轨道车辆用转臂节点及其设计方法与流程

本发明涉及一种轨道车辆用转臂节点及其设计方法，用于转向架一系减振系统中，属轨道交通车辆关键部件制造技术领域。

背景技术：

转臂节点也称轴箱定位节点，为列车a类关键部件，其性能直接影响车辆运动稳定性，转臂节点因纵向刚度和偏转刚度过大很容易导致轮对磨损。根据轴箱弹簧的位置，转臂式定位又可以分为轴顶弹簧式和跨坐弹簧式定位两种。标准动车组转向架采用的就是轴顶弹簧式定位，该轴箱弹簧座在轴箱体的顶部，其中心线与轮对中心线在一个平面中，起主要的垂向承载作用。转臂节点安装于一系转臂之中时，定位转臂一端与圆筒形的轴箱体固接，另一端通过橡胶弹性制作的转臂节点与焊在构架上的安装座相连接。

通过对现有车轴轴承磨损的研究，发现之车辆在高速通过曲线时，轮对会对钢轨产生很大的横向载荷，由于转臂节点是连接一系转臂轴和转向架构架的连接件，所以对轴箱及轴箱内的轴承具有很大的限制性作用，目前的转臂节点的纵向（径向）刚度和偏转刚度过大，这将会使轮对会对钢轨横向载荷进一步加大；同时，钢轨也会对轮对产生同样大的横向反作用力，从而磨耗轮缘；同样，这种横向载荷也会增大轴箱内部的轴承的横向载荷，从而造成轴箱内部的轴承磨损加重。因此要减少轴箱内部的轴承磨损，适当降低转臂节点的纵向刚度是十分有益的，但是如果转臂节点的纵向刚度降低过多，将使得转臂节点连接轴箱与构架的连接限制作用受到影响；这样车辆将会出现车辆蛇形运动，降低平稳性，严重时将会出现脱轨。因此如何选择合适的转臂节点纵向（径向）刚度成为了有效防止轴箱内部的轴承磨损的关键。而转臂节点纵向（径向）刚度的选择很大程度上取决于转臂节点橡胶层的选择，一般对于转臂节点橡胶层的设计都主要是从橡胶层的纵向与轴向刚度比来考虑的，而且都是通过改变橡胶层的布局斜面结构和方式考虑比较多。

检索到的相关转臂节点的现有专利文献如下：

1、申请号：201510707088.5，一种调整橡胶层预压缩量改变转臂节点刚度的方法，为通过调整转臂节点橡胶层预压缩量防止轴箱轴承磨损的方法，采用两节锥形内孔转臂节点组合结构，通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来改变转臂节点不同的轴向刚度性能，并通过增加转臂节点橡胶层预压缩量来提高转臂节点轴向刚度，使得轴向刚度控制在6-8kn.mm-1，避免偏转刚度和扭转刚度下降，有效降低车轴轴承磨损。通过增加转臂节点轴向刚度，调整整体的转臂节点刚度，同时避免扭转刚度下降，有效降低车轴轴承磨损。

2、申请号201711440492.6，一种提高转臂节点径向轴向刚度性能的方法，根据转臂节点所处位置，将转臂节点分成两个硫化体与芯轴压装组合式结构，其中两个硫化体的相互对装在芯轴上，且通过转臂节点外套与转臂节点内套的相对位置实现转臂节点硫化体橡胶体预压缩，转臂节点是通过对转臂节点硫化体同时实施径向压缩和轴向压缩来调整转臂节点径轴向刚度的。

现有技术中对转臂节点径向和轴向刚度比的调节设计有限，其径向/轴向刚度比(简称径/轴刚度比)一般限于7∶1左右，无法再进一步进行调节，通过改变转臂节点的结构进一步提高转臂节点径向和轴向刚度性能，调节径向/轴向刚度比，满足转臂节点的使用需求，提高车辆通过曲线工况下的平稳性，是本发明的目的。

技术实现要素：

本发明提供的轨道车辆用转臂节点及其设计方法，提高转臂节点的轴向刚度性能和径向刚度性能，调节转臂节点的径向与轴向刚度比值，提高车辆曲线工况下的平稳性，满足转臂节点的使用需求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

轨道车辆用转臂节点，包括芯轴、设置在芯轴外周的外套和橡胶层，芯轴的中间段通过橡胶层与外套硫化连接，其特征在于所述的中间段与橡胶层的硫化粘结面呈“w”字型，外套与橡胶层的硫化粘结面呈向外凸出的“v”字型，中间段与橡胶层的硫化粘结面和外套与橡胶层的硫化粘结面的中线均与中间段的径向中线重合，且中间段径向中线位置的径向高度大于中间段端部的径向高度，中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值为h，h>0。

优选的，所述的中间段与橡胶层硫化粘结的面由两个向内凹进的内凹环面组成，两个内凹环面以中间段的径向中线镜像对称分布，两个内凹环面连成“w”字型形状。

优选的，所述的内凹环面由端部轴向平面、斜面、轴向平面、内向凹进的凹弧面和内外凸出的凸弧面从中间段端部至中心依次连接组成，且相邻面之间均通过圆角平滑过渡，所述的凸弧面的径向最高点位于中间段径向中线上，凸弧面的径向最高点与端部轴向平面的径向高度差值为h。

优选的，所述的外套与橡胶层硫化粘结的面由两个镜像对称的环形斜面连接组成，两个环形斜面之间通过圆角过渡，且从环形斜面最高点位于中间段径向中线上，橡胶层的厚度从环形斜面最高点至环形斜面端部逐渐增大。

优选的，所述的外套的端部位于中间段段部的内侧，且外套与中间段间的橡胶外型面为沿轴向内凹进的凹型面，且向内凹进的位置靠近外套。

优选的，所述的环形斜面外侧连接沿轴设置的外套轴向平面，所述的外套轴向平面与橡胶外型面间的径向距离d1小于芯轴径向中线处橡胶层的厚度d1。

优选的，所述的外套为多瓣结构，且相邻瓣之间的间隙宽度不超过1毫米。

以上所述的轨道车辆用转臂节点的设计方法，其特征在于根据转臂节点的轴向承载需求，设计中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值，从而调节转臂节点的轴向刚度；

根据转臂节点的径向承载需求，设计橡胶层的厚度，从而调节转臂节点的径向刚度；

根据转臂节点的径向和轴向变形需求，设计中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值以及橡胶层的厚度，从而调节转臂节点的径向与轴向刚度比值。

优选的，所述的“设计橡胶层的厚度是指：设计中间段径向中线处橡胶层的厚度、内凹环面的轴向长度、深度、形状以及环形斜面的斜率，从而设计橡胶层沿轴向的厚度变化。

优选的，设计所述的外套轴向平面与橡胶外型面间的径向距离d1，从而调节转臂节点的径向变刚度拐点、设计外套的瓣数以及相邻瓣之之间的间隙宽度，从而调节转臂节点的径向初始刚度。

发明的有益效果是：

1、本发明中芯轴的中间段与橡胶层的硫化粘结面呈”w”字型，且中间段径向中线位置的径向高度大于中间端部的径向高度，通过中间段径向中线位置的径向高度来实现转臂节点的轴向刚度，因此可以调节中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值，从而调节转臂节点的轴向刚度，提高转臂节点的轴向刚度性能，而且外套与橡胶的硫化粘结面呈向外凸出的v字型，调节中间段径向中线处橡胶层的厚度和橡胶层从中间段径向中线至端部的厚度变化，即可调节转臂节点的径向刚度，从而提高转臂节点的径向刚度性能。

2、对中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值和橡胶层的厚度进行综合调节，即调节转臂节点的径向与轴向刚度比值，提高车辆曲线工况下的平稳性，满足转臂节点的使用需求。

3、中间段与橡胶层硫化粘结的面由两个向内凹进的内凹环面组成，通过设计内凹环面的轴向长度、深度和形状来调节内凹环面的腔体容积，从而调节橡胶层的变形流动体积，保证承载时橡胶层在外套和中间段之间具有满足的变形流动空间，提高橡胶层的变形流动性能，从而提高橡胶层的疲劳性能，延长橡胶层的使用寿命。

4、将外套的两端设计成外套轴向平面，通过外套轴向平面与橡胶外型面的接触，实现转臂节点的径向变刚度，调节外套轴向平面与橡胶外型面间的径向距离，从而调节转臂节点的径向变刚度拐点，实现转臂节点径向的非线性刚度特性，进一步提高转臂节点的径向刚度性能。

5、将外套设置成多瓣结构，且相邻的瓣之间具有间隙，通过设计相邻瓣之间的间隙宽度，来调节转臂节点与配装后橡胶层的预压缩量，从而调节转臂节点的径向初始刚度，提高转臂节点的刚度可调性能。

附图说明

图1为轨道车辆用转臂节点的结构示意图。

图2为芯轴的结构示意图。

图3为外套的局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图3对本发明的实施例做详细说明。

轨道车辆用转臂节点，包括芯轴1、设置在芯轴1外周的外套2和橡胶层3，芯轴1的中间段11通过橡胶层3与外套2硫化连接，其特征在于所述的中间段11与橡胶层3的硫化粘结面呈“w”字型，外套2与橡胶层3的硫化粘结面呈向外凸出的“v”字型，中间段11与橡胶层3的硫化粘结面和外套2与橡胶层3的硫化粘结面的中线均与中间段11的径向中线100重合，且中间段11径向中线位置的径向高度大于中间段11端部的径向高度，中间段11径向中线位置的径向高度与中间段11端部的径向高度的差值为h，h>0。

以上所述的轨道车辆用转臂节点中芯轴1的中间段11与橡胶层3的硫化粘结面呈”w”字型，且中间段11径向中线位置的径向高度大于中间端部的径向高度，通过中间段径向中线位置的径向高度来实现转臂节点的轴向刚度，因此可以调节中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值，从而调节转臂节点的轴向刚度，提高转臂节点的轴向刚度性能，而且外套与橡胶的硫化粘结面呈向外凸出的v字型，调节中间段径向中线100处橡胶层3的厚度和橡胶层从中间段11径向中线至端部的厚度变化，即可调节转臂节点的径向刚度，从而提高转臂节点的径向刚度性能。对中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值和橡胶层的厚度进行综合调节，即调节转臂节点的径向与轴向刚度比值，转臂节点的径向与轴向刚度比值可以达到15/3.5，提高车辆曲线工况下的平稳性，满足转臂节点的使用需求。

其中，所述的中间段11与橡胶层3硫化粘结的面由两个向内凹进的内凹环面11.1组成，两个内凹环面11.1以中间段11的径向中线镜像对称分布，两个内凹环面11.1连成“w”字型形状，通过设计内凹环面11.1的轴向长度、深度和形状来调节内凹环面的腔体容积，从而调节橡胶层的变形流动体积，保证承载时橡胶层在外套和中间段之间具有满足的变形流动空间，提高橡胶层的变形流动性能，从而提高橡胶层的疲劳性能，延长橡胶层的使用寿命。

其中，所述的内凹环面11.1由端部轴向平面a、斜面b、轴向平面c、内向凹进的凹弧面d和内外凸出的凸弧面e从中间段11端部至中心依次连接组成，且相邻面之间均通过圆角平滑过渡，所述的凸弧面e的径向最高点位于中间段11径向中线上，凸弧面e的径向最高点与端部轴向平面a的径向高度差值为h。如图所示，通过端部轴向平面a、斜面b、轴向平面c、的凹弧面d和凸弧面e依次连接形成内凹环面11.1，设计斜面b的长度、斜率，轴向平面c的长度、径向高度，凹弧面d的长度、弧面形状和半径，凸弧面e的长度、弧面形状和半径来确定内凹环面11.1的轴向长度、深度和形状，而且通过轴向平面a、斜面b、轴向平面c、的凹弧面d和凸弧面e依次连接的结构设计，保证橡胶层径向压缩时，从中间段11的径向中线位置沿轴向逐渐变形流动，橡胶的变形流动沿内凹环面11.1的表面结构而流动，橡胶的变形流动的均匀性和平稳性更好，从而进一步提高橡胶层3的疲劳寿命。

其中，所述的外套2与橡胶层3硫化粘结的面由两个镜像对称的环形斜面21连接组成，两个环形斜面21之间通过圆角过渡，且从环形斜面21最高点位于中间段11径向中线上，橡胶层3的厚度从环形斜面21最高点至环形斜面21端部逐渐增大，保证径向承载过程中，转臂节点的径向刚度性能满足径向承载的变形需求。

其中，所述的外套2的端部位于中间段11段部的内侧，且外套2与中间段11间的橡胶外型面31为沿轴向内凹进的凹型面，且向内凹进的位置靠近外套2，随着径向加载，橡胶外型面31能够自然的与外套2贴合，从而不打折避免褶皱。

其中，所述的环形斜面21外侧连接沿轴设置的外套轴向平面f，所述的外套轴向平面f与橡胶外型面31间的径向距离d1小于芯轴1径向中线处橡胶层3的厚度d1。通过外套轴向平面f与橡胶外型面31的接触，实现转臂节点的径向变刚度，调节外套轴向平面与橡胶外型面间的径向距离d1，从而调节转臂节点的径向变刚度拐点，实现转臂节点径向的非线性刚度特性，进一步提高转臂节点的径向刚度性能。

其中，所述的外套2为多瓣结构，且相邻瓣之间的间隙宽度不超过1毫米。通过设计相邻瓣之间的间隙宽度，来调节转臂节点与配装后橡胶层的预压缩量，从而调节转臂节点的径向初始刚度，提高转臂节点的刚度可调性能。

本发明还保护以上所述的轨道车辆用转臂节点的设计方法，其特征在于根据转臂节点的轴向承载需求，设计中间段11径向中线位置的径向高度与中间段11端部的径向高度的差值，从而调节转臂节点的轴向刚度；

根据转臂节点的径向承载需求，设计橡胶层3的厚度，从而调节转臂节点的径向刚度；

根据转臂节点的径向和轴向变形需求，设计中间段11径向中线位置的径向高度与中间段11端部的径向高度的差值以及橡胶层3的厚度，从而调节转臂节点的径向与轴向刚度比值。

其中，所述的“设计橡胶层3的厚度是指：设计中间段11径向中线处橡胶层3的厚度、内凹环面11.1的轴向长度、深度、形状以及环形斜面21的斜率，从而设计橡胶层沿轴向的厚度变化。

还包括设计所述的外套轴向平面f与橡胶外型面31间的径向距离d1，从而调节转臂节点的径向变刚度拐点、设计外套2的瓣数以及相邻瓣之之间的间隙宽度，从而调节转臂节点的径向初始刚度。

以上所述的设计方法通过调节中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值，从而调节转臂节点的轴向刚度，提高转臂节点的轴向刚度性能，通过调节中间段径向中线处橡胶层的厚度和橡胶层从中间段径向中线至端部的厚度变化，即可调节转臂节点的径向刚度，从而提高转臂节点的径向刚度性能。对中间段径向中线位置的径向高度与中间段端部的径向高度的差值和橡胶层的厚度进行综合调节，即调节转臂节点的径向与轴向刚度比值，提高车辆曲线工况下的平稳性，满足转臂节点的使用需求。

调节转臂节点的径向变刚度拐点，实现转臂节点径向的非线性刚度特性，进一步提高转臂节点的径向刚度性能。通过设计相邻瓣之间的间隙宽度，来调节转臂节点与配装后橡胶层的预压缩量，从而调节转臂节点的径向初始刚度，提高转臂节点的刚度可调性能。

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。