CN1123233A - 具有底切半径的转向臂组件的改进的侧臂结构 - Google Patents

Abstract

轨道车转向架的转向臂组件在每个侧臂的主体部分和纵向部分之间具有底切复合半径，以便在该处减小应力强度，其结果是对组件增加挠性强度，同时保持了转向臂和转向架构件之间的间隙。

Description

具有底切半径的转向臂组 件的改进的侧臂结构

本发明涉及可控制方向的轨道车转向架或径向轨道车转向架的转向臂，更准确地说，涉及具备底切半径的包括可控制转向架组件的每个U形转向臂分组件的侧臂，以增进侧臂主体部分和侧臂纵向部分之间的抗挠强度，而不会太妨碍车轮的位置或影响车轮的运转。底切半径能普通铸造生产和精加工制成。

车辆转向架的侧转向臂用于控制轨道车转向架，特别是在绕弯道径向移动时，防止晃动即横向移动。径向转向架的目的是调节车轴、横梁和侧架之间的摆动，以适应绕弯道径向移动，用于避免在轨道和轮缘之间接触所易发生的碰撞和冲击，以减轻压力。

为了避免高速晃动，绞接式轨道车转向架的转向臂的最新发展已经集中在转向架两个轮组之间的横向限动和偏向挠曲的问题上。在美国专利第4,781,124号中说明了自动转向轮组转向臂结构的变化。但是，该设计的一个不足是转向臂结构的侧臂设计成通常的垂直于转向臂横梁，并靠近车轮，所以将其它转向架零件的适用空间减至最小。结果，转向臂组件横梁和侧臂相交大致成直角。运转中，在这种新式转向臂结构的所有接合点上有反复出现的挠性负载，以及如上所述的在车轮和转向臂之间的间隙是最小的。车轮、侧架和横梁间隙以及转向臂的尺寸共同限止了侧臂和横梁以及侧臂自身之间的更强的接合关系的发展。虽然在接合处增加更大的质量或在角部接合处上使用较大的和更平滑的半径将通过在更大的面积或质量上分散应力来起到增加局部接合处强度的作用，但是在许多新式的转向臂设备中和上述间隙的制约，这些选择是不容易达到的。1974年由R.E.彼得森、约翰·怀利和桑斯的《应力集中要素》一文中提出增加交叉臂或交叉部分的强度的各种措施。应注意的是，虽然利用圆形倒角，以便于机加工和制图，但是他们没有提供最小的应力集中。(参看第80至83页)

更强的转向臂构件接合处的发展将能严密地控制转向架轮组和轨道车的横向限动和偏向挠曲，并对转向架的高速晃动获得显著的控制。在转让给伊利诺州芝加哥的美国钢铁铸造股份有限公司(本发明的共同所有者)的美国专利第5224428号中提出的新式转向臂构件接合处在最小间隙的制约范围内运转。在该转向臂组件中，每个侧臂的角部接合处设置呈椭圆形半径的复合倒角。复合倒角比圆半径倒角增加了每个侧臂的抗挠强度，而同时在转向臂和转向架构件之间保持了必要的间隙。

但是，制造像椭圆形半径那样复杂的复合倒角需要保证维持特殊性能的优质钢材，以便外表缺陷或内部缺陷和疲劳裂纹的形成不会相互影响。使用普通铸件生产，要保持均匀一致的质量证明几乎是不可能的。为这一理由，要探索增加侧臂使用寿命的其它方法。所揭示的一种成功的方法是在精加工期间增加喷射硬化强度。并且用强射流抛光的方法来实现这一增加。但是，这种方法不能使用B级铸钢，因为在更高强度的状况下，使用喷射硬化，这种铸钢太软。第二种探索的方法包括回火和铸件淬火，虽然这种方法看来好像是便利的，但是在回火炉和淬火容器间的现场距离，使这种方法难以进行。对转向臂的结构改变也是引起本发明的探索研究。

本发明提供一种在分组件侧臂构件的每个接合处于用于转向架的转向臂分组件的改进的肩部结构。更准确地说，在内侧壁上，每个侧臂的肩部具有底切圆半径。虽然从该极限应力区除去更大的金属块，但是，更大的圆弧部分具有底切半径，所以增加转向臂组件的抗挠强度，尤其是增加侧壁主体部分和侧臂纵向部分间接合处的抗挠强度。底切半径在侧臂的主体部分和纵向部件之间提供平滑的过渡，所以减少了在该区段上的应力强度。在转向臂和车轮之间最小限度的适用空间范围内达到挠曲度或抗挠强度的增加，而在转向臂组件的结构上没有大的变化，也没有使转向臂或车轮不能正常运转。结果，抗挠强度的增加能使侧臂循环9百万周以上而没有故障，也没有增加转向组件的重量。此外，在接合处提供一个较大的半径，因而可忽略较小的铸造缺陷，从而减少了铸件精加工的程度。

在以下附图中，凡相同的构件标以相同的标号：

图1是轨道车转向架和转向臂组件的平面图。

图2是图1的转向架和转向臂组件的侧视图；

图3是图1的转向架和转向臂组件的正视图。

图4是本发明的转向臂组件的平面图。

图5是图4的转向臂组件的正视图。

图6是在侧臂主体部分和纵向部分之间的角部接合处(包括本发明的底切半径)的放大图。

图7是在侧臂上现有技术的角部接合处的放大图，表示较大半径是如何影响车轮转动的。

在图1至图3中说明轨道车转向架10和第一、第二轮组12，14以及横梁30。该轮组12，14和横梁30横向地连接在侧架32和34纵长方向大约一半处。轮组12包括轴16和安装在轴相对的两端21，23上的车轮18，20。同样，轮组14安装有轴22和在轴端25，27的车轮24，26。在轴16、22各个端部的端盖和轴承组件28保证轮组12和14平稳地旋转。在图2和图3中可以看出，每个侧架32，34固定在横梁30各自的端部。侧架34包括前踏板36和后踏板38，分别地安装在轴16，22的轴承组件28上。同样，侧架32在其相对的两端具有前后踏板40，42，安装在轴16和22的轴承组件28上。

转向架10还包括转向臂组件50，它具有第一或前分组件52和第二或后分组件54，这些分组件连接在各个轴16，22的各个轴端21，23，25和27上。因为前后转向臂分组件52和54的结构是相同的，所以只对转向臂后分组件54进行叙述，这些叙述也适用于分组件52。

如图5所示，组件50具有薄而平的侧面，目的是能装进比较窄的空间，在所要求的环境中，完成严密的机械控制功能。在图4中，以放大的平面图说明组件50和分组件52，54，通常这些分组件在中央通过各自的轴颈53，55连接在它们的横梁60上。分组件52的横梁60具有第一和第二侧臂62和64，所述侧臂62和64是相同的，因此，侧臂62的说明将适用于侧臂64。在图1中，侧臂62的上主体部分66与横梁60相连接，上主体部分66从横梁60伸出，基本平行于横梁60，并在紧靠例架32处具有其端部67。纵向部分68与端部67相连接，并在组件50的平面上大致垂直于主体部分66的方向延伸。在每个纵向部分68的末端为把分组件54和转向臂50安装并固定在轴16或22和侧架32或34上而设置连接装置70。

在轨道车转向架10中，组件50保持车轮的稳定，特别是重载弯道运行和在相对高速情况下，轻载操作时保持车轮的稳定。如图1所示，相对较长的成锥形的纵向部分即侧臂68连接在轮轴端部27上，并连续地遭受来自转向架轴和车轮运动的所有无规律的挠曲。纵向部分68与横轴线72大致成直角地从主体部分66伸出，同时，主体部分66和横梁60一起垂直于纵轴线。纵向部分68的内侧壁74从主体部分66的接合处或肩部76沿纵向部分68的长度方向到大致中部逐渐缩减成更窄的宽度。

构件接合处76易受挠曲负载的影响，特别是当纵向部分68的长杆臂提供机械效益时易引起疲劳裂纹和疲劳断裂。已经使用的角部的成形或修整加强了这些接合处。角部的较大半径或显著厚的角部和更大金属面积克服疲劳断裂的产生，或至少使疲劳断裂的可能减至最小。在图4中，指出了在分组件52各自的纵向部分68的侧壁之间的极限间距“y”。正如图1和图4中所指出的，在不同的构件例如车轮18、接合处76、纵向部分68和主体部分66之间的最小间隙和空间是非常需要的，使肩部76具有较大面质量或较大角部半径的可能是很小的，在图7中最容易看出，虚线“D”表示使用现有技术的倒角角部和较大的半径。该图说明在转向臂和车轮之间的容许间隙的制约，使上述技术方案不可能实际应用，因为较大半径妨碍车轮24的运转。

纵向部分68在横截面宽度“X”相当于接合处76，77上经受最大的挠曲变形，实际上，在现有技术的转向组件中，横截面宽度“X”是该区段具有的最大横截面宽度。现有技术转向臂组件在主体部分66和纵向部分68之间的接合处76不是使用单一半径的角部，以便避免明显的凹坑，作为在该处减少变形的方法，就是设置复合倒角，以便在接合处保留尽可能多的质量，从而在较大的面积上散布应力。使用复合倒角的优点就是在接合处76的区域内有选择地提供和定位更大的质量，而不会破坏转向架或转向臂构件的空间秩序，也不会妨碍车轮的运转。在角部区域上，复合倒角结构的更大质量比使用单一半径的角部具有提供更大的强度。但是，复合半径在主体部分和纵向部分之间的横截面上没有提供足够平滑的过渡。这意味着接合部位仍然是一个局部高应力的区域，它最终导致转向臂使用寿命的减少。此外，在铸造铸件的生产中涉及质量控制的前述问题不可能持续。

考虑到上述问题，重要的是应理解到，本发明独特地减少了在接合处76上的应力集聚，这是因为提供了更大的底切半径，从而使在侧臂主体部分和纵向部分之间的横截面更平滑地过渡。认识到上述底切半径是从极限应力区除去金属块，实际上在接合部位的应力集聚减小，所以在该区域增加了抗挠强度。本专业技术人员知道，抗挠强度的增加与应力的减小量成指数关系。在图6中显示主体部分66和纵向部分68之间的包含有本发明接合处76的放大图。在侧臂上有一个卵圆形凹陷，该凹陷形成卵圆形表面，卵圆形表面包括带有第一半径82的第一圆弧部分80及带有第二半径86的第二圆弧部分84。较大的圆弧部分80呈底切状态，这就保护了转向架、转向臂和车轮的构件的空间状况。第一半径也和主体部分66的内表面65形成第一接触部“P1”，该部位底切的卵圆形表面以平滑相切的形式与内表面65相连接。第一半径也和纵向部分68的内表面74形成第二接触部“P2”。上述两个表面的交叉处或接合处通过增加的第二半径86变成平滑表面。显然，第二半径相对于纵向部分68的内表面74通常具有凸块的形状。同时，复合底切半径在转向臂上表现为连续的圆弧，所以大致地满足接合处76复合半径的条件。把图6和图7相对比，不难看出本发明不同于仅仅设有较大角部半径以至复合倒角的内接合处。从比较中可以看出，本发明的底切大大地增加了散布应力的表面积，实际上，同时在接合处除去金属块。

在优选的实施例中，第一和较大半径82大于两英寸，又小于2.5英寸。提供的底切半径大于上述规定将在结构上削弱纵向部分，并在正常操作条件下可能引起转向臂的疲劳裂纹。因此，图4的距离“X”最好不小于1.5英寸。第二和较小半径86最好至少为1英寸，并不大于1.5英寸。

易于产生疲劳裂纹的区域的横截面厚度的实际减小的影响大小看来似乎与预期的技术实践相反，所以是不正常的。但是，机械组件50的这种独特的结构改变，甚至与具有复合倒角的改进结构相比，也产生引人注目和出乎意外的结果。带有底切半径的转向臂组件上的结构应力试验已经显示与通过复合倒角的半径角部组件以相同的作用力所承受的应力相比，应力减小35％和51％之间。对安装在静态试验架上的单一的转向臂U形截面52、54进行试验。已经被使用的这种试验架设备用于类似的试验，分析其它转向臂组件，并已经发现这种设备显示的试验件工作特性获得令人满意的和一致的结果。

此外，较大的底切半径能以不太严格标准加工，不需要特别的质量保证和精加工操作。这意味着可以使用一般的铸造作业，可容许一定的表面缺陷，表面质量并不特别影响抗疲劳性能。

虽然仅仅叙述和显示了本发明的具体实施例，但显然可以对其作出各种选择和改变。当然，本专业的技术人员来可以对上述实施例中作出的各种改变，而并不超出本发明的范围。

Claims (7)

1.用于轨道车转向架横向控制的转向臂组件，它具有带一条纵轴线的可转动的转向架侧架，所述转向架侧架包括第一侧架部分和第二侧架部分，所述第一和第二侧架部分是大致平行的，每个所述第一和第二侧架部分具有中部、前端和后端，

一个在所述第一和第二侧架部分中部之间延伸的横梁部分，

一对纵向间隔开的轮组，所述的每个轮组具有轴和相距一定间隔固定在轴上的车轮，轮组安装在所述侧架部分的所述各个前端和后端，所述转向臂组件包括：

第一U形转向臂分组件和第二U形转向臂分组件，所述第一和第二转向臂分组件可提供从一个所述轮组到另一个所述轮组的转向力的传递而与转向臂分组件和转向架侧架部分的相对横向位置无关，每个所述第一和第二转向臂分组件具有各自的横梁及第一端和第二端，

每个所述第一和第二转向臂分组件具有各自的第一侧臂和第二侧臂，所述第一和第二侧臂之一连接在各自的所述横梁的第一端和第二端之一，所述第一和第二侧臂中的另一个连接在所述横梁的第一端和第二端中的另一个上，

每个所述第一和第二侧壁包括各自的主体部分和各自的纵向部分，每个所述纵向部分通常从各自连接的所述横梁延伸到各自的所述轴，每个第一和第二分组件侧臂的所述纵向部分基本平行于第一和第二分组件侧臂中的另一个的所述纵向部分，

每个所述纵向部分和所述主体部分具有各自的内表面和各自的外表面，每个所述主体部分的所述内表面基本垂直于每个纵向部分的相应的所述内表面，并在每个所述分组件侧臂上形成各自的内接合点，

包括底切复合半径的所述每个侧臂内接合点具有靠近所述主体部分的第一半径和靠近所述纵向部分的第二半径，所述底切复合半径在所述侧臂上限定了一个基本呈卵圆形的凹部和卵圆形表面，所述侧臂上的所述卵圆形表面形成与所述主体部分内表面的第一连接区与所述纵向部分内表面的第二连接区，

在所述第一连接区的所述卵圆形表面基本相切地与所述主体部分的所述内表面相连接；在所述第二连接区的所述卵圆形表面在所述第二半径处与所述纵向部分的所述内表面相连接，所述第二半径相对于所述纵向部分的所述内表面具有基本凸出的外形，

所述底切复合半径在所述主体部分和所述纵向部分之间形成相对平滑的截面过渡，所以在所述连接点上降低了应力强度，同时保持了所述车轮和转向架构件的间隙，所述的降低应力强度结果是相当于增加了所述侧臂的疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的轨道车转向架的转向臂组件，其特征在于：所述第一半径大于所述第二半径。

3.根据权利要求1所述的轨道车转向架的转向臂组件，其特征在于：所述第一半径在所述纵向部分上限定的截面积小于在所述转向臂和所述纵向部分上任何其它部位的截面积。

4.根据权利要求3所述的轨道车转向架的转向臂组件，其特征在于：所述第二半径在所述纵向部分上限定的截面积大于在所述转向臂的所述纵向部分上任何其它部位的截面积。

5.根据权利要求4所述的轨道车转向架的转向臂组件，其特征在于：在所述第一半径处的所述纵向部分的所述截面厚度至少是1.5英寸。

6.根据权利要求5所述的轨道车转向架的转向臂组件，其特征在于：所述第二半径小于1.5英寸，而所述第一半径大于两英寸。

7.固定在分组件横梁上的转向臂分组件的转向臂，包括：

主体部分；和

纵向部分，

所述纵向部分和所述主体部分各具有内表面和外表面，所述主体部分的所述内表面基本垂直于相应的所述纵向部分的所述内表面并形成内接合点，所述侧臂内接合点包括具有靠近所述主体部分的第一半径和靠近所述纵向部分的第二半径的底切半径，所述底切复合半径在所述侧臂上限定一个基本呈卵圆形的凹部和卵圆形表面，其中，所述卵圆形表面形成与所述主体部分的第一连接点以及与所述纵向部分内表面的第二连接点，所述底切复合半径在所述主体部分和所述纵向部分之间形成相对平滑的截面过渡，结果，减少了所述接合点的应力强度，这样就增强了所述侧臂的疲劳强度。

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