锥形弹簧橡胶体上端面及防止褶皱和开裂的方法及产品

摘要

一种锥形弹簧橡胶体上端面及防止褶皱和开裂的方法，包括内锥体、橡胶体和外锥体，橡胶体环绕在内锥体的外围，外锥体环绕在橡胶体的外围，橡胶体与内锥体和外锥体一起形成一个锥形布置的橡胶金属弹簧；橡胶体上端面分别与锥形弹簧的内锥体和外锥体连接，且橡胶体从与外锥体连接处到与橡胶体内锥体是逐步下降趋势走向；其特征在于，橡胶体上端面为多段下坡组合形面结构，由多段不同形状、斜率和长度的环形端面组合形成整体橡胶体上端面。通过改变上端面的形面形状来进行锥形弹簧变刚度的调整，将锥形弹簧橡胶体上端面分成两段以上的多段形面组合，且每一段的形面具有不同的形状、斜率和长度。

说明书

技术领域

本发明涉及机车上的锥形弹簧的改进，具体涉及调节锥形弹簧的刚度变化的方法及锥形弹簧上端面结构，该种方法及锥形弹簧结构可以实现锥形弹簧多次变刚度，并防止锥形弹簧橡胶因使用压缩时产生褶皱而开裂。属于弹性减震技术领域。

背景技术

锥形弹簧又称为轴箱弹簧，主要指在机车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机车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，安装在机车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。

随着机车技术的发展，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机车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。垂向刚度出现反S曲线是由于现有锥形弹簧结构的橡胶体没有强烈的相互挤压，也没有外凸的凸台与橡胶接触挤压，空载时锥形弹簧垂向变刚度太小，而机车加载时，尤其是在最大垂向载荷下，需要锥形弹簧的橡胶部分能提供足够大的垂直刚度时，现有的锥形弹簧又无法提供大变刚度，因此无法实现理想的变刚度，刚度曲线呈现反“S”现象；具有反“S”曲线的锥形弹簧,在空载下刚度比较大,有造成车辆脱轨的风险。另外，机车在加速、减速或转弯时会需要锥形弹簧有合适的横向变刚度和纵向变刚度，使机车更符合动力学要求，有良好的横向和纵向减振、降噪能力。因此适当增加机车横向变刚度和纵向变刚度的个数，实现多次刚度变化，能让机车行驶更为平稳、顺畅。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。随着机车技术的发展，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，由于现有结构橡胶的型面都是采用单一结构的形面，产品在垂向载荷下，上下部的橡胶型面容易出现“褶皱”变形，形成应力集中，且产品的垂向载荷完全由橡胶承担，应力和应变都较大,最终由于橡胶疲劳导致橡胶开裂。这就需要一种既可调节变刚度，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。

通过国内检索发现以下专利与本发明有相似之处：

申请号为201010285627.8，名称为“城市轨道列车转向架的轴箱弹簧”的发明，此发明是一种城市轨道列车转向架的轴箱弹簧。芯轴外圈上从内向外依次设置有隔套I、隔套II和外套。芯轴、隔套I、隔套II和外套均由全属材料制成，相邻两金属材料之间分别设置有橡胶层III、橡胶层II和橡胶层I。所述的芯轴、隔套I、隔套II、外套外露金属表面均涂有底漆面漆。此发明的优点是提供了一种列车车轮运行时在垂向、横向、纵向静态刚性很小，能提高车辆运行时的柔性和品质的城市轨道列车转向架的轴箱弹簧。

由于申请号为201010285627.8的发明没有在最大垂向载荷下大幅度增加轴箱弹簧的橡胶部分的垂向刚度的结构，因此在大的垂向载荷下主要靠金属部件来增大刚度，这样会影响到轴箱弹簧的减振效果。

申请号为201420467799.0，名称为“一种铁道重载货车转向架用轴箱”的实用新型，此实用新型公开了一种铁道重载货车转向架用轴箱弹簧。此实用新型的目的是提供一种铁道重载货车转向架用轴箱弹簧，以克服现有轴箱弹簧径向刚度过大、重量重等缺点。本实用新型包括外套、内套、内芯、第一橡胶层和第二橡胶层，其特征在于：所述第一橡胶层、第二橡胶层与外套、内套及内芯硫化成一整体，外套通过内置于第一橡胶层、第二橡胶层表面的铜导线与内芯连接，第一橡胶层、第二橡胶层的侧面延长线与轴箱弹簧顶部平面之间的夹角为100-160°。此实用新型主要用作铁道重载货车转向架上的轴箱弹簧。但是该实用新型专利没有让轴箱弹簧实现多个变刚度的结构，难以满足机车在不同状态所需的多次刚度变化。

因此，到目前为止尚未有能有效防止锥形弹簧在变刚度时防止橡胶体褶皱开裂，并能满足机车在不同状态所需的多次刚度变化的方法及装置，因此很有必要对此进一步加以改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

1. 改变整体垂向变刚度出现反S曲线现象；

2.实现机车从空载到最大垂向载荷的过程中，锥形弹簧的橡胶体上端面的形状都能是平滑没有褶皱的，以防止锥形弹簧的橡胶部分开裂；

3. 实现机车在加速、减速或转弯时，锥形弹簧能进行多次刚度变化，让机车运行更平稳、顺畅。

针以上述问题，本发明提出的技术方案是：一种锥形弹簧橡胶体上端面，包括内锥体、橡胶体和外锥体，橡胶体环绕在内锥体的外围，外锥体环绕在橡胶体的外围，橡胶体与内锥体和外锥体一起形成一个锥形布置的橡胶金属弹簧；橡胶体上端面分别与锥形弹簧的内锥体和外锥体连接，且橡胶体从与外锥体连接处到与橡胶体内锥体是逐步下降趋势走向；其特点在于，橡胶体上端面为多段下坡组合形面结构，由多段不同形状、斜率和长度的环形端面组合形成整体橡胶体上端面。

进一步地，所述橡胶体上端面的多段下坡组合形面结构中，每段的形状是直线或弧线形状，并将每两段之间通过圆弧段过渡连接起来，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

进一步地，所述多段下坡组合是两段以上的直线段组合，且直线段与直线段之间通过圆角段过渡，每一直线段具有不同的斜率和长度，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

进一步地，所述多段下坡组合是三段直线段组合，其中，第一直线段的长度为18-22mm，第一直线段与轴线的夹角为14-17度；第二直线段的长度为44-47mm，第一直线段与轴线的夹角为20-23度；第三直线段的长度为14-16mm，第一直线段与轴线的夹角为11-15度。

进一步地，所述橡胶体的上端面的两段环形圆角段22的圆角半径都是4-8mm。

一种利用上述锥形弹簧橡胶体上端面的锥形弹簧变刚度和防止上端面褶皱开裂的方法，通过改变上端面的形面形状来进行锥形弹簧变刚度的调整，将锥形弹簧橡胶体上端面分成两段以上的多段形面组合，且每一段的形面具有不同的形状、斜率和长度，通过调整每一段形面的不同形状、斜率和长度来调整锥形弹簧的刚度变化的大小和刚度变化的位置，并通过控制多段的数量实现多次变刚度的调整。

进一步地，所述橡胶体上端面的多段形面组合中，每段的形状是直线或弧线形状，并将每两段之间通过圆弧段过渡连接起来，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

进一步地，所述多段形面组合是两段以上的直线段组合，且直线段与直线段之间通过圆角段过渡，每一直线段具有不同的斜率和长度，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

进一步地，所述多段形面是从外锥体到内锥体向下的多段下坡结构，其中，第一直线段的长度为18-22mm，第一直线段与锥形弹簧轴线的夹角为14-17度；第二直线段的长度为44-47mm，第一直线段与锥形弹簧轴线的夹角为20-23度；第三直线段的长度为14-16mm，第三直线段与锥形弹簧轴线的夹角为11-15度。

本发明的优点是：

1.橡胶体的上端面为多段组合形面，且每两段之间采用环形圆角段过渡，能实现多次垂向刚度的平缓变化，不会出现锥形弹簧的垂向刚度突然增大的现象，能避免垂向刚度出现反S曲线，从而有效的防止机车脱轨，同时也能让锥形弹簧有很好的减震、降噪效果。

2.橡胶体的上端采用大于两段以上的变形形面结构，且每两段之间采用环形圆角段过渡，且通过合理调整各段的斜率、长度，能有效防止橡胶体承受载荷，橡胶体的上端下移的过程中，橡胶体上端形状始终保持平滑，从而防止橡胶体上端开裂。

3.橡胶体的上端面采用多段的组合形面，每两段之间采用环形圆角段过渡，因此橡胶体能实现多次横向刚度和纵向刚度的变化，且能让横向刚度和纵向刚度的变化比较平缓，不会出现横向刚度和纵向刚度的突然增大，从而使得机车在加速、减速或转弯时，更为平稳、顺畅，能增加车内旅客的舒适感。

4.锥形弹簧能通过改变每一段的长度、斜率和段数调节锥形弹簧的垂向、横向和纵向变刚度使锥形弹簧能满足不同型号的机车在不同状态下对刚度的需要，使机车能更好的符合动力学要求，从而让机车更好地运行。同时，也让锥形弹簧的通用性更强，应用范围更广，能应用到各种机车上。

5.锥形弹簧能防开裂，使用寿命长；结构简单，成本低，适用于批量生产。

附图说明

图1为本发明的剖视示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为本发明的立体示意图；

图4为本发明在最大垂向载荷下的剖视示意图；

图5为图4中C处的放大图；

图6为本发明的垂向刚度曲线；

图7为本发明改进前的剖视示意图；

图8为本发明改进前最大垂向载荷下的剖视示意图；

图9为本发明改进前的垂向刚度曲线；

图中：1内锥体、11内锥体凸台、2橡胶体、21环形平直段、211第一环形平直段、212第二环形平直段、213第三环形平直段、22环形圆角段、3外锥体。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做一步的描述：

实施例一

如图1- 3所示，一种锥形弹簧，包括内锥体1、橡胶体2和外锥体3，内锥体1下端向外侧延伸形成环形的内锥体凸台11。橡胶体2的上端面21为三段的多段下坡结构，分别为第一环形平直段211、第二环形平直段212和第三环形平直段213，每两段环形平直段之间采用环形圆角段22过渡。在本实施例中，橡胶体2的上端面的两段环形圆角段22的圆角半径都是4-8mm。橡胶体2环绕在内锥体1的外围，外锥体3环绕在橡胶体2的外围。内锥体1和外锥体3为金属部件，内锥体1和外锥体3与橡胶体2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：利用橡胶体2起减振降噪作用，内锥体1和外锥体3起支撑和安装接口的作用。

为了避免橡胶体2上端出现褶皱和开裂，本实施例采用的结构如图1和图2所示。橡胶体2的上端面由第一环形平直段211、第二环形平直段212、第三环形平直段213以及两段环形圆角段22形成一个整体。第一环形平直段211和第二环形平直段212之间采用环形圆角段22过渡，第二环形平直段212和第三环形平直段213之间也采用环形圆角段22过渡。橡胶体2受到垂向载荷向下移动的过程中，由于橡胶体2外侧与外锥体3内侧相连，橡胶体2上端与外侧的移动会受到外锥体3的约束。可见，橡胶体2受到垂向载荷向下移动的过程中，橡胶体2上端的形状变化会受到各段环形平直段21的斜率，长度以及外锥体3内侧斜率等多个因素的影响。

如下方的表格所示，表格中给出了本实施例中橡胶体2上端面的各段环形平直段与垂向方向的夹角以及各段环形平直段的长度。

 环形平直段与垂向方向的夹角(度)环形平直段的长度（毫米）第一环形平直段14-17(图中b)18-22第二环形平直段44-47(图中a)20-23第三环形平直段16-21(图中c)11-15

如图1和图2所示，当锥形弹簧受到垂向载荷向下的压力时，橡胶体2向下移动，橡胶体2上端的形状会发生变化。由于第一环形平直段211、第二环形平直段212、第三环形平直段213中的斜率和长度以及环形圆角段22的圆角半径设计得合理，因此橡胶体2向下移动的过程中，橡胶体2上端的形状会始终保持平滑。能避免橡胶体2上端产生褶皱，因此能防止橡胶体2上端开裂。当锥形弹簧受到最大的垂向载荷向下的压力时，橡胶体2上端的形状会呈现出如图4中C处的平滑形状，也可参见图5中所示。

本发明的优点是：

由于机车在不同的情况下对锥形弹簧的刚度要求是不一样的。当机车在空载时，要求锥形弹簧的刚度不能太大，且弹性要好，所述弹性好就是要当机车的载荷对锥形弹簧的压力突然增大时，锥形弹簧的刚度却不会突然增大，能起到很好的减震效果。但在机车加载后，尤其是在最大载荷下，又要求锥形弹簧的刚度要很大，且要有较好的弹性。这就需要锥形弹簧能有很好的变刚度来满足机车在各种情况下的刚度要求。

如图7-8所示，目前锥形弹簧由于没有环形平直段和环形圆角段22的结构，所以不能实现多次变刚度。目前锥形弹簧的垂向刚度曲线如图9所示，图中有两条垂向刚度曲线，其中位于上方的是机车在加载时的垂向刚度曲线，位于下方的是机车在卸载时的垂向刚度曲线。而目前空载时根据机车的不同型号，每个锥形弹簧约承受14KN-18KN的垂向载荷，从图9中可看到14KN-18KN是处于锥形弹簧垂向刚度的反S曲线部分。所述反S曲线的特点是，橡胶体2向下移动的距离不大，但其刚度却增加得很快，这样的刚度增加方式不利于机车的减震，有造成机车脱轨的风险。

如图1、图2和图5所示，本实施例中橡胶体2上端面的三段环形平直段21和两段环形圆角段22，能使锥形弹簧有两次垂向、横向和纵向变刚度。本实施例的锥形弹簧的垂向刚度曲线如图6所示，图中有两条垂向刚度曲线，其中位于上方的是机车在加载时的垂向刚度曲线，位于下方的是机车在卸载时的垂向刚度曲线。由于本实施例中有两次垂向变刚度的结构，因此当锥形弹簧受到突然增大的垂向载荷向下的压力时，橡胶体2向下移动的距离也较大，能起到很好的缓冲、减震效果。从图6中可以看到，本实施例中已消除了锥形弹簧垂向刚度的反S曲线。同样的，当机车在加速、减速或转弯时由于橡胶体2上端的三段环形平直段21和两段环形圆角段22的结构，使得锥形弹簧在横向和纵向也有两次变刚度，能起到很好的横向和纵向的缓冲和减震效果，从而使得机车在加速、减速或转弯时，更为平稳、顺畅，能增加车内旅客的舒适感。

实施例二

与实施例一的结构大致相同，但橡胶体2上端面采用的不是平缓的直线边过渡，而平缓的曲线边进行过渡，橡胶体2的上端为四段环形平直段21和三段环形圆角段22，而橡胶体2的下端为三段环形平直段21和两段环形圆角段22。这样改变环形平直段21的段数能改变锥形弹簧变刚度的次数，也就是说，能通过调节环形平直段21的段数来改变锥形弹簧的变刚度的次数。增加或减少环形平直段21的段数仍能使得锥形弹簧从空载到最大垂向载荷过程中，橡胶体2的上端和下端形状都不出现褶皱，能始终保持平滑的形状。

通过上述实施例还可以看出，本发明涉及一种锥形弹簧橡胶体上端面的锥形弹簧变刚度和防止上端面褶皱开裂的方法，通过改变上端面的形面形状来进行锥形弹簧变刚度的调整，将锥形弹簧橡胶体上端面分成两段以上的多段形面组合，且每一段的形面具有不同的形状、斜率和长度，通过调整每一段形面的不同形状、斜率和长度来调整锥形弹簧的刚度变化的大小和刚度变化的位置，并通过控制多段的数量实现多次变刚度的调整。

进一步地，所述橡胶体上端面的多段形面组合中，每段的形状是直线或弧线形状，并将每两段之间通过圆弧段过渡连接起来，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

进一步地，所述多段形面组合是两段以上的直线段组合，且直线段与直线段之间通过圆角段过渡，每一直线段具有不同的斜率和长度，以保证橡胶体的上端下移过程中，橡胶体上端的形状始终保持平滑，不会产生褶皱和开裂。

进一步地，所述多段形面是从外锥体到内锥体向下的多段下坡结构，其中，第一直线段的长度为18-22mm，第一直线段与锥形弹簧轴线的夹角为14-17度；第二直线段的长度为44-47mm，第一直线段与锥形弹簧轴线的夹角为20-23度；第三直线段的长度为14-16mm，第三直线段与锥形弹簧轴线的夹角为11-15度。

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。