机车车辆串联橡胶垫的高圆弹簧刚度的计算分析

机车车辆串联橡胶垫的高圆弹簧刚度的计算分析

孤夜狼 13车辆工程2班 20131310010204

摘要：随着我国铁路进入高速重载的新时代，铁路列车运行的平稳性与安全性越来越重要。轴箱弹簧是机车转向架的关键部件之一，其性能的稳定性直接影响机车运行的安全及平稳。弹簧承载情况及工作环境十分复杂，所以，弹簧的强度、疲劳寿命具有非常大的随机性，是广大工程技术研究人员十分关注的问题。因此，研究细化弹簧强度和精确计算串联橡胶垫的高圆钢弹簧刚度参数具有重要的理论及实际意义。 关键词：高圆弹簧；橡胶垫；刚度；稳定性

Abstract : With China's railway enter a new era of speed and heavy duty，the smooth and security running of railway trains becomes more important．Spring is one of the key components in vehicle, the stability of which affect the safety and stabilization of vehicle operation. There is very large randomicity in strength and fatigue life of spring for the complicated status of load and work environment. For its importance of practical application, the problem catches many engineers to research. Keywords : flexicoil spring;rubber pad;stiffness;stability

0、引言;

近十年多来，中国的铁路发展迅猛，列车经过几次大提速，运行速度有了显著提高。随着运行速度的提高，不可避免地加剧了机车车辆的振动和噪声，严重影响了列车的舒适性和安全性，因此对列车减振系统相应地提出了更高的要求。

由高圆钢制弹簧和橡胶垫串联组成的悬挂装置在铁道机车车辆中使用十分普遍，准确计算其各向刚度，特别是横向刚度值是保证机车车辆动力学性能的前提。在机车车辆中大量使用螺旋弹簧，而螺旋弹簧的刚度显著影响机车车辆的运行稳定性、安全性和曲线通过性能。到目前为止，有许多计算弹簧刚度的方法，但都无法在设计阶段取得试验数据，只能用其它相近弹簧的试验数据代替。另外，弹簧本身就不是弹性直杆，弹性直杆不能解决弹簧两端的切口对刚度的影响，不能计算出精确的弹簧刚度。在铁路机车车辆设计和方案论证阶段如果机车车辆悬 挂系统的刚度参数不能准确确定，机车车辆系统动力学分析结果存在较大的分析误差，会给铁道车辆新产品开发带来困难及经济损失。

故其在很多方面扮演着相当重要的角色，对车辆的舒适性和安全性也起着相当重要的作用，因此其刚度的研究分析十分必要。本文以高圆弹簧一端加橡胶和上下两端加橡胶垫两种不同结构型式进行计算强度，并分析两种结构的稳定性和影响因素。

1、高圆弹簧加橡胶垫的刚度

高圆弹簧加橡胶垫的结构被广泛应用于新一代的内燃机车、电力机车及车辆上,作为二系悬挂装置。橡胶垫的作用有两点:一是减小高圆弹簧的水平向刚度;二是显著降低高圆弹簧的应力水平。橡胶垫的应用,既改善了高圆弹簧的水平刚度特性,还保证它的运用可靠性和耐久性。在结构型式上,可以是高圆弹簧一端加橡胶垫,或上下两端加橡胶垫,所加橡胶垫可以

是实心圆垫,也可以是中空圆垫。一般圆垫为单层,也有用双层的。

1.1、高圆弹簧和橡胶元件

1.1.1、高圆弹簧

螺旋弹簧即扭转弹簧，是承受扭转变形的弹簧，它的工作部分也是密绕成螺旋形。扭转弹簧的端部结构是加工成各种形状的扭臂，而不是勾环；扭转弹簧常用于机械中的平衡机构。

由高圆钢制造而成的弹簧叫做高圆弹簧，高圆弹簧和橡胶垫串联组成的悬挂装置在铁道机车车辆中使用十分普遍。

高圆弹簧如右图[1]所示： 1.1.2、橡胶元件

橡胶弹性元件由于具有典型的非线性刚度特性，同吋可以满足多向刚度的要求，在满足机车车辆动力学参数方面比金屈零件具有更强的优势，因此在机车车辆转向架中橡胶弹性元件得到了越来越多的应用。机车牟辆在运行过程中会受到来自轮轨间强烈的瞬时冲击载荷，不仅会引起机车车辆的破坏，也会导致机车车辆的强烈的共振。为衰减这些冲击和振动，满足机车本辆各利动力学指标（例如，稳性指标、脱轨系数、轮重减载率、轮轨冲等），在轮对和构架之间、转向架车体之间以及其他各种关节之间装有弹性元件（包括橡胶弹黄，各种橡胶关节，橡胶衬套，衬垫，止挡等）。这些弹性元件存采用金属元件的，但更多的是采用橡胶弹性元件。因为与金属元件相比，橡胶弹性元件在满足机市动力学性能方而有着非常显著的特点和不可替代的优势。

橡胶垫如右图[2]所示：

1.2弹簧刚度分析

根据弹簧刚度的定义可知，在上支承圈平面上施加单位轴向强迫位移，计算所得约束反力就是弹簧的轴向刚度[4]。弹簧的刚度计算公式是由以下方法推到计算的到得： 首先列出弹簧受载后的轴向变形，可根据材料力学的公式求

（式1） 式中：n---弹簧有效圈数；

G---剪切弹性模数，弹簧钢 G=81.3GPa； d---簧条圆直径； D---弹簧平均直径。 利用上式可求出所需的弹簧工作圈数n，即：

（式2） （1）若n＜15时，则取n为0.5的倍数；

（2）若n＞15时，则取n为整数圈。一般情况下n≥2,压缩弹簧的总圈数12nnn，2n为支撑圈数。

使弹簧产生单位变形量所需要的载荷，称为弹簧刚度k，即

（式3） 弹簧的刚度是表征弹簧的性能的主要参数之一。刚度越大，弹簧变形所需要的力就越大。影像弹簧刚度的因素很多，由上市可知，k与C的三次方成正比，即C值对k的影响很大，因此合理的选择C值能控制弹簧的弹力。另外，k还与G、d、n有关，在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。

将相应的参数代入式3 ，即可得本例圆柱压缩弹簧的刚度K 。

根据弹簧可知刚度是使弹簧产生单位变形所需要的载荷，因此可以在弹簧的一端施加一个单位受迫振动，即在弹簧的上盖板处施加一个单位位移。在弹簧的下端可以查看其反作用力所得的反作用力即为弹簧刚度值。

图[3] 弹簧刚度计算过程框架图

1.2.1高圆弹簧两端加橡胶垫的横向刚度计算

如下图[4]：圆弹簧两端加橡胶垫的横向刚度计算示意图所示:

设在工作过程中,其两端保持平行,则可以认为,圆弹簧横向变形对于中点C是对称的,即AC和EC对称。同时假设圆弹簧的工作高度H不随横向位移fL的变化而变化,而是决定于载荷P′的大小,而且橡胶垫的工作高度h1只决定于垂向载荷P。

设下列代表符号:kL—圆弹簧的横向刚度(N/mm);kV—圆弹簧的垂向刚度(N/mm); H0—圆弹簧的自由高度(mm);kⅡ—橡胶垫的剪切刚度(N/mm);

kθ—橡胶垫的弯曲刚度(N?mm/rad)。

由右图[4] 可列出下列方程 B点处的力矩M′为：

A点处的力矩M为： [图4]

力的平衡方程式为：

弹簧总成的横向挠度fL′为：

各挠度近似地为：

又圆弹簧工作高度：

解各方程式,得:

式中的：

解方程式求得横向力Q及横向挠度fL′后, 便可计算得圆弹簧两端加橡胶垫后(或称圆弹簧总成)的横向刚度为：

1.2.2高圆弹簧一端加橡胶垫的横向刚度计算

圆弹簧一端加橡胶垫的横向刚度，用以下式计算：

式中,kL,H—分别为圆弹簧的横向刚度及工作高度; kⅡ,h1—分别为橡胶垫的剪切刚度及工作高度; kθ—橡胶垫的弯曲刚度; P—垂向作用力。

2.高圆弹簧加橡胶垫的稳定性分析

弹簧总成的横向稳定性主要与橡胶垫的高度和高圆弹簧所加橡胶垫的厚度,应合理选择，否则会引起弹簧总成的横向趋于不稳定。但这是仅从橡胶垫的受压考虑,更全面的分析还应该计及高圆弹簧的特性。如将高圆弹簧视作一受压柱体,则两端或一端的橡胶垫,是该柱体的约束条件。对于高圆弹簧受压稳定,端部约束或是固定,或是铰接的。

高圆弹簧加橡胶垫在垂直力作用下的不稳定性,表现为弹簧总成的横向刚度为负值。负刚度的物理意义是,弹簧总成在垂直力作用下,作横向位移时,需要有外力作用于弹簧总成的位移的相反方向,才能保持它的平衡。

在进行理论分析时,将高圆弹簧看作当量柱体,然后运用长柱体的稳定性理论推导它的计算公式。即从欧拉公式出发,分析高圆弹簧加橡胶垫的临界载荷。

2.1高圆弹簧所加橡胶垫厚度的合理选择

试验表明,圆形橡胶垫受压保持稳定的条件是其厚度 （r是橡胶垫半径）

说明橡胶垫厚度取得过大,接近失稳状态,因而使弹簧总成的实际横向刚度kL′远较计算值为低。

2.2高圆弹簧加橡胶垫的临界载荷的确定

实际上，由于载荷的偏心和弹簧轴线偏离理想的直线，计算临界载荷时，应留有一定的裕度，即计入安全系数在内。现以长度系数μ′=1.2μ来计算临界载荷。

应该说明的是，我们原参考国外资料，将安全系数取为1.25，即：μ′=1.25μ[52]。

后经试验表明，往往计算求得的数值，表明弹簧总成已经失稳，但实际试验时，还是稳定的。表示计算过于安全，因此改取安全系数为1.2。

对于钢制圆截面弹簧，,建议以下式计算弹簧总成的临界挠度：

式中：H0—高圆弹簧的自由高度(mm)；

D—高圆弹簧的簧圈平均直径(mm)； μ—长度系数。

上式适用于高圆弹簧的两端具有各种约束条件,包括固定、铰接或弹性橡胶垫。并适用于弹簧横向有约束或无约束的两种情况。不论约束条件的不同和横向有无约束,都反映在长

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