缓和过渡非线性刚度牵引节点及其控制非线性刚度方法

摘要

本发明公开了一种缓和过渡非线性刚度牵引节点及其控制非线性刚度方法，其牵引节点包括金属芯轴、金属外套和橡胶弹性体，金属芯轴包括轴体和凸缘，金属芯轴的凸缘为一底面为平行四边形的棱柱，平行四边形棱柱的四个棱角呈两两相互垂直的状态，其分别处于空向上和实向上，且沿空向上和实向上的平行四边形棱柱的相对的棱角均设置为圆棱角；沿空向在金属外套的内壁上设置有关于金属外套轴线对称的空向凹槽，空向凹槽包括弧形空向凹槽底边和两侧的空向凹槽直边。本发明的牵引节点具有明显的径向刚度非线性特性和非线性刚度缓和过渡特性；本发明的刚度控制方法能进一步保证机车车辆具备更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种牵引节点及其控制非线性刚度方法，尤其涉及一种缓和过渡非线性刚度牵引节点及其控制非线性刚度方法，属于弹性元件技术领域。

背景技术

橡胶节点是一种常用的弹性元件，具有良好的减振特性和柔性连接作用，广泛应用于各种工程领域，尤其在现代轨道车辆转向架悬挂系统中应用十分普遍。

牵引节点是一种常见的橡胶节点，应用于车辆转向架悬挂系统中，是实现车辆牵引或者制动平稳保证车辆动力学舒适性的关键元件之一。如图1所示，牵引节点1分别安装于牵引杆2两端。牵引杆2一端的牵引节点1与转向架构架3固定连接，其另一端的牵引节点与车体连接。列车在牵引或者制动时的牵引力或者制动力通过转向架构架传递给牵引杆，再由牵引杆传递给车体，人在车体中会感知列车的牵引加速或者制动减速。当列车牵引或者制动时，如果转向架构架的加速度比较大，直接作用在人体会使人体感觉强烈的不舒适，这时牵引杆节点的弹性体提供的非线性刚度特性会随着转向架构架的加速度相应变化,从而作用到人体上的瞬时加速度就会变小、变平缓,列车的乘坐舒适性就大大提升。随着现代机车车辆技术的发展，车辆要求具有更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性，这就要求列车牵引节点必须在具备明显的非线性刚度特性的同时，还要求具有非线性刚度缓和过渡的特性。

现有的整体式空实向结构牵引节点的结构如图2所示，其包括金属芯轴4、金属外套5以及带间隙结构的橡胶弹性体6，三者通过特定的硫化过程硫化成型为一整体后，一般再通过径向挤压并二次精加工形成成品。产品通过弹性体的间隙接触实现刚度的突变，空向刚度非线性特性明显，但是，该种结构实现的非线性刚度变化陡峭，不具有缓和过渡特性。

公开号为CN101520076A，公开日为2009年9月2日的中国发明专利(以下简称D1)公开了一种变刚度弹性元件及其变刚度方法，所述弹性元件变刚度方法包括外套、内套和橡胶弹性体，该方法包括在弹性元件的工作方向上对称的掏空橡胶弹性体，形成空气隔离区，使该方向产生一个空气段而形成不连续结构，通过弹性元件的不同部位提供不同阶段的产品空向刚度，实现整个弹性元件不同情况不同空向刚度的变化。

上述专利文献D1中的弹性元件的空向刚度非线性特性明显，但是其非线性刚度缓和过渡特性不足。

综上，如何设计一种牵引节点，使其在具备明显的非线性刚度特性的同时还具有非线性刚度缓和过渡的特性，以使车辆具备更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性是急需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种缓和过渡非线性刚度牵引节点及其调节刚度缓和度的方法，其具备明显的非线性刚度特性的同时还具有非线性刚度缓和过渡的特性，以使车辆具备更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种缓和过渡非线性刚度牵引节点，包括金属芯轴、金属外套和橡胶弹性体，所述金属芯轴包括轴体和设置在所述轴体中部的凸缘，所述橡胶弹性体设置在所述金属芯轴凸缘和金属外套之间，所述牵引节点在沿其径向上形成实向和空向且所述实向和空向相互垂直；沿实向所述金属芯轴凸缘、橡胶弹性体和金属外套粘结形成实向结构，沿空向在所述橡胶弹性体上设置有关于所述金属芯轴轴线对称的空隙，所述金属芯轴的凸缘为一底面为平行四边形的棱柱，所述平行四边形棱柱的四个棱角呈两两相互垂直的状态，其一对相对的棱角处于空向上，其另外一对相对的棱角处于实向上，且沿空向上所述平行四边形棱柱的一对相对的棱角均设置为圆棱角，沿实向上所述平行四边形棱柱的另外一对相对的棱角也均设置为圆棱角；沿空向在所述金属外套的内壁上设置有关于所述金属外套轴线对称的空向凹槽，所述空向凹槽包括弧形空向凹槽底边和设置在所述弧形空向凹槽底边两侧的空向凹槽直边。

优选的，沿空向上所述金属芯轴凸缘的一对相对的棱角的角度设置为A1,沿空向在所述金属外套内壁上的空向凹槽的两侧空向凹槽直边之间的夹角设置为A2，且A1≤A2。

优选的，所述A1设置为50°～120°，所述A2设置为60°～130°。

优选的，沿空向上所述平行四边形棱柱的一对相对的圆棱角在沿金属芯轴轴向上设置有弧度，且所述相对的圆棱角的弧度关于金属芯轴轴线对称。

本发明还公开一种根据如上求所述的缓和过渡非线性刚度牵引节点的控制非线性刚度方法，其是将所述金属芯轴凸缘沿空向上的一对相对的棱角的角度设置为A1,沿空向在所述金属外套内壁上的空向凹槽的两侧空向凹槽直边之间的夹角设置为A2，通过调整A1和A2的配合角度，从而控制牵引节点空向刚度在变刚度拐点之前的大小以及刚度非线性特性的缓和程度。

优选的，当A1、A2角度越大时，橡胶弹性体压缩承载F1的比例越大，剪切承载F2越小，则产品空向Y方向刚度在变刚度拐点之前越大；当A1、A2角度越小时，橡胶弹性体压缩承载F1的比例越小，剪切承载F2越大，则产品空向Y方向刚度在变刚度拐点之前越小。

优选的，当|A2-A1|的数值越大，则非线性刚度的非线性特性缓和程度越低，反之，当|A2-A1|的数值越小，则非线性刚度的非线性特性缓和程度越高。

本发明的有益效果在于：本发明的牵引节点通过结构设计，将橡胶弹性体单独的压缩承载方式和剪切承载方式结合形成压缩-剪切复合型的承载方式，为牵引节点的非线性刚度特性提供了缓和的过渡特性，使得本发明中的牵引节点的变刚度过程是通过三个阶段缓和实现的，从而使其在具有明显的径向刚度非线性特性的同时也具有非线性刚度缓和过渡特性，满足了机车车辆具备更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性的要求；另外，本发明中的刚度控制方法能够根据不同型号的机车车辆的需求，实现牵引节点空向刚度在变刚度拐点之前的大小以及刚度非线性特性的缓和程度的自由控制，进一步保证机车车辆具备更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性。

附图说明

图1为牵引节点在机车转向架中的安装位置示意图；

图2为现有的整体式空实向结构牵引节点沿径向的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例1中的牵引节点沿径向的剖面结构示意图；

图4为沿图3中A-A线的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例1中牵引节点的金属芯轴的正视结构示意图；

图6为沿图5中B-B线的剖面结构示意图；

图7为本发明实施例1中牵引节点的金属外套的正视结构示意图；

图8为本发明实施例1中的牵引节点沿径向的局部剖面结构示意图；

图9为本发明实施例2中的牵引节点沿径向的剖面结构示意图；

图10为本发明实施例2中牵引节点的金属外套的正视结构示意图；

图11为本发明实施例3中牵引节点的金属芯轴的正视结构示意图；

图12为本发明实施例3中牵引节点的金属芯轴的侧视结构示意图；

图13为本发明实施例3中牵引节点的轴向剖面结构示意图；

图14为刚度试验的曲线图；

图中：1.牵引节点，2.牵引杆，3.转向架构架，4.金属芯轴，41.轴体，42.凸缘，43.圆棱角面,44.直边面,45.底面,5.金属外套，51.空向凹槽，511.弧形空向凹槽底边，512.空向凹槽直边，52.实向凹槽，521.弧形实向凹槽底，522.实向凹槽直边，6.橡胶弹性体，61.空隙，7.金属芯轴，8.弧度，9.带有弧度的圆棱角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述。

实施例1：如图3至图7所示，一种缓和过渡非线性刚度牵引节点，包括金属芯轴、金属外套5和橡胶弹性体6，所述金属芯轴包括轴体41和设置在所述轴体41中部的凸缘42，所述橡胶弹性体6设置在所述金属芯轴凸缘42和金属外套5之间，所述牵引节点在沿其径向上形成实向X和空向Y(空向Y即工作方向)，且所述实向X和空向Y相互垂直；沿实向X所述金属芯轴凸缘42、橡胶弹性体6和金属外套5粘结形成实向结构，沿空向Y在所述橡胶弹性体6上设置有关于所述金属芯轴7轴线对称的空隙61，所述金属芯轴凸缘42为一底面45为平行四边形的棱柱，所述平行四边形棱柱的四个棱角呈两两相互垂直的状态,即所述平行四边形棱柱的一对相对的棱角之间的连线和其另外一对相对的棱角之间的连线相互垂直，其一对相对的棱角处于空向Y上，其另外一对相对的棱角处于实向X上，且沿空向Y上所述平行四边形棱柱的一对相对的棱角均被打磨成圆棱角，沿实向X上所述平行四边形棱柱的另外一对相对的棱角也被打磨成圆棱角；沿空向Y在所述金属外套5的内壁上设置有关于所述金属外套5轴线对称的空向凹槽51，所述空向凹槽51包括弧形空向凹槽底边511和设置在所述弧形空向凹槽底边511两侧的空向凹槽直边512；所述橡胶弹性体6的外表面和内表面分别与金属外套5的内壁面和金属芯轴凸缘42的外表面相匹配。

如图2所示，现有的整体式空实向结构牵引节点的变刚度实现过程如下：当牵引节点沿空向Y在承受载荷F时，牵引节点初始阶段的刚度主要来源于实向X部分橡胶弹性体的剪切变形，该阶段的相对较小。当变形超过橡胶弹性体的间隙距离后，橡胶弹性体上面的间隙闭合接触，此时即刚度产生突变，刚度拐点出现，再随着变形的增加，刚度进入第二阶段，此时刚度的主要来源是空向Y橡胶弹性体的压缩变形,因此在第二阶段的刚度相对较大。基于此工作原理，现有整体式空实向结构的牵引节点的非线性刚度会在较小的区间内突变，因而其刚度的非线性明显但是缓和程度不高。

D1中公开的弹性元件的变刚度过程也是和上述变刚度过程差不多（见该专利文献发明内容第0018至0020段）

而在本实施例中，如图5和图6所示，所述金属芯轴凸缘42实际上由四个圆棱角面43、四个直边面44围绕在两个平行的底面之间形成的。如图8所示，当牵引节点在承受载荷F时，橡胶弹性体6受到金属芯轴凸缘42和金属外套5径向挤压，在金属芯轴凸缘42的直边面44和金属外套内壁上的空向凹槽直边512作用下，载荷F被分解成与所述金属芯轴凸缘的直边面44垂直的压缩承载F1和与所述金属芯轴凸缘的直边面44平行的剪切承载F2，即上述结构的牵引节点中的橡胶弹性体承载方式为橡胶弹性体剪切和压缩的复合承载。该种复合承载方式提供的刚度介于最小的剪切型和最大的压缩型之间，为牵引节点的非线性刚度特性提供了缓和的过渡特性。本实施例变刚度实现的过程如下：假设橡胶弹性体6在空向Y方向上的两个上、下间隙宽度分别为t1和t2（理想状态t1=t2）。在径向空向载荷作用下，金属芯轴和金属外套在工作方向上开始相对运动，t1减小t2增大，此时在一定范围内产品的刚度主要来源于实向X橡胶弹性体的剪切刚度（即第一阶段：小刚度阶段）。随着变形的继续增加，t1继续减小t2继续增大，在一定范围内产品的主要刚度主要来源于金属芯轴和金属外套之间的橡胶弹性体的复合承载刚度（即第二阶段：刚度缓和过渡阶段）。随着变形的继续增加，t1从减小至0时t2继续增大，此时产品的主要刚度主要来源于空向Y橡胶弹性体间隙闭合接触后的刚度以及金属芯轴和金属外套之间的橡胶弹性体的复合承载刚度的叠加（即第三阶段：大刚度）。

因此，现有的整体式空实向结构牵引节点和D1中的牵引节点的变刚度过程是通过两个阶段来实现的，而本实施例的变刚度过程是通过上述的三个阶段缓和实现的，所以，其刚度在具备明显的非线性刚度特性的同时还具有非线性刚度缓和过渡的特性。

如图6和图7所示，沿空向Y上所述金属芯轴凸缘的一对相对的棱角的角度设置为A1,沿空向Y在所述金属外套内壁上的空向凹槽的两侧空向凹槽直边之间的夹角设置为A2，且A1≤A2。所述A1设置为50°～120°，所述A2设置为60°～130°。在本实施例中，所述A1设置为50°，A2设置为60°，还可以将所述A1设置为70°，A2设置为90°或将所述A1设置为120°，A2设置为130°。

本发明还公开一种如上所述的缓和过渡非线性刚度牵引节点的控制非线性刚度方法，即通过调整A1和A2的配合角度，从而控制牵引节点空向刚度在变刚度拐点之前的大小以及刚度非线性特性的缓和程度。

从图8可以得知，剪切承载F2、压缩承载F1和载荷F构成一个直角三角形，A1和A2两个角度的配合决定了符合承载橡胶弹性体剪切承载F2和压缩承载F1各自所占据的比例,从而通过调整A1和A2的配合角度，可以控制产品空向Y方向刚度在变刚度拐点之前的大小以及刚度非线性特性的缓和程度。当A1、A2角度越大时，橡胶弹性体压缩承载F1的比例越大，剪切承载F2越小，则产品空向Y方向刚度在变刚度拐点之前越大；反之，当A1、A2角度越小时，橡胶弹性体压缩承载F1的比例越小，剪切承载F2越大，则产品空向Y方向刚度在变刚度拐点之前越小。当|A2-A1|的数值越大，则非线性刚度的非线性特性缓和程度越低，反之，当|A2-A1|的数值越小，则非线性刚度的非线性特性缓和程度越高。因此，本实施例可根据实际的工作需求，通过调整A1和A2两个配合角度来调整产品空向Y方向刚度在变刚度拐点之前的大小以及调整非线性刚度的非线性特性缓和程度的高低。现有的整体式空实向结构牵引节点和D1中的牵引节点的非线性刚度难以控制，而本实施例的非线性刚度则可以通过上述技术手段来实现控制，这样使得本实施例能更加好的适用于各种不同型号的机车车辆，进一步保证机车车辆具备更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性。

将3个设置有不同的A1和A2配合角度的牵引节点进行刚度试验后得到的刚度曲线图，如图14所示：（其中，曲线Q1的牵引节点的A1设置为50°，A2设置为60°；曲线Q2的牵引节点的A1设置为70°，A2设置为90°；曲线Q3的牵引节点的A1设置为120°，A2设置为130°）

从图14可以看出，曲线Q1、曲线Q2和曲线Q3的空向刚度非线性特性十分明显且非线性刚度缓和过渡特性也十分明显；通过设置不同的A1和A2配合角度，可以很好的控制空向刚度在变刚度拐点之前的大小以及刚度非线性特性的缓和程度。

实施例2：如图9和图10所示，与实施例1相比，不同之处在于：沿实向X在所述金属外套5的内壁上设置有关于所述金属芯轴轴线对称的实向凹槽52，所述橡胶弹性体6的外表面和内表面分别与金属外套5的内壁面和金属芯轴凸缘42的外表面相匹配。

牵引节点硫化成型时是将金属芯轴、金属外套和弹性橡胶体通过硫化成型为一整体，硫化体经径向挤压后再二次精加工形成成品的。在径向挤压后，由于弹性橡胶体沿空向Y的橡胶比其沿实向X的橡胶要少并带有空隙，使得橡胶弹性体因径向挤压产生的反作用力在沿空向Y方向比其沿实向X的要小，导致牵引节点中的金属外套变形程度不同而形成一个椭圆；另外，在工作过程中，受到工作载荷的影响，牵引节点随着使用时间的增加，其椭圆程度会更加明显。这样，牵引节点的椭圆现象一方面会影响产品的性能及使用寿命，另外一方面，其会损坏其他与之相关的装配件。为了解决这个问题，本实施例在金属外套内壁上沿实向X设置了实向凹槽52，使不同大小的反作用力在实向凹槽52的作用下得到削减和均匀过渡，反作用力的均匀性增加，金属外套的变形均匀性相应增加，从而牵引节点的椭圆现象进而下降。

本实施例在金属外套内壁上沿设置实向凹槽52，另外一个作用也是为了减小牵引节点的扭转刚度，因为在该方向上，扭转刚度和橡胶弹性体的厚度呈反比的关系，橡胶弹性体越厚，相同工况下承受载荷的橡胶弹性体体积越大，其扭转刚度越小，本实施例沿实向X在金属外套内壁上设置实向凹槽52，增加了实向X上的橡胶弹性体的厚度，从而减小了牵引节点的扭转刚度。

如图10所示，所述实向凹槽52包括弧形实向凹槽底521和设置在所述弧形实向凹槽底521两侧的实向凹槽直边522，沿实向X在所述金属外套内壁上的实向凹槽的两侧实向凹槽直边522之间的夹角设置为A3，所述A3设置为30°，也可以设置成50°或70°。A3的角度度数增大有利于减小扭转刚度，但是也不能太大，否则就不能很好的解决牵引节点的椭圆现象，因此优选的A3角度范围在30°～70°。

实施例3：如图11至图13所示，与实施例1相比，不同之处在于：沿空向Y上所述平行四边形棱柱的一对相对的圆棱角在沿金属芯轴轴向上设置有弧度8，且所述相对的圆棱角的弧度关于金属芯轴轴线对称，即沿空向Y上的金属芯轴凸缘的一对相对的圆棱角部位在沿金属芯轴轴向上是弧形的，且相对的弧形圆棱角部位关于金属芯轴轴线对称。

为了减小牵引节点工作时的偏转刚度，本实施例将平行四边形棱柱在空向X的一对相对的圆棱角在沿金属芯轴轴向上设计为带有弧度的圆棱角9。该弧度使得牵引节点在承受偏转载荷时，橡胶体自由面大大增加，从而显著降低偏转刚度。

综上所述，本发明的牵引节点通过结构设计，将橡胶弹性体单独的压缩承载方式和剪切承载方式结合形成压缩-剪切复合型的承载方式，为牵引节点的非线性刚度特性提供了缓和的过渡特性，使得本发明中的牵引节点的变刚度过程是通过三个阶段缓和实现的，从而使其在具有明显的径向刚度非线性特性的同时也具有非线性刚度缓和过渡特性，满足了机车车辆具备更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性的要求；另外，本发明中的刚度控制方法能够根据不同型号的机车车辆的需求，实现牵引节点空向刚度在变刚度拐点之前的大小以及刚度非线性特性的缓和程度的自由控制，进一步保证机车车辆具备更高的运行速度以及更佳的乘坐舒适性。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围。本发明的保护范围应该由各权利要求限定。