变刚度橡胶弹簧结构设计研究

陈清化 丁小平

摘要：针对轨道交通车辆转向架用轴箱弹簧在受载范围较大时存在弹簧变形量较大、刚度成线性的问题，提出了一种可变刚度橡胶轴箱弹簧创新结构设计及其变刚度方法，对轴箱弹簧进行了二级减振设计，轴箱弹簧在大载荷时，能够变刚度，减小变形挠度，同时可通过调整钢弹簧的参数改变轴箱弹簧的刚度特性。此种设计可实现产品刚度的调节，提升了车辆的运行品质，同时也节省了安装空间，产品既可以新造又可以从现有结构上进行改进，同时也可为其他类似产品结构改进提供参考借鉴。

Abstract： Aiming at the problems of large spring deformation and linear stiffness for axle box springs for rail transit vehicle bogies when the load range is large， an innovative structural design of variable stiffness rubber axle box springs and its variable stiffness method are proposed. The axle box spring is designed with secondary vibration reduction. When the axle box spring is under a large load， its stiffness can be changed and the deformation deflection can be reduced. At the same time， the stiffness characteristics of the axle box spring can be changed by adjusting the parameters of the steel spring. This design can adjust the rigidity of the product， improve the running quality of the vehicle， and save the installation space. The product can be newly built and improved from the existing structure， and it can also provide a reference for other similar product structure improvements.

关键词：锥形弹簧;钢弹簧;结构设计;变刚度

Key words： conical spring;steel spring;structural design;variable stiffness

中图分类号：U260                                          文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）14-0011-02

0  引言

随着当前国内经济的高速发展，城市化进程的加快，乘坐高铁和地铁出行的人口数量增加较快。同时轨道交通车辆设计生产制造能力的加强，使得车辆自重在不断减小，载客重量在不断增加，所以车辆从空载AW0到超载AW3之间的载荷跨度较大。轨道车辆轴箱彈簧安装在转向架的轴箱与构架之间，起第一次衰减轮轨振动的作用，所以称之为一系悬挂。目前应用较广泛的轴箱弹簧主要有钢弹簧和橡胶弹簧。其中钢弹簧对轮轨传递过来的振动有衰减作用但是无法吸收振动和噪音，而橡胶弹簧除了衰减振动外，因其橡胶特性可对轮轨振动和噪音进行吸收，其减振降噪能力相较钢弹簧具有较大的优势，所以目前国内外很多轨道交通车辆上已普遍采用橡胶弹簧作为轴箱弹簧在使用。

橡胶弹簧的结构种类较多，因锥形弹簧刚度较小、所需圆周方向安装空间较小等优点被经常用于轴箱弹簧使用。关于橡胶轴箱弹簧产品，国内外学者做过大量研究。如：樊云霞[1]等研究分析了轴箱弹簧刚度性能对于车辆运行稳定性和曲线通过性能的影响规律，并通过动力学软件进行了仿真分析。蒲金庆等[2]研究介绍了北京地铁轴向弹簧国产化的研制、试验及装车运用情况。李泷[3]等人研究运用MATLAB软件建立地铁车辆转向架轴箱弹簧模型，并分析了其合理性。陈清化[4-5]等人研究了空气弹簧结构的拆解以及锥形弹簧结构参数对于性能的影响规律。前述研究均未涉及到锥形橡胶弹簧结构对产品变形及车辆运行品质的影响。

1  锥形橡胶弹簧介绍

目前用于轨道交通车辆轴箱弹簧的锥形橡胶弹簧的结构主要由橡胶和金属隔板间隔硫化而成，具有圆周方向刚度大、横向位移小，垂向方向刚度小和垂向位移较大的特点，产品垂向方向的载荷位移曲线如图1所示当车辆载荷变大时，锥形橡胶弹簧的载荷变形近似线性比例变化。

轨道交通车辆在运行过程中一系弹簧在车辆空载时保持低垂向刚度特性有助于提升车辆动力学平顺性能。钢弹簧和锥形橡胶弹簧在垂向方向上的刚度非线性都较差，当空载至超载的载荷范围增大时，锥形橡胶弹簧的垂向变形量会增大，从而导致满载或超载后车辆在高度方向变形量较大，不利于高速和过弯道行车。

为实现解决当前一系锥形橡胶弹簧刚度线性问题以及大载荷下大变形的问题，提出了一种可变刚度的橡胶弹簧结构设计方案。

2  橡胶弹簧创新结构介绍

提出的可变刚度橡胶弹簧结构如图2所示，在传统的锥形弹簧内部设计一个钢弹簧，锥形弹簧作为主簧，在锥形弹簧内部芯轴设计成空心开孔状，在孔内并联设置钢弹簧为辅助弹簧，将锥形弹簧的承重面与钢弹簧的承重面设置为一定高度差。其中锥形弹簧的芯轴内固定有压套，钢弹簧安装于压套内部，压套的内腔顶端设计有凸台，用于钢弹簧顶部定位，在压套底部也设计有台阶，用作钢弹簧的预压止挡，在压套的顶部安装有磨耗板，保护金属间的接触和碰撞。在芯轴的底端设计有可拆卸的底座，底座通过螺钉固定在芯轴上，同时在底座中部设计有凸台，用于钢弹簧底部定位，在底座的圆周方向还设有凹台，防止底座横向力对螺钉施加较大的剪切力，提高产品的可靠性。

产品生产安装过程中锥形弹簧直接硫化完成，而要将钢弹簧顺利预安装在橡胶锥形弹簧的芯轴内，首先需要将压套从芯轴底部放入芯轴中，然后再将设计好的钢弹簧自由放入压套中，然后在装配工装的辅助下完成底座的安装。

3  工作原理介绍

创新橡胶弹簧结构设置两级减振结构，如图2所示设计自由状态压套处于预安装位置时，压套顶部与锥形弹簧的外套的顶端之间存在间隙C，而间隙C需要设计大于车辆空载AW0时锥形弹簧外套的下降量H。同时设计压套底部与底座之间预留间隙A，设计压套顶部与芯轴顶端之间预留间隙B。设计要求锥形弹簧在垂向方向的最大行程等于间隙A与间隙B中的较小者。

当产品受载时，锥形弹簧首先承重，外套下沉，当橡胶锥形弹簧外套下降到压套顶端面以下时，压套及钢弹簧将接触车身并承受重力，从而与锥形橡胶弹簧一并进行承载，此过程中可实现刚度的变化，由两个部件一起提供垂向刚度。间隙C减去空载时外套的下降量H的差值即为产品实现变刚度时的位移量，即图3中的X0点对应的位移量，该点为橡胶锥形弹簧的变刚度点，所以在实际设计中，可通过调整间隙C来改变轴箱弹簧实现变刚度时所对应的载荷大小。

从图3中可看出本产品由锥形弹簧与钢弹簧配合工作的二级减振机构，可保证轴箱弹簧在受到大载荷时可提供较大的垂向刚度值，同时减小轴箱弹簧在垂向方向的变形量，而车辆处于空载AW0时，钢弹簧基本不参与工作，橡胶锥形弹簧空载低刚度特性有助于保持车辆动力学平顺性和稳定性。同时本方案结构中钢弹簧置于橡胶锥形弹簧的芯轴内，由此实现两弹簧的并联，这样的设计方法大大地节约了所需要的安装高度。

另外通过调整钢弹簧的刚度特性，来实现不同二级刚度的特性要求，压套与底座的设计便于更换圈数与节距不同的钢弹簧，调整钢弹簧参数调整如图3中变刚度点的位置，也就是调整钢弹簧开始接触时的位置，提高运营可靠性。

4  结论

①提出了一种可变刚度轴箱弹簧创新结构及其变刚度方法，对轴箱弹簧进行了二级减振设计，轴箱弹簧在大载荷时，能够变刚度，提供较大垂向刚度，减小装置的变形挠度，同时可通过调整钢弹簧的参数改變轴箱弹簧的刚度特性。②提出了一种由锥形弹簧与钢弹簧组成二级减振结构的设计方法，其中锥形弹簧的芯轴设置为空心状，设计辅助弹簧并联安装于橡胶锥形弹簧的芯轴内，此种设计方法既节约了安装高度，又节省了安装空间，也降低的成本。③对锥形弹簧芯轴进行针对性设计，并设计一系列凸台与凹台，极大方便了钢弹簧的安装与定位;同时设置有磨耗板，可缓和被承载车身与压套的挤压与接触，延长了产品的使用寿命。④本创新结构既可以全新设计制造也可以从现有的锥形弹簧结构上直接进行改进，同时也可为其他类似结构改进设计提供参考借鉴。

参考文献：

[1]樊云霞，刘春艳，王青权.轴箱弹簧刚度对车辆运行性能影响研究[J].城市轨道交通研究，2014（11）：75-77.

[2]蒲金庆，刘慧慧，陈亮，等.北京地铁5号线轴箱弹簧国产化应用研究[J].机械工程师，2016（5）：198-202.

[3]李泷，龙一帆.地铁车辆转向架轴箱弹簧设计[J].科技创新导报，2017（12）：35-36.

[4]陈清化，叶特，程海涛，等.城轨车辆空气弹簧拆解与装配工艺研究[J].现代城市轨道交通，2019（6）：34-38.

[5]陈清化，程海涛，戚壮，等.城市轨道交通车辆锥形弹簧竖向静态刚度计算模型设计研究[J].城市轨道交通研究，2020（12）：41-45，61.