CN107161167A - 用于串联螺旋弹簧的橡胶垫及其刚度调节方法 - Google Patents

Abstract

用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，从上至下包括金属顶板、弹性橡胶体和金属底板，金属顶板顶面的中间位置固定用于定位螺旋弹簧的金属环，金属顶板底面与弹性橡胶体连接的部分为向上凹进的上圆弧面，金属底板顶面与弹性橡胶胶垫连接的部分为向上凸起的下圆弧面，上圆弧面和下圆弧面为沿所述橡胶垫水平纵向设置的同轴圆弧面，上圆弧面和下圆弧面的轴向与所述橡胶垫的水平横向一致，并且上圆弧面的中垂线和下圆弧面的中垂线均与所述橡胶垫的中垂线重合。本发明的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫与螺旋弹簧串联组成复合弹簧系统，可满足机车车辆动力学需要，延长螺旋弹簧的使用寿命。本发明还提供用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的刚度调节方法。

Description

用于串联螺旋弹簧的橡胶垫及其刚度调节方法

技术领域

本发明涉及一种橡胶金属复合的减振元件，特别涉及一种用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，应用于铁道机车车辆转向架二系悬挂系统中。本发明还涉及用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的刚度调节方法。

背景技术

橡胶垫是常用的一种橡胶金属复合的减振元件，可广泛应用于各种减振场所，尤其是在铁道机车车辆的转向架中应用十分普遍。以铁道机车车辆转向架二系悬挂系统为例，随着客运和货运列车运行速度的提高，越来越多的二系悬挂系统采用钢制螺旋弹簧一端串联橡胶垫的结构，如附图1所示。钢制螺旋弹簧一端串联橡胶垫的复合弹簧系统的垂向、水平横向及纵向刚度值是影响机车车辆动力学性能的重要参数，其复合垂向刚度由螺旋弹簧的垂向刚度和橡胶垫的垂向刚度串联组成；而复合弹簧系统的水平刚度计算更为复杂，与螺旋弹簧的径向刚度、偏转刚度，橡胶垫的径向刚度、偏转刚度以及弹簧系统承受的垂向载荷都有关系。其中的橡胶垫能够进一步减缓车体与转向架间的冲击，吸收高频振动，降低二系悬挂系统的的水平方向刚度，降低钢制螺旋的应力水平，提高了钢制螺旋弹簧的运用可靠性和耐久性。

附图2是一种用于串联螺旋弹簧的环形平面橡胶垫，包括金属底板1、金属顶板3和设置在所述金属底板1与金属顶板3之间的弹性橡胶体2，金属底板1、金属顶板3和弹性橡胶体2硫化粘接成一体，在金属顶板3上焊接了一个金属环4，金属环4用来限制螺旋弹簧与橡胶垫金属顶板3的水平方向滑动。

如附图3所示，钢制螺旋弹簧一端串联橡胶垫的复合弹簧系统在垂向载荷Fz、水平方向载荷Fx联合作用下，弹簧系统的上下两端还会有弯矩M，弹性橡胶体2要承受压缩、剪切和弯曲变形，金属顶板3会有一定的偏转角度θ。当复合弹簧系统的水平变形越大，水平方向载荷Fx也越大，相应的金属顶板3的偏转角度θ也会越大。现有的环形平面橡胶垫，其偏转刚度非常大，不利于金属顶板3的自由偏转变形。现有的环形平面橡胶垫，其最大偏转角度一般不超过3°，这就必然增加螺旋弹簧的偏转变形，增加螺旋弹簧内应力，导致螺旋弹簧的使用寿命被缩短。因此，当复合弹簧系统的水平变形很大时，需要降低橡胶垫的偏转刚度，从而提高橡胶垫的偏转变形能力，以降低螺旋弹簧的内应力。

另外，根据机车车辆动力学需要，复合弹簧系统在水平横向和水平纵向的刚度的要求值有所不同。而根据现有技术中的螺旋弹簧和用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的结构特征，可知钢制螺旋弹簧一端串联橡胶垫的复合弹簧系统水平各个方向的刚度是相同的。

综上，针对现有技术方案的不足，设计一种用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，降低橡胶垫的偏转刚度，提高橡胶垫的偏转变形能力，并且让复合弹簧系统在水平横向和水平纵向具有不同的刚度是急需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，偏转刚度过大，偏转变形能力不足，并且水平横向和水平纵向刚度同样，无法满足机车车辆动力学需要且导致螺旋弹簧的使用寿命被缩短的技术问题，提供了一种满足机车车辆动力学需要，且可延长螺旋弹簧的使用寿命的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫。本发明还提供用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的刚度调节方法。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是：用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，从上至下包括金属顶板、弹性橡胶体和金属底板，金属顶板和金属底板通过弹性橡胶体硫化连接，金属顶板顶面的中间位置固定用于定位螺旋弹簧的金属环，其特征在于所述的金属顶板底面与弹性橡胶体连接的部分为向上凹进的上圆弧面，所述的金属底板顶面与弹性橡胶胶垫连接的部分为向上凸起的下圆弧面，所述的上圆弧面和下圆弧面为沿所述橡胶垫水平纵向设置的同轴圆弧面，上圆弧面和下圆弧面的轴向与所述橡胶垫的水平横向一致，并且上圆弧面的中垂线和下圆弧面的中垂线均与所述橡胶垫的中垂线重合。

本发明的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫中金属顶板底面与弹性橡胶体连接的部分和金属底板顶面与弹性橡胶体连接的部分为沿所述橡胶垫水平纵向设置的同轴圆弧面，首先，相对于现有技术中的橡胶垫，本发明所述的橡胶垫绕水平横向的偏转刚度更低，使得本发明的橡胶垫与螺旋弹簧串联构成复合弹簧系统在垂向载荷和水平载荷的联合作用下，本发明的橡胶垫的偏转变形能力更高，偏转角度更大，使螺旋弹簧的内应力减小，从而延长螺旋弹簧的使用寿命。其次，本发明的橡胶垫金属顶板底面的上圆弧面和金属底板顶面的下圆弧面均沿所述橡胶垫水平纵向设置，使本发明的橡胶垫的水平纵向刚度增大，与水平横向刚度不相等，使得本发明的橡胶垫与螺旋弹簧串联构成复合弹簧系统水平各方向的刚度并不相同，从而满足满足机车车辆动力学需要。

进一步的，所述的金属顶板的底面包括上圆弧面和上水平面，所述的上水平面对称的设置在上圆弧面的左右两侧，所述的金属底板的顶面包括下圆弧面和下水平面，所述的下水平面对称的设置在下圆弧面的左右两侧。

进一步的，所述的上圆弧面与上水平面之间通过圆弧面过渡，所述的下圆弧面和下水平面之间通过圆弧面过渡。

进一步的，所述的弹性橡胶体的侧面均为向内凹进的内凹型面。

进一步的，在所述的金属顶板底面还包括止挡斜面，所述的止挡斜面设置在上水平面的外侧，止挡斜面与上水平面之间的夹角α与金属顶板绕所述橡胶垫的水平横向的最大偏转角度θ相等。

进一步的，所述的上水平面与止挡斜面之间通过圆弧面过渡。

进一步的，所述的金属环的底端开有出水通孔，所述的出水通孔与金属顶板的顶面相切。

以上所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的刚度调节方法，其特征在于调节上圆弧面的半径和下圆弧面的半径，改变所述橡胶垫的水平纵向刚度和绕水平横向的偏转刚度，并且上圆弧面的半径和下圆弧面的半径减小，则所述橡胶垫的水平纵向刚度增大，而绕水平横向的偏转刚度减小。

本发明的橡胶垫的刚度调节方法，通过调节上圆弧面和下圆弧面的半径，来减小所述橡胶垫的偏转刚度，并且增大所述橡胶垫的水平纵向刚度，在实际运用中根据本发明的橡胶垫与螺旋弹簧串联构成复合弹簧系统所承受的垂向载茶和水平载荷的范围，调节上圆弧面和下圆弧面的半径，使所述橡胶垫的偏转变形能力更高，延长螺旋弹簧的使用寿命，而且复合弹簧系统的水平纵向刚度与水平横向刚度不相等可满足机车车辆动力学需要，使复合弹簧系统的运用可靠性和耐久性更好。

进一步的，调节上圆弧面的半径和下圆弧面的半径，使所述橡胶垫的水平纵向与水平横向的刚度比值σ为1<σ<3，使所述橡胶垫绕水平横向的偏转刚度与绕水平纵向的偏转刚度的比值ω为1/4<ω<1。

附图说明

图1为现有技术中的钢制螺旋弹簧一端串联橡胶垫的复合弹簧系统的结构示意图。

图2为现有技术中的橡胶垫的剖视图。

图3为现有技术中的钢制螺旋弹簧一端串联橡胶垫的复合弹簧系统在垂向载荷和水平载荷联合作用下的变形结构示意图。

图4为实施例中用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的立体结构示意图。

图5为实施例中用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的水平纵向剖视图。

图6为实施例中用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的水平横向剖视图。

图7为金属顶板的剖视图。

图8为金属底板的剖视图。

图9为金属顶板的立体结构示意图。

图10为金属底板的立体结构示意图。

图11为实施例中用于串联螺旋弹簧的橡胶垫在垂向载荷和水平载荷的联合作用下产生最大偏转角度时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图4至图11对本发明的实施例做详细说明。

用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，从上至下包括金属顶板3、弹性橡胶体2和金属底板1，金属顶板3和金属底板1通过弹性橡胶体2硫化连接，金属顶板3顶面的中间位置固定用于定位螺旋弹簧的金属环4，其特征在于所述的金属顶板3底面与弹性橡胶体2连接的部分为向上凹进的上圆弧面31，所述的金属底板1顶面与弹性橡胶胶垫2连接的部分为向上凸起的下圆弧面11，所述的上圆弧面31和下圆弧面11为沿所述橡胶垫水平纵向设置的同轴圆弧面，上圆弧面31和下圆弧面11的轴向与所述橡胶垫的水平横向一致，并且上圆弧面31的中垂线和下圆弧面11的中垂线均与所述橡胶垫的中垂线重合。

以上所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，如图4所示，Z轴为所述橡胶垫的垂向，X轴为所述橡胶垫的水平纵向，Y轴为所述橡胶垫的水平横向，金属底板1上设用于连接转向架的安装孔，金属顶板3顶面固定金属环4用于定位螺旋弹簧，螺旋弹簧被定位后，其顶部与车体相连接。从图5中可以看出，金属顶板3的上圆弧面31和金属底板1的下圆弧面11为沿所述橡胶垫水平纵向设置的同轴圆弧面，相比于现有技术中金属顶板和金属底板均与弹性橡胶体平面连接的橡胶垫，实施例所述的橡胶垫绕Y轴即绕水平横向的偏转刚度更低，当实施例所述的橡胶垫与现有技术中金属顶板和金属底板均与弹性橡胶体平面连接的橡胶垫所承受的垂向载荷和水平载荷均相同时，实施例所述的橡胶垫绕水平横向的偏转变形能力更高，金属顶板1所产生的偏转角度更大。将螺旋弹簧串联到实施例所述的橡胶垫上，在承载时，由于橡胶垫的偏转角度增大，将减少螺旋弹簧所受的内应力，从而延长螺旋弹簧的使用寿命。

从图5中可以看到，实施例所述的橡胶垫，上圆弧面31和下圆弧面11沿X轴即橡胶垫的水平纵向设置，上圆弧面31和下圆弧面11的设置增大了实施例所述的橡胶垫的水平纵向刚度，而图6中可以看出，实施所述的橡胶垫沿水平横向的刚度基本保持不变，因此实施所述的橡胶垫的水平纵向刚度和水平横向刚度并不相等，当实施例所述的橡胶垫与螺旋弹簧串联构成复合弹簧系统时，复合弹簧系统的水平纵向刚度和水平横向刚度也不相同，从而满足机车车辆动力学关于复合弹簧系统在水平横向和水平纵向的刚度的要求值有所不同的需要。

具体方案中，所述的金属顶板3的底面包括上圆弧面31和上水平面32，所述的上水平面32对称的设置在上圆弧面31的左右两侧，所述的金属底板1的顶面包括下圆弧面11和下水平面12，所述的下水平面12对称的设置在下圆弧面11的左右两侧。上水平面32和下水平面12，限制橡胶弹性体2被压缩变形时，从金属顶板3的底面和金属底板1的顶面鼓出，从而缓解橡胶弹性体2的变形速度，进一步增强所述橡胶垫的弹性变性能力。

优案方案中，所述的上圆弧面31与上水平面32之间通过圆弧面过渡，所述的下圆弧面11和下水平面12之间通过圆弧面过渡。圆弧面和水平面之间通过圆弧面过渡，使弹性橡胶体2的内应力更加增加平缓，提高所述的橡胶垫弹性变性能力的同时，保护弹性橡胶体2在压缩变形时不受损伤，使用寿命更长。

优选方案中，所述的弹性橡胶体2的侧面均为向内凹进的内凹型面21。内凹型面21可以缓解弹性橡胶体2的鼓出驱势，防止弹性橡胶体2在承载较大时被过度压缩，增大弹性橡胶体2的流动变形空间，保护弹性橡胶体2在承载较大时不受金属顶板3和金属底板1边缘的损伤。

具体方案中，如图11所示，为了防止实施例所述橡胶垫过渡偏转，在所述的金属顶板3底面还包括止挡斜面33，所述的止挡斜面33设置在上水平面32的外侧，止挡斜面33与上水平面32之间的夹角α与金属顶板3绕所述橡胶垫的水平横向的最大偏转角度θ相等。

图7中止挡斜面33与上水平面32的夹角α与图11中的金属顶板3绕所述橡胶垫的水平横向的最大偏转角度θ相等，当金属顶板3的偏转角度达到最大偏转角度θ时，金属顶板3的止挡斜面31与装在转向架上的金属止挡100的顶面接触，从而限制金属顶板1的进一步偏转变形。止挡斜面31与金属止挡100顶面的面面接触，可及时的阻止橡胶垫的进一步变形，且减小转向架对橡胶垫的集中冲击力，保护橡胶垫在承受较大水平载荷时，不受损伤。

优选方案中，所述的上水平面32与止挡斜面33之间通过圆弧面过渡，使弹性橡胶体2的内应力更加增加平缓。

优选方案中，所述的金属环4的底端开有出水通孔41，所述的出水通孔41与金属顶板1的顶面相切。在金属环4底端设出水通孔41，当螺旋弹簧被定位在金属环4时，用出水通孔41及时排出使用过程中沿螺旋弹簧排到金属顶板1顶面的水，减缓螺旋弹簧和金属顶板的腐蚀速度。

以上所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的刚度调节方法，调节上圆弧面31的半径和下圆弧面11的半径，改变所述橡胶垫的水平纵向刚度和绕水平横向的偏转刚度，并且上圆弧面31的半径和下圆弧面11的半径减小，则所述橡胶垫的水平纵向刚度增大，而绕水平横向的偏转刚度减小。

以上所述的橡胶垫的刚度调节方法，通过调节上圆弧面31和下圆弧面11的半径，来减小所述橡胶垫的偏转刚度，并且增大所述橡胶垫的水平纵向刚度，在实际运用中根据橡胶垫与螺旋弹簧串联构成复合弹簧系统所承受的垂向载茶和水平载荷的范围，调节上圆弧面31和下圆弧面11的半径，使所述橡胶垫的偏转变形能力更高，延长螺旋弹簧的使用寿命，而且复合弹簧系统的水平纵向刚度与水平横向刚度不相等可满足机车车辆动力学需要，使复合弹簧系统的运用可靠性和耐久性更好。

具体方案中，调节上圆弧面31的半径和下圆弧面11的半径，使所述橡胶垫的水平纵向与水平横向的刚度比值σ为1<σ<3，使所述橡胶垫绕水平横向的偏转刚度与绕水平纵向的偏转刚度的比值ω为1/4<ω<1。在这两个比值的范围内，在保护橡胶垫的正常使用的情况下，可使橡胶垫具有最好的偏转变形能力并满足机车车辆动力学需要。

以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，从上至下包括金属顶板（3）、弹性橡胶体（2）和金属底板（1），金属顶板（3）和金属底板（1）通过弹性橡胶体（2）硫化连接，金属顶板（3）顶面的中间位置固定用于定位螺旋弹簧的金属环（4），其特征在于所述的金属顶板（3）底面与弹性橡胶体（2）连接的部分为向上凹进的上圆弧面（31），所述的金属底板（1）顶面与弹性橡胶胶垫（2）连接的部分为向上凸起的下圆弧面（11），所述的上圆弧面（31）和下圆弧面（11）为沿所述橡胶垫水平纵向设置的同轴圆弧面，上圆弧面（31）和下圆弧面（11）的轴向与所述橡胶垫的水平横向一致，并且上圆弧面（31）的中垂线和下圆弧面（11）的中垂线均与所述橡胶垫的中垂线重合。

2.根据权利要求1所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，其特征在于所述的金属顶板（3）的底面包括上圆弧面（31）和上水平面（32），所述的上水平面（32）对称的设置在上圆弧面（31）的左右两侧，所述的金属底板（1）的顶面包括下圆弧面（11）和下水平面（12），所述的下水平面(12)对称的设置在下圆弧面（11）的左右两侧。

3.根据权利要求2所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，其特征在于所述的上圆弧面（31）与上水平面（32）之间通过圆弧面过渡，所述的下圆弧面（11）和下水平面（12）之间通过圆弧面过渡。

4.根据权利要求4所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，其特征在于所述的弹性橡胶体（2）的侧面均为向内凹进的内凹型面（21）。

5.根据权利要求4所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，其特征在于在所述的金属顶板（3）底面还包括止挡斜面（33），所述的止挡斜面（33）设置在上水平面（32）的外侧，止挡斜面（33）与上水平面（32）之间的夹角α与金属顶板（3）绕所述橡胶垫的水平横向的最大偏转角度θ相等。

6.根据权利要求5所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，其特征在于所述的上水平面（32）与止挡斜面（33）之间通过圆弧面过渡。

7.根据权利要求6所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫，其特征在于所述的金属环（4）的底端开有出水通孔（41），所述的出水通孔（41）与金属顶板（1）的顶面相切。

8.权利要求1至权利要求7任一项所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的刚度调节方法，其特征在于调节上圆弧面（31）的半径和下圆弧面（11）的半径，改变所述橡胶垫的水平纵向刚度和绕水平横向的偏转刚度，并且上圆弧面（31）的半径和下圆弧面（11）的半径减小，则所述橡胶垫的水平纵向刚度增大，而绕水平横向的偏转刚度减小。

9.根据权利要求8所述的用于串联螺旋弹簧的橡胶垫的刚度调节方法，其特征在于调节上圆弧面（31）的半径和下圆弧面（11）的半径，使所述橡胶垫的水平纵向与水平横向的刚度比值σ为1<σ<3，使所述橡胶垫绕水平横向的偏转刚度与绕水平纵向的偏转刚度的比值ω为1/4<ω<1。