CN107061615A - 一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，包括并联设置在车体(1)和车下设备(2)之间的橡胶弹簧(3)和仅用于提供负刚度的碟形弹簧负刚度机构(4)。与现有技术相比，本发明具有垂向、横向刚度分离的特性，能够有效降低车体弹性振动，提高车辆运行平稳性，改善乘坐舒适度。

Description

一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器
技术领域
本发明涉及铁道车辆技术领域，尤其是涉及一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器。
背景技术
采用动力分散的高速列车，牵引变流器、辅助变流器等设备直接吊挂在车体客室下，随着列车运行速度的提高，采用轻量化设计技术的车体弹性振动加剧，车下设备直接吊挂于车体下方会对车体运行平稳性产生影响，如果吊挂方式不当，可能导致车体振动恶化，降低车辆运行平稳性。目前高速列车车下设备多采用弹性吊挂于车体下方，其刚度通常是基于设备垂向吊挂刚度进行设计的，主要原因是由于用于车下设备吊挂的橡胶弹簧存在固定的垂向、横向刚度比，一旦垂向刚度确定，横向刚度即随之确定。而实际上，仅考虑垂向吊挂刚度时，虽然垂向振动得到了有效控制，但横向振动控制却无法取得最优情况。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，包括并联设置在车体和车下设备之间的橡胶弹簧和仅用于提供负刚度的碟形弹簧负刚度机构。
作为优选的技术方案，所述的碟形弹簧负刚度机构的一端分与车体固定连接，另一端与车下设备滚动或滑动连接。
作为优选的技术方案，所述的碟形弹簧负刚度机构包括顺次连接的碟形弹簧和滚动轮，所述的碟形弹簧与车体固定连接，滚动轮与车下设备滚动连接。
作为优选的技术方案，所述的滚动轮设有一个或多个。
作为优选的技术方案，所述的碟形弹簧的高厚比大于
作为优选的技术方案，所述碟形弹簧为预压缩碟形弹簧。
作为优选的技术方案，所述的橡胶弹簧的两端分别与车体和车下设备固定连接。
作为优选的技术方案，所述的橡胶弹簧为压缩型橡胶弹簧。
作为优选的技术方案，所述的橡胶弹簧及碟形弹簧负刚度机构分别设置有一个或多个。
本发明的工作原理为：
利用碟形弹簧的负刚度特性，与橡胶弹簧并联，设计出一种可以实现垂向、横向吊挂刚度分离的车下设备新型减振器。其设计步骤为：首先，设计橡胶弹簧，使其横向(X向和Y向)刚度与横向刚度目标值相等；然后，设计碟形弹簧，使其在平衡位置的负刚度与橡胶弹簧垂向(Z向)刚度叠加后同垂向刚度目标值相等；最后，通过滑动或滚动连接(优选采用滚动轮的滚动连接)，释放碟形弹簧横向自由度，使其提供的横向刚度为零，实现车下设备垂向与横向吊挂刚度的最优匹配。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)采用仅提供负刚度的碟形弹簧负刚度机构与橡胶弹簧并联的结构形式，使橡胶弹簧在垂向刚度与碟形弹簧负刚度叠加后得到目标刚度，以实现车下设备垂向与横向吊挂刚度的最优匹配，具有垂向、横向刚度分离的特性，该减振器可有效降低车体振动，提高车辆运行平稳性。
(2)装置可直接安装在车体与车下设备之间，无须对车体或车下设备进行改造，可用性高，适用性广。
(3)滚动轮可将碟形弹簧横向(X向和Y向)自由度释放，使碟形弹簧仅提供垂向(Z向)刚度。
附图说明
图1为本发明实施例1的减振器的结构示意图；
图2为本发明实施例1的碟形弹簧截面示意图；
图3为本发明实施例1的碟形弹簧受力特性曲线；
图4为本发明实施例1的减振器的刚度-位移(k-x)关系图；
图5为车下设备分别采用本发明的减振器和传统橡胶减振器的车辆运行工况车体横向振动功率谱对比图；
图6为车下设备分别采用本发明的减振器和传统橡胶减振器的车辆运行工况车体垂向振动功率谱对比图。
图1中，1为车体，2为车下设备，3为橡胶弹簧，4为碟形弹簧负刚度机构，5为碟形弹簧，6为滚动轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，如图1所示，包括并联在车体与车下设备之间的橡胶弹簧3和仅提供负刚度的碟形弹簧负刚度机构4(本实施例中橡胶弹簧3和碟形弹簧负刚度机构4均设有一个)，橡胶弹簧3一端与车体1固定连接，另一端与车下设备2固定连接，碟形弹簧负刚度机构4的一端分与车体1固定连接，另一端与车下设备2滚动或滑动连接(本实施例中，仅提供负刚度的碟形弹簧负刚度机构4包括顺次连接的碟形弹簧5和滚动轮6，碟形弹簧5与车体1固定连接，滚动轮6与车下设备2滚动连接，滚动轮6的个数根据需要至少设置一个，本实施中设置两个滚动轮6)。
对于橡胶弹簧3与碟形弹簧5参数设计具体步骤如下：首先，设计橡胶弹簧3，使其横向刚度与横向刚度目标值相等；然后，设计碟形弹簧5，使其在平衡位置的负刚度与橡胶弹簧3垂向刚度叠加后同垂向刚度目标值相等；最后，设计滚动轮6，释放碟形弹簧5横向(X向和Y向)自由度，使其提供的横向刚度为零，以实现车下设备垂向与横向吊挂刚度的最优匹配。
具体地：
本实施选用无支撑面碟形弹簧，截面示意图如图2所示。图中，tc为厚度，h0为初始高度，D为外径，d为内径。通常，无支撑面碟形弹簧(外内径之比C＝1～4)受力可表示为：
式中，E为弹性模量，μ为泊松比，x为碟形弹簧从初始位置沿垂向产生的位移，K1与外内径之比C(C＝D/d)有关：
碟形弹簧根据其高厚比不同，会表现出不同的受力特性，当高厚比大于时，其受力特性会出现一段负刚度区域(特性曲线斜率为负值的区域)，如图3所示。
为了研究碟形弹簧负刚度特性，将式(1)进行简化，令 代入式(1)可得
上式对x进行求导，可得碟形弹簧刚度表达式为：
可以看出，碟形弹簧刚度kd是变形量x的二次函数，其对称轴为x＝αtc，且kd(0)＝λ(α2+1)/tc＞0，要使碟形弹簧具有负刚度区间，必须满足Δ＝(-3α)2-6(α2+1)＞0，即此时负刚度的区间为：
本实施例的减振器刚度-位移曲线如图4所示，其中kaIdeal为刚度设计目标值，kd为通过式(4)计算得到的碟形弹簧刚度曲线，kz为所并联的橡胶弹簧刚度，ka＝kz+kd即为最终获得的本实施例的减振器垂向刚度曲线。从图中可以看出，当系统在平衡位置附近振动时，本实施例的减振器垂向刚度ka可达到刚度设计目标值kaIdeal。
橡胶弹簧可分为压缩型、剪切型和复合型，轨道车辆车下设备弹性吊挂通常用压缩型橡胶弹簧，其垂向和横向刚度之比(垂横刚度比)通常在4.5以上，即kz≥4.5ky，为方便说明，本实施例取垂横刚度比为4.5的圆柱形橡胶弹簧为例，作为车下设备弹性吊挂原件，其三向刚度关系为：kz＝4.5ky，ky＝kx。现已通过仿真，得到某高速列车车下设备吊挂频率最优值为垂向9Hz、横向12Hz，该设备质量为6400kg，吊挂点数为4，则设备每吊挂点目标刚度值为
据此，本实施例的减振器中橡胶弹簧横向、纵向刚度即为
ky＝kyIdeal，kx＝ky (7)
依据橡胶弹簧垂横比，可得本实施例的减振器中橡胶弹簧垂向刚度为
kz＝4.5×ky＝4.09×107N/m (8)
那么，所本实施例的减振器中碟形弹簧其在平衡位置的负刚度即为
kd(u＝0)＝kzIdeal-kz＝-3.58×107N/m (9)
根据以上数值，可给定α和C的值，即可确定碟形弹簧其余各参数，具体如表1所示。
表1碟形弹簧各参数
参数 单位 数值 含义
E GPa 206 弹性模量
μ 无 0.03 泊松比
α 无 4 高厚比
h0 mm 12.27 高度
tc m 3.07 厚度
C 无 2 外内径之比
D mm 85.78 外径
d mm 42.89 内径
碟形弹簧要求高厚比大于
橡胶弹簧采用压缩型橡胶弹簧，要求其固定形状，具有固定的垂横刚度比，通过上述设计，可以实现车下设备垂向与横向吊挂刚度的最优匹配。
图5、图6为分别车下设备采用传统橡胶元件和本发明减振器的车辆仿真运行时，车体中部地板面横向、垂向振动加速度功率谱密度对比结果。从图中可以看出，本发明减振器得到的车体中部地板面横向振动加速度功率谱密度在9～16Hz及垂向振动加速度功率谱密度在9～12Hz明显优于传统橡胶减振元件，说明新型减振器能够有效降低车体振动弹性振动，提高车辆运行平稳性。
实施例2
本实施例的用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，碟形弹簧5的高厚比大于首先，设计橡胶弹簧，使其横向(X向和Y向)刚度与横向刚度目标值相等；然后，设计碟形弹簧，使其在平衡位置的负刚度与橡胶弹簧垂向(Z向)刚度叠加后同垂向刚度目标值相等；最后，通过滑动或滚动连接(优选采用滚动轮的滚动连接)，释放碟形弹簧横向自由度，使其提供的横向刚度为零，实现车下设备垂向与横向吊挂刚度的最优匹配。
实施例3
本实施例的用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器与实施例2基本相同，不同之处在于，本实施例中，碟形弹簧5为预压缩碟形弹簧。首先，设计橡胶弹簧，使其横向(X向和Y向)刚度与横向刚度目标值相等；然后，设计碟形弹簧，使其在平衡位置的负刚度与橡胶弹簧垂向(Z向)刚度叠加后同垂向刚度目标值相等；最后，通过滑动或滚动连接(优选采用滚动轮的滚动连接)，释放碟形弹簧横向自由度，使其提供的横向刚度为零，实现车下设备垂向与横向吊挂刚度的最优匹配。
实施例4
本实施例的用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器与实施例2基本相同，不同之处在于，本实施例中，橡胶弹簧3为压缩型橡胶弹簧。首先，设计橡胶弹簧，使其横向(X向和Y向)刚度与横向刚度目标值相等；然后，设计碟形弹簧，使其在平衡位置的负刚度与橡胶弹簧垂向(Z向)刚度叠加后同垂向刚度目标值相等；最后，通过滑动或滚动连接(优选采用滚动轮的滚动连接)，释放碟形弹簧横向自由度，使其提供的横向刚度为零，实现车下设备垂向与横向吊挂刚度的最优匹配。
实施例5
本实施例的用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施中的橡胶弹簧3及碟形弹簧负刚度机构4设置有多个。首先，设计橡胶弹簧，使其横向(X向和Y向)刚度与横向刚度目标值相等；然后，设计碟形弹簧，使其在平衡位置的负刚度与橡胶弹簧垂向(Z向)刚度叠加后同垂向刚度目标值相等；最后，通过滑动或滚动连接(优选采用滚动轮的滚动连接)，释放碟形弹簧横向自由度，使其提供的横向刚度为零，实现车下设备垂向与横向吊挂刚度的最优匹配。

Claims (9)

1.一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，包括并联设置在车体(1)和车下设备(2)之间的橡胶弹簧(3)和仅用于提供负刚度的碟形弹簧负刚度机构(4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，所述的碟形弹簧负刚度机构(4)的一端分与车体(1)固定连接，另一端与车下设备(2)滚动或滑动连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，所述的碟形弹簧负刚度机构(4)包括顺次连接的碟形弹簧(5)和滚动轮(6)，所述的碟形弹簧(5)与车体(1)固定连接，滚动轮(6)与车下设备(2)滚动连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，所述的滚动轮(6)设有一个或多个。
5.根据权利要求3所述的一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，所述的碟形弹簧(5)的高厚比大于
6.根据权利要求5所述的一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，所述碟形弹簧(5)为预压缩碟形弹簧。
7.根据权利要求1～6任一所述的一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，所述的橡胶弹簧(3)的两端分别与车体(1)和车下设备(2)固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，所述的橡胶弹簧(3)为压缩型橡胶弹簧。
9.根据权利要求1所述的一种用于铁道车辆车下设备悬挂的减振器，其特征在于，所述的橡胶弹簧(3)及碟形弹簧负刚度机构(4)分别设置有一个或多个。
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