專利名稱：一種獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架柔性耦合機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種鐵道車輛用的獨立輪對轉(zhuǎn)向架，具體來說是在現(xiàn)有獨立 輪對單軸轉(zhuǎn)向架之間設(shè)置一柔性耦合徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)，以改善獨立輪對轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向性能。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟的繁榮和城市人口的不斷劇增，城市軌道交通的發(fā)展前景非?？?好。城市軌道交通中的輕軌車輛通常要求采用低地板面的結(jié)構(gòu)要求，而低地板面 車輛的轉(zhuǎn)向架通常都采用獨立輪對。這主要是因為獨立輪對的左右車輪可以圍繞 著車軸自由轉(zhuǎn)動而車軸無需轉(zhuǎn)動，所以可以把獨立輪對的車軸做成下凹形的，從 而可以降低車輛地板面的高度。但是，由于獨立輪對左右車輪相對于其車軸各自獨立自由回轉(zhuǎn)，所以在縱向 不產(chǎn)生蠕滑力，而縱向蠕滑力在輪對的導(dǎo)向中又起著十分關(guān)鍵的作用，因此獨立 輪對的導(dǎo)向性能較差，主要表現(xiàn)為在直線上，獨立輪對不易對中，容易貼靠軌 道一側(cè)運行；在曲線上，獨立輪對的沖角較大，容易發(fā)生輪緣貼靠。這樣， 一方 面會加重獨立輪對的車輪磨耗；另一方面，獨立輪對的脫軌隱患增大?，F(xiàn)有的獨立輪對轉(zhuǎn)向架主要分為兩大類， 一類是獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架，另一 類是獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架，它們的導(dǎo)向性能都存在先天缺陷。圖1是獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架通過曲線時的情形，由于I 、 II位輪對受同一構(gòu) 架的約束，輪對I通常相對于徑向線形成正沖角，而輪對II通常相對于徑向線形 成負沖角，也就是說，I、 II位輪對在曲線上展開不足。圖2是獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架通過曲線時的情形，I、 II位輪對不再受同一構(gòu) 架的約束，而是分別受前后車體的約束，由于輪對I處于前面車體的后端，而輪 對II處于后面車體的前端，所以輪對I通常相對于徑向線形成負沖角，而輪對II 通常相對于徑向線形成正沖角，也就是說，I、 II位輪對在曲線上展開過度。轉(zhuǎn)向架的前后輪對在曲線上不管是展開不足還是展開過度都對曲線通過不 利。獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架的I 、 II位輪對在曲線上展開不足是因為剛性構(gòu)架對它 們的約束過大；獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架的I 、 II位輪對在曲線上展開過渡是因為它 們之間缺乏必要的約束。于是發(fā)明人曾提出了獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的觀念(即在 前、后獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架之間連接一抗搖頭的耦合彈性元件)，并申請了發(fā)明 專利(專利申請?zhí)枮閆L200410035861.X),如圖3所示。這種獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向 架恰好可以彌補獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架和獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架的不足之處當給耦 合轉(zhuǎn)向架的耦合元件選取一個適當?shù)膿u頭剛度值時就可使I 、 II位輪對在曲線上 展開適度而趨于徑向位置。前述發(fā)明專利(專利申請?zhí)枮閆L200410035861.X)只對耦合轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向 原理進行了分析，沒有對獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的耦合機構(gòu)進行具體設(shè)計，而只是 在前后兩個單軸轉(zhuǎn)向架之間的左右兩側(cè)直接用兩根縱向布置的彈簧來示意性的 代表耦合元件。在前后兩個單軸轉(zhuǎn)向架之間的左右兩側(cè)直接用兩根縱向布置的彈簧來作為 耦合機構(gòu)，雖然在理論上講得通，但在實際應(yīng)用中并不現(xiàn)實，因為在實際工程中 這樣布置鋼彈簧存在以下幾方面的困難(1) 在前述發(fā)明專利(專利申請?zhí)枮閆L200410035861.X)的理論推導(dǎo)中假 定了耦合元件只提供縱向剛度，而其他方向的剛度都趨于O，只有鋼彈簧兩端通 過球鉸的形式與前后構(gòu)架相連，并且前后鉸接點的縱向跨距還要比較大時，這種 假設(shè)才能成立，這樣兩端為球鉸約束的鋼彈簧在受力狀態(tài)下的穩(wěn)定性存在問題；(2) 這樣布置彈簧要求鋼彈簧既能發(fā)生拉伸變形又能發(fā)生壓縮變形，這樣在 鋼彈簧兩端的定位連接部位就要做特殊處理，在工程中實現(xiàn)起來比較麻煩；(3) 鋼彈簧兩端分別連接在前后構(gòu)架上，鋼彈簧在重力的作用下會自然下 垂，這樣會影響彈簧的正常工作。實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為了促進獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架的工程應(yīng)用而設(shè)計出的 結(jié)構(gòu)合理的一種獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架柔性耦合機構(gòu)。本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架柔性耦 合機構(gòu)，是在列車前、后車體相鄰端部下面的前、后獨立輪對釆用單軸轉(zhuǎn)向架， 而前、后單軸轉(zhuǎn)向架之間以前、后車體鉸接點成中心對稱的方式設(shè)置有兩個相同 的彈性耦合機構(gòu)，上述單個彈性耦合機構(gòu)由直角轉(zhuǎn)臂BCD、連桿AB、連桿DE、 彈簧裝置(彈簧裝置包含缸筒、缸筒蓋、活塞、兩組彈簧)組成，直角轉(zhuǎn)臂BCD的 C點銷接在后單軸轉(zhuǎn)向架上，缸筒固定在后單軸轉(zhuǎn)向架上，連桿AB的B端經(jīng)球 鉸連接在直角轉(zhuǎn)臂BCD的B端上，連桿AB的A端經(jīng)球鉸與前單軸轉(zhuǎn)向架連接， 連桿DE的D端經(jīng)球鉸連接在直角轉(zhuǎn)臂BCD的D端上，連桿DE的E端經(jīng)球鉸與設(shè) 置在缸筒中的活塞連接，活塞上、下部的缸筒空間中分別設(shè)有處于壓縮狀態(tài)的兩 個彈簧，彈簧的預(yù)壓縮量通過缸筒蓋與缸筒之間的螺紋來調(diào)節(jié)好后進行鎖緊，在 上述機構(gòu)中，連桿AB的長度等于連桿DE的長度，直角轉(zhuǎn)臂的兩臂長度相等。上述彈性耦合機構(gòu)中，i的距離等于&的距離。上述兩個彈簧完全相同，且壓縮狀態(tài)相同。下面敘述本實用新型的工作原理。耦合剛度的理論推導(dǎo)圖6是獨立輪對柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架在列車中的安裝示意圖，圖中只畫了三 節(jié)車，對于多節(jié)車也是可以的，只要在車與車的鉸接處就可安裝獨立輪對柔性耦 合徑向轉(zhuǎn)向架。圖6中列車兩端的轉(zhuǎn)向架為常規(guī)整體輪對轉(zhuǎn)向架，中間的兩個轉(zhuǎn) 向架為獨立輪對柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架，獨立輪對的導(dǎo)向性能比常規(guī)整體輪對差，所以本文的主要目的是解決獨立輪對轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向性能。由于單軸轉(zhuǎn)向架的一系懸掛剛度遠大于二系懸掛剛度，所以在作理論分析時可把輪對和構(gòu)架看作一個整體。由于獨立輪對理論上不存在縱向蠕滑力，所以耦合轉(zhuǎn)向架中的前后兩個單軸轉(zhuǎn)向架所受的搖頭偏轉(zhuǎn)力矩主要是耦合元件產(chǎn)生的力矩M^和二系懸掛系統(tǒng)產(chǎn)生的力矩M^，并且當列車穩(wěn)態(tài)通過曲線時，這兩個力矩之和應(yīng)該為0，所以可得輪對搖頭運動方程<formula>formula see original document page 5</formula> (1)其中<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
<formula>formula see original document page 5</formula> (3)
式中，J^為轉(zhuǎn)向架一側(cè)二系懸掛縱向剛度，^,為轉(zhuǎn)向架一側(cè)縱向耦合剛 度，A為二系懸掛橫向跨距之半，A為耦合元件橫向跨距之半，/為車輛名義定
距之半，6為耦合轉(zhuǎn)向架車輛名義軸距之半，i 為圓曲線半徑，^/8為構(gòu)架搖頭角，^為車體搖頭角。考慮到輪對的位移和懸掛變形比車輛的名義定距2/要小得多，因此可以認 為車體的中央部分近似與圓曲線相切，即^ 0。當列車穩(wěn)態(tài)通過圓曲線時，為了使耦合走行部的前后輪對完全處于徑向位置，必有=^s(,+1)=0，所以根 據(jù)式(1) 式(3)可得<formula>formula see original document page 6</formula> (4)即<formula>formula see original document page 6</formula> (5)從上式可以看出，車輛名義定距之半/、耦合轉(zhuǎn)向架名義軸距之半6、 二系 懸掛橫向跨距之5,半、耦合元件橫向跨距之A半都是結(jié)構(gòu)參數(shù)， 一旦結(jié)構(gòu)確定了，這些值就是恒定值，所以耦合剛度i^的選取主要與二系懸掛剛度i^有關(guān)。 式(5)還有一個更重要的特點是耦合剛度《 的選取與曲線半徑及無關(guān)，這正是獨立車輪耦合轉(zhuǎn)向架的絕妙之處，因為這將意味著不管線路的曲線半徑大小，只要耦合剛度i^與二系懸掛剛度A^匹配合理，獨立車輪耦合轉(zhuǎn)向架就能在懸掛系統(tǒng)和彈性耦合元件的作用下自動調(diào)節(jié)前后輪對趨于徑向位置。鑒于此，同時針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明人發(fā)明了上述彈性耦合機構(gòu)， 它由兩根連桿、 一根轉(zhuǎn)臂以及彈簧裝置組成，其中彈簧裝置又由缸筒，活塞以及 兩根彈簧組成。安裝時，兩個彈性耦合機構(gòu)以前、后車體鉸接點成中心對稱的方 式布置在前、后單軸轉(zhuǎn)向架之間。本實用新型耦合機構(gòu)的導(dǎo)向原理當列車通過曲線時，如圖7所示，前后轉(zhuǎn)向架外側(cè)鉸接點A點和C點之間 的距離會伸長，從而帶動轉(zhuǎn)臂BCD圍繞著C點順時針方向轉(zhuǎn)動，這樣C點和E 點之間的距離也會伸長(C點和E點之間伸長的長度與A點和C點之間伸長的長 度相等)，這樣耦合機構(gòu)中的彈簧裝置的作用就相當于直接在點A點和C點安裝 相等剛度彈簧的作用；前后轉(zhuǎn)向架內(nèi)側(cè)鉸接點A'和C'之間的距離會縮短，從而
帶動轉(zhuǎn)臂B'C，D'圍繞著C'點逆時針方向轉(zhuǎn)動，這樣C'點和E'點之間的距離也會 縮短(C'點和E'點之間縮短的長度與A'點和C'點之間縮短的長度相等)，這樣耦 合機構(gòu)中的彈簧裝置的作用就相當于直接在點A'點和C'點安裝相等剛度彈簧的 作用。這樣就不用把彈簧懸垂在兩個轉(zhuǎn)向架之間，而消除了前述在兩個單軸轉(zhuǎn)向 架之間直接縱向布置兩根鋼彈簧的弊病。通過前面的理論分析得知，只要轉(zhuǎn)向架每側(cè)的耦合剛度/^(在這里等效于彈簧裝置提供的綜合剛度)與二系懸掛剛度/: 滿足公式(5)，獨立車輪耦合轉(zhuǎn)向架就能在懸掛系統(tǒng)和彈性耦合元件的作用下自動調(diào)節(jié)前后輪對趨于徑向位置。這就是 獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架柔性耦合徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)的導(dǎo)向原理。 本實用新型柔性耦合機構(gòu)具有以下優(yōu)點1、 本實用新型通過一套三連桿機構(gòu)把前后兩個獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架耦合元 件鉸接點之間的的縱向位移轉(zhuǎn)化為橫向位移，從而避免了在前后兩個獨立輪對單 軸轉(zhuǎn)向架之間直接安裝彈簧裝置，這樣就可解決直接在前后兩個獨立輪對單軸轉(zhuǎn) 向架之間直接安裝彈簧的工程實現(xiàn)難題。2、 本實用新型的三連桿機構(gòu)自身各桿件的連接以及與前、后單軸轉(zhuǎn)向架、 彈簧裝置的活塞之間的連接都是球鉸接方式，可以實現(xiàn)只在前后兩個獨立輪對單 軸轉(zhuǎn)向架之間提供縱向剛度，而其他方向的剛度都趨于0的理論假設(shè)前提。3、 本實用新型的彈簧裝置由缸筒，活塞以及兩根預(yù)壓縮的彈簧組成，并保 證在活塞的有效工作正負行程范圍內(nèi)，兩根彈簧都處于壓縮狀態(tài)，這樣鋼彈簧兩 端的定位就非常容易工程實現(xiàn)。4、 本實用新型解決了獨立輪對的導(dǎo)向難題，在柔性耦合徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)的作 用下，獨立輪對柔性耦合轉(zhuǎn)向架的前后輪對同時自動趨于徑向位置，從而可降低 輪軌噪聲、減輕輪軌磨耗、提高行車安全性。本實用新型獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架柔性耦合機構(gòu)能夠迫使相互耦合的兩個獨 立輪對單軸轉(zhuǎn)向架的前后輪對同時趨于徑向位置，從而徹底解決獨立輪對的導(dǎo)向 難題，相信隨著獨立輪對柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架的研制成功，將會給城市輕軌低地 板車輛的發(fā)展開辟一片廣闊的新天地甚至還可能帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效。


圖1是現(xiàn)有獨立輪對兩軸轉(zhuǎn)向架通過曲線時的導(dǎo)向示意圖； 圖2是現(xiàn)有獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架通過曲線時的導(dǎo)向的示意圖； 圖3是現(xiàn)有獨立輪對耦合轉(zhuǎn)向架通過曲線時的導(dǎo)向示意圖； 圖4是本實用新型單個柔性耦合機構(gòu)示意圖； 圖4 - 1是圖4所示彈簧裝置的放大圖；圖5是本實用新型柔性耦合機構(gòu)在轉(zhuǎn)向架上的安裝示意圖；圖6是獨立輪對柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架在列車中的安裝示意圖；圖7是獨立輪對柔性耦合徑向轉(zhuǎn)向架通過曲線時的導(dǎo)向原理示意圖。
具體實施方式
圖4、圖4-l示出，單個彈性耦合機構(gòu)由直角轉(zhuǎn)臂BCD、連桿AB、連桿DE 以及彈簧裝置組成。其中彈簧裝置又由缸筒5 (含缸蓋)、活塞6以及兩個彈簧7、 8組成。處于壓縮狀態(tài)的兩個彈簧7、 8分別置于活塞6上、下部的缸筒空間中。 參見圖5，安裝時，在列車前、后車體1、 2相鄰端部下面的前、后獨立輪對采 用單軸轉(zhuǎn)向架，在前、后單軸轉(zhuǎn)向架3、 4之間，以前、后車體鉸接點成中心對 稱的方式設(shè)置兩個相同的彈性耦合機構(gòu)。單個彈性耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)為直角轉(zhuǎn)臂 BCD的C點銷接在后單軸轉(zhuǎn)向架4上，連桿AB的B端經(jīng)球鉸連接在直角轉(zhuǎn)臂BCD 的B端上，連桿AB的A端經(jīng)球鉸與前單軸轉(zhuǎn)向架3連接，連桿DE的D端經(jīng)球鉸 連接在直角轉(zhuǎn)臂BCD的D端上，缸筒固定在后單軸轉(zhuǎn)向架4上，連桿DE的E端 經(jīng)球鉸與設(shè)置在缸筒5中的活塞6連接，活塞6上、下部的缸筒空間中分別設(shè)有 處于壓縮狀態(tài)的兩個彈簧7、 8;且上述機構(gòu)中，連桿AB的長度等于連桿DE的長度，直角轉(zhuǎn)臂的兩臂長度相等。彈性耦合機構(gòu)中，^的距離等于^的距離。兩個彈簧7、 8完全相同(即彈簧的所有物理、力學(xué)參數(shù)相同，如材料、直徑、 鋼絲粗細、圈數(shù)以及剛度等相同)，且壓縮狀態(tài)相同。兩個彈性耦合機構(gòu)的耦合剛度^滿足下述表達式&』=<formula>formula see original document page 8</formula>26系懸掛橫向跨距之半，A為耦合元件橫向跨距之半，i^為二系懸掛剛度，6為 耦合轉(zhuǎn)向架名義軸距之半，/為車輛名義定距之半。 參見圖7，在運動過程中，當A點與C點之間的距離發(fā)生變化時，會帶動 轉(zhuǎn)臂BCD圍繞著C點發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而使C點與E點之間的距離發(fā)生相同的變化， 這樣通過耦合機構(gòu)ABCDE就把前后轉(zhuǎn)向架耦合元件鉸接點之間的的縱向位移 轉(zhuǎn)化為一種橫向位移，這樣就不用把彈簧懸垂在兩個轉(zhuǎn)向架之間，而直接橫向安 裝在一個轉(zhuǎn)向架上，而作用效果是相同的(相當于為前后轉(zhuǎn)向架提供了縱向等效 剛度)；由于連桿AB的兩端都是球鉸連接，這恰好可以滿足前面理論推導(dǎo)中的 假設(shè)耦合元件只提供縱向剛度，而其他方向的剛度都趨于0。彈簧裝置中的彈簧7和彈簧8應(yīng)預(yù)壓縮一定位移，保證活塞在有效的工作正 負行程范圍內(nèi)，彈簧7和彈簧8都處于壓縮狀態(tài)，這樣鋼彈簧兩端的定位就非常 容易；彈簧兩端的約束不再是球鉸約束，而是固定約束，所以彈簧的穩(wěn)定性大大 提高；彈簧7和彈簧8相當于并聯(lián)作用，這樣鋼彈簧的簧條直徑和外廓尺寸可適 當做小一些。
權(quán)利要求1、一種獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架柔性耦合機構(gòu)，其特征在于，在列車前、后車體(1、2)相鄰端部下面的前、后獨立輪對采用單軸轉(zhuǎn)向架(3、4)，在前、后單軸轉(zhuǎn)向架(3、4)之間、以前、后車體(1、2)鉸接點成中心對稱的方式設(shè)置有兩個相同的彈性耦合機構(gòu)，單個彈性耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)為直角轉(zhuǎn)臂BCD的C點銷接在后單軸轉(zhuǎn)向架(4)上，連桿AB的B端經(jīng)球鉸連接在直角轉(zhuǎn)臂BCD的B端上，連桿AB的A端經(jīng)球鉸與前單軸轉(zhuǎn)向架(3)連接，連桿DE的D端經(jīng)球鉸連接在直角轉(zhuǎn)臂BCD的D端上，缸筒(5)固定在后單軸轉(zhuǎn)向架(4)上，連桿DE的E端經(jīng)球鉸與缸筒(5)中的活塞(6)連接，活塞(6)上、下部的缸筒空間中分別設(shè)有處于壓縮狀態(tài)的兩個彈簧(7、8)；且上述機構(gòu)中，連桿AB的長度等于連桿DE的長度，直角轉(zhuǎn)臂的兩臂長度相等。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述柔性耦合機構(gòu)，其特征在于，所述彈性耦合機構(gòu)中，:^的距離等于^的距離。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述柔性耦合機構(gòu)，其特征在于，所述兩個彈簧(7、 8) 完全相同，且壓縮狀態(tài)相同。
專利摘要一種獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架柔性耦合機構(gòu)，以前、后車體鉸接點成中心對稱的方式設(shè)置兩個相同的彈性耦合機構(gòu)。單個彈性耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)為直角轉(zhuǎn)臂BCD的C點銷接在后單軸轉(zhuǎn)向架上，連桿AB的B端經(jīng)球鉸連接在直角轉(zhuǎn)臂BCD的B端上，連桿AB的A端經(jīng)球鉸與前單軸轉(zhuǎn)向架連接，連桿DE的D端經(jīng)球鉸連接在直角轉(zhuǎn)臂BCD的D端上，連桿DE的E端經(jīng)球鉸與缸筒中的活塞連接，活塞上、下部的缸筒空間中分別設(shè)有處于壓縮狀態(tài)的兩個彈簧，缸筒固定在后單軸轉(zhuǎn)向架上，且連桿AB、DE的長度相等，直角轉(zhuǎn)臂的兩臂長度相等。本實用新型所述獨立輪對單軸轉(zhuǎn)向架柔性耦合機構(gòu)，結(jié)構(gòu)合理、導(dǎo)向性能好、從工程應(yīng)用角度解決了獨立輪對的導(dǎo)向難題。
文檔編號B61F5/38GK201023479SQ200620036748
公開日2008年2月20日 申請日期2006年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者張衛(wèi)華, 戴煥云, 京 曾, 池茂儒, 鄔平波 申請人:西南交通大學(xué)