CN204716849U - 一种具有大承载变刚度能力的锥形弹簧 - Google Patents

Abstract

一种具有大承载变刚度能力的锥形弹簧，锥形弹簧包括内锥体、橡胶体和外锥体，橡胶体环绕在内锥体的外围，外锥体环绕在橡胶体的外围，橡胶体与内锥体和外锥体一起形成一个锥形布置的橡胶金属弹簧；其特征在于，锥形弹簧的橡胶体上部橡胶型面和橡胶体下部橡胶型面采用多段结构形式；其中，橡胶体上部橡胶型面为多段下坡结构，橡胶体下部橡胶型面为多段上坡结构；锥形弹簧通过改变橡胶体上部橡胶型面多段下坡结构和橡胶体下部橡胶型面多段上坡结构中每一段的形状、斜率、长度和段数，来调整锥形弹簧的刚度变化的大小和刚度变化的位置，并通过控制多段的数量实现多次变刚度的调整。

Description

一种具有大承载变刚度能力的锥形弹簧

技术领域

本实用新型涉及机车上的锥形弹簧的改进，具体涉及调节锥形弹簧的刚度变化的锥形弹簧结构，该种锥形弹簧结构可以实现锥形弹簧多次变刚度，并防止锥形弹簧橡胶因使用压缩时产生褶皱而开裂。属于弹性减震技术领域。

背景技术

锥形弹簧又称为轴箱弹簧，主要指在机车上金属与橡胶结合的具有减振作用的弹簧。锥形弹簧是安装在轨道机车轴箱和构架之间起支撑、减震降噪的作用，是常用的一种橡胶金属复合的减振降噪元件，安装在机车一系悬挂和二系悬挂的车体上，主要作用为承受车体和构架的载荷。采用锥形金属件与橡胶通过胶黏剂在一定的温度和压力下硫化成一个整体，其作用是利用硫化橡胶起减振、降噪作用，金属件起支承和安装接口。

随着机车技术的发展，特别是高铁动车组、城轨、地铁和低地板车技术的发展，锥形弹簧为了更好地满足保证机车的动力学要求和安全性，要求锥形弹簧垂向刚度有变刚度，且不能出现垂向刚度出现反S曲线现象。垂向刚度出现反S曲线是由于现有锥形弹簧结构的橡胶体没有强烈的相互挤压，也没有外凸的凸台与橡胶接触挤压，空载时锥形弹簧垂向变刚度太小，而机车加载时，尤其是在最大垂向载荷下，需要锥形弹簧的橡胶部分能提供足够大的垂直刚度时，现有的锥形弹簧又无法提供大变刚度，因此无法实现理想的变刚度，刚度曲线呈现反“S”现象；具有反“S”曲线的锥形弹簧,在空载下刚度比较大,有造成车辆脱轨的风险。另外，机车在加速、减速或转弯时会需要锥形弹簧有合适的横向变刚度和纵向变刚度，使机车更符合动力学要求，有良好的横向和纵向减振、降噪能力。因此适当增加机车横向变刚度和纵向变刚度的个数，实现多次刚度变化，能让机车行驶更为平稳、顺畅。又由于锥形弹簧是金属与橡胶硫化而成的整体，不能拆开也不方便进行局部修复，因而锥形弹簧是终身免维修的产品。随着机车技术的发展，其疲劳载荷也越来越苛刻，对疲劳性能的要求越来越严，目前的锥形弹簧的结构在使用时，由于现有结构橡胶的型面都是采用单一结构的形面，产品在垂向载荷下，上下部的橡胶型面容易出现“褶皱”变形，形成应力集中，且产品的垂向载荷完全由橡胶承担，应力和应变都较大,最终由于橡胶疲劳导致橡胶开裂。这就需要一种既可调节变刚度，同时又能防止使用时出现褶皱的锥形弹簧来满足上述要求。

通过国内检索发现以下专利与本实用新型有相似之处：

申请号为201010285627.8，名称为“城市轨道列车转向架的轴箱弹簧”的发明，此发明是一种城市轨道列车转向架的轴箱弹簧。芯轴外圈上从内向外依次设置有隔套I、隔套II和外套。芯轴、隔套I、隔套II和外套均由全属材料制成，相邻两金属材料之间分别设置有橡胶层III、橡胶层II和橡胶层I。所述的芯轴、隔套I、隔套II、外套外露金属表面均涂有底漆面漆。此发明的优点是提供了一种列车车轮运行时在垂向、横向、纵向静态刚性很小，能提高车辆运行时的柔性和品质的城市轨道列车转向架的轴箱弹簧。

由于申请号为201010285627.8的发明没有在最大垂向载荷下大幅度增加轴箱弹簧的橡胶部分的垂向刚度的结构，因此在大的垂向载荷下主要靠金属部件来增大刚度，这样会影响到轴箱弹簧的减振效果。

申请号为201420467799.0，名称为“一种铁道重载货车转向架用轴箱”的实用新型，此实用新型公开了一种铁道重载货车转向架用轴箱弹簧。此实用新型的目的是提供一种铁道重载货车转向架用轴箱弹簧，以克服现有轴箱弹簧径向刚度过大、重量重等缺点。本实用新型包括外套、内套、内芯、第一橡胶层和第二橡胶层，其特征在于：所述第一橡胶层、第二橡胶层与外套、内套及内芯硫化成一整体，外套通过内置于第一橡胶层、第二橡胶层表面的铜导线与内芯连接，第一橡胶层、第二橡胶层的侧面延长线与轴箱弹簧顶部平面之间的夹角为100-160°。此实用新型主要用作铁道重载货车转向架上的轴箱弹簧。但是该实用新型专利没有让轴箱弹簧实现多个变刚度的结构，难以满足机车在不同状态所需的多次刚度变化。

因此，到目前为止尚未有能有效防止锥形弹簧在变刚度时防止橡胶体褶皱开裂，并能满足机车在不同状态所需的多次刚度变化的方法及装置，因此很有必要对此进一步加以改进。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：

1. 解决整体垂向变刚度出现反S曲线，机车空载时，锥形弹簧垂向刚度过大，有造成机车脱轨的风险，起不到应有的减振效果；

2.实现机车在最大垂向载荷下，锥形弹簧仍能仅通过橡胶来支撑载荷，避免由金属和橡胶共同支撑载荷时，锥形弹簧的减震、降噪效果变差；

3.机车从空载到最大垂向载荷的过程中，锥形弹簧的橡胶的形状都能是平滑没有褶皱的，以防止锥形弹簧的橡胶部分开裂；

4.机车在加速、减速或转弯时，锥形弹簧能进行多次刚度变化，让机车运行更平稳、顺畅。

针以上述问题，本实用新型提出的技术方案是：一种具有承载大变刚度能力的锥形弹簧，包括内锥体、橡胶体和外锥体，橡胶体环绕在内锥体的外围，外锥体环绕在橡胶体的外围，橡胶体与内锥体和外锥体一起形成一个锥形布置的橡胶金属弹簧；橡胶体下端面分别与锥形弹簧的内锥体和外锥体连接，且橡胶体从与橡胶体内锥体处到与外锥体连接是逐步上升趋势走向；其特点在于，在锥形弹簧内锥体的底部向外伸出有凸台，橡胶体在下移到橡胶体下端面抵触到凸台后，通过内锥体底部向外伸出的凸台与外椎体内侧的双重约束配合产生大幅度变刚度。

进一步地，所述凸台的上表面为多段式结构，每一段之间用圆弧过渡，通过调整凸台每一段的形状、斜率、长度和外椎体内侧的张开角度，调整刚度变化的大小和刚度变化的位置；并通过控制多段的数量实现多次变刚度的调整。

进一步地，所述凸台的上表面多段式结构中，每段的形状是直线或弧线形状，并将每两段之间通过圆弧段过渡连接起来，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

进一步地，所述多段上坡组合是两段以上的直线段组合，且直线段与直线段之间通过圆角段过渡，每一直线段具有不同的斜率和长度，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

进一步地，所述直线段组合是二段直线段组合，其中，第一直线段的长度为49-52mm，第一直线段与锥形弹簧轴线的夹角为9-11度；第二直线段的长度为5-8mm，第二直线段与锥形弹簧轴线的夹角为86-88度。

进一步地，所述橡胶体的下端面的环形圆角段的圆角半径为15-25mm。

本实用新型的优点是：

1.橡胶体的下端面为多段组合形面，且每两段之间采用环形圆角段过渡，能实现多次垂向刚度的平缓变化，不会出现锥形弹簧的垂向刚度突然增大的现象，能避免垂向刚度出现反S曲线，从而有效的防止机车脱轨，同时也能让锥形弹簧有很好的减震、降噪效果。

2.橡胶体的下端面采用大于两段以上的变形形面结构，且每两段之间采用环形圆角段过渡，且通过合理调整各段的斜率、长度，能有效防止橡胶体承受载荷，橡胶体的上端下移的过程中，橡胶体上端形状始终保持平滑，从而防止橡胶体上端开裂。

3.橡胶体的下端面采用多段的组合形面，每两段之间采用环形圆角段过渡，因此橡胶体能实现多次横向刚度和纵向刚度的变化，且能让横向刚度和纵向刚度的变化比较平缓，不会出现横向刚度和纵向刚度的突然增大，从而使得机车在加速、减速或转弯时，更为平稳、顺畅，能增加车内旅客的舒适感。

4.锥形弹簧能通过改变每一段的长度、斜率和段数调节锥形弹簧的垂向、横向和纵向变刚度使锥形弹簧能满足不同型号的机车在不同状态下对刚度的需要，使机车能更好的符合动力学要求，从而让机车更好地运行。同时，也让锥形弹簧的通用性更强，应用范围更广，能应用到各种机车上。

5.锥形弹簧能防开裂，使用寿命长；结构简单，成本低，适用于批量生产。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的剖视示意图；

图2为图1中B处的放大图；

图3为本实用新型在最大垂向载荷下的剖视示意图；

图4为图3中D处的放大图；

图5为本实用新型的垂向刚度曲线。

图中：1内锥体、11内锥体凸台、111凸台过渡边、2橡胶体、21环形平直段、211第一环形平直段、212第二环形平直段、213第三环形平直段、214第四环形平直段、215第五环形平直段、22环形圆角段、3外锥体、216第六环形平直段、217第七环形平直段、218橡胶层。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型做一步的描述：

实施例一

如图1和图2所示，锥形弹簧包括内锥体1、橡胶体2和外锥体3，内锥体1下端向外侧延伸形成环形的内锥体凸台11。橡胶体2的上端面21为三段的多段下坡结构，分别为第一环形平直段211、第二环形平直段212和第三环形平直段213，每两段环形平直段之间采用环形圆角段22过渡。橡胶体2的下端面为二段的多段上坡结构，分别为第四环形平直段214和第五环形平直段215，第四环形平直段214和第五环形平直段215之间也是采用环形圆角段22过渡。在本实施例中，橡胶体2的下端的环形圆角段22的圆角半径为20mm，橡胶体2的上端的两段环形圆角段22的圆角半径都是5mm。橡胶体2环绕在内锥体1的外围，外锥体3环绕在橡胶体2的外围。内锥体1和外锥体3为金属部件，内锥体1和外锥体3与橡胶体2通过胶黏剂在一定的温度和压力下硫化成一个整体，其作用是：利用橡胶体2起减振降噪作用，内锥体1和外锥体3起支撑和安装接口的作用。此外，在内锥体1下端向外侧延伸形成有环形的内锥体凸台11，橡胶体2下端位于内锥体凸台11的上方，橡胶体2的下端设有第四环形平直段214和第五环形平直段215，且第四环形平直段214和第五环形平直段215之间采用环形圆角段22过渡。当锥形弹簧受到垂向载荷向下的压力时，橡胶体2下端向下移动并产生形状变化，但橡胶体2下端的形状变化受到外锥体3内侧和内锥体凸台11的双重约束。因此，橡胶体2下端的会贴合内锥体凸台11和外锥体3内侧，而内锥体凸台11与凸台过渡边111采用的是平缓的直线边过渡，因此橡胶体2下端贴合内锥体凸台11和外锥体3内侧时会形成平滑的形状。能避免橡胶体2下端产生褶皱，因此能防止橡胶体2下端开裂。当锥形弹簧受到最大的垂向载荷向下的压力时，橡胶体2下端的形状会呈现出如图3中D处的平滑形状。

目前的锥形弹簧中，橡胶体2的上端和下端都是采用的是一段平直段与一段圆弧段相结合的形状。这种结构在橡胶体2承受最大垂向载荷时，橡胶体2的上端面和下端面会出褶皱，时间长了就会导致橡胶体2开裂，由于锥形弹簧是金属与橡胶硫化而成的整体，不能拆开也不方便进行局部修复，因而锥形弹簧是终身免维修的产品，出现橡胶体2开裂只能更换锥形弹簧。

为了避免橡胶体2上端出现褶皱，本实施例采用的结构如图1和图2所示。橡胶体2的上端由第一环形平直段211、第二环形平直段212、第三环形平直段213以及两段环形圆角段22形成一个整体。第一环形平直段211和第二环形平直段212之间采用环形圆角段22过渡，第二环形平直段212和第三环形平直段213之间也采用环形圆角段22过渡。橡胶体2受到垂向载荷向下移动的过程中，由于橡胶体2外侧与外锥体3内侧相连，橡胶体2上端与外侧的移动会受到外锥体3的约束。橡胶体2的下端第四环形平直段214和第五环形平直段215也形成一个整体，且第四环形平直段214和第五环形平直段215之间采用环形圆角段22过渡。当锥形弹簧受到垂向载荷向下的压力时，橡胶体2下端向下移动并产生形状变化，但橡胶体2下端的形状变化受到外锥体3内侧和内锥体1的双重约束。而且在内锥体1下端设有向外侧延伸形成环形的内锥体凸台11，橡胶体2下端位于内锥体凸台11的上方，凸台11的上表面为两段环形平直段组合形成多段式结构，分别为第六环形平直段216和第七环形平直段217；第六环形平直段216和第七环形平直段217之间通过环形圆角段22过渡；当锥形弹簧承受最大垂向载荷时时，橡胶体2的下端下移时的形状变化由于受到外锥体3内侧和内锥体凸台11的双重约束，因此橡胶体2的下端能使锥形弹簧的刚度有大幅度的增加。而当锥形弹簧承受最大垂向载荷时（如附图3和4所示），橡胶体2下端的形状变化也会受到外锥体3内侧和橡胶体2的下端的形状的约束，使得橡胶体2下端能承受最大垂向载荷，并在最大垂向载荷下形成平滑的形状。正因为在最大垂向载荷下，锥形弹簧仍能用橡胶体2承受载荷，因此使得在最大垂向载荷下，锥形弹簧仍能有较好的缓冲、减震和减噪效果。

如下方的表格所示，表格中给出了本实施例中橡胶体2的内锥体凸台11与垂向方向的夹角以及各段环形平直段的长度。 

	环形平直段与垂向方向的夹角(度)	环形平直段的长度（毫米）
			第六环形平直段	45-65(图中a)	5-10
第七环形平直段	86-91(图中b)	49-52

本实施例中，锥形弹簧的内锥体凸台11的二段环形平直段中的任意一段的长度或斜率在制造时进行改变，都会改变锥形弹簧的变刚度，也就是说，能通过调节环形平直段的长度或斜率来改变锥形弹簧的变刚度。当垂向载荷不大时，锥形弹簧可以通过橡胶体2的上端面和下端面的变刚度实现刚度调整，能使得锥形弹簧能有很好的缓冲和减震效果；当垂向载荷很大，甚至达到最大垂向载荷时，锥形弹簧的橡胶体2上端和橡胶体2下端都处于没有变刚度的平滑形状，刚度曲线消除了“S”的现象；在最大垂向载荷时，锥形弹簧仍能用橡胶体2承受载荷，因此使得此时锥形弹簧仍能有较好的缓冲、减震和减噪效果。

实施例二

与实施例一的结构大致相同，但内锥体凸台11的上端面采用的不是平缓的直线边过渡，而平缓的曲线边进行过渡，内锥体凸台11的上端面采用三段环形平直段和两段环形圆角段，这样能进一步改变变锥形弹簧变刚度的次数，增加或减少环形平直段的段数能进一步改善最大垂向载荷过程中的平缓程度，保证橡胶体2的下端形状不出现褶皱，能始终保持平滑的形状。同时，为了避免橡胶体2的下端开裂，在内锥体凸台11的上端面的上端面上也覆盖有一层橡胶层218（见附图2），橡胶层与橡胶体2的下端面连为一体，形成一个多边的下端曲面。

本实用新型的优点是：

1.橡胶体的下端面为多段组合形面，且每两段之间采用环形圆角段过渡，能实现多次垂向刚度的平缓变化，不会出现锥形弹簧的垂向刚度突然增大的现象，能避免垂向刚度出现反S曲线，从而有效的防止机车脱轨，同时也能让锥形弹簧有很好的减震、降噪效果。

2.橡胶体的下端面采用大于两段以上的变形形面结构，且每两段之间采用环形圆角段过渡，且通过合理调整各段的斜率、长度，能有效防止橡胶体承受载荷，橡胶体的上端下移的过程中，橡胶体上端形状始终保持平滑，从而防止橡胶体上端开裂。

3.橡胶体的下端面采用多段的组合形面，每两段之间采用环形圆角段过渡，因此橡胶体能实现多次横向刚度和纵向刚度的变化，且能让横向刚度和纵向刚度的变化比较平缓，不会出现横向刚度和纵向刚度的突然增大，从而使得机车在加速、减速或转弯时，更为平稳、顺畅，能增加车内旅客的舒适感。

4.锥形弹簧能通过改变每一段的长度、斜率和段数调节锥形弹簧的垂向、横向和纵向变刚度使锥形弹簧能满足不同型号的机车在不同状态下对刚度的需要，使机车能更好的符合动力学要求，从而让机车更好地运行。同时，也让锥形弹簧的通用性更强，应用范围更广，能应用到各种机车上。

5.锥形弹簧能防开裂，使用寿命长；结构简单，成本低，适用于批量生产。

很显然，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，作出的若干改进或修饰都应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有大承载变刚度能力的锥形弹簧，包括内锥体、橡胶体和外锥体，橡胶体环绕在内锥体的外围，外锥体环绕在橡胶体的外围，橡胶体与内锥体和外锥体一起形成一个锥形布置的橡胶金属弹簧；橡胶体下端面分别与锥形弹簧的内锥体和外锥体连接，且橡胶体从与橡胶体内锥体处到与外锥体连接是逐步上升趋势走向；其特点在于，在锥形弹簧内锥体的底部向外伸出有凸台，橡胶体在下移到橡胶体下端面抵触到凸台后，通过内锥体底部向外伸出的凸台与外椎体内侧的双重约束配合产生大幅度变刚度。

2.根据权利要求1所述的锥形弹簧，其特征在于，所述凸台的上表面为多段式结构，每一段之间用圆弧过渡，通过调整凸台每一段的形状、斜率、长度和外椎体内侧的张开角度，调整刚度变化的大小和刚度变化的位置；并通过控制多段的数量实现多次变刚度的调整。

3.根据权利要求2所述的锥形弹簧，其特征在于，所述凸台的上表面多段式结构中，每段的形状是直线或弧线形状，并将每两段之间通过圆弧段过渡连接起来，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

4.根据权利要求3所述的锥形弹簧，其特征在于，所述多段上坡组合是两段以上的直线段组合，且直线段与直线段之间通过圆角段过渡，每一直线段具有不同的斜率和长度，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

5.根据权利要求4所述的锥形弹簧，其特征在于，所述直线段组合是二段直线段组合，其中，第一直线段的长度为49-52mm，第一直线段与锥形弹簧轴线的夹角为9-11度；第二直线段的长度为5-8mm，第二直线段与锥形弹簧轴线的夹角为86-88度。

6.根据权利要求4所述的锥形弹簧，其特征在于，所述橡胶体的下端面的环形圆角段的圆角半径为15-25mm。

7.根据权利要求4所述的锥形弹簧，其特征在于，在内锥体凸台的上端面的上端面上也覆盖有一层橡胶层，橡胶层与橡胶体2的下端面连为一体，形成一个多边的下端曲面。