一种锥形弹簧大幅度变刚度的方法及产品的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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】
[0008] 本发明要解决的技术问题是： 1. 解决整体垂向变刚度出现反S曲线，机车空载时，锥形弹簧垂向刚度过大，有造成 机车脱轨的风险，起不到应有的减振效果； 2. 实现机车在最大垂向载荷下，锥形弹簧仍能仅通过橡胶来支撑载荷，避免由金属和 橡胶共同支撑载荷时，锥形弹簧的减震、降噪效果变差； 3. 机车从空载到最大垂向载荷的过程中，锥形弹簧的橡胶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； 4. 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。
[0009] 针以上述问题，本发明提出的技术方案是：一种锥形弹簧大幅度变刚度的方法，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；橡胶体下端面分别与锥形 弹簧的内锥体和外锥体连接，且橡胶体从与橡胶体内锥体处到与外锥体连接是逐步上升趋 势走向；其特点在于，内锥体底部向外伸出有凸台，在橡胶体下移到橡胶体下端面抵触到凸 台后，通过内锥体底部向外伸出的凸台与外椎体内侧的双重约束配合产生大幅度变刚度。
[0010] 进一步地，所述通过内锥体底部向外伸出的凸台与外椎体内侧的双重约束配合产 生大幅度变刚度是在垂向载荷作用下，橡胶体下端面同时与外椎体内侧和内椎体下部外凸 的凸台通过滚动方式逐渐贴紧，实现大幅度变刚度。
[0011] 进一步地，所述凸台的上表面为多段式结构，每一段之间用圆弧过渡，通过调整凸 台每一段的形状、斜率、长度和外椎体内侧的张开角度，调整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。
[0012] 进一步地，所述凸台的上表面多段式结构中，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。
[0013] 进一步地，所述多段上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。
[0014] 进一步地，所述直线段组合是二段直线段组合，其中，第一直线段的长度为5-8_， 第一直线段与锥形弹簧轴线的夹角为86-88度；第二直线段的长度为49-52mm，第二直线段 与锥形弹簧轴线的夹角为9-11度。
[0015] 进一步地，所述橡胶体的下端面的环形圆角段的圆角半径为15-25_。
[0016] 一种实现上述锥形弹簧大幅度变刚度方法的锥形弹簧，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；橡胶体下端面分别与锥形弹簧的内锥体和外锥体 连接，且橡胶体从与橡胶体内锥体处到与外锥体连接是逐步上升趋势走向；其特点在于，在 锥形弹簧内锥体的底部向外伸出有凸台，橡胶体在下移到橡胶体下端面抵触到凸台后，通 过内锥体底部向外伸出的凸台与外椎体内侧的双重约束配合产生大幅度变刚度。
[0017] 进一步地，所述凸台的上表面为多段式结构，每一段之间用圆弧过渡，通过调整凸 台每一段的形状、斜率、长度和外椎体内侧的张开角度，调整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。
[0018] 进一步地，所述凸台的上表面多段式结构中，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。
[0019] 进一步地，所述多段上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。
[0020] 进一步地，所述直线段组合是二段直线段组合，其中，第一直线段的长度为 49-52mm，第一直线段与锥形弹簧轴线的夹角为9-11度；第二直线段的长度为5-8mm，第二 直线段与锥形弹簧轴线的夹角为86-88度。
[0021] 进一步地，所述橡胶体的下端面的环形圆角段的圆角半径为15-25_。
[0022] 本发明的优点是： 1.橡胶体的下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。
[0023] 2.橡胶体的下端面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。
[0024] 3.橡胶体的下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。
[0025] 4.锥形弹簧能通过改变每