板1和下面板2。这些元件1、2、3构成如下的空气弹簧4：其内部填充预定压力的气体，所填充的气体例如为空气、惰性气体等。

在示出的实施方式中，在空气弹簧4的下面板2侧，剪切弹簧部件5和压缩弹簧部件6彼此串联布置，以提供空气弹簧4、剪切弹簧部件5和压缩弹簧部件6以所述顺序的串联排列的结构。这种结构提供了如下柔性弹簧特性：对于所施加的垂直载荷，具有低的弹簧常数的弹簧部件的功能起主要作用。顺便提及，与示出的配置相反地，剪切弹簧部件5和压缩弹簧部件6的顺序可以反过来。

此外，在示出的实施方式中，剪切弹簧部件5被配置成围绕其内筒的形式，所述内筒将在下面说明。剪切弹簧部件5包括：橡胶构件5a，其以正面形状、侧面形状等尺寸朝向图的下侧逐渐减小的方式具有例如圆锥台或角锥台形状等中空锥台形状；以及刚性板5b，其为几何形状与橡胶构件5a类似的角锥台状，其中，橡胶构件5a和刚性板5b一个在另一个上方地交替地层叠。如此获得的层叠结构被接合到内筒7a和外筒7b，内筒7a考虑到轻质化的目的而为筒状体形式且外表面类似地为角锥台状。可替换地，剪切弹簧部件5的角锥台形状可以具有朝向图的上侧减小的尺寸。

压缩弹簧部件6被配置成与下面板2的下侧隔开。压缩弹簧部件6包括水平的环状橡胶板6a和类似地为环状的刚性板6b，其中橡胶板6a和刚性板6b一个在另一个上方地交替地层叠。如此获得的层叠结构被接合到下端支撑板8和上端环9，下端支撑板8例如以水平的姿态被固定到车厢。在示出的实施方式中，橡胶板6a、刚性板6b和上端环9的内径相同。

由此，剪切弹簧部件5和压缩弹簧部件6被配置在空气弹簧4的下面板2和被配置成与下面板2的下侧隔开的下端支撑板8之间。在该示例中，压缩弹簧部件6的下端面被接合到下端支撑板8，而剪切弹簧部件5的内筒7a通过内筒7a的具有大表面的底部侧固定到下面板2的下表面。另一方面，外筒7b的凸缘部7c被嵌合到上端环9的上表面且与该上表面接合。设置有抵接构件10，其以在图中向下突出的方式形成于下面板2，但从外筒7b的凸缘部7c向上隔开预定间隙x。该间隙x可以小于剪切弹簧部件5和下端支撑板8之间的间隙y，具体地，间隙y为突入压缩弹簧部件6中且在剪切弹簧部件5操作时经历最大的向下位移的内筒7a和用于将下端支撑板8固定到车厢的下轴8a之间的间隙。这样，由于剪切弹簧部件5被配置成突入压缩弹簧部件6中，剪切弹簧部件5和压缩弹簧部件6构成串联结构，以实现响应于所施加的水平载荷的柔性弹簧特性。

在示出的实施方式中，附图标记11表示缓冲构件，其被设置于剪切弹簧部件5的外筒7b的凸缘部7c的上表面，且与橡胶构件5a一体。在抵接构件10抵接凸缘部7c时，缓冲构件11起到抑制振动和噪音的作用。由于缓冲构件11与橡胶构件5a一体地形成，因此与这些元件被分开地设置的情况相比可以降低成本。

附图标记12表示作为下面板2的表面上的滑动引导构件的聚四氟乙烯层，其中下面板2与上面板1相对。当上面板1的下表面与下面板2的上表面接触时，聚四氟乙烯层12起到实现上面板1和下面板2之间的平滑的相对水平位移的作用。在示出的实施方式中，绕下面板2的中心轴线以彼此间隔适当距离的方式设置多个聚四氟乙烯层12。附图标记13表示上轴(upper boss)，其用于将上面板固定到车体侧，且上轴形成有用于将一定压力的气体供给到空气弹簧4的通道。

在本发明的另一实施方式中，如图2的纵向截面图所示，上轴13设置有中央气体通道15和节流通道16，其中中央气体通道15用于使空气弹簧4与车体侧的辅助容器14连通，节流通道16设置于气体通道15中，用于使气体通道15局部地变窄。

在该示例中，当加压气体因摩擦或扩散而在空气弹簧4和辅助容器14之间流动时，节流通道16允许空气弹簧装置在被施加垂直载荷时呈现出所需的减振功能等。

顺便提及，可以通过与气体通道15一体的方式为上轴13设置使气体通道15变窄的节流通道16。然而，可替换地，节流通道16可以形成为单独的构件，然后通过螺纹连接、焊接等将该单独的构件固定到上轴13以便于形成所需的节流通道16。为了便于形成气体通道15，在气体通道15的任意端部形成节流通道16都是有利的。

如图2所示的空气弹簧的其它结构与上述图1的实施方式的结构类似。

利用如上所述构造的空气弹簧装置，铁路车辆在空气弹簧4正常状态下正常运行时，在空气弹簧4、剪切弹簧部件5和压缩弹簧部件6的串联结构作用下，垂直载荷主要通过空气弹簧4和剪切弹性部件5的变形、特别是剪切弹性部件5的橡胶构件5b的变形而以较柔性的弹簧常数弹性地支撑。图3的图表中的曲线A表示在该状态下载荷的大小与弹簧常数之间的关系。

此外，在该示例中，由于加压气体因摩擦或扩散而通过气体通道15中的节流通道16在空气弹簧4和辅助容器14之间流动，因此在被施加垂直载荷等时，节流通道16允许空气弹簧装置呈现出所需要的减振功能。由此，空气弹簧装置不需要在车体侧设置如机械减振器等减振部件，以简化车体侧的结构。

另一方面，当空气弹簧4由于穿孔等而处于泄气状态时，垂直载荷被剪切弹簧部件5以如图3的图表中的曲线B所表示的较小的弹簧常数柔性且弹性地支撑，直到剪切弹簧部件5达到变形极限位置，以在允许车辆安全行驶的状态下保持可接受的乘坐舒适性。

如果剪切弹簧部件5达到其变形极限且由此使抵接构件10与外筒7b的凸缘部7c抵接时，垂直载荷通过上面板1和下面板2和凸缘部7c仅由压缩弹簧部件6弹性地支撑。由此，弹簧常数随着载荷的增大而大致线性地增大。由于较硬的弹簧常数，可以将车辆高度在车辆空载状态和车辆完全加载状态之间的变化抑制在足够小的范围内。

此外，利用根据本发明的空气弹簧装置，当在空气弹簧4的正常状态下施加水平载荷时，载荷以特别地如图4的图表中的曲线C所表示的柔性弹簧特性由空气弹簧4和压缩弹簧部件6的水平位移弹性地支撑。另一方面，在空气弹簧4泄气的状态下，其中剪切弹簧部件5和压缩弹簧部件6呈串联结构，水平载荷以如图4的图表中的曲线D表示的较小弹簧常数被压缩弹性部件6的剪切变形支撑。

在空气弹簧4泄气的状态下，如上所述，由于使间隙x小于间隙y，因此即使剪切弹簧部件5被剪切变形而达到极限位置，其中抵接构件10在该极限位置处起作用，也完全允许剪切弹簧部件5相对于下端支撑板8的水平位移，由此确保压缩弹簧部件6的平滑剪切变形。此外，在空气弹簧4泄气的状态下，尽管上面板1的下表面与下面板2的上表面接触，通过如上所述设置在下面板2上的聚四氟乙烯层12，允许上面板1和下面板2的相对水平位移。

最后，注意，根据专利文献1公开的空气弹簧装置，当在空气弹簧泄气的状态下施加水平载荷时，甚至直到达到金属接触状态，由于两种类型的元件即所谓的圆锥型的弹性体和缓冲构件在彼此并列配置的形式下被压缩变形，因此载荷以图4的图表中的曲线E表示的较大弹簧常数被支撑，导致难以保持车辆的可接受的乘坐舒适性，且难以确保车辆高速安全行驶而没有脱轨的危险。

Claims (8)

1.一种空气弹簧装置，其包括如下被配置成彼此串联连接的部件：

空气弹簧，其具有被填充有气体的内部，所述内部由上面板、下面板和筒状挠性膜体限定，所述筒状挠性膜体具有分别气密连接到所述上面板和所述下面板的端部；

剪切弹簧部件，其包括内筒、外筒以及在所述内筒和所述外筒的相对的周面之间交替地层叠配置的环状橡胶构件和环状刚性板，所述剪切弹簧部件能响应于垂直载荷而剪切变形；以及

压缩弹簧部件，其包括上端环、下端支撑板以及在所述上端环和所述下端支撑板之间交替地层叠配置的橡胶构件和刚性板，所述压缩弹簧部件能响应于垂直载荷而压缩变形；

其中，所述空气弹簧装置还包括抵接部，所述抵接部用于限制所述剪切弹簧部件的内筒和外筒之间在垂直方向上的相对位移量，使得所述相对位移被限制时，在所述内筒和所述下端支撑板之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的空气弹簧装置，其特征在于，

所述剪切弹簧部件包括层叠结构，在所述层叠结构中，锥台状的所述橡胶构件和锥台状的所述刚性板彼此交替地层叠，所述层叠结构被接合到所述内筒和所述外筒。

3.根据权利要求1所述的空气弹簧装置，其特征在于，

所述压缩弹簧部件包括层叠结构，在所述层叠结构中，圆环状的所述橡胶构件和圆环状的所述刚性板彼此交替地层叠，所述层叠结构被接合到所述下端支撑构件和所述上端环，以及

所述剪切弹簧部件的所述外筒具有凸缘部，所述凸缘部嵌合于所述上端环。

4.根据权利要求2或3所述的空气弹簧装置，其特征在于，所述剪切弹簧部件的所述内筒被固定到所述下面板的下表面。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的空气弹簧装置，其特征在于，所述空气弹簧的所述筒状挠性膜体具有自密封结构。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的空气弹簧装置，其特征在于，所述空气弹簧装置还包括缓冲构件，所述缓冲构件被设置在所述抵接部和所述压缩弹簧部件侧的构件之间。

7.根据权利要求6所述的空气弹簧装置，其特征在于，所述缓冲构件与所述剪切弹簧部件的橡胶构件成为一体。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的空气弹簧装置，其特征在于，所述上面板具有节流通道，所述节流通道使将所述空气弹簧与辅助空气容器连通的气体通道变窄。

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