CN112026827B - 一种拉杆节点设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉杆节点设计方法：根据用户对拉杆节点刚度要求与橡胶层最大刚度进行比较；根据比较结果对拉杆节点采用线性刚度设计或变刚度设计。通过在芯轴与外套之间设置内止挡的方式来实现变刚度设计。利用内止挡与橡胶层共同承受疲劳荷载，以控制橡胶层所承受的疲劳荷载及橡胶层应变，避免橡胶层应变过大而造成疲劳开裂，提高牵引节点的可靠性。

Description

一种拉杆节点设计方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆配件领域，具体涉及一种拉杆节点设计方法。

背景技术

牵引拉杆节点为轨道车辆的重要部件，安装在转向架牵引杆的两端，一端与车体连接，一端固定在转向架，主要起到传递牵引力的作用，但是当转向架在过曲线时，牵引拉杆节点就需要提供扭转变形和偏转变形等弹性作用。牵引拉杆节点连同空气弹簧和其他橡胶元件共同作用，给车体提供稳定舒适的运行性能。其主要功能作用是传递牵引和制动力，若产品刚度过大，则影响减振缓冲效果，影响乘客的舒适性。若产品刚度太小，则影响产品的使用寿命。牵引拉杆节点的失效会导致牵引杆故障，产生牵引和制动冲击，舒适性降低。

牵引拉杆节点由金属芯轴、橡胶层和金属外套组成，节点的橡胶层具有减振功能，并提供纵向刚度，在机车运行中橡胶层受频繁的反复挤压和拉伸，当橡胶层疲劳荷载（F1）超过橡胶层的允许荷载及橡胶层的应变超过橡胶层的允许应变时，橡胶层容易出现橡胶变形和开裂，因此会缩短牵引拉杆节点的疲劳寿命。

经专利检索，与本发明有一定关系的专利主要有以下专利：

1、申请号为“201420184237.5”、申请日为“2014.04.16”、公开号为“CN 203766806U”、公开日为“2014.08.13”、名称为“一种机车车辆用牵引拉杆节点”、申请人为“青岛铁路橡胶厂”的实用新型专利，该新型专利包括金属芯轴、橡胶层和金属外套，橡胶层设置在金属芯轴和金属外套之间，所述金属外套至少3 块，均匀包裹橡胶层，相邻两块金属外套之间设有间隙，橡胶层上设有与所述间隙相连接的开口槽，金属芯轴的中间部位设有凸起面，所述凸起面的圆周表面上设有凹槽。该实用新型结构简单，通过对金属外套之间设置间隙来消除橡胶层内应力，以此提高牵引拉杆节点的使用寿命，并延长机车检修周期。

2、申请号为“201520131494.7”、申请日为“2015.03.09”、公开号为“CN 204605826U”、公开日为“2015.09.02”、名称为“一种转向架牵引装置”、申请人为“南车青岛四方机车车辆股份有限公司”的实用新型专利，该新型专利涉及一种转向架牵引装置，包括牵引拉杆体和设置在牵引拉杆体两侧的牵引节点，所述牵引节点包括外套、芯轴和牵引橡胶，所述牵引橡胶设置在外套和芯轴之间，在所述芯轴中间部位对称设置有两个圆弧形凸起，在每个所述圆弧形凸起与外套之间的牵引橡胶上设置一个贯通孔。本实用新型实现了非接触牵引结构，在车辆高速运行中隔离了高频振动，提高了车辆运行舒适性，实现了非接触牵引装置的非线性牵引刚度和较小的附加扭转、偏摆刚度，释放高速运行条件下垂向自由度，提高了车辆舒适性。

3、申请号为“201720912994 .”、申请日为“2017 .07 .26”、公开号为“CN206984005 U”、公开日为“2018.02.09”、名称为“牵引拉杆节点”、申请人为“株洲时代新材料科技股份有限公司”的实用新型专利，该牵引拉杆节点，包括芯轴、外套和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层，其特征在于橡胶层的外端型面为向外凸出的圆弧凸面，圆弧凸面由外向内逐渐靠近外套内壁，且所述的圆弧凸面与外套的内壁之间通过过渡面一过渡，圆弧凸面与芯轴的外壁之间通过过渡面二过渡，所述的过渡面一为沿向内凹进的圆弧面，所述的过渡面二为向内凹进的弧面。该实用新型的牵引拉杆节，减少橡胶型面在承载过程中的褶皱和开裂，提高牵引拉杆节点在大载荷下的疲劳寿命，满足牵引拉杆节点在大载荷下的非线性刚度要求。

4、申请号为“CN201720912994.3”、申请日为“2017.07.26”、公开号为“CN206984005U”、公开日为“2018.02.09”、名称为“牵引拉杆节点”、申请人为“株洲时代新材料科技股份有限公司”的中国发明专利，该牵引拉杆节点，包括芯轴、外套和硫化粘结在芯轴与外套之间的橡胶层，其特征在于橡胶层的外端型面为向外凸出的圆弧凸面，圆弧凸面由外向内逐渐靠近外套内壁，且所述的圆弧凸面与外套的内壁之间通过过渡面一过渡，圆弧凸面与芯轴的外壁之间通过过渡面二过渡，所述的过渡面一为沿向内凹进的圆弧面，所述的过渡面二为向内凹进的弧面。本实用新型的牵引拉杆节，减少橡胶型面在承载过程中的褶皱和开裂，提高牵引拉杆节点在大载荷下的疲劳寿命，满足牵引拉杆节点在大载荷下的非线性刚度要求。

5、申请号为“CN201920577231.7”、申请日为“2019.04.25”、公开号为“CN209833636U”、公开日为“2019.12.24”、名称为“一种轨道列车转向架用牵引拉杆节点”、申请人为“溧阳市振大铁路设备有限公司”的实用新型专利，该实用新型公开了一种轨道列车转向架用牵引拉杆节点，包括芯轴、外套、第一橡胶层、第二橡胶层和插片，所述第一橡胶层的两侧均与所述外套固定相连，所述芯轴与外套通过芯轴左右两侧的第一橡胶层硫化后成型，所述芯轴与所述外套之间设有关于所述芯轴对称的两个间隙孔，所述间隙孔内设有插片和第二橡胶层，所述芯轴、第二橡胶层、插片依次连接，所述插片和芯轴通过芯轴上下两边的第二橡胶层硫化后成型，所述插片与第一橡胶层、外套均不接触。所述插片中间高，两边低，截面呈梯形减小了与外套接触的面积，也起到了减振和降低磨损的效果，运行时插片与外套接触，插片与外套的碰撞，通过橡胶后再传递到芯轴，避免了橡胶与外套接触容易磨损的问题。

上述专利没有涉及到：怎样既保证拉杆节点具有高可靠性、同时满足轨道车辆运行的平稳性的拉杆节点设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：既要保证拉杆节点能够承受较高的疲劳荷载和高可靠性，同时还满足轨道车辆运行的平稳性及乘客舒适性的要求。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种拉杆节点设计方法，根据用户对拉杆节点刚度要求与橡胶层最大刚度进行比较；根据比较结果对拉杆节点采用线性刚度设计或变刚度设计。以便既保证拉杆节点能够承受较高的疲劳荷载和高可靠性，同时还满足轨道车辆运行的平稳性及乘客舒适性的要求。

拉杆节点设计方法包括下述步骤：

步骤一：根据用户要求的最大疲劳荷载及芯轴相对于外套的最大允许位移计算拉杆节点刚度，画出疲劳荷载—位移关系图中的直线OP，直线OP的斜率为拉杆节点刚度；

步骤二：根据橡胶许用应力[σ]和橡胶层截面积计算橡胶层能够承受的最大疲劳荷载, 根据橡胶许用应变和橡胶层的长度计算橡胶层的最大允许位移,然后计算橡胶层最大刚度，画出疲劳荷载—位移关系图中的直线OM，直线OM的斜率为橡胶层最大刚度；

步骤三：将拉杆节点刚度与橡胶最大刚度进行比较：当拉杆节点刚度小于等于橡胶层最大刚度时，拉杆节点采用线性刚度设计；当拉杆节点刚度大于橡胶层最大刚度时，采用变刚度设计。

进一步地，所述线性刚度设计，所述拉杆节点包括：芯轴、橡胶层及外套，所述橡胶层设置在芯轴与外套之间，将芯轴与外套弹性连接。以满足轨道车辆平稳运行的刚度要求。

进一步地，在芯轴与外套之间还设置有沿轴向的空腔，以满足轨道车辆在纵向和横向的不同的刚度要求。

进一步地，所述变刚度设计是通过在芯轴与外套之间设置内止挡的方式来实现，所述拉杆节点包括：芯轴、橡胶层、外套及内止挡，所述橡胶层设置在芯轴与外套之间，将芯轴与外套弹性连接；所述内止挡设置在芯轴与外套之间，内止挡与芯轴之间或内止挡与外套之间设置有止挡间隙。以控制橡胶层应变，避免橡胶层应变过大而造成疲劳开裂，提高牵引节点的可靠性。

进一步地，在芯轴与外套之间还设置有沿轴向的空腔，所述内止挡设置在空腔内，以充分发挥内止挡的止挡作用。

进一步地，在内止挡表面设置有包胶，以减少内止挡起止挡作用时的冲击力。

进一步地，所述内止挡设置在芯轴上，内止挡与外套之间设置有止挡间隙。

进一步地，所述内止挡设置在外套上，内止挡与芯轴之间设置有止挡间隙。

进一步地，疲劳荷载由橡胶层及内止挡共同承受，F=F1+F2=K1×L+K2×（L-A）。

本发明的有益效果为：根据用户对拉杆节点刚度要求与橡胶层最大刚度进行比较；根据比较结果对拉杆节点采用线性刚度设计或变刚度设计。通过在芯轴与外套之间设置内止挡的方式来实现变刚度设计。利用内止挡与橡胶层共同承受疲劳荷载，以控制橡胶层所承受的疲劳荷载及橡胶层应变，避免橡胶层应变过大而造成疲劳开裂，提高牵引节点的可靠性。

附图说明

图1为疲劳荷载（F）—位移（L）关系示意图，

图2为拉杆节点刚度（K）小于等于橡胶最大刚度（Km）时示意图，

图3为拉杆节点刚度（K）大于橡胶最大刚度（Km）时示意图，

图4为拉杆节点采用变刚度设计的疲劳荷载（F）—位移（L）关系示意图，

图5为实施例1正视剖视图，

图6为实施例1俯视剖视图，

图7为实施例1侧视示意图，

图8为实施例2正视剖视图，

图9为实施例2俯视剖视图，

图10为实施例2侧视示意图，

图11为实施例3正视剖视图，

图12为实施例3俯视剖视图，

图13为实施例3侧视示意图，

图14为实施例4正视剖视图，

图15为实施例4俯视剖视图，

图16为实施例4侧视示意图，

图中：1—芯轴、2—橡胶层、3—外套、4—内止挡、5—包胶、6—空腔、F—疲劳荷载、Fp—最大疲劳荷载、F1—橡胶层承受的疲劳荷载、F2—内止挡承受的疲劳荷载、L—芯轴相对于外套的位移、Lp—芯轴相对于外套的最大允许位移、Lg—拐点位移、OP—拉杆节点疲劳荷载—位移关系直线、K—拉杆刚度（直线OP的斜率）、OM—橡胶允许的疲劳荷载—位移关系直线、Km—橡胶层允许刚度（直线OM的斜率）、OG—橡胶层刚度疲劳荷载—位移关系直线（内止挡产生止挡作用之前拉杆节点）、K1—橡胶层刚度（直线OG的斜率）、GP—橡胶层与内止挡组合疲劳荷载—位移关系直线（内止挡产生止挡作用之后）、K2—组合刚度（直线GP的斜率）、S—橡胶应变、Smax—橡胶许用应变、A—止挡间隙、B—包胶厚度、C—内止挡高度、D—内止挡宽度、H—橡胶层厚度。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示：由于牵引节点所承受是牵引力和制动力，在轨道车辆运行过程中牵引力和制动力的大小和方向时刻在变化，容易导致牵引节点疲劳失效，所以牵引节点所承受是疲劳荷载F。根据用户提供的最大疲劳荷载Fp及芯轴1相对于外套3的最大允许位移Lp计算拉杆节点刚度K，画出疲劳荷载F—位移L关系图中的直线OP，直线OP的斜率为拉杆节点刚度K。

如图2所示：根据橡胶许用应力[σ]和橡胶层截面积计算橡胶层2能够承受的最大疲劳荷载Fm, 根据橡胶许用应变Smax和橡胶层的长度计算橡胶层2的最大允许位移Lm,然后计算橡胶层最大刚度Km，画出疲劳荷载F—位移L关系图中的直线OM，直线OM的斜率为橡胶层最大刚度Km。

将拉杆节点刚度K与橡胶最大刚度Km进行比较：当拉杆节点刚度K小于等于橡胶层最大刚度Km时，拉杆节点采用线性刚度设计。

如图3所示：当拉杆节点刚度K大于橡胶层最大刚度Km时，采用变刚度设计。

如图4所示：当拉杆节点刚度K大于橡胶层最大刚度Km时，将疲劳荷载F—位移L关系图中的直线OP改为由橡胶层刚度疲劳荷载—位移关系直线OG（斜率K1）和橡胶层与内止挡组合疲劳荷载—位移关系直线GP（斜率K2）组成的折线， OG与GP的连接点为拐点G。

为了将疲劳荷载F合理分配到橡胶层2及内止挡4上，当橡胶应变S达到橡胶许用应变Smax的70～80%时芯轴1相对于外套3的位移L作为拐点位移Lg。在拐点G之前，疲劳荷载F由橡胶层2承受，此时疲劳荷载F等于橡胶层承受的疲劳荷载F1，即：F=F1，拉杆节点刚度K等于橡胶层刚度K1，橡胶层伸缩变形，芯轴1相对于外套3产生位移L。

当位移L等于拐点位移Lg时，内止挡4产生止挡作用，此时拉杆节点刚度K显著增大，转为组合刚度K2。由于组合刚度K2较大，疲劳荷载F由橡胶层2和内止挡4共同承受，即：F=F1+F2= K1×L+K2×（L-A）。此时位移L随疲劳荷载F的增加而增加很小，从而能够控制橡胶应变S，避免橡胶应变S过大所造成的橡胶层2开裂失效，从而控制橡胶层2所承受的疲劳荷载F及橡胶层应变S，避免橡胶层应变S过大而造成疲劳开裂，提高牵引节点的可靠性。

实施例1如图5至7所示：当拉杆节点刚度K小于等于橡胶层最大刚度Km时，拉杆节点采用实施例1的线性刚度设计方案。所述拉杆节点包括：圆柱形芯轴1、圆环形橡胶层2及圆环形外套3，通过压装设备将橡胶层2压入芯轴1与外套3之间，也可以通过硫化的方式与芯轴1及外套3连为一体。

然后还可以通过压装设备对外套3进行径向压缩，继而通过压缩外套3对橡胶层2进行压缩，以提高橡胶层2的密度，从而提高橡胶层2的刚度K1，以便提高橡胶层2的承载能力。

实施例2如图8至10所示：当拉杆节点刚度K小于等于橡胶层最大刚度Km时，拉杆节点还可以采用实施例2的线性刚度设计方案。所述拉杆节点包括：圆柱形芯轴1、弧形橡胶层2及圆环形外套3，在芯轴1与外套3之间还设置有沿拉杆节点轴向的空腔6。通过压装或硫化的方式将橡胶层2设置在芯轴1与外套3之间。

与实施例1所不同的是：在实施例2中橡胶层2并没有充满芯轴1与外套3之间的环形空间，在芯轴1与外套3之间设置有轴向的空腔6。在设置有橡胶层2的方向拉杆节点具有较大的刚度，在设置有空腔6的方向拉杆节点具有较小的刚度。以满足轨道车辆在不同方向的刚度要求：如轨道车辆沿轨道的纵向具有较大的牵引力和制动力，需要拉杆节点具有较大的刚度，而在垂直于轨道的横向摆动幅度不大，为了乘客舒适性的要求，需要拉杆节点具有较小的刚度。

实施例3如图11至13所示：当拉杆节点刚度K大于橡胶层最大刚度Km时，拉杆节点采用实施例3的非线性的变刚度设计方案。

所述变刚度设计的拉杆节点包括：芯轴1、橡胶层2、外套3及内止挡4，通过压装设备将橡胶层2压入芯轴1与外套3之间，也可以通过硫化的方式与芯轴1及外套3连为一体。然后还可以通过压装设备对外套3进行径向压缩，继而通过压缩外套3对橡胶层2进行压缩，以提高橡胶层2的密度，从而提高橡胶层2的刚度K1，以便提高橡胶层2的承载能力。

所述橡胶层2设置有沿拉杆节点轴向的空腔6，所述内止挡4设置在空腔6内。所述内止挡4设置在芯轴1上，内止挡4与外套3之间设置有止挡间隙A。根据用户对刚度要求设计内止挡高度C和内止挡宽度D。

在疲劳荷载F作用下，芯轴1相对于外套3产生位移L，当位移L等于拐点位移Lg时，内止挡4与外套3接触。通常按照拐点G处橡胶应变S为橡胶许用应变Smax的70～80%来确定拐点位移Lg。在拐点G处拉杆节点刚度K显著增大，转为组合刚度K2。由于组合刚度K2较大，疲劳荷载F由橡胶层2和内止挡4共同承受，即：F=F1+F2=K1×L+K2×（L-A）。此时位移L随疲劳荷载F的增加而增加量很小，从而能够控制橡胶应变S，避免橡胶应变S过大所造成的橡胶层2开裂失效，从而控制橡胶层2所承受的疲劳荷载F及橡胶层应变S，避免橡胶层应变S过大而造成疲劳开裂，提高牵引节点的可靠性。

在内止挡4表面还设置有包胶5，包胶厚度B根据用户的平稳性要求来设置，以减少内止挡4产生止挡作用时的冲击力，增加轨道车辆运行的平稳性。

实施例4如图14至16所示：实施例4与实施例3所不同的是：内止挡4是设置在外套3的内表面上。

综上所述：本发明的有益效果为：根据用户对拉杆节点刚度要求与橡胶层最大刚度进行比较；根据比较结果对拉杆节点采用线性刚度设计或变刚度设计。通过在芯轴与外套之间设置内止挡的方式来实现变刚度设计。利用内止挡与橡胶层共同承受疲劳荷载，以控制橡胶层所承受的疲劳荷载及橡胶层应变，避免橡胶层应变过大而造成疲劳开裂，提高牵引节点的可靠性。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (9)

1.一种拉杆节点设计方法，其特征在于：根据用户对拉杆节点刚度（K）要求与橡胶层最大刚度（Km）进行比较；根据比较结果对拉杆节点采用线性刚度设计或变刚度设计；包括下述步骤：

步骤一：根据用户要求的最大疲劳荷载（Fp）及芯轴（1）相对于外套（3）的最大允许位移（Lp）计算拉杆节点刚度（K），画出疲劳荷载（F）—位移（L）关系图中的直线OP，直线OP的斜率为拉杆节点刚度（K）；

步骤二：根据橡胶许用应力σ和橡胶层截面积计算橡胶层（2）能够承受的最大疲劳荷载（Fm）, 根据橡胶许用应变（Smax）和橡胶层的长度计算橡胶层（2）的最大允许位移（Lm）,然后计算橡胶层最大刚度（Km），画出疲劳荷载（F）—位移（L）关系图中的直线OM，直线OM的斜率为橡胶层最大刚度（Km）；

步骤三：将拉杆节点刚度（K）与橡胶层最大刚度（Km）进行比较：当拉杆节点刚度（K）小于等于橡胶层最大刚度（Km）时，拉杆节点采用线性刚度设计；当拉杆节点刚度（K）大于橡胶层最大刚度（Km）时，采用变刚度设计。

2.根据权利要求1所述的拉杆节点设计方法，其特征在于：当拉杆节点采用所述线性刚度设计时，所述拉杆节点包括：芯轴（1）、橡胶层（2）及外套（3），所述橡胶层（2）设置在芯轴（1）与外套（3）之间，将芯轴（1）与外套（3）弹性连接。

3.根据权利要求2所述的拉杆节点设计方法，其特征在于：在芯轴（1）与外套（3）之间还设置有沿轴向的空腔（6）。

4.根据权利要求1所述的拉杆节点设计方法，其特征在于：所述变刚度设计是通过在芯轴（1）与外套（3）之间设置内止挡（4）的方式来实现，所述拉杆节点包括：芯轴（1）、橡胶层（2）、外套（3）及内止挡（4），所述橡胶层（2）设置在芯轴（1）与外套（3）之间，将芯轴（1）与外套（3）弹性连接；所述内止挡（4）设置在芯轴（1）与外套（3）之间，内止挡（4）与芯轴（1）之间或内止挡（4）与外套（3）之间设置有止挡间隙（A）。

5.根据权利要求4所述的拉杆节点设计方法，其特征在于：在芯轴（1）与外套（3）之间还设置有沿轴向的空腔（6），所述内止挡（4）设置在空腔（6）内。

6.根据权利要求5所述的拉杆节点设计方法，其特征在于：在内止挡（4）表面设置有包胶（5）。

7.根据权利要求6所述的拉杆节点设计方法，其特征在于：所述内止挡（4）设置在芯轴（1）上，内止挡（4）与外套（3）之间设置有止挡间隙（A）。

8.根据权利要求6所述的拉杆节点设计方法，其特征在于：所述内止挡（4）设置在外套（3）上，内止挡（4）与芯轴（1）之间设置有止挡间隙（A）。

9.根据权利要求4至8任意一项所述的拉杆节点设计方法，其特征在于：疲劳荷载（F）由橡胶层（2）及内止挡（4）共同承受。

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