CN112046529B - 一种抗侧滚变刚度方法及抗侧滚装置 - Google Patents

Abstract

提供一种抗侧滚装置，包括一对连杆、一对扭转臂和一对弹性连接部件，令一对连杆分别和车体连接，在一对扭转臂上分别设置三个转动连接点，令转动连接点A和连杆的另一端转动连接，转动连接点O和转向架转动连接，将弹性连接部件两端连接至转向架和转动连接点B之间，弹性连接部件的两端和转向架、转动连接点B均为转动连接，三个转动连接点所形成的角度∠AOB≠180°，通过调节弹性连接部件的阻尼来改变所述的抗侧滚刚度。弹性连接部件为扭转臂的旋转提供阻尼作用，通过改变弹性连接部件的阻尼系数则可改变整个抗侧滚装置在车辆侧滚时的刚度。两组抗侧滚装置中的扭转臂是独立工作的，其刚度的变化以及车辆在侧滚时扭转臂的扭转角度均互相不受影响。

Description

一种抗侧滚变刚度方法及抗侧滚装置

技术领域

本发明涉及轨道车辆用抗侧滚扭杆系统技术领域，特别涉及一种抗侧滚变刚度方法及抗侧滚装置。

背景技术

抗侧滚扭杆系统简称扭杆系统，应用于轨道交通车辆，如城轨地铁车辆，高速动车组车辆以及干线铁路车辆，起到提高车辆运行过程中的抗侧滚刚度的组件，其主要结构包括承受扭转的弹簧钢扭杆轴，扭转臂，垂向连杆组件以及支撑座组件等。抗侧滚扭杆系统（简称扭杆系统）是轨道交通车辆（包括干线铁路车辆，地铁城轨车辆，有轨电车等）的关键部件，用于抑制在车辆转弯，侧风等情况下的车体侧滚，扭杆系统由垂向连杆组件（简称连杆组件），支撑座组件，扭杆组件（扭转臂和扭杆轴组成）。

随着车辆运行速度以及其乘坐舒适性要求的提高，且车辆的动力学计算和实际运行情况往往存在一定偏差，客户要求在车辆能根据实际运行情况来调整扭杆系统的的侧滚刚度，来提高车辆的弯道运行速度或者提高乘坐舒适性。甚至要求根据线路工况，在不同的弯道情况下的提供不同的侧滚刚度。由于现结构抗侧滚扭杆的侧滚刚度由产品结构已经确定，在不改变接口尺寸的前提下只能改变扭杆轴的直径来调整侧滚刚度，显然无法满足上述要求。因此，如何通过设计一种新型抗侧滚扭杆系统，适用于侧滚刚度大小可调并形成批量的生产制造工艺是产品开发过程中亟待解决的问题。

因此提出一种抗侧滚变刚度方法及抗侧滚装置在本技术领域内具有重大的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：提出一种抗侧滚变刚度方法，该方法提供一种抗侧滚装置，包括一对连杆、一对扭转臂和一对弹性连接部件，令一对连杆分别和车体连接，在一对扭转臂上分别设置三个转动连接点，令转动连接点A和连杆的另一端转动连接，转动连接点O和转向架转动连接，将弹性连接部件两端连接至转向架和转动连接点B之间，弹性连接部件的两端和转向架、转动连接点B均为转动连接，三个转动连接点所形成的角度∠AOB≠180°，通过调节弹性连接部件的阻尼来改变所述的抗侧滚刚度。

进一步地，令弹性连接部件的两端和转向架以及转动连接点B之间铰接，所述两端铰接的转动轴为平行布置。

进一步地，令所述两端铰接的转动轴的分布方向与连杆垂直。

进一步地，令弹性连接部件的两端和转向架以及转动连接点B之间为万向连接。

进一步地，将弹性连接部件设置为可变阻尼的弹性连接件，在抗侧滚装置使用时改变弹性连接件的阻尼来实时地改变抗侧滚刚度。

进一步地，在侧滚的允许最大高度H_AAˊ确定前提下，弹性连接部件和转动连接点B在初始安装时令弹性连接部件的轴线和直线OB之间的夹角α在初始状态时满足表达式α≤180°-

-

；其中L₃为弹性连接部件的初始长度。

还提出一种抗侧滚装置，包括一对连杆、一对扭转臂，还包括一对弹性连接部件，一对连杆分别和车体连接，一对扭转臂均为“L型”构件，“L型”构件上的转动连接点A和连杆的另一端转动连接，“L型”构件上的中间转动连接点O和转向架转动连接，弹性连接部件的两端分别和转向架、L型构件上的转动连接点B转动连接。

进一步地，弹性连接部件的两端分别和转向架、转动连接点B铰接，所述铰接的转动轴和连杆的轴线垂直。

进一步地，弹性连接部件的两端和转向架以及转动连接点B之间均通过关节球头连接。

进一步地，弹性连接部件与转动连接点B之间在初始安装状态下弹性连接部件轴线与直线OB之间垂直。

本发明具有以下优点：

1、通过在传统扭转臂上增加转动连接点，并在该转动连接点和转向架之间增加弹性连接部件，车辆在侧滚时通过连杆带动扭转臂旋转，而弹性连接部件则为扭转臂的旋转提供阻尼作用，从而抑制车辆侧滚。通过改变弹性连接部件的阻尼系数则可改变整个抗侧滚装置在车辆侧滚时的刚度。由于两组抗侧滚装置中的扭转臂是分别和转向架连接，车辆在侧滚时两组抗侧滚装置中的扭转臂是独立工作的，其刚度的变化以及车辆在侧滚时扭转臂的扭转角度均互相不受影响。相较于现有技术中扭转臂通过扭杆轴连接，一侧的扭转臂转动是通过扭杆轴的硬性连接可能会导致另一侧的扭转臂联动，该联动会导致两侧抗侧滚装置相互间收到影响并最终影响车辆的抗侧滚性能。

2、两组抗侧滚装置中的扭转臂是分别和转向架连接，其间无扭杆轴的阻尼影响，扭杆装置中的阻尼全部由弹性部件来提供，在调节匹配抗侧滚刚度的时能根据车辆实际运行的工况精确匹配抗侧滚所需的刚度。

3、由于省略了扭杆轴，相应地也省略了支撑扭杆轴的支撑组件，抗侧滚装置在实际安装布置时能极大节省转向架的布置空间，同时也使得整个抗侧滚装置的制造成本大大下降。

4、弹性连接部件以万向连接的方式和扭转臂、转向架连接，在为车辆侧滚提供阻尼作用的同时，也可在车辆因小曲线行驶而产生的偏转提供阻尼作用，使得车辆在侧滚以及偏转工况下的舒适性大大提升。

附图说明

图1是抗侧滚装置的结构原理图；

图2是抗侧滚装置在偏转时弹性连接部件的受力变化原理图；

图3是弹性连接部件在压缩时的转动变化原理图；

图4是抗侧滚装置的结构示意图。

具体实施方式

为了本领域普通技术人员能充分实施本发明内容，下面结合附图以及具体实施例来进一步阐述本发明内容。

一种抗侧滚变刚度方法，提供一种抗侧滚装置，如图1所示：包括一对连杆1、一对扭转臂2和一对弹性连接部件3，令一对连杆1分别和车体4连接，在一对扭转臂2上分别设置三个转动连接点，令转动连接点A和连杆1的另一端转动连接，转动连接点O和转向架5转动连接，将弹性连接部件3两端连接至转向架5和转动连接点B之间，弹性连接部件3的两端和转向架5、转动连接点B均为转动连接，三个转动连接点所形成的角度∠AOB≠180°，通过调节弹性连接部件3的阻尼来改变所述的抗侧滚刚度。

在本实施例中，连杆1与车体4的之间通过关节球头连接，这样连杆1与车体4之间的连接是可万向转动的，一般也可采用现有技术中的万向接头进行连接。由于连杆1与扭转臂2之间通过转动连接点A连接的，因此当车体因侧滚而倾斜时，连杆1在车体4的下压或者上升作用力下通过转动连接点A带动扭转臂2转动。此状态下扭转臂2会以转动连接点O为中心转动，由于转动连接点AOB之间呈一定夹角，该夹角会将车体1侧滚的垂直作用力通过力矩传递到转动连接点B上，在转动连接点B和转向架5之间以转动连接的方式设置有弹性连接部件3，弹性连接部件3会对扭转臂2的转动产生阻尼减震的作用，从而抑制车体4的侧滚，为抗侧滚提供一定的刚度。整个抗侧滚装置的刚度是由弹性连接部件3阻尼来提供的，因此调节弹性连接部件3的阻尼即可对抗侧滚装置的刚度进行变化调节。

此方法涉相较于现有技术中的抗侧滚系统来说具有诸多的优点：其一，现有技术中的抗侧滚系统中，两侧的扭转臂通过一根横穿整个转向架的扭杆轴进行转动连接的，利用扭杆轴的抗扭特性来抑制车体的侧滚。此结构一方面使得两侧的扭转臂存在着硬性连接，当车体两侧的侧滚倾斜量不等时，扭杆轴的硬性连接会使得两侧的扭转臂存在着联动相反的作用力，这对车体整个侧滚倾斜量会产生一个相同方向的作用力，从而影响整个抗侧滚系统抑制侧滚侧倾效果，令车辆侧滚时的姿态难以保持。另一方面由于扭杆轴承受着车体侧滚作用力，对其材料以及加工工艺要求非常高，抗侧滚系统的成本高昂。而本实施例中，两侧的扭转臂2通过转动连接点B分别和转向架5转动连接，相互间无硬性连接，因此两侧的抗侧滚装置在工作时是独立的，即便遇到车体4在侧滚是两侧的侧倾量不等，独立的扭转臂2会产生不同的相反方向的转动角度，因而两个独立的弹性连接部件3所承受的压缩/拉伸作用力不等。彼此间的独立工作使得车体4在上述工况下也能保持良好的行驶姿态。由于省略了扭杆轴，并且相应的减少现有技术中不可或缺的支撑扭杆轴的支撑组件，使得整个装置的成本大大降低，对空间布局的灵活性也大大提高。

其二，当车辆在沉浮运动工况下，两侧的扭转臂2在连杆1作用下同向转动。现有技术中的扭杆轴在此工况下将不起任何作用，车辆的沉浮运动会导致扭杆轴自身绕其轴线旋转，为了抑制其沉浮运动则需要在转向架上安装垂向的减震装置。而本实施例中的抗侧滚装置，车辆在沉浮运动时，两侧扭转臂2同向转动，此时两侧的弹性连接部件3均收到同样方向的压缩力或者拉伸力，如此可对车辆的沉浮运动提供阻尼减震的抑制作用，甚至可取消转向架上的垂向减震装置。

其三，现有技术中由于有扭杆轴的存在，即便在扭转臂和转向架之间设置减震装置，其刚度调节也变得十分困难。扭杆轴的抗扭特性会和减震装置之间的阻尼作用产生相互间的影响，并且此影响并非是线性可预估的，随着侧滚量的增加，扭杆轴和减震装置共同承受侧滚作用力增加，其形变也因相互间的作用力影响而变得无法控制。而本实施例中直接将扭转臂2通过各自的转动连接点O连接在转向架5上，抗侧滚作用力全部由弹性连接部件3承受，只需对弹性连接部件3的阻尼系数进行调节即可，控制和调校都非常的方便。例如需要对车体4的侧滚抑制效果增加，让车辆能维持较好的姿态，则可增加弹性连接部件3的阻尼系数，相反地如需要对车辆在侧滚时能有较好的舒适性，则可相应地降低弹性连接部件3阻尼系数，使得弹性连接部件3对于扭转臂2的转动作用力滤震反映更加敏锐；车辆在沉浮运动时的刚度调节原理也如此。

改变弹性连接部件3的两端和转向架5以及转动连接点B之间的转动连接方式会对车辆的侧滚和车辆小曲线通过产生的偏转产生不同的抑制效果。其中一种方式是弹性连接部件3的两端和转向架5以及转动连接点B之间铰接，所述两端铰接的转动轴为平行布置。其典型的实施方式是令所述两端铰接的转动轴的分布方向与连杆1垂直转动方向和连杆平行。在此连接状态下，弹性连接部件3和转向架5以及转动连接点B之间的转动方向被固定为仅能以连杆1垂直方向同向的铰接轴转动，弹性连接部件3在此状态下不能产生与扭转臂2转动方向垂直的偏转。因此该状态下弹性连接部件3仅仅对车辆在侧滚和沉浮工况下产生抑制作用。

而更优的一种实施方式是令弹性连接部件3的两端和转向架5以及转动连接点B之间为万向连接。这样弹性连接部件3转向架5以及转动连接点B之间即可以连杆1平行的方向转动也可以连杆1垂直的方向转动。如图2所示，当车辆在偏转状态下时，弹性连接部件3会收到拉伸的作用力，因而对其偏转产生抑制作用。综上，此种实施方式对于侧滚、沉浮、偏转均可产生相应的抑制作用。现有技术中的抗侧滚系统因其扭杆轴的存在，只能对侧滚起到抑制作用，并不能对沉浮以及偏转产生抑制作用。

为了能根据车辆的路况，来实时地调节抗侧滚刚度，将弹性连接部件3设置为可变阻尼的弹性连接件，在抗侧滚装置使用时改变弹性连接件的阻尼来实时地改变抗侧滚刚度。目前能实时调节阻尼的弹性部件非常多，常见的液压减震器或者电磁减震器均可应用在本实施例中。

当扭转臂2因车辆侧滚而转动的时候，转动连接点B会带动弹性连接部件3转动，并对其产生压缩或者拉伸。由于车辆侧滚的最大允许高度是有限的，因此在其最大侧滚高度H_AAˊ确定的情况下，需要对弹性连接部件3在转动连接点B上的初始安装及角度α来进行限定。如图3所示，当车辆达到侧滚的最大允许高度H_AAˊ时，此时若弹性连接部件3绕B点转动到刚好与BˊO形成直线时，此时应当是弹性连接部件3转动状态下的极限状态，如果再偏转一定角度，弹性连接部件3会从压缩状态改变为拉伸状态，虽然此状态也能起到抑制侧滚作用，但是因为从压缩变为拉伸，其阻尼量和阻尼力的方向产生突变，这种突变在实时调节侧滚刚度时是不希望看到的。因此在图3极限状态下能对角度α进行量化的限定。

在弹性连接部件3初始状态下的长度L₃已知并确定前提下，转动连接点A和B分别绕O旋转了图3中极限角度β，A和B分别转动到Aˊ和Bˊ，

。C点为弹性连接部件3和转向架5的连接点。在△CBO中运用正弦定理可知：

，

，最终极限状态下

。因此为了能对弹性连接部件3的阻尼系数调节以及整个抗侧滚刚度的调校能更加便利，使得调节效果更好，在此希望弹性连接部件3能在一个单调的阻尼变化范围内进行调节阻尼作用力和方向变化均同向，例如阻尼连续增加或减小，作用力方向在整个调节过程中不会反向。弹性连接部件3和转动连接点B在初始安装时令弹性连接部件3的轴线和直线OB之间的夹角α在初始状态时满足表达式α≤180°-

-

。

图3仅针对弹性连接部件3在受压缩时的极限角度进行了分析，但其受拉伸时，扭转臂2的转动方向和图3所示相反，以上限定的极限角度显然也能满足上述功能需求。倘若将弹性连接部件3的安装方向以BO为轴进行轴对称，同样能得到上述限定的夹角α。

如图4所示，给出了一种利用上述方法的抗侧滚装置具体结构，包括一对连杆1、一对扭转臂2，其特征在于：还包括一对弹性连接部件3，一对连杆1分别和车体4连接，一对扭转臂2均为“L型”构件，“L型”构件上的转动连接点A和连杆1的另一端转动连接，“L型”构件上的中间转动连接点O和转向架5转动连接，弹性连接部件3的两端分别和转向架5、L型构件上的转动连接点B转动连接。

在本实施例中，“L型”的扭转臂2上的转动连接点A、B、O形成的夹角即为90°。事实上扭转臂2的具体外形结构并不受到限制，例如三角形构件或者圆形等其他构件均可，只要在其上设置具有一定角度的转动连接点A、B、O即可。

弹性连接部件3的两端分别和转向架5、转动连接点B铰接，所述铰接的转动轴和连杆1的轴线垂直。弹性连接部件3的两端和转向架5以及转动连接点B之间均通过关节球头连接。

为了方便安装以及进行抗侧滚刚度的调节，弹性连接部件3与转动连接点B之间在初始安装状态下弹性连接部件3轴线与直线OB之间垂直。在本实施例中，弹性连接部件3采用的是液压减震器。

显然，以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种抗侧滚变刚度方法，其特征在于：提供一种抗侧滚装置，包括一对连杆（1）、一对扭转臂（2）和一对弹性连接部件（3），令一对连杆（1）分别和车体（4）连接，在一对扭转臂（2）上分别设置三个转动连接点，令转动连接点A和连杆（1）的另一端转动连接，转动连接点O和转向架（5）转动连接，将弹性连接部件（3）两端连接至转向架（5）和转动连接点B之间，弹性连接部件（3）的两端和转向架（5）、转动连接点B均为转动连接，三个转动连接点所形成的角度∠AOB≠180°，通过调节弹性连接部件（3）的阻尼来改变抗侧滚刚度。

2.如权利要求1所述的抗侧滚变刚度方法，其特征在于：令弹性连接部件（3）的两端和转向架（5）以及转动连接点B之间铰接，两端铰接的转动轴为平行布置。

3.如权利要求2所述的抗侧滚变刚度方法，其特征在于：令两端铰接的转动轴的分布方向与连杆（1）垂直。

4.如权利要求1所述的抗侧滚变刚度方法，其特征在于：令弹性连接部件（3）的两端和转向架（5）以及转动连接点B之间为万向连接。

5.如权利要求1-4任意一项所述的抗侧滚变刚度方法，其特征在于：将弹性连接部件（3）设置为可变阻尼的弹性连接件，在抗侧滚装置使用时改变弹性连接件的阻尼来实时地改变抗侧滚刚度。

6.如权利要求5所述的抗侧滚变刚度方法，其特征在于：在侧滚的允许最大高度H_AAˊ确 定前提下，弹性连接部件（3）和转动连接点B在初始安装时令弹性连接部件（3）的轴线和直 线OB之间的夹角α在初始状态时满足表达式

； 其中L₃为弹性连接部件（3）的初始长度。

7.一种抗侧滚装置，包括一对连杆（1）、一对扭转臂（2），其特征在于：还包括一对弹性连接部件（3），一对连杆（1）分别和车体（4）连接，一对扭转臂（2）均为“L型”构件，“L型”构件上的转动连接点A和连杆（1）的另一端转动连接，“L型”构件上的中间转动连接点O和转向架（5）转动连接，弹性连接部件（3）的两端分别和转向架（5）、L型构件上的转动连接点B转动连接。

8.如权利要求7所述的抗侧滚装置，其特征在于：弹性连接部件（3）的两端分别和转向架（5）、转动连接点B铰接，铰接的转动轴和连杆（1）的轴线垂直。

9.如权利要求7所述的抗侧滚装置，其特征在于：弹性连接部件（3）的两端和转向架（5）以及转动连接点B之间均通过关节球头连接。

10.如权利要求7-9任意一项所述的抗侧滚装置，其特征在于：弹性连接部件（3）与转动连接点B之间在初始安装状态下弹性连接部件（3）轴线与直线OB之间垂直。

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