一种ISD空气弹簧及转向架悬挂系统、机车

摘要

本发明提出一种I SD空气弹簧及转向架悬挂系统、机车。所述I SD空气弹簧包括：上盖组成；橡胶堆组成，所述橡胶堆组成间隔设置在所述上盖组成的下方；气囊，所述气囊设置在所述上盖组成与所述橡胶堆组成之间，形成气腔；惯容器，所述惯容器设置在所述气腔内，其一个自由端点与所述上盖组成连接，另一个自由端点与所述橡胶堆组成连接；所述惯容器在横向方向上保持水平。本发明通过在空气弹簧内部气腔内设置惯容器，提高了空气弹簧缓冲横向冲击载荷的能力，解决轨道车辆用空气弹簧承受横向冲击载荷导致车辆横向稳定性和舒适性低的技术问题，同时防止或降低车辆横向的低频晃动。

说明书

技术领域

本发明属于机车制动控制技术领域，尤其涉及一种ISD空气弹簧及转向架悬挂系统、机车。

背景技术

目前，在轨道车辆领域中，合理的悬挂系统是保证轨道车辆运行安全性、平稳性和舒适性的前提，轨道车辆运行速度越快，对悬挂系统的要求越高。传统的被动式弹簧-阻尼(Spring-Damper，SD)悬挂结构只能基于弹簧和阻尼两种单元进行参数优化，而且确定后不可调节，在尺寸限制和整车要求下性能提升效果有限。虽然主动/半主动悬挂近年来发展迅速，一定程度上能够实现悬挂性能的提升，但由于技术复杂、成本高、响应慢以及控制时滞等问题使其大规模实际应用还有很长距离。因此，如何在传统SD结构基础上提升悬挂系统减振性能成为人们面临的现实问题。轨道车辆用空气弹簧是一种传统的二系悬挂减振器，广泛地应用于轻轨、地铁、普通客车和高速动车组转向架。空气弹簧安装于转向架与车体或摇枕之间，实现垂向、纵向和横向减振。但是现有轨道车辆在高速行驶中会产生很大的冲击，现有的车辆为缓冲冲击载荷，在垂向额外布置垂向减振器，而横向安装的抗蛇形减振器目的是作用是减缓转向架、车辆的蛇形运动，不能够有效的缓解横向冲击载荷，隔振性能差，影响了车辆的稳定性与舒适性。

发明内容

本发明针对上述现有空气弹簧不能有效缓冲横向冲击载荷的技术问题，提供一种ISD空气弹簧及转向架悬挂系统、机车。该ISD空气弹簧具备多自由度集成化的优点，通过在上盖组成和橡胶堆组成之间内置式并联惯容器，以此提高横向抗冲击载荷性能，提高车辆的稳定性与舒适性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种ISD空气弹簧，包括：

上盖组成；

橡胶堆组成，所述橡胶堆组成间隔设置在所述上盖组成的下方；

气囊，所述气囊设置在所述上盖组成与所述橡胶堆组成之间，形成气腔；

惯容器，所述惯容器设置在所述气腔内，其一个自由端点与所述上盖组成连接，另一个自由端点与所述橡胶堆组成连接；所述惯容器在横向方向上保持水平。

本技术方案提供的ISD空气弹簧同时具有减振功能，阻尼功能和惯容功能，能够有效的缓冲横向冲击载荷；通过在空气弹簧的上盖组成和橡胶堆组成之间内置式并联惯容器，可以减小传递到簧上质量的振动激励，而且增加了振动系统的等效质量，提高了横向抗冲击载荷能力，进而提高了车辆的稳定性与舒适性。

在其中一些实施例中，所述惯容器横向对称设置有两个。

本技术方案通过横向对称设置的两个惯容器保证承载冲击均匀，进一步提高车辆的稳定性。

在其中一些实施例中，所述ISD空气弹簧还包括：

第一球铰组成，所述惯容器的一个自由端点通过第一球铰组成与所述上盖组成转动连接；

第二球铰组成，所述惯容器的另一个自由端点通过第二球铰组成与所述橡胶堆组成转动连接。

本技术方案利用第一球铰组成及第二球铰组成实现惯容器在空气弹簧气腔内的安装，采用球铰结构可使ISD空气弹簧内部垂向，纵向和横向位移以及适度的偏转和扭转运动。

在其中一些实施例中，所述惯容器为滚珠丝杠式惯容器，包括：

壳体，其内部中空形成密闭空腔，所述壳体内壁上设置有凸台，所述凸台将所述密闭空腔分为连通的第一空腔和第二空腔，所述壳体靠近所述第一空腔的一端设置有中心孔，所述壳体的另一端的中心位置固定设置有连杆；

飞轮，轴向设置在所述第一空腔内，且所述飞轮中心轴向设置有螺纹通孔；

滚珠丝杠，贯穿所述中心孔并插入所述飞轮的螺纹通孔内，且所述滚珠丝杠通过滚珠与所述飞轮转动连接形成滚珠丝杠螺旋副；

轴承组成，设置在所述第一空腔内，所述轴承组成包括：

第一轴承，所述第一轴承设置在所述飞轮的一端；

第二轴承，所述第二轴承设置在所述飞轮的另一端。

在其中一些实施例中，所述滚珠丝杠伸出所述壳体的一端与所述第一球铰组成固定连接，所述连杆与所述第二球铰组成固定连接。

本技术方案采用滚珠丝杠式惯容器，以滚珠丝杠螺旋副作为传动机构，结构简单，通过将惯容器两端点的直线运动转化为飞轮的旋转运动，实现对飞轮的惯性封装。具体的，水平安装在上盖组成和橡胶堆组成之间惯容器在两端不同的加速度作用下运动，带动飞轮转动，将直线运动转变成飞轮的转动，减小传递到簧上质量的振动激励，而且增加了振动系统的等效质量，放大了惯性力，改变ISD空气弹簧的横向加速度特性，实现惯性调整和谐调的目的，提高了ISD空气弹簧横向抗冲击能力，优化了隔振性能，提高了车辆的稳定性与舒适性。

在其中一些实施例中，所述第一球铰组成包括：

第一球铰，固定安装在所述滚珠丝杠的一端；

第一连接座，设置有与所述第一球铰相匹配的第一凹槽，所述第一连接座与所述上盖组成固定连接；

第一压座，设置有所述第一球铰相匹配的第一开孔，所述第一压座与所述第一连接座可拆卸固定连接；

所述第一球铰与第一连接座、第一压座装配形成活动的球铰机构，所述第一压座靠近所述滚珠丝杠的一端面设置有第一限位面，用于限制第一球铰的转动角度。

在其中一些实施例中，所述第二球铰组成包括：

第二球铰，固定安装在所述连杆的一端；

第二压座，设置有所述第一球铰相匹配的第二开孔；

所述橡胶堆组成设置有与所述第二球铰相匹配的第二凹槽；

所述第二球铰与第二连接座、橡胶堆组成装配形成活动的球铰机构，所述第二压座靠近所述连杆的一端面设置有第二限位面，用于限制第二球铰的转动角度。

本技术方案中的第一球铰组成与第二球铰组成构成活动的球铰机构，并配合限位面，限制球铰的活动角度，使得ISD空气弹簧能够实现垂向、横向、纵向和偏转以及扭转运动。

在其中一些实施例中，所述第一限位面和所述第二限位面根据所述ISD空气弹簧的垂向位移、横向位移、纵向位移以及偏转和扭转运动的极限值设置。

本技术方案使得ISD空气弹簧能够实现垂向、纵向和横向位移以及适度的偏转和扭转运动。

本发明还提供一种转向架悬挂系统，包含以上任一项技术方案所述的ISD空气弹簧。

本发明还提供一种机车，包含以上任一项技术方案所述的ISD空气弹簧；或以上技术方案所述的转向架悬挂系统。

附图说明

图1为本发明实施例ISD空气弹簧的结构示意图；

图2为本发明实施例滚珠丝杠式惯容器的结构示意图；

图3为本发明实施例第一球铰组成的结构示意图；

图4为本发明实施例第二球铰组成的结构示意图。

其中：1、上盖组成；2、橡胶堆组成；21、安装座；22、橡胶堆；23、支撑座；24、摩擦块；3、气囊；4、惯容器；41、壳体；411、凸台；412、第一空腔；413、第二空腔；414、中心孔；415、连杆；42、飞轮；421、螺纹通孔；43、滚珠丝杠；44、滚珠；45、轴承组成；451、第一轴承；452、第二轴承；5、第一球铰组成；51、第一球铰；52、第一连接座；521、第一凹槽；53、第一压座；531、第一开孔；532、第一限位面；6、第二球铰组成；61、第二球铰；62、第二压座；621、第二开孔；622、第二限位面；63、螺栓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有的车辆为缓冲冲击载荷，在垂向额外布置垂向减振器，而横向安装的抗蛇形减振器目的是作用是减缓转向架、车辆的蛇形运动，不能够有效的缓解横向冲击载荷，隔振性能差，影响了车辆的稳定性与舒适性。为了缓解轨道车辆二系悬挂系统的横向冲击载荷，本发明考虑到空间限制和集成化提出了一种ISD(Inerter-Spring-Damper,惯容器-弹簧-阻尼器)空气弹簧。

参考图1，本发明提供了一种ISD空气弹簧，包括：

上盖组成1；

橡胶堆组成2，间隔设置在上盖组成1的下方；

气囊3，设置在上盖组成1与橡胶堆组成2之间，形成气腔；

惯容器4，设置在气腔内，其一个自由端点与上盖组成1连接，另一个自由端点与橡胶堆组成2连接，惯容器4在横向方向上保持水平；

本实施例通过在现有的空气弹簧结构的基础上，在其气腔内的上盖组成1和橡胶堆组成2之间内置式并联惯容器4，且惯容器4在横向方向上保持水平，以此形成ISD空气弹簧。示例性的，参考图1，本实施例中橡胶堆组成2部分位于空气弹簧气囊3所形成的气腔内，橡胶堆组成2包括支撑座23、橡胶堆22、摩擦块24和安装座21，橡胶堆22硫化在安装座21的外表面，橡胶堆22的外表面设置有支撑座23，支撑座23上设置有摩擦块24。本实施例的惯容器4一端点与上盖组成1连接，另一端点与橡胶堆组成2的支撑座23连接。本实施例提供的ISD空气弹簧，可同时具有减振功能，阻尼功能和惯容功能，能够有效的缓冲横向冲击载荷，可以减小传递到簧上质量的振动激励，而且增加了振动系统的等效质量，提高了横向抗冲击载荷能力，进而提高了车辆的稳定性与舒适性。

进一步的，参考图1、图2，上述实施例中，ISD空气弹簧还包括第一球铰组成5和第二球铰组成6，惯容器4的一个自由端点通过第一球铰组成5与上盖组成1转动连接，惯容器4的另一个自由端点通过第二球铰组成6与橡胶堆组成2转动连接。继续参考图2，惯容器4为滚珠丝杠式惯容器，滚珠丝杠式惯容器包括壳体41、飞轮42、滚珠丝杠43和轴承组成45。具体地说，壳体41内部中空形成密闭空腔，壳体41内壁上设置有凸台411，凸台411将密闭空腔分为连通的第一空腔412和第二空腔413，且壳体41靠近第一空腔412的一端设置有中心孔414，壳体41的另一端的中心位置固定设置有连杆415；飞轮42轴向设置在第一空腔412内，且飞轮42中心轴向设置有螺纹通孔421；滚珠丝杠43贯穿中心孔414并插入飞轮42的螺纹通孔421内，且滚珠丝杠43通过滚珠44与飞轮42转动连接形成滚珠丝杠螺旋副；轴承组成45设置在第一空腔412内，轴承组成45包括设置在飞轮42的一端的第一轴承451以及设置在飞轮42的另一端的第二轴承452。滚珠丝杠43伸出壳体41的一端与第一球铰组成5固定连接，连杆415与第二球铰组成6固定连接。本实施例采用滚珠丝杠式惯容器，以滚珠丝杠螺旋副作为传动机构，结构简单，通过将惯容器滚珠丝杠式惯容器两端点的直线运动转化为飞轮42的旋转运动，实现对飞轮42的惯性封装。且利用第一球铰组成5及第二球铰组成6实现滚珠丝杠式惯容器在空气弹簧气腔内的安装，活动的球铰结构可使ISD空气弹簧实现垂向、纵向和横向位移以及适度的偏转和扭转运动。

更具体地说，参考图2～图4，上述实施例中，第一球铰组成5包括第一球铰51、第一连接座52和第一压座53；其中，第一球铰51固定安装在滚珠丝杠43的一端；第一连接座52设置有与第一球铰51相匹配的第一凹槽521，且第一连接座52与上盖组成1固定连接；第一压座53设置有第一球铰51相匹配的第一开孔531，且第一压座53与第一连接座52可拆卸固定连接。第一球铰51与第一连接座52、第一压座53装配形成活动的球铰机构，第一压座53靠近滚珠丝杠43的一端面设置有第一限位面532，用于限制第一球铰51的转动角度。

进一步的，第二球铰组成6包括第二球铰61和第二压座，第二球铰61固定安装在连杆415的一端，第二压座设置有第二球铰61相匹配的第二开孔621，橡胶堆组成2对应设置有与第二球铰61相匹配的第二凹槽；第二球铰61与第二连接座、橡胶堆组成2装配形成活动的球铰机构，且第二压座靠近连杆415的一端面设置有第二限位面622，用于限制第二球铰61的转动角度。

继续参考图3、图4，上述实施例中，第一球铰组成5的第一连接座52上开设第一凹槽521，第一压座53对应设置第一开孔531，将与滚珠丝杠43固定连接的第一球铰51装配到第一凹槽521和第一开孔531内，形成活动的球铰机构，且第一凹槽521与第一开孔531的尺寸与第一球铰51相匹配。进一步的，通过在第二压座开设第二开孔621，并在橡胶堆组成2上对应开设有第二凹槽，将与连杆415固定连接的第二球铰61装配到第二凹槽和第二开孔621内，同样形成活动的球铰机构。本实施例通过惯容器两端的球铰以及惯容器自身伸缩功能实现ISD空气弹簧的垂向、横向、纵向和偏转以及扭转运动。优选地，本实施例中，第一连接座52与第一压座53通过螺栓63实现可拆卸固定连接，橡胶堆组成2与第二压座通过螺栓63实现可拆卸固定连接，方便惯容器的安装。

本发明提供的ISD空气弹簧实现了多自由度集成化，同时具备减振、阻尼和惯容功能，其工作原理如下：

ISD空气弹簧安装在二系减振系统中，当车辆运行过程中，ISD空气弹簧垂向保持在工作高度，横向受到冲击载荷时，作用在ISD空气弹簧的上盖组成1和橡胶堆组成2上的载荷不同，产生不同的加速度。水平安装在上盖组成1和橡胶堆组成2之间的滚珠丝杠式惯容器在两端不同的加速度作用下运动，带动飞轮42转动，将直线运动转变成飞轮42的转动，减小传递到簧上质量的振动激励，而且增加了振动系统的等效质量，放大了惯性力，改变ISD空气弹簧的横向加速度特性，实现惯性调整和谐调的目的，提高了ISD空气弹簧横向抗冲击能力，优化了隔振性能，提高了车辆的稳定性与舒适性。

在一些实施例中，惯容器横向对称设置有两个，本实施例通过横向对称设置的两个惯容器保证承载冲击均匀，进一步提高车辆的稳定性。

本发明还提供一种转向架悬挂系统，包含以上任一项技术方案所述的ISD空气弹簧。

本发明还提供一种机车，包含以上任一项技术方案所述的ISD空气弹簧；或以上技术方案所述的转向架悬挂系统。

本发明通过以下步骤，用于设计实现上述ISD空气弹簧，具体包括：

惯容器安装步骤：在上盖组成1与橡胶堆组成2之间内置式并联惯容器，根据车辆的运行高度，计算上盖组成1的底端与橡胶堆组成2的顶端之间的最小间隙值，根据最小间隙值调整惯容器的安装高度，使得车辆在正常运行时，惯容器在横向方向上保持水平。

惯容器行程调整步骤：选择滚珠丝杆式惯容器，并通过调整滚珠丝杠43的长度以及其与第一球铰51的安装距离，调整惯容器的行程，使其满足ISD空气弹簧的横向位移要求；根据车辆允许的横向最大行程，计算滚珠丝杠43的导程，使其大于车辆允许的横向最大行程。具体地说，将惯容器的一端安装在橡胶堆组成2上，另一端根据计算得到的滚珠丝杠43的导程确定，且将另一端安装在上盖组成1上，使得车辆在运行时，惯容器的行程满足横向位移要求。

进一步的，惯容器安装步骤还包括：

球铰机构设置步骤：设置与惯容器的两自由端点连接的第一球铰组成5与第二球铰组成6，并形成活动的球铰机构；通过调整第一球铰组成5尺寸实现安装高度的调整，并将第一球铰组成5连接至所述上盖组成1，将第二球铰组成6连接至橡胶堆组成2，完成惯容器的安装；

限位面设置步骤：通过计算ISD空气弹簧的垂向位移、横向位移、纵向位移以及偏转和扭转运动的极限值，匹配球铰机构的球铰的活动角度，根据活动角度设置限位面。

具体地说，参考图1，首先根据车辆的运行高度，计算出上盖组成1的底端与橡胶堆组成2的顶端之间的最小间隙值即ISD空气弹簧的E值，匹配调整惯容器的安装高度，使得在车辆正常运行时，惯容器在横向方向保持水平。本实施例中，惯容器的安装高度为惯容器与上盖组成1之间的高度差，调整惯容器的安装高度使其大于ISD空气弹簧的E值且不干涉空气弹簧的垂向工作高度。

更具体地说，惯容器的安装通过第一球铰组成5与第二球铰组成6完成，因此需对第一球铰组成5与第二球铰组成6的结构进行设计，第一球铰组成5包括第一球铰51、第一连接座52和第一压座53，第二球铰组成6包括第二球铰61和第二压座。首先在第一连接座52和第一压座53开设第一凹槽521和第一开孔531，将与丝杠连接的第一球铰51装配到里面，形成活动的球铰机构，开孔尺寸与球铰匹配。通过在第二压座和橡胶堆组成2上对应开设第二开孔621和第二凹槽，将与连杆415连接的第二球铰61装配到里面，同样形成活动的球铰机构。通过计算ISD空气弹簧的垂向位移、横向位移，纵向位移以及偏转和扭转运动的极限值，匹配第一球铰51、第二球铰61的活动角度，以此对第一限位面532与第二限位面622进行设置，第一限位面532与第二限位面622用于限制球铰的转动角度。通过两端的第一球铰51、第二球铰61以及惯容器自身伸缩功能实现ISD空气弹簧的垂向、横向、纵向和偏转以及扭转运动；通过调整第一球铰组成5的第一连接座52与第一压座53的尺寸，可实现对惯容器的安装高度进行调整。

在其中一些实施例中，ISD空气弹簧的设计方法还包括惯容系数调整步骤：通过调整滚珠丝杠43的导程和飞轮42的转动惯量调整所述惯容器的惯容系数，使所述惯容系数与ISD空气弹簧的上盖组成1和橡胶堆组成2的加速度匹配。

具体地说，惯容器的基本设计原理为具有两个自由端点并且能够放大惯性，本实施例通过球铰的布置以及一系振动与二系振动的耦合，使得惯容器具有两个自由端点。由于飞轮42的转动惯量产生的惯性作用远大于其物理质量的惯性作用，故该惯容器可以使用较小的物理质量产生较大的惯性力，达到惯性增效的效果，即惯容系数远大于实际物理质量，也就是能够放大惯性，满足惯容器的要求。

惯容器出力可以表示如下：

F＝b(a

滚珠丝杠式惯容器的惯容系数表达式为:

其中，F为惯容器两端所受力，b为惯容系数，其具有质量的量纲，a1、a2为惯容器两端的加速度，P为滚珠丝杠43的导程，J为飞轮42的转动惯量。

其中，m为飞轮42的质量，R为飞轮42的外径，r为飞轮42的内径，ρ为密度，h为飞轮42的轴向长度。

通过调整飞轮42的材料、内径和长度等参数，进而调整飞轮42的转动惯量。通过调整滚珠丝杠43的导程和飞轮42的转动惯量调整惯容器的惯容系数，使调整后的惯容系数匹配ISD空气弹簧的横向刚度和纵向刚度特性，减小传递到簧上质量的振动激励，并且增加振动系统的等效质量，改变了ISD空气弹簧的上盖组成1和橡胶堆组成2之间的横向加速度特性，提高了横向抗冲击能力，同时优化隔振效果，提高车辆的稳定性和舒适性。示例性的，本实施例通过调整滚珠丝杠43的尺寸以及重量匹配调整惯容器的惯容系数，实现惯容系数与ISD空气弹簧的上盖组成1和橡胶堆组成2的加速度匹配。

本发明提供的ISD空气弹簧的设计方法，用于配置实现ISD空气弹簧。本发明解决了轨道车辆用空气弹簧承受横向冲击载荷导致车辆横向稳定性和舒适性低的技术问题，同时防止或降低车辆横向的低频晃动。该方法通过调整新增加的内置式并联惯容器的结构尺寸和惯容系数，改变ISD空气弹簧上盖组成和橡胶堆组成之间的加速度特性，提高了横向抗冲性能，提高了车辆的稳定性与舒适性。

本发明还提供一种机车，包含如上任一项技术方案所述的ISD空气弹簧。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。