用于轨道车辆的轮副和使用该轮副的轨道车辆

本发明涉及用于降低或防止扭转振动的方法和设备，尤其是涉及 降低或防止轨道车辆轮副中的这种振动。其进一步涉及包含这些设备 并且突破当前可用系统的限制用来提供防滑控制的轨道系统。

众所周知，在制动过程中，如火车或有轨电车等的轨道车辆的轮 轴中可能产生不良的力。在其它情况下，如当在湿的或具有油污的轨 道上行驶时，或如由于一个驱动器单元的故障而使负荷增加的情况下， 也可能导致轮轴的扭转振动。通常，当一对轮副的一个轮子与另一个 轮子以相反相位移动时会发生这样的振动，这时连接两个轮子的轮轴 作为扭转弹簧而以其基本模式摆动。增加轮轴的硬度可以降低这种影 响，但是在传动中，这会进一步带来由于在驱动火车上传送的负荷的 突然变化而引起的不良负荷。这些影响在现代轨道系统中尤其严重， 现代轨道系统的设计是在轮子与轨道之间的粘着力的极限下来工作 的。

对于该类型的振动，节点通常位于轮轴的中心点。当驱动机构 (drive)也位于轮轴的中心时，它不受到来自振动影响，但也不能被 用来影响振动。将驱动机构偏离中心放置可以对这些振动提供一定程 度的控制，并从而使其降低。在这种情况下，可以检测振动，并通过 适当的电机控制来抵消振动，这种电机控制的方式类似于在防抱死制 动系统中所使用的方式。然而，驱动机构在转向架或车辆构架上的结 构配置并不总是允许将驱动机构相对于轮轴偏离中心设置。在柴油机 单元中，目前这一高速的控制是不可能的，必须寻求其它方法来抵消 这些扭转振动。

作为这些不良扭转振动的结果，会失去相当多的性能。尤其是， 可能达不到所希望的加速度，尤其是当轨道条件不是很理想时，例如 在轨道线上有雪、树叶或油脂的情况。当驱动单元处于额外负荷的情 况下，这种影响十分重要。现在已经设计出了多种双驱动单元，这样， 在一个单元产生故障的情况下，火车可以用其它单元的动力下完成其 行程。在这样的条件下，已经发现，当驶过斜面时，可能发生由扭转 振动产生的粘着力损失。如果发生这种情况，火车可能会停止，因此 不能完成其行程而需要被拖走。类似地，在制动过程中，可能不能达 到最大的制动能力，因此必须维持较低的速度。轮轴自身也受到扭转 振动所引起的不良内部应力。

如果使用安装在轮子上的盘式制动器的构造，由于在这些情况下 轮副的惯性非常不利，所以问题变得特别严重。近期的测量表明，扭 转振动也会发生在具有安装在轮轴上的盘式制动器和中心驱动单元的 车辆中，而这些常常用于柴油驱动的车辆。通常，这些振动的频率值 在50Hz-120Hz的范围之间。

专利申请DE198566881号提出了一个解决轨道车辆轮副中扭转振 动问题的方案，其公开了一个不对称的复接轴(built axle)。通过使轮 轴的一半比另一半具有较大的惯性力矩，使得振动的节点从中点移开， 因此安装在中心的驱动机构可用来抵消任何的振动。然而，这种解决 方法不能用于当前的柴油驱动机构，也不能用于非驱动的轮轴 (non-driven axle)。

减震设备也为了其它目的而应用在轨道车辆轮副上。文件 DE19501613A号公开了一个减震元件的使用，减震元件连接到轨道车 辆轮子的法兰上。该设备用于在可听范围内高频振动，以抑制振动并 降低噪声。由于它相对较轻的构造，其不适于来降低整个轮副的扭转 振动，因为这需要与轮副自身质量成比例的一个大得多的质量体。

因此，需要提供一个改进的系统来降低轨道车辆轮轴中的振动。

根据本发明，提供用于轨道车辆的一对轮副，其包括通过轮轴连 接的一对轮子，并进一步包括一个减震设备，该减震设备包括弹性地 安装在轮副上的一个质量体，并用于以轮子/轮轴系统的扭转振动的谐 振频率进行振动。

从属权利要求公开了有助于减小所经受的扭转振动的轮副的更多 实施例。

本发明也提出一种方法，来防止或降低轨道车辆轮副中的扭转振 动，该轮辐包括由轮轴连接的一对轮子，本方法包括确定轮子/轮轴系 统扭转振动的谐振频率，弹性地在轮副上安装包括一个质量体的减震 设备，选择该质量体和其弹性装置使得以该谐振频率或接近该谐振频 率来振动。

为了增强减震装置的效果，应该最好将它们安装在振动运动振幅 最大的位置，即尽可能地远离振动节点。已经发现，把减震设备设置 在轮子的径向朝外的位置上，对于降低轮副在其基本频率上的不良振 动十分有利。

特别重要的是，在减震设备与轮副之间应存在适当的阻尼。如果 没有阻尼，该减震设备将在一个特定的、狭窄的频率范围上有效工作。 由于轮副的质量和惯性会随着轮子的磨损而改变，这样就会达到一种 情况，即在这种情况下扭转振动的固有频率超出这一狭窄的频带，因 此设备将不能有效减震。通过在系统中包含阻尼，增加了减震设备的 有效频带，从而允许减震设备在更宽的频率范围上有效工作，这一频 带范围覆盖了轮副各种情况之下的数值，例如轮子被极度磨损时。但 是，应该避免过分的阻尼，因为它会减小所吸收振动的总体振幅。

本发明的一个优选实施例利用制动盘的质量体作为减振装置。这 就不需要对轮副添加额外的质量体，既利用了现有的制动盘的高惯性 力矩，又利用了其到轮轴中点的振动节点的距离。该减震设备可包括 两个制动盘，它们位于轮子的任一侧，并由穿过轮子的弹性元件连接。 可选择地，两个制动盘可以由其它装置连接，如直接连接到轮子的螺 钉。在两个制动盘上也可以设置与轮子连接的一个表面，该表面具有 一个特定的摩擦系数来保证足够的阻尼。

根据本发明的这一个方面，制动盘被用作抵消振动的质量体。这 样，不需要更多的厚重构造元件。特殊的弹簧钢元件(如以弹簧套筒 的形式)为制动盘和轮子提供了必要的弹性连接。即使在有效制动 (active braking)的过程中，制动盘仍然可以抵消振动，这样，即使与 制动蹄连接，制动盘也可保持作为减震设备的功能。弹簧钢元件具有 选定的扭转硬度，连同制动盘的质量，可以得到在轮副的扭转频率处 的谐波频率。以这种方式，轮副的扭转振动通过制动盘的相反相位振 动而被防止。

根据本发明的一个替代实施例，减震设备可以包括一个金属环或 带有硫化橡胶层的环形段来连接到轮子上。优选地，该环设置在轮子 的径向靠外的部分，并可以夹具、螺钉、螺栓、粘合剂或其它装置来 连接。阻尼装置的旋转质量与橡胶的硬度相匹配，以符合轮轴的固有 频率。在该固有频率上，阻尼装置将以轮子振动的相反相位被激励， 因此防止了谐振效应的发生。

本发明的减震设备因而提供了一种简单和有效的装置来降低轨道 车辆轮副中的扭转振动。它结构简单、不需要能量供应和只需很少的 维护。它适应于现有的轮子，适合用于驱动的和非驱动的轮副。其相 对于驱动系统的独立性也允许驱动控制系统更好地应用于防滑控制， 因为这样的控制系统的操作参数不需要考虑稳定扭转振动。

现在通过示例并参考附图来描述本发明的一些实施例，其中：

图1是根据本发明的弹性安装有制动盘的一个轮子的截面图；

图2是用于制动盘的弹性装置并包括压缩套筒的一个替代配置的 截面图；

图2.1是图2中沿线A-A的截面图；

图3是用于制动盘的弹性装置的并利用中心套筒和弹簧板的另一 个替代配置的截面图；

图3.1是图3中沿线A-A的一个截面图；

图3.2是图3.1中沿线B-B的一个截面图；

图4是类似于图3中具有压制成形弹性装置的实施例的截面图；

图4.1是图4中沿线A-A的一个截面图；

图4.2是图4.1中沿线B-B的一个截面图；

图5是安装有环形段的橡胶形式的减震设备的另一个替代实施例 的视图；

图6是图5中沿线A-A的一个截面图；

图7是包括橡胶安装轮缘的减震设备的又一个替代实施例的截面 图；

图8是包括可移动的安装轮缘的减震设备的又一个替代实施例的 截面图；

图9是用于图8中设备的一个替代结构的截面图；

图10是表示一个弹性元件的图9中设备沿线10-10的局部视图； 和

图11是表示一个替代弹性元件的类似于图10的一个视图。

图1表示用于降低或防止轨道车辆轮副中扭转振动的一种配置。 该轮副包括刚性安装在轮轴17上的一对轮子1(其中示出了一个轮 子)。尽管名义上安装是刚性的，但根据本发明应该指出的是，轮轴受 到扭转力的影响，并会发生扭曲使得一个轮子相对于另一个轮子转动。 这些振动取决于轮副的结构和负荷的情况。

每个轮子包括一个轮毂部件18和大体为圆柱形轮缘7，在轮子轮 缘7与轮子轮毂18之间延伸的法兰15把二者隔开。在示出的实施例 中，轮子1被提供有两个环形的制动盘2，它们绕着轮轴在法兰15的 任何一个侧面上同心排列。在本发明的一个替代实施例中，也可以考 虑只在法兰15的一个侧面安装的单个制动盘。为了保证制动盘2能够 相对于轮子1振动，法兰15与制动盘2的相对表面之间的接触区域有 利地包括具有特定摩擦系数的预制表面3。通常该表面用于降低两个表 面之间的摩擦。预制表面3可以在法兰15或制动盘2上形成，或在二 者上面都提供，可以包括任何用于降低或增加摩擦的适当装置，或可 以包括在两个邻近表面之间的中间摩擦决定层(intermediate friction determining layer)。预制通常可包括抛光或涂镀。已经发现，PTFE的 涂层或中间层特别有效。

法兰15与制动盘2的相对表面之间的接触区域也用于提供阻尼。 阻尼量是由两个表面的摩擦系数和将两表面压在一起的力决定的。在 本例中，这一力可以随着应用制动而变化，使得圆盘2被更紧地压在 法兰15上。

两个制动盘2通过螺栓5连接在一起，螺栓5延伸穿过法兰15的 孔21。所附的图示出了穿过单个螺钉的截面，但可以理解的是，具有 多个孔21和相应的螺栓5，其排列优选是围绕轮轴17的同心圆。作为 一个示例，每个轮子可以使用八个螺栓5来保证制动盘足够紧固。在 以下的描述中，将只描述单个的螺栓组件。

螺栓5由适当的螺帽23来紧固。防止螺帽23松动的适当弹簧垫 圈19或其它装置被配置在螺帽23与制动盘2之间，以及配置在螺栓 头22与制动盘2之间。螺栓5的头22和螺帽23位于制动盘2的埋头 孔中，也可以使用其它连接元件得到同样的效果。尤其是，在只有一 个制动盘的情况下，螺栓5可由从法兰表面延伸出来的螺纹短轴来代 替。在这样的配置中，除了预制表面3，在螺帽23下面需要适当的降 低摩擦装置，以保证制动盘的自由运动。

弹簧套筒4围绕螺栓5，延伸穿过法兰15，进入制动盘2的埋头 孔20中。也可以使用其它弹性元件来替代弹簧套筒4，如卷曲的弹簧 钢垫片(coiled spring steel shim)。通过选择弹性元件的形状和材料特 性，可以选择扭转硬度，以便使之与制动盘2的质量体一起，获得给 定谐波频率的弹簧/质量体系统。这应该与轮副扭转振动的频率相匹配。 这样，当轮副发生扭转振动时，制动盘在其固有频率被激励，以相反 相位振动，因此降低或防止扭转振动的累积增大。

图2表示一个替代的减震设备的结构配置，其中相同的部件由相 同的附图标记来表示。对于图3到11所描述的实施例也是如此。

图2示出了制动盘2，仍然配置为一个减震设备。制动盘2的质量 体被弹簧套筒4弹性安装在轮子1的法兰15上。在轮子的法兰15内， 弹簧套筒4被配置在孔21的周围。在制动盘2内，弹簧套筒4的末端 延伸到制动盘内的椭圆或卵形的埋头孔20′中，如同在图2.1中可以看 到的。从该图可以看到，弹簧套筒与制动盘2中的孔的径向朝外的表 面接触。在冷却的条件下，在椭圆埋头孔20的径向内表面与弹簧套筒 4之间存在一个小缝隙24。下面将讨论该椭圆埋头孔实施例的功能与 优点。

根据图2.1，弹簧套筒4被提供有一个纵向槽25，用作对弹簧移动 的限制。当制动盘相对于轮子1移动时，一旦槽25关闭，其路径基本 上被限制。这用于防止圆盘的过分移动，如在大力的制动过程中。再 者，弹簧套筒4的精确硬度是由套筒4的壁厚和其直径定义的。

为了考虑制动盘2由于制动过程中产生热量而引起的热膨胀，径 向方向的运动必须是自由的。这是通过制动盘2中的椭圆或椭圆形状 的埋头孔20′来实现的。这些孔20的偏心距“a”允许制动盘毫无问题 地膨胀到一个距离“a”。制动盘2相对于轮子1的中心定位是通过将 弹簧套筒4同心配置在轮子1的法兰15周围而达到。缝隙“a”朝向 轮子轮毂18一致地设置。

根据图2中的实施例，设置了压缩套筒6以增进制动盘2相对于 轮子1的自由移动。适当地选择压缩套筒6的长度，使得螺栓5的预 应力的较大部分通过制动盘2的接触表面和轮子法兰15。这样选择作 用于制动盘2与轮子法兰15之间的合力，使得不会防碍减震设备(即 制动盘2)的自由振动。该实施例还具有一个优点，即改善了从制动盘 2到轮子法兰15的热传递。尽管制动盘2到法兰15可以自由连接，但 制动过程中制动盘2产生的热量可以通过压缩套筒6向法兰15传递。 根据该配置，压缩套筒6与螺栓5的张力一起保证了两个制动盘同相 振动。另外，在制动的操作过程中，也保证了减震设备的功能，因为 圆盘2上的制动蹄所施加的制动力从一个圆盘2通过压缩套筒6被传 递到另一个圆盘，由此，制动盘2保持可以自由振动。

在图2的配置的一个替代中，压缩套筒6可以配置为紧靠着制动 盘2的埋头孔20内适当形成的阶梯表面(未示出)，由此，压缩套筒6 可以基本上承受螺栓5的预负荷的全部力和在制动过程中制动蹄所施 加的任何合力。

根据图3的实施例，公开了弹性元件的一种替代形式。弹簧套筒4 包括椭圆的中心套筒4a与大体是矩形的弹簧板4b的结合。中心套筒 4a用于在贯穿法兰15的孔21中定位。弹簧板4b与制动盘2中适当形 成的凹处连接。弹簧板4b的大体在径向上的相对边缘被向上弯曲，以 在切线方向上提供与圆盘和法兰的相对运动相反的弹性偏压。也可以 采用其它形状的弹簧板，包括对应于制动盘的形状的梯形或弧形板。

弹簧套筒4优选用热配合零件来制造，这样，中心套筒4a在插入 到预回火弹簧板4b的孔中之前被冷却。在对中心套筒4a加热时，它 会膨胀使得紧紧把两个元件粘合在一起。这样的连接是一种优选方式， 因为对弹簧板4b的任何加热(如焊接)对其弹性特征是有害的。

弹性元件的又一个替代形式在图4中公开。该实施例基本上类似 于图3中的实施例，但是它是在获得期望弹性特征所要求的热处理之 前，通过冲压、机器压制或类似方法被制成单个工件。

图3和4都示出了安装在法兰的一个侧面上的孔中的单个弹性元 件。可以想象，弹性元件可以被配置在轮子法兰的内表面和外表面上 交替的每个孔中。但是，也可能的是，每个孔上提供有两个弹性元件4， 其每个从法兰的各自侧面插入。

图5和6示出了一种用于轨道车辆轮副的减震设备的替代实施例。 如同在图1至4中的实施例，轨道轮子1包括轮缘7、轮毂18和在轮 缘7与轮毂18之间延伸的法兰15。制动盘2按照通常的方式被安装在 轮子1的法兰15上。在该实施例中，制动盘2对于减震不起作用(管 它们是轮副惯性质量的一体部分)，其可以采用任何适当的形式，或完 全被省略。这一配置对于那些在轮轴上安装制动装置的结构特别有利。

靠近轮缘7的内表面提供了一个环形圈33。该环形圈33优选是由 特定高质量的金属(如铁或铅)制成，以增大其相对于轮轴17的惯性 质量。也可以考虑包括合成物和合金的其它足够重的替代物。环形圈 在其周围外表面上提供有弹性橡胶层32。橡胶层32接着连接到轮缘7 的内表面，这样，环形圈33可以相对于轮缘7振动。可以使用各种装 置将橡胶层连接到轮缘7和环形圈33，包括硫化、粘合剂、焊接或如 螺栓或夹具的机械固定装置，所有这些应该确保轮缘7与环形圈33之 间的连接承受到橡胶层32的弹力。也可以设计对环形圈33提供弹力 支撑的其它方法，包括弹簧钢夹子或垫片，便于环形圈33在圆周方向 上相对于轮子1振动。这些方法还可以与另外的装置结合，如上述图1 至4的预制表面3，来保证必需的阻尼。

如同在上述实施例中，橡胶层32或其它弹性装置应该根据环形圈 的惯性质量来选择，以匹配轮副扭转振动的谐波频率。根据本发明的 橡胶层32提供了弹簧和阻尼器(damper)的双重功能。这样的配置可 以在大范围的频率上提供有效的减震。根据图5中的实施例，环形圈 33包括通过螺栓35连接在一起的多个区段。这样的配置使得可以方便 地安装在现有轮副上。也可以采用如销或螺钉的其它连接装置，环形 圈33也可形成为具有一个或多个链接的一个链。

也可以考虑在轮子本身上设置弹性装置，使得轮子的全部或部分 可以相对于轮轴旋转。可以考虑在一个配置中，将轮子的外轮缘通过 弹性装置被安装到轮子的其余部分，这采用适当校准的弹性装置，如 环状橡胶轮缘。该配置具有的优点是，轮子轮缘既具有相当的质量， 又位于轮副振动的最大振幅的点处。

图7公开了这样一种带有法兰15的轮子1的配置。轮缘7提供有 内表面42，内表面42具有隆起的环状突起45。它由具有相应形状的 区域来接纳，该相应形状的区域是由法兰15与螺栓50所固定的锁紧 环44的外围的支撑元件43来形成的，从而形成企口结合连接。可选 择地，也可以反过来，使凹槽形成在轮缘的内表面42，而隆起形成在 支撑元件43上。在该实施例中，设置轮子轮缘7，使其相对于轮子的 其余部分弹性安装。对于这种效果，橡胶带或胎41被提供在轮缘7的 内表面42与支撑元件43之间。胎41优选通过粘合剂、硫化等被连接 到轮缘7和支撑元件43上。可选择地，连接处可以只依靠橡胶与邻近 的表面之间的摩擦来将力从轮子传递到轮缘。

通过仔细选择相对于轮副其余部分的弹性安装轮缘7的质量，并 通过适当设计橡胶胎41的尺寸，可以得到轮缘/胎的一个振动特征，以 提供所需要的必要减震，来降低或消除轮副中的扭转振动。作为降低 不良扭转振动的结果，可以为轮副提供更好地降低轮子打滑的驱动系 统与驱动控制，这是通过避免那些其它系统所需要的与扭转振动有关 的控制参数来实现的。

尽管上述实施例示出了同时在径向与圆周方向提供弹力的橡胶胎 41，需指出的是，为了降低扭转振动，圆周方向上的弹力才是重要的。 根据图8的实施例，示出了一个类似的配置，其中这样安装外部轮缘， 使它自由地相对于法兰旋转。外部轮缘的内表面42与支撑元件43之 间的接触区域是以与图1到4中预制表面3相似的方式提供的一个预 制表面。圆周作用的弹性元件被设置在各自的部件之间，这样，轮缘7 可以相对于支撑元件43振动，支撑元件43具有由预制表面的摩擦提 供的必要的阻尼。和橡胶安装轮缘相比，这种配置的优势是，它使轮 子轮缘不受额外弯曲应力的影响，这种应力长时间可导致疲劳和轮子 损坏。该配置还增加了驱动列车的整体弹性，降低了从轮子传递到驱 动器的突然震动。

图9示出了弹性安装轮缘的一个替代配置，它不需要附加的锁紧 环。在本实施例中，在轮缘7的邻近表面与支撑元件43之间，以及与 固定螺栓50提供的垫圈51之间发生相对运动。这些表面的任何一个 或全部可以适当地提供有摩擦决定或降低装置。为了允许轮缘7相对 于轮子的其余部分旋转，它被提供有以圆周方向定向的延长或椭圆的 孔52，固定螺栓50插入其中。

图10表示位于轮缘7与支撑元件43之间的弹性元件53的一个示 例。它包括一个椭圆的弹簧钢套筒，插入到具有相应形状的椭圆凹处 54中，凹处54部分地形成在轮缘7上，部分地形成在支撑元件43上。 凹处54可以从轮子的外表面接近和看到，可在圆周周围设置若干弹性 元件53和凹处54。可选择地，这样的弹性元件可以设置在图8中的隆 起与槽状元件之间，用锁紧环44锁定。

图11示出了使用螺旋状弹簧55的替代配置，该螺旋状弹簧接纳 在具有相应形状的圆柱形凹处54中，该圆柱形凹处形成于轮缘7与支 撑元件43之间。也可以使用其它形状的弹性元件，如图2到4中的拼 合弹簧(split spring)或弹簧板，或其它适当的弹性装置，如橡胶或人 造弹性块来提供必要的弹力。

尽管本发明对安装在轮子上的减震设备作了说明，需指出的是， 这样的装置可以同样被安装在轮轴自身上。尤其是，对于在轮轴上安 装制动盘的情况，制动盘是通过适当的弹性阻尼器系统弹性安装到轮 轴上，使得制动盘的全部或部分质量用于对轮轴上的振动减震。