一种列车转向架用整体结构复合材料板簧的制作方法

1.本发明涉及铁路车辆的悬架技术领域，具体涉及一种列车转向架用整体结构复合材料板簧。


背景技术：

2.当今世界，能源短缺与环境污染问题受到了越来越多的关注，中国宣布将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，交通运输行业的可持续发展正面临着严峻的考验。车辆的轻量化技术可以有效地起到提高燃油效率，节能减排的作用，已经成为车辆未来发展的迫切要求。
3.在轨道交通运输行业，传统金属材料因其良好的强度、刚度、高延性等力学和机械性能，长期作为车辆零部件制造的主要材料。但其造成的振动、冲击、噪音以及密度和所占空间过大等问题，随着行业各类技术要求的提高，变得日益凸显，已经不能很好地适应新一代轨道列车的发展趋势。
4.相比于传统金属材料(如钢材)纤维复合材料(frp)密度更小，比强度及比刚度更高，而且拥有模量高、可设计性强、以及良好的隔热、耐疲劳、阻燃、耐腐蚀等性能，在轨道交通领域具有很大的潜在市场和发展前景。目前，纤维复合材料已经被大量应用于轨道车辆内部设施及装饰等非承载构件中，但在承载结构件等一些大型结构件中的应用还不够深入和广泛。
5.转向架作为铁路车辆的主要承载构件，为承受车身荷载和载重提供足够的安全性和稳定性。传统金属转向架一般会有结构笨重、维护成本高、曲线运行能力差、噪声大等缺点。而且随着列车运行速度的大幅提高，轨道受到的冲击力也会随之提高，因此，实现列车轻量化尤其是列车转向架轻量化，可以减少列车行驶过程中的能耗以及对钢轨的损伤。此外，考虑到列车转向架的空间狭小，目前常见的复合材料板簧大多需要具有额外的空间来释放变形产生的位移，难以在列车转向架上直接应用。
6.因此，如果能生产出一种复合材料板簧可以同时满足减小空间占比，列车转向架的轻量化以及强度要求，将对轨道交通行业的绿色节能发展产生积极的影响。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术不足，提出一种可以同时满足减小空间占比，列车转向架的轻量化以及强度要求的复合材料板簧。
8.为实现上述目的，本发明提出一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，板簧由椭圆形板簧本体以及刚性连接件组成。具体构成部件：包括板簧本体、扣件、螺栓、挡板、垂向止挡、外部构架、轴箱、高频减震垫等部分。
9.板簧本体使用玻璃纤维复合材料，呈椭圆形层状结构，垂直于板簧椭圆截面，沿水平方向延伸的转向架轮轴位于板簧下侧。板簧上下两端内外侧通过扣件、挡板以及螺栓分别连接外部构架、垂向止挡和高频减震垫。板簧的总成垂向刚度值恒定。
10.作为优选，所述层状结构由玻璃纤维单向预浸料制成，其中基体为环氧树脂。
11.作为优选，所述层状结构由上述预浸料堆叠而成，铺层顺序为[0
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[0012]
所属铺层沿着长度方向逐渐变化，各铺层沿厚度中心层对称，板簧的厚度由左右两端向上下两端逐渐递减。
[0013]
作为优选，所述板簧本体上下两端内侧有v形凸起，可以固定连接，减小应力集中。
[0014]
作为优选，椭圆板簧上下两端外侧设为平面，可以增大接触面积，减小应力集中。
[0015]
作为优选，板簧本体上下端与外部构件以及高频减震垫的接触面需添加垫板(垫板由橡胶制成)，以避免板簧与外部构件以及外部构件的刚性接触造成损伤。
[0016]
作为优选，所述板簧本体与上端转向架和下端高频减震垫的连接方式为螺栓连接，在不影响使用效果的前提下，也可以采用本领域的常规连接方式。
[0017]
作为优选，上部构架与板簧连接处螺栓装配方式为自下而上，下部高频减震垫与板簧连接处螺栓装配方式为自上而下，以提升装配操作简便性。
[0018]
为满足列车运行对振动参数的要求，板簧的整体刚度值设定为1000n/mm，正负5％误差。
[0019]
有益效果：
[0020]
1、本发明中所用到的纤维复合材料密度相比于传统金属材料大幅缩小，显著减轻了转向架重量，达到了轻量化效果。
[0021]
2、本发明中板簧的变形位移完全是压缩变形，无需为其设置额外的位移释放装置。
[0022]
3、本发明复合材料板簧本体形状呈椭圆形，厚度从左右两端向上下两端递减，上下两端内侧有v形凸起，外侧设为平面，变化具有连续性，可以大幅降低应力集中。
附图说明
[0023]
图1为本发明的板簧总成示意图；
[0024]
附图说明：1.外部构架；2.垫板；3.上扣件；4.挡板；5.垂向止挡；6.板簧本体；7.下扣件；8.高频减震垫；9.轴箱；
[0025]
图2为板簧本体上端结构爆炸图；
[0026]
附图说明：1.外部构架；2.垫板；3.上扣件；4.挡板；5.垂向止挡；6.板簧本体；
[0027]
图3为本发明的列车转向架用板簧铺层方向示意图。
具体实施方式
[0028]
下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。
[0029]
如图1
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3所示，本发明提出的一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，该板簧可以同时满足减小空间占比，列车转向架的轻量化以及强度要求的复合材料板簧，该板簧总成刚度值为1000n/mm，误差为正负5％。板簧本体形状为椭圆形，厚度由椭圆的长轴与短轴顶点向中间逐渐递减。板簧本体由玻璃纤维预浸料制成(其中玻纤预浸料的主要组成为玻璃纤维和环氧树脂)，采用变厚度截面，变化具有连续性，能够减小应力集中。板簧本体与上端转向架和下端高频减震垫的连接方式为螺栓连接。
[0030]
图1为列车转向架用整体结构复合材料板簧总成示意图。板簧本体6呈椭圆形层状结构，厚度从左右两端向上下两端递减，上下两端内侧有v形凸起，外侧设为平面，可以大幅降低应力集中。板簧本体6与上端的外部构架1以及下端的高频减震垫8通过扣件4，以螺栓连接的方式固定。板簧本体上下端外部与其他部件的接触面添加橡胶垫板(如图2)。椭圆形板簧内部的垂向止挡5通过上扣件与挡板3通过螺栓连接固定(其中外部构架1、板簧本体6以及垂向止挡5的连接固定共用相同扣件和螺栓)。轴箱9位于高频减震垫8的下方，与减震垫弹簧连接。
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图2为板簧本体的玻璃纤维预浸料铺层方向示意图。预浸料的铺层顺序为[0
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需要说明的是，以上具体实施方式的描述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：所述的板簧本体使用玻璃纤维增强复合材料，上端连接到转向架，轴箱位于板簧下侧，轴箱与板簧之间加入高频减震垫，连接方式均为螺栓连接，板簧沿轮轴轴向的宽度保持一致，板簧厚度由椭圆的上下两端向左右两端递增，板簧的整体刚度值恒定。2.根据权利要求1所述的一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：板簧本体的外形呈椭圆形层状结构。3.根据权利要求1所述的一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：所述板簧的铺层沿着弧度方向逐渐变化，各铺层沿厚度中心层对称，厚度由椭圆的左右两端向上下两端递减。4.根据权利要求1所述一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：所述板簧上下两端中部内侧有v形凸起，外侧设为平面。5.根据权利要求1所述一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：所述层状结构由玻璃纤维单向预浸料制成，其中基体为环氧树脂。6.根据权利要求1所述的一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：所述层状结构由上述预浸料堆叠而成，铺层顺序为[0
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]ns。7.根据权利要求1所述的一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：所述板簧本体与上端转向架和下端高频减震垫的连接方式为螺栓连接。8.如权利要求1所述的一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：板簧本体上下端与外部构件以及高频减震垫的接触面需添加垫板。9.根据权利要求1所述的一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：所述板簧的总成垂向刚度值为1000n/mm，误差为正负5％。10.根据权利要求1所述的一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，其特征在于：上部构架与板簧连接处螺栓装配方式为自下而上，下部高频减震垫与板簧连接处螺栓装配方式为自上而下。

技术总结
发明公开了一种列车转向架用整体结构复合材料板簧，该板簧可以同时满足减小空间占比，列车转向架的轻量化以及强度要求的复合材料板簧。板簧本体使用玻璃纤维增强复合材料，其刚度值为1000N/mm，误差为正负5％。板簧本体形状为椭圆形，宽度方向与轴箱内的轮轴轴向方向相同，厚度由椭圆的长轴与短轴顶点向中间逐渐递减。板簧本体两端设置有安装孔，通过螺栓连接的方式与上端转向架和下端高频减震垫以及轴箱。本发明中所用到的纤维复合材料密度相比于传统金属材料大幅缩小，显著减轻了转向架重量，达到了轻量化效果。同时，复合材料板簧本体形状呈椭圆形，厚度从左右两端向上下两端递减，上下两端内侧有V形凸起，外侧设为平面，变化具有连续性，可以大幅降低应力集中。可以大幅降低应力集中。可以大幅降低应力集中。


技术研发人员：胡军峰 王一帆 周殿买 刘兆金 张旭彤 张思祺
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2021.08.19
技术公布日：2021/10/15