[0001] 本发明涉及一种扭杆轴、轻量化抗侧滚扭杆、金属管管孔加工工艺，属于抗侧滚扭杆加工技术领域。

[0002] 抗侧滚扭杆是设在列车车体与转向架之间，在列车运行过程中遭遇过强侧风和过大弯道离心力时以设定的扭转力阻抗车体向一侧侧滚的圆柱状杆件。现有抗侧滚扭杆均采用实心结构，重量达数十至一百千克，而列车上抗侧滚扭杆多达几十根，总重量有数吨，加上大区间长时间运行，要多余耗费大量能源，因此，抗侧滚扭杆轻量化对列车运行实现节能降耗有着重大意义。

[0003] 为解决上述问题，业内首先想到和试图采用的是扭杆空心化。

[0004] 申请号为201510724528.8的发明专利公开了一种轨道交通车辆用复合材料抗侧滚扭杆装置，其包括扭杆轴、扭转臂、支撑座和垂向连杆，扭转臂固定在扭杆轴上，扭杆轴通过安装座固定在车体构架上，垂向连杆通过节点与扭转臂连接，扭杆轴、垂向连杆和支撑座采用纤维类环氧树脂复合材料，扭杆轴和垂向连杆，采用金属芯模或可融芯模，在缠绕机上通过机械张力器，将浸润了环氧树脂液体的长纤维逐层缠绕在金属芯模或可融芯模上，固化后脱模或融模；支撑座采用整体模压纤维环氧树脂，根据产品结构尺寸和安装接口需要，设计专用模压模具进行支撑座的模压制造。本发明采用纤维环氧树脂复合材料代替原有金属部件，整体重量减轻40%，工艺简单，质量易于控制，实现了抗侧滚扭杆系统的轻量化。

[0005] 此外，申请号为202110083768.X的发明专利还公开一种抗侧滚扭杆和抗侧滚扭杆成型工艺，抗侧滚扭杆包括扭转轴、扭转臂，所述扭转轴包括由纤维复合材料制成的芯管和连接于所述芯管两端的金属连接头，所述金属连接头包括相接的第一段和第二段，所述第一段与所述芯管连接，所述扭转臂包括金属制成的扭转臂芯体，所述第二段和所述扭转臂插接，所述芯管和所述第一段的外周缠绕有第一纤维复合材料层；所述扭转轴还包括第二纤维复合材料层，所述第二纤维复合材料层至少缠绕于相插接的所述扭转臂芯体和所述第二段。本方案中扭转臂和扭转轴满足轻量化设计要求，同时采取插接连接，保留了机械连接的可靠性，确保扭转臂和扭转轴在受到扭转时不易脱离。

[0006] 以上两项专利涉及的扭杆轴、扭转轴即为抗侧滚扭杆主体部分的直杆段，以下统一称为抗侧滚扭杆的扭杆轴，两项专利公开的技术方案都采用纤维复合材料制作该扭杆轴，以此减轻抗侧滚扭杆的重量。但以上两项专利公开的抗侧滚扭杆的成型工艺都需要在特定模具上成型抗侧滚扭杆的扭杆轴的全部，都没有采用作为产品一部分的初始支撑基础，这不仅给扭杆轴的初始成型和后期的脱模增加难度，还难以控制纤维布中经线纤维的缠绕走向，因而难以使其更好的符合扭杆轴扭转和弯转时的应力要求。

[0024] 如图32所示，抗侧滚扭杆是设在列车车体与转向架之间以设定的扭转力阻抗车体向一侧侧滚的杆件。由中部质感装的扭杆轴1和两端的扭转臂2构成，扭杆轴1与扭转臂2之间成90°左右的夹角，应用中抗侧滚扭杆100在扭杆轴1两端通过支撑座8以可扭转方式安装在列车的转向架上，两端扭转臂2的外端部分别通过拉杆6与车相两侧连接，在列车运行过程中遭遇过强侧风和过大弯道离心力时，车厢发生侧滚，抗侧滚扭杆100一端的扭转臂2外端通过拉杆6受到车厢一侧的拉力，另一端的扭转臂2外端通过拉杆6受到车厢一侧的压力，使扭杆轴1两端受到相反的扭转力，扭杆轴2必须以自身回转弹力对两端相反的扭转力进行阻抗，以此实现阻抗车厢侧滚的功能。

[0025] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步的描述：实施例一

[0026] 如图1、2所示，一种扭杆轴1，包括金属管11和包覆在金属管11外周的采用胶粘结的纤维层12。这样，由于金属管11为中空体，能够直接降低扭杆轴1的重量，且纤维复合材料的密度也远低于金属的密度，使得整个抗侧滚扭杆的重量显著降低，同时，由于纤维层内包裹了金属管11，使得扭杆轴1具有远超现有技术使用纯纤维复合材料制作的扭杆轴1的结构强度，能够表现出不逊于纯金属扭杆的强度和韧性。此外，由于本方案有金属管11作为基础支撑，在制作时只需要通过夹具固定住金属管11两端或两端的扭转臂2，就可以在金属管11的外周缠绕纤维布条121并刷胶，直至纤维层12形成，然后松夹，不仅降低了纤维抗侧滚扭杆的初始成型难度，也便于后期脱模。

[0027] 作为优选，金属管为优质钢材材质。

[0028] 如图3、4所示，进一步，在金属管11两端，分别设有若干径向向外凸出的用于挂住纤维布条121的纬线1212的使经线1211承受拉应力的挂齿4。由于纤维布条121的经线1211和纬线1212是纵横交织且被胶粘连为一整体，当挂齿4挂住纬线1212时就能够使经线1211受力，这样，在扭杆轴1扭转或弯转时，纤维层12就无法脱离金属管11，保证扭杆轴1绝对的受力整体性。

[0029] 如图3—7所示，挂齿4按周向多行和轴向多列的方式阵列，满足纤维布条121与扭杆轴1的轴线成﹣45°—45°缠绕后两端分别挂住金属管11两端的挂齿4，如：0°缠绕，纤维布条121在金属管11外周平行于轴线粘贴两端挂住挂齿4，扭杆轴1弯
折时，与弯折方向相背一侧的纤维布条121受到拉应力，起到提高扭杆轴1抗弯折强度；
45°或30°缠绕后两端挂住挂齿4，扭杆轴1正向扭转时，以45°或30°缠绕，尤其是以
45°缠绕的纤维布条121的经线1211受拉拉力与扭转方向最吻合，纤维布条121的经线1211提供该扭转方向的扭转刚度保障；
﹣45°或﹣30°缠绕后两端挂住挂齿4，扭杆轴1反向扭转时，以﹣45°或﹣30°缠绕，尤其是以﹣45°缠绕的纤维布条121的经线1211受拉拉力与扭转方向最吻合，纤维布条121的经线
1211提供该扭转方向的扭转刚度保障。

[0030] 挂齿4为两行多列阵列，两行包括第一基本行41和第二基本行42，第一基本行41中的挂齿4分别与第二基本行42中的挂齿4对应成列，纤维布条121以0°缠绕、45°缠绕、﹣45°缠绕时，在扭杆轴1的一端都有同一经线1211分别受到位于第一基本行41和第二基本行42的两个挂齿4同时提供的拉应力。经测定，同一经线1211受到两个挂齿4同时分担拉应力能够避免撕裂而将纤维布条121固定在端部。

[0031] 除了上述缠绕方式，本申请还涉及与扭杆轴1的轴线成90°缠绕，即在上述各角度缠绕的纤维布条121外作周向缠绕，以实现对上述各角度缠绕的纤维布条121的周向定位和紧缩，强化整个纤维层12与金属管11的一体性。

[0032] 进一步的，挂齿4是布设在一个套在金属管11上的齿套3的外周面，齿套3与金属管固定套接。所述齿套3为两半式螺栓紧固结构，由半套一31和半套二32及紧固螺栓33组成，所述半套一31和半套二32靠近支撑座8的一段为实施合拢紧固的紧固段34，另一段为布设挂齿4的植齿段36。这样设置，就不需要在金属管11上植齿，从而降低金属管11的制作难度。

[0033] 进一步的，齿套植齿段36靠紧固段34一端外周还具有呈弧形面收略形成抵抗纤维层12受力时向扭杆轴1中段收缩的包绕面35，使纤维层12的两端无法向中间收缩，另一端外周具有向扭杆轴1中段呈锥面形渐缩过渡段37。实施例二

[0034] 如图8—11所示，其与实施例一的不同之处在于，在第一基本行41和第二基本行42之间加设有加强行43，使纤维布条121以45°缠绕、﹣45°缠绕时在扭杆轴1的一端都有同一经线1211分别受到位于第一基本行41、加强行43和第二基本行42的三个挂齿4同时提供的拉应力。这样，同一经线302能够由三个挂齿4同时分担拉应力，能够更加稳固的将纤维布条121固定在端部。
实施例三

[0035] 参照图3—11，一种抗侧滚扭杆装置的扭杆轴刚度保障方法，是按抗侧滚扭杆100正反扭转方向，将多条纤维布条121在金属管11外相对于扭杆轴1的轴线成正反角度缠绕、刷胶，并相间将纤维布条121相对于扭杆轴1的轴线以零角度轴向粘贴，所有纤维布条121的两端都分别与两端的挂齿4连挂生根，以此形成主要由纤维布条121中的经线1211提供拉应力的增强扭杆轴1扭转刚度和弯折刚度的纤维层12。

[0036] 优选地，纤维层12中包含由纤维布条121单向缠绕的45°缠绕层、﹣45°缠绕层、0°缠绕层和90°缠绕层。45°缠绕层、﹣45°缠绕层提高扭杆轴1的抗剪切强度和刚度，0°缠绕层提高扭杆轴1的抗拉伸强度和刚度，90°缠绕层提高扭杆轴1的抗压缩强度和刚度。实施例四

[0037] 如图12、13所示，一种包含上述扭杆轴的轻量化抗侧滚扭杆，还包括扭杆轴1两端的扭转臂，扭转臂为扭杆轴1的金属管11向两端延伸、弯折形成的管状的扭转臂2。也就是，本轻量化抗侧滚扭杆是一根中空的杆件，其扭杆轴1外周被纤维包覆，因而表现出重量轻，但作为扭转部位的扭杆轴1具有足够的结构强度和符合设计要求的扭转刚度。由于扭转臂2较短，抗弯折的性变力强，因而无需做纤维包覆处理。

[0038] 上述轻量化抗侧滚扭杆，还包括扭转臂2的端部连接体5，端部连接体5包括转臂连接部51和拉杆连接部52，转臂连接部51与扭转臂2的端部连接，拉杆连接部52与拉杆6连接。这样，通过管状扭转臂的端部连接体5设置，就解决了空心抗侧滚扭杆100的扭转臂2不能够直接与拉杆6连接的问题。

[0039] 转臂连接部51具有能够使扭转臂2端部进入的连接孔511，连接状态下，扭转臂2端部位于连接孔11内。

[0040] 扭转臂2端部位于连接孔511内具有以下三种方式：方式一：扭转臂2端部通过过盈配合插入转臂连接部51的连接孔511中，实现扭转
臂2与端部连接体5的连接。

[0041] 方式二：转臂连接部51的连接孔511内壁设有内螺纹，管状扭转臂的端部外周具有外螺纹，扭转臂2端部通过螺纹配合旋入转臂连接部51的连接孔511中实现扭转臂2与端部连接体5的连接。

[0042] 方式三：如图14所示，扭转臂2的端部外周具有防脱外波纹512，转臂连接部51的连接孔511内壁具有热压铆接时适应防脱外波纹512变形形成的防脱内波纹（图中未示出），扭转臂2与转臂连接部51的连接孔511通过热压铆接方式连接。

[0043] 这里的热压铆接方式是：将转臂连接部51加热软化，将具有防脱外波纹512的扭转臂2的端部插入转臂连接部51的连接孔511内，用外套模具在转臂连接部51外周施加径向向心的紧缩力，使连接孔511内壁适应扭转臂2外周的防脱外波纹512作相应性变形成与防脱外波纹512相咬合的防脱内波纹，冷却后即实现端部连接体5与扭转臂2的连接。

[0044] 拉杆连接部52为轴心线与扭杆轴1的轴心线平行的饼状体，饼状体上设有轴心线与扭杆轴1的轴心线平行的用于与拉杆6连接的销轴孔527。实施例五

[0045] 如图15、16、17所示，其与实施例四的不同之处在于：拉杆连接部52为球关节件，球关节件包括关节球528和包绕在关节球528外周面的环形关节套，关节球528的两侧外露于关节套两侧，连接孔511设在外露于环形关节套一侧的关节球528上，关节套与拉杆6连接。与实施例四拉杆连接部52不同的是，拉杆6能够通过关节套与关节球528作多向转动，更适合拉杆6与扭转臂2之间的受力工况。在本实施例中，拉杆连接部52只是关节球528上连接孔
511所在的区域。

[0046] 为便于装配，关节套做了两半式设计，具体地：关节套包括半环形的外半套一521和外半套二522，以及环形的前内半套523和后内半套524，外半套一521左右两侧分别有径向向外伸出的左固定脚一5211和右固定脚一，左固定脚一5211和右固定脚一上分别设有左螺杆孔一52111和右螺杆孔一52121，外半套二522左右两侧分别有径向向外伸出的左固定脚二5221和右固定脚二，左固定脚二5221和右固定脚二上分别设有左螺杆孔二52211和右螺杆孔二52221，前内半套523和后内半套524分别扣合在关节球528中部区域的前部和后部，外半套一521和外半套二522扣合在前内半套523和后内半套524外，左固定脚一5211与左固定脚二5221贴合，左螺杆孔一52111和左螺杆孔二52211相通供螺杆529穿过后紧固，右固定脚一5212与右固定脚二5222贴合，右螺杆孔一52121和右螺杆孔二52221相通供螺杆529穿过后紧固。

[0047] 对应上述设置，拉杆6的一端具有与拉杆6一体成型的呈钳形设置的左连接柱61和右连接柱62，在左连接柱61和右连接柱62的底端面有轴向设置左螺杆孔611和右螺杆孔621，左螺杆孔611和右螺杆孔621能够分别与左螺杆孔一52111和右螺杆孔一52121相对应。
这样，在装配时，总共就只需要两个螺杆529就能够在实现球关节件装配的同时，还能将端部连接体5直接与拉杆6连接，而如果用两个螺杆529单独将外半套一521和外半套二522固定来完成球关节件装配，然后再设置连接件将球关节件与拉杆6连接，就会需要更多部件和更复杂的结构设置，有悖于简洁、合理、高效的设计理念。

[0048] 进一步地，在关节套与关节球528之间设有半环形的耐磨衬套一525和耐磨衬套二526，以增加球关节件的耐用性和灵活性。
实施例六

[0049] 如图18所示，其与实施例四的不同之处在于：转臂连接部51为能够插入扭转臂2的端部孔21内的连接杆513，所述连接杆513以过盈配合插入扭转臂2的端部孔21内实现扭转臂2与端部连接体5的连接。

[0050] 当然，连接杆513与扭转臂2的端部孔21之间也可以采用实施例一中的热压铆接。实施例七

[0051] 如图19、20、21、27、28、29所示，一种如上所述金属管的管孔加工工，艺包括如下步骤：S1、对待加工的杆件7实施圆柱化加工，使其任意横截面为圆面且圆心均位于杆件
轴心线75上；
S2、通过掉头换向夹持杆件7，用安装在机床一侧的同一钻头分别从杆件7的A、B两
端钻出相通的孔一71和孔二72，并使孔一71的轴心线一711和孔二72的轴心线二721在同一直线上,也就是使孔一71和孔二72形成金属管11的管孔111，轴心线一711和轴心线二721为管孔轴心线1111；
S3、以轴心线一711和轴心线二721为管孔轴心线1111将杆件7定位装夹，使杆件7
绕管孔轴心线1111转动对杆件7外周实施车削至管孔111任意处的壁厚为设定的标准壁厚。

[0052] 这样，孔一71和孔二72就成为一个完整的金属管11的管孔111，由于钻头装夹和钻孔时无可避免的误差，通过步骤S2钻出的管孔111的管孔轴心线1111与圆柱化的杆件轴心线75形成了夹角甚至没有交点，必然导致管孔111孔壁各处的壁厚不均匀，通过步骤S3重新以管孔轴心线1111为轴线车削杆件的外周，就获得了符合壁厚均匀的金属管11，同时，由于金属管是在实心杆件上打孔制作而成，能够保证整个金属管材质均匀一致，从而避免金属管存在易于变形、断裂的薄弱部位。

[0053] 如图22、23所示，实现S2中使孔一71的轴心线一711和孔二72的轴心线二721在同一直线上包括如下步骤：a1、预先确定钻头在实际钻孔时的偏移方向及钻头所钻孔的出刀端口76的圆心x
偏离杆件轴心线75的偏移量y；
a2、根据a1获得的偏移方向分别确定待加工的杆件7的A端夹持方向732和B端夹持
方向742，并根据a1获得的偏移量y分别确定杆件7的A端73入刀点x1和B端74入刀点x2的位置，保证用同一钻头分别从杆件7两端入刀点x1和入刀点x2进刀钻出的孔一71和孔二72的轴心线一711与轴心线二721平行，并保证孔一71的出刀端口76和孔二72的出刀端口76重合，且具有共同的圆心x；
a3、钻孔，包括如下分步骤：
1）按a2确定的A端夹持方向732夹持杆件7，从杆件7的A端按a2确定的入刀点x1进
刀钻孔；
2）掉头换向，按a2确定的B端夹持方向742夹持杆件7，从杆件7的B端按a2确定的入
刀点x2进刀钻孔。

[0054] 如图28所示，由于孔一71出刀端口的圆心在轴心线一711上，孔二72出刀端口的圆心在轴心线二721上，轴心线一711与轴心线二721平行，孔一71出刀端口的圆心和孔二72出刀端口的圆心为重合的一个点x，这些条件实际上已经使得轴心线一711与轴心线二721在一条直线上，孔一71和孔二72就成为一个直通的管孔111。

[0055] 如图22、23所示，获得a1所述的钻头在实际钻孔时的偏移方向77及钻头所钻孔的出刀端口76的圆心x偏离杆件轴心线75的偏移量y，是将一根圆柱化的杆件7作为实验杆件701，通过钻孔、测量得到，包括如下步骤：
b1、将实验杆件701夹持在加工机床上，并在实验杆件701A端添加表达A端夹持方
向732的标记；
b2、选择A端圆心731为入刀点x1，使钻头从所在端的实验杆件701的A端面的入刀
点x1钻入，钻出长度与孔二72长度相等的孔一71作为实验孔；
b3、使用测量仪测出孔一71出刀端口76内壁最薄处的方位和厚度h；
b4、通过测出的最薄处的方位确定孔一71的偏移方向77；设实验杆件701的半径为
r1,孔一的半径为r2,获得孔一71出刀端口圆心x偏离杆件轴心线75的偏移量y，y=r1‑h‑r2；
根据孔一71出刀端口76的轴向位置，以及孔一71的偏移方向和偏移量y，获得出刀端口圆心x具体位置。

[0056] 进一步的措施一：如图24所示，制作实验杆件701的比例视图7011，至少将入刀点x1、出刀端口圆心x
反应在比例视图7011中，作x1至x线段78，并延伸该线段至实验杆件701的B端面，其与B端面的交点即为B端面的入刀点x2。

[0057] 进一步的措施二：如图25所示，直接在实验杆件701B端从B端圆心741处按b4确定的偏移方向77确定
入刀点x2，入刀点x2位于偏移方向77的距离B端圆心7412y处。

[0058] 如图26所示，将入刀点x1和入刀点x2以及A端夹持方向732和B端夹持方向742标注在圆柱化的待加工的杆件7上；或，直接输入智能化机床的控制系统。

[0059] 如图27、28所示，上述B端夹持方向742是杆件7的B端掉头换向至钻头所在端后，按A端夹持方向732绕杆件轴心线75旋转180°后的方向。

[0060] 这样，按照A端的夹持方向夹持杆件7并从入刀点x1钻出孔一71，再掉头换向按照B端的夹持方向夹持杆件7并从入刀点x2钻出孔二72，就完成了该杆件7完整的金属管孔111的加工。

[0061] 为排除重力干扰，在允许的条件下，优选钻头为垂向设置，杆件7采用垂向装夹，实施垂向钻孔。实施例八

[0062] 如图30、31所示，其与实施例七的不同之处在于，将实施例七确定的入刀点x1和入刀点x2按偏移方向的反方向移动距离y,使x位于杆件7的杆件轴心线75上。这样，就能够在杆件轴心线75的两侧进刀，与实施例一仅在杆件轴心线75的一侧进刀相比，能够减少金属管11的车削量，减小杆件7的直径。

[0063] 上述实施例只用于更清楚的描述本发明，而不能视为限制本发明涵盖的保护范围，任何等价形式的修改都应视为落入本发明涵盖的保护范围之中。