等应力设计理念在轴箱橡胶弹簧结构改进中的应用

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1、等应力设计理念在轴箱橡胶弹簧结构改进中的应用张亚新、黄友剑、郭红锋、刘建勋株洲时代新材料科技股份有限公司，株洲，412007摘要：橡胶产品大量使用在减振降噪领域，其使用过程中的疲劳问题是产品设计需重点考虑的问题。本文对在机车车辆上使用的一款橡胶轴箱弹簧的疲劳问题，进行了基于结构分析与试验验证为特征的探讨，并在此基础上，提出了基于等应力设计理念的优化设计。分析与实验结果表明，通过等应力理念设计的产品结构，在确保结构获得等应力的同时，结构的疲劳寿命得到了成倍增加。关键词：等应力，优化设计，橡胶结构前言随着轨道交通的迅猛发展，人们对车辆的安全性、舒适性和可靠性提出了更高的要

2、求。橡胶弹性减振元件在轨道车辆系统中起牵引、悬挂、隔振、缓冲的作用，其良好的减振和隔振性能，被愈来愈广泛的应用于轨道车辆减振系统中，但橡胶元件使用工况复杂，受到交变应力和集中冲击载荷的作用，其使用寿命直接关系到整车的安全性和可靠性，因此，橡胶弹簧在使用过程中的疲劳问题是产品设计需要重点考虑的问题，为此本文以一款橡胶弹簧在使用过程中的疲劳问题为研究对象，探讨基于等应力理念下的疲劳设计问题。1一种橡胶弹簧的疲劳问题1.1使用情况209HS轴箱弹簧是为209HS转向架设计开发的一款用于轴箱定位的橡胶减振元件，该橡胶弹簧在提供适合于车辆正常运行的三向刚度的同时，还必须满足转向

3、架运行所需要的使用寿命。然而部分产品在实际使用不到40万公里就已经出现了不同程度的破坏，其破坏的主要表现形式为：内套橡胶下部产品出现两处纵向开裂裂纹（见图1）。进一步分析可知，该产品为三层结构，橡胶破坏的主要部位为内层橡胶，而且橡胶裂纹的深度最高达到8mm，橡胶裂纹方向为纵向（见图1），而其它橡胶部位并没有出现疲劳裂纹，显然这种破坏是结构设计不完全合理而承受的载荷过大的原因所造成，从而造成局部区域呈现为低周并高周应力疲劳破坏。图1轴箱弹簧疲劳破坏特征1.2产品结构特征出现疲劳破坏的轴箱弹簧，其结构示意见图2所示，该结构的特点为：三层橡胶高度基本相等，三层橡胶胶层等厚，

4、内套橡胶无论是剪切承载面积还是承载体积都较中套和外套橡胶要大幅减少，因此产品承载时，虽然每层橡胶所承受的载荷相同但承受的应力相差极大，从而导致承受应力最大的内套橡胶最早破坏，而外套依旧完好的不正常情况。针对产品结构，进一步的分析也表明：产品是首先因结构不对称在硫化后产生严重的热应力集中，在实际使用过程中承受垂向预载下，机车因加速制动提供的纵向载荷使元件形成严重的应力集中区域，这些应力集中的位置与产品实际发生破坏的区域完全相同。也即是说，热应力，垂向预载工况下的纵向承载是导致产品出现不同程度的纵向裂纹的关键载荷，因此，轴箱弹簧在硫化热应力，垂向预载和纵向承载的复合承载下

5、因结构设计不合理从而导致产品内套过早出现严重的疲劳裂纹，这就是产品出现疲劳破坏的原因。图2轴箱弹簧结构示意图2等应力设计理念为提升结构的疲劳寿命，结合结构承载特点，结构设计应使各层橡胶无明显的应力集中，每层橡胶的最大应力应变几乎相等，而且每层最大的应力应变都要相比于原结构内套橡胶有较大幅度的降低，这就是等应力的设计思路和设计理念。对于轴箱弹簧结构来说，为实现结构具有等应力分布，结构尺寸R1、L1应满足公式1，且应力δ1控制在疲劳寿命的允许范围内。(1)图3基于等应力下的胶层半径与高度关系3基于等应力的结构优化对于轴箱弹簧，影响产品疲劳寿命的因素，从结构的角度来说，是三

6、层橡胶承载不均，内套橡胶承载过大，内套橡胶提前破坏，因此，产品结构改进的主要工作，是尽量使每层橡胶的受力基本相同，三层橡胶的应力分布基本均等，基于此，根据公式1，我们设计了基于等应力的结构（见图2）。图2基于等应力的结构这种基于等应力的改进结构，依然采用三层橡胶金属复合结构，但根据橡胶的承载应力，增加内层橡胶的初始直径，提高橡胶的承载面积；新结构设计确保厚度方向由内到外，橡胶厚度等差变小，高度方向由内到外橡胶高度由高变低，也即是说橡胶半径与高度的关系由公式1控制，最终形成图3所示的关联关系。因此，基于这种等应力设计理念的改进结构，可使产品各层具有相同的疲劳寿命。图4原

7、结构应力分布新结构应力分布改进结构的产品通过进一步的有限元分析表明：经过优化的等应力结构，在产品硫化、垂向承载、纵向承载时的应力分布及应变分布状态与原结构相比，都有较大程度的改善（见表1），而且结构并没有明显的应力集中，表明新结构在设计上是合理的。表1新老结构的应力应变对比类型原结构新结构应力2.651.37应变0.820.454实验验证疲劳性能是产品特性最重要的一个指标，确保产品具有良好使用要求的疲劳寿命，是研制产品是否成功的关键，根据产品的实际使用情况，我们对新、老两种结构的产品进行同强度的对比实验，以判断新结构的疲劳特性。图5纵向疲劳对比实验疲