技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
锥形弹簧及其变刚度和安装调节方法，属于轨道车辆弹性减震技术领域。
背景技术
[0002] 锥形弹簧又称为
轴箱弹簧，主要指在车辆上金属与
橡胶结合的具有减振作用的弹簧。锥形弹簧是安装在轨道车辆轴箱和构架之间起
支撑、减震降噪的作用，是常用的一种橡胶金属复合的减振降噪元件，安装在车辆
一系悬挂和
二系悬挂的车体上，主要作用为承受车体和构架的
载荷。采用锥形金属件与橡胶通过胶黏剂在一定的
温度和压
力下硫
化成一个整体，其作用是利用硫化橡胶起减振、降噪作用，金属件起支承和安装
接口。
[0003] 随着车辆技术的发展，特别是城轨、地
铁和低地板车技术的发展，锥形弹簧为了更好地满足保证车辆的动力学要求和安全性，要求锥形弹簧垂向刚度有变刚度，且不能出现垂向刚度出现反 S 曲线现象。垂向刚度出现反 S 曲线是由于橡胶材料的压缩特性且在结构上橡胶体没有采用消除反S曲线的结构设计，空载时锥形弹簧垂向变刚度太小，而车辆加载时，尤其是在最大垂向载荷下，需要锥形弹簧的橡胶部分能提供足够大的垂直刚度，并实现理想的变刚度，但现有的锥形弹簧又无法提供大变刚度，因此无法实现理想的变刚度，刚度曲线呈现反“S”现象 ；具有反“S”曲线的锥形弹簧 ，在空载下刚度比较大，有造成车辆
脱轨的
风险。又由于锥形弹簧是金属与橡胶硫化而成的整体，不能拆开也不方便进行局部修复，因而锥形弹簧是终身免维修的产品。随着车辆技术的发展，其疲劳载荷也越来越苛刻，对疲劳性能的要求越来越严，产品在垂向载荷下，上下部的橡胶型面容易出现“褶皱”
变形，形成
应力集中，且产品的垂向载荷完全由橡胶承担，应力和应变都较大， 最终由于橡胶疲劳导致橡胶开裂。这就需要一种既可调节变刚度，同时又能防止使用时出现褶皱的锥形弹簧来满足上述要求。
[0004] 通过国内检索发现相关的
专利文献有：1、CN104864009A，一种锥形弹簧大幅度变刚度的方法及产品；
2、CN106949181A,一种采用喇叭口式隔板的锥形弹簧及减振方法；
3、CN101275614B, 种垂向变刚度的一系橡胶金属层叠弹簧；
4、 CN105526291A, 一种复合橡胶止挡及其组装方法。
[0005]
现有技术中虽然出现了解决整体垂向变刚度出现反 S 曲线，能实现能进行多次刚度变化的锥形弹簧，但为了满足不同承载工况下锥形弹簧的变刚度需求，现有技术中对锥形弹簧的变刚度调节功能还有待提一步提高，本发明正是通过对锥形弹簧的结构进行改进，实现对锥形弹簧的变刚度的有效调节，以满足不同承载工况下锥形弹簧的变刚度需求。
发明内容
[0006] 本发明提供的锥形弹簧及其变刚度和安装调节方法，实现对锥形弹簧变刚度的有效调节，满足不同承载工况下锥形弹簧的变刚度需求，提高锥形弹簧的变刚度可调节功能，提高锥形弹簧的可靠性、工况适用性和实用性。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：锥形弹簧，包括芯轴、设置在芯轴外周的外套、设于芯轴与外套之间隔层和将芯轴、外套和隔层硫化粘结成一体的橡胶体，其特征在于所述的芯轴上可拆卸的安装沿径向凸出的环形
凸块，所述的环形凸块位于橡胶体靠近芯轴侧的最下层外型面的正下方，且与最下层外型面同轴对齐，环形凸块的外径小于最内层的隔层的最大内径，环形凸块与最下层外型面间的轴向间距可调，且环形凸块的数量可调。
[0008] 优选的，所述的芯轴包括与橡胶层硫化粘结的上半段和下半段，所述的上半段呈锥形，下半段呈圆柱形，环形凸块装在下半段上。
[0009] 优选的，所述的上半段的直径大于下半段的直径，在上半段和下半段之间形成台阶平面，台阶平面与环形凸块轴向限位配合。
[0010] 优选的，所述的下半段为外
螺纹杆，环形凸块具有与下半段
外螺纹配合的
内螺纹，环形凸块通过螺纹配合装在下半段上。
[0011] 优选的，所述的环形凸块与台阶平面间夹有垫环，所述的垫环的直径小于或等于台阶平面的直径。
[0012] 优选的，所述的下半段上可同轴叠装多个环形凸块。
[0013] 优选的，所述的最下层外型面包括从下至上依次连接的底斜面、中间面和上凹面，相邻的面之间通过圆
角平滑过渡，所述的底斜面和中间面均为平面，底斜面与芯轴径向的夹角小于90度，中间面与底斜面的夹角大于90度，上凹面为向上凹进的凹弧面。
[0014] 优选的，所述的环形凸块的外径不小于底斜面的最大直径，底斜面的径向宽度为最下层外型面的径向宽度的1/3 1/2。~
[0015] 以上所述的锥形弹簧的变刚度和安装调节方法，其特征在于根据锥形弹簧的轴向承载需求，调节环形凸块与最下层外型面间的轴向间距、最下层外型面的形状和环形凸块的径向厚度，从而调节锥形弹簧轴向承载过程中的变刚度拐点和非线性刚度，根据锥形弹簧的安装需求，调节环形凸块的数量和轴向厚度。
[0016] 优选的，“调节环形凸块与最下层外型面间的轴向间距”是指调节所述的垫环的轴向厚度及个数，“调节最下层外型面的形状”是指调节底斜面、中间面和上凹面的形状、径向及轴向长度。
[0017] 发明的有益效果是：1、本发明中芯轴上可拆卸的安装沿径向凸出的环形凸块，通过环形凸块与橡胶层的最下层外型面间的
接触实现轴向变刚度，通过调节环形凸块与最下层外型面间的轴向距离 ，调节产生变刚度拐点的轴向变形位移，通过调节最下层外型面的形状和环形凸块的径向厚度，调节变刚度拐点时最下层型面与环形凸块的接触面积，从而调节变刚度拐点时芯轴的轴向受力，以实现对变刚度拐点的调节，并且通过调节最下层外型面的形状和环形凸块的径向厚度，也可以调节产生变刚度拐点后最下层型面与环形凸块的接触面积，从而调节变刚度拐点后的非线性刚度，以实现对锥形弹簧变刚度的有效调节，满足不同承载工况下锥形弹簧的变刚度需求，提高锥形弹簧的变刚度可调节功能，提高锥形弹簧的可靠性、工况适用性和实用性。
[0018] 2、本发明中环形凸块的数量可调，调节芯轴上环形凸块的数量，使环形凸块的叠层轴向高度满足安装需求，锥形弹簧安装的便性于和实用性更高。
[0019] 3、将芯轴的下半段设置为螺纹杆，并在上半段和下半段之间设计台阶平面，环形凸块与芯轴的下半段螺纹配合便于拆装和数量调整，台阶平面对环形凸块的轴向
位置进行有效限位，防止使用过程中环形凸块沿轴向向上移动，改变环形凸块与最下层型面间的轴向间距，提高维形弹簧变刚度调整的可靠性，锥形弹簧的结构
稳定性和可靠性更高，在环形凸块和台阶平面间夹垫不同数量的垫环便可实现对环形凸块轴向位置的调节，锥形弹簧的结构简单，环形凸块的位置和数量调节简易。
[0020] 4、将最下层外型面设计为包括底斜面、中间面和上凹面，底斜面与芯轴径向的夹角小于90度，中间面与底斜面的夹角大于90度，环形凸块的外径不小于底斜面的最大直径，保证轴向载荷下最下层外型面与环形凸块逐渐贴合接触，径向载荷下最下层外型面向外逐渐鼓出，有效防止型面打折起皱，提高橡胶层的疲劳寿命，从而提高锥型弹簧的使用可靠性。
附图说明
[0021] 图1为具体实施方式中锥形弹簧的结构示意图。
[0022] 图2为芯轴的结构示意图。
[0023] 图3为图1的局部放大图。
[0024] 图4为锥形弹簧在轴向承载过程中的变刚度曲线图。
具体实施方式
[0025] 下面结合图1至图 4对本发明的
实施例做详细说明。
[0026] 锥形弹簧，包括芯轴1、设置在芯轴1外周的外套2、设于芯轴1与外套2之间隔层3和将芯轴1、外套2和隔层3硫化粘结成一体的橡胶体4，其特征在于所述的芯轴1上可拆卸的安装沿径向凸出的环形凸块5，所述的环形凸块5位于橡胶体4靠近芯轴侧的最下层外型面41的正下方，且与最下层外型面41同轴对齐，环形凸块5的外径小于最内层的隔层3的最大内径，环形凸块5与最下层外型面41间的轴向间距可调，且环形凸块5的数量可调。
[0027] 以上所述的锥形弹簧中芯轴1上可拆卸的安装沿径向凸出的环形凸块5，通过环形凸块与橡胶层的最下层外型面间的接触实现轴向变刚度，通过调节环形凸块5与最下层外型面41间的轴向距离 ，调节产生变刚度拐点的轴向变形位移，通过调节最下层外型面41的形状和环形凸块5的径向厚度，调节变刚度拐点时最下层型面41与环形凸块5的接触面积，从而调节变刚度拐点时芯轴的轴向受力，以实现对变刚度拐点的调节，并且通过调节最下层外型面41的形状和环形凸块5的径向厚度，也可以调节产生变刚度拐点后最下层型面与环形凸块的接触面积，从而调节变刚度拐点后的非线性刚度，以实现对锥形弹簧变刚度的有效调节，满足不同承载工况下锥形弹簧的变刚度需求，提高锥形弹簧的变刚度可调节功能，提高锥形弹簧的可靠性、工况适用性和实用性。
[0028] 其中，所述的芯轴1包括与橡胶层4硫化粘结的上半段11和下半段12，所述的上半段11呈锥形，下半段12呈圆柱形，环形凸块5装在下半段12上。上半段11与橡胶层4粘结，下半段12用于安装环形凸块，并通过下半段12与上半段11之间结构设计实现环形凸块5轴向位置的便利调节。
[0029] 其中，所述的上半段11的直径大于下半段12的直径，在上半段11和下半段12之间形成台阶平面13，台阶平面13与环形凸块5轴向限位配合。通过台阶平面13对环形凸块5安装后的轴向位置进行有效限定，防止环形凸块5在使用过程中向上移动，改变环形凸块5与最下层型面41间的轴向间距，提高维形弹簧变刚度调整的可靠性。
[0030] 其中，所述的下半段12为外螺纹杆，环形凸块5具有与下半段12外螺纹配合的内螺纹，环形凸块5通过螺纹配合装在下半段12上。螺纹配合的连接方式方便环形凸块5的拆装和数量调整，又方便环形凸块5的
锁紧固定，提高变刚度调节的便利性。
[0031] 其中，所述的环形凸块5与台阶平面13间夹有垫环6，所述的垫环6的直径小于或等于台阶平面13的直径。在环形凸块5和台阶平面13间夹垫不同数量的垫环便可实现对环形凸块轴向位置的调节。
[0032] 其中，所述的下半段12上可同轴叠装多个环形凸块5，保证环形凸块5的叠层轴向高度可调节。
[0033] 其中，所述的最下层外型面41包括从下至上依次连接的底斜面41.1、中间面41.2和上凹面41.3，相邻的面之间通过圆角平滑过渡，所述的底斜面41.1和中间面41.2均为平面，底斜面41.1与芯轴1径向的夹角小于90度，中间面41.2与底斜面41.1的夹角大于90度，上凹面41.3为向上凹进的凹弧面。保证轴向载荷下最下层外型面与环形凸块逐渐贴合接触，径向载荷下最下层外型面向外逐渐鼓出，有效防止型面打折起皱，提高橡胶层的疲劳寿命，从而提高锥型弹簧的使用可靠性。
[0034] 其中，所述的环形凸块5的外径不小于底斜面41.1的最大直径，保证变刚度拐点后，底斜面41.1与环形凸块5的接触面积逐渐增大，提高锥形弹簧的非线性刚度特性。底斜面41.1的径向宽度为最下层外型面41的径向宽度的1/3 1/2。保证最下层外型面41与环形~凸块5具有足够的接触面积，进一步提高锥形弹簧的非线性刚度特性。
[0035] 本发明还保证以上所述的锥形弹簧的变刚度和安装调节方法，其特征在于根据锥形弹簧的轴向承载需求，调节环形凸块5与最下层外型面41间的轴向间距、最下层外型面41的形状和环形凸块5的径向厚度，从而调节锥形弹簧轴向承载过程中的变刚度拐点和非线性刚度，根据锥形弹簧的安装需求，调节环形凸块5的数量和轴向厚度。
[0036] 以上所述的锥形弹簧通过环形凸块5与橡胶层的最下层外型面41间的接触实现轴向变刚度，通过调节环形凸块5与最下层外型面41间的轴向距离 ，调节产生变刚度拐点的轴向变形位移，即调节图4中变刚度曲线L1中变刚度拐点S1的横坐标或变刚度曲线L2中变刚度拐点S2的横坐标，通过调节最下层外型面41的形状和环形凸块5的径向厚度，调节变刚度拐点时最下层型面41与环形凸块5的接触面积，从而调节变刚度拐点时芯轴的轴向受力，即调节图4中变刚度曲线L1中变刚度拐点S1的纵坐标或变刚度曲线L2中变刚度拐点S2的纵坐标，以实现对变刚度拐点的调节，并且通过调节最下层外型面41的形状和环形凸块5的径向厚度，也可以调节产生变刚度拐点后最下层型面与环形凸块的接触面积，从而调节变刚度拐点后的非线性刚度，即调节图4中变刚度曲线L1中变刚度拐点S1后的非线性刚度曲线中的纵坐标或变刚度曲线L2中变刚度拐点S2后的非线性刚度曲线中的纵坐标，以实现对锥形弹簧变刚度的有效调节，满足不同承载工况下，锥形弹簧的变刚度需求，提高锥形弹簧的变刚度可调节功能，例如可以根据承载过程中的变刚度需求，将锥形弹簧的变刚度曲线从图4中的变刚度曲线L1调节成变刚度曲线L2，提高锥形弹簧的可靠性、工况适用性和实用性。
[0037] 其中，“调节环形凸块5与最下层外型面41间的轴向间距”是指调节所述的垫环6的轴向厚度及个数，即在环形凸块5和台阶平面13间夹垫不同数量的垫环便可实现对环形凸块轴向位置的调节，“调节最下层外型面41的形状”是指调节底斜面41.1、中间面41.2和上凹面41.3的形状、径向及轴向长度，即实现最下层型面41与环形凸块5的接触面积的调节。
[0038] 以上结合附图对本发明的实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
