CN110285173A - 一种锥形弹簧刚度调节的方法及结构 - Google Patents

Abstract

一种锥形弹簧刚度调节方法，锥形弹簧包括外套、橡胶体和芯轴，橡胶体硫化在外套和芯轴之间，在芯轴下端的外侧设置法兰，在橡胶体内设置隔板，使芯轴与隔板之间的内橡胶体的下端在向下移动时，受到法兰和隔板的双重约束，从而增加锥形弹簧的垂向刚度。在橡胶体内设置垂向分布的隔板，使芯轴与隔板之间的内橡胶体的下端在向下移动时，外凸弧段和外凸直线段向法兰的上表面逐渐贴合，并被限制在芯轴外侧、法兰的上表面和隔板的内侧围成的空间中，从而能大幅度增加锥形弹簧的垂向刚度。在在橡胶体内设置的垂向分布的三段式隔板，从而增加锥形弹簧垂向刚度的非线性，以及增加锥形弹簧的横向刚度。

Description

一种锥形弹簧刚度调节的方法及结构

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，具体涉及车辆上的锥形弹簧的改进。

背景技术

锥形弹簧又称为轴箱弹簧，主要指在车辆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车辆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，安装在车辆车辆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。

随着车辆车辆技术的发展，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车辆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。目前的锥形弹簧垂向刚度出现反S曲线现象，主要是空载时锥形弹簧垂向刚度太小引起的。另外，车辆在加速、减速或转弯时会需要锥形弹簧有合适的横向刚度和纵向刚度，使车辆更符合动力学要求，有良好的横向和纵向减振、降噪能力。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。随着车辆技术的发展，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会出现褶皱，时间长了锥形弹簧的橡胶部分会开裂，严重影响锥形弹簧的刚度，从而影响到其使用性能。这就需要一种既可调节刚度，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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何增加锥形弹簧的垂向刚度的非线性以及调节横向刚度。

针以上述问题，本发明提出的技术方案是：一种锥形弹簧刚度调节方法，锥形弹簧包括外套、橡胶体和芯轴，橡胶体硫化在外套和芯轴之间，在芯轴下端的外侧设置法兰，在橡胶体内设置垂向分布的隔板，使芯轴与隔板之间的内橡胶体的下端在向下移动时，受到法兰和隔板的双重约束，从而增加锥形弹簧的垂向刚度。

进一步地，芯轴与隔板之间的内橡胶体的下端在向下移动时，是内橡胶体的下端先与法兰的上表面逐渐贴合，并受到法兰的约束向外侧展开，锥形弹簧的垂向刚度增大。

进一步地，随着内橡胶体的下端进一步向下移动，内橡胶体的下端在法兰的约束下进一步向外侧展开，内橡胶体的下端向外侧不断展开的过程会受到隔板的约束，而被限制在芯轴外侧、法兰的上表面和隔板的内侧围成的空间中，锥形弹簧的垂向刚度进一步增大。

进一步地，在橡胶体内设置的垂向分布的隔板为三段式隔板，隔板从上往下依次折弯成向外侧弯曲的第一直线段、第二直线段和第三直线段，从而增加锥形弹簧垂向刚度的非线性，以及增加锥形弹簧的横向刚度。

进一步地，通过在橡胶体的上端设置向下凹陷的凹槽，在橡胶体的下端设置向上凹陷的凹槽，从而减小锥形弹簧垂向刚度和横向刚度。

一种锥形弹簧刚度调节结构，锥形弹簧包括外套、橡胶体和芯轴，橡胶体硫化在外套和芯轴之间，在芯轴下端的外侧设有法兰，在橡胶体内设有垂向分布的隔板，芯轴与隔板之间的橡胶体为内橡胶体；芯轴与隔板之间的内橡胶体的下端设有外凸弧段和外凸直线段，外凸弧段的一端与芯轴连接，外凸弧段的另一端与外凸直线段连接。

进一步地，隔板将橡胶体分隔成外橡胶体和内橡胶体，芯轴与隔板之间的橡胶体为内橡胶体，隔板与外套之间的橡胶体为外橡胶体；隔板从上往下依次设置有向外侧弯曲的第一直线段、第二直线段和第三直线段。

进一步地，内橡胶体还包括内凹弧段和内凹直线段，内凹弧段设置在外凸直线段与内凹直线段之间，且内凹弧段为向内橡胶体凹陷的弧形凹槽。

进一步地，外橡胶体下端设有向上凹陷的下端外凹槽，下端外凹槽包括外直线段、外弧段、中直线段、内弧段和内直线段，外直线段设在外套下端的内侧，内直线段设在隔板的外侧；外直线段与中直线段之间设有外弧段，内直线段与中直线段之间设有内弧段。

进一步地，外直线段与中直线段之间的夹角为50度-65度，内直线段与中直线段之间的夹角为110度-130度。

本发明的优点是：

1.在橡胶体内设置垂向分布的隔板，使芯轴与隔板之间的内橡胶体的下端在向下移动时，外凸弧段和外凸直线段向法兰的上表面逐渐贴合，并被限制在芯轴外侧、法兰的上表面和隔板的内侧围成的空间中，从而能大幅度增加锥形弹簧的垂向刚度。

2.在在橡胶体内设置的垂向分布的三段式隔板，从而增加锥形弹簧垂向刚度的非线性，以及增加锥形弹簧的横向刚度。

3.通过在内橡胶体和外橡胶体的两端开凹槽，来降低垂向刚度和横向刚度，起到调节锥形弹簧的垂向刚度和横向刚度的作用，且凹槽还能在内橡胶体和外橡胶体产生形变时避免出现折皱，延长锥形弹簧的使用寿命，减少更换锥形弹簧的成本。

附图说明

图1为实施例一的剖视结构示意图；

图2为图1中A区域的局部放大图一；

图3为图1中A区域的局部放大图二；

图4为图1中B区域的局部放大图；

图5为实施例一中隔板的剖视结构示意图；

图6为实施例一中锥形弹簧的垂向刚度曲线图。

图中：1外套、2安装孔、3外橡胶体、31外直线段、32外弧段、33中直线段、34内弧段、35内直线段、36上端外凹槽、4隔板、41第一直线段、42第二直线段、43第三直线段、5内橡胶体、51外凸弧段、52外凸直线段、53内凹弧段、54内凹直线段、55上端内凹槽、6法兰、7芯轴。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的描述：

实施例一

锥形弹簧为旋转体，如图1所示，锥形弹簧包括外套1、橡胶体、隔板4和芯轴7，其中外套1、隔板4和芯轴7都由金属制成，橡胶体将外套1、隔板4和芯轴7硫化成一个整体。橡胶体中设置有垂向分布的隔板4，隔板4嵌在橡胶体中将橡胶体分为外橡胶体3和内橡胶体5。外套1上开有垂向的安装孔2，用螺栓穿过安装孔2，能将锥形弹簧安装在车辆上。在芯轴7下端的外侧设置有法兰6，用于锥形弹簧在承受大载荷时，限制内橡胶体5下端的移动，从而提高垂向刚度。

如图1和图4所示，为了进一步的大幅度提高锥形弹簧的垂向刚度，隔板4延伸到了内橡胶体5的下端。当锥形弹簧在承受大载荷时，外套1依次带动外橡胶体3、隔板4和内橡胶体5一起向下移动。靠近芯轴7一侧的内橡胶体5的下端设有外凸弧段51和外凸直线段52，内橡胶体5向下移动时，外凸弧段51和外凸直线段52以滚动的方式向法兰6的上表面逐渐贴合。内橡胶体5下端受到法兰6的阻挡，垂向刚度逐渐增大。随着内橡胶体5和隔板4继续向下移动，内橡胶体5下端被限制在芯轴7外侧、法兰6的上表面和隔板4的内侧围成的空间中，阻止内橡胶体5进一步产生形变，此时锥形弹簧的垂向刚度会大幅度提高，刚度变化出现非线性。

如图6所示，本实施例中，当载荷达到30KN左右时，内橡胶体5下端已经完全贴合在法兰6的上表面和隔板4的内侧，内橡胶体5的下端的形状被限制在了一个狭小空间内，难以继续产生形变了。此时随着载荷的进一步增大，锥形弹簧的垂向刚度就出现了非线性，锥形弹簧的垂向刚度会大幅度提高。

如图1和图5所示，隔板4是空心的圆环状，其垂向截面为三段式结构，将第一直线段41的上端向外侧弯曲形成第二直线段42，将第二直线段42的下端向外侧弯曲形成第三直线段43。其中第一直线段41的长度方向为垂向方向，第二直线段42的长度占隔板4总长度的65%-80%。且第二直线段42的长度方向与芯轴7外侧的夹角小于15度，第二直线段42的长度方向与外套1的内侧的夹角小于20度，第二直线段42与第三直线段43的夹角大于150度。

如图1和图2所示，外橡胶体3的上端设有上端外凹槽36，上端外凹槽36为向外橡胶体3上端向内凹陷的弧形凹槽。下端设有下端外凹槽，下端外凹槽为向外橡胶体3下端向内凹陷的凹槽，下端外凹槽包括外直线段31、外弧段32、中直线段33、内弧段34和内直线段35，外直线段31设在外套1下端的内侧，内直线段35设在隔板4的外侧。外直线段31与中直线段33之间设有外弧段32，内直线段35与中直线段33之间设有内弧段34。如图3所示，外直线段31与中直线段33之间的夹角为角C，角C的大小优选为50度-65度，内直线段35与中直线段33之间的夹角为角D，角D的大小优选为110度-130度。

如图1至图4所示，内橡胶体5的上端设有上端内凹槽55，上端内凹槽55为向内橡胶体5上端向内凹陷的弧形凹槽。内橡胶体5的下端设有下端内凹槽，下端内凹槽包括内凹弧段53和内凹直线段54，内凹弧段53设置在外凸直线段52与内凹直线段54之间，且内凹弧段53为向内橡胶体5凹陷的弧形凹槽。

上端外凹槽36、下端外凹槽、上端内凹槽55和下端内凹槽的深度越大，锥形弹簧垂向刚度和横向刚度越小。内橡胶体5和外橡胶体3的厚度越大，锥形弹簧垂向刚度和横向刚度越小，本实施例中，外橡胶体3的厚度大于内橡胶体5的厚度。通过改变内橡胶体5和外橡胶体3的厚度以及凹槽的深度，来适当减小锥形弹簧的垂向刚度和横向刚度，使车辆满足动力学要求和安全性的前提下，能增强横向和垂向减振、降噪能力，增加乘客的舒适度。

上端外凹槽36、下端外凹槽、上端内凹槽55和下端内凹槽的形状还能确保锥形弹簧在承受大载荷时，内橡胶体5和外橡胶体3向下移动的过程中，内橡胶体5和外橡胶体3的上端与下端都不会产生折皱，大幅度增加内橡胶体5和外橡胶体3抗疲劳性能，防止锥形弹簧的橡胶部分会开裂。由于外橡胶体3的厚度大于内橡胶体5的厚度，如果下端外凹槽为简单的弧形凹槽，则下端外凹槽在外橡胶体3下端产生形度时，易产生折皱，外橡胶体3下端易出现破损。而锥形弹簧由于不能拆分，因此是免维护产品，一旦有一处受损，则需要将整个锥形弹簧更换，费用高。

很显然，在不脱离本发明所述原理的前提下，作出的若干改进或修饰都应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锥形弹簧刚度调节方法，锥形弹簧包括外套（1）、橡胶体和芯轴（7），橡胶体硫化在外套（1）和芯轴（7）之间，其特征在于，在芯轴（7）下端的外侧设置法兰（6），在橡胶体内设置隔板（4），使芯轴（7）与隔板（4）之间的内橡胶体（5）的下端在向下移动时，受到法兰（6）和隔板（4）的双重约束，从而增加锥形弹簧的垂向刚度。

2.根据权利要求1所述的一种锥形弹簧刚度调节方法，其特征在于，芯轴（7）与隔板（4）之间的内橡胶体（5）的下端在向下移动时，是内橡胶体（5）的下端先与法兰（6）的上表面逐渐贴合，并受到法兰（6）的约束向外侧展开，锥形弹簧的垂向刚度增大。

3.根据权利要求2所述的一种锥形弹簧刚度调节方法，其特征在于，随着内橡胶体（5）的下端进一步向下移动，内橡胶体（5）的下端在法兰（6）的约束下进一步向外侧展开，内橡胶体（5）的下端向外侧不断展开的过程会受到隔板（4）的约束，而被限制在芯轴（7）外侧、法兰（6）的上表面和隔板（4）的内侧围成的空间中，锥形弹簧的垂向刚度进一步增大。

4.根据权利要求1所述的一种锥形弹簧刚度调节方法，其特征在于，在橡胶体内设置的垂向分布的隔板（4）为三段式隔板（4），隔板（4）从上往下依次折弯成向外侧弯曲的第一直线段（41）、第二直线段（42）和第三直线段（43），从而增加锥形弹簧垂向刚度的非线性，以及增加锥形弹簧的横向刚度。

5.根据权利要求1所述的一种锥形弹簧刚度调节方法，其特征在于，通过在橡胶体的上端设置向下凹陷的凹槽，在橡胶体的下端设置向上凹陷的凹槽，从而减小锥形弹簧垂向刚度和横向刚度。

6.一种锥形弹簧刚度调节结构，锥形弹簧包括外套（1）、橡胶体和芯轴（7），橡胶体硫化在外套（1）和芯轴（7）之间，其特征在于，在芯轴（7）下端的外侧设有法兰（6），在橡胶体内设有隔板（4），芯轴（7）与隔板（4）之间的橡胶体为内橡胶体（5）；芯轴（7）与隔板（4）之间的内橡胶体（5）的下端设有外凸弧段（51）和外凸直线段（52），外凸弧段（51）的一端与芯轴（7）连接，外凸弧段（51）的另一端与外凸直线段（52）连接。

7.根据权利要求6所述的一种锥形弹簧刚度调节结构，其特征在于，隔板（4）将橡胶体分隔成外橡胶体（3）和内橡胶体（5），芯轴（7）与隔板（4）之间的橡胶体为内橡胶体（5），隔板（4）与外套（1）之间的橡胶体为外橡胶体（3）；隔板（4）从上往下依次设置有向外侧弯曲的第一直线段（41）、第二直线段（42）和第三直线段（43）。

8.根据权利要求6或7所述的一种锥形弹簧刚度调节结构，其特征在于，内橡胶体（5）还包括内凹弧段（53）和内凹直线段（54），内凹弧段（53）设置在外凸直线段（52）与内凹直线段（54）之间，且内凹弧段（53）为向内橡胶体（5）凹陷的弧形凹槽。

9.根据权利要求7所述的一种锥形弹簧刚度调节结构，其特征在于，外橡胶体（3）下端设有向上凹陷的下端外凹槽，下端外凹槽包括外直线段（31）、外弧段（32）、中直线段（33）、内弧段（34）和内直线段（35），外直线段（31）设在外套（1）下端的内侧，内直线段（35）设在隔板（4）的外侧；外直线段（31）与中直线段（33）之间设有外弧段（32），内直线段（35）与中直线段（33）之间设有内弧段（34）。

10.根据权利要求9所述的一种锥形弹簧刚度调节结构，其特征在于，外直线段（31）与中直线段（33）之间的夹角为50度-65度，内直线段（35）与中直线段（33）之间的夹角为110度-130度。