本發(fā)明涉及一種扭桿，具體涉及一種能在確?？箯潉偠?、抗剪剛度、抗扭剛度和實(shí)際安裝尺寸的前提下能大幅度節(jié)約耗材的扭桿。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有軌道車(chē)輛用抗側(cè)滾扭桿主要有直扭桿和彎扭桿兩種結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)均采用實(shí)心扭桿軸。同樣結(jié)構(gòu)和剛度條件下，一般實(shí)心扭桿軸較空心扭桿軸的重量要高得多，對(duì)應(yīng)的材料成本也會(huì)同樣較高。

本發(fā)明提出了一種軌道車(chē)輛用空心抗側(cè)滾扭桿，主要是將扭桿軸由原來(lái)的實(shí)心軸結(jié)構(gòu)改為空心管式結(jié)構(gòu)，大幅減少扭桿軸的重量，為軌道車(chē)輛用抗側(cè)滾扭桿輕量化提供技術(shù)方向，同樣大幅降低扭桿軸的材料成本。

近幾年來(lái)，隨著軌道交通運(yùn)行速度和舒適性的要求越來(lái)越高，對(duì)軌道交通運(yùn)行性能和行車(chē)安全至關(guān)重要的轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行穩(wěn)定性。在提倡節(jié)能減排，環(huán)境保護(hù)的大背景下，車(chē)輛的部件輕量化已經(jīng)是軌道交通行業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)，輕量化、低噪聲、高可靠性、易維護(hù)等要求也越來(lái)越高。由于扭桿軸是抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，在輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般不會(huì)對(duì)扭桿軸材料進(jìn)行變更，只能對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

目前常見(jiàn)的是采用變截面設(shè)計(jì)，即應(yīng)力大的區(qū)域采用材料多的大截面，應(yīng)力小的區(qū)域采用材料少的小截面，但這種方式對(duì)重量的減少非常小，因此目前抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)往往是考慮將支撐座、連桿等部件的材料變更為更為輕質(zhì)的鋁合金、鈦合金等。扭桿軸是抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，往往也是重量最重的部件，因而扭桿軸的輕量化探究對(duì)抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)尤為重要。實(shí)踐證明將抗側(cè)滾扭桿的扭桿軸制作成空心的結(jié)構(gòu)是解決上述問(wèn)題的一個(gè)較好的方案，但制造空心扭桿軸也會(huì)遇到一些難點(diǎn)。

制造空心扭桿軸的難點(diǎn)在于：如何確定空心扭桿軸的外直徑和內(nèi)直徑，使得扭桿軸制作成空心結(jié)構(gòu)后，能使其抗扭剛度大于或等于機(jī)車(chē)上正在使用的實(shí)心扭桿軸的抗扭剛度。而要確保空心扭桿軸有足夠的抗扭剛度，又要制作成空心扭桿，是需要增大空心扭桿軸的外直徑的尺寸的。從理論上來(lái)說(shuō)，在空心扭桿軸的抗扭剛度值為一個(gè)恒定的值的情況下，是將外直徑的尺寸做得越大，且空心扭桿軸內(nèi)外徑之比α越大（即空心扭桿軸的管壁越?。┚驮焦?jié)約耗材和制作成本。

但空心扭桿軸的外直徑增大后，會(huì)引起一些問(wèn)題，例如，需要同時(shí)增大扭轉(zhuǎn)臂的尺寸，會(huì)增加扭轉(zhuǎn)臂的耗材。而其中最突出的是：空心扭桿軸的外直徑太大會(huì)使空心扭桿軸容易在工作狀態(tài)下與周?chē)牟考l(fā)生干涉。

事實(shí)上，空心扭桿軸的外直徑確定下來(lái)后，對(duì)于空心扭桿軸的內(nèi)直徑的確定，仍有一些問(wèn)題要解決。因?yàn)椋谀軡M(mǎn)足抗扭剛度的前提下，也并不是將空心扭桿軸內(nèi)外徑之比α設(shè)置得越大越好。因?yàn)?，雖然此時(shí)內(nèi)外徑之比α的取值越大，也就是內(nèi)直徑的尺寸越大，就會(huì)使空心扭桿軸的橫截面積越小，也就越節(jié)約耗材；但是內(nèi)外徑之比α的取值太大會(huì)導(dǎo)致空心扭桿軸的橫截面積過(guò)小，使空心扭桿軸的抗剪剛度達(dá)不到實(shí)際工作所要求強(qiáng)度。因?yàn)榭招呐U軸的橫截面積越小，其抗剪剛度也會(huì)越小。因此，空心扭桿軸內(nèi)外徑之比α需要綜合考慮以上因素，取一個(gè)適當(dāng)取值范圍。

通過(guò)國(guó)內(nèi)檢索發(fā)現(xiàn)以下專(zhuān)利與本發(fā)明有相似之處：

申請(qǐng)?zhí)枮?01520856713.8，名稱(chēng)為“軌道交通用復(fù)合抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)”的實(shí)用新型公開(kāi)了軌道交通用復(fù)合抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)，包括第一扭桿組件和第二扭桿組件；第一扭桿組件包括第一扭桿軸、連接在第一扭桿軸上的第一扭轉(zhuǎn)臂和連接在第一扭轉(zhuǎn)臂上的第一垂直連桿；第二扭桿組件包括第二扭桿軸、連接在第二扭桿軸上的第二扭轉(zhuǎn)臂和連接在第二扭轉(zhuǎn)臂上的第二垂直連桿；第二扭桿軸通過(guò)扭桿軸聯(lián)接件套裝在第一扭桿軸上且與第一扭桿軸同軸，第一扭桿軸從第二扭桿軸的兩端伸出，第一扭轉(zhuǎn)臂設(shè)置在第二扭轉(zhuǎn)臂的外側(cè)，第一扭桿軸伸出第二扭桿軸的部分裝有用于將軌道交通用復(fù)合抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)安裝到轉(zhuǎn)向架上的安裝座組件。本實(shí)用新型的軌道車(chē)輛用復(fù)合抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)，即可提供較強(qiáng)的抗側(cè)滾剛度，又具有較強(qiáng)的抗側(cè)滾靈敏度，滿(mǎn)足軌道車(chē)輛安全行駛的要求。

雖然在申請(qǐng)?zhí)枮?01520856713.8的實(shí)用新型的權(quán)利要求2中記載有“第二扭桿軸（21）為空心管狀”，但其只是簡(jiǎn)單的將第二扭桿軸設(shè)為空心管狀，是以不改變第二扭桿軸的外徑尺寸為前提進(jìn)行的空心設(shè)置。而本發(fā)明是在確保抗彎剛度、抗剪剛度、抗扭剛度和實(shí)際安裝尺寸的前提下，進(jìn)行最大限度的設(shè)置扭桿軸的空心部分。通常都是要對(duì)外徑的尺寸進(jìn)行修改的，且同時(shí)會(huì)對(duì)外徑和內(nèi)徑的尺寸做出了嚴(yán)格的要求。能大幅度節(jié)約扭桿的耗材，從而大幅度的降低生產(chǎn)成本，并同時(shí)滿(mǎn)足軌道車(chē)輛輕量化的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：如何在不減小鈕桿的抗彎剛度、抗剪剛度、抗扭剛度，以及確保鈕桿能不對(duì)周邊的部件產(chǎn)生干涉的前提下，最大程度的節(jié)約生產(chǎn)鈕桿的耗材。

針以上述問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是：一種軌道交通抗側(cè)滾扭桿減重方法，抗側(cè)滾扭桿包括扭桿軸和扭轉(zhuǎn)臂，扭轉(zhuǎn)臂連接在扭桿軸的兩端，扭桿軸采用空心結(jié)構(gòu)，且扭桿軸的外徑和內(nèi)徑是根據(jù)所處長(zhǎng)度位置的抗扭剛度大小確定，并在扭桿軸的長(zhǎng)度方向按照外徑為梯形結(jié)構(gòu)形狀分段布置。

進(jìn)一步地，扭桿軸的外徑和內(nèi)徑按照下述方法確定：

1）確定扭桿軸中使用的實(shí)心抗側(cè)滾扭桿的扭桿軸的抗扭剛度為m；

2）確定空心扭桿軸外徑尺寸，在滿(mǎn)足實(shí)際裝配尺寸的前提下，先確定空心扭桿軸的外徑尺寸d1，并使空心扭桿軸的抗扭剛度大于或等于所述的抗扭剛度m；

3）根據(jù)抗扭剛度m確定空心扭桿軸的內(nèi)外徑之比α，從而將空心扭桿軸的內(nèi)外徑比α確定在一個(gè)范圍內(nèi)；

4）根據(jù)空心扭桿軸的內(nèi)外徑之比α和空心扭桿軸的橫截面積來(lái)確定空心扭桿軸的內(nèi)徑尺寸；從而制造出既滿(mǎn)足抗扭剛度和實(shí)際裝配尺寸，又節(jié)約耗材的空心扭桿軸。

進(jìn)一步地，當(dāng)空心扭桿軸的抗扭剛度與實(shí)心扭桿軸的抗扭剛度相等時(shí)，空心扭桿軸的內(nèi)外徑之比α取最大值；當(dāng)空心扭桿軸的抗扭剛度與實(shí)心扭桿軸的抗扭剛度的比值越大，α的取值越小。

進(jìn)一步地，空心扭桿軸內(nèi)外徑之比α的取值越大，空心扭桿軸的橫截面積就越小，也就越節(jié)約扭桿耗材。

進(jìn)一步地，空心扭桿軸內(nèi)外徑之比α的取值范圍是：0.5-0.8。

進(jìn)一步地，先根據(jù)實(shí)際裝配尺寸確定d1后，再根據(jù)α的取值范圍，就能確定d10的取值范圍；從而確定空心扭桿軸的內(nèi)徑尺寸。

進(jìn)一步地，將扭轉(zhuǎn)臂做為包容件與扭桿軸連接，從而進(jìn)一步縮小扭轉(zhuǎn)臂的尺寸，節(jié)約耗材。

一種節(jié)約扭桿耗材的結(jié)構(gòu)，扭桿包括扭桿軸和扭轉(zhuǎn)臂，扭轉(zhuǎn)臂連接在扭桿軸的兩端，扭桿軸為空心結(jié)構(gòu)，且空心扭桿軸的長(zhǎng)度方向的外徑為梯形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，扭轉(zhuǎn)臂連接在扭桿軸的兩端，且扭轉(zhuǎn)臂在連接處的尺寸小于扭桿軸在連接處的尺寸，使得扭轉(zhuǎn)臂做為包容件與扭桿軸連接。

進(jìn)一步地，扭轉(zhuǎn)臂連接在扭桿軸的兩端，且空心扭桿軸中間的管壁厚度小于空心扭桿軸于兩端的管壁厚度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1.通過(guò)合理的優(yōu)化空心扭桿中的空心扭桿軸和空心扭轉(zhuǎn)臂的內(nèi)徑和外徑的值，使得空心扭桿能在不影響正常工作的前提下，大幅度的節(jié)約生產(chǎn)鈕桿的耗材，從而大幅度降低鈕桿生產(chǎn)的成本。

2.通過(guò)合理的優(yōu)化空心扭桿，大幅度減小扭桿的重量，使扭桿符合軌道車(chē)輛的節(jié)能減排、環(huán)保和輕量化的高要求。

3.通過(guò)將扭轉(zhuǎn)臂做為包容件與扭桿軸連接，來(lái)減小扭轉(zhuǎn)臂的體積，以及讓空心扭桿軸中間的管壁厚度小于空心扭桿軸于兩端的管壁厚度，來(lái)進(jìn)一步的減小扭桿的重量。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例一中的空心直扭桿的立體示意圖；

圖2為圖1的剖視示意圖；

圖3為實(shí)施例二中的空心彎扭桿的剖視示意圖；

圖中：1扭桿軸、2扭轉(zhuǎn)臂。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做一步的描述：

實(shí)施例一

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的抗側(cè)滾扭桿為直扭桿，抗側(cè)滾扭桿包括扭桿軸1和扭轉(zhuǎn)臂2，扭轉(zhuǎn)臂2連接在扭桿軸1的兩端。現(xiàn)有軌道車(chē)輛用抗側(cè)滾扭桿均采用實(shí)心扭桿軸1。同樣結(jié)構(gòu)和剛度條件下，實(shí)心扭桿軸1較空心扭桿軸1的重量要高得多，對(duì)應(yīng)的材料成本也會(huì)同樣較高。本實(shí)施例中提出了一種軌道車(chē)輛用空心抗側(cè)滾扭桿，主要是將扭桿軸1由原來(lái)的實(shí)心軸結(jié)構(gòu)改為空心管式結(jié)構(gòu)，大幅減少扭桿軸1的重量，為軌道車(chē)輛用抗側(cè)滾扭桿輕量化提供技術(shù)方向，同樣大幅降低扭桿軸1的材料成本。

為了制造出在實(shí)際工作過(guò)程中既滿(mǎn)足抗扭剛度和實(shí)際裝配尺寸，又節(jié)約耗材的空心扭桿軸1，就需要對(duì)空心扭桿軸1的外徑尺寸和內(nèi)徑尺寸進(jìn)行確定。本實(shí)施例中是通過(guò)下述步驟和方法對(duì)空心扭桿軸1的內(nèi)外徑尺寸進(jìn)行確定的：

1確定扭桿軸1中使用的實(shí)心抗側(cè)滾扭桿的扭桿軸1的抗扭剛度為m，也就是說(shuō)，設(shè)定機(jī)車(chē)上正在使用的實(shí)心實(shí)心抗側(cè)滾扭桿的扭桿軸1的抗扭剛度的值為m。

2確定空心扭桿軸1外徑尺寸，在滿(mǎn)足實(shí)際裝配尺寸的前提下，先確定空心扭桿軸1的外徑尺寸d1，并使空心扭桿軸1的抗扭剛度大于或等于所述的抗扭剛度m。

3根據(jù)抗扭剛度m確定空心扭桿軸1的內(nèi)外徑之比α，從而將空心扭桿軸1的內(nèi)外徑比α確定在一個(gè)范圍內(nèi)。

4根據(jù)空心扭桿軸1的內(nèi)外徑之比α和空心扭桿軸1的橫截面積來(lái)確定空心扭桿軸1的內(nèi)徑尺寸；從而制造出既滿(mǎn)足抗扭剛度和實(shí)際裝配尺寸，又節(jié)約耗材的空心扭桿軸1。

上述步驟和方法具體的原理和實(shí)施過(guò)程如下：

扭軒軸的抗扭剛度計(jì)算公式為公式(1)，其慣性矩為公式(2)：

上式中g(shù)為剪切模量，l為扭桿軸1的長(zhǎng)度，d為扭桿軸1的直徑，α為扭桿軸1內(nèi)外徑之比，當(dāng)扭桿軸1為實(shí)心扭桿軸1時(shí)，則α為0；

因此，根據(jù)公式（1）和公式（2）可推導(dǎo)出在不改變扭軒軸的長(zhǎng)度情況下，空心扭桿軸1與實(shí)心扭桿軸1的抗扭剛度之比為公式(3)；且由于m空心是大于或等于m實(shí)心的，因此，公式(3)中的比值會(huì)大于或等于1：

公式(3)中：d1為空心扭桿軸1的外直徑，d2為實(shí)心扭桿軸1的外直徑，α為空心扭桿軸1內(nèi)外徑之比，由公式(3)可推導(dǎo)出：

由公式(4)可知：當(dāng)公式(3)中的m空心等于m實(shí)心時(shí)，α取最大值；當(dāng)公式(3)中的m空心與m實(shí)心的比值越大，α的取值越小。

由上可知：當(dāng)空心扭桿軸1的抗扭剛度與實(shí)心扭桿軸1的抗扭剛度相等時(shí)，空心扭桿軸1的內(nèi)外徑之比α取最大值；當(dāng)空心扭桿軸1的抗扭剛度與實(shí)心扭桿軸1的抗扭剛度的比值越大，α的取值越小。

空心扭桿軸1的橫截面積越小則越節(jié)約扭桿耗材，空心扭桿軸1的橫截面積為公式（5）：

公式(5)中s截面為空心扭桿軸1的橫截面積，r1為空心扭桿軸1的外圓半徑，r2為空心扭桿軸1的內(nèi)圓半徑，t為空心扭桿軸1的外半徑與內(nèi)半徑之比的比值：t=1/αt>1；根據(jù)公式(5)可知：t值越小空心扭桿軸1的橫截面積越小，而t=1/α，所以：α取值越大，t的值就越小，就越節(jié)約扭桿耗材。

也就是說(shuō)：當(dāng)空心扭桿軸1的外徑和抗扭剛度的值確定后，空心扭桿軸1內(nèi)外徑之比α的取值越大，空心扭桿軸1的橫截面積就越小，也就越節(jié)約扭桿耗材。

但是內(nèi)外徑之比α的取值太大會(huì)導(dǎo)致空心扭桿軸1的橫截面積過(guò)小，使空心扭桿軸1的抗剪剛度達(dá)不到實(shí)際工作所要求強(qiáng)度。因?yàn)榭招呐U軸1的橫截面積越小，其抗剪剛度也會(huì)越小。因此，綜合實(shí)際的工況：包括空心扭桿軸1外徑尺寸、空心扭桿軸1的抗扭剛度和抗剪剛度等參數(shù)都能符合實(shí)際需求的前提下，空心扭桿軸1內(nèi)外徑之比α的取值優(yōu)選為0.5-0.8。

本實(shí)施例的具體步驟是：先根據(jù)實(shí)際安裝尺寸和確保增加的扭轉(zhuǎn)臂2的耗材在允許的范圍內(nèi)等因素，對(duì)空心扭桿軸1的具體外徑值d1進(jìn)行確定。再根據(jù)實(shí)際工況中抗扭剛度和抗剪剛度的要求，對(duì)空心扭桿軸1內(nèi)外徑之比α的取值確定一個(gè)范圍，從而根據(jù)公式α=d10/d1，得出空心扭桿軸1的內(nèi)徑取值范圍。最后根據(jù)據(jù)實(shí)際工況盡量選取一個(gè)能大幅度節(jié)約耗材的一個(gè)空心扭桿軸1具體的內(nèi)徑值d10。

為了增加空心扭桿軸1的穩(wěn)固性，在空心扭桿軸1的兩端設(shè)梯形結(jié)構(gòu)，使空心扭桿軸1的兩端的管壁厚度大于中間管壁的厚度。而中間管壁的厚度由上述內(nèi)容中確定空心扭桿軸1的內(nèi)外徑尺寸來(lái)決定，讓空心扭桿軸1的中間管壁的厚度小于空心扭桿軸1的兩端的管壁的厚度，也能進(jìn)一步節(jié)約空心扭桿的耗材。

實(shí)施例二

如圖3所示，本實(shí)施例中的抗側(cè)滾扭桿為彎扭桿，將扭轉(zhuǎn)臂2連接在扭桿軸1的兩端，且扭轉(zhuǎn)臂2在連接處的尺寸小于扭桿軸1在連接處的尺寸，使得扭轉(zhuǎn)臂2做為包容件與扭桿軸1連接，從而節(jié)約耗材和材料成本，大幅度降低重量。

很顯然，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，作出的若干改進(jìn)或修飾都應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。