非线性空气弹簧及其横向刚度设计方法与流程

本发明涉及一种非线性空气弹簧及其横向刚度设计方法，属于空气弹簧领域。

背景技术：

空气弹簧是一种具有支撑、缓冲、高度调节和角度调节等功能的装置，其被广泛应用于商业汽车、巴士、轨道车辆等设备中。轨道交通用空气弹簧包括气囊和辅助弹簧，辅助弹簧具有支撑气囊、避免干涉、适应气囊无气时的运行需要以及保证无气时车辆也

能安全运行的作用。列车在较高速度通过曲线轨道时，施加在车辆前后方向和左右方向上的振动幅度是不一样的，通常车辆左右方向受到的振动幅度较大，而普通结构的空气弹簧在各个方向上的刚度基本一致的，因此车辆在以较高速度通过曲线轨道时，存在左右方向上刚度不足的问题。车辆在通过曲线时会产生较大的离心力，车体发生横向偏移，乘客的舒适度会降低。为了降低车辆过曲线时由离心力产生的较大横向偏移，现有的技术是在空气弹簧内部设置一个横向硬止档，当横向位移超过硬止档间隙时，空气弹簧的横向刚度明显增大，车辆的横向位移增加速度减慢，从而提高乘客的舒适度。但通过硬止档只能实现二级横向刚度，不能较好地适应不同线路的要求，且硬止档工作时会产生冲击力，止档表面会出现较严重的磨损，冲击力容易导致连接部件松动。如何更好的适应不同线路的要求，进一步提高空气弹簧的横向刚度，减小列车通过较小的曲线时的横向位移，是本发明的研发目的。

技术实现要素：

本发明提供的非线性空气弹簧及其横向刚度设计方法，实现了三级横向非线性刚度，更好地适应各种线路情况，在直线运行时提供最小的一极横向刚度，以满足高速运行的平稳性要求，过较大曲线时提供二级横向刚度，以满足乘客的舒适性要求，过较小曲线时提供三级横向刚度，保证车辆的安全性要求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

非线性空气弹簧，包括上盖板、同轴设置在上盖板下方的支撑板、上下子口分别装在上盖板和支撑板上的气囊、同轴粘结在支撑板底部的环形橡胶堆和固定在支撑板顶面的磨耗板，支撑板中心位置具有向下凸起伸入至环形橡胶堆内腔中的限位凸起，环形橡胶堆的底板中心位置具有向上凸起的限位止档，限位止档顶面为凹槽形状形成限位凹槽，限位凸起沿中轴线伸入限位凹槽中且与限位凹槽不接触，其特征在于所述的限位凸起上套装有弹性止挡，所述的弹性止挡伸入至限位凹槽中且与限位凹槽不接触。

优选的，所述的弹性止挡为套装在限位凸起上的金属橡胶元件，包括橡胶层和与硫化粘结在橡胶层外周的外套层，所述的限位凸起用于安装弹性止挡的部位为倒凸字形状，具有径向的环形平面，弹性止挡装在环形平面的下方，且与环形面轴向隔开不接触，限位凹槽为沿空气弹簧左右方向的u字型凹槽，且沿空气弹簧前后方向为开口对通结构。

优选的，所述的橡胶层的径向厚度大于环形平面的径向宽度，弹性止挡通过内套层与限位凸起套装，内套层硫化粘结在橡胶层的内壁上且套装在限位凸起上或弹性止挡通过橡胶层与限位凸起的硫化粘结与限位凸起套装。

优选的，所述的弹性止挡与限位凹槽之间的径向间距为s1，在橡胶层上开有沿轴向的通孔，所述的通孔的数量为两个且左右对称分布，通孔的最小径向宽度为s2，s1≥s2。

优选的，所述的通孔沿周向呈圆弧状，且包括中间圆弧部和联通在中间圆弧部两端的端部，端部的径向宽度大于中间圆弧部的径向宽度。

优选的，所述的内套层在与中间圆弧部相径向对齐的位置具有凸耳，凸耳的径向厚度大于内套层其它部位的径向厚度，端部向内凹进，凸耳位于通孔的两个端部之间且沿周向为圆弧形状，凸耳与中间圆弧部径向隔开。优选的，所述的外套层为由耐磨材料制动的耐磨层。

以上所述的非线性空气弹簧的横向刚度设计方法，根据空气弹簧的横向变刚度需求，设计气囊的充气量及环形橡胶堆的刚度，从而调节空气弹簧的一级横向刚度；设计弹性止挡的轴向位置以及弹性止挡与限位凹槽的径向间隙，以调节空气弹簧的一次变刚度拐点，从而调节空气弹簧的二级横向刚度；设计弹性止挡的结构，以调节空气弹簧的二次变刚度拐点，从而调节空气弹簧的三级横向刚度。

优选的，“设计弹性止挡的轴向位置以及弹性止挡与限位凹槽的径向间隙，以调节空气弹簧的一次变刚度拐点，从而调节空气弹簧的二级横向刚度”是指设计弹性止挡与限位凹槽之间的径向间距为s1的值，以调节空气弹簧一次变刚度拐点位置，设计弹性止挡轴向高度及在限位凸起上的轴向位置，以调节空气弹簧一次变刚度捌点的刚度值，从而调节空气弹簧的二级刚度。

优选的，“设计弹性止挡的结构，以调节空气弹簧的二次变刚度拐点，从而调节空气弹簧的三级横向刚度”是指设计凸耳径向厚度、周向长度以及通孔的最小径向宽度s2，以调节空气弹簧二次变刚度捌点的位置和刚度值，从而调节空气弹簧三级刚度。

发明的有益效果是：

本发明的非线性空气弹簧在限位凸起上套装弹性止挡，弹性止挡伸入至限位凹槽中且与限位凹槽不接触，当车辆在直线上行驶时，由气囊，环形橡胶堆共同实现横向变形，此时横向刚度较低，为一级横向刚度，较低的横向刚度可保证车辆在线路上高速行驶的动力学要求；当车辆在在曲线上运营时，横向位移增加，使弹性止挡与限位凹槽间的间隙变位零，两者接触形成一次变刚度，环形橡胶堆在横向不再发生变形，由气囊和弹性止档继续横向变形形成二级横向刚度，横向刚度增高，可有效减小横向位移，从而提高乘客舒适度；当车辆通过较小的曲线时，弹性止档发生横向压缩变形，当弹性止档横向压缩变形位移达到最大值时，弹性止挡横向不再变形，由气囊承担后续的变形形成三级横向刚度，以保证车辆的安全性，实现了三级横向非线性刚度，更好地适应各种线路情况，在直线运行时提供最小的一极横向刚度，以满足高速运行的平稳性要求，过较大曲线时提供二级横向刚度，以满足乘客的舒适性要求，过较小曲线时提供三级横向刚度，保证车辆的安全性要求。

在弹性止挡的橡胶层中开孔，通过设计开孔的形状及大小来调节弹性止档的横向刚度，并在弹性止挡的压缩变形过程中橡胶向开孔位置流动，使开孔间隙逐渐减小至零，当减小至零时实现空气弹簧的二次变刚度，通过设计二次变刚度捌点的位置及刚度值，来调节空气弹簧三级刚度的值，从而更好的适应不同线路的要求，保证小曲线下的车辆安全性。

附图说明

图1为本发明的非线性空气弹簧的结构示图。

图2为支撑板与环形橡胶堆的组合示意图。

图3为限位凸起的局部放大示意图。

图4为弹性止挡的剖视图。

图5为限位凹槽与弹性止挡的组合剖视图。

图6为非线性空气弹簧从一级横向刚度变化到二级横向刚度的刚度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合图1至图6对本发明的实施例做详细说明。

非线性空气弹簧，包括上盖板1、同轴设置在上盖板1下方的支撑板2、上下子口分别装在上盖板1和支撑板2上的气囊3、同轴粘结在支撑板2底部的环形橡胶堆4和固定在支撑板2顶面的磨耗板5，支撑板2中心位置具有向下凸起伸入至环形橡胶堆4内腔中的限位凸起6，环形橡胶堆4的底板中心位置具有向上凸起的限位止档7，限位止档7顶面为凹槽形状形成限位凹槽71，限位凸起6沿中轴线伸入限位凹槽71中且与限位凹槽71不接触，其特征在于所述的限位凸起6上套装有弹性止挡8，所述的弹性止挡8伸入至限位凹槽71中且与限位凹槽71不接触。

以上所述的非线性空气弹簧在限位凸起6上套装弹性止挡8，弹性止挡8伸入至限位凹槽71中且与限位凹槽71不接触，当车辆在直线上行驶时，由气囊3，环形橡胶堆4共同实现横向变形，此时横向刚度较低，为一级横向刚度，较低的横向刚度可保证车辆在线路上高速行驶的动力学要求；当车辆在在曲线上运营时，横向位移增加，使弹性止挡8与限位凹槽71间的间隙变位零，两者接触形成一次变刚度，环形橡胶堆4在横向不再发生变形，由气囊3和弹性止档8继续横向变形，形成二级横向刚度，横向刚度增高，可有效减小横向位移，从而提高乘客舒适度；当车辆通过较小的曲线时，弹性止档8发生横向压缩变形，当弹性止档8横向压缩变形位移达到最大值时，弹性止挡8横向不再变形，由气囊3承担后续的变形，形成三级横向刚度，以保证车辆的安全性，实现了三级横向非线性刚度，更好地适应各种线路情况，在直线运行时，提供最小的横向刚度以满足高速运行的平稳性要求，在过较大曲线时，提供二级横向刚度，以满足乘客的舒适性要求，过较小曲线时，提供三级横向刚度，保证车辆的安全性要求。

其中，所述的弹性止挡8为套装在限位凸起6上的金属橡胶元件，包括橡胶层81和与硫化粘结在橡胶层81外周的外套层82，所述的限位凸起6用于安装弹性止挡8的部位为倒凸字形状，具有径向的环形平面61，弹性止挡8装在环形平面61的下方，且与环形面61轴向隔开不接触，限位凹槽71为沿空气弹簧左右方向的u字型凹槽，且沿空气弹簧前后方向为开口对通结构。环形平面61与弹性止挡8轴向隔开不接触，使弹性止挡8压缩变形时橡胶层可向环形平面与弹性止档8之间的间隙流动，保证弹性止挡8被有效压缩，平稳增大横向刚度。限位凹槽71呈u字型，且前后方向开口对通，保证限位凸起6沿空气弹簧前后方向随着气囊的变形而移动，沿空气弹簧左右方向可产生三级横向刚度。

其中，所述的橡胶层81的径向厚度大于环形平面61的径向宽度，弹性止挡8通过内套层83与限位凸起6套装，内套层83硫化粘结在橡胶层81的内壁上且套装在限位凸起6上或弹性止挡8通过橡胶层81与限位凸起6的硫化粘结与限位凸起6套装。弹性止挡8可通过内套层83与限位凸起6套装，也可通通过橡胶层81直接与限位凸起6硫化粘结，采用内套层83方便对内套层83的结构进行设计，以满足横向刚度需求；而采用直接硫化粘结的套装方法可有效避免弹性止挡8与限位凸起6之间发生松开。

其中，所述的弹性止挡8与限位凹槽71之间的径向间距为s1，在橡胶层81上开有沿轴向的通孔81.1，所述的通孔81.1的数量为两个且左右对称分布，通孔81.1的最小径向宽度为s2，s1≥s2。图4和图5中的x向是指空气弹簧的左右方向，y向是指空气弹簧的前后方向，弹性止挡8与限位凹槽71之间的径向间距为s1决定空气弹簧一次变刚度的位置，通孔81.1的最小径向宽度s2决定空气弹簧二次变刚度的位置，调节s1和s2的值，可调节横向两次变刚度捌点的位置，从而调节空气弹簧的二级横向刚度和三级横向刚度。s1≥s2，保证直线运行时空气弹簧具有足够的横向变形空间，保持一级横向刚度。

其中，所述的通孔81.1沿周向呈圆弧状，且包括中间圆弧部81.2和联通在中间圆弧部81.2两端的端部81.3，端部81.3的径向宽度大于中间圆弧部81.2的径向宽度，当橡胶层81发生压缩时，中间圆弧部81.2的宽度逐渐减小，橡胶压缩向端部81.3流动，端部81.3的径向宽度更大，有利于橡胶的流动变形，提升橡胶层的抗疲劳性能，同时保证横向刚度在非变刚度时平稳增加，通孔81.1的设计可调节空气弹簧的二次变刚度，通过对通孔81.1中中间圆弧部81.2的径向宽度即通孔81.1的最小径向宽度的设计，以调节空气弹簧的二次变刚度位置，从而调节弹性止挡8完全压缩后空气弹簧的三级横向刚度。

其中，所述的内套层83在与中间圆弧部81.2相径向对齐的位置具有凸耳83.1，凸耳83.1的径向厚度大于内套层83其它部位的径向厚度，端部81.3向内凹进，凸耳83.1位于通孔81.1的两个端部81.3之间且沿周向为圆弧形状，凸耳83.1与中间圆弧部81.2径向隔开。凸耳83.1的设置，可有效调节空气弹簧的二级横向刚度，在外套层82尺寸确定的情况下，通过对凸耳83.1径向厚度和周向长度的设计，可调节凸耳83.1和外套层82内壁之间橡胶层的厚度，从而调节空气弹簧的二级横向刚度。

其中，所述的外套层82为由耐磨材料制动的耐磨层。增加外套层82的耐磨寿命，从而提高弹性止挡8的使用寿命。

以上所述的非线性空气弹簧的横向刚度设计方法，根据空气弹簧的横向变刚度需求，设计气囊3的充气量及环形橡胶堆4的刚度，从而调节空气弹簧的一级横向刚度；设计弹性止挡8的轴向位置以及弹性止挡8与限位凹槽71的径向间隙，以调节空气弹簧的一次变刚度拐点，从而调节空气弹簧的二级横向刚度；设计弹性止挡8的结构，以调节空气弹簧的二次变刚度拐点，从而调节空气弹簧的三级横向刚度。

如图6所示，a点为一次变刚度拐点，b点为二次变刚度拐点，c点为空气弹簧三级横向刚度的初始点，坐标原点至a点之间的曲线为一级横向刚度的变化曲线，从a点至以c点为二级横向刚度变化曲线，c点后即弹性止挡8被完全压缩后，限位凸起6的横向位置不再变化，空气弹簧达到三级横向刚度，通过调节b点的刚度值即二次变刚度拐点可调节空气弹簧三级横向刚度。

其中，“设计弹性止挡8的轴向位置以及弹性止挡8与限位凹槽71的径向间隙，以调节空气弹簧的一次变刚度拐点，从而调节空气弹簧的二级横向刚度”是指设计弹性止挡8与限位凹槽71之间的径向间距为s1的值，以调节空气弹簧一次变刚度拐点位置，设计弹性止挡8轴向高度及在限位凸起6上的轴向位置，以调节空气弹簧一次变刚度捌点的刚度值，从而调节空气弹簧的二级刚度。弹性止挡8与限位凹槽71之间的径向间距为s1的值即图6中a点的横坐标，弹性止挡8轴向高度及在限位凸起6上的轴向位置，即调节弹性止挡8与限位凸起6的接触轴向长度，以调节弹性止挡8的受力，即调节a点的纵坐标，从而即节第一次变刚度拐点即a点的刚度值。

其中，“设计弹性止挡8的结构，以调节空气弹簧的二次变刚度拐点，从而调节空气弹簧的三级横向刚度”是指设计凸耳83.1径向厚度、周向长度以及通孔81.1的最小径向宽度s2，以调节空气弹簧二次变刚度捌点的位置和刚度值，从而调节空气弹簧三级刚度。凸耳83.1径向厚度、周向长度以及通孔81.1的最小径向宽度s2即可以调节凸耳83.1与外套层82内壁之间橡胶的厚度，以及变化二次变刚度时橡胶层的压缩量，从而调节二次变刚度拐点即b点的横坐标和纵坐标，即b点的刚度值，以调节b点的刚度，从而调节橡胶层81被完成压缩后弹性止挡8的最大刚度值，即空气弹簧三级横向刚度初始值，即c点的刚度值。

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。