一种空气弹簧及车辆的制作方法

本实用新型属于缓冲减振技术领域，尤其涉及一种空气弹簧及车辆。

背景技术：

空气弹簧是在柔性的封闭气室内充入压缩空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的一种非金属弹簧。空气弹簧具有优良的弹性特性，用在轨道车辆车体和转向架之间可以大大改善车辆的动力性能，从而显著提高车辆运行的舒适性。

常见的空气弹簧结构由上盖板、橡胶气囊和辅助橡胶弹簧等组成。空气弹簧安装于车体与转向架之间，空气弹簧上进气柱和车体相连接，下进气柱和转向架相连接，上进气柱和下进气柱通过o形密封圈实现气体的密封，充入压缩空气后使空气弹簧自身形成一个密闭的气腔，进而利用气体的可压缩性与橡胶的弹性作用起到缓冲减振提高车辆平稳性的作用。定义车辆运行的方向为纵向(水平面内前后方向)，与车辆运行方向相垂直的方向为横向(水平面内左右方向)，该形式的空气弹簧在横向上的刚度近似于线性。这种形式的空气弹簧在垂直车辆前进方向上的刚度近似于线性，装有上述结构形式空气弹簧的车辆低速通过弯道时，作用在车辆上的离心力较小，车体相对于转向架产生的位移较小，车辆具有良好的舒适性。当车辆高速通过弯道时，此时作用在车体上的离心力变大，该结构形式的空气弹簧横向刚度近似线性的特点使其限制车体和转向架间相对位移的能力不足，车体和转向架间产生较大的偏移，使车辆出现幅度较大的晃动，降低了乘车的平稳性和安全性。

中国专利申请cn108547903a提出了一种提供横向刚度的空气弹簧，具有阶梯形的止挡座和阻尼柱，提供了横向约束和限位，阻尼柱与止挡座距离较大，横向发生较大位移时才会接触，接触之后才能起限位作用，而且阻尼柱是通过和橡胶堆的橡胶本体产生接触，产生弹性止挡，在离心力较大时，对位移的限制能力有限；另外，橡胶本体与金属阻尼柱反复接触，易导致橡胶体的磨损，且阻尼柱与橡胶体形成的是弹性止挡，在车辆过较大弯道时，该结构形式的空气弹簧对车体横向位移的限制能力有限。

因此，为使车辆具有低速运行时的舒适性和高速运行时的安全性，本实用新型专利提出了一种横向刚度非线性空气弹簧。

技术实现要素：

针对现有技术缺陷，本实用新型提供一种空气弹簧，使车辆在低速运行和高速运行时能兼顾舒适性和安全性。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种空气弹簧，包括上盖板、橡胶气囊、支承座、辅助橡胶弹簧和底板，上盖板上开设上进气柱，底板上开设下进气柱，其特征在于：所述上盖板下设置止挡销，所述止挡销与上进气柱连通；所述支承座上设置限制座，限制座在止挡销对应位置开设贯通孔。

优选地，所述贯通孔为矩形通孔，矩形通孔的宽度大于止挡销外径，且小于辅助橡胶弹簧的内径。

优选地，所述矩形通孔的长度大于辅助橡胶弹簧的内径。

优选地，所述贯通孔为椭圆形通孔，所述椭圆形通孔的短轴长度大于止挡销外径小于辅助橡胶弹簧的内径。

优选地，所述止挡销上端面为圆环形扣环，用于将止挡销与上盖板固定。

优选地，所述止挡销向下延伸的高度最大等于辅助橡胶弹簧的弹性压缩区间长度。

优选地，所述辅助橡胶弹簧为锥形、沙漏、平板或者任意两种橡胶弹簧复合的结构形式。

优选地，所述上盖板采用金属平板或者带有包角的橡胶金属的结构形式。

优选地，所述橡胶气囊采用自密封或者螺栓紧固式的密封方式。

优选地，所述橡胶气囊采用双曲或者多曲的结构形式。

本实用新型还提供一种车辆，包括车体、转向架和连接车体与转向架的空气弹簧，其中，空气弹簧包括上盖板、橡胶气囊、支承座、辅助橡胶弹簧和底板，上盖板上开设上进气柱，底板上开设下进气柱，所述上盖板下设置止挡销，所述止挡销与上进气柱连通；所述支承座上设置限制座，限制座在止挡销对应位置开设贯通孔。

本实用新型的技术效果和优点：

空气弹簧限位机构设计在空气弹簧内部，在不增大空气弹簧体积的前提下利用橡胶气囊和辅助橡胶弹簧变形的差异，通过限位机构的作用实现空气弹簧横向非线性的特性。

空气弹簧限位止挡销和限制座间设有一定的间隙，使空气弹簧横向变位较小时具有刚度近似线性的特性，横向变位增大到某定位移时具有非线性的特性，从而使安装该空气弹簧的车辆具有低速运行的舒适性和高速运行的安全性。

限制座上椭圆形通孔的设置，使得空气弹簧在纵向偏移不同时，调整横向偏移限制范围。

止挡销和限制座材质为耐磨金属材料，当空气弹簧横向偏移到某定位移时止挡销和限制座形成限位机构，可解决阻尼柱和橡胶本体间的磨损问题，且形成硬接触可提供较大的横向力，解决了横向力不足的问题。

限制座和止挡销的间距根据车辆行驶参数调整，可将横向偏移控制在舒适范围内。止挡销的垂向高度根据充气压力和载荷调整，在车体在垂向位移范围内，限制座均能起到调节横向刚度的作用。

辅助橡胶弹簧和橡胶气囊连通，增大整个空气弹簧的充气空间，另外辅助橡胶弹簧的刚性也可以由其中空腔室内的充气压力调节。

空气弹簧的限制座结构体积较小，可适应多种形式的橡胶弹簧，另外限制座的作用部位不影响橡胶气囊的充排气，橡胶气囊的结构形式和密封形式不受限制。总的来说，此种结构的空气弹簧，可设计性强，可根据应用场景灵活改变部件的具体形状和连接方式，也拓宽了本实用新型的空气弹簧的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的空气弹簧的剖视示意图；

图2为本实用新型实施例一的空气弹簧的限制座和止挡销初始位置示意图；

图3为本实用新型实施例一的空气弹簧限制座的结构示意图；

图4为车辆低速过弯道时，本实用新型实施例一空气弹簧的剖视示意图；

图5为车辆低速过弯道时，本实用新型实施例一的空气弹簧的限制座和止挡销位置示意图；

图6为车辆高速过弯道时，本实用新型实施例一空气弹簧的剖视示意图；

图7为车辆高速过弯道时，本实用新型实施例一的空气弹簧的限制座和止挡销位置示意图；

图8为本实用新型实施例二的空气弹簧限制座的结构示意图；

图9为本实用新型实施例三的空气弹簧限制座的结构示意图；

图10为安装有本实用新型实施例一空气弹簧的车辆和其在拆除限制座之后横向偏移和离心力的关系对比图。

为进一步清楚的说明本实用新型的结构和各部件之间的连接关系，给出了以下附图标记，并加以说明。

1为上盖板，2为橡胶气囊，3为扣环，4为摩擦块，5为限制座，6为辅助橡胶弹簧，7为支承座，8为紧固螺栓，9为止挡销，10为底板。

通过上述附图标记说明，结合本实用新型的实施例，可以更加清楚的理解和说明本实用新型的技术方案。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但本实用新型所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

参考图1所示，为本实用新型实施例一的空气弹簧的剖视示意图，从图中可以看出空气弹簧的内部结构。空气弹簧包括：上盖板1、橡胶气囊2、扣环3、摩擦块4、限制座5、辅助橡胶弹簧6、支承座7、紧固螺栓8、止挡销9、底板10。上盖板1下端面固定连接有止挡销9，止挡销9上部为圆环形的扣环3，通过扣环3将止挡销9固定在上盖板下方，止挡销9内部为圆柱形通孔，该通孔与上盖板的上进气柱连通。限制座5通过紧固螺栓8固定在辅助橡胶弹簧7上。限制座5在止挡销9对应位置开设贯通孔。上盖板1、橡胶气囊2、辅助橡胶弹簧6、支承座7和底板10形成一个带有上进气柱和下进气柱的气密空间。辅助橡胶弹簧6与橡胶气囊2连通，因此辅助橡胶弹簧6的刚性也可以由其中空腔室内的空气压力调节，增加了整个空气弹簧的内部充气空间。参考图2所示，为本实用新型实施例一的空气弹簧限制座和止挡销初始位置示意图，从图中可以看出，贯通孔为矩形通孔，空气弹簧的止挡销9初始时，处在限制座5矩形通孔的正中间，此时无横向离心力，故橡胶气囊2和辅助橡胶弹簧6均没有形变。为了缓解上盖板1与限位座5的摩擦，减缓两者之间的冲击，在限位座5上端面固定设有摩擦块4。

止挡销向下延伸的高度可根据车辆载荷和辅助橡胶弹簧性能调整。空气弹簧正常工作时，采集上盖板与限制座的高度差范围，采集上盖板与底板的高度差范围，设计合理的止挡销高度，保证止挡销不与底板产生硬接触，且能在车辆行驶过程中与限制座相互作用。

参考图3所示，限制座5在止挡销9对应位置设有矩形通孔，矩形通孔的长度方向与车辆前进方向一致，矩形通孔的宽度大于止挡销9外径，且小于辅助橡胶弹簧6的内径，止挡销9外壁与矩形通孔长边的初始间距为d0。矩形通孔的宽度小于辅助橡胶弹簧6的内径是为了使偏移时，止挡销9先与限制座5接触，发挥横向限位作用，止挡销9的外径小于矩形通孔的宽度，以便于止挡销9在矩形通孔内有一定范围的无阻挡位移。

参考图4-7所示，为本实施例一所描述的空气弹簧在车辆以不同速度行驶时的工作状况。根据本领域常规定义，在车辆沿轨道直线行驶的状态下，将车辆行驶的方向定义为纵向(水平面内前后方向)，垂直于车辆行驶方向为横向(水平面内左右方向)。

如图4所示为车辆低速过弯道时，本实用新型实施例一空气弹簧的剖视示意图。此时，作用在车辆上的离心力较小，车体相对于转向架产生较小的偏移，空气弹簧产生较小的横向变形，此时橡胶气囊2和辅助橡胶弹簧6均产生横向变形。由于橡胶气囊2的刚度小于辅助橡胶弹簧6的刚度，因此在受到相同离心力的时候，橡胶气囊2偏移的距离大于辅助橡胶弹簧6偏移的距离，导致空气弹簧上盖板1上的止挡销相对辅助橡胶弹簧6上的限制座5产生了相对偏移。图5为实施例一的空气弹簧在车辆低速行驶时限制座和止挡销位置示意图，由于限制座5与辅助橡胶弹簧6是固定连接，因此限制座5相对于支承座7并未发生位移，而止挡销9相对于限制座5存在横向偏移，偏移距离为l0，由于空气弹簧横向相对偏移量较小，并未达到止挡销9和限制座5之间的初始间距，即l1<d0，因此上盖板的止挡销9和限制座5的限制面间仍有间隙，未发生刚性接触。由图5可以看出，低速行驶下，空气弹簧横向变形仍然由橡胶气囊2和辅助橡胶弹簧6限制，空气弹簧的横向刚度仍具有近似线性的特征，保证了乘坐的舒适性。

如图6所示为车辆高速通过弯道时，本实用新型实施例一空气弹簧的剖视示意图。此时作用在车辆上的离心力变大，车体相对于转向架的产生较大的偏移，空气弹簧发生较大的横向变形，此时橡胶气囊2和辅助橡胶弹簧均产生横向变形。由于橡胶气囊2的刚度小于辅助橡胶弹簧6的刚度，因此在受到相同离心力的时候，橡胶气囊2偏移的距离大于辅助橡胶弹簧6偏移的距离，导致空气弹簧上盖板1上的止挡销9相对辅助橡胶弹簧6上的限制座5产生相对偏移。图7为实施例一所示的空气弹簧在在车辆高速行驶时限制座和止挡销位置示意图，由于限制座5与辅助橡胶弹簧6是固定连接，因此限制座5相对于支承座7并未发生位移，而止挡销9相对于限制座5发生更大的横向偏移，偏移距离为l1，此时l1＝d0，空气弹簧上盖板1的止挡销9和限制座5的矩形通孔的长边接触，此时矩形通孔抑制了空气弹簧橡胶气囊的变形，辅助橡胶弹簧6承担了空气弹簧的横向变形，空气弹簧的横向刚度非线性增大，对车体相对于转向架间的偏移具有明显的抑制作用，使车辆高速运行时具有良好的安全性。而且金属止挡结构的刚性接触，解决了上述专利阻尼柱和橡胶体的磨损问题，且能够提供较大的横向反力，延长了空气弹簧的使用寿命，和在寿命周期内发挥恒定的限制作用。

止挡销9外壁与矩形通孔长边的初始间距d0可以根据不同车型调整，以便在行驶过程中控制车体的横向位移在一定范围内，既能确保乘坐的舒适性，也保证了高速行驶的安全性。止挡销9向下延伸的高度根据不同的车型调整，保证车体在充气状态下低载荷和高载荷时，限制座5均能起到横向刚度调节作用。

参考图8所示，为本实用新型实施例二的空气弹簧限制座的结构示意图，本实施例中，限制座5为两个镜像对称设置的弓形板，形成了矩形通孔，止挡销9外壁与矩形通孔长边的初始间距d0，对车辆行驶过程中横向位移有限位作用，并且沿前进方向有相对横向方向较大的偏移空间，纵向刚度近似于线性的特性，确保了乘坐舒适性。

止挡销9外壁与矩形通孔的长度可根据纵向刚度限制的要求来设定。当纵向刚度要求近似于线性的特性，此时矩形通孔的长度大于辅助橡胶弹簧的内径。

参考图9所示，为本实用新型实施例三的空气弹簧限制座的结构示意图，本实施例中，限制座5上开设的贯通孔为椭圆形通孔，椭圆形通孔的短轴长度大于止挡销外径，且小于辅助橡胶弹簧的内径，止挡销9外壁与椭圆形通孔短轴所在椭圆上的点初始间距d0。本实施例所示的限制座，在车辆处于不同的纵向偏移时，横向偏移的限制范围随之调整，即，纵向偏移较大时，期望将车辆的横向偏移控制在较小范围内。

图10为安装有本实用新型实施例一空气弹簧的车辆和其在拆除限制座之后横向偏移和离心力的关系对比图。本实施例的车辆，包括车体、转向架和连接车体与转向架的空气弹簧，其中，空气弹簧包括上盖板1、橡胶气囊2、支承座7、辅助橡胶弹簧6和底板10，上盖板1上开设上进气柱，底板10上开设下进气柱，所述上盖板1下设置止挡销9，所述止挡销9与上进气柱连通；所述支承座7上设置限制座5，限制座5在止挡销9对应位置开设矩形通孔，矩形通孔的宽度大于止挡销9外径小于辅助橡胶弹簧6的内径。

从图9可以看出，限制座5的拆除之后空气弹簧横向偏移受控程度小。图9中a转折点为离心力较大时，止挡销和限制座接触之后，空气弹簧的整体刚性提升，横向偏移随着离心力的变化相对较小。图9中b转折点为，限制座5的拆除之后空气弹簧在横向偏移更大的时候，止挡销9与限制座5发生弹性接触，此时空气弹簧的刚性有提升因此横向偏移得到一定的控制。整体来看，离心力相同时，本实用新型提供的空气弹簧可以兼顾舒适性和横向偏移的范围控制。

根据不同设计时速对应的工程技术参考标准，设计速度200km/h，最小曲线半径一般3500m，困难2800m；设计速度250km/h，最小曲线半径一般4000(4500)m，困难3500m；设计速度300km/h，最小曲线半径一般4500(5500)m，困难4000m；设计速度350km/h，最小曲线半径一般7000m，困难5500m。对应列车时速和转弯半径的限制，在速度和转弯半径限制之后，离心力控制在一定范围内，此时考虑到乘坐的舒适性和安全性，本实用新型的空气弹簧无疑是一个更优的选择。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。