第六章车辆悬挂装置

第六章车辆悬挂装置第1页，共26页，2023年，2月20日，星期三悬挂装置的作用：

在车体和转向架上作用着各种载荷，其中的垂直载荷包括车辆自重、载重；横向载荷包括风力、离心力；纵向载荷包括牵引力和制动力。此外，还有因车辆振动和线路不平顺引起的各种动载荷，其中包括轮轨之间的作用力等。这些力要通过车辆悬挂装置来传递，并使之得到缓和及衰减。

由此可见，悬挂装置的作用性能对于保证车辆运行的平稳性和安全性具有十分重要的意义。

车辆的运行性能主要决定于悬挂装置中如弹簧和各种弹性元件、减振器、弹性支承以及各种拉杆、定位装置等结构型式的选择是否合理，其设计参数是否选用恰当。第2页，共26页，2023年，2月20日，星期三

对车辆悬挂装置设计的基本要求：

减小振动、抑制蛇行运动、保证运行安全和有利于通过曲线等；此外，悬挂装置的结构型式还应尽可能满足检修、制造，使用耐久可靠，成本低和通用性好等方面的要求。

本章内容:

包括弹簧装置设计参数的确定及有关计算方法，车辆上应用的橡胶元件和空气弹簧的结构及设计，对减振器的设计计算以及轴箱定位装置结构也分别作了介绍．

第3页，共26页，2023年，2月20日，星期三第一节弹簧装置参数的确定

本节内容包括弹簧静挠度的确定、弹簧挠度比的合理分配和螺旋圆弹簧的横向刚度与应力计算.一、弹簧静挠度的确定1.基本原则:

选择柔软的弹簧装置，加大弹簧静挠度，可降低车体自振频率和运行中的振动加速度，以及减小轮轨之间的动作用力。所以增大弹簧静挠度是设计转向架选取参数时的基本原则之一。第4页，共26页，2023年，2月20日，星期三2.钢弹簧静挠度的加大受到如下各种条件的限制：

１)车钩高度的变化

为了保证列车安全运行，要求相邻两节车辆的车钩高度差不超过一定的限度。我国铁路技术管理规程规定：车钩中心线水平面距轨面高度必须符合一定的要求，否则将引起车辆之间的连挂困难，甚至酿成事故。第5页，共26页，2023年，2月20日，星期三２)空间结构位置

弹簧装置在与转向架其它部分发生联系的同时，也受到约束。例如要加大螺旋弹簧的静挠度，必然要设法加大弹簧的上、下支承面之间的距离。以中央弹簧为例，比较202型、209型与UD型三种客车转向架的结构可以看出，202型转向架中央弹簧在构架侧梁下边，所以提高中央弹簧上支承面会受到构架侧梁的限制。然而UD型与209型转向架均采用外侧悬挂。中央弹簧位于构架测梁的外侧，使提高弹簧上支承面不受构架测梁的限制。所以UD型和209型转向架与202型相比，中央弹簧静挠度都增加了30多毫米。但如再想提高挠度值，又受到了上方车体外廓的限制。所以增加弹簧静挠度要受到空间结构位置的限制，限制的程度又因转向架结构形式而异。

第6页，共26页，2023年，2月20日，星期三３)弹簧材料强度和规格

螺旋弹簧的静挠度计算公式：第7页，共26页，2023年，2月20日，星期三

由上式可见，设计弹簧时，在m、η、G一定的条件下，要增加弹簧挠度可用增大n、Ｄ和采用高强度的合金弹簧钢而使〔τ〕增加的方法。但增加ｎ将使弹簧自由高增加，这受到稳定性的限制，一般要求弹簧自由高与平均直径之比不超过3.5。增大Ｄ则受到空间位置大小的限制。当上述数值取定时，弹簧挠度就受到〔τ〕的限制。

此外，设计大静挠度的弹簧，要求用直径粗的和簧条长的弹簧钢材，这也受到产品规格的限制，不能任意选择。第8页，共26页，2023年，2月20日，星期三４)车体在簧上的侧滚偏转角

为了减小车体倾斜，弹簧静挠度不能过大。虽然用加大弹簧的横向间距或采用抗侧滚稳定器可以相应地放宽一些这种限制，但这种放宽量总是有一定限度的。

５)基础制动等装置的悬挂位置

加大弹簧静挠度通常将导致空重车下的挠度差增大，使安装于车体及转向架上的基础制动装置、电机传动装置距轨面的高度变化也会加大，这样对这些装置的工作条件不利。为保证这些装置的正常工作，就要求限制弹簧静挠度的增加。

第9页，共26页，2023年，2月20日，星期三

尽管受到上述各种条件的限制，但加大弹簧静挠度仍是长期以来的发展趋势。表６—1和表６—2分别列出了我国部分货车、客车转向架及几种国外高速客车转向架的弹簧静挠度和挠度比等参数值。表６—1第10页，共26页，2023年，2月20日，星期三几种国外高速客车转向架的弹簧悬挂柔度值表６—2第11页，共26页，2023年，2月20日，星期三二、弹簧挠度比的合理分配1.原因:从第二章所述的振动理论可知，对于两系弹簧装置来说，在确定总静挠度的同时还必须合理地确定静挠度在两系弹簧之间的分配比。某些试验表明，静挠度的分配比例对平稳性的影响在速度超过100公里／时时就已突出地表现出来。2.考虑因素:

确定挠度比时要考虑的主要因素是对平稳性与稳定性的影响、结构空间位置的可能性和合理性等。3.确定方法:绕度比除了靠理论方法确定外，还需经过实际试验验证其结果是否合理，而后者仍是目前的主要手段。部分国内外转向架采用的弹簧挠度比的情况参见表６—1和表６一2。

第12页，共26页，2023年，2月20日，星期三三、螺旋圆弹簧的横向刚度与应力计算

前言:螺旋弹簧横向弹性作用:利用螺旋弹簧的横向弹性来代替吊杆的作用，研制成功了无摇动台的新型高速客车转向架。这种转向架具有结构简单、重量轻、维修方便等突出优点。设计要求:这种结构的中央弹簧同时承受垂直与横向的作用力。在这种情况下要求充分发挥它在横向力作用下产生横向变形的能力，为此，在设计这种结构的转向架时，需要进行螺旋圆弹簧的横向刚度、横向弹性稳定性和附加应力的计算。第13页，共26页，2023年，2月20日，星期三螺旋圆弹簧的横向刚度计算

螺旋弹簧的一般计算简图如图６—ｌ（ａ）所示。设在垂直载荷Ｐ和横向力Ｑ作用下，螺旋弹簧的上、下支承面在运动过程中平行移动，见图６—（ｂ）。第14页，共26页，2023年，2月20日，星期三挠度比公式：

（6-3）

第15页，共26页，2023年，2月20日，星期三２．螺旋圆弹簧横向稳定性的计算为了能充分利用弹簧的横向特性，通常将它设计成细而高。但要注意保证弹簧具有必要的横向弹性稳定性。螺旋圆弹簧横向弹性稳定性条件如下：（6-4）第16页，共26页，2023年，2月20日，星期三３．螺旋圆弹簧的应力计算

1)考虑簧条的曲率影响在垂直载荷Ｐ作用下，考虑到簧条的曲率影响时，簧条内侧的剪切应力τ的计算公式为：式中τ。——不计簧条的曲率影响时的剪切应力；k1——曲率修正系数，其值为：

其中m——弹簧指数，为圆簧平均直径Ｄ与簧条直径ｄ的比值。第17页，共26页，2023年，2月20日，星期三考虑P力偏心作用原因:由于螺旋弹簧的两个端部不是整圈接触，所以垂直载荷P并非沿着弹簧的几何中心线而是偏心作用的。在这种情况下，将使簧条的剪切应力增高。考虑P力偏心作用时，簧条内侧的剪切应力τ2计算公式为:k2——偏心修正系数，可由下式确定；

其中ｎ——螺旋弹簧有效圈数。(6-6)第18页，共26页，2023年，2月20日，星期三3)考虑横向载荷Ｑ作用在弹簧端部同时作用有横向载荷Ｑ的情况下，除垂直载荷Ｐ产生的剪切应力τ2外，还有附加剪切应力。弹簧的最大应力值位于端部簧圈的内侧，其值τ3的计算公式为：k3——附加应力系数。(6-7)(6-8)（6-9）由于弹簧的横向挠曲所产生的附加应力数值比较大，所以利用其横向弹性的螺旋弹簧必须考虑这个因素，须把弹簧的横向挠度限制在应力状态允许的范围内，以保证弹簧具有足够的强度。第19页，共26页，2023年，2月20日，星期三4)减小螺旋弹簧横向刚度的办法:

螺旋弹簧本身横向刚度较大，在满足强度和稳定性要求的前提下，要获得如长吊杆那么柔软的横向弹性特性比较困难。如果在螺旋弹簧的两端或一端加装橡胶元件，则可以利用由于橡胶元件本身的剪切变形，而使弹簧悬挂系统的横向刚度显著地减小，以满足横向柔度的要求。第20页，共26页，2023年，2月20日，星期三第21页，共26页，2023年，2月20日，星期三第22页，共26页，2023年，2月20日，星期三第23页，共26页，2023年，2月20日，星期三第24页，共26页，2023年，2月20日，星期三第25页，共26页，2023年，2月20日，星期三计算结果分析:

上述计算表明，外圈弹簧的剪切应力τ31已大大超过许用应力(7.5千巴)，所以该弹簧的设计不能满足强度要求。从计算的数值可见，由横向力所产生的附加应力是很显著的。其附加应力比纯垂直载荷作用下的剪切应力，在本计算中