一种带锥度抗侧滚弯扭杆及其设计制造方法

摘要

本发明公开了一种带锥度抗侧滚弯扭杆及其设计制造方法。带锥度抗侧滚弯扭杆包括中间段、折弯段、位于中间段和折弯段之间的锥度段；所述锥度段的直径由邻近折弯段的一端向邻近中间段的一端逐渐减小。带锥度抗侧滚弯扭杆的设计制造方法，包括下料、粗加工、双头折弯、热处理、两头精加工和抛光；在等直径圆钢棒折弯前，按照预先设计确定好的数值，在圆钢棒上加工出锥度段。本发明通过设计锥度结构，在满足产品系统刚度、产品强度的同时，实现产品轻量化，解决传统弯扭杆过度设计、容易干涉、超重以及由于重量大而使组装、油漆、转动不便等一系列问题。

说明书

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆安全技术领域。

背景技术

车辆的振动主要有六个方向的自由度：X方向的伸缩振动、Y方向的横摆振动、Z方向的浮沉振动、绕Y轴的点头振动、绕Z轴的摇头振动、绕X轴的侧滚振动（如图1所示）。目前的轨道交通车辆转向架均为两级悬挂，抗侧滚扭杆装置起调节车辆侧滚刚度、控制车辆侧滚振动的作用。

抗侧滚扭杆装置安装在轨道车辆车体和转向架间，当车辆在做侧滚运动时，与车辆二系悬挂一同提供车辆安全运行所需的侧滚刚度，以此来满足车辆动力学性能的要求，确保车辆的安全运行。抗侧滚扭杆装置的机构运动图如图2所示，图中M为车体，E、F为扭杆支撑座组成，安装于构架上，A、B、C、D为橡胶球铰或金属轴承，可在三个方向转动。如果不考虑相对于系统刚度小得多的支撑座组成和橡胶关节的影响，当车体相对于转向架发生浮沉振动时，两根连杆同时往一个方向运动，整个装置绕支撑球铰同时转动，扭杆并不承受力或扭矩，故并不影响车体的浮沉振动，同样对除侧滚以外的其它几个运动同样不提供任何附加的力或扭矩。而当车体与构架之间发生绕X轴的相对转动即侧滚时，左右连杆向相反的方向上下运动，通过扭转臂（图中FD、EC）使扭杆发生扭转变形，扭杆由于抗扭弹性而产生抗扭反力矩，这一反力矩作用在垂向连杆上表现为一对大小相等方向相反的垂向力，而这对垂向力作用在车体上就形成了与车体侧滚方向相反的抗侧滚力矩，抗侧滚力矩的作用将阻止车体相对于转向架侧滚角度的增加，从而抑制车辆的侧滚，提高车辆的横向平稳性。

扭杆装置按照弯扭杆类型可分为:直扭杆和整体式弯扭杆两种。直扭杆是扭杆装置中主要承受弯扭应力的圆截面弹簧钢直杆体，需要配合扭转臂使用，轴臂之间有多种配合方式（过盈、花键、多边形等），有可拆卸和不可拆卸之分，应用较为广泛。但该型扭杆装配后较为笨重，对转向架的空间及限界要求高。

整体式弯扭杆是扭杆装置中主要承受弯扭转应力的圆截面弹簧钢U形杆体，无需装配扭转臂，传统整体式弯扭杆，一般采用等直径圆钢经过锻造、弯曲、热处理、机械加工后成型。该结构扭杆对转向架的空间要求低，结构灵活、紧凑，重量轻，在国内外得到越来越广泛的应用。目前相关的现有技术有如下不足之处：

（1）在与转向架及车体接口尺寸不可改变情况下，为满足刚度要求，只能整体调整轴径大小；

（2）现有弯扭杆直径相等，而弯扭杆中间位置只承受扭矩作用，所受应力较小，远小于其材料强度，属一种过度设计；

（3）弯扭杆材料一般采用弹簧钢金属材料，重量大，在相等的连杆跨距如1989及支撑座跨距1714情况下，等径设计与锥度设计重量分别为63.4kG与51.65kG，相差11.75kG，不能满足产品及转向架轻量化的设计要求；

（4）对于结构设计紧凑的转向架而言，目前等径弯扭杆，中间直径过大可能会导致与其他零部件发生干涉。由于等径弯扭杆重量大，间接为组装、油漆、转运等工序带来不便。

现有技术中，申请号为200910227115.3的中国发明公开了轨道车辆用抗侧滚扭杆轴及其制作方法,主要由扭杆轴、扭转臂、支撑座、垂向连杆下关节轴、垂向连杆、垂向连杆上关节轴等部分组成。其特征在于:扭杆轴与左右扭转臂采用圆锥面配合的连接方式。申请号为201320409010.1的中国实用新型公开了一种新型轨道车辆用抗侧滚扭杆组成，包括扭杆组件和连杆，扭杆组件包括扭杆轴和左右两个扭转臂，扭杆轴为弯扭杆轴，其两端折弯，每端折弯部分的长度为扭杆轴全长的十分之一；扭转臂为叉式或销套式扭转臂，扭转臂采用锻造成型；扭杆轴的末端与扭转臂的联接方式是过盈联接、螺纹联接、花键联接、焊接或销轴联接。扭杆轴为U型扭杆轴，由直扭杆轴折弯为U型而成。申请号为201520248986.4轨道车辆用整体式弯扭杆装置，包括用于固定在转向架上支撑座和弯扭杆，弯扭杆由一体形成的扭杆中间段和弯扭臂组成，支撑座由左支撑座和右支撑座组成，左支撑座和右支撑座对称的安装在扭杆中间段上，在所述的左支撑座到右支撑座之间的扭杆中间段上具有限位件，所述的限位件的左端与左支撑座抵靠以限制所述的扭杆中间段与左支撑座之间的横向相对运动，所述的限位件的右端与右支撑座抵靠以限制所述的扭杆中间段与右支撑座之间的横向相对运动。以上现有技术，均难以解决由于重量大而使组装及油漆工序不便等一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可同时满足产品刚度、强度及轻量化要求的带锥度抗侧滚弯扭杆及其设计制造方法，解决传统弯扭杆由于重量大而使组装及油漆工序不便的问题。

本发明的技术方案是：一种带锥度抗侧滚弯扭杆，包括中间段和折弯段，带锥度抗侧滚弯扭杆的中间部分为中间段，靠近带锥度抗侧滚弯扭杆两端的部分为折弯段，所述带锥度抗侧滚弯扭杆还包括位于中间段和折弯段之间的锥度段；所述锥度段的直径由邻近折弯段的一端向邻近中间段的一端逐渐减小。

所述锥度段包括对称分布在中间段左右两侧的左锥度段和右锥度段；折弯段包括对称分布在带锥度抗侧滚弯扭杆两端的左折弯段和右折弯段；所述左折弯段、左锥度段、中间段、右锥度段、右折弯段一体成型；所述中间段和锥度段的连接处、锥度段和折弯段的连接处均为圆滑过渡。

所述的带锥度抗侧滚弯扭杆还包括支撑座安装区域，所述支撑座安装区域位于折弯段上靠近锥度段的一端；支撑座安装区域包括位于左折弯段上的左支撑座安装区域和位于右折弯段上的右支撑座安装区域。

所述中间段为圆柱形，锥度段为圆台形；中间段直径最小。

所述带锥度抗侧滚弯扭杆为带锥度变截面轴，其最大直径与最小直径相差10mm。

所述锥度段的长度根据弯扭杆刚度需求来确定，所述锥度段的锥度设计是按照产品所受应力走势进行的适度设计。

一种带锥度抗侧滚弯扭杆的设计制造方法，包括下料、粗加工、双头折弯、热处理、两头精加工和抛光；预先设计确定好所需数值，包括中间段、锥度段和折弯段的长度和直径，再根据预定值进行下料，获取等直径圆钢棒；进行粗加工时，在等直径圆钢棒折弯前，按照预先设计确定好的数值，在圆钢棒上加工出锥度段。

粗加工时，使整个弯扭杆的中间段、锥度段和折弯段加工成圆滑过度。

通过调整弯扭杆锥度段长度来改变弯扭杆刚度从而获得相应的抗侧滚扭杆装置的系统刚度；根据产品的载荷工况要求，对弯扭杆各个位置的应力进行分配。

采用以下公式和方法，根据中间段、锥度段和折弯段的长度和直径来计算带锥度抗侧滚弯扭杆的总刚度，反之，根据所需刚度值确定中间段、锥度段和折弯段的长度和直径：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

其中，K代表带锥度抗侧滚弯扭杆总刚度，K1、K2、K3、K4、K5分别代表左折弯段、左锥度段、中间段、右锥度段、右折弯段的刚度，且K1=K5，K2=K4；

G代表 剪切模量，均代表惯性矩， d₁代表左折弯段直径，代表左折弯段与左锥度段相接端面的中心点到左折弯段另一端折弯部分中心轴线的垂直距离，d₃代表中间段直径，L₃代表中间段长度；

根据左锥度段的最小直径、最大直径和左锥度段长度，采用数学积分方法计算左锥度段刚度。

本发明通过设计锥度结构，在满足产品系统刚度、产品强度的同时，实现产品轻量化，解决传统弯扭杆过度设计、容易干涉、超重以及由于重量大而使组装、油漆、转动不便等一系列问题。本发明具有如下优点：

1、弯扭杆（即扭杆轴）为变截面锥度轴，直径由支撑座处向中间逐渐减小，可满足支撑座处较高的强度要求；

2、通过锥度轴的设计，并运用数学积分方法可计算弯扭杆刚度，在连杆跨距及扭转臂长度等一定的情况下，可通过调节轴径来灵活对刚度进行设计，易于满足要求；

3、由于轴径为变截面锥度轴径，最大与最小直径相差约10mm，在相同长度范围内，重量会减轻10kg或更多，容易满足产品及整体转向架的轻量化要求。

4、弯扭杆中间直径小，靠近支撑座区域逐渐增大，故中间部分可有效解决弯扭杆与转向架上其他零部件干涉的问题。

5、在相同长度情况下，锥度设计较等径设计重量轻，为后续组装、油漆、转运等工序带来便利。

附图说明

图1是现有技术中的车辆转向架均为两级悬挂结构及振动主视图和侧向示意图；

图2是现有技术中的抗侧滚扭杆装置的机构运动示意图；

图3是本发明中的带锥度抗侧滚弯扭杆示意图；

图4是本发明中的弯扭杆锥度段刚度计算方法示意图；

图5是本发明中的弯扭杆锥度段加工示意图；

图6是本发明中的弯扭杆中间段加工示意图；

图7是本发明中的加工后弯扭杆示意图；

图中：1、左折弯段，2、左锥度段，3、中间段，4、右锥度段，5、右折弯段，6、左支撑座安装区域，7、右支撑座安装区域。

具体实施方式

请参考图3至图7，一种带锥度抗侧滚弯扭杆，包括中间段3和折弯段，锥度段；所述锥度段的直径由邻近折弯段的一端向邻近中间段的一端逐渐减小。锥度段包括左锥度段2和右锥度段4；折弯段包括左折弯段1和右折弯段5。左折弯段、左锥度段、中间段、右锥度段、右折弯段一体成型。中间段和锥度段的连接处、锥度段和折弯段的连接处均为圆滑过渡。支撑座安装区域位于折弯段上靠近锥度段的一端；支撑座安装区域包括位于左折弯段上的左支撑座安装区域6和位于右折弯段上的右支撑座安装区域7。由于整个弯扭杆在支撑座区域受到弯矩与扭矩组合，此处所受应力最大，而弯扭杆中部区域主要承受扭转，受力较小。此类结构与传统弯扭杆结构区别在于弯扭杆刚度设计方法不同，传统弯扭杆整体设计，而带锥度抗侧滚弯扭杆采用分段的刚度设计。

带锥度抗侧滚弯扭杆两端折弯处弯扭杆（折弯段）刚度：左折弯段刚度K1=右折弯段刚度K5（对应长度L₁=L₅=224mm）。左折弯段刚度具体计算如下：

（1）

（2）

其中G、为已知量。G代表剪切模量，单位是MPa，均代表惯性矩， d₁代表左折弯段直径，代表左折弯段与左锥度段相接面的中心点到左折弯段另一端折弯部分中心轴线的垂直距离。L₅代表右折弯段与右锥度段相接面的中心点到右折弯段另一端折弯部分中心轴线的垂直距离。

锥度处弯扭杆（锥度段）刚度：左锥度段刚度K2=右锥度段刚度K4（对应长度L₂=L₄=219mm）。L₂为左锥度段长度，L_4.>

中间弯扭杆（中间段）刚度K3（对应长度L3=1070mm）：

（3）

（4）

其中G、为已知量。G代表剪切模量，单位是MPa， 均代表惯性矩， d₃代表中间段直径，L₃代表中间段长度。

综上，得到带锥度抗侧滚弯扭杆总刚度K：

， （5）

进而得到扭杆系统（抗侧滚扭杆装置）刚度。反之根据已知刚度的要求，可进行各段长度的设计，并进行强度设计。

带锥度抗侧滚弯扭杆的工艺方案：包括鐓粗(根据实际结构进行）、折弯、两端机械加工后成型，最终整体式弯扭杆成品。请参考图3至图7，带锥度抗侧滚弯扭杆的设计制造方法具体包括如下步骤：

1）下料：根据所需刚度要求，预先设计确定好所需数值，包括中间段、锥度段和折弯段的长度和直径，再根据预定值进行下料，获取等直径圆钢棒（圆柱形圆钢棒）；下料后注意去毛刺，产品流水号等信息按照下料单和流程卡写在杆体中间；

2）粗加工：使用粗车床将毛坯车加工至预定设计好的尺寸，平端面中心孔并倒角，产品的标识使用刻字机刻印在臂端面。本发明锥度弯扭杆成型工艺与传统弯扭杆相比是在等直径圆钢棒（ΦD1）折弯前，对圆钢进行锥度段加工，保证整个弯扭杆由ΦD1到ΦD2（中间段直径，即前面公式中的d₃）圆滑过度，左锥度段长度为L₂，如图5所示。其它部位直径加工为ΦD2，ΦD1-ΦD2≈10mm。中间段加工如附图6所示。

3）双头折弯：首先使用调运工具将杆件放置与中频加热感应线圈中，进行加热，并使用调运工具将杆件转移至双头折弯机，定位，启动设备弯形，将杆件弯曲成型至工艺要求；

4）热处理：使用热处理工装，按照装炉作业指导书对杆件进行定位，装夹固定，进行热处理；

5）两头精加工：对弯扭杆端部的锥孔等进行精细加工；

6）抛光：对整个弯扭杆表面进行抛光处理，达到粗糙度要求。

本发明的创新之处主要包括弯扭杆带锥度、可灵活进行刚度设计，并防止与其它零部件干涉，同时满足车辆及转向架整体轻量化要求，创新点具体包括：1）与传统等直径弯扭杆不同的是：创新性地将轴径设计成带锥度变截面轴；2）锥度结构的设计可灵活地对其刚度进行设计；3）锥度是按照产品的所受应力走势进行设计的，为适度设计；4）锥度设计大大减轻了产品重量，满足产品自身或转向架轻量化要求，同时继而为后续组装、油漆、转运过程带来便利；5）锥度设计的弯扭杆中间段轴径最小，可有效防止与转向架其他零部件发生干涉。

下面对本发明与现有技术作进一步对比分析说明。

抗侧滚扭杆主要是通过提供侧滚刚度来实现抗侧滚功能的，而系统的侧滚刚度影响因素主要为弯扭杆刚度、车体侧滚角、扭转臂长度以及连杆跨距。一般地，由于车辆接口尺寸及运行工况一定，扭转臂长度、连杆跨距与车体侧滚角均为定值，故主要影响系统刚度的因素为弯扭杆的刚度。现有技术中，弯扭杆一般均为等径设计，加工较容易实现，但存在刚度设计不灵活以及强度浪费的情况。通常，与转向架和车体的接口尺寸如连杆跨距、支撑座跨距是不易改变的，在这种情况下，若要满足刚度要求，则需要整体调节弯扭杆直径，但弯扭杆直径的大小与其所能承受的应力的大小密切相关，直径过小，安全余量低，存在使用风险；直径过大，特别对于安装座处直径较大时，整个弯扭杆的中间处直径也较大，从产品实际受力上看，整个扭杆各位置扭矩相同，但弯矩随着支撑座处向中间处逐渐减小，所受的应力逐渐降低，即中间处弯扭杆所受应力最低，此处的材料强度会远大于其实际所受应力，属于过度设计。另一方面，在相同连杆跨距或支撑座跨距相同情况下，由于等径设计的产品重量会远大于锥度设计，也不易满足转向架轻量化的设计要求，并为后续油漆、组装、转运过程带来不便。传统整体式弯扭杆主要成型过程如下：1、 等直径圆钢；2、 端部鐓粗（根据实际两端结构确认是否存在此工序）；3、 两端折弯；4、机械加工。

与现有技术相比，本发明的带锥度抗侧滚弯扭杆是一种新型抗侧滚弯扭杆结构，可通过弯扭杆锥度段长度改变弯扭杆刚度从而来设计整个扭杆装置的系统刚度，可以根据产品的载荷工况要求，对弯扭杆各个位置的应力进行合理分配，既保证可靠性，又不至于产生过度设计的浪费。另外，若从防止与转向架零部件干涉的角度看，可以将弯扭杆设计成等径但三维成型结构，也可避让其他零部件。本发明能通过调整锥度段结构灵活设计系统刚度，实现产品自身以及整个转向架轻量化，解决弯扭杆实际受力与产品结构不相匹配的难题，解决由于中间弯扭杆直径大而发生与其它零部件意外干涉的问题，解决等径弯扭杆由于重量大而使组装及油漆工序不便问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。