本發明涉及軌道交通車輛安全技術領域。

背景技術：

車輛的振動主要有六個方向的自由度：X方向的伸縮振動、Y方向的橫擺振動、Z方向的浮沉振動、繞Y軸的點頭振動、繞Z軸的搖頭振動、繞X軸的側滾振動（如圖1所示）。目前的軌道交通車輛轉向架均為兩級懸掛，抗側滾扭桿裝置起調節車輛側滾剛度、控制車輛側滾振動的作用。

抗側滾扭桿裝置安裝在軌道車輛車體和轉向架間，當車輛在做側滾運動時，與車輛二系懸掛一同提供車輛安全運行所需的側滾剛度，以此來滿足車輛動力學性能的要求，確保車輛的安全運行。抗側滾扭桿裝置的機構運動圖如圖2所示，圖中M為車體，E、F為扭桿支撐座組成，安裝于構架上，A、B、C、D為橡膠球鉸或金屬軸承，可在三個方向轉動。如果不考慮相對于系統剛度小得多的支撐座組成和橡膠關節的影響，當車體相對于轉向架發生浮沉振動時，兩根連桿同時往一個方向運動，整個裝置繞支撐球鉸同時轉動，扭桿并不承受力或扭矩，故并不影響車體的浮沉振動，同樣對除側滾以外的其它幾個運動同樣不提供任何附加的力或扭矩。而當車體與構架之間發生繞X軸的相對轉動即側滾時，左右連桿向相反的方向上下運動，通過扭轉臂（圖中FD、EC）使扭桿發生扭轉變形，扭桿由于抗扭彈性而產生抗扭反力矩，這一反力矩作用在垂向連桿上表現為一對大小相等方向相反的垂向力，而這對垂向力作用在車體上就形成了與車體側滾方向相反的抗側滾力矩，抗側滾力矩的作用將阻止車體相對于轉向架側滾角度的增加，從而抑制車輛的側滾，提高車輛的橫向平穩性。

扭桿裝置按照彎扭桿類型可分為:直扭桿和整體式彎扭桿兩種。直扭桿是扭桿裝置中主要承受彎扭應力的圓截面彈簧鋼直桿體，需要配合扭轉臂使用，軸臂之間有多種配合方式（過盈、花鍵、多邊形等），有可拆卸和不可拆卸之分，應用較為廣泛。但該型扭桿裝配后較為笨重，對轉向架的空間及限界要求高。

整體式彎扭桿是扭桿裝置中主要承受彎扭轉應力的圓截面彈簧鋼U形桿體，無需裝配扭轉臂，傳統整體式彎扭桿，一般采用等直徑圓鋼經過鍛造、彎曲、熱處理、機械加工后成型。該結構扭桿對轉向架的空間要求低，結構靈活、緊湊，重量輕，在國內外得到越來越廣泛的應用。目前相關的現有技術有如下不足之處：

（1）在與轉向架及車體接口尺寸不可改變情況下，為滿足剛度要求，只能整體調整軸徑大小；

（2）現有彎扭桿直徑相等，而彎扭桿中間位置只承受扭矩作用，所受應力較小，遠小于其材料強度，屬一種過度設計；

（3）彎扭桿材料一般采用彈簧鋼金屬材料，重量大，在相等的連桿跨距如1989及支撐座跨距1714情況下，等徑設計與錐度設計重量分別為63.4kG與51.65kG，相差11.75kG，不能滿足產品及轉向架輕量化的設計要求；

（4）對于結構設計緊湊的轉向架而言，目前等徑彎扭桿，中間直徑過大可能會導致與其他零部件發生干涉。由于等徑彎扭桿重量大，間接為組裝、油漆、轉運等工序帶來不便。

現有技術中，申請號為200910227115.3的中國發明公開了軌道車輛用抗側滾扭桿軸及其制作方法,主要由扭桿軸、扭轉臂、支撐座、垂向連桿下關節軸、垂向連桿、垂向連桿上關節軸等部分組成。其特征在于:扭桿軸與左右扭轉臂采用圓錐面配合的連接方式。申請號為201320409010.1的中國實用新型公開了一種新型軌道車輛用抗側滾扭桿組成，包括扭桿組件和連桿，扭桿組件包括扭桿軸和左右兩個扭轉臂，扭桿軸為彎扭桿軸，其兩端折彎，每端折彎部分的長度為扭桿軸全長的十分之一；扭轉臂為叉式或銷套式扭轉臂，扭轉臂采用鍛造成型；扭桿軸的末端與扭轉臂的聯接方式是過盈聯接、螺紋聯接、花鍵聯接、焊接或銷軸聯接。扭桿軸為U型扭桿軸，由直扭桿軸折彎為U型而成。申請號為201520248986.4軌道車輛用整體式彎扭桿裝置，包括用于固定在轉向架上支撐座和彎扭桿，彎扭桿由一體形成的扭桿中間段和彎扭臂組成，支撐座由左支撐座和右支撐座組成，左支撐座和右支撐座對稱的安裝在扭桿中間段上，在所述的左支撐座到右支撐座之間的扭桿中間段上具有限位件，所述的限位件的左端與左支撐座抵靠以限制所述的扭桿中間段與左支撐座之間的橫向相對運動，所述的限位件的右端與右支撐座抵靠以限制所述的扭桿中間段與右支撐座之間的橫向相對運動。以上現有技術，均難以解決由于重量大而使組裝及油漆工序不便等一系列問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種可同時滿足產品剛度、強度及輕量化要求的帶錐度抗側滾彎扭桿及其設計制造方法，解決傳統彎扭桿由于重量大而使組裝及油漆工序不便的問題。

本發明的技術方案是：一種帶錐度抗側滾彎扭桿，包括中間段和折彎段，帶錐度抗側滾彎扭桿的中間部分為中間段，靠近帶錐度抗側滾彎扭桿兩端的部分為折彎段，所述帶錐度抗側滾彎扭桿還包括位于中間段和折彎段之間的錐度段；所述錐度段的直徑由鄰近折彎段的一端向鄰近中間段的一端逐漸減小。

所述錐度段包括對稱分布在中間段左右兩側的左錐度段和右錐度段；折彎段包括對稱分布在帶錐度抗側滾彎扭桿兩端的左折彎段和右折彎段；所述左折彎段、左錐度段、中間段、右錐度段、右折彎段一體成型；所述中間段和錐度段的連接處、錐度段和折彎段的連接處均為圓滑過渡。

所述的帶錐度抗側滾彎扭桿還包括支撐座安裝區域，所述支撐座安裝區域位于折彎段上靠近錐度段的一端；支撐座安裝區域包括位于左折彎段上的左支撐座安裝區域和位于右折彎段上的右支撐座安裝區域。

所述中間段為圓柱形，錐度段為圓臺形；中間段直徑最小。

所述帶錐度抗側滾彎扭桿為帶錐度變截面軸，其最大直徑與最小直徑相差10mm。

所述錐度段的長度根據彎扭桿剛度需求來確定，所述錐度段的錐度設計是按照產品所受應力走勢進行的適度設計。

一種帶錐度抗側滾彎扭桿的設計制造方法，包括下料、粗加工、雙頭折彎、熱處理、兩頭精加工和拋光；預先設計確定好所需數值，包括中間段、錐度段和折彎段的長度和直徑，再根據預定值進行下料，獲取等直徑圓鋼棒；進行粗加工時，在等直徑圓鋼棒折彎前，按照預先設計確定好的數值，在圓鋼棒上加工出錐度段。

粗加工時，使整個彎扭桿的中間段、錐度段和折彎段加工成圓滑過度。

通過調整彎扭桿錐度段長度來改變彎扭桿剛度從而獲得相應的抗側滾扭桿裝置的系統剛度；根據產品的載荷工況要求，對彎扭桿各個位置的應力進行分配。

采用以下公式和方法，根據中間段、錐度段和折彎段的長度和直徑來計算帶錐度抗側滾彎扭桿的總剛度，反之，根據所需剛度值確定中間段、錐度段和折彎段的長度和直徑：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

其中，K代表帶錐度抗側滾彎扭桿總剛度，K1、K2、K3、K4、K5分別代表左折彎段、左錐度段、中間段、右錐度段、右折彎段的剛度，且K1=K5，K2=K4；

G代表 剪切模量，均代表慣性矩， d₁代表左折彎段直徑，代表左折彎段與左錐度段相接端面的中心點到左折彎段另一端折彎部分中心軸線的垂直距離，d₃代表中間段直徑，L₃代表中間段長度；

根據左錐度段的最小直徑、最大直徑和左錐度段長度，采用數學積分方法計算左錐度段剛度。

本發明通過設計錐度結構，在滿足產品系統剛度、產品強度的同時，實現產品輕量化，解決傳統彎扭桿過度設計、容易干涉、超重以及由于重量大而使組裝、油漆、轉動不便等一系列問題。本發明具有如下優點：

1、彎扭桿（即扭桿軸）為變截面錐度軸，直徑由支撐座處向中間逐漸減小，可滿足支撐座處較高的強度要求；

2、通過錐度軸的設計，并運用數學積分方法可計算彎扭桿剛度，在連桿跨距及扭轉臂長度等一定的情況下，可通過調節軸徑來靈活對剛度進行設計，易于滿足要求；

3、由于軸徑為變截面錐度軸徑，最大與最小直徑相差約10mm，在相同長度范圍內，重量會減輕10kg或更多，容易滿足產品及整體轉向架的輕量化要求。

4、彎扭桿中間直徑小，靠近支撐座區域逐漸增大，故中間部分可有效解決彎扭桿與轉向架上其他零部件干涉的問題。

5、在相同長度情況下，錐度設計較等徑設計重量輕，為后續組裝、油漆、轉運等工序帶來便利。

附圖說明

圖1是現有技術中的車輛轉向架均為兩級懸掛結構及振動主視圖和側向示意圖；

圖2是現有技術中的抗側滾扭桿裝置的機構運動示意圖；

圖3是本發明中的帶錐度抗側滾彎扭桿示意圖；

圖4是本發明中的彎扭桿錐度段剛度計算方法示意圖；

圖5是本發明中的彎扭桿錐度段加工示意圖；

圖6是本發明中的彎扭桿中間段加工示意圖；

圖7是本發明中的加工后彎扭桿示意圖；

圖中：1、左折彎段，2、左錐度段，3、中間段，4、右錐度段，5、右折彎段，6、左支撐座安裝區域，7、右支撐座安裝區域。

具體實施方式

請參考圖3至圖7，一種帶錐度抗側滾彎扭桿，包括中間段3和折彎段，錐度段；所述錐度段的直徑由鄰近折彎段的一端向鄰近中間段的一端逐漸減小。錐度段包括左錐度段2和右錐度段4；折彎段包括左折彎段1和右折彎段5。左折彎段、左錐度段、中間段、右錐度段、右折彎段一體成型。中間段和錐度段的連接處、錐度段和折彎段的連接處均為圓滑過渡。支撐座安裝區域位于折彎段上靠近錐度段的一端；支撐座安裝區域包括位于左折彎段上的左支撐座安裝區域6和位于右折彎段上的右支撐座安裝區域7。由于整個彎扭桿在支撐座區域受到彎矩與扭矩組合，此處所受應力最大，而彎扭桿中部區域主要承受扭轉，受力較小。此類結構與傳統彎扭桿結構區別在于彎扭桿剛度設計方法不同，傳統彎扭桿整體設計，而帶錐度抗側滾彎扭桿采用分段的剛度設計。

帶錐度抗側滾彎扭桿兩端折彎處彎扭桿（折彎段）剛度：左折彎段剛度K1=右折彎段剛度K5（對應長度L₁=L₅=224mm）。左折彎段剛度具體計算如下：

（1）

（2）

其中G、為已知量。G代表剪切模量，單位是MPa，均代表慣性矩， d₁代表左折彎段直徑，代表左折彎段與左錐度段相接面的中心點到左折彎段另一端折彎部分中心軸線的垂直距離。L₅代表右折彎段與右錐度段相接面的中心點到右折彎段另一端折彎部分中心軸線的垂直距離。

錐度處彎扭桿（錐度段）剛度：左錐度段剛度K2=右錐度段剛度K4（對應長度L₂=L₄=219mm）。L₂為左錐度段長度，L_4. 為右錐度段長度。左錐度段剛度具體計算如下：采用數學積分方法進行計算，設直徑方向為X，長度方向為Y，取一薄平面軸dy作為分析對象，長度為y，半徑為x，如圖4所示。已知該錐度段最小與最大直徑及長度。采用數學積分的方法得到此錐度段剛度。

中間彎扭桿（中間段）剛度K3（對應長度L3=1070mm）：

（3）

（4）

其中G、為已知量。G代表剪切模量，單位是MPa， 均代表慣性矩， d₃代表中間段直徑，L₃代表中間段長度。

綜上，得到帶錐度抗側滾彎扭桿總剛度K：

， （5）

進而得到扭桿系統（抗側滾扭桿裝置）剛度。反之根據已知剛度的要求，可進行各段長度的設計，并進行強度設計。

帶錐度抗側滾彎扭桿的工藝方案：包括鐓粗(根據實際結構進行）、折彎、兩端機械加工后成型，最終整體式彎扭桿成品。請參考圖3至圖7，帶錐度抗側滾彎扭桿的設計制造方法具體包括如下步驟：

1）下料：根據所需剛度要求，預先設計確定好所需數值，包括中間段、錐度段和折彎段的長度和直徑，再根據預定值進行下料，獲取等直徑圓鋼棒（圓柱形圓鋼棒）；下料后注意去毛刺，產品流水號等信息按照下料單和流程卡寫在桿體中間；

2）粗加工：使用粗車床將毛坯車加工至預定設計好的尺寸，平端面中心孔并倒角，產品的標識使用刻字機刻印在臂端面。本發明錐度彎扭桿成型工藝與傳統彎扭桿相比是在等直徑圓鋼棒（ΦD1）折彎前，對圓鋼進行錐度段加工，保證整個彎扭桿由ΦD1到ΦD2（中間段直徑，即前面公式中的d₃）圓滑過度，左錐度段長度為L₂，如圖5所示。其它部位直徑加工為ΦD2，ΦD1-ΦD2≈10mm。中間段加工如附圖6所示。

3）雙頭折彎：首先使用調運工具將桿件放置與中頻加熱感應線圈中，進行加熱，并使用調運工具將桿件轉移至雙頭折彎機，定位，啟動設備彎形，將桿件彎曲成型至工藝要求；

4）熱處理：使用熱處理工裝，按照裝爐作業指導書對桿件進行定位，裝夾固定，進行熱處理；

5）兩頭精加工：對彎扭桿端部的錐孔等進行精細加工；

6）拋光：對整個彎扭桿表面進行拋光處理，達到粗糙度要求。

本發明的創新之處主要包括彎扭桿帶錐度、可靈活進行剛度設計，并防止與其它零部件干涉，同時滿足車輛及轉向架整體輕量化要求，創新點具體包括：1）與傳統等直徑彎扭桿不同的是：創新性地將軸徑設計成帶錐度變截面軸；2）錐度結構的設計可靈活地對其剛度進行設計；3）錐度是按照產品的所受應力走勢進行設計的，為適度設計；4）錐度設計大大減輕了產品重量，滿足產品自身或轉向架輕量化要求，同時繼而為后續組裝、油漆、轉運過程帶來便利；5）錐度設計的彎扭桿中間段軸徑最小，可有效防止與轉向架其他零部件發生干涉。

下面對本發明與現有技術作進一步對比分析說明。

抗側滾扭桿主要是通過提供側滾剛度來實現抗側滾功能的，而系統的側滾剛度影響因素主要為彎扭桿剛度、車體側滾角、扭轉臂長度以及連桿跨距。一般地，由于車輛接口尺寸及運行工況一定，扭轉臂長度、連桿跨距與車體側滾角均為定值，故主要影響系統剛度的因素為彎扭桿的剛度。現有技術中，彎扭桿一般均為等徑設計，加工較容易實現，但存在剛度設計不靈活以及強度浪費的情況。通常，與轉向架和車體的接口尺寸如連桿跨距、支撐座跨距是不易改變的，在這種情況下，若要滿足剛度要求，則需要整體調節彎扭桿直徑，但彎扭桿直徑的大小與其所能承受的應力的大小密切相關，直徑過小，安全余量低，存在使用風險；直徑過大，特別對于安裝座處直徑較大時，整個彎扭桿的中間處直徑也較大，從產品實際受力上看，整個扭桿各位置扭矩相同，但彎矩隨著支撐座處向中間處逐漸減小，所受的應力逐漸降低，即中間處彎扭桿所受應力最低，此處的材料強度會遠大于其實際所受應力，屬于過度設計。另一方面，在相同連桿跨距或支撐座跨距相同情況下，由于等徑設計的產品重量會遠大于錐度設計，也不易滿足轉向架輕量化的設計要求，并為后續油漆、組裝、轉運過程帶來不便。傳統整體式彎扭桿主要成型過程如下：1、 等直徑圓鋼；2、 端部鐓粗（根據實際兩端結構確認是否存在此工序）；3、 兩端折彎；4、機械加工。

與現有技術相比，本發明的帶錐度抗側滾彎扭桿是一種新型抗側滾彎扭桿結構，可通過彎扭桿錐度段長度改變彎扭桿剛度從而來設計整個扭桿裝置的系統剛度，可以根據產品的載荷工況要求，對彎扭桿各個位置的應力進行合理分配，既保證可靠性，又不至于產生過度設計的浪費。另外，若從防止與轉向架零部件干涉的角度看，可以將彎扭桿設計成等徑但三維成型結構，也可避讓其他零部件。本發明能通過調整錐度段結構靈活設計系統剛度，實現產品自身以及整個轉向架輕量化，解決彎扭桿實際受力與產品結構不相匹配的難題，解決由于中間彎扭桿直徑大而發生與其它零部件意外干涉的問題，解決等徑彎扭桿由于重量大而使組裝及油漆工序不便問題。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍之內。