高速动车组技术10弹性元件

弹性悬挂元件

作用：缓和冲动和衰减振动，称为弹簧减振装置，在车辆振动系统中又称为弹性悬挂装置。分类：可分为三类：一类是主要起缓和冲动的弹簧装置，如中央及轴箱的螺旋圆弹簧；二类是主要起衰减(消耗能量)振动的减振装置，如垂向、横向减振器；三类是主要起定位(弹性约束)作用的定位装置，如轴箱轮对纵、横方向的弹性定位装置，摇动台的横向缓冲器或纵向牵引拉杆。弹性悬挂元件

一、弹性元件的作用及主要特性弹簧装置的作用主要体现在二个方面：一是使车辆的质量及载荷比较均衡地传递给各轮轴，并使车辆在静载状况下(包括空、重车)，两端的车钩距轨面高度应满足“铁路技术管理规程”规定的要求，以保证车辆的正常联挂；二是缓和因线路的不平顺、轨缝、道岔、钢轨磨耗和不均匀下沉，以及因车轮擦伤、车轮不圆、轴颈偏心等原因引起车辆的振动和冲击。弹性悬挂元件

一、弹性元件的作用及主要特性2弹簧的主要特性弹簧的主要特性是挠度、刚度和柔度。挠度是指弹簧在外力作用之下产生的弹性变形的大小或弹性位移量；而弹簧产生单位挠度所需的力的大小，称为该弹簧的刚度；单位载荷作用下产生的挠度称为该弹簧的柔度。弹性悬挂元件

一、弹性元件的作用及主要特性弹性悬挂元件

一、弹性元件的作用及主要特性弹簧刚度特性的表达式为：线性弹簧非线性弹簧弹性悬挂元件

一、弹性元件的作用及主要特性3.弹簧的串联、并联刚度的计算弹性悬挂元件

一、弹性元件的作用及主要特性3.弹簧的串联、并联刚度的计算

并联时，各弹簧挠度相等，每个弹簧上分布的载荷分别为：

P1＝K1f；P2＝K2f；…Pn＝Knf故有P＝P1＋P2＋…＋Pn＝(K1＋K2＋…＋Kn)f＝KΣf

式中

KΣ＝K1＋K2＋…＋Kn串联时，各弹簧产生挠度为f1，f2，…，fn。所以，组合弹簧的总挠度f为：

f＝f1＋f2＋…＋fn

故有f＝i1P＋i2P＋…＋inP＝(i1＋i2＋…＋in)P＝iP

弹性悬挂元件

一、弹性元件的作用及主要特性3.弹簧的串联、并联刚度的计算

i∑＝i1＋i2＋…＋in（弹簧系统的总柔度等于各弹簧柔度的代数和）当

K1＝K2＝…＝Kn＝K时：

弹性悬挂元件

一、弹性元件的作用及主要特性3.弹簧的串联、并联刚度的计算

车辆静载荷作用下的挠度称为静挠度，弹簧装置刚度小，静挠度大，使得车体自振频率低，这对车辆运行平稳性有利。所以，在条件允许的情况下，应尽可能采用较大的弹簧静挠度。弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

弹性悬挂元件

弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算螺旋圆弹簧的主要参数有：簧条直径d，弹簧平均直径D，有效圈数n，总圈数N，弹簧全压缩高度Hmin，弹簧自由高度H0，弹簧指数m＝D/d，垂向静挠度fv和垂向刚度Kv等。两端的3/4圈作为支持平面，是弹簧辅助部分，起传递载荷作用，称为弹簧支持圈。

弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(二)单卷弹簧的轴向(垂向)特性计算

弹性悬挂元件

G——剪切弹性模数，弹簧钢G＝79.4GPa；Pv——作用于弹簧上的垂向静载荷；Pmax——作用于弹簧上的最大垂向载荷其值为：Pmax＝Pv(1＋Kvd)；D——弹簧平均直径（也称为弹簧的中径），为弹簧圈内、外径的平均值；m——弹簧指数，又称旋挠比，其值为：C——应力修正系数，其值为：fmax——最大挠度，其值为

fmax＝fv(1＋Kvd)；n——有效圈数；N——弹簧总圈数，为工作圈数与支持圈圈数之和；Hmin——弹簧全压缩高度，即弹簧在全压死状态下的高度；H0——弹簧自由高度，为无载荷状态下的高度；[τ]——许用应力，其取值见表2-12。二、钢弹簧结构及计算

(二)单卷弹簧的轴向(垂向)特性计算

弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(三)双卷弹簧的轴向(垂向)特性计算

为避免卷与卷之间发生卡住或簧组转动，要求双卷(或多卷)弹簧中紧挨着的两卷层弹簧的螺旋方向不能一致，一个左旋，另一个则右旋。双卷弹簧完全代替单卷弹簧必须满足以下条件：双卷弹簧的外卷和内卷的指数m1和m2、应力τ１和τ2、挠度f1和f2，要分别等于单卷弹簧的m、τ和f，以此来导出双卷和单卷弹簧之间的尺寸关系。弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(三)双卷弹簧的轴向(垂向)特性计算

1弹簧指数相等，即：

C＝C1＝C22使应力相等，意味着充分利用了材料的强度，即：

τ＝τ１＝τ２

设单卷弹簧的载荷为P，双卷弹簧外卷和内卷的载荷分别为P1和P2，则有：

P＝P1＋P2

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二、钢弹簧结构及计算

(三)双卷弹簧的轴向(垂向)特性计算

3取各卷弹簧的挠度相等，以保证(双卷簧与单卷簧)性能一样，即：

nD＝n1D1＝n2D2

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二、钢弹簧结构及计算

(三)双卷弹簧的轴向(垂向)特性计算

，

由此可得

式中

因4β2比(1+α2)d2

小得多,故可略去不计，所以：

弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(三)双卷弹簧的轴向(垂向)特性计算

在许可条件下，应尽量降低弹簧刚度、增加弹簧静挠度，需要经过反复修正。设计时有两种方法使用较多：一种方法可将内、外卷所承受的载荷按1/3∶2/3的比例进行分配；对于三卷组合弹簧的内、中、外三卷所承受的载荷按1/7∶2/7∶4/7的比例进行分配。然后分别进行各单卷弹簧参数、簧卷间隙和组合当量刚度等值的设计计算，并适当给以修正，满足设计要求。另一种方法是依据设计任务书提出的具体要求(如自重、载重、挠度、刚度等值)，参照已有车辆双卷弹簧的参数值(估计取值，如内、外卷的平均直径、簧条直径、有效圈数等)，直接分别计算内、外卷弹簧的刚度、挠度、应力及稳定性校核，并经过反复修正，取得符合设计要求的弹簧参数、簧卷间隙和组合当量刚度等值。弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(四)两级刚度弹簧的轴向(垂向)特性

弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(四)两级刚度弹簧的轴向(垂向)特性

弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(四)两级刚度弹簧的轴向(垂向)特性

货车不等高双卷弹簧的设计，工程设计中一般采用刚度分配法：（1）根据转向架结构模式，初步确定所需空车静挠度fk，求出空车弹簧刚度K1=PK/fk(2)确定弹簧拐点fA，fA≌1.7fk(3)根据容许的钩高差△h，确定重车工况下的弹簧挠度，fZh=fk+△h(4)求出第二级刚度K2，弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(四)两级刚度弹簧的轴向(垂向)特性

一般情况下，空车弹簧静挠度fK＝20mm左右，相对摩擦系数φ＝0.10～0.15(相对摩擦系数的意义见本章第六节)；重车当量静挠度fd＝40mm左右，相对摩擦系数φ＝0.08～0.1。

（5）求出内、外弹簧的刚度比a。根据弹簧安装所需的空间，按单卷弹簧相应的公式，即可求出不等高双卷弹簧的参数。弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(五)螺旋弹簧径向(横向)特性计算

弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(五)螺旋弹簧径向(横向)特性计算

(1)弹簧的两个端面与支撑体的接触面之间为刚性接触，刚度公式(2)弹簧的两个端面与支撑体的接触面之间为弹性接触(如设有橡胶垫)，刚度公式弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(六)车辆的抗侧滚装置

增加车体抗侧滚得主要措施：措施之一是在转向架中央悬挂装置中设置抗侧滚装置，采用空气弹簧的转向架大都设置有抗侧滚装置。措施之二是采取外侧悬挂，尽量增大中央悬挂装置中空气弹簧或钢弹簧的横向间距，以增大其角刚度，从而增强抗侧滚性能。弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(六)车辆的抗侧滚装置

(一)抗侧滚扭杆装置的作用原理。弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(六)车辆的抗侧滚装置

(一)抗侧滚扭杆装置的作用原理。弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(六)车辆的抗侧滚装置

(二)抗侧滚扭杆装置的设置位置及主要性能要求(1)应具有前述的作用特点和适宜的抗侧滚扭转刚度，同时应具有能适应空气弹簧(中央弹簧)上、下支承两个部分之间相对运动的随动性。(2)在垂向、横向及纵向的三个方向上，均应尽量减小对中央悬挂装置刚度的影响。(3)扭杆与转臂之间应有足够大的刚度。(4)应注意防止车辆高频振动的传递。弹性悬挂元件

二、钢弹簧结构及计算

(六)车辆的抗侧滚装置

(二)抗侧滚扭杆装置的设置位置及主要性能要求抗侧滚扭杆装置的最佳抗扭刚度值如何选择，应根据车辆结构及车体重心的高低、转向架结构及悬挂参数、运行速度、线路条件、通过道岔的型号及速度等诸多因素来考虑。应进行必要的理论分析计算和试验工作而确定。一般客车抗侧滚扭杆装置的扭转刚度最佳值为1.5～2MN·m/rad。弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

采用橡胶元件具有下列优点：1.可以自由确定形状，使各个方向的刚度根据设计要求确定。利用橡胶的三维特性可同时承受多向载荷，以便于简化结构；2.可避免金属件之间的磨耗，安装、拆卸简便，并无需润滑，故有利于维修，降低成本；3.可减轻自重；4.具有较高内阻，对高频振动的减振以及隔音性有良好的效果；5.弹性模量比金属小得多，可以得到较大的弹性变形，容易实现预想的良好的非线性特性。弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

它的缺点主要是耐高温、耐低温和耐油性能比金属弹簧差，使用时间长易老化，而且性能离散度大，同批产品的性能差别可达10%以上。车辆上的橡胶元件，主要应用于弹簧装置与定位装置。(一)橡胶元件设计时的注意事项

1.橡胶具有特殊的蠕变特性，即压缩橡胶元件时，当载荷加到一定数值后，虽不再增载，但其变形仍在继续，而当卸去载荷后，也不能立即恢复原状。因此，橡胶的动刚度比静刚度大，其增大的倍率与动载荷的频率和振幅有关，一般要增大10%～40%。2.橡胶元件的性能(弹性、强度)受温度影响较大。因此，当温度在－30～+70℃时，设计的橡胶元件可依据不同使用温度，选用不同材质的橡胶，使之具有比较稳定的弹性特性，以满足运用要求。弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

3.橡胶具有体积基本不变的特性，即几乎是不可压缩的。它的弹性变形是由于形状改变所致，因此，必须保证橡胶元件形状改变的可能性。

4.橡胶的散热性不好，故不能把橡胶元件制成很大的整块，需要时应做成多层片状，中间夹以金属板，以增强散热性。

5.橡胶元件的疲劳损坏，主要由于应力集中处产生的裂纹，所以，设计时应特别注意防止出现这些现象。为了防止形成应力集中，与橡胶接触的配件表面不应该有锐角、凸起部位的沟孔，在形状上尽量使橡胶表面的变形比较均匀。

6.橡胶变形受载荷形式影响较大，承受剪切载荷时橡胶变形最大，而承受压缩载荷时其变形最小。因此，承受剪切变形的橡胶弹簧承载能力小而柔度大，承受压缩变形的橡胶弹簧承载能力大而柔度小，受拉伸的橡胶弹簧则很少使用。弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算

1.静弹剪模数(G)、静弹性模数(Ea)、表观弹剪模数(Ga)及动弹性模数的计算拉伸变形时Ea≈3G

压缩变形时Ea≈iG

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三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算

形状系数S＝Al/Af，即S为橡胶元件的承载面积Al与自由面积Af之比

Ga＝jG

j——弯曲变形影响系数，其值为：

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三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算

弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算2.应力计算橡胶元件在简单拉伸和压缩变形时，其应力σ和应变ε的关系式为：

一般应变量控制在ε＜15%，此时可近似地取：

橡胶弹簧剪切应力τ和剪切应变γ的关系式为：弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算①直柱形橡胶弹簧如图2-41所示(上、下支承面与金属体不粘接)

压缩刚度剪切刚度

②端部带圆角的直柱形橡胶弹簧

a.圆形截面

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三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算b.矩形截面，等截面部分的长边为a，短边为b，压缩刚度

③衬套式橡胶弹簧：

a.轴向剪切或轴向扭转的橡胶衬套

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三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算③衬套式橡胶弹簧：

a.轴向剪切或轴向扭转的橡胶衬套轴向剪切刚度轴向扭转刚度

弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算

a.轴向剪切或轴向扭转的橡胶衬套衬套的长度随半径线性改变

轴向剪切刚度轴向扭转刚度

弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算

a.轴向剪切或轴向扭转的橡胶衬套衬套切应力和半径无关而为常数，

轴向剪切刚度轴向扭转刚度

弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算

b.同时承受压缩和剪切的橡胶衬套橡胶衬套为径向变形,径向刚度

橡胶衬套为弯曲变形,弯曲刚度

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三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算④空心圆锥橡胶弹簧

a.空心圆锥橡胶弹簧承受轴向载荷,轴向压缩刚度

b.空心圆锥橡胶弹簧承受径向载荷,径向刚度

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三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算④空心圆锥橡胶弹簧

c.空心圆锥橡胶弹簧承受弯矩载荷,弯曲刚度

d.空心圆锥橡胶弹簧承受扭转力矩,同轴扭转刚度

弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算3.静刚度和动刚度的计算

(2)橡胶弹簧的动刚度计算橡胶弹簧的动刚度主要依靠实验测定

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三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算

弹性悬挂元件

三、橡胶元件结构及计算

(二)橡胶元件的有关计算

弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(一)空气弹簧装置的应用及特点

1.空气弹簧的刚度可选择低值，以降低车辆的自振频率。2.空气弹簧具有非线性特性，3.空气弹簧的刚度随载荷而改变，从而保持空、重车时车体的自振频率几乎相等，使空、重车不同状态的运行平稳性接近。4.和高度控制阀并用时，可按车体在不同静载荷下，保持车辆地板面距轨面的高度不变。5.空气弹簧可以同时承受三向的载荷，并且有较大的径向变形能力。从而实现“三无”结构（无摇枕、无摇动台、无磨耗），可简化转向架的结构，减轻自重。6.在空气弹簧本体和附加空气室之间装设有适宜的节流孔，可以代替垂向液压减振器。7.空气弹簧具有良好的吸收高频振动和隔音性能。

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四、空气弹簧结构及计算

(二)空气弹簧装置系统的组成

主要是由空气弹簧本体、附加空气室、高度控制阀、差压阀及滤尘器等组成。弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(三)空气弹簧的分类及组成

空气弹簧大体上可分为囊式和膜式两类。

1.囊式空气弹簧，可分为单曲、双曲和多曲等形式。弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(三)空气弹簧的分类及组成

2.膜式空气弹簧，可分为约束膜式、自由膜式等形式。弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(三)空气弹簧的分类及组成

2.膜式空气弹簧，可分为约束膜式、自由膜式等形式。弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(四)高度控制阀和差压阀

1.高度控制阀高度控制阀一般可分为机械式和电磁式两种，按组成的不同又可分为有延时机构和无延时机构；按引起高度控制阀产生进、排气作用的传动方式还可分为直顶式和杠杆式等。弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(四)高度控制阀和差压阀

1.高度控制阀高度控制阀的主要特性及参数如下。(1)截止频率：一般该值为1Hz左右。(2)无感区：一般无感区约为±4mm。(3)延迟时间：一般为1s左右。(4)充、排气时间：。(5)供风风压：要求列车供风的风压符合高度控制阀正常工作所需的数值，铁道车辆列车管风压一般为0.6MPa。(6)检修期：为保证高度控制阀的正常工作，减少维修量，延长使用寿命，保证质量，要规定无检修期。例如：对某型高度控制阀规定车辆运行20万km之内无检修。弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(四)高度控制阀和差压阀

2.差压阀当左右两侧空簧压差小于某一定值时(一般为≤0.08

MPa)左右两个阀都处于关闭状态，左右两个空簧均不相通。若左边空簧压力增高，并超过该定值时，即阀中下室空气压力大于上室空气压力，左阀的弹簧受压缩，打开阀门，使压力空气从左边流向右边。弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(四)高度控制阀和差压阀在选择差压阀的差压值时，应注意以下几点：(1)在转向架左右两侧空气弹簧为均载条件下，车辆正常运行时，该压差值应不影响由于车辆振动所引起的空气弹簧内压变化的值。(2)差压阀的差压值应高于车辆在曲线(包括过渡曲线)上运行时，仅是由于车体两侧增减载的载荷变化，使左右两个空气弹簧内压变化的压差值(包括高度控制阀的充、排气作用)。(3)在上述两个要求的允许条件下，尽量取较小的压差值，使各空气弹簧承载不会发生过分的不均衡，以提高车辆的运行平稳性和抗脱轨性能。(4)当转向架一侧空气弹簧发生破裂事故时，另一侧空气弹簧内压不能过高，并仍使车辆能以较低速安全运行，以便于事故的处理。一般差压阀的压差值取为0.08～0.12

MPa。在取值时应根据车型的结构形式、载重、车体重心高度、运行条件、运行速度以及采用空气弹簧和高度控制阀的形式等因素考虑确定。弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(五)自由膜式空气弹簧刚度计算

垂向刚度计算弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(五)自由膜式空气弹簧刚度计算

横向刚度计算弹性悬挂元件

四、空气弹簧结构及计算

(六)空气弹簧节流孔

减振元件

一、车辆减振元件的作用及分类

铁路车辆采用的减振器按阻力特性可分为常阻力和变阻力两种减振器；按安装部位可分为轴箱减振器和中央(摇枕)减