摘要：轨道车辆对空气弹簧的横向变形能力以及无气下的垂向刚度要求越来越高，这对空气弹簧的辅助弹簧提出了更高的设计要求。通过总结现有轨道车辆中不同类型的橡胶辅助弹簧，对比分析其优缺点。并针对轨道交通更高的舒适性、轻量化要求，创新地设计了一种新型沙漏式橡胶辅助弹簧，既可以通过上盖接触曲面与橡胶接触形成非线性，又通过设计隔板分隔橡胶，使上下部分橡胶分别承担旋转和横向变形，从结构上解决了现有橡胶辅助弹簧横向变形能力不足的难题。通过对该产品进行有限元计算、试制试验和实际应用证明，新型沙漏式橡胶辅助弹簧可以提供较小的垂向刚度和较强的横向变形能力，并且具有重量轻、成本低和工艺简单等诸多优点，可以有效提升轨道车辆无气状态下的安全性和舒适性。

　　关键词：沙漏式橡胶辅助弹簧,垂向刚度,横向变形,安全性,舒适性,轻量化

　　0引言

　　随着轨道车辆运行速度的提升和对舒适度要求的提高，无摇枕式转向架的应用越来越广泛。作为轨道车辆二系悬挂的主要部件，空气弹簧位于车体和转向架之间，起到传递载荷、分担横向变形和减振的作用[1-2]。与汽车使用的空气弹簧不同，轨道车辆用空气弹簧通常设计有辅助弹簧，确保车辆即使在气囊漏气、破损的情况下也能保持列车运行所需的刚度和稳定性，防止车辆出轨。

　　现有的辅助弹簧主要有以下几种类型[3-4]。叠板式橡胶辅助弹簧、锥形橡胶辅助弹簧、沙漏式橡胶辅助弹簧和组合式橡胶辅助弹簧。叠板式橡胶辅助弹簧通常具有很大的垂向刚度和较大的横向变形能力。锥形橡胶弹簧则与之相反，通常具有适当的垂向刚度，但横向刚度很大，难以分担横向变形。这两种辅助弹簧目前运用最为广泛。沙漏式橡胶辅助弹簧的垂向刚度与锥形橡胶辅助弹簧相当，横向变形能力强，综合了两者的优点。组合式橡胶辅助弹簧通常由叠板式辅助弹簧和锥形辅助弹簧组合而成，以获取更小的垂向刚度和更大的横向变形能力，但整体结构较复杂。

　　综上，现有的4种辅助弹簧虽然可以满足大部分的应用需求。但一旦出现气囊破裂的情况，由于辅助弹簧刚度通常远大于空气弹簧刚度，列车必须降速运行[5-6]以保证安全。因此，随着轨道车辆对安全性、舒适性、轻量化和大位移要求的提高，现有的辅助弹簧很难提供更小的垂向刚度和更大的横向变形能力。张丁贤和谌强[7-8]对沙漏式辅助弹簧的特性进行了分析，并提出了其代替空气弹簧的可能，杜尚[9]设计了一种沙漏橡胶弹簧，其相对于传统的叠板橡胶堆有垂向刚度低的特点。

　　这几种沙漏辅助弹簧要么工作高度太高，无法运用于空气弹簧系统，要么垂向刚度太大，无法满足无气写车辆动力学性能的要求。因此，设计一种新型辅助弹簧来综合满足这两方面的要求是很有必要的。

　　本文通过有限元计算和试制试验等方式，对比研究了现有的4种辅助弹簧的特征和优缺点。在此基础上，创新设计了新型沙漏式辅助弹簧[7],从有限元计算、试制试验和实际产品应用3个方面证明了新型沙漏式辅助弹簧具有低垂向刚度、横向变形能力强、重量轻、成本低的优势，为满足轨道车辆安全性、舒适性和轻量化的目标奠定了基础。

　　1橡胶辅助弹簧对比

　　常用的4种辅助弹簧由于设计结构不同，因此具有不同的特性。

　　1.1垂向刚度与变形

　　由青岛博锐智远减振科技有限公司制造的4种辅助弹簧的截面图和横向刚度如表1所示。它们在直径方向规格相近，底板直径均在φ380~φ400 mm的范围内。4

　　种辅助弹簧垂向刚度随载荷的变化规律如图2所示。垂向刚度测试方法根据TB/T 2841[8],分别给出50、70、90和110 kN下的切线刚度(±5 kN),这些载荷分别对应轨道车辆的轻载、满载和重载。

　　试验结果如图1所示，可知在所有载荷下，叠板式橡胶辅助弹簧的垂向刚度比其他橡胶辅助弹簧大数倍，可以达到10 000 N/mm左右。沙漏式橡胶辅助弹簧垂向刚度(2 500~5 500 N/mm)图1 4种辅助弹簧垂向刚度对比比锥形橡胶辅助弹簧(1 500~4 500 N/mm)大，二者相差1000 N/mm左右。而叠板式和锥形弹簧的组合式辅助弹簧刚度最小，在1500~3 200 N/mm之间。

　　辅助弹簧的垂向刚度越小，与空气弹簧的垂向刚度越接近，能够提高无气状态下的临界速度和舒适性。

　　1.2横向刚度与变形

　　对比4种辅助弹簧的横向刚度，可知锥形辅助弹簧的横向刚度远大于其他3种辅助弹簧，其余3种辅助弹簧的横向刚度均比较接近，均在400左右。相应的，锥形辅助弹簧的横向变形能力最弱，其余3种辅助弹簧横向变形能力较为相近。

　　1.3综合对比

　　表2综合比较了4种辅助弹簧的特性。可以看出，能同时满足具有较小的垂向刚度和较大的变形能力的辅助弹簧为沙漏式辅助弹簧和组合式辅助弹簧。相较而言，组合式辅助弹簧横向变形能力更强，但其重量和成本要高许多，而且生产工艺也较为复杂。此外，还需要考虑两种辅助弹簧的连接和密封问题，因此，相较于复杂的组合式辅助弹簧，沙漏式辅助弹簧逐渐受到更多悬架工程师的欢迎[9-11]。

　　2新型沙漏式橡胶辅助弹簧
       2.1设计思路
       在实际辅助弹簧设计过程中，既需要满足轨道车辆的舒适性和安全性要求，又要综合考虑轻量化和成本控制，简化生产过程。因此设计一种能够平衡这些优点的新型辅助弹簧是非常重要的。根据上述分析，设计了一种新型沙漏式橡胶辅助弹簧[10]（图2),其结构具有以下特点：(1)在辅助弹簧顶板设计特殊接触曲面，允许橡胶自由变形，以获得较小的刚度。在一定载荷下，特殊接触曲面将与橡胶零件接触，产生接触非线性，可以形成载荷转折点（图6)。另一个优点是特殊接触曲面可以抑制橡胶的过度变形，避免橡胶与气囊接触。(2)在辅助弹簧设置隔板以分割橡胶。辅助弹簧受载时，隔板上部橡胶被压缩成球形，可以在顶板和分隔板之间滚动，为空气弹簧弹簧提供横向和旋转变形。此外，分隔板下部橡胶可以像叠板式辅助弹簧一样进一步提供横向变形，使空气弹簧具有更大的横向变形能力。

　　2.2有限元计算

　　根据新型沙漏式辅助弹簧的几何结构（图3),建立二维轴对称和三维对称有限元模型，固定辅助弹簧底板，顶板施加垂向最大荷载和横向位移，计算分析辅助弹簧的垂向和横向性能。由于辅助弹簧结构的特殊性，主要由橡胶承受载荷，因此金属材料处于弹性变形范围，所以在有限元计算中对金属零件的本构选用线弹性模型。

　　其中顶板和底板为铝材，隔板为钢材。橡胶采用Mooney-Rivlin本构模型。材料参数如表3所示。

　　2.3应力分布

　　根据辅助弹簧的载荷工况，轻载和重载分别为80 kN和150 kN,图4为新型沙漏式辅助弹簧在重载下的Mises应力分布。可知在重载情况下，新型沙漏式辅助弹簧整体应力较小，仅在隔板位置达到76.47 kN,远小于隔板的许用应力。对比有限元计算结果与实际试验结果（图5),可知有限元计算结果与试验变形是非常相近的。

　　2.4载荷－位移曲线特征

　　运用有限元计算模拟辅助弹簧的垂向性能试验，对辅助弹簧施加1.3倍重载(195 kN),并提取加载过程中的载荷－位移曲线。同样，根据TB/T 2841[3],对新型沙漏式辅助弹簧进行垂向性能试验，得到试验过程中的载荷－位移曲线，与计算结果对比如图6所示。可以明显看出两条曲线自始至终表现出高度的一致性，此外，在曲线的加载段，可以看到明显的非线性和转折点。这说明可以通过调整顶板与橡胶接触面的形状可以调节辅助弹簧载荷位移曲线的非线性特征，这对辅助弹簧的设计图6载荷－位移曲线对比是很有参考价值的。

　　2.5垂向、横向刚度

　　垂向刚度和横向刚度的测试方法取自TB/T 2841[3]。

　　综合对比有限元计算和试验结果，可知有限元计算得到的垂向刚度与实验结果非常接近，最大误差仅有1.6%,这说明有限元计算结果有重要的参考意义。横向刚度计算值与试验值最大误差为5.76%,考虑到辅助弹簧批量生产时的横向刚度公差通常在15%以内，因此横向刚度的有限元计算值能够指导实际生产。

　　2.6疲劳试验评估

　　对新型沙漏式辅助弹簧进行200万次疲劳试验，垂向载荷范围80~170 kN,频率2Hz。疲劳试验技术后，辅助弹簧表面未发现裂纹、脱层、局部凸起等异常现象，表明新型沙漏式辅助弹簧具有足够的耐疲劳性能。

　　3比较分析

　　新的设计能否真正运用于实践不仅取决于它的性能，还与工艺、成本、重量以及寿命有关。例如，一个辅助弹簧虽然具有良好的性能，但如果寿命低或成本高，实际运用便不是一个好的选择。

　　3.1垂向刚度

　　1.1节中已对常见的4种辅助弹簧的垂向刚度进行了对比，现在用同样的方法得到新型沙漏式辅助弹簧的垂向刚度，如图7所示。从图中可知，与其他辅助弹簧相比，新型辅助弹簧在载荷较小时有更小的垂向刚度，能够提供更好的舒适性，而在90 kN以后，垂向刚度迅速增大，体现了明显的非线性特征，这样的特性对悬挂图7不同辅助弹簧系统设计人员是很有借鉴意的垂向刚度对比义的。

　　3.2制造工艺

　　橡胶辅助弹簧主要由金属和橡胶在一定压力和温度下硫化而成。生产过程如图8所示，对于橡胶弹簧制造商，几乎所有步骤都设置有检查项，检查不合格的零件应返回到前一个步骤。与汽车车辆零件相比，轨道交通属于公共交通，因此更关注产品质量，以减少故障。

　　此外，更多的程序意味着更多的质量控制和更多的不合格零件的风险，因此制造商希望减少尽可能少的程序。叠板和锥形组合式辅助弹簧的每个弹簧都有一个完整的生产程序，生产过程控制更为复杂。与之相比，新型沙漏弹簧在制造工艺上的控制上较为简单。

　　3.3成本

　　辅助弹簧的总成本由材料成本、生产成本和加工、表面处理构成。橡胶材料的成本几乎与其重量成正比，但金属材料不同，金属材料的成本不仅与材质有关，还取决于制造工艺。不同的制造工艺价格不同，如机加工、锻造、铸造等。此外，不同的表面处理方式，如油漆、镀锌、阳极氧化等，也会引起总成本的改变。

　　目前，轨道车辆逐渐向轻量化发展，铝材和纤维材料的运用逐渐增多。但综合考虑其强度、工艺和生产成本等因素，钢材在轨道交通领域的运用更为广泛。表5为几种辅助弹簧的成本，表中数值把叠板式辅助弹簧的加工和表面防护成本当作单位1进行处理。可知新型弹簧比沙漏弹簧增加44%,比层叠锥形弹簧减少26%。

　　3.4质量

　　近年来，减重在节能和环保方面的作用越来越受到人们的关注。从表6可得，新型辅助弹簧与组合式辅助弹簧相比，重量减轻较多，这是由于新型沙漏式辅助弹簧使用了更多的橡胶。

　　4系统应用

　　对SYS500X型空气弹簧系统进行了结构设计和有限元仿真，该空气弹簧参数如表7所示，可知该空气弹簧的工作高度较高，达到了310 mm,具有较大的垂向设计空间。另外，其横向变形要求为150 mm,而一般情况下空气弹簧横向变形为100~120 mm。辅助弹簧分别采用组合式辅助弹簧和新型沙漏弹簧两种方案。计算结果表明，采用组合式辅助弹簧时，虽然能满足横向变形要求，但气囊出现了打褶现象（图9),可知气囊的变形过大，这样会导致气囊内部帘线疲劳磨损，这对实际运用是不利的。而采用新型沙漏式辅助弹簧的模型具有很强的侧向变形能力，能够满足空气弹簧的横向变形要求。表7列出了两种模型的相关参数。

　　5结束语

　　通过有限元计算和试验对比等方式，对比研究了现有的4种辅助弹簧的特征和优缺点。在此基础上，创新设计了新型沙漏式辅助弹簧，从有限元计算、试制试验和实际产品应用3个方面验证了新型沙漏式辅助弹簧的特征，得到以下结论。

　　(1)对比4种常见的辅助弹簧，组合式和沙漏式辅助弹簧具有较小的垂向刚度和较大的变形能力，但组合式辅助弹簧结构、工艺复杂，质量成本较高，因此沙漏式辅助弹簧更能满足空气弹簧的舒适性和轻量化需求。

　　(2)创新的设计了一种新型沙漏式辅助弹簧，经过有限元计算和试验验证说明，新型沙漏式辅助弹簧具有较低的垂向刚度，很强的横向变形能力，同时重量轻、成本低，工艺简单。

　　(3)通过有限元仿真计算和试验验证，使用新型沙漏式辅助弹簧的空气弹簧结构简单，同时能够满足空气弹簧的横向大变形和轻量化要求，可以提高轨道车辆安全性和舒适性，日后将在轨道车辆中广泛应用。

　　参考文献：

　　[1]Bank T A.Some ABC’s of air spring suspensions for commercial road vehicles.Warrendale,Pa:SAE,1980,SAE-800482.

　　[2]Presthus M.Derivation of air spring model parameters for train simulation[M].2002.

　　[3]宋红光．铁路车辆空气弹簧[M].北京：中国铁道出版社，2019.

　　[4]郭荣生．橡胶弹簧的特性计算[J].铁道车辆，1978(10):26-35.

　　[5]蒋益平，朱海燕，杨春辉．空气弹簧失气后地铁车辆动力学性能研究[J].华东交通大学学报，2019,36(2):45-50.

　　[6]Berg M.A rubber spring model for dynamic analysis of rail vehicles[M].Statens vägoch transportforskningsinstitut,VTI konferens,1996.

　　[7]张定贤．一种用于二系悬挂的新橡胶弹簧：沙漏式旁承弹簧[J].电力机车技术，1999(1):7-9.

　　[8]谌强，胡用生，张济民．直线电机车辆沙漏式橡胶弹簧的非线性分析[J].城市轨道交通研究，2005(6):65-67.

　　[9]姚小强，杜尚．空气弹簧沙漏式辅助弹簧的探讨[J].铁道车辆，2010,48(7):5-7.

　　[10]刘万强，刘志国，张波，等．橡胶堆，辅助弹簧及空气弹簧系统，中国：ZL202110012851.8[P].2021-08-24.