一种复合材料车辆抗侧滚扭杆及其制备方式的制作方法

本发明涉及一种轨道交通车辆用部件，具体涉及一种安装在轨道车辆车体和转向架之间的轨道交通车辆用抗侧滚扭杆系统，属于机械工程技术领域。

技术背景

抗侧滚扭杆系统（简称扭杆系统）是轨道交通车辆（包括干线铁路车辆，地铁城轨车辆，有轨电车等）的关键部件，用于抑制在车辆转弯，侧风等情况下的车体侧滚，扭杆系统由垂向连杆组件，扭转臂，支撑座组件和扭杆轴组成。随着车辆运行速度以及其乘坐舒适性要求的提高，对扭杆系统以及轨道交通车辆系统部件（如悬挂连杆部件，定位转臂组件等）也提出越来越高的要求，其中轻量化是其中的一个技术发展趋势。

通常扭杆系统的车辆根据其布置方式的不一样，区分为内置式和外置式两种型式，其中内置式的扭杆系统布置在转向架横梁的内侧，扭杆轴的长度为1300-1800mm，扭杆系统的重量约120-150kg，外置式扭杆系统布置在转向架横梁的外侧，扭杆轴的长度为1800-2500mm，扭杆系统的重量150-220kg。

扭杆系统中的部件除极少部分的金属橡胶件，或者高分子材料外，其余的金属部件的重量占到95%以上。在目前的技术方案的前提下，只能通过扭杆轴空心化，优化支撑座和扭转臂结构等方式减轻扭杆系统的重量，但存在较大的局限，可减少的重量范围小于10%。轨道交通车辆的内饰，车体等部件纷纷采用轻金属合金（铝合金，镁合金等），高分子复合材料等手段来不断降低车辆的重量，因此，如何通过选用其他非金属部件来制造扭杆系统，并形成批量的生产制造工艺和质量控制手段是系统部件产品开发过程中亟待解决的问题。

目前采用以金属部件为主的扭杆系统主要存在如下缺陷：

1.制造成本高，由于金属部件的原材料和成型工艺的限制，制造成本相对较高，以扭杆轴为例，采用用量少，强度高，高淬透性的52CrMoV4 acc EN 10089的弹簧钢材料的原材料成本较高，其次扭杆轴的成型工艺包括端部镦粗，机械加工，热处理，表面喷丸等各种工序，还包括超声波探伤，磁粉探伤等无损检测手段，工艺复杂导致成本较高；

2.质量控制难，由于其复杂的成型工艺，扭杆系统的各部件在质量控制方面要求的项点也相对较多，常用的包括金属原材料的化学成分，热处理后的机械性能，体现其淬透性的外部和芯部的硬度检测，以及超声波无损检测（金属原材料内部质量）和磁粉探伤（产品的表面缺陷情况）等，任何质量控制将导致成本，控制失效将导致产品的潜在失效风险的；

3.重量高，轨道交通车辆的轻量化是其发展的趋势，目前出系统部件外，其余产品均进行采用轻金属或者复合材料进行材料替代的轻量化应用，而系统部件通常在重量方面占有较大的重量比重，如能进行轻量化的应用，经存在极大的优化空间。车辆的轻量化将从运行的能耗，乘坐的舒适性等各个方面来优化整车的性能。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，本发明提供一种复合材料车辆抗侧滚扭杆及其制造方式，具体技术方案如下：

一种复合材料车辆抗侧滚扭杆，包括扭杆轴、扭转臂、支撑座和垂向连杆，扭转臂安装在扭杆轴上，扭杆轴连接安装座，垂向连杆通过关节轴与扭转臂连接，其特征在于：扭杆轴、垂向连杆和支撑座采用纤维类环氧树脂复合材料。

进一步，所述扭杆轴通过支撑轴连接安装座，所述扭转臂、扭杆轴和支撑轴采用粘结剂连接，并通过锥销将扭杆轴、扭转臂和支撑轴三个部件连接在一起。扭转臂和支撑轴采用粘结剂为环氧树脂粘结剂。

进一步，纤维类环氧树脂复合材料，为碳纤维增强环氧树脂、玻璃纤维环氧树脂基复合材料的一种或两种。

一种复合材料车辆抗侧滚扭杆制造方式，扭杆轴和垂向连杆，采用金属芯模或可融芯模，在缠绕机上通过机械张力器，将浸润了环氧树脂液体的长纤维逐层缠绕在金属芯模或可融芯模上，进行固化后脱模或融模；所述支撑座采用模压纤维环氧树脂，根据产品的结构尺寸和安装接口的需要，设计专用的模压模具进行支撑座的模压制造。

进一步，扭杆轴和垂向连杆，固化后脱模或融模，通过机械加工或打磨的方式改善缠绕表面质量。

进一步，通过缠绕成型的方式制造空心的扭杆轴，扭杆轴的内外直径根据扭杆系统的整体强度、刚度的要求进行结构设计，其中，内径为30-50mm，外径为80-120mm，长度为1200-2500mm的范围。

采用可融芯模或金属芯模进行缠绕，针对不同长度的扭杆轴进行选择，当扭杆系统为外置式，扭杆轴的长度稍短时，采用金属芯模（容易脱模）进行缠绕；当扭杆系统为内置式，扭杆轴的长度稍长时，采用可融芯模（无需脱模）进行缠绕。

本发明采用纤维环氧树脂复合材料代替原有金属部件的轻量化抗侧滚扭杆系统，整体重量减轻40%，工艺简单，质量易于控制，实现了抗侧滚扭杆系统的轻量化。使用本发明的纤维环氧树脂复合材料替代后，其质量控制的项点可大大降低，主要控制项点主要在于缠绕材料和粘结剂的原材料控制，缠绕的内部质量和粘结的强度的控制3个项点，相对原有金属部件的化学成分，机械强度，热处理，表面缺陷，内部缺陷，产品油漆质量等大大降低。

金属和复合材料的关节处粘结连接，为了保证其强度、可靠性和稳定性，本发明将采用如下措施进行粘结强度的加强： A.对粘结部位进行如螺纹、凹凸槽、型面等各种方式，增加粘结面的面积和支挡的局部结构来增强强度；B.通过在粘结结构的复合材料和金属部件之间增加连接的锥销或其他结构形式来增强粘结。

本发明使用复合材料对金属部件的替代，将大大降低扭杆系统的整体重量，以目前在生产的模型外置式的扭杆系统为例，使用常规金属部件的重量达到了110kg，进行复合材料替代后，整体重量仅60kg，重量减轻45%。

附图说明

图1本发明实施例1一种复合材料的车辆抗侧滚扭杆示意图

图2本发明实施例1一种复合材料的车辆抗侧滚扭杆支撑座示意图

图3本发明实施例1 一种复合材料的车辆抗侧滚扭杆中扭杆轴和扭转臂的组装结构示意图

图4本发明实施例1 一种复合材料的车辆抗侧滚扭杆中扭杆轴和扭转臂的组装结构剖切图

图5本发明实施例1一种复合材料的车辆抗侧滚扭杆芯模缠绕示意图

图中标记，1、扭杆轴 2、扭转臂 3、支撑座 4、垂向连杆 5、关节轴

6、锥销 7、支撑轴 8、金属芯模或可融芯模 9、缠绕机。

具体实施方式

现有技术对比例：

根据目前现有技术的扭杆系统相关国内外标准，扭杆系统部件主要以金属材料为主，以EN 15049和TB/T 3485《动车组抗侧滚扭杆》，相关的材料要求如下表1：

表1 抗侧滚扭杆系统的材料选用

本发明实施例

一种复合材料车辆抗侧滚扭杆，包括扭杆轴1、扭转臂2、支撑座3和垂向连杆4，扭转臂2安装在扭杆轴1上，所述扭杆轴1通过支撑轴7连接安装座3，垂向连杆4通过关节轴5与扭转臂2连接，扭杆轴1、垂向连杆4和支撑座3采用碳纤维增强环氧树脂，扭转臂2、扭杆轴1和支撑轴7采用环氧树脂粘结剂连接，并通过锥销6将扭杆轴1、扭转臂2和支撑轴7三个部件连接在一起，起到固定粘结，增加强度的作用。

一种复合材料的车辆抗侧滚扭杆制造方式，扭杆轴和垂向连杆，采用可融芯模8，在缠绕机9上通过机械张力器，将浸润了环氧树脂液体的长碳纤维逐层缠绕在模具上，进行固化后融模，再通过机械加工或打磨的方式改善缠绕表面质量。通过缠绕成型的方式制造空心的扭杆轴，扭杆轴的内外直径根据扭杆系统的整体强度、刚度的要求进行结构设计，其中内径为30mm，外径为80mm，长度为1200mm。

支撑座采用模压的纤维增强环氧树脂，根据产品的结构尺寸和安装接口的需要，设计专用的模压模具进行产品制造。

本发明主要使用碳纤维增强环氧树脂高分子复合材料替代扭杆轴，垂向连杆杆体，支撑座，其中扭杆轴和垂向连杆杆体采用缠绕的工艺，支撑座采用模压的工艺。

相关材料替代如表2所示：

表2 轻量化扭杆系统的材料替代和成型工艺

通过上述使用复合材料对金属部件的替代，将大大降低扭杆系统的整体重量，以目前在生产的模型外置式的扭杆系统为例，使用常规金属部件的重量达到了110kg，进行复合材料替代后，整体重量仅60kg，重量减轻45%。