一种转臂节点及提高抗冲击载荷的方法与流程

本发明涉及轨道车辆部件制造技术领域，尤其涉及一种转臂节点及提高抗冲击载荷的方法。

背景技术：

转臂式轴箱定位方式是一种传统的轴箱定位方式,广泛地应用于轻轨、地铁、普通客车和高速动车组转向架。一系转臂的一端与圆筒形的轴箱体固接，另一端通过与焊接在构架上的安装座相连接,实现车辆的纵向和横向定位，传递轮对与构架之间的纵向力和横向力。

轨道车辆在高速行驶中不仅会产生纵向和横向冲击，还会产生很大的垂向冲击，而现有的转臂节点存在纵向刚度和偏转刚度过大，不能够有效的缓解垂向冲击载荷，导致转臂节点在正常工作状态下容易出现疲劳，因此转臂节点的疲劳性能达不到要求，同时影响一系悬挂系统的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术所存在的缺陷，提出了一种转臂节点及提高抗冲击载荷的方法，使得转臂节点同时具有减振、阻尼和惯容的功能，满足了轨道车辆一系悬挂系统抗冲击载荷的需求。

为实现上述目的，本发明第一方面，提供了一种转臂节点，所述转臂节点包括芯轴、弹性层、内套、惯容器和外套；

所述芯轴的侧壁上开设有盲孔；所述弹性层设置在所述芯轴的中间段侧壁的外侧，所述弹性层上开设有第一通孔，与所述盲孔相联通；所述内套设置在所述弹性层的外侧，所述内套上开设有第二通孔，与所述第一通孔相联通；所述惯容器容置在所述盲孔中，并且所述惯容器的底部与所述芯轴相固定，所述惯容器的顶部与所述内套相固定；所述惯容器包括设置在底部的第一球铰、设置在顶部的第二球铰、与所述第二球铰连接的滚珠丝杆和飞轮；所述外套通过过盈配合嵌套在所述内套外侧；

当车辆受到冲击载荷时，冲击作用力通过所述芯轴传递至所述惯容器的底部，同时通过所述芯轴、弹性层和内套传递至所述惯容器的顶部；在所述弹性层的缓冲下使得作用在惯容器的顶部和底部的力不同，产生不同的加速度，使得所述顶部与底部之间的间距发生变化，并通过所述滚珠丝杆将所受作用力传导至所述飞轮，使得所述飞轮发生旋转，用以释放所述车辆受到的冲击载荷。

优选的，所述惯容器还包括：第一球铰支座、两个轴承、第二球铰支座和外壳；

所述第一球铰支座与所述芯轴螺栓连接；所述第一球铰与所述第一球铰支座间隙配合连接，且所述第一球铰的底部与所述芯轴抵顶；

所述两个轴承与所述滚珠丝杆同轴设置，且分别设置在所述飞轮的顶部和底部；

所述外壳与所述滚珠丝杆同轴设置，所述飞轮和所述轴承容置在所述外壳的内腔中；所述外壳的底端与所述第一球铰的顶部连接；

所述第二球铰支座与所述内套固定；所述第二球铰通过间隙配合容置在所述第二球铰支座内。

优选的，所述第二通孔为阶梯孔；

所述第二球铰支座设置在所述阶梯孔内。

优选的，所述外壳的内部设置有限位机构；

所述限位机构用于限制所述滚珠丝杆的轴向移动。

本发明第二方面，提供了一种提高抗冲击载荷的方法，所述方法包括：

在车辆的一系悬挂系统中，一系转臂的一端设置上述第一方面所述的转臂节点；

当车辆受到冲击载荷时，冲击作用力通过芯轴传递至惯容器的底部，同时通过芯轴、弹性层和内套传递至惯容器的顶部；在弹性层的缓冲下使得作用在惯容器的顶部和底部的力不同，产生不同的加速度，使得所述顶部与底部之间的间距发生变化，并通过连接在所述顶部的惯容器的滚珠丝杆将所受作用力传导至惯容器的飞轮，使得所述飞轮发生旋转，用以释放所述车辆受到的冲击载荷。

优选的，所述方法还包括：

确定所述转臂节点的参数；所述参数包括：转臂节点的垂向刚度、横向刚度、扭转刚度、偏转刚度和纵向刚度。

进一步优选的，所述确定所述转臂节点的参数具体包括：

根据转臂长度和一系钢弹簧的垂向位移，计算所述转臂节点的扭转角度；根据所述转臂长度和所述一系钢弹簧的横向位移，计算所述转臂节点的偏转角度；

根据车辆的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷，计算所述转臂节点的垂向刚度、横向刚度、纵向刚度、偏转刚度和扭转刚度；

结合预设的弹性层的型面尺寸、芯轴的尺寸和外套的尺寸，通过有限元仿真分析，得到修正后的所述转臂节点的垂向刚度、横向刚度、扭转刚度、偏转刚度和纵向刚度。

优选的，所述方法还包括：确定所述惯容器的惯容系数。

进一步优选的，所述确定所述惯容器的惯容系数具体包括：

根据预设的盲孔的深度，确定所述滚珠丝杆的长度；

根据所述滚珠丝杆的直径，确定所述飞轮的内直径；

根据预设的盲孔的直径，确定所述飞轮的外直径；

结合飞轮的质量、所述滚珠丝杆的长度以及飞轮的内直径和外直径，计算所述惯容器的惯容系数。

本发明实施例提供的一种转臂节点，由芯轴、弹性层、内套、惯容器和外套等部件构成，弹性层的设置使得转臂节点具有减振功能和阻尼功能。惯容器的设置使得转臂节点具有惯容功能。第一球铰和第二球铰的设置，使得惯容器可以发生垂向、纵向、横向、偏转以及扭转运动。惯容器的顶部与内套固定，底部与芯轴固定，当车辆受到冲击载荷时，冲击作用力通过芯轴传递至惯容器的顶部，同时通过芯轴、弹性层和内套传递至所述惯容器的顶部，由于弹性层是弹性部件，使得传递至惯容器的顶部的力减小，从而惯容器的顶部和底部的力不一样，产生了不同的加速度，并且弹性层的弹性伸缩使得惯容器的顶部和底部之间的间距发生了变化，进而通过惯容器的滚珠丝杆将直线运动转化为飞轮的高速旋转运动，从而将动能转化为热能，释放了车辆受到的冲击载荷，提高了转臂节点抗冲击载荷的能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的转臂节点结构图；

图2为本发明实施例提供的惯容器结构图；

图3为本发明实施例提供的提高抗冲击载荷的方法流程图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供的转臂节点，应用在车辆的一系悬挂中，具体设置在一系转臂的一端，与焊接在车辆构架上的安装座相连接，传递轮对与构架之间的纵向力和横向力。

图1为本发明实施例提供的转臂节点结构图，下面结合图1，对该转臂节点进行说明。

如图1中所示，转臂节点包括芯轴1、弹性层2、内套3、惯容器4和外套5。

芯轴1包括一体设置的两个安装段11和中间段12，其中，中间段12的直径大于安装段11的直径。安装段11用于转臂节点与构架安装座之间的连接。中间段12的侧壁上开设有盲孔121。在一个具体的例子中，盲孔121的直径具体为50mm。盲孔121的深度小于中间段12的直径。

弹性层2是转臂节点中具有弹性伸缩的部件，使得转臂节点具有减震功能和阻尼功能。弹性层2上开设有第一通孔21。弹性层2设置在芯轴1的中间段12侧壁的外侧，第一通孔21与盲孔121相联通。在一个具体的例子中，弹性层优选橡胶材料制成。

内套3上开设有第二通孔(图中未示出)。在一个具体的例中，第二通孔可以为阶梯孔。内套3设置在弹性层2的外侧。第二通孔与第一通孔21相联通。

其中，芯轴1、弹性层2和内套3经过硫化工艺硫化为一体。

图2为本发明实施例提供的惯容器结构图，如图2中所示，惯容器4采用纯机械式的结构。具体包括第一球铰41、第二球铰42、滚珠丝杆43和飞轮44。

第一球铰41设置在惯容器4的底部。

第二球铰42设置在惯容器4的顶部。第一球铰41和第二球铰42的设置，使得惯容器4可发生垂向、横向、纵向、偏转以及扭转运动。

滚珠丝杆43的一端与第二球铰42连接。具体可以采用焊接或者螺栓连接。

飞轮44与滚珠丝杆43同轴设置。

在一个优选的方案中，惯容器4还包括：第一球铰支座45、两个轴承46、第二球铰支座47和外壳48。

第一球铰支座45位于惯容器4的底部，第一球铰41与第一球铰支座45间隙配合连接。

两个轴承46与滚珠丝杆43同轴设置，且分别设置在飞轮44的顶部和底部。

外壳48与滚珠丝杆43同轴设置，飞轮44和轴承46容置在外壳48的内腔中，使得惯容器4的结构紧凑，方便安装。在一个优选的例子中，为限制滚珠丝杆43的轴向移动，外壳48的内部设置有限位机构481。外壳48的底端与第一球铰41的顶部连接，具体可以采用焊接或者螺栓连接。

第二球铰支座47设置在惯容器4的顶部。在一个可选的例子中，第二球铰支座47包括第二球铰底座471和第二球铰压座472。第二球铰42通过间隙配合容置在第二球铰底座471内，并且通过第二球铰压座472将其压紧，防止第二球铰42与第二球铰底座471的分离。

再如图1中所示，惯容器4容置在盲孔121中，并且惯容器4的底部通过第一球铰支座45与芯轴1采用螺栓固定。第一球铰41的底部与芯轴1抵顶。第二球铰支座47设置在阶梯孔内，通过螺栓连接的方式实现了惯容器4的顶部与内套3的固定。

外套5通过过盈配合嵌套在内套3的外侧。

以上介绍了转臂节点的各个组成部件、连接关系，下面介绍该转臂节点的工作原理。

当车辆受到冲击载荷时，冲击作用力通过芯轴1传递至惯容器4的底部，由于惯容器4的底部与芯轴1相固定，所以惯容器4的底部受到芯轴1传导的第一作用力，由此产生第一加速度；同时冲击作用力通过芯轴1、弹性层2和内套3传递至惯容器4的顶部；因为弹性层2是弹性部件，具有缓冲作用，所以芯轴1传导的第一作用力通过弹性层2减小为第二作用力；由于外套5与内套3之间过盈配合，所以内套3与外套5受到的第二作用力相同；又由于惯容器4的顶部与内套3相固定，第二作用力作用在惯容器4的顶部，由此产生小于第一加速度的第二加速度，从而惯容器4的顶部和底部的加速度不同，使得顶部与底部之间的间距发生变化，并通过滚珠丝杆43将所受作用力传导至飞轮44，使得飞轮44发生旋转，进而将直线运动转化为高速旋转运动，从而将垂向的冲击能量转变为飞轮44的动能，最终转变为热量以释放车辆受到的冲击载荷。由于第一球铰41和第二球铰42在受到冲击载荷时，可以在第一作用力和第二作用力的作用下发生垂向、横向、纵向、偏转以及扭转，从而使得惯容器4可以实现垂向、横向、纵向、偏转以及扭转运动。当冲击载荷消失的时候，飞轮44与两个轴承46的摩擦力使得飞轮44停止旋转。

以上介绍了转臂节点的各个组成部件、连接关系和工作原理，下面结合图3详细说明该转臂节点提高抗冲击载荷的方法。

步骤101，在车辆的一系悬挂系统中，一系转臂的一端设置转臂节点；

当车辆受到冲击载荷时，冲击作用力通过芯轴传递至惯容器的底部，同时通过芯轴、弹性层和内套传递至惯容器的顶部；在弹性层的缓冲下使得作用在惯容器的顶部和底部的力不同，产生不同的加速度，使得顶部与底部之间的间距发生变化，并通过滚珠丝杆将所受作用力传导至飞轮，使得飞轮发生旋转，用以释放车辆受到的冲击载荷。

步骤102，确定转臂节点的参数；

具体的，转臂节点的参数包括：转臂节点的垂向刚度、横向刚度、扭转刚度、偏转刚度和纵向刚度。

进一步具体的，根据转臂长度和一系钢弹簧的垂向位移，计算转臂节点的扭转角度；根据转臂长度和一系钢弹簧的横向位移，计算转臂节点的偏转角度；垂向位移、横向位移可通过几何关系换算得到。

根据车辆的垂向载荷、横向载荷和纵向载荷，计算转臂节点的垂向刚度、横向刚度、纵向刚度、偏转刚度和扭转刚度；载荷是根据车辆的重量得到的，因此垂向载荷、横向载荷和纵向载荷都是已知量。

更具体的，垂向刚度＝垂向载荷/垂向位移；横向刚度＝横向载荷/横向位移；纵向刚度＝纵向载荷/纵向位移；偏转刚度＝偏转扭矩/偏转角；扭转刚度＝扭转扭矩/扭转角；其中，偏转扭矩是根据横向位移与对应的偏转扭臂得出的，同理，扭转扭矩是根据横向位移与对应的扭转扭臂得出的，偏转扭臂和扭转扭臂可以近似看做转臂的长度。

结合预设的弹性层的型面尺寸、芯轴的尺寸和外套的尺寸，通过有限元仿真分析，得到修正后的转臂节点的垂向刚度、横向刚度、扭转刚度、偏转刚度和纵向刚度。

步骤103，确定惯容器的惯容系数。

由以上论述可知，滚珠丝杆将直线运动转化为飞轮的高速旋转运动，将垂向加速度转换为旋转加速度，由于飞轮转动惯量的存在，将产生惯性作用力。又由于飞轮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。那么，惯容器内置在转臂节点中，实现惯容系数与内套和芯轴的加速度匹配是非常关键的。

具体的，根据预设的盲孔的深度，确定滚珠丝杆的长度；

根据滚珠丝杆的直径，确定飞轮的内直径；

根据预设的盲孔的直径，确定飞轮的外直径；

结合飞轮的质量、滚珠丝杆的长度以及飞轮的内直径和外直径，计算惯容器的惯容系数。

进一步具体的，

当车辆受到冲击载荷时，由于弹性层的缓冲作用，使得传递至芯轴和内套的冲击作用力大小不同，从而使得惯容器的顶部和底部的加速度不同。惯容器出力可以用以下公式计算：

进一步，得到：

其中，mi为惯容器的惯容系数，ld滚珠丝杆的长度，r0为飞轮的外直径，ri为飞轮的内直径，m0为飞轮的质量，i为转动惯量。

由此，在保证转臂节点的刚度特性基础上，又不改变转臂节点的外部尺寸的条件下，通过确定内置惯容器的惯容系数，实现了惯容器的惯容系数与内套和芯轴的加速度匹配，从而实现了转臂节点刚度特性和惯容器的匹配，提高了转臂节点抗冲击载荷的能力。

本发明实施例提供的一种转臂节点及抗冲击载荷的方法，该转臂节点由芯轴、弹性层、内套、惯容器和外套等部件构成，弹性层的设置使得转臂节点具有减振功能和阻尼功能。惯容器的设置使得转臂节点具有惯容功能。第一球铰和第二球铰的设置，使得惯容器可以发生垂向、纵向、横向、偏转以及扭转运动。惯容器的顶部与内套固定，底部与芯轴固定，当车辆受到冲击载荷时，冲击作用力通过芯轴传递至惯容器的顶部，同时通过芯轴、弹性层和内套传递至所述惯容器的顶部，由于弹性层是弹性部件，使得传递至惯容器的顶部的力减小，从而惯容器的顶部和底部的力不一样，产生了不同的加速度，并且弹性层的弹性伸缩使得惯容器的顶部和底部之间的间距发生了变化，进而通过惯容器的滚珠丝杆将直线运动转化为飞轮的高速旋转运动，从而将动能转化为热能，释放了车辆受到的冲击载荷，提高了转臂节点抗冲击载荷的能力。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。