軌道車輛橡膠減震元件分析
前言
軌道車輛的一次懸吊，在最簡單的形式中，許多採用錐形彈簧(cone spring)。錐形彈簧是由多圈金屬管同心配置，管與管之間以橡膠撓性材料相互黏結接合，形成具有軸向彈性的元件，是目前機械元件中彈性/質量比最大的結構。但是在應用上，彈性係數為非線性，以及橡膠材料有應力龜裂與老化的問題，一般安全使用年限都在10年以下。
軌道車輛橡膠減震元件分析
軌道車輛錐形彈簧常見的結構為直錐形結構，中間管以成形管製作(見圖1(a)藍色結構)，最內軸與最外座形狀較複雜，可以用鍛造、加工或鑄造完成。成形管部分考量樣品製作的成本，直錐形管件可以鈑金件錐形捲圓再縫焊代替。目前希望國產化的原廠件中間管件結構是採用漸縮錐形(見圖1(c)藍色結構)，製造工法勢必採用成形管件，且在模具上需做滑塊脫模以適應與軸向形成夾角的金屬結構。
另外，由於橡膠材料並無固定的配方與牌號，且具有極度的非線性與差異性，相同配方材料的機械性質變異度可高達20%，所以國產化的試作過程，面臨許多變數與成本考量，進行設計變更是必然途徑。本文將從直錐形與漸縮錐形，橡膠材料採用天然橡膠(NR)基底的碳黑比例變化，探討設計變更後能夠保持彈簧性能，主要目的是希望降低開發成本，縮短開發時間與簡化開發流程。
原廠最基本靜態應力應變規格為20kN壓縮力，軸向變形量37mm。外部尺寸需具備相容性，高度外徑不得超出原有結構。原本的漸縮錐形管件底部在無負載時並沒有位於同平面，為考慮橡膠射出模具製作的簡單性，直錐形管件底部都位於同一水平。直錐形斜度約10度，是為配合外部殼件較佳的斜度，各直錐高度由外而內依序參考各錐度截面，盡量使各橡膠斷面剪力平均。橡膠材料以NR為基礎，共準備了5種碳黑比率，材料配方如下表：
表 1 橡膠配方表
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碳黑(phr)
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
|
NR (phr)
|
100
|
100
|
100
|
100
|
100
|
|
Zinc oxide (phr)
|
5
|
5
|
5
|
5
|
5
|
|
Stearic acid (phr)
|
2
|
2
|
2
|
2
|
2
|
|
Sulfur
|
2.5
|
2.5
|
2.5
|
2.5
|
2.5
|
|
M100 (MPa)
|
1.19
|
1.37
|
1.74
|
2.4
|
3.07
|
以原廠漸縮錐形結構進行分析，各橡膠材料在軸向負載20kN時的軸向應變量如下表：
表 2 漸縮錐形結構應變量
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碳黑(phr)
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
|
軸向應變量 (mm)
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83
|
72
|
56.8
|
41.2
|
32.2
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