CN100544972C - 减振车轮 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道车辆用部件，尤其是涉及一种铁路、地铁、城市铁路、高架轻轨、高速铁路等轨道上运行的车辆车轮，本发明的减振车轮包括车轮本体，车轮本体的非工作面上固定设置带有凸棱或凸凹结构的连接体，与连接体对应设置的约束体内表面有凸棱或凹凸结构，阻尼体设置在连接体与约束体之间或设置在连接体、车轮本体与约束体之间。本发明的减振车轮能够降低车轮所产生的滚动噪声，进而从源头对车轮的振动及噪声进行控制，同时有效的减轻车轮振动释放能量所导致的钢轨及车轮磨损，从而获得良好的减振降噪效果，大大提高了车轮和轨道的使用寿命以及列车运行的安全性与舒适性。

Description

减振车轮

技术领域

本发明属于轨道车辆用部件，尤其是涉及一种铁路、地铁、城市铁路、高架轻轨、高速铁路等轨道上运行的车辆车轮。

背景技术

现代轨道交通正朝着重载、高速的方向发展，在给人们的生产、生活带来便捷的同时，也带来了振动和噪声干扰，此外由于车辆轴重大，车速高，导致的车轮振动大，车轮及轨道磨损严重，不但增加车辆运行的维护成本，也严重影响了车辆运行的安全性和舒适性。科学研究发现，轨道车辆运行过程中，轮轨噪声是列车在250km/h以下速度行驶时的主要声源，而车轮振动辐射的噪声是轮轨噪声的重要组成部分，减少作用在车轮上的激振力可以使车轮的振动大为降低，从而可以降低滚动噪声。2006年1月《中国铁道科学》第27卷第1期发表的《低噪声车轮阻尼控制的有限元分析》[文章编号：1001-4632(2006)01-0094-05]对现有的车轮表面阻尼控制技术方案进行了测量分析，得出了经过表面阻尼处理后的车轮的阻尼损耗因子较刚性车轮的阻尼损耗因子有大幅提高，可以达到有效减振降噪目的的结论。由于阻尼材料是通过产生与振动受迫方向相反的、以剪切为主的阻力来消耗振动能量，因此阻尼材料与车轮的接触面积，即阻尼体材料受剪切力的实际工作面积与减振降噪的效果大致成正比。而如前述文章中论述的现有车轮表面阻尼控制技术方案中，其约束层采用的是厚度基本均匀的材料，阻尼材料的有效工作面积仅为车轮被覆盖的实际面积，因此此类技术方案受到车轮非工作表面尺寸的严重制约，其能实现的减振降噪作用也十分有限，故而此类车轮难以达到理想的减振降噪效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种表面阻尼承受剪切变形的实际工作面积大于其覆盖的车轮表面积，能够迅速有效地吸收振动能量，减轻自身及轨道磨损、延长使用寿命的减振车轮。

本发明是这样实现的，包括车轮本体，在车轮本体的非工作面上固定设置带有凸棱或凸凹结构的连接体，与连接体对应设置的约束体内表面有凸棱或凹凸结构，阻尼体设置在连接体与约束体之间或设置在连接体、车轮本体与约束体之间。连接体与约束体或连接体、车轮本体与约束体凹凸配合范围内无联接。

其中，连接体可以为独立的棱条，也可以是表面带有凸棱或凹凸结构的板材，连接体与车轮本体的固定连接方式可以为焊接、铆接、粘接、卡槽、扣件或紧固件连接。连接体还可以是车轮本体自身的一部分，例如在制造车轮时直接在轮幅表面加工出凸棱；阻尼体可以在连接体与约束体之间连续地设置，也可以间隔地设置。连接体及约束体的材料刚度大于阻尼材料的刚度，阻尼体的材料可以是固体阻尼材料也可以是液体阻尼材料。常用的固体阻尼材料有改性沥青、高阻尼聚氨酯、高阻尼橡胶、软金属铅锡等；常用的液体阻尼材料包括硅油及工作温度下成液态的改性阻尼沥青等。此外，本发明的阻尼体还包括以上述阻尼材料为基体添加其它添加物获得的合成材料，如添加短纤维、云母粉可以增大阻尼材料内在阻尼；添加橡胶粉可以增加材料的弹性；添加金属纤维可以增加材料的导热性能。采用这些高分子材料或合成材料做为阻尼体同样能获得很好的减振降噪效果。采用液体阻尼材料时，阻尼层周边要密封，中间可以设置用于保持阻尼层厚度的定距件。

所述阻尼体在各凸凹结构表面法向上的厚度小于其它方向尺寸，阻尼体的单个侧面总面积大于其覆盖的车轮表面积。凸棱或凸凹结构的延伸方向大致垂直于车轮本体的主要弯曲振形的弯曲波峰，优选地沿车轮侧面环向或/和径向设置。凸棱或凸凹结构中的凸起部分或凹槽部分的横截面形状可以为弧形、梯形、三角形、矩形、T形、L形、拱门形、瓦棱形或波浪形等形状。

为减轻重量和降低造价，并尽可能增大阻尼材料的有效工作面积，在连接体或/和约束体上还可以设置空腔或三明治结构，空腔内设置阻尼材料、吸声材料、发泡材料、高比重材料或其构成的散料，或在空腔壁上设有与外部空间相连的小孔。

在本发明中，由连接体、阻尼体及约束体构成的约束阻尼结构设置在车轮本体的一侧或两侧，并可以设置多层，不同约束阻尼结构中约束结构的凸棱延伸方向相互平行或垂直设置。还可以在同一层内约束体上相邻凸棱间设置加强筋或在同一层内交叉设置凸棱延伸方向相互交叉的不同约束阻尼结构，优选地约束体的凸棱连续设置，以优先保证约束体的约束刚度，优选地不同约束体阻尼结构的凸棱延伸交叉方向相互设置，由于本发明中约束阻尼结构层的阻尼系数较高，许多情况下仅设一侧就可以实现很好的减振效果，可以有效的节约成本。由连接体、阻尼体及约束体构成的约束阻尼结构设置在车轮本体两侧时，两侧约束阻尼结构中约束结构的凸棱延伸方向可以相互平行，也可以相互垂直设置。约束结构通过紧固件、铆栓、粘接、弹性卡夹锁紧在车轮本体上，或通过轨道上成形的卡槽或挡缘将约束结构锁定在车轮本体上，或通过高弹性粘接剂或高强度阻尼材料将约束结构与车轮表面牢固地粘接在一起。

本发明通过在车轮本体与阻尼体之间设置连接体，利用连接体上设置的凸凹结构或其与车轮本体组合成的凸凹结构与约束体相配合，大大增加了与阻尼体之间的有效接触面积，使阻尼体承受剪切变形的实际工作面积显著增大，这样使阻尼体可以更加有效地吸收车轮的振动能量，降低车轮所产生的滚动噪声，进而从源头对车轮的振动及噪声进行控制，同时有效的减轻车轮振动释放能量所导致的钢轨及车轮磨损，从而获得良好的减振降噪效果，大大提高了车轮和轨道的使用寿命以及列车运行的安全性与舒适性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图之一。

图2为本发明的结构示意图之二。

图3为本发明的结构示意图之三。

图4为本发明的结构示意图之四。

图5为本发明的结构示意图之五。

图6为图5的A部放大图。

图7为本发明的结构示意图之六。

图8为本发明的结构示意图之七。

图9为本发明的结构示意图之八。

图10为本发明的结构示意图之九。

图11为图10的B部放大图。

图12为本发明的结构示意图之十。

图13为本发明的结构示意图之十一。

图14为本发明的结构示意图之十二。

图15为本发明的结构示意图之十三。

图16为图15的D部放大图。

图17为图1的E-E向剖视图。

图18为本发明的结构示意图之十四。

图19为本发明的结构示意图之十五。

图20为本发明的结构示意图之十六。

具体实施方式

实施例1

如图1、图17所示本发明减振车轮，包括车轮本体1、高阻尼橡胶构成的阻尼体2和铝质的约束体3，在车轮本体1与阻尼体2之间还设置有铝质的连接体4，上述结构分别设置在车轮本体1两侧的非工作表面上。连接体4与阻尼体2相邻一侧带有梯形凸棱5，约束体3上与阻尼体2相邻一侧设置有与连接体梯形凸棱5交错配合的梯形凸棱6，阻尼体2设置在连接体4与约束体3的配合间隙内，并借助阻尼体2的高阻尼橡胶将连接体4和约束体3硫化为一体。然后将连接体、阻尼体及约束体组成的一体化约束阻尼结构利用高强度粘接胶固定粘贴在车轮本体上。阻尼体2、约束体3及连接体4沿车轮本体1的侧壁连续设置，约束体3及连接体4的凸棱也环向延伸。

车轮的主要振形(振动模态)为沿环向的柱波弯曲和沿径向的弯曲，本发明的实施例主要以环向振动模态为例阐述，因此本实施例中约束体3及连接体4的凸棱环向延伸。

当列车在轨道上运行使车轮本体1产生振动时，振动会通过刚性材质的连接体4传至阻尼体2和约束体3，由于约束体的约束，阻尼体2被迫产生以剪切为主的变形，阻尼体2由于其阻尼特性产生与形变方向相反的阻力，在较宽的频率范围内将振动产生的机械能转化为热能耗散掉。由于连接体4和约束体3上凸凹结构的设置，阻尼材料与连接体及约束体的接触和作用面积远大于被覆盖部分的车轮本体表面积，并且增大了阻尼力对车轮本体弯曲中性面的作用力矩，阻尼体2产生的阻尼力大幅增加，因此其吸收消耗振动能量更多更快，有效地降低了车轮的振动强度。为防止阻尼结构意外脱落，在车轮本体上设置挡缘17，该挡缘直接在车轮本体上压延成形，当然也可以由焊接或粘接形成，可以连续，也可以间断。由于从源头进行了控制，所以因振动所产生的噪声及其导致的车轮乃至轨道的磨损也大大降低，从而使车轮和轨道的使用寿命及列车运行的舒适性和安全性得到了极大改善。

根据实际需要，由连接体、阻尼体和约束体构成的约束阻尼结构可以设置在车轮的部分非工作表面乃至于全部非工作表面上，而且即可以在车轮的两个侧面都设置，也可以仅设置在单侧。连接体和约束体应该优先考虑选用同一种成型工艺的型材，例如本实施例为一体压铸成型的铝型材，牢固美观，尺寸精确，质量轻。约束阻尼结构优选地为圆盘状，连接体和约束体上的凸棱沿环向设置。至于凸棱的横截面形状，除梯形外还可以是弧形、三角形、矩形、T形、L形、拱门形、瓦棱形或波浪形等形状，都能够实现很好的效果。为保证振动能够被及时传递，连接体与车轮本体之间必须保证紧密且牢固地连接在一起。

实施例2

如图2所示本发明减振车轮，包括车轮本体1、工作温度下成液态的改性阻尼沥青构成的阻尼体2和铝合金板材约束体3，在车轮本体1与阻尼体2之间还设置有铝合金材质的连接体4，连接体4多点铆接或利用铅锡合金多点塞焊牢固地连接在车轮本体1的两个侧面及轮毂上。连接体4外侧表面带有三角形凸棱5，约束体3上与阻尼体2相邻一侧带有与凸棱5交错配合的三角形凸棱6。阻尼体2设置在连接体4与约束体3之间的配合间隙内，三者通过紧固件多点连接成一体(图中未示出)。阻尼体2、约束体3及连接体4沿车轮本体1的侧壁间隔设置。

为防止使用过程中阻尼材料漏出，可以在阻尼结构的开放端浇注铅锡合金，待其固化后形成密封层10将阻尼体层腔室封闭。

实施例3

如图3所示本发明减振车轮，包括车轮本体1、固体高阻尼聚氨酯构成的阻尼体2和工程塑料压注成形的约束体3，在车轮本体1与阻尼体2之间还设置有刚性连接体4，连接体4为多根带有矩形凸棱5的“L”形金属圆环，通过紧固件18固定在车轮本体1上，约束体3上与阻尼体2相邻一侧带有与矩形凸棱5交错配合的矩形凸棱6。阻尼体2填充在车轮本体1、连接体4及约束体3的配合间隙内。约束体3及连接体4的凸棱垂直于车轮本体1的侧壁沿环向设置。

实施例4

如图4所示本发明减振车轮，包括车轮本体1、玻璃钢材料制成的约束体3，以铝板做为连接体4并在其上焊接铝质截面为矩形的环向凸棱5，凸棱5与约束体3上设置的矩形凸棱6相配合，在连接体4、和约束体3之间设置添加了纤维的固体改性沥青作为阻尼体2，利用高强度阻尼材料将上述约束阻尼结构粘接固定在车轮本体的轮幅表面。用高强度阻尼材料粘接时粘接层要尽量薄，以保证较高的粘接刚度。本实施例由于连接体与轨道本体采用高强度阻尼材料粘接，在保证联接强度和联接刚度的同时，额外增加了一层阻尼，提高了轨道的阻尼。

实施例5

如图5、图6所示本发明减振车轮，包括车轮本体1、硅油构成的阻尼体2和彩钢板约束体3，在车轮本体1与阻尼体2之间还设置有钢质的连接体4，将连接体、阻尼体及约束体组成的约束阻尼结构焊接固定在车轮本体1上。其中，连接体4与阻尼体2相邻一侧带有矩形凸棱5，约束体3上与阻尼体2相邻一侧带有与连接体矩形凸棱5交错配合的矩形凸棱6，凸棱5和凸棱6内部均设置有空腔，空腔内填充铁砂作为腔室内阻尼体8，为防止铁砂在使用过程中漏出，可以在开放端浇注铅水固化后进行封闭(图中未示出)。阻尼体2设置在连接体4与约束体3的配合间隙内，在配合间隙中还设置有用于保持阻尼层厚度的定距件7，在端面处设置有防止液体阻尼材料渗漏的密封层10，并通过密封层材料将连接体及约束体固连在一起。

在本实施例中由于在连接体及约束体内部设置了空腔，并在空腔内设置了铁砂，。利用这种方法可以有效增大车轮本体的自身重量，较高的质量可以提供惯性阻抗，砂子颗粒之间的摩擦又可以提供阻尼，因而进一步提高了车轮本体的抗振能力，在高频区降噪效果更好，所以减振降噪效果更佳。

在实际应用过程中，出于减轻材料重量及降低造价等方面的考虑，经常会采用设置空腔的方法，但空腔内部的空气易产生共鸣，放大某些频率，因此本实施例中在空腔中设置一些比重大的材料可以防止共鸣现象的发生。但当车轮转速高时，不适合采用本实施例，因为离心力大，散料易分布不均，形成偏心。此时，可以在空腔内设置吸声材料用以吸收腔内声能，或设置发泡材料使之不能共鸣，如果设置阻尼材料除防止空气共鸣外还提供了额外的阻尼，有利于进一步降低车轮的振动，都可以达到很好的效果。

实施例6

如图7所示本发明减振车轮，利用高强度粘结剂将空心环状的连接体4按一定间距直接粘连在车轮本体1上，连接体4与约束体3相配合，在车轮本体1、连接体4和约束体3之间设置高阻尼环氧聚氨酯材质的阻尼体2，利用铆栓(图中未示出)将约束体3与车轮本体1固定在一起，同时在连接体4的空腔内设置发泡材料9。为简化施工手续，约束体3的凸棱空腔内不设置任何附加材料，改为在腔壁上开设若干与外部空间连通的小孔19，利用这些小孔作为空气阻尼孔，空气进出小孔会耗能，相当于液压减振器中的小孔节流耗能，既可以抑制空腔共鸣，还可以吸收外界传来的噪声。

类似于本实施例所述使用粘结剂固定连接体的操作过程中，所使用的粘结剂其固化后的刚度必须大于阻尼体材料的刚度。在工艺允许的情况下连接体4与车轮本体之间也可以直接采用焊接的方式相连。

实施例7

如图8所示本发明减振车轮，在加工车轮本体1时直接加工出环形凸棱作为连接体4，该凸棱与铁制约束体3上的凸棱6交错配合，添加了短纤维的高阻尼橡胶构成的阻尼体2设置在约束体和车轮本体之间，并通过阻尼体层将约束体与车轮本体硫化联接在一起。

本实施例连接体和车轮本体一起轧制成形，省去粘接材料，联接强度和刚度都很大，约束结构不易脱落，安全可靠。

实施例8

如图9所示本发明减振车轮，与实施例7不同在于，为增大约束体的刚性，约束体采用铝质的凸棱板3a、蜂窝板3b、平板3c一体化集成的三明治结构。三明治结构在同样用料量的情况下可以实现更大的刚度，加强约束，实现轻量化。

实施例9

如图10、图11所示，本实施例与实施例1的区别在于，附加在车轮本体1上的由连接体4、阻尼体2、约束体3构成的约束阻尼结构设置有二层，并通过防松螺栓(图中未示出)固定在车轮本体上。由于这种结构进一步扩大了阻尼材料承受剪切力的实际工作面积，因此其减振降噪性能更为明显。

基于本实施例的发明精神，设置在车轮本体的约束阻尼结构还可以超过二层。

实施例10

如图12所示，本实施例与实施例9的区别在于将位于二层约束阻尼结构中间的连接体和约束体集成为一体，形成一种两侧均带有凸棱的中间约束体15。这样可以简化约束阻尼结构的联接工艺，节省粘接材料，并提高系统强度。

实施例11

如图13所示，本实施例与实施例9的区别在于相邻约束阻尼结构层的凸棱方向由相互平行设置改为相互垂直设置。即靠近车轮本体1一侧约束阻尼结构层的凸棱方向为环向设置，外侧约束阻尼结构层的凸棱方向为径向设置。

通过这种变化可以同时有效抑制被约束阻尼结构层覆盖的轮体辐板在径向和环向的弯曲或扭曲振动变形。基于此原理，也可以将设置在车轮两侧的约束阻尼结构的凸棱方向设置成相互垂直的形式，即一侧沿环向另一侧沿径向设置，无论是单层或者多层，也都能起到很好的效果。

实施例12

如图14所示的本发明减振车轮，在车轮本体1上固定设置有挡缘16，利用挡缘与车轮表面形成的卡槽将连接体4、阻尼体2及约束体3构成的约束阻尼结构牢牢地固定在车轮本体表面。其中一段约束阻尼结构的凸棱垂直于轮沿内侧，沿环向延伸；另一段约束阻尼结构的凸棱垂直于车轮辐板，沿环向延伸，且只布置到轮辐侧面的中部或者2/3处。这种布置方式当轮重被限制的较严时，可以获得最好的效果。

实施例13

如图15、图16所示，在制作车轮本体1时在其上直接加工出凸缘17，利用轧制出瓦楞状凸棱的薄钢板作为连接体4和约束体3，将铅锡合金作为阻尼体2设置在连接体4和约束体3之间的空隙内，并将两者连接在一起。利用瓦楞板材良好的弹性变形能力，施加压力将上述约束阻尼结构压入凸缘17内，与车轮本体紧紧靠在一起，为保证紧密连接，还可以在连接体4与车轮本体1接触表面刷上高强度阻尼材料，使两者连接更牢固。同时，在连接体4的瓦楞空腔内填充发泡材料9以进一步吸收振动噪声。

这种结构可以100％的防止脱落，十分安全可靠。为加强约束结构的刚度，也可以在约束体瓦楞板的外侧再附一层平板，并利用电阻焊或高强度阻尼材料将两者联成一体。

本实施例采用钢板作为连接体和约束体，可以大批量冲压或辊压成形，成本低，联接刚度和约束刚度大，因此阻尼也较高。

实施例14

如图18所示，为强化整个车轮本体的抗振动、抗变形能力，在环向设置的由连接体4、阻尼体2和约束体3构成的约束阻尼结构中，交叉设置径向的由连接体4a、阻尼体2a和约束体3a构成的辅助约束阻尼结构。将约束体3和约束体3a的凸棱焊连成一体，使约束体凸棱始终保持连续。

在此类应用中，为了保证约束体的刚度不大幅削弱，约束体的环向及径向凸棱优先保持连续，让连接体的凸棱适当间断，并在其连接体凸棱周围填充阻尼材料。

实施例15

如图19所示，车轮本体1上一体化间断地设置有环向延伸的凸起，该凸起视为连接体4，约束体3为带有对应凹槽的圆盘，将约束体3扣置在连接体4上，并在两者间配合间隙内设置阻尼体2。利用车轮轮沿上设置的挡缘(图中未示出)将约束体3锁紧在车轮本体1上。

在本例中，约束体有环向延伸的凸棱，也有径向的凸棱，其径向的凸棱可以做为加强筋25使用，使约束体的刚度增大，并可以限制车轮径向的振动。需要指出的是，这类加强筋也可以设置在约束体的外侧，为美观起见，对于带有空腔的约束体，可以将加强筋设置在空腔内，也能起到很好的效果。

实施例16

如图20所示，本实施例与实施例15的主要区别在于，连接体4的延伸方向为径向。本例所示约束体3、阻尼体2和连接体4构成的约束阻尼结构更适于同时控制车轮本体1的径向振动。

在上述实施例中均以平板形式的车轮辐板进行说明，但本发明同样适用于辐板为曲面的车轮，只需要将连接体或/和约束体与车轮辐板的连接面制作成与辐板曲面相应的形状即可。在以上实施例中，约束阻尼结构的凸棱主要沿环向延伸，其针对的是车轮的环向柱波振动模态，当车轮的径向振动模态也比较明显时，最好采取实施例11、实施例14或实施例16的方式，减振效果更为显著。

本发明减振车轮结构简单，减振降噪效果好，使用寿命长，经济与环保效应俱佳，可以广泛应用于铁路、地铁、城市铁路，高架轻轨、高速铁路等轨道上运行的车辆。

Claims (10)

1、一种减振车轮，包括车轮本体，其特征在于车轮本体的非工作面上固定设置带有凸棱或凹凸结构的连接体，与连接体对应设置的约束体内表面有凸棱或凹凸结构，阻尼体设置在连接体与约束体之间或设置在连接体、车轮本体与约束体之间，连接体与约束体或连接体、车轮本体与约束体凹凸配合范围内无联接。

2、根据权利要求1所述的减振车轮，其特征在于阻尼体在连接体与约束体之间连续或间隔设置，阻尼体的材料为固体阻尼材料或液体阻尼材料，约束体的材料刚度大于阻尼材料的刚度。

3、根据权利要求2所述的减振车轮，其特征在于阻尼体在各凸凹结构表面法向上的厚度小于其它方向尺寸，阻尼体的单个侧面总面积大于其覆盖的车轮表面积。

4、根据权利要求1所述的减振车轮，其特征在于凸棱或凸凹结构的延伸方向垂直于车轮本体的主要弯曲振形的弯曲波峰，沿车轮侧面环向或/和径向设置。

5、根据权利要求4所述的减振车轮，其特征在于凸棱或凸凹结构中的凸起部分或凹槽部分的横截面形状为弧形、梯形、三角形、矩形、T形、L形、拱门形、瓦棱形或波浪形。

6、根据权利要求1所述的减振车轮，其特征在于连接体或/和约束体上设有空腔或三明治结构，空腔内设有阻尼材料、吸声材料、发泡材料、高比重材料或其构成的散料，或在空腔壁上设有小孔。

7、根据权利要求1所述的减振车轮，其特征在于连接体和车轮本体为一体结构。

8、根据权利要求1所述的减振车轮，其特征在于由连接体、阻尼体及约束体构成的约束阻尼结构设置在车轮本体的一侧或两侧，并可以设置多层，不同约束阻尼结构中约束结构的凸棱延伸方向相互平行或垂直设置。

9、根据权利要求8所述的减振车轮，其特征在于在同一层内约束体上相邻凸棱间设置加强筋或在同一层内交叉设置凸棱延伸方向相互交叉的不同约束阻尼结构，约束体的凸棱连续设置。

10、根据权利要求8所述的减振车轮，其特征在于约束结构通过紧固件、铆栓或弹性卡夹锁紧在车轮本体上，或通过车轮上的卡槽或挡缘将约束结构锁定在车轮本体上，或通过粘接剂或阻尼材料将约束结构与车轮本体表面牢固地粘接。

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