CN105437868A - 一种耦合轮对 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电控耦合轮对，所述电控耦合轮对包括轴桥，所述轴桥的两个端部分别通过相应轴承装在第一车轮和第二车轮的轮毂孔内；所述轴桥为空心管状结构，所述轴桥内套装有一根扭杆；所述第一车轮和第二车轮的横向力和垂向力通过轴承传递至轴桥；所述第一车轮的轮毂外端装有传动盘，该传动盘的内端面与所述扭杆的一个端部刚性连接；所述第二车轮的轮毂外端设有外端盖，该轮毂与外端盖之间设有摩擦耦合机构，该摩擦耦合机构用于使轮对形成独立旋转轮对或扭转耦合轮对。本发明可以最大程度发挥耦合轮对自动导向、曲线减磨的作用。

Description

一种耦合轮对

技术领域

本发明涉及一种耦合轮对，属于轨道车辆领域，尤其适用于动车组、客车、城轨车辆、机车的转向架领域。

背景技术

耦合轮对是介于刚性轮对与独立旋转轮对之间的轮对结构，其左、右车轮的扭转耦合刚度不像刚性轮对那么大也不像独立旋转轮对那样似乎为0。刚性轮对最大优点是自动导向，缺点是存在蛇行风险并且小曲线线路踏面磨耗大；而独立旋转轮对最大优点是蛇行稳定性非常好且小曲线通过时车轮可以纯滚动通过，缺点是缺乏自动对中能力从而引起轮缘碰磨严重。

耦合轮对的研究大多基于磁流变技术，磁流变耦合技术结构较复杂，实用性受限。

发明内容

本发明旨在提供一种耦合轮对，该耦合轮对的左、右车轮通过一个摩擦副耦合，允许摩擦力矩灵活控制，同时，轴桥只承受弯矩载荷，扭矩载荷由扭杆承担，轴桥无传统轮对车轴的弯扭耦合载荷，可靠性更高，从而可以最大程度发挥耦合轮对自动导向、曲线减磨的作用。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种耦合轮对，包括轴桥，其结构特点是；所述轴桥的两个端部分别通过相应轴承装在第一车轮和第二车轮的轮毂孔内；所述轴桥为空心管状结构，所述轴桥内套装有一根扭杆；所述第一车轮和第二车轮的横向力和垂向力通过轴承传递至轴桥；所述第一车轮的轮毂外端装有传动盘，该传动盘的内端面与所述扭杆的一个端部刚性连接；所述第二车轮的轮毂外端设有外端盖，该轮毂与外端盖之间设有摩擦耦合机构，该摩擦耦合机构用于使轮对形成独立旋转轮对或扭转耦合轮对。

所述扭转耦合轮对是指两个轮对之间在此时扭力传动而成为刚性轮对。

本发明的扭转耦合轮对核心部分为电控耦合机构。当供电电流为0时，贴合面接触力很小，因此贴合面的摩擦力也很小，左、右车轮允许独立旋转，此时轮对表现为独立旋转轮对。当供电电缆有电流时，在磁通的作用下，贴合面产生接触力，同时贴合面产生摩擦力，所以外端盖与铁芯形成摩擦耦合力矩，即左、右车轮存在摩擦耦合力矩。此时轮对表现为扭转耦合轮对。当供电电流足够大时，贴合面产生很大的接触力（由于贴合面间隙非常小，经计算，磁吸力将很大），同时贴合面产生很大的摩擦力，所以外端盖与铁芯形成摩擦耦合力矩很大以至于贴合面完全无法滑动，此时轮对表现近似为刚性轮对。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

优选地，所述摩擦耦合机构包括带吸盘的铁芯，包绕在铁芯上的绕组线圈；所述铁芯外端与外端盖内侧壁之间形成第一贴合面，所述吸盘与外端盖之间径向贴合形成第二贴合面，该吸盘与外端盖之间轴向贴合形成第三贴合面；所述绕组线圈产生磁通时，磁通流经铁芯、第一贴合面、外端盖、第三贴合面、第二贴合面、吸盘后回到铁芯，形成一个闭合磁通回路。由此，当供电电流为0时，贴合面接触力很小，因此贴合面的摩擦力也很小，所以外端盖与铁芯的耦合力矩很小，左、右车轮允许独立旋转，此时轮对表现为独立旋转轮对。当供电电缆有电流时，绕组线圈产生磁通，磁通流经铁芯、贴合面、外端盖、贴合面、吸盘后回到铁芯，形成一个闭合磁通回路。所以外端盖与铁芯形成摩擦耦合力矩，即左、右车轮存在摩擦耦合力矩。此时轮对表现为扭转耦合轮对。

所述铁芯的内端具有端齿，所述扭杆的外端具有与该铁芯内端端齿咬合的端齿；所述扭杆的外端与该铁芯的内端咬合后通过紧固件固定在一起。

为了提高摩擦力，保证传动可靠，所述第一贴合面、第三贴合面和第二贴合面均为带摩擦凸起的摩擦面。

优选地，所述绕组线圈的两级与一电刷相连，该电刷与装在轴桥端部的刷盘压力接触导电，所述刷盘与供电电缆电连接。更优选地，所述轴桥上开有用于穿过供电电缆的电缆孔，可以防止电缆线缠绕问题。

为了使一系悬挂内置，减小了轴桥和扭杆长度。所述轴桥左右对称地设置有用于安装一系悬挂的一系悬挂承载座。

所述第一车轮的轮毂与所述轴承的外圈配合，并且轮毂与外圈通过传动盘和位于轴承内侧的内端盖双侧压紧固定，使使轮对行进时第一车轮、轴承的外圈、传动盘和内端盖形成一个整体。

所述轴桥的两端与轴承的内圈配合，且所述轴桥与内圈通过位于内圈外侧的压盖和位于内圈内侧的挡圈双侧压紧固定，使使轮对行进时轴桥、内圈、压盖、挡圈形成一个整体。

优选地，为了保证扭杆与传动盘之间形成咬合状态来主要承担扭力，避免了扭杆与传动盘之间的连接件过疲劳，所述传动盘一侧内周具有沿圆周分布的端齿，所述扭杆两端也具有沿圆周分布的端齿；所述传动盘的端齿与扭杆的端齿咬合相连并通过紧固件固定，使使轮对行进时第一车轮与传动盘、扭杆可绕轮轴中心同步转动。由此，紧固件仅起到连接作用，而不承受扭力。

优选地，所述第二车轮的轮毂与轴承的外圈配合，且所述轮毂与外圈通过外端盖和位于外圈内侧的内端盖双侧压紧固定，使轮对行进时第二车轮外圈、外端盖、内端盖形成一个整体。

为了方便制动，所述第一车轮和第二车轮的幅板上均装有制动盘。

优选地，所述轴桥内壁与扭杆外壁之间具有间隙。所述扭杆为空心管状结构。

本发明的轮对组成将轴承布置在车轮与轴桥之间，取消了传统的轴箱；车轮通过传动盘与扭杆连接，扭杆再通过传动盘与另一侧车轮连接，实现了左右车轮同步旋转。

藉由上述结构，本发明实现了通过控制供电电流大小控制轮对的允许扭转耦合力矩。在曲线通过时，减小电流可使轮对纯滚动通过；在直线运行时，可增大电流实现轮对自动导向。若结合转向架失稳检测系统使用，可以在检测到转向架蛇行失稳时及时调节电流大小，通过调节轮对允许扭转耦合力矩使转向架重新恢复到蛇行稳定状态，配合控制算法可实现机车车辆蛇行运动的主动控制。

由于该耦合轮对左、右车轮最终经摩擦副耦合，机车车辆在曲线通过时，内外侧车轮的转速差促使摩擦副滑动从而耗散扭转势能，因此该耦合轮对将消除扭转振动并减轻甚至消除钢轨波浪形磨损。

由于曲线通过时内外车轮的转速差有限，本发明所述的摩擦副的错位角速度很小（与制动盘摩擦副相比），因此该摩擦副的发热和寿命处于完全可控水平。

本发明的电磁铁组成原理与电磁锁一致，只需要约一盏节能灯的功耗便能维持摩擦副所需的接触力；采用电磁铁作为动作力的第二个优势在于摩擦副的接触力可通过调节电流精确控制且该接触力值非常稳定；采用电磁铁作为动作力的第三个优势在于电控的响应速度最快。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了通过控制供电电流大小控制轮对的允许扭转耦合力矩。在曲线通过时，减小电流可使轮对纯滚动通过；在直线运行时，可增大电流实现轮对自动导向。若结合转向架失稳检测系统使用，可以在检测到转向架蛇行失稳时及时调节电流大小，通过调节轮对允许扭转耦合力矩使转向架重新恢复到蛇行稳定状态，配合控制算法可实现机车车辆蛇行运动的主动控制。

由于该耦合轮对左、右车轮最终经摩擦副耦合，机车车辆在曲线通过时，内外侧车轮的转速差促使摩擦副滑动从而耗散扭转势能，因此该耦合轮对将消除扭转振动并减轻甚至消除钢轨波浪形磨损。

由于曲线通过时内外车轮的转速差有限，本发明所述的摩擦副的错位角速度很小（与制动盘摩擦副相比），因此该摩擦副的发热和寿命处于完全可控水平。

轴桥直径尺寸相当的情况下，轴桥和扭杆的长度比传统轮对车轴短,甚至相对传统车轴短1/3左右，质量较小。

本发明的电磁铁组成原理与电磁锁一致，只需要约一盏节能灯的功耗便能维持摩擦副所需的接触力；采用电磁铁作为动作力的第二个优势在于摩擦副的接触力可通过调节电流精确控制且该接触力值非常稳定；采用电磁铁作为动作力的第三个优势在于电控的响应速度最快。

此外，通过算法控制线圈电流还可以实现蛇行稳定性闭环主动控制，从而提高机车车辆蛇行稳定性。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是本发明轮对刚性连接侧结构示意图；

图3是本发明轮对摩擦耦合侧结构示意图；

图4是本发明轮对磁通闭合路径示意图。

具体实施方式

一种电控耦合轮对，如图1所示，为了方便描述，按摩擦耦合机构分布位置将轮对划分为刚性连接侧（图2）和摩擦耦合侧（图3）。

对于刚性连接侧，结构如图1和图2所示。第一车轮1的轮毂3与轴承6的外圈13配合，并且用传动盘7和内端盖14双侧压紧轴承6的外圈13。螺钉5用于紧固传动盘7和轮毂3，螺钉15用于紧固内端盖14和轮毂3。从而，行进时第一车轮1与轴承6的外圈13、传动盘7、内端盖14形成一个整体。如图1和图2所示，轴桥19两端与轴承6的内圈12配合，并且用压盖10和挡圈16双侧压紧轴承6的内圈12。挡圈16与轴桥19的挡肩17接触，螺钉11联接压盖10和轴桥19，在螺钉11的紧固力下，轴承6的内圈12双侧都被压紧。从而，行进时轴桥19与轴承6的内圈12、压盖10、挡圈16形成一个整体。对于刚性连接侧，如图2所示，第一车轮1的轮毂3一侧具有沿圆周分布的端齿4，传动盘7一侧外周也具有沿圆周分布的端齿4；在螺钉5的紧固下，轮毂3的端齿4与传动盘7的端齿4紧密咬合。传动盘7一侧内周具有沿圆周分布的端齿8，扭杆20两端也具有沿圆周分布的端齿8；螺钉9用于紧固传动盘7与扭杆20，在螺钉9的紧固下，传动盘7的端齿8与扭杆20的端齿8紧密咬合。在端齿4和端齿8的联接下，第一车轮1与传动盘7、扭杆20绕轮轴中心同步转动。

对于摩擦耦合侧，结构如图1和图3所示。第二车轮21的轮毂3与轴承6的外圈13配合，并且用外端盖25和内端盖14双侧压紧轴承6的外圈13。螺钉24用于紧固外端盖7和轮毂3，螺钉15用于紧固内端盖14和轮毂3。从而，行进时第二车轮21与轴承6的外圈13、外端盖25、内端盖14形成一个整体。如图1和图3所示，轴桥19两端与轴承6的内圈12配合，并且用压盖10和挡圈16双侧压紧轴承6的内圈12。挡圈16与轴桥19的挡肩17接触，螺钉32联接压盖10和轴桥19，在螺钉32的紧固力下，轴承6的内圈12双侧都被压紧。从而，行进时轴桥19与轴承6的内圈12、压盖10、挡圈16形成一个整体。对于摩擦耦合侧，如图3所示，第二车轮21的轮毂3一侧具有沿圆周分布的端齿23，外端盖25一侧外周也具有沿圆周分布的端齿23；在螺钉24的紧固下，轮毂3的端齿23与外端盖25的端齿23紧密咬合。在端齿23的联接下，第二车轮21与外端盖25绕轮轴中心同步转动。

特别的，对于摩擦耦合侧（如图1和图3所示）还设计有摩擦耦合机构。摩擦耦合机构由带吸盘26的铁芯28、绕组线圈27和外端盖25组成。铁芯28与外端盖25贴合（贴合面为36），铁芯28的吸盘26与外端盖25轴向和径向贴合（贴合面为35和34），第三贴合面35和第二贴合面34约束住了铁芯28的轴向和径向位移。此外铁芯28具有端齿30，其与扭杆20的端齿30咬合并被螺钉29轴向拉紧。绕组线圈27缠绕在铁芯28上。绕组线圈27的两级与电刷31相连，电刷31与刷盘33压力接触导电，刷盘33与供电电缆22连接。如图1所示，轴桥19左右对称设置了一系悬挂承载座，在一系悬挂18作用下，轮对滚动前进时轴桥19无转动，因此供电电缆22可以选择从轴桥19穿孔引出，车轮滚动前进时供电电缆22不会发生缠绕。

当供电电缆22电流为0时，第一贴合面36、第三贴合面35和第二贴合面34接触力很小，因此第一贴合面36、第三贴合面35和第二贴合面34的摩擦力也很小，所以外端盖25与铁芯28的耦合力矩很小，第一车轮1与第二车轮21允许独立旋转。此时轮对表现为独立旋转轮对。

当供电电缆22有电流时，绕组线圈27产生磁通，磁通流经铁芯28、第一贴合面36、外端盖25、第三贴合面35和第二贴合面34、吸盘26后回到铁芯28，形成一个闭合磁通回路（见图4）。在磁通的作用下，第一贴合面36、第三贴合面35和第二贴合面34产生接触力，同时第一贴合面36、第三贴合面35和第二贴合面34产生摩擦力，所以外端盖25与铁芯28形成摩擦耦合力矩，即第一车轮1与第二车轮21存在摩擦耦合力矩。此时轮对表现为扭转耦合轮对。当供电电缆22的电流足够大时，第一贴合面36、第三贴合面35和第二贴合面34产生很大的接触力（由于第一贴合面36、第三贴合面35和第二贴合面34间隙非常小，经计算，磁吸力将很大），同时第一贴合面36、第三贴合面35和第二贴合面34产生很大的摩擦力，所以外端盖25与铁芯28形成摩擦耦合力矩很大以至于第一贴合面36、第三贴合面35和第二贴合面34完全无法滑动，此时轮对表现近似为刚性轮对。

因此可以通过控制供电电缆22的电流大小控制轮对的允许扭转耦合力矩。在曲线通过时，减小电流可使轮对纯滚动通过；在直线运行时，可增大电流实现轮对自动导向。若结合转向架失稳检测系统使用，可以在检测到转向架蛇行失稳时及时调节电流大小，通过调节轮对允许扭转耦合力矩使转向架重新恢复到蛇行稳定状态，配合控制算法可实现机车车辆蛇行运动的主动控制。

由于该耦合轮对第一车轮1、第二车轮21最终经摩擦副耦合，机车车辆在曲线通过时，内外侧车轮的转速差促使摩擦副滑动从而耗散扭转势能，因此该耦合轮对将消除扭转振动并减轻甚至消除钢轨波浪形磨损。

由于曲线通过时内外车轮的转速差有限，本发明所述的摩擦副的错位角速度很小（与制动盘摩擦副相比），因此该摩擦副的发热和寿命处于完全可控水平。

本发明的电磁铁组成原理与电磁锁一致，只需要约一盏节能灯的功耗便能维持摩擦副所需的接触力；采用电磁铁作为动作力的第二个优势在于摩擦副的接触力可通过调节电流精确控制且该接触力值非常稳定；采用电磁铁作为动作力的第三个优势在于电控的响应速度最快。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (13)

1.一种耦合轮对，包括轴桥（19），其特征在于；所述轴桥（19）的两个端部分别通过相应轴承（6）装在第一车轮（1）和第二车轮（21）的轮毂（3）孔内；所述轴桥（19）为空心管状结构，所述轴桥（19）内套装有一根扭杆（20）；所述第一车轮（1）和第二车轮（21）的横向力和垂向力通过轴承（6）传递至轴桥（19）；所述第一车轮（1）的轮毂（3）外端装有传动盘（7），该传动盘（7）的内端面与所述扭杆（20）的一个端部刚性连接；所述第二车轮（21）的轮毂（3）外端设有外端盖（25），该轮毂（3）与外端盖（25）之间设有摩擦耦合机构，该摩擦耦合机构用于使轮对形成独立旋转轮对或扭转耦合轮对。

2.根据权利要求1所述的耦合轮对，其特征在于，所述摩擦耦合机构包括带吸盘（26）的铁芯（28），包绕在铁芯（28）上的绕组线圈（27）；所述铁芯（28）外端与外端盖（25）内侧壁之间形成第一贴合面（36），所述吸盘（26）与外端盖（25）之间径向贴合形成第二贴合面（34），该吸盘（26）与外端盖（25）之间轴向贴合形成第三贴合面（35）；所述绕组线圈（27）产生磁通时，磁通流经铁芯（28）、第一贴合面（36）、外端盖（25）、第三贴合面（35）、第二贴合面（34）、吸盘（26）后回到铁芯（28），形成一个闭合磁通回路。

3.根据权利要求2所述的耦合轮对，其特征在于，所述铁芯（28）的内端具有端齿（30），所述扭杆（20）的外端具有与该铁芯（28）内端端齿（30）咬合的端齿（30）；所述扭杆（20）的外端与该铁芯（28）的内端咬合后通过紧固件固定在一起。

4.根据权利要求2所述的耦合轮对，其特征在于，所述第一贴合面（36）、第三贴合面（35）和第二贴合面（34）均为带摩擦凸起的摩擦面。

5.根据权利要求2所述的耦合轮对，其特征在于，所述绕组线圈（27）的两级与一电刷（31）相连，该电刷（31）与装在轴桥（19）端部的刷盘（33）压力接触导电，所述刷盘（33）与供电电缆（22）电连接。

6.根据权利要求5所述的耦合轮对，其特征在于，所述轴桥（19）上开有用于穿过供电电缆（22）的电缆孔。

7.根据权利要求1-6之一所述的耦合轮对，其特征在于，所述轴桥（19）左右对称地设置有用于安装一系悬挂（18）的一系悬挂承载座。

8.根据权利要求1-6之一所述的耦合轮对，其特征在于，所述第一车轮（1）的轮毂（3）与所述轴承（6）的外圈（13）配合，并且轮毂（3）与外圈（13）通过传动盘（7）和位于轴承（6）内侧的内端盖（14）双侧压紧固定，使使轮对行进时第一车轮（1）、轴承（6）的外圈（13）、传动盘（7）和内端盖（14）形成一个整体。

9.根据权利要求1-6之一所述的耦合轮对，其特征在于，所述轴桥（19）的两端与轴承（6）的内圈（12）配合，且所述轴桥（19）与内圈（12）通过位于内圈（12）外侧的压盖（10）和位于内圈（12）内侧的挡圈（16）双侧压紧固定，使使轮对行进时轴桥（19）、内圈（12）、压盖（10）、挡圈（16）形成一个整体。

10.根据权利要求1-6之一所述的耦合轮对，其特征在于，所述传动盘（7）一侧内周具有沿圆周分布的端齿（8），所述扭杆（20）两端也具有沿圆周分布的端齿（8）；所述传动盘（7）的端齿（8）与扭杆（20）的端齿（8）咬合相连并通过紧固件固定，使使轮对行进时第一车轮（1）与传动盘（7）、扭杆（20）可绕轮轴中心同步转动。

11.根据权利要求1-6之一所述的耦合轮对，其特征在于，所述第二车轮（21）的轮毂（3）与轴承（6）的外圈（13）配合，且所述轮毂（3）与外圈（13）通过外端盖（25）和位于外圈（13）内侧的内端盖（14）双侧压紧固定，使轮对行进时第二车轮（21）外圈（13）、外端盖（25）、内端盖（14）形成一个整体。

12.根据权利要求1-6之一所述的轻量化轮对，其特征在于，所述第一车轮（1）和第二车轮（21）的幅板上均装有制动盘（2）。

13.根据权利要求1-6之一所述的轻量化轮对，其特征在于，所述扭杆（20）为空心管状结构。