CN110254125B - 轨道交通用压剪复合型弹性车轮及其设计方法 - Google Patents

Abstract

轨道交通用压剪复合型弹性车轮及其设计方法，包括轮箍、设置在轮箍内的轮芯和压缩在轮箍和轮芯之间的弹性体，其特征在于所述的轮箍和轮芯之间具有环形间隙，弹性体沿环形间隙均匀间隔分布，且弹性体的径向宽度大于环形间隙的径向宽度H，弹性体为具有金属芯的金属橡胶硫化体，弹性体的金属芯设置在环形间隙所在位置，且与轮芯轴向平行。本发明通过调节弹性体的刚度实现弹性车轮刚度的调节，便于根据运行线路工况对弹性车轮的刚度进行调整，满足不同线路工况下的减振需求，提升橡胶体在弹性车轮运转过程中的吸振能力，从而提高弹性车轮的弹性减振性能，提高弹性车轮的安全可靠性、运动可靠性和工况适应性。

Description

轨道交通用压剪复合型弹性车轮及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种轨道交通用压剪复合型弹性车轮及其设计方法，属于轨道车辆用弹性车轮技术领域。

背景技术

弹性车轮是在金属件之间镶嵌压缩状态的弹性元件，可以有效降低车辆行驶时的振动和噪声，通过调整弹性体的压缩状态可以改变弹性车轮的刚度，调整车轮的性能。

传统结构的剪切型或压剪复合型弹性车轮橡胶件与车轮轴线垂直，径向刚度和轴向刚度调金属件与橡胶件之间形成剪切力。由于橡胶件经过长时间的压缩变形后刚度会下降，橡胶件在车轮内腔中会发生滑移，导致无法制动和启动，存在安全风险。

现在的100%低地板轻轨车往往轮径在600mm以下，相对于以前的弹性车轮轮径明显减小，这就要求其结构紧凑。现在往往采用小尺寸，需要更复杂的弹性体去实现，复杂的弹性体对加工和制造的要求高，生产成本提高，且对材料和组装都提出了更高的要求。

传统结构的剪切型或压剪复合型弹性车轮，在剪切时容易发生褶皱等现象，橡胶容易损坏失效。

检索到的相关现有专利文献如下：

1、 CN201520788687.X-低地板轨道车辆用弹性车轮；

2、 CN201310700423.X-轨道交通车辆用剪切型弹性车轮；

3、 CN201320839199.8-一种轨道交通车辆用剪切型弹性车轮；

4、 CN201510932632.6-轨道交通车辆用分块式剪切型弹性车轮；

5、 CN201710933041.X-一种机械弹性车轮横向稳定加强型复合轮毂结构；

6、 CN201420768903.X-弹性制动器。

对于现有技术中使用电机直驱的低地板车辆来说，由于弹性车轮的径向刚度大于轴向刚度，车辆簧下部分的径向减振效果不佳，为了确保电机的安全性能，延长使用寿命，需要改善车辆簧下部分的振动，确保低地板车辆达到最佳的减振降噪效果。

发明内容

本发明提供的轨道交通用压剪复合型弹性车轮及其设计方法，通过调节弹性体的刚度实现弹性车轮刚度的调节，便于根据运行线路工况对弹性车轮的刚度进行调整，满足不同线路工况下的减振需求，提升橡胶体在弹性车轮运转过程中的吸振能力，从而提高弹性车轮的弹性减振性能，提高弹性车轮的安全可靠性、运动可靠性和工况适应性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

轨道交通用压剪复合型弹性车轮，包括轮箍、设置在轮箍内的轮芯和压缩在轮箍和轮芯之间的弹性体，其特征在于所述的轮箍和轮芯之间具有环形间隙，弹性体沿环形间隙均匀间隔分布，且弹性体的径向宽度大于环形间隙的径向宽度H，弹性体为具有金属芯的金属橡胶硫化体，弹性体的金属芯设置在环形间隙所在位置，且与轮芯轴向平行。

优选的，所述的轮芯外周具有均匀分布的凹槽，轮箍上具有与凹槽相对应的对应凹槽，弹性体压缩在凹槽和对应凹槽之间，凹槽与对应凹槽的形状和大小均相同，且径向深度大于环形间隙的径向宽度H。

优选的，所述的弹性体呈圆柱形，包括芯轴和硫化在芯轴上的橡胶层，芯轴的直径大于环形间隙的径向宽度H。

优选的，所述的弹性体还包括硫化在橡胶层上的外套层，所述的外套层为两瓣结构，且两瓣之间具有压缩间隙，压缩间隙中的橡胶型面为向内凹进的轴向内凹型面。

优选的，所述的芯轴呈中间直径大两端直径小的中间凸起形状，且橡胶层的在芯轴与外套层之间的外型面为为向内凹进的环形内凹型面。

优选的，所述的芯轴由位于中间且直径最大的中间段和对称设置在中间段两侧的端段组成，中间段的外周面为向外凸起的圆弧面，端段的外周面为直筒面,中间段长度为芯轴长度的至少一半。

优选的，所述的轮箍与轮芯相对的内侧壁上具有沿径向凸出且呈V型的V型凸棱，轮芯的外侧壁上具有与凸棱相对应的V型凹槽，V型凸棱与V型凹槽间的间隔宽度等于环形间隙的径向宽度H。

优选的，所述的环形间隙由V型凸棱和V型凹槽之间的V形间隙和与V型间隙同轴的一字型间隙组成,V型凹槽的轴向宽度占轮芯轴向厚度的一半以上。

以上所述的轨道交通用压剪复合型弹性车轮的设计方法，其特征在于根据弹性车轮的运行过程中的刚度需求，设计弹性体的数量和刚度，从而调节弹性车轮的刚度，根据弹性车轮的运行工况中的载荷变化，设计轮箍与轮芯之间的环形间隙，使弹性车轮在大载荷时轮箍和轮芯沿径向和轴向均可相对运动。

优选的，所述的设计弹性体的刚度是指，设计弹性体在轮箍和轮芯之间的压缩量，调节弹性体中橡胶层的初始刚度，从而调节弹性体的初始刚度；设计弹性体中橡胶层的厚度，调节弹性体的径向刚度，从而调节弹性车轮的径向刚度；设计芯轴的中间段的外周面圆弧半径R和中间段的轴向长度H，调节弹性体的轴向刚度，从而调节弹性车轮的轴向刚度。

发明的有益效果是：

1、 本发明的轨道交通用压剪复合型弹性车轮中弹性体压缩在轮箍和轮芯之间，弹性体为具有金属芯的金属橡胶硫化体，通过在弹性体中设置金属芯，增加弹性体的刚度，从而增加弹性车轮的刚度，通过调节弹性体的刚度实现弹性车轮刚度的调节，便于根据运行线路工况对弹性车轮的刚度进行调整，满足不同线路工况下的减振需求。

2、 弹性体压缩在轮箍和轮芯之间，弹性体的径向宽度大于环形间隙的径向宽度，弹性体的金属芯设置在环形间隙所在位置，使弹性体的一部分位于轮箍中，一部分位于轮芯中，当弹性车轮受垂向力时弹性体承受压缩力，弹性车轮受周向力时，弹性体承受压缩力和剪切力，在运转时形成压缩力与剪切力一同作用的压缩复合型弹性车轮，由于弹性体具有金属芯，橡胶体硫化在金属芯上，通过金属芯增大车轮运转过程中橡胶体的剪切压力，减缓橡胶体的剪切变形流动速度，提升橡胶体在弹性车轮运转过程中的吸振能力，从而提高弹性车轮的弹性减振性能。

3、 弹性体在弹性车轮中一直处于压缩状态，即使在弹性体刚度下降后轮箍与轮芯周向也不会发生相对滑动，避免弹性车轮周向打滑，提高弹性车轮的安全可靠性。

4、 轮箍与轮芯之间具有环形间隙，保证弹性车轮在受载时轮芯和轮箍可相对轴向和径向运动，以提高弹性车轮在轴向和径向的变形能力，保证弹性车轮在曲线或倾斜轨道上运动时，轮箍与轮芯可相对运动，即使轴向或径向大载荷下车轮也不会发生内部结构干涉，避免造成轮芯与轮箍硬接触增大车轴受力，提高弹性车轮的运动可靠性和工况适应性。

5、 轮箍与轮芯相对的内侧壁上具有沿径向凸出且呈V型的V型凸棱，轮芯的外侧壁上具有与凸棱相对应的V型凹槽，V型凸棱与V型凹槽间的间隔宽度等于环形间隙的径向宽度H，通过轮箍与轮芯相对面的V型配合，防止轮箍与轮芯相对轴向运动过大而甩出轮箍，提高弹性车化运动过程中的结构稳定性。

附图说明

图1为具体实施方式中轨道交通用压剪复合型弹性车轮的结构示意图。

图2为图1中A-A向的剖视图。

图3为图1中B-B向的剖视图。

图4为图3中C处的放大示意图。

图5为弹性体的横截面示意图。

图6为弹性体的纵截面示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图6对本发明的实施例做详细说明。

轨道交通用压剪复合型弹性车轮，包括轮箍1、设置在轮箍1内的轮芯2和压缩在轮箍1和轮芯2之间的弹性体3，其特征在于所述的轮箍1和轮芯2之间具有环形间隙4，弹性体3沿环形间隙4均匀间隔分布，且弹性体3的径向宽度大于环形间隙4的径向宽度H，弹性体3为具有金属芯的金属橡胶硫化体，弹性体3的金属芯设置在环形间隙4所在位置，且与轮芯1轴向平行。

如图所示的轨道交通用压剪复合型弹性车轮中弹性体3压缩在轮箍1和轮芯2之间，弹性体3为具有金属芯的金属橡胶硫化体，通过在弹性体中设置金属芯，增加弹性体3的刚度，从而增加弹性车轮的刚度，通过调节弹性体的刚度实现弹性车轮刚度的调节，便于根据运行线路工况对弹性车轮的刚度进行调整，满足不同线路工况下的减振需求。弹性体3压缩在轮箍1和轮芯2之间，弹性体3的径向宽度大于环形间隙的径向宽度，弹性体3的金属芯设置在环形间隙4所在位置，使弹性体的一部分位于轮箍中，一部分位于轮芯中，当弹性车轮受垂向力时弹性体3承受压缩力，弹性车轮受周向力时，弹性体3承受压缩力和剪切力，在运转时形成压缩力与剪切力一同作用的压缩复合型弹性车轮，由于弹性体3具有金属芯，橡胶体硫化在金属芯上，通过金属芯增大车轮运转过程中橡胶体的剪切压力，减缓橡胶体的剪切变形流动速度，提升橡胶体在弹性车轮运转过程中的吸振能力，从而提高弹性车轮的弹性减振性能。弹性体3在弹性车轮中一直处于压缩状态，即使在弹性体3刚度下降后轮箍与轮芯周向也不会发生相对滑动，避免弹性车轮周向打滑，提高弹性车轮的安全可靠性。轮箍1与轮芯2之间具有环形间隙4，保证弹性车轮在受载时轮芯2和轮箍1可相对轴向和径向运动，以提高弹性车轮在轴向和径向的变形能力，保证弹性车轮在曲线或倾斜轨道上运动时，轮箍1与轮芯2可相对运动，即使轴向或径向大载荷下车轮也不会发生内部结构干涉，避免造成轮芯与轮箍硬接触增大车轴受力，提高弹性车轮的运动可靠性和工况适应性。

其中，所述的轮芯2外周具有均匀分布的凹槽21，轮箍1上具有与凹槽21相对应的对应凹槽11，弹性体3压缩在凹槽21和对应凹槽11之间，凹槽21与对应凹槽11的形状和大小均相同，且径向深度大于环形间隙4的径向宽度H。弹性体3可通过预压缩的方式先进行压缩，使弹性体3可以被顺利放入至凹槽21和对应凹槽11之间，然后通过弹性体3的弹性恢复力压紧凹槽21和对应凹槽11，使弹性体压缩在轮芯2与轮箍1之间。凹槽21与对应凹槽11的形状和大小均相同，且径向深度大于环形间隙4的径向宽度H,弹性体3在凹槽21和对应凹槽11中的体积大于在环形间隙4中的体积，保证车轮运转时轮芯2和轮箍1通过弹性体3的剪切力进行同步运转。

其中，所述的弹性体3呈圆柱形，包括芯轴31和硫化在芯轴31上的橡胶层32，芯轴31的直径大于环形间隙4的径向宽度H，使弹性体3具有足够大的刚度，来满足车轮运行时的刚度需求。

其中，所述的弹性体3还包括硫化在橡胶层32上的外套层33，所述的外套层33为两瓣结构，且两瓣之间具有压缩间隙34，压缩间隙34中的橡胶型面为向内凹进的轴向内凹型面32.1。压缩间隙34使弹性体3可随橡胶层31的压缩而压缩，压缩后压缩间隙34变小，轴向内凹型面32.1保证橡胶体32压缩从不从压缩间隙34中鼓出，避免橡胶型面鼓出压坏。

其中，所述的芯轴31呈中间直径大两端直径小的中间凸起形状，通过中间凸起形状，来增加弹性体3的轴向和径向刚度，从而调节车轮的轴向刚度，且橡胶层32的在芯轴31与外套层33之间的外型面为为向内凹进的环形内凹型面32.2，同样为了避免在橡胶层32压缩时橡胶层32的外型面向外鼓出被压坏。

其中，所述的芯轴31由位于中间且直径最大的中间段31.1和对称设置在中间段31.1两侧的端段31.2组成，中间段31.1的外周面为向外凸起的圆弧面，端段31.2的外周面为直筒面,中间段31.1长度为芯轴31长度的至少一半，中间段31.1向外凸起，通过调节中间段31.1的外周面的半径和轴向长度，即可调节弹性体3的轴向刚度。

其中，所述的轮箍1与轮芯2相对的内侧壁上具有沿径向凸出且呈V型的V型凸棱12，轮芯2的外侧壁上具有与凸棱12相对应的V型凹槽22，V型凸棱12与V型凹槽22间的间隔宽度等于环形间隙4的径向宽度H。如图4所示，通过轮箍1与轮芯2相对面的V型配合，防止轮箍与轮芯相对轴向运动过大而甩出轮箍，提高弹性车化运动过程中的结构稳定性。

其中，所述的环形间隙4由V型凸棱12和V型凹槽22之间的V形间隙41和与V型间隙41同轴的一字型间隙42组成,V型凹槽22的轴向宽度占轮芯2轴向厚度的一半以上。保证V型凸棱12和V型凹槽22的轴向宽度，在极限状态下贴合时具有足够的接触面积，能有效防止轮箍1被甩出。

6、 本发明还保护一种所述的轨道交通用压剪复合型弹性车轮的设计方法，其特征在于根据弹性车轮的运行过程中的刚度需求，设计弹性体3的数量和刚度，从而调节弹性车轮的刚度，便于根据运行线路工况对弹性车轮的刚度进行调整，满足不同线路工况下的减振需求；根据弹性车轮的运行工况中的载荷变化，设计轮箍1与轮芯2之间的环形间隙4，使弹性车轮在大载荷时轮箍1和轮芯2沿径向和轴向均可相对运动，以提高弹性车轮在轴向和径向的变形能力，保证弹性车轮在曲线或倾斜轨道上运动时，轮箍1与轮芯2可相对运动，即使轴向或径向大载荷下车轮也不会发生内部结构干涉，避免造成轮芯与轮箍硬接触增大车轴受力，提高弹性车轮的运动可靠性和工况适应性。

其中，所述的设计弹性体3的刚度是指，设计弹性体3在轮箍1和轮芯2之间的压缩量，调节弹性体中橡胶层32的初始刚度，从而调节弹性体3的初始刚度；设计弹性体3中橡胶层32的厚度，调节弹性体3的径向刚度，从而调节弹性车轮的径向刚度；设计芯轴31的中间段31.1的外周面圆弧半径R和中间段31.1的轴向长度H，调节弹性体3的轴向刚度，从而调节弹性车轮的轴向刚度。橡胶层32的厚度越大，弹性体3的径向刚度越小，弹性车轮的径向刚度越小；中间段31.1的外周面圆弧半径R和中间段31.1的轴向长度h越大，弹性体3的轴向刚度越大，弹性车轮的轴向刚度就越大。

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 (7)

1.轨道交通用压剪复合型弹性车轮，包括轮箍（1）、设置在轮箍（1）内的轮芯（2）和压缩在轮箍（1）和轮芯（2）之间的弹性体（3），其特征在于所述的轮箍（1）和轮芯（2）之间具有环形间隙（4），弹性体（3）沿环形间隙（4）均匀间隔分布，且弹性体（3）的径向宽度大于环形间隙（4）的径向宽度H，弹性体（3）为具有金属芯的金属橡胶硫化体，弹性体（3）的金属芯设置在环形间隙（4）所在位置，且与轮芯（2）轴向平行；

所述的弹性体（3）呈圆柱形，包括芯轴（31）和硫化在芯轴（31）上的橡胶层（32），芯轴（31）的直径大于环形间隙（4）的径向宽度H；

所述的弹性体（3）还包括硫化在橡胶层（32）上的外套层（33），所述的外套层（33）为两瓣结构，且两瓣之间具有压缩间隙（34），压缩间隙（34）中的橡胶型面为向内凹进的轴向内凹型面（32.1）；

所述的芯轴（31）呈中间直径大两端直径小的中间凸起形状，且橡胶层（32）的在芯轴（31）与外套层（33）之间的外型面为向内凹进的环形内凹型面（32.2）。

2.根据权利要求1所述的轨道交通用压剪复合型弹性车轮，其特征在于所述的轮芯（2）外周具有均匀分布的凹槽（21），轮箍（1）上具有与凹槽（21）相对应的对应凹槽（11），弹性体（3）压缩在凹槽（21）和对应凹槽（11）之间，凹槽（21）与对应凹槽（11）的形状和大小均相同，且径向深度大于环形间隙（4）的径向宽度H。

3.根据权利要求1所述的轨道交通用压剪复合型弹性车轮，其特征在于所述的芯轴（31）由位于中间且直径最大的中间段（31.1）和对称设置在中间段（31.1）两侧的端段（31.2）组成，中间段（31.1）的外周面为向外凸起的圆弧面，端段（31.2）的外周面为直筒面,中间段（31.1）长度为芯轴（31）长度的至少一半。

4.根据权利要求1所述的轨道交通用压剪复合型弹性车轮，其特征在于所述的轮箍（1）与轮芯（2）相对的内侧壁上具有沿径向凸出且呈V型的V型凸棱（12），轮芯（2）的外侧壁上具有与V型凸棱（12）相对应的V型凹槽（22），V型凸棱（12）与V型凹槽（22）间的间隔宽度等于环形间隙（4）的径向宽度H。

5.根据权利要求4所述的轨道交通用压剪复合型弹性车轮，其特征在于所述的环形间隙（4）由V型凸棱（12）和V型凹槽（22）之间的V形间隙（41）和与V型间隙（41）同轴的一字型间隙（42）组成,V型凹槽（22）的轴向宽度占轮芯（2）轴向厚度的一半以上。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的轨道交通用压剪复合型弹性车轮的设计方法，其特征在于根据弹性车轮的运行过程中的刚度需求，设计弹性体（3）的数量和刚度，从而调节弹性车轮的刚度，根据弹性车轮的运行工况中的载荷变化，设计轮箍（1）与轮芯（2）之间的环形间隙（4），使弹性车轮在大载荷时轮箍（1）和轮芯（2）沿径向和轴向均可相对运动。

7.根据权利要求6所述的轨道交通用压剪复合弹性车轮的设计方法，其特征在于所述的设计弹性体（3）的刚度是指，设计弹性体（3）在轮箍（1）和轮芯（2）之间的压缩量，调节弹性体中橡胶层（32）的初始刚度，从而调节弹性体（3）的初始刚度；设计弹性体（3）中橡胶层（32）的厚度，调节弹性体（3）的径向刚度，从而调节弹性车轮的径向刚度；设计芯轴（31）的中间段（31.1）的外周面圆弧半径R和中间段（31.1）的轴向长度H，调节弹性体（3）的轴向刚度，从而调节弹性车轮的轴向刚度。

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