車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)

車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)第六章車輛動(dòng)力學(xué)

車輛動(dòng)力學(xué)是對(duì)車輛與線路之間及車輛之間相互耦合作用的復(fù)雜動(dòng)力作用過程機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，并據(jù)此提出車輛及列車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和參數(shù)的一門學(xué)科。主要研究的問題研究和確定車輛在導(dǎo)向線路上安全和平穩(wěn)運(yùn)行的條件。研究車輛結(jié)構(gòu)、走行懸掛系統(tǒng)、牽引驅(qū)動(dòng)裝置、連接與緩沖裝置等機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。研究車輛各部件的動(dòng)載荷特征。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)第一節(jié)引起車輛振動(dòng)的原因及基本振動(dòng)型式

一、車輛振動(dòng)的型式伸縮：沿x軸的縱向振動(dòng)浮沉：沿z軸的上下振動(dòng)橫擺：沿y軸的振動(dòng)。側(cè)滾：在橫斷面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)搖頭：沿水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)頭：縱向立面中的轉(zhuǎn)動(dòng)車體的橫擺與側(cè)滾形成了兩個(gè)耦合振型：繞車體重心上方某滾心運(yùn)動(dòng)的為上心滾擺；繞車體重心下方某滾心運(yùn)動(dòng)的為下心滾擺。搖頭與滾擺屬于橫向振動(dòng)范疇，浮沉、點(diǎn)頭為垂向運(yùn)動(dòng)范疇，伸縮則為縱向振動(dòng)。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)車體的空間振動(dòng)車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)二、激起車輛振動(dòng)的線路原因軌道不平順的4種類型(a)高低不平順；(b)水平不平順和軌距不平順；(c)方向不平順車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)軌道隨機(jī)不平順的表示——50kg重鋼軌的有縫軌道……50kg重鋼軌的無縫軌道軌道高低不平順的功率譜密度函數(shù)示例車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)三、車輛的自激振動(dòng)在鋼輪與鋼軌的接觸面或橡膠輪胎與導(dǎo)向路面之間存在著切向力。這種切向力稱蠕滑力或粘滑力，它隨車輪與路面或軌面的相對(duì)位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而發(fā)生變化。在一定條件下，這種切向力會(huì)激起車輪乃至車輛發(fā)生劇烈振動(dòng)，振動(dòng)的原因是自激性的。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)第二節(jié)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性及安全性的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)車輛的動(dòng)力學(xué)性能主要有平穩(wěn)性安全性曲線通過性能。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)一、車輛運(yùn)行平穩(wěn)性及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)車輛平穩(wěn)性是評(píng)定乘客舒適程度的主要依據(jù)，反映了車輛振動(dòng)對(duì)人體感受的影響。

j——振動(dòng)加速度(cm/s2)；f——振動(dòng)頻率(Hz)；F(f)——與頻率有關(guān)的修正公式，反映人體對(duì)不同方向和頻率振動(dòng)的敏感度。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)車輛橫向平穩(wěn)性指標(biāo)與振動(dòng)加速度車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)我國鐵路客車運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)平穩(wěn)性等級(jí)評(píng)

定平穩(wěn)性指標(biāo)1級(jí)優(yōu)<2.52級(jí)良好2.5～2.753級(jí)合格2.75～3車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)歐洲與北美的平穩(wěn)性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)在新輪踏面、軌道滿足UIC標(biāo)準(zhǔn)并處于良好維護(hù)狀態(tài)的條件下，

w≤2.5(垂直與橫向)平穩(wěn)性的測(cè)點(diǎn)設(shè)置在心盤位的地板面上。對(duì)車輛準(zhǔn)正弦振動(dòng)幅值。也有限制

a(mm)≤25/f2 (1Hz≤f≤10Hz)

a(mm)≤250/f2 (10Hz≤f≤50Hz)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO2631標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估振動(dòng)對(duì)人體影響時(shí)用疲勞時(shí)間T表示，從維持工作效能，健康和舒適度出發(fā)相應(yīng)提出3種限度：工效下降限度，承受限度舒適度下降限度。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)研究結(jié)果這些限度是在對(duì)飛行員及汽車駕駛員進(jìn)行大量測(cè)試研究后取得的。人體對(duì)2Hz左右的水平振動(dòng)很敏感，而對(duì)垂直振動(dòng)4～8Hz最敏感。在英法等歐洲國家也有取洛奇的疲勞時(shí)間評(píng)定法；在日本則采用等舒適度曲線法評(píng)定平穩(wěn)性。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)新車與運(yùn)用后的車輛的輪軌關(guān)系，懸掛參數(shù)有所不同，其性能相應(yīng)發(fā)生變化因而不僅需要對(duì)新車平穩(wěn)性或其他性能提出要求，運(yùn)用一段時(shí)期的車輛也必須達(dá)到適當(dāng)?shù)钠椒€(wěn)性指標(biāo)。要求在設(shè)計(jì)中采用的結(jié)構(gòu)參數(shù)必須確保在車輛整個(gè)運(yùn)用期內(nèi)有穩(wěn)定而優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)

二、車輛運(yùn)行安全性及評(píng)定指標(biāo)城軌動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，受到外界或內(nèi)在因素產(chǎn)生的各種作用，在最不利因素組合下可能喪失車輛安全運(yùn)行的基本條件，從而造成輪軌分離，車輛脫軌或傾覆的惡性事故。因而研究運(yùn)行安全性及其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)很重要。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)1．輪對(duì)脫軌條件及評(píng)定指標(biāo)車輪脫軌系數(shù)

Q1/P1=1.0為第一限度，希望不超過的允許限度Q1/P1=1.2為第二限度。是安全限度。新車不能超過第一限度車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)車輛脫軌的作用力關(guān)系車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)輪對(duì)脫軌條件表示為：H:轉(zhuǎn)向架作用在輪對(duì)上的橫向力適用于低速脫軌過程高速脫軌是由跳軌或蛇行失穩(wěn)產(chǎn)生的，此時(shí)瞬時(shí)側(cè)向力可以很大，因此Q1/P1的臨界值與出現(xiàn)峰值瞬時(shí)力的時(shí)間Δt成反比。時(shí)間越短，允許的臨界值可以大些。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)2．輪重減載引起的脫軌條件△P——左右輪重差；μ1、μ2、a1、a2——分別為左右車輪與軌頭接觸處的摩擦因數(shù)及接觸角。我國規(guī)定的允許限度為0.6

車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)公式使用的具體條件在使用上述三個(gè)公式時(shí)應(yīng)注意具體條件Q1/P1是根本性的依據(jù)后兩個(gè)公式則是有條件的，條件不滿足時(shí)采用后兩公式會(huì)得到矛盾的結(jié)果。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)3．影響脫軌的因素及防范措施影響車輛脫軌的因素很多，而實(shí)際脫軌往往是多種因素的組合所形成，其中某個(gè)因素起了決定性促成作用。主要的脫軌因素有；線路條件：線路的曲線超高、順坡、三角坑及局部高值不平順均會(huì)引起過大側(cè)向力或輪重減載。車輛條件：車輛的轉(zhuǎn)向架制造公差、回轉(zhuǎn)力矩、軸箱橫向定位剛度過大、斜對(duì)稱載荷均會(huì)造成側(cè)向力過大或引起輪重減載。運(yùn)用條件：側(cè)向力過大、車輛重心過高，在曲線上也會(huì)導(dǎo)致減載超限裝載偏重、空車彈簧靜撓度過小均會(huì)引起輪重減載。一般車輛低速由曲線進(jìn)入直線時(shí)容易脫軌。風(fēng)力過大有時(shí)也是曲線脫軌的原因。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)4．車輛傾覆安全性當(dāng)車輛彈簧柔性過大，重心過高時(shí)，在過大的離心力、振動(dòng)慣性力或風(fēng)力組合作用下，整個(gè)車輛一側(cè)車輪減載過大而使車輛傾覆。車輛在橫向力作用下可能傾覆的程度用傾覆系數(shù)D來表示式中，P2——車輛外軌側(cè)的垂直輪軌力；

P1——車輛內(nèi)軌側(cè)的垂直輪軌力。我國規(guī)定D=0.8為危險(xiǎn)限度，允許傾覆系數(shù)應(yīng)為D<0.8。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)防止車輛傾覆的措施加大車輛橫向剛度或抗側(cè)滾剛度，以減少重心偏移過大引起的簧上失穩(wěn)。增大橫向剛度會(huì)減小橫向平穩(wěn)性，目前大多采用增加抗側(cè)滾剛度的扭桿來減小側(cè)滾角，提高抗傾覆能力車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)第三節(jié)車輪導(dǎo)軌接觸及滾動(dòng)理論采用車輪支承、滾動(dòng)是車輛獲取導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)力的主要方式。軌道車輛中地鐵、輕軌常采用鋼輪鋼軌方式，獨(dú)軌、新交通系統(tǒng)及部分地鐵則采用充氣輪胎走行在硬質(zhì)導(dǎo)向路面上。車輪與導(dǎo)軌間的滾動(dòng)接觸關(guān)系決定了它們間的作用力、變形和相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此滾動(dòng)接觸直接影響城市軌道車輛的性能、安全、磨耗與使用壽命。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)一、輪軌接觸幾何關(guān)系(等效斜率、重力剛度及重力角剛度)車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)1．等效斜率λ0當(dāng)輪對(duì)產(chǎn)生橫移y時(shí)，左右接觸點(diǎn)產(chǎn)生變化，接觸點(diǎn)處的滾動(dòng)圓半徑及接觸角相應(yīng)發(fā)生變化△r及△δ。在小位移y下，△r及△δ與y成線性關(guān)系；△r=λey,λe稱等效斜率錐形踏面時(shí)踏面斜率即為λe。λe的大小反映了輪對(duì)偏移時(shí)，左右輪滾動(dòng)圓半徑差異的大小，它是產(chǎn)生蛇行運(yùn)動(dòng)的直接原因。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)2．重力剛度Kg假設(shè)輪軌接觸面處摩擦因數(shù)為零，輪對(duì)橫移后左右車輪的接觸角δ不等將引起法向力的水平分力也不相等，由此產(chǎn)生的輪軌水平合力將迫使輪對(duì)中心回到原來位置上去。定義：輪對(duì)橫移時(shí)輪對(duì)中心升高，車輛增加的勢(shì)能迫使輪對(duì)的復(fù)位能力。這是有利于提高輪對(duì)蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的因素。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)3．重力角剛度Cg同樣在輪對(duì)搖頭時(shí)，左右輪的接觸點(diǎn)前后移動(dòng)，其左右橫向分力產(chǎn)生了一個(gè)繞垂直軸的力矩、其方向?qū)⑹馆唽?duì)繼續(xù)擴(kuò)大搖頭角。本質(zhì)上是輪對(duì)重心下移，車輛系統(tǒng)的重力勢(shì)能釋放，促使輪對(duì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。由此產(chǎn)生的負(fù)力矩與搖頭角△φ的比值稱重力角剛度Cg。它是一個(gè)不利車輛蛇行穩(wěn)定性的因素，但數(shù)值較小。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)磨耗前后的輪軌接觸關(guān)系變化(a)磨耗前后的等效斜率變化；(b)磨耗前后的接觸角變化車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)剛度計(jì)算一般情況下采用錐形踏面的輪對(duì)的重力剛度與重力角剛度分別為：W為輪重，b為左右輪滾動(dòng)圓間距之半。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)二、輪軌接觸蠕滑關(guān)系輪對(duì)在鋼軌上運(yùn)行時(shí)，一般承受垂直載荷和縱橫切向載荷?？v向載荷主要來自牽引及制動(dòng)。穩(wěn)態(tài)前進(jìn)的非動(dòng)力輪的車輪在不制動(dòng)時(shí)，其縱向切向力平衡軸承阻力和蛇行時(shí)的慣性力。無論是動(dòng)力輪對(duì)或從動(dòng)輪對(duì)都存在著縱向切向力，它導(dǎo)致了輪軌縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度差。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)1．粘著區(qū)和滑動(dòng)區(qū)由于車輪和鋼軌都是彈性體，滾動(dòng)時(shí)輪軌間的切向力將在接觸斑面上形成兩個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域：粘著區(qū)和滑動(dòng)區(qū)。切向力小時(shí)主要為粘著區(qū)；隨著切向力加大，滑動(dòng)區(qū)擴(kuò)大，粘著區(qū)縮小。當(dāng)切向力超過某一極限值時(shí)，只剩下滑動(dòng)區(qū)，輪子在鋼軌上開始明顯滑動(dòng)。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)輪軌接觸區(qū)表面受力情況車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)2．蠕滑與蠕滑率由于粘滑區(qū)的存在，輪周上接觸質(zhì)點(diǎn)的水平速度與軌頭上對(duì)應(yīng)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)輪心的水平速度并不相同，存在著一個(gè)微小的滑動(dòng)，稱為蠕滑(Creep)。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)蠕滑產(chǎn)生的條件輪軌是彈性體車輪和鋼軌之間有一定的正壓力車輪沿鋼軌滾動(dòng)車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)縱向蠕滑率γ定義車輪的橫向蠕滑率y為小的橫向滑動(dòng)率，這也是一種蠕滑現(xiàn)象。定義車輪的縱向蠕滑率γ為車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)3、蠕滑力

縱向蠕滑力 F11=--f11×γ11

橫向蠕滑力 F22=--f22×γ22式中： R——車輪半徑（mm）

N——車輪上的輪重（t）車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)4．粘著系數(shù)當(dāng)蠕滑率較大時(shí)，切向力增值的趨勢(shì)變緩，最后切向力達(dá)到飽和值。通常將極限狀態(tài)下的最大縱向切向力與垂直輪載的比值稱為粘著系數(shù)。輪軌接觸表面的狀態(tài)決定了粘著能力。干凈的鋼輪鋼軌間的粘著系數(shù)可達(dá)0.6，但有油污后下降幅度很大。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)第四節(jié)車輛的蛇行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性具有一定踏面形狀的鐵道車輛輪對(duì)，即使沿著平直軌道滾動(dòng)，受到微小激擾后就會(huì)產(chǎn)生一種振幅保持或繼續(xù)增大直到輪緣受到約束的特有運(yùn)動(dòng)。此時(shí)輪對(duì)向前滾動(dòng)，一面橫向往消失而劇烈的蛇行運(yùn)動(dòng)不能收斂時(shí)，則稱為蛇行失穩(wěn)。車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)輪對(duì)的蛇形運(yùn)動(dòng)軌跡車輛動(dòng)力學(xué)(第六章)一、自由輪對(duì)的蛇行運(yùn)動(dòng)簡化假定：剛體自由輪對(duì)沿平直軌道作等速運(yùn)動(dòng)。輪對(duì)的運(yùn)動(dòng)屬微幅振動(dòng)，其輪軌接觸幾何，蠕滑率—力關(guān)系均為線性，縱橫向蠕滑系數(shù)近似相等。輪對(duì)具有小錐角踏面、等效斜率λe較小，暫不計(jì)及重力剛度與角剛度的因素。輪對(duì)橫擺、搖頭自由度為yw、ψw。不考慮側(cè)滾慣