CN2547546Y - 无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧 - Google Patents

Abstract

无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，由橡胶主簧和液体阻尼装置两部分构成，而且橡胶主簧和液体阻尼装置是垂直叠加为一体的，其中橡胶主簧是由多层锥型金属骨架和橡胶硫化粘合成一体的，而液体阻尼装置是通过由橡胶主簧、密封冠、密封囊和阻尼隔板所构成的两个可变容积的密闭容腔与一个隔离两个密闭容腔的阻尼隔板所组合而成的，其中密封囊为一种高弹性的橡胶囊，而两个密闭容腔的容积改变是通过密闭容腔内的液体经阻尼隔板上的阻尼孔相互流动来实现的，在阻尼隔板上根据具体隔振需要还可在阻尼隔板上设置弹性变形的橡胶膜。由于流体的共振效应使其在产品的高频隔振区具有较好的动态性能，而在产品低频共振区又能提供很大的阻尼，从而抑制振动的放大和衰减振动。

Description

无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧

一、技术领域

本实用新型属于减振降噪领域。涉及一种带阻尼的复合弹簧，主要应用于轨道车辆(铁路货车、客车、地铁及城市轨道车)轴箱，起弹性支撑悬挂作用，同时在水平向能起到定位连接的作用，连接构架与轮对，并且能衰减轮对不利振动。

二、背景技术

轨道车辆是我国的重要交通工具，然而随着铁路车辆的提速和城市轨道车的广泛应用，其对减振降噪也提出了越来越高的要求。轨道车辆的各个部件之间是通过柔性弹簧和定位机构连接起来的，在车辆的轴箱与转向架之间、转向架与车体之间应用有各种弹簧和阻尼器，我们称这两部分为悬挂部分。现有的车辆，因车辆受到来自于轨道、空气等外界作用产生振动，为提高车辆运行平稳性指标和适应快速交通，在车辆上应用三个独立的部件来实现弹簧支撑、阻尼和定位这三个功能的，其中弹簧一般为金属螺旋弹簧，阻尼有摩擦阻尼和油压阻尼等，这种三个功能由三个部件实现，使得车辆转向架的设计结构复杂，而且存在较大的磨损，增加了维修的工作量，不但成本高，还影响车辆的连续运行，因此很有必要加以改进。

三、发明内容：

本实用新型的发明目的旨在：

1.将弹簧、阻尼和定位三个功能在一个产品上实现；

2.达到无磨耗，寿命周期内免维护，以简化车辆转向架结构，实现多功能集成；

3.实现垂向性能的非线性硬特性，阻尼能自适应；

4.在一定的车辆运行速度范围内提高车辆的运行平稳性、动力学性能。

本实用新型的目的是通过下述的技术方案实现的：本实用新型涉及一种锥型橡胶弹簧和流体阻尼复合的隔振减振技术。对于轨道车辆的悬挂***不仅要有足够的刚性，同时又必须具有一定的柔性(刚度系数K决定)，以利于隔离振动缓和冲击，而且由于车辆在运行过程中受到的激振频域宽，振动复杂，所以还必须要有减振功能以衰减不利振动和抑制共振(阻尼系数C决定)，保证车辆的正常运行平缓性、舒适性等。轨道车辆受到的振动冲击主要来自于轮轨，其简单的振动模型的消极隔振模型如图1所示。图1所示的振动***，在轨道车辆上目前使用的情况是；弹簧k和阻尼c是分开的，由两个独立的部件(或产品)来实现。为说明本实用新型的特点先分析如图1所示的振动***，对于定常的k、c、M(质量块)的***，我们称之为线性***(为说明方便，我们将车辆的悬挂***按照线性***来考虑是可行的)，由振动知识有： $m\stackrel{\·\·}{y}=-k(y-x)-c(\stackrel{\·}{y}-\stackrel{\·}{x})$

在车辆上M成为簧上质量，k为一系弹簧刚度(N/m)，c为一系阻尼(Ns/m)，输入X为轮对所受冲击(激励)，Y簧上响应，Y与X的比值为位移传递率T_M，由振动知识有： $T_M=\frac{Y}{X}=\sqrt{\frac{1+{(2\mathrm{\ζ\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2}{{[1-{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2]}^2+{(2\mathrm{\ζ\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2}}$

将上式T_M、ω/ω_n、ξ之间关系绘成如图2所示的曲线，从图2中可看出激振频率ω远大于固有频率ω_n时传递率T_M越小，即减振效果越好，而在此减振区域内T_M随阻尼比ξ的增加而增加，即减振效果差，由公式 ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{k}{m}}$

可知当***刚度K越小时***的固有频ωn率也越小，***能隔离的振动频域就越宽，效果越好，故对减振隔振***来说，要想获得较好的隔振效果应尽量地降低***刚度，以获得较低的固有频率，在隔振区尽量减小阻尼作用，同时在不可避免的振动放大区提供较大的阻尼力以抑制振动的放大。

本实用新型正是基于这样一个近似理想的隔振器来设计的。本实用新型为液体阻尼和叠层橡胶弹簧复合作用所构成的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹性元件，通过液体的阻尼作用和橡胶弹簧的综合特性来达到减振隔振的效果。本实用新型的结构组成如图3所示，主要由橡胶主簧和液体阻尼装置两部分所构成，而且橡胶主簧和液体阻尼装置两部分是垂直叠加为一体的，且液体阻尼装置16是叠加在橡胶主簧5之上的。其中橡胶主簧由多层锥型金属骨架和橡胶硫化粘合成一体，其金属骨架层数根据需要的具体参数可进行调整，其橡胶的层数为1-6层不等，其锥角α从10°-30°不等，且在橡胶主簧的橡胶上，有用于调整橡胶主簧刚度的橡胶去除缺口，通过在产品的不同部位去除部分橡胶，以及调整α角和骨架层数、规格尺寸可获得一系列不同刚度要求参数的产品，由于橡胶在轴向由橡胶剪切承载故可获得很大的柔性和大变形能力，使得橡胶主簧额定载荷下挠度可达30-65mm，这种设计能使得产品可获得较低的固有频率，改变了过去因橡胶产品挠度(一般在15mm以下)或承载能力不足而不得不使用钢簧设计情况，而在其径向由橡胶的压缩承载，刚度较大，可获得满意的定位刚度。而液体阻尼装置是通过由橡胶主簧、密封冠、密封囊和阻尼隔板所构成的两个可变容积的密闭容腔与一个隔离两个密闭容腔的阻尼隔板所组成的，其中密封囊为一种高弹的橡胶囊，它的使用使得产品的上密闭容腔的体积可随时容易的发生变化，同时它借助空气压力使流体快速的流回下容腔中，使得流体在上下容腔中来回振荡得以实现。而两个密闭容腔的容积改变是通过密闭容腔内的液体经阻尼隔板上的阻尼孔相互流动来实现的，密闭容腔内的流体阻尼材料可选用硅油或其它液体，通过产品试制试验多种材料的对比，硅油具有较好的综合性能，它性能稳定，粘度调整范围广，粘度随温度的变化小，它既能满足阻尼的要求，而且它对橡胶几乎没有什么不利的影响。试验的结果表明粘度的最佳范围为300-800mm²/s之间。而且阻尼孔是采用的阻尼隔板圆周均匀布置，使得阻尼液体的流动均匀平稳。由于橡胶主簧在轴向大变形能力和橡胶材料本身的动态特性，使得其在20Hz(甚至15Hz)以上的中高频振动有很好的隔振效果，而在车辆处于低频大位移共振区时，流体阻尼装置就会起作用。由于流体的共振效应使其在产品的高频隔振区具有较好的动态性能，而在产品低频共振区又能提供很大的阻尼，从而抑制振动的放大和衰减振动。流体阻尼的作用过程是：橡胶主簧上的安装面和密封冠上的安装面分别连接转向架和轴箱上的安装座，轮对受到的振动经轴箱传到产品的一安装面上，通过产品的柔性支撑传到转向架上再传至车体，两安装面之间的相对错位使流体的下容腔体积发生变化而压迫流体在上下容腔之间流动，流体的流动的是通过阻尼隔板上特制的环行通道在上下两腔之间流动的，流体流过通道必须克服一定阻力而做功，将机械能转化位热能散发到周围介质而起到衰减振动的作用。在阻尼隔板上根据具体隔振需要还可在阻尼隔板上设置弹性变形的橡胶膜(如图3所示)，将一块2-3mm厚的橡胶膜装于阻尼隔板上，两边再加上带孔金属隔片保护其不会被破坏，且流体有能作用在其上，其安装位置可在阻尼隔板上任意布置，这对高频微振幅的振动吸收有很大的好处，它的设置能更好的改变产品在隔振区的减振效果。为了获得适当的阻尼，阻尼孔结构设计成环行通道，阻尼隔板由两块金属板组成，分成上阻尼隔板和下阻尼隔板，流体从金属板一面的通道开口流进，通过环行通道流到另一面，通道开口数量和通道的尺寸大小由需要的阻尼确定。

本实用新型橡胶主簧的特性使得产品在轴向可获得较低的固有频率，从而使产品在较广泛的频域里起到很好的隔振作用；而在径向可有很好柔性定位的作用；同时用橡胶形变来起到活塞的作用，使流体产生流动，达到无磨耗的目的。而本实用新型的流体阻尼装置在车辆处于低频大位移共振区时，又会起到衰减振动的作用。通过流体的共振效应使其在产品的高频隔振区具有较好的动态性能，而在产品低频共振区又能提供很大的阻尼，从而抑制振动的放大和衰减振动。

四、附图及附图说明

图1轨道车辆的振动消极隔振模型简图；

图2激振频率ω与传递率T_M和阻尼比ξ之间的关系曲线图；

图3本实用新型结构示意图。

图中1、密封冠  2、密封囊  3、阻尼隔板  4、流体阻尼材料  5、橡胶主簧  6、金属骨架  7、橡胶  8、橡胶去除缺口  9、阻尼孔10、橡胶膜  11、带孔金属隔片  12、上阻尼隔板  13、下阻尼隔板  14、橡胶主簧上的安装面  15、密封冠上的安装面  16、液体阻尼装置  17、密闭容腔  18、密闭容腔  19、通气孔

五、具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步的描述。从附图中可以看出，本实用新型是由橡胶主簧5和液体阻尼装置16两部分所构成，而且橡胶主簧5和液体阻尼装置16两部分是垂直叠加为一体的，一般来说是液体阻尼装置16在上，橡胶主簧5在下。其中橡胶主簧5是由多层锥型金属骨架6和橡胶7硫化粘合成一体的，其金属骨架6的层数根据需要的具体参数可在1-5之间进行调整，其橡胶7的层数为1-6层不等，其橡胶主簧5的金属骨架6和橡胶7与轴线所形成的锥角α为10°-30°不等，且在橡胶主簧的橡胶上，有用于调整橡胶主簧刚度的橡胶去除缺口8，通过在产品的不同部位去除部分橡胶，以及调整α角和骨架层数、规格尺寸可获得一系列不同刚度要求参数的产品，由于橡胶在轴向由橡胶剪切承载故可获得很大的柔性和大变形能力，使得橡胶主簧5额定载荷下挠度可达30-65mm。而液体阻尼装置16是通过由橡胶主簧5、密封冠1、密封囊2和阻尼隔板3所构成的两个可变容积的密闭容腔17、18与一个隔离两个密闭容腔的阻尼隔板3所组合而成的，其中密封囊2为一种高弹性的橡胶囊，它可使上密闭容腔17的体积可随时很容易的发生变化，同时它借助空气压力使流体快速的流回下密闭容腔18中，使得流体在上下容腔中来回振荡得以实现。而两个密闭容腔17、18的容积改变是通过密闭容腔内的液体经阻尼隔板上的阻尼孔9相互流动来实现的，密闭容腔内的流体阻尼材料4可选用硅油或其它液体，通过产品试制试验多种材料的对比，硅油具有较好的综合性能，它性能稳定，粘度调整范围广，粘度随温度的变化小，它既能满足阻尼的要求，而且它对橡胶几乎没有什么不利的影响。试验的结果表明粘度的最佳范围为300-800mm²/s之间。而且阻尼孔9是在阻尼隔板圆周均匀布置的，使得阻尼液体的流动均匀平稳。流体阻尼的作用过程是：橡胶主簧上的安装面14和密封冠上的安装面15分别连接转向架和轴箱上的安装座，轮对受到的振动经轴箱传到产品的一安装面上，通过产品的柔性支撑传到转向架上再传至车体，两安装面之间的相对错位使流体的下容腔体积发生变化而压迫流体在上下容腔之间流动，流体的流动的是通过阻尼隔板上特制的环行通道在上下两腔之间流动的，流体流过通道必须克服一定阻力而做功，将机械能转化位热能散发到周围介质而起到衰减振动的作用。在阻尼隔板3上根据具体隔振需要还可在阻尼隔板3上设置弹性变形的橡胶膜10(如图3所示)，将一块2-3mm厚的橡胶膜装于阻尼隔板3上，两边再加上带孔金属隔片11，保护其不会被破坏，且流体有能作用在其上，其安装位置可在阻尼隔板3上任意布置，这对高频微振幅的振动吸收有很大的好处，它的设置能更好的改变产品在隔振区的减振效果。为了获得适当的阻尼，阻尼孔9的结构设计成环行通道，阻尼隔板3由两块金属板组成，分成上阻尼隔板12和下阻尼隔板13，流体从金属板一面的通道开口流进，通过环行通道流到另一面，通道开口数量和通道的尺寸大小由需要的阻尼确定。此外，在密封冠1上有用于保持密封冠1内腔气压稳定的通气孔19。通气孔19使得密封冠1内腔气压稳定在一个大气压。由于橡胶主簧5在轴向大变形能力和橡胶材料本身的动态特性，使得其在20Hz(甚至15Hz)以上的中高频振动有很好的隔振效果，而在车辆处于低频大位移共振区时，流体阻尼装置就会起作用。由于流体的共振效应使其在产品的高频隔振区具有较好的动态性能，而在产品低频共振区又能提供很大的阻尼，从而抑制振动的放大和衰减振动。

橡胶主簧结构和作用：其中橡胶主簧5由多层锥型金属骨架和橡胶硫化粘合成一体，其骨架层数根据需要的具体参数可进行调整，其橡胶的层数从1-6层不等，橡胶切面形状设计按等应力理论设计，橡胶材料选用天然橡胶，特定的配方；其锥角α从10°-30°不等，且因橡胶成型方便，通过在产品的不同部位去除部分橡胶如图示的W处，以及调整α角和骨架层数、规格尺寸可获得一系列不同刚度要求参数的产品，由于橡胶在图示的轴向由橡胶剪切承载故可获得很大的柔性和大变形能力，额定载荷下挠度可达30-65mm，这种设计能使得产品获得较低的固有频率，改变了过去因橡胶产品挠度(一般在15mm以下)或承载能力不足而不得不使用钢簧设计情况，而在其径向由橡胶的压缩承载，刚度较大，可获得满意的定位刚度。

阻尼的产生：由于橡胶主簧在轴向大变形能力和橡胶材料本身的动态特性，使得其在20Hz(甚至15Hz)以上的中高频振动有很好的隔振效果，而在车辆处于低频大位移共振区时，流体阻尼4就会起作用。由于流体的共振效应使其在产品的高频隔振区具有较好的动态性能，而在产品低频共振区又能提供很大的阻尼，从而抑制振动的放大和衰减振动。流体阻尼的作用过程是：橡胶主簧4的安装面1和密封冠上安装面2分别连接转向架和轴箱上的安装座，轮对受到的振动经轴箱传到产品的一安装面上，通过产品的柔性支撑传到转向架上再传至车体，两安装面之间的相对错位使流体的下容腔体积发生变化而压迫流体在上下容腔之间流动，流体的流动的是通过阻尼隔板上特制的环行通道在上下两腔之间流动的，流体流过通道必须克服一定阻力而做功，将机械能转化位热能散发到周围介质而起到衰减振动的作用。

阻尼隔板结构：在阻尼隔板上根据具体隔振需要可设置弹性变形的橡胶膜(如图3所示)，将一块2-3mm厚的橡胶膜装于阻尼隔板上，两边再加上带孔金属隔片保护其不会被破坏，且流体有能作用在其上，其安装位置可在阻尼隔板上任意布置，这对高频微振幅的振动吸收有很大的好处，它的设置能更好的改变产品在隔振区的减振效果。为了获得适当的阻尼，阻尼孔结构设计成环行通道，阻尼隔板由两块金属板组成，流体从金属板一面的通道开口流进，通过环行通道流到另一面，通道开口数量和通道的尺寸大小由需要的咀尼确定。

密封：本产品使用一种高弹的橡胶囊，它的使用使得产品的上密闭容腔的体积可随时容易的发生变化，同时它借助空气压力使流体快速的流回下容腔中，使得流体在上下容腔中来回振荡得以实现。

流体材料：流体阻尼材料选用硅油，通过产品试制试验多种材料的对比，硅油具有较好的综合性能，它性能稳定，粘度调整范围广，粘度随温度的变化小，它既能满足阻尼的要求，而且它对橡胶几乎没有什么不利的影响。试验的结果表明粘度的最佳范围为300-800mm²/s之间。

Claims (9)

1、无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，为液体阻尼和叠层橡胶弹簧复合作用所构成的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹性元件，由橡胶主簧(5)和液体阻尼装置(16)两部分所构成，而且橡胶主簧(5)和液体阻尼装置(16)两部分是垂直叠加为一体的，而液体阻尼装置(16)是通过由橡胶主簧(5)、密封冠(1)、密封囊(2)和阻尼隔板(3)所构成的两个可变容积的密闭容腔(17)、(18)与一个隔离两个密闭容腔的阻尼隔板(3)所组合而成的，其中密封囊(2)为一种高弹性的橡胶囊，而两个密闭容腔(17)、(18)的容积改变是通过密闭容腔内的液体经阻尼隔板(3)上的阻尼孔(9)相互流动来实现的。

2、如权利要求1所述的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，其特征在于：在阻尼隔板(3)上任意位置设置有弹性变形的橡胶膜(10)，橡胶膜(10)装于阻尼隔板(3)上，在橡胶膜(10)的两边有保护其不会被破坏的带孔金属隔片(11)，且流体有能作用在其上，为了获得适当的阻尼，阻尼孔(9)为环行通道形状，阻尼隔板(3)由两块金属板组成，分成上阻尼隔板(12)和下阻尼隔板(13)，流体从金属板一面的通道开口流进，通过环行通道流到另一面。

3、如权利要求1或2所述的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，其特征在于：橡胶主簧(5)是由多层锥型金属骨架(6)和橡胶(7)硫化粘合成一体的，其金属骨架(6)的层数为1-5之间，其橡胶(7)的层数为1-6层，橡胶主簧(5)的金属骨架(6)和橡胶(7)与轴线所形成的锥角为10°-30°，且在橡胶主簧(5)的橡胶(7)上，有用于调整橡胶主簧刚度的橡胶去除缺口(8)。

4、如权利要求1或2所述的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，其特征在于：液体阻尼装置(16)是叠加在橡胶主簧(5)之上的。

5、如权利要求1或2所述的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，其特征在于：橡胶主簧(5)额定载荷下的挠度为30-65mm。

6、如权利要求1或2所述的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，其特征在于：密闭容腔内的流体阻尼材料(4)的粘度的范围为300-800mm²/s。

7、如权利要求1或2所述的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，其特征在于：密闭容腔内的流体阻尼材料(4)为硅油。

8、如权利要求1或2所述的无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，其特征在于：阻尼孔(9)是在阻尼隔板(3)上均匀布置的。

9、如权利要求1或2所述的车辆转向架轴箱用无磨耗非线性阻尼复合减振定位弹簧，其特征在于：在密封冠(1)上有用于保持密封冠(1)内气压稳定的通气孔(19)。

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