CN110341740A - 一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置及实现可变刚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，包括抗侧滚扭杆和支撑座组件，支撑座组件有两个，分别位于抗侧滚扭杆的左、右两侧用于支撑抗侧滚扭杆，所述支撑座组件包括具有内腔的座架、弹性部件、具有铰孔的铰架和具有芯孔的支撑球铰；所述支撑球铰安装在铰架的铰孔中，铰架位于座架的内腔中，在铰架与座架内腔的底部之间、以及铰架与座架内腔的顶部之间均设有弹性部件，所述抗侧滚扭杆套装在支撑球铰的芯孔中。其优点主要在于，在不改变抗侧滚扭杆刚度的情形下，降低了整个抗侧滚扭杆装置的初始刚度，使列车在运行过程中车体与转向架之间的振动相对和谐，列车运行更加平稳，同时也显著提高了列车运行的舒适性。

Description

一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置及实现可变刚度的方法

技术领域

本发明涉及一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置及方法，属于轨道交通技术领域。

背景技术

目前的轨道交通车辆转向架均为两系悬挂，可通俗理解为上下两级弹性体支撑减振，这种设置导致车辆振动有多个方向的自由度。本发明涉及其中绕运行方向轴的侧滚振动。

空气弹簧由于具有垂向刚度较小、当量挠度大的特点，非常适合轨道车辆二系悬挂发展的要求，近些年来在转向架二系悬挂中得到了日益广泛的应用。可是由于空气钢螺旋弹簧垂向刚度小，在车辆运行中会导致车辆的侧滚角度增加，使得车辆侧滚刚度较小，甚至出现侧滚失稳的现象，造成车辆安全和平稳运行性能降低，这就需要单独增加车辆的侧滚刚度以限制其侧滚角度，从而改善车辆的抗侧滚性能，但同时又不能影响车辆的浮沉、横摆、伸缩、点头和摇头等方向的振动特性。

要达到这个目的，目前国内外主要运用的方法是设置独立的抗侧滚扭杆装置，装配在车体和转向架之间，提高侧滚刚度。抗侧滚扭杆装置是一种利用金属弹性杆在受扭矩作用时产生扭转变形而提供抗扭转反力矩的装置。此方案可以在现有的车辆和线路条件下实施，故此方法在我国和欧洲得到了广泛的应用。

当车体与转向架的构架之间发生绕运行方向轴的相对转动即侧滚时，左右二系悬挂钢螺旋弹簧压缩量不再相等，左右悬挂簧给车体的反作用力也不相等，从而会产生一个阻止车体侧滚的力矩；同时，左右连杆向相反的方向运动，通过扭转臂使扭杆发生扭转变形，扭杆由于抗扭弹性而产生抗扭反力矩，这一反力矩作用在垂向连杆上表现为一对大小相等方向相反的垂向力，而这对垂向力作用在车体上就形成了与车体侧滚方向相反的抗侧滚力矩。

可见在车体侧滚时，二系悬挂钢螺旋弹簧和抗侧滚扭杆装置共同起到阻止车体侧滚的作用。抗侧滚扭杆装置补偿了二系悬挂钢螺旋弹簧的抗侧滚刚度。

车辆在过弯道或者遇到横向大风时，抗侧滚扭杆装置可防止车辆过度倾斜而超出界线，保证车辆的安全。

但是，抗侧滚扭杆装置的使用也会带来“副作用”。研究表明，安装抗侧滚扭杆装置后，车辆在直道或大转弯半径的道上行驶时，平稳性下降，乘坐舒适性变差。这是因为，抗侧滚扭杆装置的使用，增加了车辆悬挂装置的振动刚度，使其过滤高频振动的能力变差。为了解决这一问题，有必要在车体达到大幅侧滚振动前的小幅侧滚振动范围内降低抗侧滚扭杆装置刚度，使其在一个比现有抗侧滚扭杆装置的初始刚度更低的起点开始变刚度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：安装抗侧滚扭杆装置后，车辆在直道或大转弯半径的道上行驶时，因抗侧滚扭杆初始刚度过高，车体与转向架之间的弹性支撑过于僵硬，导致平稳性下降，乘坐舒适性变差的问题。

针对上述问题，本发明提出的技术方案是：一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，包括抗侧滚扭杆和支撑座组件，支撑座组件有两个，分别位于抗侧滚扭杆的左、右两侧用于支撑抗侧滚扭杆，所述支撑座组件包括具有内腔的座架、弹性部件、具有铰孔的铰架和具有芯孔的支撑球铰；所述支撑球铰安装在铰架的铰孔中，铰架位于座架的内腔中，在铰架与座架内腔的底部之间、以及铰架与座架内腔的顶部之间均设有弹性部件，所述抗侧滚扭杆套装在支撑球铰的芯孔中。

进一步地，所述座架包括两块撑板和两块盖板；所述的两块撑板左、右对称竖向设置，所述两块盖板对称安装在撑板的上、下两端，构成具有矩形内腔的矩形架体。

进一步地，所述座架中左、右对称设置的两块撑板相对应的一面对称设有竖向滑槽。

进一步地，所述铰架的两侧面设有竖向滑台，铰架左、右两侧的竖向滑台分别位于左、右两块撑板的滑槽中，使铰架能够沿滑槽座架内上下滑移。

进一步地，所述铰架的铰孔具有光滑的内表面；在铰孔的一端具有沿内壁径向向内凸出的挡边，在铰孔的另一端沿内壁开设有环形挡圈槽，内有可卸、装的挡圈，用于限制安装在铰孔内的支撑球铰。

进一步地，所述支撑球铰为两个截面为半圆的瓦状硫化体对合成的具有芯孔的硫化体圆管；所述截面为半圆的瓦状硫化体由外层的外壳与内层的橡胶层硫化形成。

进一步地，所述弹性部件包括上压簧、下压簧、和具有圆孔的弹性上垫块和弹性下垫块；所述弹性上垫块固接在座架顶部的盖板下面，弹性下垫块固接在座架底部的盖板上面；上压簧的一端安装在铰架上表面，另一端穿过弹性上垫块的圆孔安装在顶部盖板下面，下压簧的一端安装在铰架下表面，另一端穿过弹性下垫块的圆孔安装在底部盖板上面。

进一步地，所述座架中上、下对称设置的两块盖板相对应的一面对称设有安装上压簧上端和下压簧下端的簧位一，所述铰架的上表面和下表面设有安装上压簧下端和下压簧上端的簧位二；所述设在上、下盖板的簧位一的中心点与设在铰架的上表面和下表面的簧位二中心点位于同一垂线上。

一种实现可变刚度的方法：将抗侧滚扭杆两侧用于支撑抗侧滚扭杆的支撑体设置成能够在弹性阻力下做垂向滑移的活动体，且在随着车体侧滚幅度加大导致垂向滑移行程加大的过程中，使支撑体受到的弹性阻力作应对性的急剧增强，从而实现抗侧滚扭杆在自身发生大的扭转变型前由支撑装置实现可变刚度调节。

在所述支撑体作垂向滑移的一个方向的行程上，设置一个直接触压支撑体的弹性部件一和一个支撑体开始滑移时尚未触压到的弹性部件二；当支撑体开始作垂向滑移时，支撑体在弹性部件一施加的阻力下作垂向滑移；当支撑体在弹性部件一施加的阻力下滑移到设定行程时，使支撑体又触压弹性部件二，进而使支撑体受到急剧增强的弹性阻力。

所述弹性部件一和弹性部件二为上述抗侧滚扭杆装置的支撑组件中的上压簧（12）和下压簧（13）。

本发明的优点是：在不改变抗侧滚扭杆刚度的情形下，降低了整个抗侧滚扭杆装置的初始刚度，使列车在运行过程中车体与转向架之间的振动相对和谐，列车运行更加平稳，同时也显著提高了列车运行的舒适性。

附图说明

图1为抗侧滚扭杆装置的立体图；

图2为抗侧滚扭杆装置、转向架及车体位置关系立体示意图，图中箭头表示车体侧滚方向；

图3为支撑座组件中的座架；

图4为支撑座组件剖视结构示意图；

图5为支撑座组件爆炸立体图；

图6为现有技术支撑座组件平面结构示意图。

图中：1、抗侧滚扭杆；2、支撑座组件；3、座架；4、铰架；41、铰孔；42、滑台；43、挡边；44、挡圈槽；45、挡圈；5、支撑球铰；51、外壳；52、橡胶层；53、芯孔；6、撑板；61、滑槽；7、盖板；8、簧位一；81、簧位二；9、弹性上垫块；10、弹性下垫块；11、圆孔；12、上压簧；13、下压簧；14、垂向连杆组件； 15、车体。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的描述：

图1—4所示，一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，包括抗侧滚扭杆和支撑座组件2，支撑座组件2有两个，分别位于抗侧滚扭杆的左、右两侧用于支撑抗侧滚扭杆，所述支撑座组件2包括具有内腔的座架3、弹性部件、具有铰孔41的铰架4和具有芯孔53的支撑球铰5；所述支撑球铰5安装在铰架4的铰孔41中，铰架位于座架3的内腔中，在铰架4与座架3内腔的底部之间、以及铰架4与座架3内腔的顶部之间均设有弹性部件，所述抗侧滚扭杆套装在支撑球铰5的芯孔53中。

如图6所示，现有技术是将支撑球铰5固定在座架3中，套装在支撑球铰5内的抗侧滚扭杆1只能绕轴心线转动。如图1—4所示，车体15侧滚时通过安装在抗侧滚扭杆1两端的垂向连杆组件14，使抗侧滚扭杆1一端向上一端向下相反受力，迫使抗侧滚扭杆1产生形变而即时向车体15两侧施加反作用力来制衡车体15侧滚。由于抗侧滚扭杆1刚度过大且为即时反应，使得其施加给车体15两侧的反作用力过大过早地破坏了车体15侧滚振动的固有频率。而在本发明的上述设置中，支撑球铰5是安装安装在一个能够在座架3内上下滑移的铰架4上的，铰架4滑移受到较小的弹性阻力，在列车侧滚开始时，套装在支撑球铰5内的抗侧滚扭杆1在受力而未产生形变时，即迫使安装支撑球铰5的铰架4压缩刚度较小的弹性部件作垂向滑移，使得车体15在小幅侧滚振动范围内受到的抗侧滚反作用力相对减小，车体15侧滚振动的固有频率得以最大限度的维持，从而使列车在运行过程中车体15与转向架之间的振动相对和谐，列车运行更加平稳，同时也显著提高了列车乘员的舒适性。

当然，这样的改进主要是使列车在直道或大转弯半径的道上行驶时获得上述效果，当列车在特殊情况下高速通过弯道或道路路况因素出现大幅侧滚时，受铰架4滑移的行程限制，又迫使抗侧滚扭杆1按设计刚度扭转变形来制衡大幅侧滚，以保证行车安全。

如图4、5所示，在上述设置中，座架3包括两块撑板6和两块盖板7；所述的两块撑板6左、右对称竖向设置，所述两块盖板7对称安装在撑板6的上、下两端，构成具有矩形内腔的矩形架体。在座架3中左、右对称设置的两块撑板6相对应的一面对称设有竖向滑槽61，所述座架3中上、下对称设置的两块盖板7相对应的一面对称设有安装弹簧的圆形簧位一8。铰架4的上表面和下表面均设有簧位二81，铰架4的两侧面设有竖向滑台42，铰架4左、右两侧的竖向滑台42分别位于左、右两块撑板6的滑槽61中，使铰架4能够沿滑槽61座架3内上下滑移。

为了使安装在铰架4上的支撑球铰5能够转动，所述铰架4的铰孔41具有光滑的内表面；在铰孔41的一端具有沿内壁径向向内凸出的挡边43，在铰孔41的另一端沿内壁开设有环形挡圈槽44，内有可卸、装的挡圈45，用于限制安装在铰孔41内的支撑球铰5。

为了使支撑球铰5能够套装在弯曲的抗侧滚扭杆1上，支撑球铰5被设置为两个截面为半圆的瓦状硫化体，然后对合组成的具有芯孔53的硫化体圆管；所述截面为半圆的瓦状硫化体由外层的外壳51与内层的橡胶层52硫化形成。

所述弹性部件包括上压簧12、下压簧13、和具有圆孔11的弹性上垫块9和弹性下垫块10；所述弹性上垫块9固接在座架3顶部的盖板7下面，弹性下垫块10固接在座架3底部的盖板7上面；上压簧12的一端安装在铰架4上表面，另一端穿过弹性上垫块9的圆孔11安装在顶部盖板下面，下压簧13的一端安装在铰架4下表面，另一端穿过弹性下垫块10的圆孔11安装在底部盖板上面。

所述座架3中上、下对称设置的两块盖板7相对应的一面对称设有安装上压簧12上端和下压簧13下端的簧位一8，所述铰架4的上表面和下表面设有安装上压簧12下端和下压簧13上端的簧位二81；所述设在上、下盖板7的簧位一8的中心点与设在铰架4的上表面和下表面的簧位二81中心点位于同一垂线上。

如图2、4、5所示，上述设置中，压簧的刚度低于弹性上垫块9和弹性下垫块10，弹性上垫块9和弹性下垫块10的刚度低于抗侧滚扭杆1；由压簧、弹性下垫块10（或弹性上垫块9）到抗侧滚扭杆1实际构成了三级减振两次变刚度的抗侧滚扭杆装置。当列车产生微小幅度的侧滚时，通过铰架4、支撑球铰、抗侧滚扭杆1和垂向连杆组件14的传导，推动铰架4作垂向滑移触压压簧，同时，车体15也受到压簧压缩时施加的抗侧滚反作用力。当列车产生小幅侧滚时，通过铰架4、支撑球铰、抗侧滚扭杆1和垂向连杆组件14的传导，推动铰架4作垂向滑移依次触压压簧和弹性下垫块10（或弹性上垫块9），车体15从只受到下压簧13或上压簧12压缩时施加的抗侧滚反作用力到同时受到弹性下垫块10（或弹性上垫块9）压缩时施加的抗侧滚反作用力，抗侧滚扭杆装置作为一个弹性整体经历了从压缩下压簧13或上压簧12到压缩缩弹性下垫块10（或弹性上垫块9）的一次变刚度。当列车产生大幅侧滚时，通过铰架4、支撑球铰、抗侧滚扭杆1和垂向连杆组件14的传导，铰架4垂向滑移行程已满，迫使抗侧滚扭杆产生形变，车体15同时受到下压簧13或上压簧12压缩、弹性下垫块10（或弹性上垫块9）压缩时施加的抗侧滚反作用力和抗侧滚扭杆1产生形变施加的抗侧滚反作用力，抗侧滚扭杆装置作为一个弹性整体经历了从压缩下压簧13或上压簧12到压缩缩弹性下垫块10（或弹性上垫块9），再从压缩弹性下垫块10（或弹性上垫块9）到迫使抗侧滚扭杆产生形变，共经历了两次变刚度。

一种抗侧滚扭杆可变刚度度的方法：将抗侧滚扭杆两侧用于支撑抗侧滚扭杆的支撑体设置成能够在弹性阻力下做垂向滑移的活动体，且在随着车体15侧滚幅度加大导致垂向滑移行程加大的过程中，使支撑体受到的弹性阻力作应对性的急剧增强，从而实现抗侧滚扭杆在自身发生大的扭转变型前由支撑装置实现可变刚度调节。

上述方法中，在所述支撑体作垂向滑移的一个方向的行程上，设置一个直接触压支撑体的弹性部件一和一个支撑体开始滑移时尚未触压到的弹性部件二；当支撑体开始作垂向滑移时，支撑体在弹性部件一施加的阻力下作垂向滑移；当支撑体在弹性部件一施加的阻力下滑移到设定行程时，使支撑体又触压弹性部件二，进而使支撑体受到急剧增强的弹性阻力。

所述弹性部件一和弹性部件二为上述抗侧滚扭杆装置的支撑组件中的上压簧和下压簧。

上述实施方式只用于更清楚的描述本发明，而不能视为限制本发明涵盖的保护范围，任何等价形式的修改都应视为落入本发明涵盖的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，包括抗侧滚扭杆（1）和支撑座组件（2），支撑座组件（2）有两个，分别位于抗侧滚扭杆的左、右两侧用于支撑抗侧滚扭杆（1）， 其特征在于：所述支撑座组件（2）包括具有内腔的座架（3）、弹性部件、铰架（4）和支撑球铰（5）；所述支撑球铰（5）安装在铰架（4）中，铰架位于座架（3）的内腔中，在铰架（4）与座架（3）内腔的底部之间、以及铰架（4）与座架（3）内腔的顶部之间均设有弹性部件，所述抗侧滚扭杆套装在支撑球铰（5）中。

2.根据权利要求1所述的一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，其特征在于：所述座架（3）包括两块撑板（6）和两块盖板（7）；所述的两块撑板（6）左、右对称竖向设置，所述两块盖板（7）对称安装在撑板（6）的上、下两端，构成具有矩形内腔的矩形架体。

3.根据权利要求2所述的一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，其特征在于：所述座架（3）中左、右对称设置的两块撑板（6）相对应的一面对称设有竖向滑槽（61）。

4.根据权利要求3所述的一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，其特征在于：所述铰架（4）的两侧面设有竖向滑台（42），铰架（4）左、右两侧的竖向滑台（42）分别位于左、右两块撑板（6）的滑槽（61）中，使铰架（4）能够沿滑槽（61）座架（3）内上下滑移。

5.根据权利要求1—4中任意一项所述的一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，其特征在于：所述铰架（4）设置有铰孔（41），支撑球铰（5）安装在铰架（4）的铰孔（41）中，所述铰架（4）的铰孔（41）具有光滑的内表面；在铰孔（41）的一端具有沿内壁径向向内凸出的挡边（43），在铰孔（41）的另一端沿内壁开设有环形挡圈槽（44），内有可卸、装的挡圈（45），用于限制安装在铰孔（41）内的支撑球铰（5）。

6.根据权利要求5所述的一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，其特征在于：所述支撑球铰（5）中设置有芯孔（53），抗侧滚扭杆套装在支撑球铰（5）的芯孔（53）中，所述支撑球铰（5）为两个截面为半圆的瓦状硫化体对合成的具有芯孔（53）的硫化体圆管；所述截面为半圆的瓦状硫化体由外层的外壳（51）与内层的橡胶层（52）硫化形成。

7.根据权利要求2所述的一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，其特征在于：所述弹性部件包括上压簧（12）、下压簧（13）、和具有圆孔（11）的弹性上垫块（9）和弹性下垫块（10）；所述弹性上垫块（9）固接在座架（3）顶部的盖板（7）下面，弹性下垫块（10）固接在座架（3）底部的盖板（7）上面；上压簧（12）的一端安装在铰架（4）上表面，另一端穿过弹性上垫块（9）的圆孔（11）安装在顶部盖板下面，下压簧（13）的一端安装在铰架（4）下表面，另一端穿过弹性下垫块（10）的圆孔（11）安装在底部盖板上面。

8.根据权利要求7所述的一种刚度可变的抗侧滚扭杆装置，其特征在于：所述座架（3）中上、下对称设置的两块盖板（7）相对应的一面对称设有安装上压簧（12）上端和下压簧（13）下端的簧位一（8），所述铰架（4）的上表面和下表面设有安装上压簧（12）下端和下压簧（13）上端的簧位二（81）；所述设在上、下盖板（7）的簧位一（8）的中心点与设在铰架（4）的上表面和下表面的簧位二（81）中心点位于同一垂线上。

9.一种实现可变刚度的方法，其特征在于：将抗侧滚扭杆两侧用于支撑抗侧滚扭杆的支撑体设置成能够在弹性阻力下做垂向滑移的活动体，且在随着车体（15）侧滚幅度加大导致垂向滑移行程加大的过程中，使支撑体受到的弹性阻力作应对性的急剧增强，从而实现抗侧滚扭杆在自身发生大的扭转变型前由支撑装置实现可变刚度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于： 在所述支撑体作垂向滑移的一个方向的行程上，设置一个直接触压支撑体的弹性部件一和一个支撑体开始滑移时尚未触压到的弹性部件二；当支撑体开始作垂向滑移时，支撑体在弹性部件一施加的阻力下作垂向滑移；当支撑体在弹性部件一施加的阻力下滑移到设定行程时，使支撑体又触压弹性部件二，进而使支撑体受到急剧增强的弹性阻力。