主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置及其变刚度方法与流程

本发明涉及主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置及其变刚度方法，属于抗侧滚扭杆技术领域。

背景技术：

现代客运轨道车辆通常采用相对柔软的二系悬挂装置，以提高车辆的运行平稳性和旅客乘坐舒适度，其中特别是空气弹簧在轨道车辆上的应用大幅提高了旅客乘坐舒适度。但是车体的侧滚振动角刚度也随之变得相对柔软，降低了车辆的抗侧滚刚度，导致运行中的车辆侧滚角度位移增大。当车辆通过曲线或道岔、车辆受到横向风、两车高速会车时，侧滚运动尤为显著，影响旅客乘坐舒适度，严重时导致车体的外形轮廓超出限界，影响车辆运行安全，抗侧滚扭杆装置被广泛应用于客运轨道车辆来提高车辆侧滚刚度。

抗侧滚扭杆装置的应用可近似认为转向架相对车体发生侧滚运动的自由度受到很大约束，当线路水平不平顺较大时，转向架一侧抬高将对车体产生较大激扰，有可能影响车体平稳性和曲线通过性能，严重时有可能在小曲线上出现脱轨。分析表明，抗侧滚扭杆装置虽然对降低车辆柔度系数有显著作用，但对车辆运行平稳性和车辆通过曲线时的倾覆系数、脱轨系数都有不利影响，且这种不利影响与抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度大小有直接关系。

抗侧滚扭杆装置虽然能够提高车辆侧滚刚度、降低车辆柔度系数、避免车辆侵入限界，但对车辆通过不平顺线路和曲线时的倾覆系数、脱轨系数有不利影响。因此，在车辆低速通过小曲线或道岔时，在保证车辆不侵入限界的条件下，抗侧滚扭杆装置侧滚刚度尽量小，避免车辆倾覆、脱轨等风险；在车辆受到横向风、两车高速会车时，抗侧滚扭杆装置侧滚刚度尽量大，避免车辆倾覆风险，提高车内乘客舒适度。

本发明的目的在于提供一种可在使用过程中可通过控制可进行主动变刚度的抗侧滚扭杆装置，在车辆低速通过小曲线或道岔时，在保证车辆不侵入限界的条件下，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的小刚度功能；在车辆受到横向风、两车高速会车时，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的大刚度功能，通过合理的主动控制抗侧滚扭杆装置刚度，实现乘坐舒适度和运行平稳性兼得的车辆动力学性能。

技术实现要素：

本发明提供的主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置及其变刚度方法，实现侧滚刚度的主动控制，在车辆低速通过小曲线或道岔时，在保证车辆不侵入限界的条件下，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的小刚度功能；在车辆受到横向风、两车高速会车时，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的大刚度功能，通过合理的主动控制抗侧滚扭杆装置刚度，实现乘坐舒适度和运行平稳性兼得的车辆动力学性能，既能满足车辆高速运行过程中旅客乘坐优良的舒适度，也能降低车辆低速通过车场线、道岔的倾覆系数、脱轨系数，进而提高车辆的安全可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置，包括扭杆、与转向架连接的支撑座组件和与车体铰接的连杆组件、扭杆包括扭杆轴和设置在扭杆轴端部的转臂，支撑座组件套装在扭杆轴上，连杆组件与转臂的自由端铰接，其特征在于所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长为r,支撑座组件与液压系统连接，可随液压系统的驱动带动扭杆和连杆组件同步运动，使所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r改变。

优选的，安装初始装态下连杆组件沿垂向设置且转臂向下倾斜，转臂与连杆组件之间的夹角小于90度，所述的支撑座组件可随液压系统的驱动而带动扭杆和连杆组件同步运动，改变转臂与连杆组件之间的夹角大小，调节所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r。

优选的，安装初始状态下转臂向下倾斜与水平方向的夹角为θ，所述的支撑座组件通过水平设置的液压缸与液压系统连接，支撑座组件随液压缸的伸长带动扭杆轴水平运动，从而拉动转臂和连杆组件同步运动，使夹角θ减小且连杆组件倾斜，转臂与连杆组件之间的夹角增大，以增大所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r。

优选的，所述的支撑座组件包括与转向架连接的支撑座和套装在扭杆轴上的支撑轴承，支撑轴承弹性定位在支撑座中且可随液压缸的伸缩在支撑座中沿液压缸的伸缩方向运动。

优选的，所述的支撑座中还装与液压缸平行的钢弹簧和用于安装支撑轴承的轴承座，钢弹簧一端抵在支撑座上另一端抵在轴承座上将支撑轴承弹性定位在支撑座中，轴承座与液压缸的伸缩端连接，支撑座的中装有与轴承座摩擦接触的耐磨板。

优选的，所述的扭杆轴和扭臂为一体成型结构，连杆组件下端通过橡胶节点与转臂铰接，上端通过液体橡胶节点与车体铰接。

优选的，所述的液体橡胶节点的液体管路与液压系统连接，通过液压系统控制液体橡胶节点中液压油的输入或导出，以改变液体橡胶节点的径向刚度。

以上所述的主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置的变刚度方法，其特征在于根据运行路况中侧滚刚度减小的需求控制液压系统运行，液压系统驱动支撑座组件带动扭杆杆和连杆组件同步运动，使所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r增加以减小侧滚刚度，之后再根据侧滚刚度由小增大的的需求控制液压系统运动，液压系统驱动支撑座组件带动扭杆杆和连杆组件同步回移，使所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r减小以增大侧滚刚度。

优选的，通过调节钢弹簧的长度和初始刚度，调节钢弹簧的最大压缩量，以调节所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r增大量，实现对所述的抗侧滚扭杆装置最小侧滚刚度的调节。

优选的，用液压系统控制液体橡胶节点的径向刚度变化，通过对所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r的调节和液体橡胶节点径向刚度的调节实现侧滚刚度的协同调节。

发明的有益效果是：

本发明中支撑座组件与液压系统连接，可随液压系统的驱动带动扭杆和连杆组件同步运动，使抗侧滚扭杆装置的有效臂长r改变，以使侧滚刚度改变，实现侧滚刚度的主动控制，在车辆低速通过小曲线或道岔时，在保证车辆不侵入限界的条件下，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的小刚度功能；在车辆受到横向风、两车高速会车时，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的大刚度功能，通过合理的主动控制抗侧滚扭杆装置刚度，实现乘坐舒适度和运行平稳性兼得的车辆动力学性能。

初始安装状态下将转臂设置成向下倾斜，使抗侧滚扭杆装置的有效臂长r小于转臂的实际长度，初始安装状态下有效臂长r最短，使抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度最大，利用连杆组件与转臂和车体均铰接且转向架与车体之间位置恒定的结构特点，用液压系统驱动支撑座组件带动扭杆和连杆组件运动，使扭臂向下倾斜的角度变小，而连杆组件随扭臂的拉动而逐渐倾斜，从而增大转向架与车体之间的有效臂长r，使侧滚刚度减小，当需要侧滚刚度再增大时通过液压系统驱动支撑座组件带动扭杆和连杆组件回移，即又使转向架与车体之间的有效臂长r减小，直至减小至初始值，实现根据运行路况中侧滚刚度的需求来主动调节抗侧滚扭杆装置，使侧滚刚度符合车辆运行时的车辆动力学性能的实时需求。

抗侧滚扭杆装置上采用液体橡胶节点，利用液体橡胶节点的刚度可变可控的特性，通过主动控制抗侧滚扭杆装置的有效臂长r和液体橡胶节点的径向刚度来协同控制抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度，提高侧滚刚度调节的精准性，既能满足车辆高速运行过程中旅客乘坐优良的舒适度，也能降低车辆低速通过车场线、道岔的倾覆系数、脱轨系数，进而提高车辆的安全可靠性。

附图说明

图1为初始安装状态下主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为支撑座组件与液压缸连接的剖视图。

图4为抗侧滚扭杆装置的有效臂长增大时抗侧滚扭村装置的结构示意图。

图5为图4的侧视图。

具体实施方式

下面结合图1~5对本发明的实施例做详细说明。

主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置，包括扭杆1、与转向架连接的支撑座组件2和与车体铰接的连杆组件3、扭杆1包括扭杆轴11和设置在扭杆轴11端部的转臂12，支撑座组件2套装在扭杆轴11上，连杆组件3与转臂12的自由端铰接，其特征在于所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长为r,支撑座组件3与液压系统连接，可随液压系统的驱动带动扭杆1和连杆组件3同步运动，使所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r改变。

现有的抗侧滚扭杆装置中，当扭杆轴结构确定后，在弹性极限内扭杆轴的刚度是个常数m1，且有

即

其中n为连杆组件垂向载荷，β为扭杆轴的扭转角度，r为抗侧滚扭杆装置的有效臂长，抗侧滚扭杆装置的有效臂长指的是抗侧滚扭杆装置连接的在转向架与车体之间的最短水平距离，从图1上看有效臂长r是支撑座组件2与转向架连接的位置与连杆组件3上端与车体连接位置之间的最短水平距离。

抗侧滚扭杆装置的扭矩为，其中l为扭杆横向跨距，α为抗侧滚扭杆装置侧滚角度；

扭转角β和车体侧滚角α之间的关系为：

综合以上，抗侧滚扭杆装置的扭矩为：

抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度为：

从上式可以看出，抗侧滚扭杆装置的扭矩tz与r关系：r越大则tz越小，即抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度m2越小。且m2近似与r²反比关系，可见r对m2的影响非常大。

图2中主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置在初始安装状态下，其中有r=r0*sinθ，即r略小于r0；抗侧滚扭杆装置的有效臂长r小于转臂的实际长度，此时有效臂长r最短，使抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度最大；图4中液压缸系统将带动扭杆轴水平动动△r距离，则有：r=r0+△r，即抗侧滚扭杆装置有效臂长r增加，其结构产生变化，侧滚刚度降低。以上所述的主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置中支撑座组件与液压系统连接，可随液压系统的驱动带动扭杆1和连杆组件3同步运动，使抗侧滚扭杆装置的有效臂长r改变，以使侧滚刚度改变，实现侧滚刚度的主动控制，在车辆低速通过小曲线或道岔时，在保证车辆不侵入限界的条件下，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的小刚度功能；在车辆受到横向风、两车高速会车时，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的大刚度功能，通过合理的主动控制抗侧滚扭杆装置刚度，实现乘坐舒适度和运行平稳性兼得的车辆动力学性能。

其中，安装初始装态下连杆组件3沿垂向设置且转臂12向下倾斜，转臂12与连杆组件3之间的夹角小于90度，所述的支撑座组件2可随液压系统的驱动而带动扭杆1和连杆组件3同步运动，改变转臂12与连杆组件3之间的夹角大小，调节所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r。从图2中可以看出转臂12向下倾斜，而连杆组件3沿垂直向设置，使得转臂12与连杆组件3之间的夹角小于90度，由于转臂12与连杆组件3下端是通过节点铰接的，而连杆组件3上端与车体也是通过节点铰接的，且车体与转向架之间的位置是稳定不变的，通过当水平力向转臂12反方向带动扭杆1运动时，转臂的向下倾斜角度会减小，同时拉动连杆组件3绕上端铰接位置转动至倾斜设置，使转臂12与连杆组件3之间的夹角增大，而抗侧滚扭杆装置的有效臂长r同步增大，使侧滚刚度减小。在侧滚刚度减小后在运行路况需要增大侧滚刚度时，则液压系统驱动支撑座组件3带动扭杆1和连杆组件3回移，使有效臂长r由大变小以减增加侧滚刚度，实现对抗侧滚扭杆装置侧滚刚度的主动控制，满足不同路况下的侧滚刚度需求。

其中，安装初始状态下转臂12向下倾斜与水平方向的夹角为θ，所述的支撑座组件2通过水平设置的液压缸4与液压系统连接，支撑座组件3随液压缸4的伸长带动扭杆轴11水平运动，从而拉动转臂12和连杆组件3同步运动，使夹角θ减小且连杆组件3倾斜，转臂12与连杆组件3之间的夹角增大，以增大所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r。初始安装状态下将转臂设置成向下倾斜，使抗侧滚扭杆装置的有效臂长r小于转臂12的实际长度，初始安装状态下有效臂长r最短，使抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度最大；利用连杆组件3与转臂12和车体均铰接且转向架与车体之间位置恒定的结构特点，用液压系统通过液压缸4驱动支撑座组件3带动扭杆1和连杆3组件运动，使扭臂向下倾斜的角度变小即夹角θ减小，而连杆组件3随扭臂的拉动而逐渐倾斜，从而增大转向架与车体之间的有效臂长r，使侧滚刚度减小，当需要侧滚刚度再增大时通过液压系统驱动支撑座组件带动扭杆和连杆组件回移，即又使转向架与车体之间的有效臂长r减小，直至减小至初始值，实现根据运行路况中侧滚刚度的需求来主动调节抗侧滚扭杆装置，使侧滚刚度符合车辆运行时的车辆动力学性能的实时需求。

其中，所述的支撑座组件3包括与转向架连接的支撑座31和套装在扭杆轴11上的支撑轴承32，支撑轴承32弹性定位在支撑座31中且可随液压缸4的伸缩在支撑座31中沿液压缸4的伸缩方向运动。支撑轴承32用于支撑扭杆轴11，并实现扭杆的扭转运动。支撑座31与转向架连接，实现支撑座组件3的安装定位。

其中，所述的支撑座31中还装与液压缸4平行的钢弹簧33和用于安装支撑轴承32的轴承座34，钢弹簧33一端抵在支撑座31上另一端抵在轴承座34上将支撑轴承32弹性定位在支撑座31中，轴承座34与液压缸4的伸缩端连接，支撑座31的中装有与轴承座34摩擦接触的耐磨板35。钢弹簧33用于弹性定位轴承座34，轴承座34用于容纳支撑轴承32，当液压缸4伸长时推动轴承座34运动，使得钢弹簧33被压缩，支撑轴承32与轴承座34一起水平运动，带扭杆1同步运动，实现有效臂长r的增大，侧滚刚度减小。当液压缸4回缩时，即拉动扭杆1回移，钢弹簧33恢复伸长，转臂12和连杆组件3随之回移，侧滚刚度又增大。

其中，所述的扭杆轴11和扭臂12为一体成型结构，连杆组件3下端通过橡胶节点与转臂12铰接，上端通过液体橡胶节点5与车体铰接。液体橡胶节点5的可通过液体的输入或导出改变径向刚度，采用液体橡胶节点5的径向刚度可调节，通过对液体橡胶节点5径向刚度的调节，协同有效臂长r的调节来一起协调侧滚刚度，提高侧滚刚度调节的精准性。

其中，所述的液体橡胶节点5的液体管路与液压系统连接，通过液压系统控制液体橡胶节点5中液压油的输入或导出，以改变液体橡胶节点5的径向刚度。

抗侧滚扭杆装置侧滚刚度可以考虑为扭杆轴的扭转刚度和橡胶节点的径向刚度的叠加，而现有的抗侧滚扭杆装置用橡胶节点的刚度一般对抗侧滚扭杆装置侧滚刚度影响非常小，可近似考虑为刚性节点，因此现行抗侧滚扭杆装置主要依靠扭杆轴的扭转刚度来提供抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度。当抗侧滚扭杆装置用橡胶节点的刚度比较小时，橡胶节点的刚度就需要被充分考虑到。

下面分析橡胶节点刚度对抗侧滚扭杆装置侧滚刚度c的影响：

k为橡胶球铰径向刚度，单位kn/mm。扭杆横向跨距为l，则单个球铰换算到扭杆侧滚刚度为c’=k*l²。设定原扭杆侧滚刚度为c0,橡胶节点与扭杆刚度窜连，则有

现行抗侧滚扭杆装置用橡胶节点刚度较大，即k(c’)远大于c0，则有c≈c0；

当采用液体橡胶节点，通过主动控制液体橡胶节点的径向刚度k，进而可以在一定范围内主动控制抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度，提高侧滚刚度调节的精准性。

因此，在车辆在直道或大转弯半径线路上行走且未有横向大风时，本发明的抗侧滚扭杆装置使车辆增加的侧滚刚度很小，不会影响乘坐舒适性；相反，在车辆过小弯道或遇到横向大风时，侧滚刚度很大，能保证车辆的安全。

本发明还保护一种以上所述的主动控制型可变刚度的抗侧滚扭杆装置的变刚度方法，其特征在于根据运行路况中侧滚刚度减小的需求控制液压系统运行，液压系统驱动支撑座组件3带动扭杆杆1和连杆组件3同步运动，使所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r增加以减小侧滚刚度，之后再根据侧滚刚度由小增大的的需求控制液压系统运动，液压系统驱动支撑座组件3带动扭杆杆1和连杆组件3同步回移，使所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r减小以增大侧滚刚度。

以上所述的变刚度方法中支撑座组件与液压系统连接，可随液压系统的驱动带动扭杆1和连杆组件3同步运动，使抗侧滚扭杆装置的有效臂长r改变，以使侧滚刚度改变，实现侧滚刚度的主动控制，在车辆低速通过小曲线或道岔时，在保证车辆不侵入限界的条件下，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的小刚度功能；在车辆受到横向风、两车高速会车时，通过主动控制实现抗侧滚扭杆装置的大刚度功能，通过合理的主动控制抗侧滚扭杆装置刚度，实现乘坐舒适度和运行平稳性兼得的车辆动力学性能。

其中，通过调节钢弹簧33的长度和初始刚度，调节钢弹簧33的最大压缩量，以调节所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r增大量，实现对所述的抗侧滚扭杆装置最小侧滚刚度的调节。即通过钢弹簧33来调节有效臂长r的最大值，从而实现对抗侧滚扭杆装置最小侧滚刚度的调节，初始安装位置时所述抗侧滚扭杆装置的侧滚刚度最大，钢弹簧33随液压缸4的伸长而压缩，使有效臂长r增大，则侧滚刚度减小。

其中，用液压系统控制液体橡胶节点5的径向刚度变化，通过对所述抗侧滚扭杆装置的有效臂长r的调节和液体橡胶节点5径向刚度的调节实现侧滚刚度的协同调节。通过对液体橡胶节点5径向刚度的调节，协同有效臂长r的调节来一起协调侧滚刚度，提高侧滚刚度调节的精准性。

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。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除