轨道交通车辆用组合实心车轮及其刚度设计方法与流程

本发明涉及一种轨道交通车辆用组合实心车轮及其刚度设计方法，属于轨道交通车辆用组合实心车轮制造领域。

背景技术：

随着轨道交通立体发展，越来越多的企业投入到跨坐式单轨、空轨车、磁悬浮等车辆的研发，传统的钢轮结构已经不能满足轨道交通的发展需求，低磨耗、低噪音、低故障以及低成本的实心车轮将越来越受到行业的关注。实心车轮产品在轨道交通车辆运行过程中，根据安装位置和设计功能的不同，可以实现承载、减振和导向等作用。为了保证车辆运行的可靠性和舒适性，要求实心车轮具有合适外形尺寸和橡胶层厚度。

实心轮胎中的金属轮毂直接与车轴等部件安装连接，是主要承载部件，既要保证车辆的运行可靠性，又要保证在有限的条件下易于更换，因此，车轴与轮毂的连接至关重要，现有连接大部分采用轴加键槽的方式，装配耗时且配合精度高。实心轮胎中的橡胶层是实现减振功能的核心层，一般通过调节橡胶层的设计厚度来满足不同车辆运行性能的需求，衰减轨道面传递到转向架的振动。

现有的实心车轮技术方案大多为电动代步车、自行车、玩具车等轻载低速设计，应用于轨道交通的实心车轮需要重载和能够实现中速或高速要求，目前的实现方式主要有两种：1、普通的橡胶与轮毂粘接式结构，虽然可以实现承载、减震和导向等作用，但对于大型产品来说，对硫化模具和成形机台设备的要求非常高，产品开发成本投入风险大。而且由于轮毂与橡胶粘结成一体，只要轮毂或橡胶任何部位出现破坏（如开胶，鼓包），就会导致整个产品的报废，产品拆卸更换困难，维护成本高。2、采用外轮橡胶和轮毂组装方式，由于橡胶（或非金属材料）具有应力松弛和蠕变特性，在周而复始的重载转动过程中，容易导致外轮橡胶和轮毂分离，产生间隙，导致车辆运行不平稳，橡胶破损后或松弛后，安装螺栓极易变成破坏轨道因素且螺栓松动，给车辆运行带来不安全因素，且当车轮承受横向载荷时，连接螺栓容易承受剪切力，横向承载可靠性低。同时轮毂与车轴采用轴与键槽的连接方式，拆卸受空间限制，操作困难。

申请号201620571638.5公开了一种可更换耐磨橡胶的实心轮胎，其包括轮辋和两个轮胎侧体，轮胎侧体平行设置在轮辋两侧，在两个轮胎侧体之间设计有耐磨轮胎安装槽，安装槽中间安装有多个耐磨橡胶活块。该方案耐磨橡胶活块承载宽度小，仅适用于小承载工况车辆，不适用于高承载轨道交通车辆，且其采取分块式耐磨橡胶活块也会由于其同轴度公差过大导致在运行过程中给车辆其它部件带来周期性的激励频率，带来不可控的运行风险。

申请号201410056246.0公开了一种实心轮胎拆装及防脱胎结构，包括实心轮胎与轮辋，实心轮胎安装在轮辋上，通过胎圈座上的的止动块与实心轮胎上预留的配合卡槽进行固定及防止脱胎。该种方案在车轮长期使用过程中由于橡胶的蠕变及压缩永久变形等特性会导致实心轮胎卡槽扩展，止动块与卡槽配合松弛，带来车辆运行风险。

申请号201720090517.3公开了一种结构可靠地易装配实心轮胎，包括钢圈与橡胶的硫化轮胎及连接盘。该方案橡胶轮胎的骨架结构较为复杂，开发成本及周期代价高，后期更换维护成本高。

技术实现要素：

本发明提供的轨道交通车辆用组合实心车轮，组合结构简单可靠，易于组装和更换，可实现车轮在承载过程中的非线性径向刚度，提高车辆的乘座舒适感，且具有止挡限位功能，可实现车轮的径向变形限位，提高车辆运行的安全性和可靠性。本发明还提供一种轨道交通车辆用组合实心车轮的刚度设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

轨道交通车辆用组合实心车轮，其特征在于包括由内层金属和外层橡胶硫化而成的车轮硫化体和可与车轴配合安装的法兰连接盘，所述车轮硫化体的数量为两个且同轴对齐设置，法兰连接盘夹在两个车轮硫化体之间，且与车轮硫化体可拆卸连接，所述的法兰连接盘的外径小于车轮硫化体的外径，且法兰连接盘伸入至两个车轮硫化体的橡胶层之间。

优选的，所述的车轮硫化体由内层金属环和硫化在内层金属环上的外层橡胶层组成，内层金属环与法兰连接盘固接，法兰连接盘的外径大于内层金属环的外径，小于外层橡胶层的外径。

优选的，所述的法兰连接盘由可与车轴配合安装的中间筒和设置在中间筒外周的连接盘组成，车轮硫化体与连接盘通过沿周向均匀间隔分布的连接螺栓连接。

优选的，所述的中圆筒与连接盘为一体成型结构，连接盘由内至外分为内环和连接环，连接环与车轮硫化体通过连接螺栓固定连接，连接环伸入至两个车轮硫化体的橡胶层之间。

优选的，所述中间筒、内环和连接环的轴向厚度依次减少。

优选的，所述的内环和连接环之间形成轴向台阶边缘，车轮硫化体的内端抵在轴向台阶边缘上。

优选的，所述的连接环与车轮硫化体的橡胶层不接触，在连接环与车轮硫化体的橡胶层之间形成轴向小间隙轴向小间隙的轴向宽度为1~10mm。

优选的，所述的连接环的外周面上硫化粘结有橡胶圈，所述的橡胶圈的外径小于车轮硫化体的外径，且橡胶圈的侧面与连接环侧面齐平，橡胶圈与车轮硫化体的外径差值大于轴向小间隙的轴向宽度。

以上所述的轨道交通车辆用组合实心车轮的刚度设计方法，其特征在于通过调整车轮硫化体的橡胶型面尺寸和法兰连接盘夹在两个车轮硫化体之间的厚度来调节所述轨道交通车辆用组合实心车轮在径向承载过程中的刚度变化。

优选的，“通过调整车轮硫化体的橡胶型面尺寸和法兰连接盘夹在两个车轮硫化体之间的厚度”是指调节轴向小间隙a的宽度，从而调节所述轨道交通车辆用组合实心车轮在径向承载过程线性刚度的斜率、从线性刚度过渡至非线性刚度的变刚度拐点和非线性刚度的曲率、斜率。

发明的有益效果是：

1、由车轮硫化体和法兰连接盘组装成实心车轮，法兰连接盘与车轴配合安装，车轮硫化体与法兰连接盘可卸拆连接，车轮硫化体的橡胶层失效后，可单独更换车轮硫化体，组合结构简单可靠，易于组装和更换，降低车轮维护的成本和劳动强度。

2、法兰连接盘伸入至两个车轮硫化体的橡胶层之间，在径向承载时，法兰连接盘与橡胶层的接触，可实现车轮在承载过程中的非线性径向刚度，提高车轮的减振性能，从而提高车辆的乘座舒适感。

3、法兰连接盘的外径小于车轮硫化体的外径，且法兰连接盘伸入至两个车轮硫化体的橡胶层之间，车轮硫化体径向变形过程中，法兰连接盘与轨道的刚性接触，可实现对车轮的径向变形限位，使车轮具有止挡限位功能，限制车轮硫化体的径向变形位移，防止车轮硫化体中的橡胶发生永久性压缩变形，车轮的使用寿命更长，使用可靠性更高，提高车辆运行的安全性和可靠性。

4、法兰连接盘在车轮硫化体橡胶失效的情况下，可起到临时车轮的作用，支撑车辆安全停车，并进行车轮硫化体的更换。

5、通过调整车轮硫化体的橡胶型面尺寸和法兰连接盘夹在两个车轮硫化体之间的厚度可以调节车轮在径向承载过程中的刚度变化，从满足不同路况下车轮的承载需求。

附图说明

图1为具体实施方式中轨道交通车辆用组合实心车轮的剖视图。

图2为轨道交通车辆用组合实心车轮半剖图。

图3为图1中c处的放大示意图。

图4为轨道交通车辆用组合实心车轮承载过程中的刚度变化曲线。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明的实施例做详细说明。

轨道交通车辆用组合实心车轮，其特征在于包括由内层金属和外层橡胶硫化而成的车轮硫化体1和可与车轴配合安装的法兰连接盘2，所述车轮硫化体1的数量为两个且同轴对齐设置，法兰连接盘2夹在两个车轮硫化体1之间，且与车轮硫化体1可拆卸连接，所述的法兰连接盘2的外径小于车轮硫化体1的外径，且法兰连接盘2伸入至两个车轮硫化体1的橡胶层之间。

如图1所示，法兰连接盘2左右两侧各连接一个车轮硫化体1组成实心车轮，由于车轮硫化体1的硫化体积更小，更易成型，而且在使用过程中，当车轮硫化体1需要更换时，可直接从法兰连接盘2下拆下车轮硫化体1进行更换，法兰连接盘2无需一同更换，可明显减小车轮的维护成本，并降低车轮维护的劳动强度。法兰连接盘2伸入至两个车轮硫化体1的橡胶层之间，在车轮承载过程中车轮硫化体1的橡胶层沿径向压缩向法兰连接盘2流动时，法兰连接盘2与橡胶的接触，可增大车轮的径向刚度，使承载过程中车轮的径向刚度呈非线性变化，提高车轮的减振效果，从而提高车辆的乘座舒适度。当车轮硫化体径向压缩，使法兰连接盘2直接与铁轨直接时，车轮的刚度达到最大值，对车轮硫化体1的径向变形进行限位，避免承载过大时，车轮硫化体1的橡胶挤伤，造成永久性变形，对车轮硫化体1进行保护，提高组合车轮的使用寿命和可靠性。

其中，所述的车轮硫化体1由内层金属环11和硫化在内层金属环11上的外层橡胶层12组成，内层金属环11与法兰连接盘2固接，法兰连接盘2的外径大于内层金属环11的外径，小于外层橡胶层12的外径。法兰连接盘2伸入至两个外层橡胶层12之间。

其中，述的法兰连接盘2由可与车轴配合安装的中间筒21和设置在中间筒21外周的连接盘22组成，车轮硫化体1与连接盘22通过沿周向均匀间隔分布的连接螺栓3连接。

所述的中圆筒21与连接盘22为一体成型结构，连接盘22由内至外分为内环22.1和连接环22.2，连接环22.2与车轮硫化体1通过连接螺栓3固定连接，连接环22.2伸入至两个车轮硫化体1的橡胶层之间。所述中间筒21、内环22.1和连接环22.2的轴向厚度依次减少。

如图所示，中间筒21的轴向厚度最大，提高中间筒21与车轴配装的强度，可有效防止法兰连接盘2变形，内环22.1是连接筒21与连接环22.2之间的过渡，可保证法兰连接盘2的强度，连接环22.2的轴向厚度最小，不会增大组合车轮的厚度，确保车轮的体积不受组合配装的影响。

其中，所述的内环22.1和连接环22.2之间形成轴向台阶边缘a，车轮硫化体1的内端抵在轴向台阶边缘a上，使车轮硫化体1与法兰连接盘2径向限位配合，保证使用过程中，两者之间不会发生径向移位，提高车轮的结构稳定性和可靠性。

其中，所述的连接环22.2与车轮硫化体1的橡胶层不接触，在连接环22.3与车轮硫化体1的橡胶层之间形成轴向小间隙b，轴向小间隙b的轴向宽度为1~10mm。车轮承载过程中，当车轮硫化体1的橡胶层与连接环22.2接触之前，车轮的刚度呈线性变化，如图4中的l1,当车轮硫化体1的橡胶层与连接环22.2接触时，产生变刚度拐点，如图4中的s1，之后车轮的刚度呈曲线变化，如图4中的l2，因此对向小间隙b轴向宽度的调整，可调节车轮的线性刚度的斜率，即l1的斜率、变刚度拐点在整个刚度变化曲线中出现的位置，即s1在整个刚度变化曲线中的位置、曲线刚度的曲率和斜率，即l1的曲率和斜率，从而满足不同工况对车轮的承载要求。

其中，所述的连接环22.2的外周面上硫化粘结有橡胶圈22.3，所述的橡胶圈22.3的外径小于车轮硫化体1的外径，且橡胶圈22.3的侧面与连接环22.2侧面齐平，橡胶圈22.3与车轮硫化体1的外径差值大于轴向小间隙b的轴向宽度。车轮承载过程中，车轮硫化体1的橡胶层变形先与连接环22.2接触，形成承载过程中的第一个变刚度拐点，即图4中的s1，车轮硫化体1的橡胶层继续受压时，橡胶圈22.3就会与铁轨接触，形成承载过程中的第二个变刚度拐点，即图4中的s2，使车轮的径向刚度瞬时增大，当橡胶圈22.3压缩使连接环22.2与铁轨刚性接触时，车轮的刚度达到最大值，实现硬止挡功能，限制车轮硫化体1的橡胶继续径向压缩。因此橡胶圈22.3的加入实现了车轮的二次变刚度，在实际结构中可根据的运行路况和实际承载需求来设计橡胶圈22.3，以满足不同运行工况中车轮的减振承载需求。

以上所述的轨道交通车辆用组合实心车轮的刚度设计方法，其特征在于通过调整车轮硫化体1的橡胶型面尺寸和法兰连接盘2夹在两个车轮硫化体1之间的厚度来调节所述轨道交通车辆用组合实心车轮在径向承载过程中的刚度变化。

“通过调整车轮硫化体1的橡胶型面尺寸和法兰连接盘2夹在两个车轮硫化体1之间的厚度”是指调节轴向小间隙b的宽度，从而调节所述轨道交通车辆用组合实心车轮在径向承载过程线性刚度的斜率、从线性刚度过渡至非线性刚度的变刚度拐点和非线性刚度的曲率、斜率。

从图3中可以看出，通过调整车轮硫化体1的橡胶型面尺寸和连接环22.2的厚度，即可调节轴向小间隙b的宽度，从而实现对车轮承载过程中刚度变化的调节，车轮承载过程中，当车轮硫化体1的橡胶层与连接环22.2接触之间，车轮的刚度呈线性变化，如图4中的l1,当车轮硫化体1的橡胶层与连接环22.2接触时，产生变刚度拐点，如图4中的s1，之后车轮的刚度呈曲线变化，如图4中的l2，因此轴向小间隙b的轴向宽度的调整，可调节车轮的线性刚度的斜率，即l1的斜率、变刚度拐点在整个刚度变化曲线中出现的位置，即s1在整个刚度变化曲线中的位置、曲线刚度的曲率和斜率，即l1的曲率和斜率，从而满足不同工况对车轮的承载要求。

以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。