铁路货车转向架悬架偏转稳定器及相应的方法

专利名称：铁路货车转向架悬架偏转稳定器及相应的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在铁路铁轨上承载铁路货车的铁路货车转向架悬架，更具体地说，涉及一种用于减缓在较高速度及较低速度下因使用传统设计的铁路货车转向架而产生的有害效应的构件，其中高速是指速度超过80kmh(公里/小时)或50mph(英里/小时)，低速则是指在过度偏转呈关键问题的弯道处速度低于40kmh或25mph。
背景技术：
一典型的铁路货车配备有一对位于货车的对置端的转向架用来支撑其车体。此转向架配备有一对轮副，其中每一轮副均包括一轴、一对间隔的车轮及安装在每一轴端的一锥形滚柱轴承总成，且转向架通过枢轴连接到货车的车体，以使货车的转向架能够弯曲。传统的转向架被称作“三件式转向架”，其包括一对纵向侧架，一对轮副在这些侧架的对置端之间延伸。“纵向”是指转向架沿铁轨移动的方向，或者铁轨延伸的方向。这些轮副枢轴连接而围绕一水平轴线旋转，从而使转向架能够沿铁轨滚动。这些侧架通过承梁而互连，该承梁通过插穿过每一侧架中的一称作“窗形开口”的直通式窗孔而固定在每一侧架上。在静止的货车转向架中，承梁的中心横向轴线基本上与侧架的纵向中心轴线成直角。承梁的各端支撑在每一侧架中的一组弹簧上，以便承纳垂直载荷及在较低程度上承纳横向载荷，该等弹簧被安置在侧架上的弹簧座内。承梁以可转动方式连接至货车车体，以提供车体与转向架之间所需的连接。该承梁可根据承梁所承受的载荷而相对于车架垂直移位，但承梁的横向位移却受到从承梁突出的垂直耳状件(称作“承梁夹条”)的限制。承梁与侧架之间的界面包括多个弹簧加载楔形件(“摩擦式楔形件”)，该等弹簧加载楔形件可固定承梁的纵向移动，并在较低程度上控制承梁与侧架之间的垂直和横向运动以及旋转运动。
由于摩擦式楔形件能够允许纵向力、旋转力和/或扭矩从侧架传递到承梁，因而当超过承梁与车体之间因摩擦而产生的阻力时，这些力在承梁每一端存在的任何值差都会导致承梁在水平面内转动。除了承梁的此种运动外，如果由转向架一侧上的一对轮副一侧上的第一对车轮所引起的施加在承梁的弹簧支撑端上的垂直力的值出现任何不平衡，都会导致卸除承梁另一端的载荷，由此该另一端将相对于转向架相对侧上的轮副的第二对车轮发生垂直运动。这种对垂直运动的适应使转向架能够在不平坦的轨道上行驶，并在转向架中四个车轮之间保持较佳的载荷分布。
尽管传统转向架的侧架提供非常刚性的纵向约束而使各个轮副保持相互平行，然而，传统设计却不能有效地使这些轮副在水平面中的横向方向上保持对准。在直轨道上以高于80kmh的高速度行驶及在弯曲轨道上以低于40kmh的低速度行驶时在车轮与铁轨之间产生的强加横向载荷势必会使侧架绕承梁的端部旋转，从而使轮副欠对准或使转向架翘曲。
首先，较高速度下的影响为当存在翘曲或轮副虽仍保持相互平行但不垂直于侧架时的同相偏转位移时，这个问题加剧。这种同相偏转位移通常称作“菱形化”，并且会造成两种不良的特征。首先，可能会出现一种称作“摆动”的不稳定状态，在该种不稳定状态中，因受到车轮与铁轨的反作用，会激励偏转位移以持续振荡方式出现。此运动会促使车轮与铁轨的极度磨损，并致使高冲击力传递到铁轨及车体，且在极端情况下能导致车辆脱轨。
第二种影响出现在弯道处。当车辆在半径小至足以使前轮副与外侧铁轨发生凸缘接触的弯道上行驶时，轮副会受到一偏转扭矩，该偏转扭矩会使轮副朝外侧铁轨偏转。这会在前轴与铁轨之间形成极大的迎角，众所周知，这种极大的迎角会造成较高程度的磨损及噪声，同时会形成较高的力度并可能导致脱轨。
此前，一种解决此“菱形化”现象的方案是使用具有刚性H车架的转向架。在此种类型的构造中，承梁与侧架构成一整体，因而在侧架之间不会出现纵向(铁轨方向上的)相对位移。此等车架往往太硬，以致于其承纳各轴之间垂直移动的能力不太好，同时，已证明这种刚性会导致临界速度相对低，也就是说，出现不稳定状态的速度通常低于80kmh。
也曾有人建议使用两个在侧架之间在对角线方向上延伸和/或在其相交处彼此栓接和/或焊接的撑条。由于这种构造具有较高的抗翘曲刚度且刚性不强，因而该结构可有效控制不稳定性并改善“转弯性”；然而，它会因振动所引起的疲劳而失灵。
在北美及其它沿用北美操作规范(North American practices)的国家中，为了满足各种重要的操作及经济要求，传统的铁路运输用三件式货车转向架已进行改造。货车转向架必须能够在多种轨道及运行状况下安全地支撑并平衡极高的车轮载荷，同时产生极高的经济价值水平。当前使用的三件式转向架正面临着日益增长的性能改良需求的挑战。2003年1月1日，美国铁路协会(“AAR”)颁布生效了一新的规范M-976-2002，即“轨道车用转向架性能规范(TruckPerformance Specifications For Rail Cars)”，其规定了所有货车转向架的性能要求，从而使得此种对更佳性能的需求达到了一个新的水平。大多数现有的货车转向架设计均不能满足新AAR规范的全部性能要求。其主要原因在于对良好垂直挠性的要求与对高轴间剪切刚度或转向架抗翘曲刚度的要求相互冲突。
货车转向架设计对正确选择悬架弹簧及摩擦阻尼器以及正确选择高于正常可用轴间剪切刚度的要求在20世纪70年代初期即已为人们知晓(参见AAR TrackTrain Dynamics Program Phase I & I)。为了满足垂直悬架要求，人们曾开发出具有较高阻尼力的较大摩擦阻尼楔形件(参见颁予Bullock等人的美国专利第5,511,489号)。为提高轴间剪切刚度，人们已在三件式货车转向架中增设了多种附加结构。这些尝试包括使用一弹簧板来连接转向架侧架的弹簧座(WeberPatents及List 4,483,253)、通过一个副车架直接彼此互连轮副(颁予List的美国专利第4,131,069号，及颁予Scheffel的美国专利第4,067,262号、第4,067,261号及第4,151,801号)及使用十字撑条系统彼此互连侧架(颁予Smith的美国专利第4,570,544号)。所有这些设计均可将轴间剪切刚度提高至适当水平(大于40,000磅/英寸)，而不会影响垂直悬架系统。然而，由于经济性因素及加强车架增加到货车转向架的附加重量，因而该等设计无一为铁路行业所广泛接受。
另一种用于增加转向架侧架与承梁之间偏转刚度的方法是使用一稳定杆或锚定器将承梁与侧架连接在一起(颁予Gilbert的美国专利第5,992,330号)。这种方法已在铁路机车及客车中使用了70余年。该等铁路车辆具有极低的净重皮重比率或从空载到承载状态的非常小的垂直弹簧挠变。然而，另一方面，铁路货车从空载到承载状态的重量变化很大，因而引起甚大的弹簧高度变化。因此，一固定长度的杆或锚定器无法适应从空载到承载货车状态的弹簧挠变所需的不同长度。
自20世纪70年代以来，用于提高轴间剪切刚度的习惯做法是通过改变摩擦式楔形件与转向架承梁凹腔及侧架柱的界面设计，提高侧架与转向架承梁之间的偏转阻力。此包括使用’489专利所述的更宽的摩擦式楔形件、更小的楔形件角度(颁予Taillon的美国专利第5,544,591号)及拼合楔形件等等。这些摩擦式楔形件设计方法在当前北美铁路业中使用的货车转向架中占统治地位。为满足新的AAR规范M-976-2002，最近的试验表明垂直悬架内为获得足够的轴间剪切阻力所需的楔嵌作用会妨碍垂直悬架系统适应所需规定轨道状况的柔性。

发明内容
本文所揭示的偏转稳定构件可提供一种用于提高侧架与承梁之间线性偏转刚度水平的轻质构件，以提供适当的轴间剪切刚度而不会影响垂直悬架系统所需的柔性。本发明不会明显增大铁路货车转向架总成的簧下重量，由此可改装用于当前正在使用的货车转向架或整合在新制造的转向架中。
本发明的目的是省去使用阻尼楔形件提高轴间剪切刚度的需要，并使楔形件控制垂直振动的功能最佳化。
稳定构件包括一“偏转轭”，该偏转轭包括一“枢轴杆”及一对相对设置的分叉弹簧臂。枢轴杆可在一固定在侧架的纵向中心轴线处的枢轴构件(较佳是一球形枢轴)上转动。该对分叉弹簧臂在贯穿该球形枢轴的纵向轴线的两侧上朝承梁延伸；其中一弹簧臂位于纵向轴线内侧的一位置处，称作“内侧弹簧臂”；由于该内侧弹簧臂位于转向架的内侧，因而从转向架外侧看不到它。另一弹簧臂位于纵向轴线外侧的一位置处，称作“外侧弹簧臂”。为将内侧弹簧臂在靠近承梁的端部但在转向架的内侧(侧架纵向轴线的内侧)处连接到承梁，该承梁配备有一焊接到承梁上的呈锚定短柱形式的锚定构件，该锚定短柱具有一“联接端”(例如，一钩状端或更佳为一环)以用于联接一链接构件之一端，其中该链接构件较佳是一“联接链环”(该联接链环称作“第一链环”)，例如一个通常在链条总成中用于起吊重物的联接链环。术语“链接构件”用于描述偏转稳定器中结构性元件的互连，而与其如何相连以用作一链环无关。该第一链环的另一端链接或联接至内侧弹簧臂的端部，与锚定短柱相似，该内侧弹簧臂的端部也配备有一联接端，例如一钩状端，或更佳为环。为将外侧弹簧臂连接至承梁，且较佳连接至侧架纵向轴线外侧的承梁端处，承梁配备有一可绕垂直摇臂销转动的摇臂。摇臂的一端配备有一联接一第二联接链环(该联接链环称作“第二链环”)的联接端；该第二链环的另一端联接至外侧弹簧臂的端部。该摇臂的另一端配备有一具有一Spiralock内螺纹并带有一螺栓和锁紧螺母的直通式通路，从而当抵靠承梁表面旋紧该螺栓(“预加载螺栓”)并使用锁紧螺母将该螺栓锁定在合适位置时，能够迫使摇臂的端部远离承梁表面。
该加载螺栓提供一用于实现最佳性能的关键功能——其可将枢轴杆的臂预加载至预定载荷以获得适当的转向架初始轴间抗剪切力及剪切率。此外，为获得适当的轮副间剪切弹簧刚性系数，贯穿一链接构件的垂直平面与贯穿该第一枢轴构件及固持在该枢轴杆的第一臂的端部内的该链接构件的一端的垂直平面成锐角。为提供一所需载荷，可对短柱锚定器的联接端实施定位，以便在指定的状况下使转向架达到最佳性能。熟悉此项技术者可计算出决定链环一端位置的联接端的位置。
在上述构造中，通过从转向架外侧扭转预加载螺栓，可轻松地对转向架的稳定构件实施调整。由于联接端在转向架内侧锚定短柱上的位置已固定，因而无需对转向架内侧的任何东西实施调整。


参阅下文的详细说明及随附的本发明较佳实施例的示意图，将最佳地了解本发明的上述及其它目的及优点，其中相同的参考数字指代相同的元件，其中图1是一转向架的一俯视平面示意图；图2是一沿横向观看的转向架的侧视立面示意图，其显示一对安装在一侧架的相对侧开口中的球形枢轴上的稳定构件(“稳定器”)；图3是一侧架及承梁的一部分的俯视平面图，其中该侧架的某些部分被切除，以便图示一对稳定构件在其中轮副的轴枢轴连接的侧架上的最佳对称布置，并显示用于对稳定器实施预加载的调整构件位于转向架的外侧(亦即侧架纵向中心轴线的外侧)；图4是图3的仰视平面图，其显示弹簧座中的悬架弹簧组及侧架每一侧上的弹簧臂的链接构件；图5是一详细立视图，其为穿过安装在一侧架的倾斜张力构件上的球形枢轴的中心垂直平面的局部剖视图；
图6是其中侧架及承梁的某些部分已被切除的放大详细平面图，其图示链接构件相对于一穿过球形枢轴及该链环紧固在一外侧弹簧臂端中的点的垂直平面成“锐角”关系；图7是连接至一承梁的一端的轭的等角视图，该承梁中插入有一对枢轴块，每一枢轴块具有一U形钩；每一U形钩中插入有一垂直销(图中仅显示一个销)；每一枢轴块中的水平凹槽限制一调整螺栓的端部的垂直运动；图8是一轭的等角视图，其中每一弹簧臂的内侧联接端及外侧联接端分别啮合在内侧及外侧短柱式锚定器内，该等内侧及外侧短柱式锚定器固定在侧架纵向中心线相对侧上的承梁上；每一短柱式锚定器均具有一联接端，以便联接一与弹簧臂共用的联接链环；图9是详细的等角视图，其显示一内侧短柱式锚定器及一内侧弹簧臂，该内侧短柱式锚定器及内侧弹簧臂分别具有一用于其联接端的环，该等环与一组合联接链环联接，该组合联接链环具有相同的半链环体，该等半链环体在其中一个相对于另一个旋转180°而位于同一平面中之后销接在一起；图10是详细的等角视图，其显示如何使用组合联接链环来联接两个环。
具体实施例方式
在使用中，铁路货车轮副具有大于零的有效圆锥度。在弯道中，在旋转速度相同的情况下，此使得轮副中的一个车轮能够具有一不同于其配对车轮的表面速度。然而，当铁路轮副中的一个车轮以与其匹配车轮不同的半径滚动时，会在该货车转向架上强加非方形化力矩或扭矩。此种非方形化力矩将使侧架在水平面内绕承梁的端部旋转。如果无法正确克服此种非方形化力矩，那么轮副将位于会导致出现脱轨的位置。除摩擦式楔形件所产生的恢复力矩外，在承梁与侧架之间基本不存在恢复力矩。
当侧架绕承梁的端旋转时，偏转稳定器可提供适当的线性恢复力矩。此处所用术语“线性”具有数学模型意义，因为不存在摩擦阻尼元件或间隙元件，而仅存在一弹簧。当此旋转开始时，连接至承梁的固定长度联接链环向内拉动偏转稳定器的每一弹簧臂。对弹簧臂的这种加载会导致在侧架与承梁之间产生适当的线性恢复力矩或扭矩。转向架翘曲时施加在承梁及侧架上的稳定力会稳定该转向架，从而使转向架能够以高达160km/hr(100mph)的任一速度行驶在相对标准轨道上，及以高达240km/hr(150mph)的任一速度行驶在特别准备的轨道上。
现在参见图式中的图1及图2，转向架20包括一对纵向侧架22-24，该对侧架22-24由一对轮副26-28支撑。其中，每一轮副均包括一对紧固至轴32的带凸缘的车轮30，轴32的各端均由一侧架22-24每一端的一侧架托架颚夹36中的滚柱轴承构件34支撑，以便该等轴可相对于侧架绕一大体水平的轴线旋转。较佳地，在每一滚柱轴承34与托架颚夹36之间放置一适配垫(adapter pad)37，以便为轴总成提供基本悬架并容许轮副在不平行的情况下作有限的受控运动。
承梁38在各侧架22-24之间延伸，并穿过每一侧架的中心部位内形成的一窗形开口40。承梁38的端被支撑在一弹簧总成42上，以容许承梁38与侧架22-24之间的垂直运动并压靠在位于承梁与窗形开口40的垂直柱状构件之间的凹腔内的摩擦式楔形件44上，从而可使承梁以一传统方式相对于侧架做垂直运动而非纵向运动。
上述是对传统铁路货车转向架的说明，典型的情况是，一前一后使用两个转向架来支撑铁路货车车体；较不典型的情况是，相邻铁路货车可共用转向架。本发明的偏转稳定总成(“稳定器”，一般以参考数字51标识)可用于稳定任一传统转向架中的偏转；最佳在每一侧架上使用一对稳定器51及52，该等稳定器包括在水平面及垂直面内均可进行预定程度转动的轭Y1及Y2，其中每一轭距侧架垂直中心线的间距均相等并基本上互为镜像关系。
偏转稳定器51包括可在一球形球枢轴53上转动的轭Y1，该球形枢轴53以刚性方式固定(例如焊接)在侧架24的一侧上，在该侧架的纵向中心线上，每一球形枢轴53均基本上与侧架及转向架的横向中心线等距离。可通过将球形枢轴53的基座紧固至一由倾斜抗拉构件62和垂直柱状构件63固定的球形枢轴支撑板总成64上而将球形枢轴安装在侧架开口60内；如图2所示，侧架开口60由伸长的垂直组件及成角度组件界定而成，这些组件包括上部抗压构件61、倾斜受拉杆件62及垂直柱状构件63。球形枢轴可安装在侧架的上表面上，但此时稳定器的几何形状远不如球形枢轴安装在侧架开口内时令人满意。一可用球形枢轴53与用在供轻型载重汽车(“轻运货车(pick-up truck)”)及运动型多功能车(SUV)使用的Class IV拖车连接件中的球形枢轴相似。
参见图5，如图所示，一轭Y1中包括一具有一凹面58的枢轴杆54，该凹面58适于配合接纳及紧密啮合球形枢轴53，以使枢轴杆54可绕复数个穿过球形枢轴中心上点“P1”的轴旋转。凹面58附近及弹簧臂55、55’之间的枢轴杆54中心部分的上表面59及下表面59’分别被碾磨过，以便分别紧密地固持在一保持夹的上臂45与下臂45’之间。该碾磨部分与保持夹的各臂均具有垂直对准的直通通道，螺栓46插入该直通通道中并借助螺母47紧固。保持夹的下臂45’的端部延伸到球形枢轴53下表面附近的干涉位置，以将该枢轴杆紧固在球形枢轴上。
如图3所示，每一枢轴杆54均具有一对较佳由弹簧钢(例如AISI 5160H)制成的弹簧臂55、55’，该对弹簧臂55、55’设计用于在弯曲情况下提供适当的弹簧刚性系数。外侧弹簧臂55及内侧弹簧臂55’分别具有钩状端56、56’，该等钩状端56、56’适于啮合承梁链环(例如具有固定长度的链条式“连续”链环)57、57’，其中该等链环分别在侧架24纵向中心线的相对侧上的位置处连接至承梁38。
图6以平面图更详细地显示较佳通过将一内侧短柱式锚定器71固定(例如焊接)到承梁上而将内侧弹簧臂55’连接至承梁38，该短柱式锚定器具有一啮合链环57’的一端的钩状端72；当链环57’的另一端在点“P2”(链环57’的内表面与钩状端56’的表面间的接触点)处啮合在弹簧臂55’的钩状端56’中时，对于任一特定转向架的规定状态而言，点P1与P2之间的距离是固定的。
图4是图3的仰视平面图，如图所示，由于可容易地接取摇臂80，由此可方便地对摇臂80实施调整，且不同于内侧弹簧臂55’与内侧锚定短柱71间的链环式连接，易于看到摇臂80与外侧弹簧臂55间的连接。
较佳通过将一枢轴块73固定(例如通过焊接)在承梁的开口端内部而将外侧弹簧臂55连接至承梁38，该枢轴块73具有一U形钩74，该U形钩74具有垂直对准的通孔76，一标准铁路制动销75可插入该等通孔76中。
图7是一对枢轴块73、73’的等角视图，该对枢轴块73、73’相对于承梁的横向中心线互成镜像，其中该对枢轴块中的每一枢轴块的尺寸均使其以可滑动方式紧密地插入承梁38的端部内并焊接在承梁38的端部上。每一枢轴块均包括U形钩74、74’，U形钩74、74’的定位允许制动销75被插入其臂中并为摇臂80提供一枢轴轴线。图中仅显示出摇臂80(另一与其成镜像关系定位的摇臂未图示)，且调整螺栓83的下端被固持在枢轴块73中的槽84内，以限制螺栓的垂直运动。槽84、84’(在枢轴块73’中)也可在弹簧臂被预加载时维持每一螺栓83(U形钩74’中的83’未图示)的位置。
摇臂80以可滑动方式插入并定位在U形钩74中，并以可转动方式设置在制动销75上。摇臂80的一端具有一钩81，该钩81适于啮合链环57的一端，链环57的另一端则啮合在弹簧臂55的钩状端56中。同样，U形钩74’还具有一与摇臂80成镜像关系定位的可调摇臂，以对承梁相对侧上的弹簧臂55’(未图示)实施预加载。
弹簧臂55’的钩状端56’通过链环57’链接到紧固在承梁上的内侧短柱式锚定器82，该锚定器具有一钩状端82’。在使用摇臂的钩状端81通过朝侧架的纵向中心线偏置弹簧臂55的钩状端56来对弹簧臂预加载之前，弹簧臂55’及短柱式锚定器82各自的钩状端56’及82’分别链接在一起。
返回图6，一条连接点P3与点P4的线L1界定了链环57的角取向，其中在点P3处，链环57一端的内表面接触钩状端56的表面，而在点P4处，链环57另一端的内表面接触钩状端81的表面。角取向须使一条穿过P3及P4的线与一条穿过P3及P1的线L2之间的夹角为一锐角θ，换言之，小于90°，较佳小于50°，这对于实现最佳性能而言至关重要。
为了保证弹簧臂的适当预加载，摇臂的另一端具有一螺纹孔，一调整螺栓83以螺合方式穿入该螺纹孔并借助锁紧螺母84锁定。螺栓83较佳具有一六方头，可通过旋动该六方头将螺栓端偏置抵靠在承梁端中的枢轴块73上，直到弹簧臂55及55’沿相反弯曲方向预加载到所需程度为止。制动销75的垂直轴线相对于侧架的纵向轴线横向偏移。
链环57及57’的组合长度的最佳使得球形枢轴的垂直位置位于链环在货车空载及承载状态下所处位置的中间；在此构造中，无论货车是在空载状态还是在承载状态下，该等链环均不会造成弹簧臂弯曲给定的悬架弹簧挠度。最小链环长度可通过如下方式确定将弹簧臂的偏转稳定器与其中心线的夹角保持不变，然后在球形枢轴53垂直位于货车空载与承载之间的中点附近的状态下，使用三角形余弦定律，以确定在空载及承载弹簧挠变下的链环长度。由于链环容许承梁与侧架之间存在必需的相对运动，因此对于预定的弹簧悬架来说，此最小长度不能有效地大致弯曲一弹簧臂。
当承梁因承梁弹簧组中的弹簧受压缩或受拉伸而出现垂直挠变时，一弹簧臂上的每一链环均会容许该弹簧臂垂直位移，且每一弹簧臂都会如此。最大压缩量取决于悬架弹簧不可压缩(即充当实心体的作用)时的高度。在此种构造中，由于承梁的上下运动，无论货车是承载还是空载，弹簧臂稳定杆或锚定器均将具有基本相同的挠变。
当预加载时，稳定器51由球形枢轴53及承梁链环57、57’中的张力支撑。一般而言，稳定器51的质量至少比弹簧臂预加载时小一百(100)倍。为防止破坏稳定器总成中的自然振动，此比率是必需的。
由于侧架弹簧座低于其在滚柱轴承上的支撑点，因此会在侧架上产生钟摆效应，此种钟摆效应会使承梁相对于侧架横向居中。偏转稳定器不会干扰此横向运动。偏转稳定器会通过在其支撑枢轴球上旋转而跟随承梁的横向位移，且在弹簧臂中产生的附加载荷极小。
为了在侧架与承梁之间提供适当的恢复力矩或扭矩，偏转稳定器的弹簧臂需要具有大于178千克/厘米(1000磅/英寸)的弯曲弹簧刚性系数。
尽管该等弹簧臂会因施加在货车转向架上的非方形化力矩而出现此种变形，然而垂直悬架仍能自由运动，而不会承受任何来自偏转稳定器的其他垂直载荷。
每一侧架上的该对偏转稳定器均可通过在垂直平面内的支撑球形枢轴上旋转而跟随转向架承梁的垂直位移。
据预计，安装在一货车转向架上的四个偏转稳定器将提供至少7142千克/厘米(40,000磅/英寸)的线性轴间剪切刚度。
现在，即可清楚看出，在一较佳实施例中，每一转向架转向架的偏转稳定构件包括一对稳定器，该对稳定器沿侧架的纵向轴线以基本上互成镜像关系的方式安装在每一侧架上，其中每一稳定器均具有两个朝承梁延伸的弹簧臂；一对沿一纵向轴线焊接到承梁上的内侧锚定短柱摇臂，其相对于转向架的横向中心轴线基本上互为镜像关系；一对沿一纵向轴线以可转动方式安装在承梁上的摇臂，其相对于转向架的横向中心轴线基本上互为镜像关系；及链接构件，其将每一摇臂连接至该稳定器的一臂。每一枢轴杆均均可转动，以容许其弹簧臂位移有限距离，以使一条穿过点P1及P3的线或一条穿过点P1及P2的线与平行于承梁横向中心轴线穿过点P1的横向线之间的夹角小于六十度(60°)。
在操作中，该对偏转稳定器不会使承梁与每一侧架之间的居中力产生任何变化，其原因是在承梁存在横向挠变(沿与侧架纵向中心轴线成直角的方向)的情况下，每一偏转稳定器均会在其各自的枢轴球上转动并且不会给该构造增加任何附加横向力。该双偏转稳定器可一起提高侧架与承梁之间的偏转刚度，而不会影响悬架系统或悬架系统中的摩擦阻尼。较佳地，球形枢轴在垂直方向上定位两点之间，在其中一点处链环在货车满载状态下被锚定至承梁，在另一点处链环在货车空载时被锚定至承梁。
然而，由于每一偏转稳定器的弹簧臂均借助链环在横向轴线的相对侧上附属在承梁上，因而在承梁与侧架之间存在净恢复扭矩或线性刚度。该恢复力是因相对于承梁及侧架的偏转而产生的，该偏转迫使每一偏转稳定器的弹簧臂(所有四个弹簧臂)被一起向内朝穿过枢轴构件及偏转稳定器的中心线拉动。为获得最佳性能，至关重要的是，通过朝侧架的纵向中心线偏置每一弹簧臂的远端(换言之，相向偏置)来预加载每一稳定器。预加载有助于在弹簧臂中储存能量，藉以抵抗轮副的横向位移。由于预加载力仅被施加在偏转稳定器内，因此该力对承梁的垂直运动或承梁相对于侧架的横向居中没有太大影响。
现在，可清楚看出，转向架上即使仅具有单个稳定构件，也会提供明显的偏转稳定性；而如果具有一对稳定构件，则无论该对稳定构件是装在同一侧架上还是其中一个稳定构件装在一个侧架上而另一稳定构件装在另一侧架上，均可实现更佳的稳定性；最佳情况是，转向架具有四个稳定构件，其中每一侧架上具有一对稳定构件。应意识到，存在每一转向架上的四个偏转稳定器中一个或一个以上偏转稳定器失效的统计可能性，然而，值得注意的是，这种失效所造成的损坏不会比失去失效稳定器所提供的益处的损失大；另外，由于在进行制动块所需的正常检查时可看到每一稳定器，因而易于当即发现此类失效。此外，本实施例使人们无需任何专用工具即可在任何“现场修理(RIP)”轨道设施处，或在“单点式”修理场中调整预加载荷和/或更换非焊接式稳定器组件。
应知道，摇臂及调整螺栓的功能可由以下构造取代使用一专门设计的电动、液压或气动工具对稳定器的弹簧臂实施预加载，并以一类似于内侧链环57’链接弹簧臂55’的钩状端56’的方式将外侧链环57附属在具有一钩状端89’的外侧短柱式锚定器89上，但此构造并不佳，因为此实施例将需使用专用工具来实施现场调整和/或组装，且在弹簧臂链接至承梁后，将不易于调整预加载程度。
参见图8，其中显示一对稳定器51及52(未图示)的轭Y1的等角视图，该对稳定器51及52位于一侧架(未图示)上并相对于承梁38的横向中心线互成镜像关系。每一轭均具有分别预加载到预定程度的外侧弹簧臂55及内侧弹簧臂55’，该预加载程度无法改变，除非改变链环57及57’的长度。如同前文所述，外侧弹簧臂55及内侧弹簧臂55’分别具有钩状端56及56’，其中每一链环57、57’的一端分别啮合，而每一链环的另一端则分别啮合在外侧短柱式锚定器89及内侧短柱式锚定器82的钩状端89’及82’中。外侧弹簧臂55在邻近钩状端56处具有一掣子87，而在内侧弹簧臂55’的钩状端56’附近具有另一掣子87’，该等掣子可紧固弹簧臂预加载器(未图示)等气动工具的钩状颚夹。
弹簧臂预加载器可由用于维护铁路货车的制动组件制成，在用于维护铁路货车的设施内，该等组件易于获得。预加载器包含一对名为25.4厘米×50.8厘米(在美国称作10″×20″)制动杠杆的标准铁路“制动杠杆”，该对制动杠杆由一长度约等于弹簧臂钩状端间距离的连接杆隔开；该连接杆称作“杆穿通式转向架杠杆连接器(rod-thru truck lever connector)”，且配置有标准制动销，其中在杆的每一端附近均具有一个销。该等制动销中的每一个均适合插入每一制动杠杆中的通孔中，每一通孔均设置在每一制动杠杆的纵向中心线上距一端约25.4厘米(10″)处，以使该杆穿通式杠杆连接器定位在侧架的偏转稳定器的钩状端正上方，并使该两个制动杠杆可旋转，以使其下端延伸到位于侧架开口内的弹簧臂的钩状端。每一10×20制动杠杆的下端均配置有一钩状颚夹，该等钩状颚夹互为镜像关系，并所设置的掣子中共同啮合一弹簧臂的相对端，从而当迫使该等颚夹彼此相向移动时，使弹簧臂受到压缩。为提供必需的压缩力，每一制动杠杆的上端均连接至直径为30.48厘米(12″)的标准铁路用气动气缸(较佳悬挂在便携式A字形框架上)臂的端部。当驱动气动气缸以驱使该等制动杠杆的端部相互离开时，制动杠杆的端部在制动销上转动，以迫使(制动杠杆下端上的)钩状颚夹彼此相向运动，从而压缩弹簧臂。
通常，首先，内侧弹簧臂55’将使具有预定长度的链环57’，所述链环啮合弹簧臂55’的钩状端56’及短柱式锚定器82的钩状端82’。弹簧臂预加载器能够在弹簧臂55、55’上施加足够的力，以将该等弹簧臂55、55’拉近至足以将链环57置于外侧短柱式锚定器89的钩状端89’的上方，从而使其与外侧弹簧臂55的钩状端56啮合。在链环57’已紧固内侧短柱式锚定器82与内侧弹簧臂55’之间的内侧连接之后进行该外侧连接，否则两者将难以啮合。为了改变弹簧臂的预加载，将弹簧臂55及55’拉近至足以在移除内侧链环57’之前移除外侧链环57。然后，使用其它具有选定长度的链环来取代该等链环，以提供新预加载状态。
至此，根据上述内容可清楚看出，尽管对弹簧臂实施预加载对于获得最佳性能而言至关重要，但是如何对弹簧臂实施预加载并不重要。预加载方法的选择在很大程度上取决于其是否可调整。如果预加载可调整且无需使用专用设备即可轻易调节，则使用可调式摇臂最佳。如果预加载为不可调式且专用设备易于获得，则设置一对以对置方式固定设置的短柱式锚定器较佳。
现在参见图9，该图显示一配置有一较佳实施例的联接链环而非一钩状端的弹簧臂90一端的详图。与设置于前述实施例中的钩状端不同，该联接链环是一形成在弹簧臂的端部中的环91。短柱式锚定器100也配置有一联接端，该联接端是一环101。每一环91及101的内径均足够大，以将相同的组合链环(也称作“半链环”)推穿过该等环。一第一组合链环92插穿过环91，一第二组合链环95则插穿过环101。
参见图10，该图更详细地显示弹簧臂90的端处及短柱式锚定器100上的环91及101，但未显示该等部件的每一个的结构的其余部分，以阐释该等环与已组装在一起构成一重载联接链环的组合链环92及95的联接。第一组合链环92的一端具有一U形钩93，另一端94则无U形钩；U形钩93与端94具有相互对准的通孔。同样，第二组合链环95在一端处具有一U形钩96，而其另一端处则无U形钩；同时，与上述相同，U形钩96与端97具有相互对准的通孔，从而当组合链环92及95各自的端交指时，所有通孔均相互对准，以便为一销98提供一通道。为提供额外刚度，将销98推穿过一紧密装配在U形钩93的内表面与U形钩96的内表面之间的抗压管99(也称作一支柱间隔件)。对于相同的质量而言，该等环所提供的强度大于钩状端所提供的强度，但是，与将钩状端87及87’钩挂在“连续”链环57及57’上(例如图8所示)相比，将该等联接链环装配在预加载弹簧臂上可能更为费力。
上文所述是一种用于控制侧架在水平面内绕承梁端部偏转的方法，除当转向架部件翘曲时提供稳定力之外，该方法不会增加转向架的刚性。该方法包括将一枢轴构件定位在侧架上适应货车承载状态及空载状态的位置处；以可转动方式安装一轭，该轭具有从穿过该枢轴构件的中心线对称地向外延伸的内侧弹簧臂及外侧弹簧臂；在穿过侧架的纵向轴线的两侧上，分别使用一与每一弹簧臂的远端啮合的链环来提供“固定但可调”(如图6及图7中以可转动方式设置于一枢轴销块中一枢轴销上的一对对置摇臂所例示)的连接或“固定且不可调”(固定之后，即如图8及图9中的锚所例示)的连接及对应的承梁连接；及以适于抵消由轮副的相对横向偏移所产生力的偏置量将其中一弹簧臂朝向另一弹簧臂偏置，藉以对两个弹簧臂加载。
在上面所述及图6、7、8及9中所示的每一实施例中，较佳地，每一弹簧臂均制造为具有大于178.3Kg/cm或一千磅力/英寸(1000lbf/in)挠度的刚度。另外，较佳的状况是，每一弹簧臂的刚度数值均比以兼容量度单位表示的枢轴杆及其弹簧臂的组合质量数值大一百倍。
上文提供了对本发明的一般论述，详细描述了总体装置并通过本发明的最佳制作及使用方式特别举例说明了本发明，很明显，本发明为一由来已久的问题提供了一种有效的解决方案。因此，应了解，本发明不会因该等特定实施例的阐释及论述而受到任何不当的限制，具体的说，本发明并非仅限于被动地遵从本文所述的细节。
权利要求
1.一种铁路货车转向架总成，其具有多个纵向间隔的轮副、多个横向延伸的轴、多个安装至所述轴上的车轮、多个安装至所述轴的横向间隔且纵向延伸的侧架、及一安装至所述侧架的横向延伸的承梁，其改进之处包括一安装在一侧架上且相对于所述转向架的横向中心线设置在远端的偏转稳定构件，所述偏转稳定构件包括一第一枢轴构件，其安装于所述侧架上相对于所述转向架的横向中心线位于远端的位置处；一以可转动方式设置在所述枢轴构件上的枢轴杆，所述枢轴杆具有一对第一和第二弹簧臂，所述第一弹簧臂位于所述侧架的纵向轴线内侧，而所述第二弹簧臂位于外侧，每一弹簧臂基本上等角度地从一穿过所述枢轴构件并沿贯穿所述枢轴构件的纵向轴线的中心垂直平面偏离开，每一弹簧臂的每一端朝向所述承梁的横向中心线延伸，所述第一弹簧臂与一位于所述侧架的纵向轴线内侧的第一链接构件啮合，而所述第二弹簧臂具有一位于所述侧架的纵向轴线外侧的第二链接构件；内侧及外侧锚定构件，其以横向间隔关系位于所述承梁一侧上的一端附近及所述侧架纵向轴线的相对侧上，所述内侧锚定构件适于在与所述侧架纵向中心线横向间隔的预定位置处啮合所述第一链接构件，所述外侧锚定构件则适于在与所述侧架纵向中心线横向间隔的预定位置处啮合所述第二链接构件；藉此，通过所述链接构件连接至所述承梁的所述弹簧臂可有效控制所述侧架相对于所述承梁的相对旋转运动。
2.根据权利要求1所述的总成，其中所述第一枢轴构件安装在由所述侧架的大致纵向、垂直及成角度的伸长构件界定的一侧架开口中。
3.根据权利要求1所述的总成，其中每一弹簧臂在每一端附近均具有一钩，且每一锚定构件也具有一钩，一弹簧臂的每一钩均联接至一锚定构件的一毗邻钩；且所述链接构件是一连续链环。
4.根据权利要求1所述的总成，其中每一弹簧臂在每一端附近具有一环，且每一锚定构件也具有一环，一弹簧臂的每一环均联接至一锚定构件的一毗邻环；且所述链接构件是一组合链环的总成。
5.根据权利要求1所述的总成，其中所述外侧锚定构件包括一安装在所述承梁的一端附近的第二枢轴构件，所述第二枢轴构件适于通过横向平面中的预定弧使一摇臂摇摆运动，所述摇臂的一端与所述第二链接构件啮合，另一端则偏置离开所述承梁的表面以对所述稳定构件预加载。
6.根据权利要求5所述的总成，其中所述第二枢轴构件是一固定在所述承梁上的一U形钩块中垂直设置的枢轴销。
7.根据权利要求1所述的总成，其中所述弹簧臂被预加载，且穿过每一链接构件的垂直平面与穿过所述第一枢轴构件及所述链接构件固持在所述枢轴杆的所述第一弹簧臂端中一端的垂直平面成锐角。
8.根据权利要求1所述的总成，其中所述转向架的每一侧架上均置有一偏转稳定构件。
9.根据权利要求1所述的总成，其中所述转向架的每一侧架上均置有一对偏转稳定构件，其中所述偏转稳定构件基本上成镜像关系对置安装。
10.根据权利要求1所述的总成，其中每一链接构件均具有一基本上不能使一弹簧臂弯曲预定悬架弹簧挠度的最小长度。
11.根据权利要求5所述的总成，其中所述摇臂包括锁定构件，所述锁定构件用于在偏置抵靠在所述承梁上以相互对置弯曲方式对两个弹簧进行预加载时锁定所述臂的一端。
12.根据权利要求5所述的总成，其中每一弹簧臂在每一端附近具有一钩，每一摇臂在其一端附近也具有一钩，且每一锚定构件均具有一钩，一弹簧臂的每一钩均联接至一选自一锚块中一毗邻钩及一摇臂上一毗邻钩的钩，且所述链接构件是一连续链环。
13.根据权利要求5所述的总成，其中每一弹簧臂在每一端附近具有一环，每一摇臂在其一端附近也具有一环，且每一锚定构件均具有一环，一弹簧臂的每一环均联接至一选自一锚块的一毗邻环及一摇臂上的一毗邻环中的环，且所述链接构件是一组合链环的总成。
14.根据权利要求1所述的总成，其中每一弹簧臂具有大于一千磅力/英寸(1000lbf/in)挠度的刚度。
15.根据权利要求1所述的总成，其中每一弹簧臂的所述刚度数值比使用兼容量度单位表示的所述枢轴杆与其弹簧臂的组合质量数值大一百倍。
16.一种铁路货车转向架总成，其具有多个纵向间隔的轮副、多个横向延伸的轴、多个安装至所述轴上的车轮、多个安装至所述轴上的横向间隔且纵向延伸的侧架、及一安装至所述侧架上的横向延伸的承梁，其改进之处包括一对基本上互成镜像关系对置安装在每一侧架上的第一及第二偏转稳定构件；所述第一偏转稳定构件包括一第一枢轴构件，所述第一枢轴构件安装在一侧架上相对于所述转向架的横向中心线的远端位置处；及所述第二偏转稳定构件包括一第二枢轴构件，所述第二枢轴构件安装在同一侧架上与所述第一枢轴构件等距离的位置处且位于穿过所述第一枢轴构件的相同纵向线上；每一第一及第二枢轴构件具有一以可转动方式安装在其上的枢轴杆，所述枢轴杆具有一对第一及第二弹簧臂，其中每一弹簧臂以等角度方式从一穿过所述枢轴构件并沿贯穿所述枢轴构件的纵向轴线的中心垂直平面偏离，每一弹簧臂的一端均朝向所述承梁的横向中心线延伸，所述弹簧臂被预加载到一预定程度；一对第一及第二锚定构件，其对置设置并在每一侧架纵向轴线的每一侧上固定至所述承梁上，所述锚定构件分别适于与位于所述侧架纵向轴线的相对侧上的第一及第二链接构件啮合，所述第一链接构件适于将一第一锚定构件的一端啮合至一第一弹簧臂的一端；所述第二链接构件适于将一第二锚定构件的一端啮合至所述第二弹簧臂的一端；每一链接构件均适于提供每一弹簧臂在一横向平面中的受限运动，每一链接构件具有一基本上不能使一弹簧臂弯曲预定悬架弹簧挠度的最小长度；藉此，既可实现所述承梁的受限横向运动又可实现悬架弹簧在所述侧架中提供的这些垂直运动；且当所述侧架围绕所述承梁的端部旋转时，每一偏转稳定构件均提供所述侧架与所述承梁之间的线性恢复力矩。
17.根据权利要求16所述的总成，其中每一对锚定构件均包括一具有一适于啮合一链环的端部的外侧短柱式锚定器(stub anchor)，所述外侧短柱式锚定器在每一侧架的纵向轴线的一侧上以固定方式设置在所述承梁上；及一具有一适于啮合一链环的端部的内侧短柱式锚定器，所述内侧短柱式锚定器在每一侧架的纵向轴线的另一侧上以固定方式设置在所述承梁上。
18.根据权利要求16所述的总成，其中每一对锚定构件均包括一摇臂，所述摇臂以可转动方式安装在所述承梁的一端上的一枢轴块中，所述摇臂具有一适于啮合一链环的端部；及一内侧短柱式锚定器，其具有一适于啮合一链环的端部，所述内侧短柱式锚定器在每一侧架的纵向轴线内侧以固定方式设置在所述承梁上。
19.根据权利要求16所述的总成，其中所述第一枢轴构件是一球形球枢轴且安装在一由所述侧架的基本纵向、垂直及成角度的伸长构件界定的侧架开口中。
20.根据权利要求16所述的总成，其中每一弹簧臂在每一端附近具有一钩，且每一锚定构件也具有一钩，一弹簧臂的每一钩联接至一锚定构件的一毗邻钩；且所述链接构件是一连续链环。
21.根据权利要求16所述的总成，其中每一弹簧臂在每一端附近具有一环，且每一锚定构件也具有一环，一弹簧臂的每一环均联接至一锚定构件的一毗邻环，且所述链接构件是一组合链环的总成。
22.一种铁路货车转向架总成，其具有多个纵向间隔的轮副、多个横向延伸的轴、多个安装至所述轴上的车轮、多个安装至所述轴上的横向间隔且纵向延伸的侧架、及一安装至所述侧架上的横向延伸的承梁，其改进之处包括一对基本上互成镜像关系对置安装在每一侧架上的第一及第二偏转稳定构件，每一偏转稳定构件包括一侧架枢轴构件，其安装在每一侧架上与贯穿所述承梁的横向轴线等距离的位置处，及一具有成角度分叉弹簧臂的枢轴杆，所述枢轴杆以可转动方式设置在所述枢轴构件上以便在一横向平面中作往复运动，其中一弹簧臂位于所述侧架的纵向轴线内侧，另一弹簧臂则位于外侧；相对设置的承梁枢轴构件，其安装在每一承梁的横向轴线的每一侧上且靠近所述承梁的端部，并位于与所述侧架纵向轴线等距离的位置处；一摇臂，其以可转动方式设置在每一承梁枢轴构件上，以便容许所述摇臂在一横向平面中作摇摆运动；一内侧锚定构件，其与每一承梁枢轴构件对置安装且基本上位于同一横向平面内，所述内侧锚定构件在一与所述侧架的纵向中心线横向间隔的预定位置处啮合所述第二链接构件；多个对置设置的链接构件，其中一链接构件啮合每一摇臂的一端及每一外侧弹簧臂的一端，另一链接构件则啮合所述锚定构件及每一内侧弹簧臂，每一链接构件均提供每一弹簧臂在一横向方向上的受限运动，每一链接构件均具有一基本上不能使一弹簧臂弯曲预定悬架弹簧挠度的最小长度；及锁定构件，其用于将每一摇臂的一端锁定在一远离所述承梁表面的位置上，从而以彼此相对弯曲的方式来预加载每一弹簧臂；藉此，既可实现所述承梁的受限横向运动也可实现在所述侧架中悬架弹簧所提供的这些垂直运动；且当所述侧架绕所述承梁的端旋转时，每一偏转稳定构件提供所述侧架与所述承梁之间的线性恢复力矩。
23.根据权利要求22所述的总成，其中所述偏转稳定构件不会明显增加所述铁路货车的簧下重量。
24.根据权利要求23所述的总成，其中每一弹簧臂在每一端附近具有一钩，每一摇臂在其一端附近也具有一钩，且每一锚定构件均具有一钩，一弹簧臂的每一钩联接至一选自一锚块弹簧臂中一毗邻钩及一摇臂上一毗邻钩的钩，且所述链接构件是一连续链环。
25.根据权利要求23所述的总成，其中每一弹簧臂在每一端附近具有一环，每一摇臂在其一端附近也具有一环，且每一锚定构件均具有一环，一弹簧臂的每一环适于联接至一选自一锚块的一毗邻环及一摇臂上一毗邻环的环，且所述链接构件是一组合链环的总成。
26.一种在高达240km/hr(150mph)的任何速度下稳定一铁路货车转向架总成防止发生有害偏转的方法，除在所述转向架的部件翘曲时产生稳定力之外，所述方法不会增加所述转向架的刚度，且不会将所述承梁相对于所述侧架锁定在固定位置上从而容许所述承梁的横向及垂直运动，所述方法包括将一对第一及第二偏转稳定构件相对于所述承梁的横向中心线基本上互成镜像关系地安装在每一侧架上，每一偏转稳定构件包括一侧架枢轴构件，其安装在每一侧架上与贯穿所述承梁的横向中心线等距离的位置处；及一具有成角度分叉的弹簧臂的枢轴杆，所述枢轴杆以可转动方式设置在所述枢轴构件上，以便在一横向平面中作往复运动；通过彼此相向拉动而将所述弹簧臂预加载到预定程度；将一对第一及第二锚定构件相互对置设置并在每一侧架的纵向轴线的两侧固定至所述承梁上，所述锚定构件适于分别与位于所述侧架纵向中心线的相对侧上的第一及第二链接构件啮合，其中所述第一链接构件适于将一第一锚定构件的一端啮合至一第一弹簧臂的一端；所述第二链接构件则适于将一第二锚定构件的一端啮合至所述第二弹簧臂的一端；每一链接构件均适于提供每一弹簧臂在一横向平面中的垂直运动，每一链接构件均具有一基本上不会使一弹簧臂弯曲预定悬架弹簧挠度的最小长度；藉此，所述转向架在通过一弯道时的翘曲降至最小。
27.根据权利要求26所述的方法，其包括在穿过所述承梁的横向轴线的每一侧上且在其端部附近的与贯穿所述侧架的纵向中心线等距离的位置处安装一对以对置方式设置的承梁枢轴构件；以可转动方式在每一承梁枢轴构件上设置一摇臂，以容许所述摇臂在一横向平面中作摇摆运动；使用一适于提供每一弹簧臂在一横向平面中的受限运动的链接构件来连接每一摇臂的一端和每一弹簧臂的一端，其中每一链接构件均具有一基本上不使一弹簧臂弯曲预定悬架弹簧挠度的最小长度；及使每一摇臂的另一端偏置离开所述承梁的表面从而以彼此相对弯曲的方式来对每一弹簧臂预加载，并将每一摇臂的端锁定于一预定位置处。
全文摘要
本发明揭示一种偏转稳定构件(51、52)，该偏转稳定构件提供一种用于提高侧架(22、24)与承梁(38)之间的线性偏转刚度水平的轻质构件，从而提供合适的轴间剪切刚度且不会影响垂直悬架系统所需的柔性。本发明不会明显增大铁路货车转向架总成(20)的簧下重量，且可改装成在使用的现有货车转向架或整合在新制造的转向架中。此外，无需使用阻尼楔形件来提高轴间剪切刚度并使楔形件最佳化控制垂直振动。
文档编号B61F5/06GK1705580SQ200480001370
公开日2005年12月7日 申请日期2004年4月27日 优先权日2003年8月21日
发明者罗伯特·李·布洛克 申请人:J-琳恩公司