CN113525444A - 一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，该板簧本体材料使用碳纤维增强复合材料(也可选择玻璃纤维等其他材料)，呈拱形单片式层状结构，板簧本体下表面中部设计成V型。构架两侧设置安装孔，橡胶限位器通过螺栓连接到构架，将板簧本体端部弯曲表面贴合上卡入橡胶限位器中的橡胶垫片的上表面。上下板簧本体采用反扣形式，并通过夹具固定来确保垂向力的传递和对横向位移的限制。本发明利用纤维复合材料密度小的特点，极大地降低了转向架一系悬挂的重量。同时，本发明利用复合材料板簧端部的水平方向位移释放空间变形，无须额外的端部连接装置，复合材料板簧的总体结构呈拱型，板簧总成的垂向刚度值恒定。

Description

一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧
技术领域
本发明涉及铁路车辆的悬架设计技术领域，具体涉及一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧。
背景技术
自步入21世纪以来，伴随着世界工业文明的进步，能源短缺危机、环境污染和温室效应不断加剧，人们开始对近百年的发展提出新要求。目前，由金属材料制造的传统结构列车应对诸如高原、沙漠、高温、高寒及高海拔等复杂多变的服役环境时的性能表现不尽人意，同时在新一代轨道列车的发展大趋势下，传统结构列车在提高速度和载重时遇到瓶颈，而且振动、冲击、阻力、噪音问题的解决难度不断加大，由此，新材料在制造轨道列车时被应用起来。
从20世纪下半叶起，轨道交通运输行业对轨道客车安全性、舒适性和绿色节能性的要求不断增高，在寻找传统材料的替代材料时，由于纤维复合材料的高比强度与刚度、隔热、耐疲劳、阻燃、耐腐蚀、可设计性强等优点，英国、日本、德国尝试将纤维复合材料应用于列车的结构与非结构件上，取得了一定的进展。虽然复合材料大量被应用在轨道车辆内部设施和装修材料等非承载结构零件中，但在承载结构件和大型结构件中的应用还不够深入和广泛，其在轨道交通领域具有很大的潜在市场和发展前景。
转向架作为铁路车辆的主要承载构件，为承受车身荷载和载重提供足够的安全性和稳定性。轨道列车运行速度越高，对轨道的冲击力越大，由此迫切地希望实现列车轻量化尤其是列车转向架轻量化，从而可以减少列车行驶过程中的能耗以及对钢轨的损伤。传统的金属转向架一般非常厚重，致使转向架在车辆总质量中占比很大，造成了维护成本高、曲线运行能力差、噪声大以及不够节能环保等一系列问题。目前高铁上采用的金属钢弹簧的自重很大，且其刚度曲线如图1，载荷与位移呈正比，无法满足高速轨道列车进一步轻量化的要求。而且考虑到列车转向架与轴箱之间的空间狭小，目前常见的复合材料板簧大多需要具有额外的空间来释放变形产生的位移，难以在列车转向架上直接应用。
综上，一种既可以减小所占用的空间，又可以满足所需强度以实现列车转向架轻量化的复合材料板簧，对于轨道交通行业的发展将具有重要的意义。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术不足，提出了一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，该板簧使其在保持悬挂支撑功能的同时，能够显著降低列车转向架一系悬挂的重量，同时能够减少板簧总成在转向架与轴箱之间所占用的垂向空间。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，该板簧本体使用碳纤维复合材料，呈拱形单片式层状结构，下表面中部设计成V型与金属底座相配合实现定位。在构架两端通过定位孔分别安装橡胶限位器，将端部橡胶垫片上表面设计成曲面，上板簧本体两端弯曲表面分别贴合于橡胶限位器中端面橡胶垫片的上表面。上下板簧本体V型结构分别于夹具配合以反扣形式连接到一起，轴箱和构架与板簧本体之间加入垂向止挡缓冲，轴箱表面做成沉孔以固定挡板、垂向止挡与轴箱上侧钢弹簧，从而统一轴心来限制上下板簧本体的位移方向。轴箱两端采用凹槽结构，将端面橡胶垫片嵌入安装实现定位后，下板簧本体两端弯曲表面与橡胶垫片表面贴合。所述板簧本体的宽度方向与轴箱内的轮轴轴向方向和构架宽度方向相同，而板簧本体厚度方向与轮轴的轴向方向垂直。
作为优选，所述层状结构是由碳纤维与环氧树脂复合的单向预浸料制成。
作为优选，所述层状结构是由各铺层叠加形成的，铺层沿板簧本体厚度方向对称铺设有多层，铺层角度分别为0°、45°、-45°三种，各角度铺层比例分别为3:1:1。
作为优选，上述的板簧本体上下表面至少均有3层0°铺层。
作为优选，所述的构架与橡胶限位器、夹具与挡板通过螺栓连接，在不影响使用效果的前提下，也可以采用本领域的常规连接方式。
为满足列车运行对振动参数的要求，板簧总成垂向刚度值设定为1000N/mm，正负3％误差。
有益效果：
1、本发明利用纤维复合材料密度小的特点，极大地降低了转向架一系悬挂的重量。
2、本发明利用复合材料板簧端部的水平方向位移释放空间变形，无须额外的端部连接装置。
3、复合材料板簧的总体结构呈拱型，板簧总成的垂向刚度值恒定。
附图说明
图1为现有列车转向架结构图。
附图说明：1-转向架构架；2-轴箱；3-一系悬挂(板簧或钢弹簧)；4-轮轴；5-车轮；6-二系悬挂(空气弹簧)。
图2为现有技术中采用的金属弹簧钢的刚度曲线示意图。
图3为本发明的列车转向架用板簧的安装示意图。
附图说明：1-转向架构架；2-轴箱；3-一系悬挂(板簧或钢弹簧)；7-橡胶限位器；8-橡胶垫片；9-夹具；10-垂向止挡；11-挡板；12-钢弹簧。
图4为本发明的列车转向架用板簧的安装示意图。
附图说明：1-转向架构架；3-一系悬挂(板簧或钢弹簧)；7-橡胶限位器；8-橡胶垫片；9-夹具；10-垂向止挡；11-挡板。
图5为本发明的列车转向架用板簧的安装示意图。
附图说明：3-一系悬挂(板簧或钢弹簧)；9-夹具；11-挡板。
图6为本发明的列车转向架用板簧的安装示意图。
附图说明：2-轴箱；3-一系悬挂(板簧或钢弹簧)；8-橡胶垫片；9-夹具；10-垂向止挡；11-挡板；12-钢弹簧。
图7为本发明的列车转向架用板簧的方向说明图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
如图1-7所示，本发明提出一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，该板簧总成刚度值为1000N/mm，正负3％误差，总体结构呈拱型，上下复合材料板簧夹具采用螺栓连接。
本发明板簧的层状结构是由碳纤维与环氧树脂复合的单向预浸料制成的。
图4列车转向架用板簧本体与构架的安装示意图中，构架与橡胶限位器通过螺栓连接实现定位，将橡胶垫片完全卡入橡胶限位器中。板簧本体两端弯曲表面与橡胶垫片上表面相贴合，在垂向压力下，橡胶垫片被压陷，从而包覆住板簧端部侧边，限制板簧本体与构架之间的相对位移。
图5板簧本体在夹具固定下采用反扣形式连接，以确保垂向压力传递的同时，限制横向位移的出现。在板簧本体与构架、轴箱之间加入垂向止挡缓冲，金属底座下表面做成沉孔，与挡板配合将垂向止挡固定于板簧本体。
图6板簧本体与轴箱安装示意图，轴箱上表面设计成凹槽结构，将橡胶垫片的凸台嵌入安装，从而在板簧本体表面贴合橡胶垫片施加垂向压力时，限制其位移。板簧本体的宽度方向与轴箱内的轮轴轴向方向相同，而板簧本体厚度方向与轮轴的轴向方向垂直。
图7结构是在图5安装结构图上增加了方向和角度的指示，以便于理解板簧本体与轴箱、转向架构架等部件的连接关系。所述的板簧本体是由各铺层叠加形成的层状结构，铺层沿板簧本体厚度方向对称铺设有多层，铺层角度分别为0°、45°、-45°三种，各角度铺层比例分别为3:1:1。所述的板簧本体上下表面均有3层0°铺层。
图3-6板簧本体为不需要额外垂向空间释放位移的复合材料板簧，因此可以有效减小板簧总成在转向架构架和轴箱之间所占用的空间，且能够极大地减轻转向架整体的重量，有利于减少能源消耗以及降低轮组磨损。随着所受载荷的提升，可以将本发明对称放置，进一步提升悬挂系统承载能力。
需要说明的是，以上具体实施方式的描述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，其特征在于：所述的板簧本体材料使用碳纤维增强复合材料，呈拱形单片式层状结构，板簧本体下表面中部为V型，构架两侧设置安装孔，橡胶限位器通过螺栓连接到构架，将板簧本体端部弯曲表面贴合上卡入限位器中的橡胶垫片的上表面，上下板簧本体采用反扣形式，并通过夹具固定。
2.根据权利要求1所述的一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，其特征在于：所述层状结构是由碳纤维与环氧树脂复合的单向预浸料制成的。
3.根据权利要求1所述的一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，其特征在于：所述层状结构是由各铺层叠加形成的，铺层沿板簧本体厚度方向对称铺设有多层，铺层角度分别为0°、45°、-45°三种，各角度铺层比例分别为3:1:1。
4.根据权利要求1所述的一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，其特征在于：所述的板簧本体上下表面均有3层0°铺层。
5.根据权利要求1所述的一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，其特征在于：呈拱形单片式层状结构的板簧本体下表面中部设计成V型，且板簧总成的垂向刚度值恒定。
6.根据权利要求5所述的一种列车转向架用反扣结构复合材料板簧，其特征在于：所述板簧总成垂向刚度值为1000N/mm，正负3％误差。
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