CN115507143A - 一种异形橡胶弹簧及其刚度调节方法 - Google Patents

一种异形橡胶弹簧及其刚度调节方法 Download PDF

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Abstract

一种异形橡胶弹簧及其刚度调节方法，橡胶弹簧包括最内层的芯轴、最外层的外套和硫化在芯轴与外套之间的橡胶体，其中芯轴、橡胶体和外套都为一端大一端小的腰形柱体，所述橡胶弹簧的横向宽度为140‑220mm，通过调节橡胶体垂向上各段橡胶的比例大小调节橡胶弹簧在垂向上的刚度大小，通过调节橡胶体垂向上各段橡胶之间的夹角大小也能调节橡胶弹簧在垂向上的刚度大小。本发明的橡胶弹簧采用腰形柱体结构，大幅度减小横向宽度，完全满足内支撑式转向架结构中狭窄的安装空间环境，同时也可用于外支撑式转向架以及其他减振场所，其垂向刚度大范围可调，拓宽了使用范围，能适用各种不同的场合。

Description

一种异形橡胶弹簧及其刚度调节方法
技术领域
本发明涉及一种橡胶弹簧及其刚度调节方法，具体涉及一种适用于内支撑式转向架的异形橡胶弹簧及其刚度调节方法，属于减振技术领域。
背景技术
在新一代高速列车中，由于速度更高，对车辆振动、噪声及能耗等提出了更高的适应性要求，因此要求车辆的重量更轻、减振效果更好，对于连接轮对和车体的转向架构架，要求其布局紧凑、有更强的曲线通过能力，而采用轴箱内置转向架与传统的轴箱外置转向架相比，能显著降低整个转向架构架的重量。当前轨道车辆转向架处的橡胶弹簧基本都是圆环状的锥形弹簧，以传递垂向载荷、横向载荷以及扭矩等，吸收垂向和水平振动，提供水平复原力等，如申请号201811318203.X，名称为“锥形弹簧及其变刚度和安装调节方法”的发明专利申请，申请号201510115752.7，名称为“锥形弹簧橡胶体上端面及防止褶皱和开裂的方法及产品”的发明专利申请，申请号201910624501.X，名称为“一种锥形弹簧刚度调节的方法及结构”的发明专利申请，都可以安装于轴箱和构架之间起支撑、减震降噪作用。但上述结构都安装空间要求较大，不太适用于横向安装空间很窄的内支撑式转向架构架中。
发明内容
本发明针对当前轴箱处的锥形弹簧所需安装空间大，不能适用于紧凑的内支撑式转向架结构的问题，提出了一种异形橡胶弹簧及其刚度调节方法，大幅减小其窄边宽度，安装时将窄边方向置于车辆横向方向，能大幅度释放横向空间。
本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种异形橡胶弹簧，包括最内层的芯轴、最外层的外套和硫化在芯轴与外套之间的橡胶体，其中芯轴、橡胶体和外套都为一端大一端小的腰形柱体，所述橡胶弹簧的横向宽度为140-220mm，大幅减小了横向安装空间。
进一步地，所述橡胶弹簧小端处的横向宽度为40-120mm，大端处的横向宽度为160-180mm。
进一步地，芯轴为内部中空的结构，能够减轻橡胶弹簧的重量，满足减重要求。
进一步地，橡胶体与芯轴和外套间的接触面在纵向上的剖视图中的连接线为两段以上的直线段，实现橡胶弹簧刚度的非线性变化。
进一步地，所述连接线为两段直线段时，两段直线段之间的夹角为150-180o。避免夹角过小时占用横向空间过大。
进一步地，所述连接线为三段以上的直线段时，靠近小端处的相邻两段直线段之间的夹角大于靠近大端处的相邻两段直线段之间的夹角。实现橡胶弹簧刚度的多次非线性变化。
进一步地，橡胶体内设有沿垂向设置的隔套，隔套两侧均与橡胶硫化连接。通过加减隔套来调节刚度。
进一步地，隔套也为一端大一端小的腰形柱体，且隔套的数量根据刚度要求设置为一个以上。
进一步地，芯轴底部处设有突出于其外侧周的挡圈。在挡圈处能够再次实现变刚度，且起到止挡作用。
进一步地，芯轴、隔套和外套在两端处均高出与其连接处的橡胶表面。
本发明的有益效果是：
1. 本发明的橡胶弹簧采用腰形柱体结构，大幅度减小横向宽度，完全满足内支撑式转向架结构中狭窄的安装空间环境，当然其也可用于外支撑式转向架以及其他减振场所，拓宽了使用范围，能适用各种不同的场合。
2. 本发明的橡胶弹簧被设计成具有大端和小端的结构，在大端和小端的连接处实现变刚度，满足变刚度需求；而且还可以设计成具有多个不同角度的结合处的结构，实现多次变刚度。从而实现垂向刚度的非线性变化，且非线性拐点大范围可调。
3. 本发明既可以通过改变芯轴和外套的细微形状来调整刚度，还可以通过增加或减少隔套的方式来调整刚度，提高了刚度的调整范围，使得刚度大范围可调，能够满足不同的刚度需求。
4. 本发明在纵向方向的两端处采用圆弧平滑连接，有利于提高纵向承载均匀性，降低橡胶应变，提高使用寿命。
5. 本发明具有低蠕变特性，蠕变可控制在≤5mm。
6. 本发明橡胶与金属间的粘接面积大，有利于提高其作为橡胶弹簧的可靠性。
7. 本发明的橡胶弹簧安装简单灵活，能够采用多种装配结构，尤其是在底部的大端处，芯轴的内部空腔可以设计为精度很高的定位孔，在轴箱上设置定位销即可准确定位安装。
附图说明
图1为实施例一橡胶弹簧俯视角度整体示意图；
图2为实施例一橡胶弹簧仰视角度整体示意图；
图3为图1中A-A剖视示意图；
图4为图3中的橡胶体示意图；
图5为实施例一芯轴整体示意图；
图6为图5侧视示意图；
图7为实施例一外套整体示意图；
图8为图7侧视示意图；
图9为实施例一隔套整体示意图；
图10为图9侧视示意图；
图11为实施例二橡胶弹簧结构剖视示意图；
图12为图11的芯轴结构示意图；
图中：1.芯轴，2.橡胶体，3.外套，4.隔套，5.插孔，6.挡圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。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。
实施例一
本实施例为一个较佳的实施例，一种异形橡胶弹簧，如图1和图2所示，由内至外包括芯轴1、橡胶体2和外套3，且橡胶体2内还硫化有隔套4，形成金属-橡胶-金属-橡胶-金属硫化成一体的结构。如图3-图10所示，芯轴1、橡胶体2、隔套4和外套3均为具有大端和小端的腰形柱体，橡胶弹簧整体上也为具有大端和小端的腰形柱体，其中芯轴1为内部有空腔的结构，在保证强度的前提下降低芯轴1重量，空腔也为具有大端和小端的腰形柱体。装配时，小端在上通过外套3连接至转向架，大端在下通过芯轴1连接至轴箱。如图2所示，将异形弹簧大端和小端之间连线方向称为垂向，腰形柱体中宽度较大的方向称为纵向，腰形柱体中宽度较小的方向称为横向。
如图4所示，橡胶体2在纵向上的剖视图中，其边缘线为两段折线a和b（其中各折线a之间相互平行），折线a和折线b之间形成一个夹角A，相应地，芯轴1、隔套4和外套3在垂向上的面上也会形成夹角。本实施例中，橡胶体1各处的厚度相同，芯轴1两侧间的折线a相互平行，因此，在垂向承载时，转向架承受的载荷通过外套3在垂向上传递至橡胶体2，芯轴1小端处的部分不对橡胶体2提供垂向支撑，当橡胶被挤压变形到一定程度后，芯轴1大端处对橡胶体2提供垂向支撑，实现变刚度。通过调整折线a和折线b之间的长度比例，可以调整变刚度发生时所需的条件，如缩短折线a的长度增加折线b的长度时，会降低变刚度发生前橡胶能够被压缩的量，以较早地实现变刚度；反之，如果增加折线a的长度缩短折线b的长度时，就能够增加变刚度发生前橡胶能够被压缩的量，从而推迟变刚度的实现。
此外，如图4所示，夹角A设为150-180o，角度越大，芯轴1能够提供的垂向刚度就越小；角度越小，芯轴1能够提供的垂向刚度就越大，但若设置得太小，橡胶弹簧大端处在横向上的宽度会增大，占用横向空间，降低空间的利用率。因此，通过调整角度A的大小，配合调整折线a和折线b之间的长度比例，可以实现垂向刚度的大范围变化（0.5kN/mm-10kN/mm），同时匹配大纵向刚度或大横向刚度（5kN/mm-100kN/mm）。如增加折线a的长度、同时增加角度A的大小，使橡胶处于更多剪切承载条件下时，可以大幅降低橡胶弹簧的垂向刚度；反之，如果减小折线a的长度、同时减小角度B的大小，使橡胶受到更多的芯轴1大端处提供的垂向支撑，可以大幅提供橡胶弹簧的垂向刚度。对于列车来说，不同作用的车辆有不同的载荷要求，因而对垂向上的刚度就会有要求，因而一种能够大范围灵活调节的结构是非常有必要的。而且，通过增加或减少隔板的数量、增加或减小橡胶体2的厚度也可以调整各向刚度的范围。当然，芯轴1、橡胶体2、隔套4和外套3可以采用各处厚度相同的结构，也可以采用各处厚度不相等的结构，当各处厚度不同时，根据需要调整各处角度A的大小。不管是各处厚度相等还是各处厚度不等的结构，应根据出现频率最多的载荷所对应的橡胶变形时的情况设置结合面处芯轴1、橡胶体2、隔套4和外套3的折线a和折线b之间围成的夹角A的顶点，在出现频率最多的载荷所对应的橡胶变形时所有的顶点都能够在同一条与载荷方向垂直的线上，这是一种最理想的结构，此时橡胶的承载状态最好，能够延长橡胶的使用寿命。
当然，可以根据生产及装配要求设置芯轴1、橡胶体2、隔套4和外套3的厚度，如将橡胶体2和隔套4设置成各处厚度相等的结构，简化设计和加工，而将芯轴1和外套3各处设置成不同的厚度，以满足安装等要求。如芯轴1和外套3厚度主要根据刚度和强度进行设计，一般最小厚度在5mm以上；而橡胶体2的厚度一般根据刚度性能进行设计，并兼顾可靠性，其总厚度一般应不低于疲劳最大变形的3倍。
此外，橡胶弹簧两端处的芯轴1、隔套4和外套3都超出与其结合处的橡胶体2，既是为了安装方便，又能防止橡胶受载变形后的鼓出量超出金属发生翻折，从而提高橡胶弹簧的可靠性。
同时，如图3所示，芯轴1大端底部的外侧周设有环形挡圈6，既提高橡胶弹簧的刚度，也能再次实现变刚度，同时在一定程度上具有止挡的功能。
在装配时，橡胶弹簧的底部最简便的定位安装方式是采用插销定位，芯轴1空腔的底部可以加工成精度很高的插孔5，而且插孔5是上部小下部大的喇叭状，可以在轴箱上设置上部小下部大的插销与其匹配。此外，还可以在芯轴1底端设置螺孔或在芯轴1底端处的外侧周设置安装结构，当然也可以是插孔5的插销定位与底端的螺孔固定或底端外侧周的安装固定同时使用。而橡胶弹簧顶部的固定也可以采用在外套3顶端设置螺孔或者在外套3顶端的外侧周设置其他安装结构。当然，如果是采用在端部设置螺孔的方式进行装配固定，芯轴1底部处或外套3顶部处的厚度必需能够保证强度要求。
实施例二
本实施例的橡胶弹簧如图11所示，其橡胶在垂向上由三段组成，其结合面处的情况以图11中的芯轴1来进行说明，结合面在纵向上的剖视图中由L1、L2、L3三个线段组成，形成两个夹角，两个夹角具有两个顶点A1和A2。同样，也需要根据出现频率最多的载荷所对应的橡胶变形时的情况设置结合面处芯轴1、橡胶体2、隔套4和外套3的两个顶点A1和A2，在出现频率最多的载荷所对应的橡胶变形时其所有的顶点A1和A2都能够分别在同一条与载荷方向垂直的线上。若芯轴1的L1段呈垂直状态，当垂向承载时，橡胶体2倍挤压变形到一定程度后，芯轴1的L3段提供垂向刚度，发生第一次变刚度；当载荷继续增大，橡胶体2继续变形，芯轴1的L2段提供垂向刚度，发生第二次变刚度；当橡胶体2继续变形，下压至芯轴底端的挡圈6处时，挡圈6上表面的L4段提供垂向刚度并作为止挡，再一次发生变刚度。
同理，当需要实向更多次的变刚度时，可以将芯轴1、橡胶体2、隔套4和外套3设置成由更多段组成的结构。
实施例三
本实施例是对上述实施例进行的改进，当刚度要求不高时，可以将实施例一和实施例二中是隔套4取消，形成外套3-橡胶体2-芯轴1的结构。
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 (12)

1.一种异形橡胶弹簧，包括最内层的芯轴、最外层的外套和硫化在芯轴与外套之间的橡胶体，其特征在于：芯轴、橡胶体和外套都为一端大一端小的腰形柱体，所述橡胶弹簧的横向宽度为140-220mm。
2.如权利要求1所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：所述橡胶弹簧小端处的横向宽度为40-120mm，大端处的横向宽度为160-180mm。
3.如权利要求1所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：芯轴为内部中空的结构。
4.如权利要求1所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：橡胶体与芯轴和外套间的接触面在纵向上的剖视图中的连接线为两段以上的直线段。
5.如权利要求4所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：小端处橡胶体与芯轴和外套间的接触面在纵向上的剖视图中的连接线为平行线。
6.如权利要求4所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：所述连接线为两段直线段，两段直线段之间的夹角为150-180o。
7.如权利要求4所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：所述连接线为三段以上的直线段，且靠近小端处的相邻两段直线段之间的夹角大于靠近大端处的相邻两段直线段之间的夹角。
8.如权利要求1所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：橡胶体内设有沿垂向设置的隔套，隔套两侧均与橡胶硫化连接。
9.如权利要求8所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：隔套也为一端大一端小的腰形柱体，且隔套的数量根据刚度要求设置为一个以上。
10.如权利要求1所述的异形橡胶弹簧，其特征在于：芯轴底部处设有突出于其外侧周的挡圈。
11.一种权利要求1所述的异形橡胶弹簧刚度调节方法，其特征在于：通过调节橡胶体垂向上各段橡胶的比例大小调节橡胶弹簧在垂向上的刚度大小。
12.如权利要求11所述的异形橡胶弹簧刚度调节方法，其特征在于：通过调节橡胶体垂向上各段橡胶之间的夹角大小调节橡胶弹簧在垂向上的刚度大小。
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