弹性车轮应用与现状浅谈

马雁翔，刘春生

（1.智奇铁路设备有限公司研发中心，山西 太原 030032；2.太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

弹性车轮应用与现状浅谈

马雁翔1，2，刘春生1

（1.智奇铁路设备有限公司研发中心，山西 太原 030032；2.太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

小运量的现代有轨电车作为地铁线路的补充交通工具，在便利出行方面发挥着非常重要的作用。弹性车轮作为现在有轨低地板车辆的走形部件，在城市轨道交通系统中有明显的优势。弹性车轮作为车辆减振降噪的有效措施之一，能有效降低曲线尖叫、减小轨道冲击等噪声的出现。简要介绍了弹性车轮的类型、弹性车轮目前在国内外的专利情况，以期为日后相关工作的顺利进行提供参考。

弹性车轮；弹性元件；走形部件；降噪

1950年，美国的Herschfeld发明了第一个橡胶弹性车轮，1969年，四方车辆研究所为北京地铁研制了我国第一个弹性车轮。随着城市人流量的增加，越来越多的轨道车辆穿梭于城市之间，交通压力越来越大，由城市轨道交通车辆引起的噪声污染也引起了人们的高度关注，一方面，国家鼓励发展和完善城市轨道交通系统；另一方面，需要解决越来越多的城市轨道车辆带来的噪声污染问题。为了解决现实中存在的矛盾，弹性车轮作为一种能降低噪声的绿色、环保的行走部件发挥着非常重要的作用[1-4]。

1 弹性车轮结构与特点

弹性车轮主要是由轮心、轮箍、轮环和弹性橡胶块四大主件通过连接螺栓连接而成的，弹性橡胶块作为弹性元件安装在轮心与轮箍之间，起缓冲、减振的作用。轨道车辆行走部件采用弹性车轮，与刚性车轮相比，弹性车轮改变了传统的簧下质量的概念[5]。一般认为，轨道车辆采用实心钢轮作为行走轮对时，轮对、轴箱和制动盘都是簧下质量，与钢轨接触为硬性冲击，会产生较大的运动作用力和振动噪声。当轨道车辆行走部件轮对采用弹性车轮后，只有轮箍是簧下质量，轮轨冲击和振动大为减小[6]。理论上，线路的不平顺性引起的轮轨作用力是随着簧下质量的减小而降低的，使用弹性车轮是降低轻轨车辆运行产生的尖啸噪声和冲击噪声的有效措施之一。弹性车轮的使用有自身的限制性，弹性车轮行走部件不能采用闸瓦制动和踏面制动，这是由弹性车轮的结构特点决定的。由于弹性车轮的轮毂厚度比较小，踏面制动会产生大量的热，高温传到橡胶圈会改变橡胶性能。

按照结构和弹性元件受力状况划分，弹性车轮有3种，即压缩型、剪切型和剪压复合型[6]。

1.1 压缩型

图1所示为德国BVV公司生产的Bochum54压缩型弹性车轮。橡胶元件的轴向弹性比径向弹性大很多，且径向刚度比较大，但是，橡胶元件只能承受压应力，难以满足车轮轴向与径向刚度合理匹配的要求。现在，纯粹的压缩型弹性车轮已很少使用。

图1 Bochum54压缩型弹性车轮[7]

1.2 剪切型

图2为剪切型橡胶弹性车轮，该型车轮的轴向弹性比较小，但径向弹性比较大，在冲击载荷和垂向载荷的作用下，橡胶元件主要承受切向和径向的剪切作用，轴向在压缩载荷作用下产生压缩变形。剪切型弹性车轮被应用于20世纪香港的有轨电车中。但是，剪切型弹性车轮具有使用成本高、车轮质量大、车轮运行阻尼大、维修不方便等缺点。

图2 剪切型弹性车轮[7]

1.3 剪压复合型

剪压复合型弹性车轮的橡胶元件在冲击载荷和垂向载荷的作用下，既能承受剪切应力，又能承受压应力。图3为剪压复合新型弹性车轮，橡胶块呈V形，可以通过调整V形橡胶块的角度来选择合适的径向与轴向的刚度比。

图3 剪压复合新型弹性车轮

2 国内外弹性车轮专利情况

2.1 国外专利

图4 几种国外弹性车轮专利结构图

图5 几种国内弹性车轮专利结构图

国外弹性车轮发展比较早，产品较为丰富。要想研究国外弹性车轮的相关情况，可以从国外申请的弹性车轮专利入手，以了解国外弹性车轮的结构及其发展趋势。由于剪压复合型弹性车轮的轴向刚度和径向刚度能通过调整弹性元件的角度获得，因此，使用较为普遍。国外关于这种类型的车轮专利也比较多。图4为4种国外弹性车轮专利的结构图。图4（a）为FLOEGEL在德国申请的弹性车轮专利，图4（b）为GMT公司在美国申请的弹性车轮专利，图4（c）为WABCOHOLDINGS公司在美国申请的弹性车轮专利。虽然这些弹性车轮的结构有区别，但它们都是由轮箍、弹性单元（橡胶块）、轮环和轮心组成的。图4（d）为ZDBAS公司在德国申请的弹性车轮专利，锁紧环为该产品与其他产品的最大区别。以往的弹性车轮产品轮箍、轮心和轮环通过螺栓连接的方式将弹性元件压缩到固定的位置，由于弹性车轮在行驶过程中受到不断的震动和各种冲击，螺栓很可能会出现松动的情况。为了避免这种情况的发生，GunterValJent针对这种车轮提出了改进方案，取消了螺栓连接，为紧固弹性车轮的轮箍和轮心，在压力圈（轮环）与轮心之间使用一个圆形截面的锁定环来定位V形单元和轮箍。

2.2 国内专利

国内弹性车轮发展比较晚，产品较为单一，申请的专利数量与国外相比要少很多。目前，国内应用比较多的是剪压复合型弹性车轮。图5为6种国内弹性车轮的专利结构图，图5（a）为中国北车集团大连机车研究所有限公司研制的弹性车轮，它是由轮毂、轮心、轮环、弹性元件（橡胶块）和连接螺栓组成的。弹性元件橡胶块的角度比较大，大角度结构的橡胶块承受的径向刚度比轴向刚度要大。图5（b）为唐山轨道交通装备有限责任公司研制的多层橡胶弹性轮对，该弹性车轮结构与其他弹性车轮结构差异比较大。图5（c）（e）（f）为常州铁马科技实业有限公司申请的弹性车轮专利，这3种产品结构类似，弹性元件橡胶轮的结构有区别，即弹性车轮受到的径向与轴向刚度比不一致。图5（d）为哈特奇桑公司在中国申请的弹性车轮专利。分析国内外弹性车轮专利公布的情况，从中可以看出，欧美等国家对弹性车轮的研究很多，不断采用新材料，提出新结构，改善弹性车轮的性能，以推广其在轨道交通方面的应用。

U270.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.036

2095－6835（2017）17－0036－04