空簧衬套过盈装配公差设计

王宏伟，沈旭奎，田亚林，李芍君，苏强

（北京轨道交通技术装备集团有限公司，北京 100000）

0 引言

随着城市交通压力的不断增加，地铁车辆在城市轨道交通中的地位显著提高。在车辆轻量化设计的趋势下，铝合金凭借其比强度高、可塑性好的优点成为国内外地铁车辆的首选材料。但铝合金的耐磨性差、硬度低，与转向架连接的关键接口，还需要借助耐磨性较高的钢件来实现功能需求。本文基于某铝合金A型车对铝合金枕梁空簧安装座与转向架空簧的接口进行分析。

1 底架枕梁结构

底架为全铝合金焊接底架结构，枕梁由3块通长型材通过搅拌摩擦焊组焊而成，枕梁上设有空簧安装座、抗侧滚扭杆座、垂向减振器座等关键接口。其中空簧安装座与枕梁型材采用焊接形式连接，为全寿命周期件，与某B型地铁螺栓连接的空簧座相比降低了维修维护成本，提高了密封安全性。

为了提高空簧安装座与转向架空簧导柱连接的耐磨性，与转向架导柱接触处设置有不锈钢衬套，不锈钢衬套与枕梁空簧安装座采用过盈装配[1]，为了确保空簧衬套能够顺利安装且安装后的空簧衬套内径公差无需二次加工即可满足装配需求，对空簧衬套的内外公差及空簧安装座底孔公差进行设计。

2 空簧安装座与空簧衬套过盈量计算

空簧安装座与空簧衬套过盈量的设计原则包括：1）保证过盈联结传递给定的负荷；2）保证联结件不产生塑性变形；3）保证联结件的过盈量小于空簧衬套经过液氮冷却后的缩小量，提高液氮冷装的工艺性。

2.1 保证过盈联结传递给定的负荷

过盈联结传递负荷所需的最小过盈量计算过程如下[2-4]。

空簧衬套与转向架导柱为间隙配合，中间有橡胶圈起密封作用，所受转矩可以忽略不计。保证衬套安装后，在运行过程中不脱落，需克服自身重力。已知衬套质量m=0.579 kg。由于列车在运行过程中承受动载，取加速度为3g，安全系数为3，所以受轴向力Ft=9mg=9×0.579×9.8=51.07 N。所以最小结合压力计算公式为

查表1，将参数代入式（2），求得qa=0.679。

表1 计算用的主要参数

空簧衬套直径比计算公式为

查表1，将参数代入式（6），求得Ci=8.77。

空簧衬套传递负荷所需的最小直径变化量计算公式为

查表1，将参数代入式（9），求得δmin=0.0193 mm。

2.2 保证空簧安装座和空簧衬套不产生塑性变形

不产生塑性变形所允许的最大有效过盈量计算过程如下[2-4]。

空簧安装座不产生塑性变形所允许的最大结合压力计算公式为

查表1，将参数代入式（12），求得Ft=51 kN。

空簧安装座不产生塑性变形所允许的最大直径变化量计算公式为

查表1，将参数代入式（13），求得eamax=0.133 mm。

空簧衬套不产生塑性变形所允许的最大直径变化量计算公式为

查表1，将参数代入式（14），求得eimax=0.127 mm。

不产生塑性变形所允许的最大有效过盈量计算公式为

最终求得δemax=0.26 mm。

2.3 保证空簧安装座和空簧衬套的过盈量小于空簧衬套经过液氮冷却后的缩小量

空簧衬套采用液氮冷压的方式安装，为了便于安装，在保证联接强度的前提下，需要保证过盈量小于空簧衬套液氮冷却后的径向收缩量，才能保证空簧衬套不借助外力顺利安装。

衬套为环状结构，根据线膨胀系数计算平均径向收缩量时的长度，可以按照衬套平均周长近似计算，通过冷却后的周长反推可得到冷却后的直径，则冷却前后衬套平均周长收缩量为[5]

式中：α为空簧衬套的线性膨胀系数，查机械制造手册[4],马氏体不锈钢的线性膨胀系数为1.0×10-5；t1为衬套在放入液氮前的温度，25 ℃；t2为液氮温度，-197 ℃。

由式（16）得出径向收缩量为

最终求得Δd=0.398 mm。所以衬套单边半径缩小量为Δr=0.199 mm。

2.4 确定最终过盈量

综上所述，保证空簧衬套传递给定负荷的最小过盈量为δmin=0.0193 mm；保证空簧安装座与空簧衬套不产生塑性变形的最大有效过盈量为δemax=0.26 mm；满足液氮冷装工艺需求的最大过盈量为δ=Δr=0.199 mm。

由于空簧衬套与转向架的配合为橡胶圈密封，联接强度储备要求低，考虑更高的联接件材料储备要求，结合液氮安装工艺的便利性，所以此处取过盈量0.019 mm＜δb＜0.199 mm。

3 确定空簧安装座底孔及空簧衬套外径公差尺寸

3.1 确定空簧安装座底孔的公差

空簧安装座与枕梁的联接方式为焊接且不可拆卸，因此空簧安装座底孔与空簧衬套的配合选择基孔制，取精度等级为IT8，空簧安装座底孔的公差取95H8（公差H8的公差范围为0～+0.054）。

3.2 确定空簧衬套的外径公差尺寸

4 空簧衬套安装后的内径缩小量计算过程

空簧衬套为环类件，在与空簧安装座过盈装配后会产生内径缩小的现象，为了保证安装后的空簧衬套的尺寸满足与转向架空簧导柱的装配精度要求，不需要额外加工，需对空簧衬套安装后的内径缩小量进行计算[2-4]。

根据上述空簧安装座及空簧衬套最终公差，计算出过盈量的范围值为0.07 mm＜δ＜0.174 mm。

由实际过盈量计算得出联接件的结合压力，其中最小结合压力计算公式为

查表1，将参数代入式（21），求得Δdimax=0.088 mm。因此空簧衬套安装后的内径缩小量为0.026～0.088 mm,平均缩小量Δd=（0.026+0.088）÷2=0.057 mm。

5 空簧衬套内径公差尺寸计算

6 空簧衬套液氮冷装试验

以上述计算得出的空簧安装座底孔尺寸和空簧衬套的内外径尺寸公差为基础进行试验，验证空簧衬套液氮冷装的工艺可行性及空簧衬套安装后内径尺寸的合格性。

空簧安装座及空簧衬套尺寸如图1、图2所示。

图1 空簧衬套

图2 空簧安装座

图3 现场试验工件及液氮装置

6.1 测量方法

转向架空簧导柱与枕梁空簧衬套主要靠空簧导柱顶部的橡胶圈密封，所以需要保证空簧导柱与空簧衬套的接触部分的尺寸精度，测量时要对其重点测量。空簧导柱结构如图4所示,橡胶圈位置分别对应空簧衬套安装后的中部和下部。

图4 转向架空簧导柱

6.2 试验数据分析

按照计算结果，对衬套与安装座进行试验验证，整理衬套安装后的内径尺寸数据，如图5所示。

图5 安装后衬套内径尺寸

从实验数据可以看出，空簧衬套上下尺寸相差较大，先进入安装座的底部由于受挤压力较大变形偏大，内径偏小；而后进入安装座的空簧衬套中部变形较小，内径偏大。安装后的空簧衬套呈锥形，大部分为中部尺寸满足要求，而下部尺寸偏小不满足要求。

借鉴第一批试验衬套的经验，考虑到第一批衬套硬度不足，导致变形量受压力大小的影响较大，决定提高第二批空簧衬套的硬度，进行实验验证。整理后的空簧衬套安装后的尺寸数据如图6所示。最终经过热处理的空簧衬套安装后内径尺寸中部与下部变形量相当，且均满足安装后的公差要求。

图6 热处理空簧衬套安装后内径尺寸

7 结论

通过计算得出过盈装配的衬套类零件过盈量及收缩量，最终保证安装后的公差尺寸。同一零件不同部位的收缩量的稳定性与过盈装配件的硬度有关，需要热处理至合理硬度方能保证变形量的稳定性。