阅读说明：本技术 一种准零刚度轴箱弹簧减振方法及弹簧 (Quasi-zero stiffness axle box spring vibration reduction method and spring ) 是由 陈清化 王玉辉 褚衍廷 陈铖 杨晓林 钱娜 王文静 俞雷 邢湘利 邹震 颜毅斌 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种准零刚度轴箱弹簧减振方法及弹簧,所述轴箱弹簧包括橡胶锥形弹簧,所述橡胶锥形弹簧芯轴呈空心状；所述橡胶锥形弹簧的芯轴内内置并联安装有负刚度装置。本发明所提供的轴箱弹簧将橡胶锥形弹簧与负刚度装置内置并联安装,既能在平衡位置实现准零刚度,得到较低的固有频率,实现低频隔振,有效抑制轮轴低频振动成分对构架及车体的影响,又可以提供较大垂向刚度,满足列车大负载时减小装置变形挠度的要求,确保了列车运行的安全性与平稳性。(The invention provides a damping method for a quasi-zero stiffness axle box spring and a spring, wherein the axle box spring comprises a rubber conical spring, and a core shaft of the rubber conical spring is hollow; and a negative stiffness device is arranged in a mandrel of the rubber conical spring in parallel. The axle box spring provided by the invention has the advantages that the rubber conical spring and the negative stiffness device are arranged in parallel, so that the quasi-zero stiffness can be realized at the balance position, the lower inherent frequency is obtained, the low-frequency vibration isolation is realized, the influence of the low-frequency vibration component of the axle on the framework and the train body is effectively inhibited, the larger vertical stiffness can be provided, the requirement of reducing the deformation deflection of the device when the train is under a large load is met, and the safety and the stability of the train operation are ensured.)

一种准零刚度轴箱弹簧减振方法及弹簧

技术领域

本发明涉及轨道车辆减振领域，具体涉及一种准零刚度轴箱弹簧减振方法及弹簧。

背景技术

因为橡胶的减振降噪优势，目前国内外很多城市轨道交通车辆上已普遍采用锥形橡胶弹簧作为轴箱弹簧在使用，但是随着当前城市的发展，人们对于车辆乘坐舒适性和防噪声干扰的要求越来越高。轮轨之间的振动及轮轴振动产生的振动通过一系轴箱弹簧传递给构架，往上再传递给二系弹簧及车体。锥形弹簧相较于单独钢弹簧的减振降噪效率提高了许多。根据线性振动理论，对于一般弹簧隔振器，无论是谐波力还是基础振动激励作用，只有当外激励频率大于根号2倍的系统固有频率时，才能产生隔振效果。

因此，要想有效地减少轮轨及轮轴振动对构架及车体的影响，传统的办法是将相关部件结构的固有频率降低，对于锥形橡胶轴箱弹簧来讲可通过增加轴箱弹簧的质量或者降低其垂向刚度。但是，增加轴箱弹簧的质量会受到整个转向架重量的限制，在倡导轻量化及节能环保的当下，增加质量的做法显然是不行的；降低刚度能使轴箱弹簧的固有频率变得更低，但同时会增大构架的的运动位移，即增加了垂向挠度，极大的影响了列车运行的安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有高承载、小变形、低频隔振效果好和隔振频率范围大的优点的轴箱弹簧减振方法及弹簧。

本发明的具体技术方案如下：

一种准零刚度轴箱弹簧，包括橡胶锥形弹簧，所述橡胶锥形弹簧芯轴呈空心状；所述橡胶锥形弹簧的空心芯轴内内置与其并联的负刚度装置。

进一步地，所述芯轴的底部设有可拆卸的底座；所述底座由螺钉固定，其圆周方向设有凹台。

进一步地，所述负刚度装置包括传递装置、电磁装置、外套；所述外套通过螺钉紧固的方式与底座固定在一起。

进一步地，所述负刚度装置处于预安装位置时，所述传递装置的顶端与芯轴的顶端之间存在间隙B；所述传递装置的下端面与外套顶端之间存在间隙A。

进一步地，所述间隙B不大于间隙A。

进一步地，所述负刚度装置处于预安装位置时，所述传递装置顶端与橡胶锥形弹簧的外套的顶端之间存在间隙C。

进一步地，所述间隙C不小于车辆空载时橡胶锥形弹簧外套的下降量。

进一步地，所述准零刚度轴箱弹簧的受载运动行程为间隙B与间隙C之和。

进一步地，所述传递装置的顶部安装有耐磨板。

上述技术方案所提出的轴箱弹簧采用的设计方法及其减振原理具体如下：

采用橡胶锥形弹簧作为主簧，在橡胶锥形弹簧内部芯轴开孔，然后在孔内并联负刚度装置；在所述橡胶锥形弹簧的承重面与负刚度装置的承重面之间设置一定高度差；工作过程中，所述橡胶锥形弹簧被压缩到一定位置时，所述负刚度装置开始承重，与橡胶锥形弹簧一并提供较大的垂向刚度；当达到平衡位置时，负刚度装置提供负刚度，与橡胶锥形弹簧的正向刚度抵消后会形成准零刚度区间，使整个轴箱弹簧获得较低的固有频率，能够实现低频隔振。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明所提供的轴箱弹簧将橡胶锥形弹簧与负刚度装置内置并联安装，既能在平衡位置实现准零刚度，得到较低的固有频率，实现低频隔振，有效抑制轮轴低频振动成分对构架及车体的影响；又可以提供较大垂向刚度，满足列车大负载时减小装置变形挠度的要求，确保了列车运行的安全性与平稳性。

（2）本发明对橡胶锥形弹簧的芯轴结构作出改进，使其便于负刚度装置的安装的同时，可节省安装空间；同时作出一些可靠性设计，方便部件定位，延长了装置的使用寿命。

附图说明

图1为本发明准零刚度轴箱弹簧的结构示意图；

图2为本发明的载荷位移曲线对比图；

图3为负刚度装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示，本发明提供一种准零刚度轴箱弹簧，其主体部分为一个橡胶锥形弹簧，该橡胶锥形弹簧包括硫化胶合的外套2、隔套3、5，橡胶4以及芯轴6，其中芯轴6呈空心状，其内部并联安装有一个负刚度装置，该负刚度装置包括传递装置7a、电磁装置7b、外套7c；其中芯轴6的底部通过螺钉8连接底座9，而负刚度装置的外套7c通过螺钉10固定在底座9上，底座9圆周方向的凹台9a，主要防止底座横向力对螺钉8和螺钉7产生较大的剪切作用，提高产品的可靠性；电磁装置7b布置在外套7c内部，传递装置7a可沿芯轴内壁上下行。

当负刚度装置处于预安装位置时，传递装置7a的顶端与芯轴6的顶端之间存在间隙B；传递装置7a的下端面与外套7c顶端之间存在间隙A，间隙A为传递装置7a的滑动行程，故需B≤A，避免传递装置7a底部过度挤压。

而负刚度装置处于预安装位置时，传递装置7a顶端与橡胶锥形弹簧的外套2的顶端之间存在间隙C，间隙C不小于车辆空载时橡胶锥形弹簧外套的下降量，在传递装置7a的顶端安装有耐磨板；间隙C与间隙B之和即为整个轴箱弹簧装置受载运动行程。

如图2所示，本发明提供的准零刚度轴箱弹簧具体工作过程如下，当车辆空载时，橡胶锥形弹簧单独进行承载，橡胶锥形弹簧外套2的下降量小于间隙C时，图中，其载荷位移曲线为一条直线，且橡胶弹簧加负刚度装置载荷位移曲线与该直线重合，即整个装置刚度未发生变化。而当车辆负载后，橡胶锥形弹簧外套2的下降量大于间隙C时，负刚度装置与车体接触，与橡胶锥形弹簧一并进行负载，提供垂向刚度，即整个轴箱弹簧在大载荷时具有较大的刚度，可减小变形挠度，保持车辆运营的稳定性，而图2中橡胶弹簧加负刚度装置载荷位移曲线的呈非线性变化；而当传递装置7a被下压至一定程度后，即达到平衡位置时，负刚度装置起到提供负刚度的作用，于是整个轴箱弹簧装置获得低动刚度，动刚度趋近于零且大于零，如图2中准零刚度区间所示，整个装置在处的动刚度无限趋近于零，这样整个轴箱弹簧装置可得到很低的固有频率，从而实现低频隔振。

综上所述，本发明所提供的轴箱弹簧及其减振方法，既可在大载荷时提供足够大的刚度，减小装置的垂向变形挠度，维持列车运行的稳定性；又可在平衡位置时产生一个准零刚度区间，得到一个较低的固有频率，起到低频隔振的效果，有效抑制轮轨及轮轴振动对构架及车体的影响，可以设计出能实现零刚度隔振的轴箱弹簧装置。

如图3所示，本实施例采用的负刚度装置包括传递装置7a，电磁装置7b以及外套7c，电磁装置7b布置于外套7c内，它包括一对纵向动磁铁7b1和一对横向动磁铁7b3，这两对磁铁均相对地固定在与传递装置7a连接的铁芯7b5上，可随传递装置7a进行纵向移动，而在两对磁铁相对的外套7c的内壁上固定有一对纵向静磁铁7b2与一对横向静磁铁7b4，该负刚度装置的具体工作方式如下：

该装置中纵向动磁铁7b1与纵向静磁铁7b2异极相对，所以二者之间的力为吸力，当纵向动磁铁7b1对于外套7c内壁上的纵向静磁铁7b2处于中心对称位置时， 纵向动磁铁7b1所受磁力合力为零，此对称位置为零力点。当纵向动磁铁7b1偏移零力点时，纵向动磁铁7bq与靠近的纵向静磁铁7b2之间的吸力会增大，而纵向动磁铁7b1与远离的纵向静磁铁7b5之间的吸力会变小，所以纵向动磁铁7b1所受合磁力的方向与偏移零力点的位移方向相同，即为负刚度。

故对于本实施例整个空气弹簧系统而言，纵向动磁铁7b1随受压的传递装置7a下降到零力点之前，其所受到的来自顶部纵向静磁铁7b2的吸引力大于底部纵向静磁铁7b2的吸力，故纵向动磁铁7b1及传递装置7a所受合磁力的方向向上，负刚度装置7在该过程中提供正刚度；而当传递装置7a进一步承重，下降到零力点下方时，所受到的来自顶部纵向静磁铁7b2的吸引力大于底部纵向静磁铁7b2的吸力，故纵向动磁铁7b1及传递装置7a所受合磁力的方向向下，负刚度装置7在该过程中提供负刚度。

同理，横向静磁铁7b3和横向动磁铁7b4同极相对，所以二者之间的力为斥力，当横向动磁铁7b3偏移零力点时，偏移零力点的位移方向与横向动磁铁7b3所受磁力的方向相同，即为负刚度，具体而言，横向动磁铁7b3随受压的传递装置7a下降到零力点之前，横向动磁铁7b3将受到横向静磁铁7b4向上的斥力，故横向动磁铁7b3及传递装置7a所受合磁力的方向向上，故为正刚度；而当传递装置7a进一步承重，继续下降到零力点下方时，横向动磁铁7b3将受到横向静磁铁7b4向下的斥力，故横向动磁铁7b3及传递装置7a所受合磁力的方向向下，负刚度装置7在该过程中提供负刚度。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，采用的负刚度装置的内部装置为可提供负刚度的任意装置，可以不局限于实施例1中的电磁负刚度装置。

显然，上述实例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。