CN110617295B - 一种可实现泄气准零刚度的空气弹簧系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可实现泄气准零刚度的空气弹簧系统减振方法及弹簧系统，所述空气弹簧系统包括上盖板、气囊、内金属压套、辅助弹簧、外金属套、底座和负刚度装置，所述外金属套安装在底座上，所述内金属压套套装在外金属套内并与外金属套内壁形成间隙，所述辅助弹簧设置在间隙内，所述负刚度装置安装在内金属压套内，所述内金属压套压于辅助弹簧和负刚度装置顶部，并与负刚度装置紧固在一起。本发明可避免无气状态时，车体下降过程中产生刚性碰撞接触，并降低了车辆无气时的垂向刚度值，提供垂向准零刚度，起到良好的低频隔振效果，提高了车辆在无气时的运行稳定性和乘客乘坐舒适性，结构简单、紧凑，可节省安装空间。

Description

一种可实现泄气准零刚度的空气弹簧系统

技术领域

本发明主要涉及轨道交通车辆缓冲减振技术，尤其涉及一种可实现泄气准零刚度的空气弹簧系统。

背景技术

现在应用于轨道车辆的空气弹簧需要承担的车辆载荷越来越大，气囊选用大曲囊式气囊，可以通过增大辅助气室的空间降低空气弹簧系统充气时的刚度值。但无气时需要辅助弹簧提供垂向刚度，保证车辆正常运营。但是有些车辆空载特别大，在保证充气系统刚度前提下，泄气重载时要求辅助弹簧提供很小的垂向刚度。

目前常用的辅助弹簧多为橡胶簧，主要有沙漏簧、锥形簧和层状弹簧，三种橡胶弹簧的垂向刚度相较空气弹簧充气时气囊的刚度至少大一个数量级，因此空气弹簧在无气运营时橡胶弹簧提供垂向刚度值较大，车辆需要降至很低的速度进行运营才能保证稳定性；而单纯的橡胶弹簧以及目前其他结构形式的辅助弹簧难以实现非常低的垂向刚度值，同时单独的辅助弹簧自振频率较整体空气弹簧，隔振频率范围变窄，基本无法隔掉低于3Hz以下的振动频率，较充气状态时隔振效果下降许多，这将引起车辆动力学性能降低。

因此，如何在保证空气弹簧充气和泄气下产品稳定、安全的前提下，降低空气弹簧泄气时的垂向刚度，提高泄气运营安全性和乘坐舒适性，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可实现泄气重载、垂向刚度底、乘坐舒适性和运行稳定性高的空气弹簧系统减振方法及弹簧系统。

本发明的具体技术方案如下：

一种可实现泄气准零刚度的空气弹簧系统，包括上盖板、气囊、内金属压套、辅助弹簧、外金属套、底座和负刚度装置，所述外金属套安装在底座上，所述内金属压套套装在外金属套内并与外金属套内壁形成间隙，所述辅助弹簧设置在间隙内，所述负刚度装置安装在内金属压套内，所述内金属压套压于辅助弹簧和负刚度装置顶部，并与负刚度装置紧固在一起；所述气囊的上子口与上盖板连接且密封，下子口与外金属套连接且密封。

进一步地，所述负刚度装置包括与内金属压套紧固连接的负刚度传递装置，安装于底座上的负刚度装置外套，以及布置于外套内的电磁装置。

进一步地，所述内金属压套处于自由状态时，其顶板的下端面与辅助弹簧顶部之间存在间隙H2，与外金属套之间存在间隙H3，其底部与底座之间存在间隙H1。

进一步地，所述内金属套与外金属套在结构上可形成垂向硬止挡。

进一步地，所述内金属压套的顶部设有磨耗板；所述内金属压套、负刚度传递装置与磨耗板通过紧固件固定在一起。

进一步地，充气状态下，所述上盖板与磨耗板以及内金属压套之间存在一定间隙。

进一步地，所述外金属套与底座之间安装有密封圈。

进一步地，所述上盖板的外周面底部设有扣环；所述气囊一端与扣环扣接。

上述空气弹簧系统的减振方法如下：在空气弹簧承重面下方并联布置辅助弹簧与负刚度装置，空气弹簧处于充气状态时，由空气弹簧承重；当空气弹簧处于无气状态时，由辅助弹簧和负刚度装置共同承载车体重力，负刚度装置被压缩至一定比例时，提供负刚度，辅助弹簧的正向刚度与负刚度装置提供的负刚度值抵消后会形成准零刚度区间。

本发明提供的空气弹簧在泄气工作时，可由橡胶弹簧与负刚度装置这一对并联的组合进行负载，一方面可避免无气状态时，车体下降过程中产生刚性碰撞接触，另一方面降低了车辆在空气弹簧无气时的垂向刚度值，提供垂向准零刚度，隔振频率可以降低至与气囊充气状态下隔振频率一致，甚至隔振低于1Hz以下的振动频率，起到良好的低频隔振效果，提高了车辆在无气时的运行稳定性和乘客乘坐舒适性。

附图说明

图1为本发明所提出的空气弹簧系统的结构示意图；

图2为本发明的载荷位移曲线对比图；

图3为本发明所提出的空气弹簧系统的结构示意图；

图4为负刚度装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1、3所示，本发明提出一种可实现泄气准零刚度的轨道交通车辆用空气弹簧系统，其主体结构包括上盖板1、气囊3、内金属压套5、辅助弹簧、外金属套7、底座9和负刚度装置10；本实施例中辅助弹簧选用橡胶弹簧6。

其中外金属套7通过紧固螺钉13安装在底座9上，外金属套4与底座9之间安装有密封圈；内金属压套5套装在外金属套7内并与外金属套7内壁形成间隙，橡胶弹簧6设置在间隙内，橡胶弹簧6包括依次硫化连接的橡胶弹簧顶板6a、中间橡胶层6b、金属隔板6c和橡胶弹簧底板6d；橡胶弹簧底板6d与底座9通过紧固件连接在一起；负刚度装置10安装在内金属压套5内，内金属压套5压于橡胶弹簧6和负刚度装置10顶部，并与负刚度装置向上伸出的负刚度传递装置以及磨耗板4用螺钉紧固在一起，上盖板1和扣环2通过螺钉紧固方式对气囊2的上子口圆周形成紧固密封，气囊2下子口与外金属套4的外周连接，实现密封。

负刚度装置包括与内金属压套通过紧固螺钉15连接的负刚度传递装置，通过紧固螺钉11安装于底座上的负刚度装置外套，以及布置于外套内的电磁装置；内金属压套的顶部设有磨耗板，内金属压套、负刚度传递装置与磨耗板通过紧固螺钉15固定在一起；当内金属压套处于自由状态时，其顶板的下端面与橡胶弹簧顶部之间存在间隙H2，与外金属套存在间隙H3，而其底部与底座之间存在间隙H1；当内金属压套的下降高度达到H3时，内金属压套与外金属压套在结构上可形成垂向硬止挡。

本发明的具体工作方式如下：

当空气弹簧处于充气状态时，上盖板1与磨耗板4以及内金属压套5之间存在一定间隙，即仅由空气弹簧对车体进行承载，橡胶弹簧6和负刚度装置10均不产生任何作用，产品的性能由气囊2的变形完成；而当空气弹簧处于无气状态时，气囊2不再起作用，此时车体压着上盖板1与磨耗板4接触，在车体重力作用下内金属压套5下移与辅助弹簧（即橡胶弹簧6）和负刚度装置接触，此时由橡胶弹簧6和负刚度装置10共同承载车体重力，负刚度装置10与橡胶弹簧6呈现并联状态，具体而言，负刚度装置10承压到一定载荷后内金属压套5与橡胶弹簧6接触，此时橡胶弹簧才进行工作，橡胶弹簧6的正向刚度与负刚度装置10提供的负刚度值并联组合后会出现一个准零刚度区间。

如图2所示，空气弹簧系统无气时载荷位移曲线由单独橡胶弹簧载荷位移曲线与单独负刚度装置载荷位移曲线共同影响，单独橡胶弹簧载荷位移曲线呈线型变化，即橡胶弹簧的刚度不发生变化，而单独负刚度装置载荷位移曲线呈波浪形变化，即负刚度装置下移至一定位置后将提供负刚度，空气弹簧系统无气时载荷位移曲线在附近具有准零刚度区间。

上述结构一方面可避免无气状态时，车体下降过程中产生刚性碰撞接触；另一方面降低了车辆无气时的垂向刚度值，提供垂向准零刚度，隔振频率可以降低至与气囊充气状态下隔振频率一致，甚至隔振低于1Hz以下的振动频率，起到良好的低频隔振效果，提高了车辆在无气时的运行稳定性和乘客乘坐舒适性；同时该结构简单、紧凑，可节省安装空间。

另外，本发明内金属压套5的顶部设有磨耗板4，该磨耗板4主要是在车辆无气时利用横向摩擦力提供车辆过弯道时的横向力和提供直线行驶时所需的纵向力等，同时通过滑动摩擦还可提供一定的横向位移；外金属套H3和内金属压套形成垂向硬止挡H1，避免车体过度下沉，保证车辆的安全。

如图4所示，本实施例采用的负刚度装置包括传递装置10a，电磁装置10b以及外套10c，电磁装置10b布置于外套10c内，它包括一对纵向动磁铁10b1和一对横向动磁铁10b3，这两对磁铁均相对地固定在与传递装置10a连接的铁芯10b5上，可随传递装置10a进行纵向移动，而在两对磁铁相对的外套10c的内壁上固定有一对纵向静磁铁10b2与一对横向静磁铁10b4，该负刚度装置的具体工作方式如下：

该装置中纵向动磁铁10b1与纵向静磁铁10b2异极相对，所以二者之间的力为吸力，当纵向动磁铁10b1对于外套10c内壁上的纵向静磁铁10b2处于中心对称位置时， 纵向动磁铁10b1所受磁力合力为零，此对称位置为零力点。当纵向动磁铁10b1偏移零力点时，纵向动磁铁10bq与靠近的纵向静磁铁10b2之间的吸力会增大，而纵向动磁铁10b1与远离的纵向静磁铁10b5之间的吸力会变小，所以纵向动磁铁10b1所受合磁力的方向与偏移零力点的位移方向相同，即为负刚度。

故对于本实施例整个空气弹簧系统而言，纵向动磁铁10b1随受压的传递装置10a下降到零力点之前，其所受到的来自顶部纵向静磁铁10b2的吸引力大于底部纵向静磁铁10b2的吸力，故纵向动磁铁10b1及传递装置10a所受合磁力的方向向上，负刚度装置10在该过程中提供正刚度；而当传递装置10a进一步承重，下降到零力点下方时，所受到的来自顶部纵向静磁铁10b2的吸引力大于底部纵向静磁铁10b2的吸力，故纵向动磁铁10b1及传递装置10a所受合磁力的方向向下，负刚度装置10在该过程中提供负刚度。

同理，横向静磁铁10b3和横向动磁铁10b4同极相对，所以二者之间的力为斥力，当横向动磁铁10b3偏移零力点时，偏移零力点的位移方向与横向动磁铁10b3所受磁力的方向相同，即为负刚度，具体而言，横向动磁铁10b3随受压的传递装置10a下降到零力点之前，横向动磁铁10b3将受到横向静磁铁10b4向上的斥力，故横向动磁铁10b3及传递装置10a所受合磁力的方向向上，故为正刚度；而当传递装置10a进一步承重，继续下降到零力点下方时，横向动磁铁10b3将受到横向静磁铁10b4向下的斥力，故横向动磁铁10b3及传递装置10a所受合磁力的方向向下，负刚度装置10在该过程中提供负刚度。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中的辅助弹簧选用钢弹簧或者其他材质的辅助弹簧，与选择橡胶弹簧6相比，采用不同材质辅助弹簧的空气弹簧系统的刚度特性存在略微区别。

显然，上述实例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可实现泄气准零刚度的空气弹簧系统，其特征在于，包括上盖板、气囊、内金属压套、辅助弹簧、外金属套、底座和负刚度装置，所述外金属套安装在底座上，所述内金属压套套装在外金属套内并与外金属套内壁形成间隙，所述辅助弹簧设置在间隙内，所述负刚度装置安装在内金属压套内，所述内金属压套压于辅助弹簧和负刚度装置顶部，并与负刚度装置紧固在一起；所述气囊的上子口与上盖板连接且密封，下子口与外金属套连接且密封，在空气弹簧承重面下方并联布置辅助弹簧与负刚度装置，空气弹簧处于充气状态时，由空气弹簧承重；当空气弹簧处于无气状态时，由辅助弹簧和负刚度装置共同承载车体重力，负刚度装置被压缩至一定比例时，提供负刚度，辅助弹簧的正向刚度与负刚度装置提供的负刚度值抵消后会形成准零刚度区间；

所述负刚度装置包括传递装置，电磁装置以及外套，电磁装置布置于外套内，它包括一对纵向动磁铁和一对横向动磁铁，两对磁铁均相对地固定在与传递装置连接的铁芯上，可随传递装置进行纵向移动，在两对磁铁相对的外套的内壁上固定有一对纵向静磁铁与一对横向静磁铁。

2.根据权利要求1所述的空气弹簧系统，其特征在于，所述负刚度装置包括与内金属压套紧固连接的负刚度传递装置，安装于底座上的负刚度装置外套，以及布置于外套内的电磁装置。

3.根据权利要求1所述的空气弹簧系统，其特征在于，所述内金属压套处于自由状态时，其顶板的下端面与橡胶弹簧顶部之间存在间隙H2，与外金属套之间存在间隙H3，其底部与底座之间存在间隙H1。

4.根据权利要求1所述的空气弹簧系统，其特征在于，所述内金属压套与外金属套在结构上可形成垂向硬止挡。

5.根据权利要求1或2所述的空气弹簧系统，其特征在于，所述内金属压套的顶部设有磨耗板；所述内金属压套、负刚度传递装置与磨耗板通过紧固件固定在一起。

6.根据权利要求1所述的空气弹簧系统，其特征在于，充气状态下，所述上盖板与磨耗板以及内金属压套之间存在一定间隙。

7.根据权利要求1所述的空气弹簧系统，其特征在于，所述外金属套与底座之间安装有密封圈。

8.根据权利要求2所述的空气弹簧系统，其特征在于，所述上盖板的外周面底部设有扣环；所述气囊一端与扣环扣接。