城市轨道交通车辆锥形弹簧结构设计研究

城市轨道交通车辆锥形弹簧结构设计研
究
摘要：随着城市化进程的不断加快，城市交通的需求量日益增加，城市轨道
交通的建设也得到了越来越多的重视和投入。

对于汽车的设计而言，最重要的就
是保证其具有足够的行车安全可靠性。

因此，要充分利用现有的资源，确保其能
发挥出最大的效益，就必须提高车辆的舒适性。

本文主要研究城市轨道交通车辆
锥形弹簧结构设计。

关键词：城市轨道；交通车辆；锥形弹簧结构设计
引言
城市轨道交通是指以铁路为主要运输方式，通过建设或改造原有的轻轨、地
铁等交通工具，从而为乘客提供安全、舒适的乘车环境的一种交通系统。

所以，
要想实现这一目标，就要求我们从车身材料着手，即轻量化的同时，也应考虑到
减小车体的重量；另外，还应注意减轻整车的整体质量，使其能够适应不同的行
驶环境。

一、锥形弹簧结构
锥形弹簧的主要功能是实现乘客乘坐过程中的控制和调节作用，因此，必须
保证其具有良好的非线性特性，以满足乘客的驾驶要求。

根据上述分析，可以知道，锥形弹簧的两个重要部分，分别为:横向螺旋槽的两端固定安装在车轴上，
而车轴的两侧也有一个纵向的橡胶密封圈，用来防止汽车的车轮和车尾产生摩擦。

当车辆通过时，由于轮胎的压力变化，橡胶会逐渐变短，从而使车辆的操纵稳定
性大大降低，甚至会导致驾驶员的疲劳破坏。

为了避免这一问题，需要在两钢轮
上增加一对锥形杆，这样不仅能保持车辆的操作稳定，而且还能减小振动。

二、城市轨道交通车辆锥形弹簧结构现状分析
城市轨道交通车辆，由于其特殊的结构和功能，在车辆的设计过程中，需要
考虑到的问题很多，例如:乘客的乘坐舒适性、列车的安全性、列车运行的速度
和可靠性。

因此对车辆锥形弹簧的设计，必须满足以下要求:(1)保证车辆的操纵
稳定性，确保驾驶者的操作安全； (2)提高乘客的乘车体验；(3)降低乘客的振
动感，减少汽车轮胎的使用寿命。

目前，国内外大多数城市轨道交通车辆采用的
都是传统的单柱钢板弹簧，这种弹簧的刚度很大，抗震性差，疲劳磨损，耐磨性
能不好，所以对车轴荷载的敏感度不高。

为了解决这些缺点，通常通过改善车轴
的刚度来增加车轴的刚性和强度。

然而在实际应用中，车轴的变形量是非常大的。

为此提出了一种新型的可变刚度梁。

它由橡胶材料的缓冲内固定铰链的弹性铰链
组成，并与减震装置相连，以达到减小或抵消扭矩的目的。

三、城市轨道交通车辆锥形弹簧结构设计策略
在车辆的建设中，锥形弹簧是一种重要的结构部件。

其主要功能是用来支撑
车轮以保证行车的安全性和舒适性。

因此，在车辆的设计过程中，必须充分考虑
到乘客乘坐汽车时的心理因素，使其能够更好的适应现代社会发展的需要。

同时，由于锥形弹簀的存在使得车厢内的气流分布更加均匀，从而提高了空气阻力，降
低了车内的噪音和振动，改善了乘车环境。

（一）锥形弹簧质量检验
根据上文对车辆的设计要求，本文将采用双曲面式弹簧结构，由于其横向刚
度和侧向力都很高，因此在结构设计时，要考虑到车辆整体刚度，所以需要对车
轴进行校核，保证车辆的使用安全。

由于锥形弹簧在轨道上的安装位置和工作行
程的尺寸是固定的，所以对其质量检验的方法也是多种多样的:
(1)用螺钉将锥形弹簧的两端紧固起来，然后用手拧紧，这样可以保证锥形
弹簧的刚度和强度。

(2)将橡胶塞装入到钢桶内，再把橡胶塞的一端装入到钢桶内，通过观察试样的曲线来确定合格的数据；如果试样的线形与理想的线形有较
大的误差，则应检查是否有渗漏的情况发生，如若有渗漏现象，则说明密封性不好，应立即更换新的橡胶；如无渗漏，需再次加注。

(3)在试验结束后，要对所
测的数据进行记录，并做进一步的调整使其符合要求。

比如:在连接端面处理中，
要使间隙尽可能小，以减少摩擦。

否则会造成严重的后果:一方面，可能会影响
实验结果，另一方面会导致安全隐患。

（二）车辆锥形弹簧运动学仿真
车辆的锥形弹簧通常是通过改变车轴的轴线位置来实现的:当车轴的中心线
与车轴的外倾角不同时，则需要考虑以下问题:
(1)在调节上，由于车轮的动载荷作用，当车辆处于加载状态时，其端部的
压力将使橡胶的压缩性增大，从而导致弹簧的伸长量增加，因此可以得到一个近
似解。

(2)在调速过程中，车辆端的动载应力和制动力的影响会产生不同的结果；而调速的刚度和阻尼的大小决定了弹簧的弹性性能。

所以一般用非线性的方法去
对车辆的锥形弹簧进行仿真。

根据上述分析，本文提出一种新的汽车动载力分配律，即:在保证了一定的刚度的前提下，使其端部的压强分布均匀，这样就能获
得具有较大的乘坐舒适性。

为此要求:①要有足够大的气室顶角；②要有合适的
气密润滑条件，以防止空气进入到簧内层，造成乘客的不适感。

（三）锥形弹簧
锥形弹簧的基本结构是由圆柱形密封件和圆形长条组成，其主要功能是实现
乘客上下时的分离作用，并使乘客在乘坐过程中能够平稳地操纵。

由于锥形弹簧
的工作原理与普通的圆柱弹簧相比较为复杂，所以在实际的应用当中，需要考虑
到以下的问题:
①对于横向振动的传播特性，要根据车辆的使用要求来确定。

②矩形的开口环，可以有效的防止因为径向力产生的形变。

因此在设计时，必须保证橡胶的单
向腔形，并且要满足径向力的传递需求。

③矩形的开口环，可以很好的避免来
自车辆的垂直方向的动载荷对钢丝的冲击和摩擦。

同时也能很好的解决钢丝的磨损、疲劳的影响等。

④轴向推力的分布规律，要充分的了解轴向力的大小以及变
化的趋势等。

如果锥形杆的尺寸过大，则会导致压力的损失增加，从而降低了车
辆的舒适性。

而过小，则会使驾驶员的驾驶感觉不舒服。

结语
论文通过对现有的轨道车辆锥形弹簧的设计方法进行分析和改进，完成了对传统的车轴式车辆转向架后端盖板和底板的设计过程。

确定了车轴式车辆的设计方案中的两个基本问题:如何使车轴的强度得到提高；又要保证汽车在运行的时候具有良好的舒适性。

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