CN107089243B - 一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法和结构 - Google Patents

Abstract

一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法，抗侧滚扭杆包括扭杆轴和扭转臂，扭转臂连接在扭杆轴的两端，扭杆轴采用空心结构，且扭杆轴的外径和内径是根据所处长度位置的抗扭刚度大小确定，并在扭杆轴的长度方向按照外径为梯形结构形状分段布置。通过合理的优化空心扭杆中的空心扭杆轴和空心扭转臂的内径和外径的值，使得空心扭杆能在不影响正常工作的前提下，大幅度的节约生产钮杆的耗材，从而大幅度降低钮杆生产的成本；以及大幅度减小扭杆的重量，使扭杆符合轨道车辆的节能减排、环保和轻量化的高要求。

Description

一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法和结构

技术领域

本发明涉及一种扭杆，具体涉及一种能在确保抗弯刚度、抗剪刚度、抗扭刚度和实际安装尺寸的前提下能大幅度节约耗材的扭杆。

背景技术

现有轨道车辆用抗侧滚扭杆主要有直扭杆和弯扭杆两种结构，这两种结构均采用实心扭杆轴。同样结构和刚度条件下，一般实心扭杆轴较空心扭杆轴的重量要高得多，对应的材料成本也会同样较高。

本发明提出了一种轨道车辆用空心抗侧滚扭杆，主要是将扭杆轴由原来的实心轴结构改为空心管式结构，大幅减少扭杆轴的重量，为轨道车辆用抗侧滚扭杆轻量化提供技术方向，同样大幅降低扭杆轴的材料成本。

近几年来，随着轨道交通运行速度和舒适性的要求越来越高，对轨道交通运行性能和行车安全至关重要的转向架的运行稳定性。在提倡节能减排，环境保护的大背景下，车辆的部件轻量化已经是轨道交通行业的一项重要技术，轻量化、低噪声、高可靠性、易维护等要求也越来越高。由于扭杆轴是抗侧滚扭杆系统中最为关键的部件，在轻量化设计过程中，一般不会对扭杆轴材料进行变更，只能对其结构进行优化。

目前常见的是采用变截面设计，即应力大的区域采用材料多的大截面，应力小的区域采用材料少的小截面，但这种方式对重量的减少非常小，因此目前抗侧滚扭杆系统的轻量化设计往往是考虑将支撑座、连杆等部件的材料变更为更为轻质的铝合金、钛合金等。扭杆轴是抗侧滚扭杆系统中最为关键的部件，往往也是重量最重的部件，因而扭杆轴的轻量化探究对抗侧滚扭杆系统轻量化设计尤为重要。实践证明将抗侧滚扭杆的扭杆轴制作成空心的结构是解决上述问题的一个较好的方案，但制造空心扭杆轴也会遇到一些难点。

制造空心扭杆轴的难点在于：如何确定空心扭杆轴的外径和内径，使得扭杆轴制作成空心结构后，能使其抗扭刚度大于或等于机车上正在使用的实心扭杆轴的抗扭刚度。而要确保空心扭杆轴有足够的抗扭刚度，又要制作成空心扭杆，是需要增大空心扭杆轴的外径的尺寸的。从理论上来说，在空心扭杆轴的抗扭刚度值为一个恒定的值的情况下，是将外径的尺寸做得越大，且空心扭杆轴内外径之比α越大（即空心扭杆轴的管壁越薄）就越节约耗材和制作成本。

但空心扭杆轴的外径增大后，会引起一些问题，例如，需要同时增大扭转臂的尺寸，会增加扭转臂的耗材。而其中最突出的是：空心扭杆轴的外径太大会使空心扭杆轴容易在工作状态下与周围的部件发生干涉。

事实上，空心扭杆轴的外径确定下来后，对于空心扭杆轴的内径的确定，仍有一些问题要解决。因为，在能满足抗扭刚度的前提下，也并不是将空心扭杆轴内外径之比α设置得越大越好。因为，虽然此时内外径之比α的取值越大，也就是内径的尺寸越大，就会使空心扭杆轴的横截面积越小，也就越节约耗材；但是内外径之比α的取值太大会导致空心扭杆轴的横截面积过小，使空心扭杆轴的抗剪刚度达不到实际工作所要求强度。因为空心扭杆轴的横截面积越小，其抗剪刚度也会越小。因此，空心扭杆轴内外径之比α需要综合考虑以上因素，取一个适当取值范围。

通过国内检索发现以下专利与本发明有相似之处：

申请号为201520856713.8，名称为“轨道交通用复合抗侧滚扭杆系统”的实用新型公开了轨道交通用复合抗侧滚扭杆系统，包括第一扭杆组件和第二扭杆组件；第一扭杆组件包括第一扭杆轴、连接在第一扭杆轴上的第一扭转臂和连接在第一扭转臂上的第一垂直连杆；第二扭杆组件包括第二扭杆轴、连接在第二扭杆轴上的第二扭转臂和连接在第二扭转臂上的第二垂直连杆；第二扭杆轴通过扭杆轴联接件套装在第一扭杆轴上且与第一扭杆轴同轴，第一扭杆轴从第二扭杆轴的两端伸出，第一扭转臂设置在第二扭转臂的外侧，第一扭杆轴伸出第二扭杆轴的部分装有用于将轨道交通用复合抗侧滚扭杆系统安装到转向架上的安装座组件。本实用新型的轨道车辆用复合抗侧滚扭杆系统，即可提供较强的抗侧滚刚度，又具有较强的抗侧滚灵敏度，满足轨道车辆安全行驶的要求。

虽然在申请号为201520856713.8的实用新型的权利要求2中记载有“第二扭杆轴（21）为空心管状”，但其只是简单的将第二扭杆轴设为空心管状，是以不改变第二扭杆轴的外径尺寸为前提进行的空心设置。而本发明是在确保抗弯刚度、抗剪刚度、抗扭刚度和实际安装尺寸的前提下，进行最大限度的设置扭杆轴的空心部分。通常都是要对外径的尺寸进行修改的，且同时会对外径和内径的尺寸做出了严格的要求。能大幅度节约扭杆的耗材，从而大幅度的降低生产成本，并同时满足轨道车辆轻量化的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何在不减小钮杆的抗弯刚度、抗剪刚度、抗扭刚度，以及确保钮杆能不对周边的部件产生干涉的前提下，最大程度的节约生产钮杆的耗材。

针以上述问题，本发明提出的技术方案是：一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法，抗侧滚扭杆包括扭杆轴和扭转臂，扭转臂连接在扭杆轴的两端，扭杆轴采用空心结构，且扭杆轴的外径和内径是根据所处长度位置的抗扭刚度大小确定，并在扭杆轴的长度方向按照外径为梯形结构形状分段布置。

进一步地，扭杆轴的外径和内径按照下述方法确定：

1）确定扭杆轴中使用的实心抗侧滚扭杆的扭杆轴的抗扭刚度为M；

2）确定空心扭杆轴外径尺寸，在满足实际装配尺寸的前提下，先确定空心扭杆轴的外径尺寸D1，并使空心扭杆轴的抗扭刚度大于或等于所述的抗扭刚度M；

3）根据抗扭刚度M确定空心扭杆轴的内外径之比α，从而将空心扭杆轴的内外径之比α确定在一个范围内；

4）根据空心扭杆轴的内外径之比α和空心扭杆轴的横截面积来确定空心扭杆轴的内径尺寸；从而制造出既满足抗扭刚度和实际装配尺寸，又节约耗材的空心扭杆轴。

进一步地，当空心扭杆轴的抗扭刚度与实心扭杆轴的抗扭刚度相等时，空心扭杆轴的内外径之比α取最大值；当空心扭杆轴的抗扭刚度与实心扭杆轴的抗扭刚度的比值越大，α的取值越小。

进一步地，空心扭杆轴内外径之比α的取值越大，空心扭杆轴的横截面积就越小，也就越节约扭杆耗材。

进一步地，空心扭杆轴内外径之比α的取值范围是：0.5-0.8。

进一步地，先根据实际装配尺寸确定D1后，再根据α的取值范围，就能确定D10的取值范围；从而确定空心扭杆轴的内径尺寸。

进一步地，将扭转臂做为包容件与扭杆轴连接，从而进一步缩小扭转臂的尺寸，节约耗材。

一种节约扭杆耗材的结构，扭杆包括扭杆轴和扭转臂，扭转臂连接在扭杆轴的两端，扭杆轴为空心结构，且空心扭杆轴的长度方向的外径为梯形结构。

进一步地，扭转臂连接在扭杆轴的两端，且扭转臂在连接处的尺寸小于扭杆轴在连接处的尺寸，使得扭转臂做为包容件与扭杆轴连接。

进一步地，扭转臂连接在扭杆轴的两端，且空心扭杆轴中间的管壁厚度小于空心扭杆轴于两端的管壁厚度。

本发明的优点是：

1.通过合理的优化空心扭杆中的空心扭杆轴和空心扭转臂的内径和外径的值，使得空心扭杆能在不影响正常工作的前提下，大幅度的节约生产钮杆的耗材，从而大幅度降低钮杆生产的成本。

2.通过合理的优化空心扭杆，大幅度减小扭杆的重量，使扭杆符合轨道车辆的节能减排、环保和轻量化的高要求。

3.通过将扭转臂做为包容件与扭杆轴连接，来减小扭转臂的体积，以及让空心扭杆轴中间的管壁厚度小于空心扭杆轴于两端的管壁厚度，来进一步的减小扭杆的重量。

附图说明

图1为实施例一中的空心直扭杆的立体示意图；

图2为图1的剖视示意图；

图3为实施例二中的空心弯扭杆的剖视示意图；

图中：1扭杆轴、2扭转臂。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做一步的描述：

实施例一

如图1和图2所示，本实施例的抗侧滚扭杆为直扭杆，抗侧滚扭杆包括扭杆轴1和扭转臂2，扭转臂2连接在扭杆轴1的两端。现有轨道车辆用抗侧滚扭杆均采用实心扭杆轴1。同样结构和刚度条件下，实心扭杆轴1较空心扭杆轴1的重量要高得多，对应的材料成本也会同样较高。本实施例中提出了一种轨道车辆用空心抗侧滚扭杆，主要是将扭杆轴1由原来的实心轴结构改为空心管式结构，大幅减少扭杆轴1的重量，为轨道车辆用抗侧滚扭杆轻量化提供技术方向，同样大幅降低扭杆轴1的材料成本。

为了制造出在实际工作过程中既满足抗扭刚度和实际装配尺寸，又节约耗材的空心扭杆轴1，就需要对空心扭杆轴1的外径尺寸和内径尺寸进行确定。本实施例中是通过下述步骤和方法对空心扭杆轴1的内外径尺寸进行确定的：

1确定扭杆轴1中使用的实心抗侧滚扭杆的扭杆轴1的抗扭刚度为M，也就是说，设定机车上正在使用的实心实心抗侧滚扭杆的扭杆轴1的抗扭刚度的值为M。

2确定空心扭杆轴1外径尺寸，在满足实际装配尺寸的前提下，先确定空心扭杆轴1的外径尺寸D1，并使空心扭杆轴1的抗扭刚度大于或等于所述的抗扭刚度M。

3根据抗扭刚度M确定空心扭杆轴1的内外径之比α，从而将空心扭杆轴1的内外径之比α确定在一个范围内。

4根据空心扭杆轴1的内外径之比α和空心扭杆轴1的横截面积来确定空心扭杆轴1的内径尺寸；从而制造出既满足抗扭刚度和实际装配尺寸，又节约耗材的空心扭杆轴1。

上述步骤和方法具体的原理和实施过程如下：

扭轩轴的抗扭刚度M₁计算公式为公式（A），其惯性矩I_P为公式（B）：

上式中G为剪切模量，L为扭杆轴1的长度，D为扭杆轴1的直径，α为扭杆轴1内外径之比，当扭杆轴1为实心扭杆轴1时，则α为0；

因此，根据公式（A）和公式（B）可推导出在不改变扭轩轴的长度情况下，空心扭杆轴1与实心扭杆轴1的抗扭刚度之比为公式（C）；且由于M_空心是大于或等于M_实心的，因此，公式（C）中的比值会大于或等于1：

(C)；

公式（C）中：D₁为空心扭杆轴1的外径，D₂为实心扭杆轴1的外径，α为空心扭杆轴1内外径之比，由公式（C）可推导出：

(D)；

由公式（D）可知：当公式（C）中的M_空心等于M_实心时，α取最大值；当公式（C）中的M_空心与M_实心的比值越大，α的取值越小。

由上可知：当空心扭杆轴1的抗扭刚度与实心扭杆轴1的抗扭刚度相等时，空心扭杆轴1的内外径之比α取最大值；当空心扭杆轴1的抗扭刚度与实心扭杆轴1的抗扭刚度的比值越大，α的取值越小。

空心扭杆轴1的横截面积越小则越节约扭杆耗材，空心扭杆轴1的横截面积为公式（E）：

(E)；

公式（E）中S_截面为空心扭杆轴1的横截面积，r₁为空心扭杆轴1的外圆半径，r₂为空心扭杆轴1的内圆半径，t为空心扭杆轴1的外圆半径与内圆半径之比的比值：t=1/αt>1；根据公式（E）可知：t值越小空心扭杆轴1的横截面积越小，而t=1/α，所以：α取值越大，t的值就越小，就越节约扭杆耗材。

也就是说：当空心扭杆轴1的外径和抗扭刚度的值确定后，空心扭杆轴1内外径之比α的取值越大，空心扭杆轴1的横截面积就越小，也就越节约扭杆耗材。

但是内外径之比α的取值太大会导致空心扭杆轴1的横截面积过小，使空心扭杆轴1的抗剪刚度达不到实际工作所要求强度。因为空心扭杆轴1的横截面积越小，其抗剪刚度也会越小。因此，综合实际的工况：包括空心扭杆轴1外径尺寸、空心扭杆轴1的抗扭刚度和抗剪刚度等参数都能符合实际需求的前提下，空心扭杆轴1内外径之比α的取值优选为0.5-0.8。

本实施例的具体步骤是：先根据实际安装尺寸和确保增加的扭转臂2的耗材在允许的范围内等因素，对空心扭杆轴1的具体外径值D₁进行确定。再根据实际工况中抗扭刚度和抗剪刚度的要求，对空心扭杆轴1内外径之比α的取值确定一个范围，从而根据公式α=D₁₀/D₁，得出空心扭杆轴1的内径取值范围。最后根据据实际工况尽量选取一个能大幅度节约耗材的一个空心扭杆轴1具体的内径值D₁₀。

为了增加空心扭杆轴1的稳固性，在空心扭杆轴1的两端设梯形结构，使空心扭杆轴1的两端的管壁厚度大于中间管壁的厚度。而中间管壁的厚度由上述内容中确定空心扭杆轴1的内外径尺寸来决定，让空心扭杆轴1的中间管壁的厚度小于空心扭杆轴1的两端的管壁的厚度，也能进一步节约空心扭杆的耗材。

实施例二

如图3所示，本实施例中的抗侧滚扭杆为弯扭杆，将扭转臂2连接在扭杆轴1的两端，且扭转臂2在连接处的尺寸小于扭杆轴1在连接处的尺寸，使得扭转臂2做为包容件与扭杆轴1连接，从而节约耗材和材料成本，大幅度降低重量。

很显然，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出的若干改进或修饰都应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法，抗侧滚扭杆包括扭杆轴（1）和扭转臂（2），扭转臂（2）连接在扭杆轴（1）的两端，其特征在于，扭杆轴（1）采用空心结构，且扭杆轴（1）的外径和内径是根据所处长度位置的抗扭刚度大小确定，并在扭杆轴（1）的长度方向按照外径为梯形结构形状分段布置；

其中，扭杆轴（1）的外径和内径按照下述方法确定：

1）确定扭杆轴（1）中使用的实心抗侧滚扭杆的扭杆轴（1）的抗扭刚度为M；

2）确定空心扭杆轴（1）外径尺寸，在满足实际装配尺寸的前提下，先确定空心扭杆轴（1）的外径尺寸D₁，并使空心扭杆轴（1）的抗扭刚度大于或等于所述的抗扭刚度M；

3）根据抗扭刚度M确定空心扭杆轴（1）的内外径之比α，从而将空心扭杆轴（1）的内外径之比α确定在一个范围内；

4）根据空心扭杆轴（1）的内外径之比α和空心扭杆轴（1）的横截面积来确定空心扭杆轴（1）的内径尺寸；从而制造出既满足抗扭刚度和实际装配尺寸，又节约耗材的空心扭杆轴（1）。

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法，其特征在于，扭轩轴的抗扭刚度M₁计算公式为公式（A），其惯性矩I_P为公式（B）：

上式中G为剪切模量，L为扭杆轴（1）的长度，D为扭杆轴（1）的直径，α为扭杆轴（1）内外径之比，当扭杆轴（1）为实心扭杆轴（1）时，则α为0；

因此，根据公式（A）和公式（B）可推导出在不改变扭轩轴的长度情况下，空心扭杆轴（1）与实心扭杆轴（1）的抗扭刚度之比为公式（C）；且由于M_空心是大于或等于M_实心的，因此，公式（C）中的比值会大于或等于1：

（C）；

公式（C）中：D₁为空心扭杆轴（1）的外径，D₂为实心扭杆轴（1）的外径，α为空心扭杆轴（1）内外径之比，由公式（C）可推导出：

（D）；

由公式（D）可知：当公式（C）中的M_空心等于M_实心时，α取最大值；当公式（C）中的M_空心与M_实心的比值越大，α的取值越小。

3.根据权利要求1或2所述的一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法，其特征在于，空心扭杆轴（1）的横截面积越小则越节约扭杆耗材，空心扭杆轴（1）的横截面积为公式（E）：

（E）；

公式（E）中S_截面为空心扭杆轴（1）的横截面积，r₁为空心扭杆轴（1）的外圆半径，r₂为空心扭杆轴（1）的内圆半径，t为空心扭杆轴（1）的外圆半径与内圆半径之比的比值：t=1/α（t>1）；根据公式（E）可知：t值越小空心扭杆轴（1）的横截面积越小，而t=1/α，所以：α取值越大，t的值就越小，就越节约扭杆耗材。

4.根据权利要求3所述的一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法，其特征在于，空心扭杆轴（1）内外径之比α的取值范围是：0.5-0.8。

5.根据权利要求4所述的一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法，其特征在于，α为空心扭杆轴（1）内外径之比，α=D₁₀/D₁,其中：D₁₀为空心扭杆轴（1）内径值，D₁为空心扭杆轴（1）外径值；根据实际装配尺寸确定D₁后，再根据α的取值范围，就能确定D₁₀的取值范围；从而确定空心扭杆轴（1）的内径尺寸。

6.根据权利要求1所述的一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法，其特征在于，将扭转臂（2）做为被包容件与扭杆轴（1）连接，从而进一步缩小扭转臂（2）的尺寸，节约耗材。

7.根据权利要求1所述的一种轨道交通抗侧滚扭杆减重方法制造的扭杆，扭杆包括扭杆轴（1）和扭转臂（2），扭转臂（2）连接在扭杆轴（1）的两端，其特征在于，扭杆轴（1）为空心结构，且空心扭杆轴（1）的长度方向的外径为梯形结构。

8.根据权利要求7所述的扭杆，其特征在于，扭转臂（2）连接在扭杆轴（1）的两端，且扭转臂（2）在连接处的尺寸小于扭杆轴（1）在连接处的尺寸，使得扭转臂（2）做为被包容件与扭杆轴（1）连接。

9.根据权利要求7所述的扭杆，其特征在于，扭转臂（2）连接在扭杆轴（1）的两端，且空心扭杆轴（1）中间的管壁厚度小于空心扭杆轴（1）于两端的管壁厚度。