專利名稱：獨立輪對單軸轉向架柔性耦合徑向調節機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鐵道車輛用的獨立輪對轉向架，具體來說是在現有獨立輪對 單軸轉向架之間設置一柔性耦合徑向調節機構，以改善獨立輪對轉向架的導向性 能。
背景技術：
隨著經濟的繁榮和城市人口的不斷劇增，城市軌道交通的發展前景非常看 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構要求，而低地板面 車輛的轉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 著車軸自由轉動而車軸無需轉動，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，所以在縱向 不產生蠕滑力，而縱向蠕滑力在輪對的導向中又起著十分關鍵的作用，因此獨立 輪對的導向性能較差，主要表現為在直線上，獨立輪對不易對中，容易貼靠軌 道一側運行；在曲線上，獨立輪對的沖角較大，容易發生輪緣貼靠。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。
現有的獨立輪對轉向架主要分為兩大類， 一類是獨立輪對兩軸轉向架，另一 類是獨立輪對單軸轉向架，它們的導向性能都存在先天缺陷。
圖1是獨立輪對兩軸轉向架通過曲線時的情形，由于I 、 II位輪對受同一構 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是獨立輪對單軸轉向架通過曲線時的情形，I、 II位輪對不再受同一構 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ll 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。獨立輪對兩軸轉向架的i、 n位輪對在曲線上展開不足是因為剛性構架對它們的約束過大；獨立輪對單軸轉向架的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。于是發明人曾提出了獨立輪對耦合轉向架的觀念(即在 前、后獨立輪對單軸轉向架之間連接一抗搖頭的耦合彈性元件)，并申請了發明 專利(專利申請號為CN200410035861.X)，如圖3所示。這種獨立輪對耦合轉 向架恰好可以彌補獨立輪對兩軸轉向架和獨立輪對單軸轉向架的不足之處當給 稱合轉向架的耦合元件選取一個適當的搖頭剛度值時就可使I 、 II位輪對在曲線 上展開適度而趨于徑向位置。
前述發明專利(專利申請號為CN200410035861.X)只對耦合轉向架的導向 原理進行了分析，沒有對獨立輪對耦合轉向架的耦合機構進行具體設計，而只是 在前后兩個單軸轉向架之間的左右兩側直接用兩根縱向布置的彈簧來示意性的 代表耦合元件。
在前后兩個單軸轉向架之間的左右兩側直接用兩根縱向布置的彈簧來作為 耦合機構，雖然在理論上講得通，但在實際應用中并不現實，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) 在前述發明專利(專利申請號為CN200410035861.X)的理論推導中假 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 假設才能成立，這樣兩端為球鉸約束的鋼彈簧在受力狀態下的穩定性存在問題；
(2) 這樣布置彈簧要求鋼彈簧既能發生拉伸變形又能發生壓縮變形，這樣在 鋼彈簧兩端的定位連接部位就要做特殊處理，在工程中實現起來比較麻煩；
(3) 鋼彈簧兩端分別連接在前后構架上，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。
發明內容
本發明的目的是為了促進獨立輪對耦合轉向架的工程應用而設計出的一種 結構合理的獨立輪對單軸轉向架柔性耦合徑向調節機構。
本發明是通過以下技術方案來實現的一種獨立輪對單軸轉向架柔性耦合徑 向調節機構，是在列車前、后車體相鄰端部下面的前、后獨立輪對采用單軸轉向 架，而前、后單軸轉向架之間以前、后車體鉸接點成中心對稱的方式設置有兩個
相同的彈性耦合機構，上述單個彈性耦合機構由直角轉臂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，直角轉臂 BCD的C點銷接在后單軸轉向架上，缸筒固定在后單軸轉向架上，連桿AB的B 端經球鉸連接在直角轉臂BCD的B端上，連桿AB的A端經球鉸與前單軸轉向架 連接，連桿DE的D端經球鉸連接在直角轉臂BCD的D端上，連桿DE的E端經球 鉸與設置在缸筒中的活塞連接，活塞上、下部的缸筒空間中分別設有處于壓縮狀 態的兩個彈簧，彈簧的預壓縮量通過缸筒蓋與缸筒之間的螺紋來調節好后進行鎖 緊，在上述機構中，連桿AB的長度等于連桿DE的長度，直角轉臂的兩臂長度相 等。
上述彈性耦合機構中，I的距離等于^^的距離。 上述兩個彈簧完全相同，且壓縮狀態相同。 下面敘述本發明的工作原理。
耦合剛度的理論推導
圖6是獨立輪對柔性耦合徑向轉向架在列車中的安裝示意圖，圖中只畫了三 節車，對于多節車也是可以的，只要在車與車的鉸接處就可安裝獨立輪對柔性耦
合徑向轉向架。圖6中列車兩端的轉向架為常規整體輪對轉向架，中間的兩個轉 向架為獨立輪對柔性耦合徑向轉向架，獨立輪對的導向性能比常規整體輪對差， 所以本文的主要目的是解決獨立輪對轉向架的導向性能。
由于單軸轉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 合轉向架中的前后兩個單軸轉向架所受的搖頭偏轉力矩主要是耦合元件產生的 力矩M^和二系懸掛系統產生的力矩M。，并且當列車穩態通過曲線時，這兩個
力矩之和應該為0，所以可得輪對搖頭運動方程
<formula>formula see original document page 5</formula>其中<formula>formula see original document page 5</formula>
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為耦合轉向架車輛名義軸距之半，R為圓曲線半徑，^^為構架搖頭
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^a0。當列車穩態通過圓曲線時，為
了使耦合走行部的前后輪對完全處于徑向位置，必有yft =V>,+,,=0，所以根 據式(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5,半都是結構參數， 一旦結構確定
了，這些值就是恒定值，所以耦合剛度夂 的選取主要與二系懸掛剛度《《有關。 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/ 無關，這正是獨
立車輪耦合轉向架的絕妙之處，因為這將意味著不管線路的曲線半徑大小，只 要耦合剛度尺 與二系懸掛剛度《,,匹配合理，獨立車輪耦合轉向架就能在懸掛
系統和彈性耦合元件的作用下自動調節前后輪對趨于徑向位置。
鑒于此，同時針對現有技術存在的問題，本發明人發明了上述彈性耦合機構，
它由兩根連桿、 一根轉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，兩個彈性耦合機構以前、后車體鉸接點成中心對稱的方
式布置在前、后單軸轉向架之間。 本發明耦合機構的導向原理-
當列車通過曲線時，如圖7所示，前后轉向架外側鉸接點A點和C點之間 的距離會伸長，從而帶動轉臂BCD圍繞著C點順時針方向轉動，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；前后轉向架內側鉸接點A'和C'之間的距離會縮短，從而 帶動轉臂B'C'D'圍繞著C'點逆時針方向轉動，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向架之間，而消除了前述在兩個單軸轉向 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，只要轉向架每側的耦合剛度尺 (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)，獨立車輪耦合轉向架就
能在懸掛系統和彈性耦合元件的作用下自動調節前后輪對趨于徑向位置。這就是 獨立輪對單軸轉向架柔性耦合徑向調節機構的導向原理。
本發明柔性耦合徑向調節機構具有以下優點
1、 本發明通過一套三連桿機構把前后兩個獨立輪對單軸轉向架耦合元件鉸 接點之間的的縱向位移轉化為橫向位移，從而避免了在前后兩個獨立輪對單軸轉 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向架 之間直接安裝彈簧的工程實現難題。
2、 本發明的三連桿機構自身各桿件的連接以及與前、后單軸轉向架、彈簧 裝置的活塞之間的連接都是球鉸接方式，可以實現只在前后兩個獨立輪對單軸轉
向架之間提供縱向剛度，而其他方向的剛度都趨于0的理論假設前提。
3、 本發明的彈簧裝置由缸筒，活塞以及兩根預壓縮的彈簧組成，并保證在 活塞的有效工作正負行程范圍內，兩根彈簧都處于壓縮狀態，這樣鋼彈簧兩端的 定位就非常容易工程實現。
4、 本發明解決了獨立輪對的導向難題，在柔性耦合徑向調節機構的作用下， 獨立輪對柔性耦合轉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。
本發明獨立輪對單軸轉向架柔性耦合徑向調節機構能夠迫使相互耦合的兩
個獨立輪對單軸轉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 導向難題，相信隨著獨立輪對柔性耦合徑向轉向架的研制成功，將會給城市輕軌 低地板車輛的發展開辟一片廣闊的新天地甚至還可能帶來巨大的經濟效益和社
會效益。
圖1是現有獨立輪對兩軸轉向架通過曲線時的導向示意圖； 圖2是現有獨立輪對單軸轉向架通過曲線時的導向的示意圖； 圖3是現有獨立輪對耦合轉向架通過曲線時的導向示意圖； 圖4是本發明單個柔性耦合徑向調節機構示意圖； 圖4 - 1是圖4所示彈簧裝置的放大圖5是本發明柔性耦合徑向調節機構在轉向架上的安裝示意圖6是獨立輪對柔性耦合徑向轉向架在列車中的安裝示意圖7是獨立輪對柔性耦合徑向轉向架通過曲線時的導向原理示意圖。
具體實施例方式
圖4、圖4-l示出，單個彈性耦合機構由直角轉臂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 用單軸轉向架，在前、后單軸轉向架3、 4之間，以前、后車體鉸接點成中心對 稱的方式設置兩個相同的彈性耦合機構。單個彈性耦合機構的結構為直角轉臂 BCD的C點銷接在后單軸轉向架4上，連桿AB的B端經球鉸連接在直角轉臂BCD 的B端上，連桿AB的A端經球鉸與前單軸轉向架3連接，連桿DE的D端經球鉸 連接在直角轉臂BCD的D端上，缸筒固定在后單軸轉向架4上，連桿DE的E端 經球鉸與設置在缸筒5中的活塞6連接，活塞6上、下部的缸筒空間中分別設有 處于壓縮狀態的兩個彈簧7、 8;且上述機構中，連桿AB的長度等于連桿DE的
長度，直角轉臂的兩臂長度相等。彈性耦合機構中，75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、力學參數相同，如材料、直徑、 鋼絲粗細、圈數以及剛度等相同)，且壓縮狀態相同。兩個彈性耦合機構的耦合
剛度滿 Kcx足下述表達式<formula>formula see original document page 8</formula>其中 Kcx為耦合剛度，Bs 為二
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點之間的距離發生變化時，會帶動 轉臂BCD圍繞著C點發生轉動，從而使C點與E點之間的距離發生相同的變化， 這樣通過耦合機構ABCDE就把前后轉向架耦合元件鉸接點之間的的縱向位移 轉化為一種橫向位移，這樣就不用把彈簧懸垂在兩個轉向架之間，而直接橫向安 裝在一個轉向架上，而作用效果是相同的(相當于為前后轉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中的 假設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應預壓縮一定位移，保證活塞在有效的工作正 負行程范圍內，彈簧7和彈簧8都處于壓縮狀態，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，所以彈簧的穩定性大大 提高；彈簧7和彈簧8相當于并聯作用，這樣鋼彈簧的簧條直徑和外廓尺寸可適
當做小一些。
權利要求
1. 一種獨立輪對單軸轉向架柔性耦合徑向調節機構，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向架(3、4)，在前、后單軸轉向架(3、4)之間、以前、后車體(1、2)鉸接點成中心對稱的方式設置有兩個相同的彈性耦合機構，單個彈性耦合機構的結構為直角轉臂BCD的C點銷接在后單軸轉向架(4)上，連桿AB的B端經球鉸連接在直角轉臂BCD的B端上，連桿AB的A端經球鉸與前單軸轉向架(3)連接，連桿DE的D端經球鉸連接在直角轉臂BCD的D端上，缸筒(5)固定在后單軸轉向架(4)上，連桿DE的E端經球鉸與缸筒(5)中的活塞(6)連接，活塞(6)上、下部的缸筒空間中分別設有處于壓縮狀態的兩個彈簧(7、8)；且上述機構中，連桿AB的長度等于連桿DE的長度，直角轉臂的兩臂長度相等。
2、 根據權利要求1所述柔性耦合徑向調節機構，其特征在于，所述彈性耦合機構中，AC的距離等于CE的距離。
3、 根據權利要求2所述柔性耦合徑向調節機構，其特征在于，所述兩個彈 簧(7、 8)完全相同，且壓縮狀態相同。
4、 根據權利要求1或2或3所述柔性耦合徑向調節機構，其特征在于，所 述兩個彈性耦合機構的耦合剛度Kcx滿足下述表達式<formula>see original document page 2</formula>其中Kcx為耦合機構中彈簧裝置的等效剛度，Bs為二系懸掛橫向跨距之半， Bs為耦合元件橫向跨距之半，Ksx為二系懸掛縱向剛度，b為耦合轉向架名義軸距之半， l為車輛名義定距之半。
全文摘要
一種獨立輪對單軸轉向架柔性耦合徑向調節機構，以前、后車體鉸接點成中心對稱的方式設置兩個相同的彈性耦合機構。單個彈性耦合機構的結構為直角轉臂BCD的C點銷接在后單軸轉向架上，連桿AB的B端經球鉸連接在直角轉臂BCD的B端上，連桿AB的A端經球鉸與前單軸轉向架連接，連桿DE的D端經球鉸連接在直角轉臂BCD的D端上，連桿DE的E端經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有處于壓縮狀態的兩個彈簧，缸筒固定在后單軸轉向架上，且連桿AB、DE的長度相等，直角轉臂的兩臂長度相等。本發明所述獨立輪對單軸轉向架柔性耦合徑向調節機構，結構合理、導向性能好、從工程應用角度解決了獨立輪對的導向難題。
文檔編號B61G5/02GK101204963SQ200610022579
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月22日 優先權日2006年12月22日
發明者張衛華, 戴煥云, 京 曾, 池茂儒, 鄔平波 申請人:西南交通大學