转向架的动力学特性

Daisha转向架的动力学特性东京大学生产技术研究所副教授须田义大1.前言作为轨道交通系统的铁道，近年来以我国和欧洲为中心，从高速性、可靠性和节能等观点来说，完成了下一代交通系统的发展。

法国国铁的新干线TGV运行速度打破500km/h这一最新消息是其中代表性的事件。

另一方面，大深度地下开发、有效利用大都市内有限空间的交通系统也高度引人注目。

另外，激活原有系统也是一个重大的课题。

更进一步，考虑到今后的社会形势，可以说减少轨道维护也是左右铁道能否继续存在下去的课题。

因而，铁道作为一个系统，还应该做到车辆与轨道的协调。

这样考虑的话，就可以看到新的目标：（1）超过500km/h的超高速稳定性，（2）提高通过半径小于50m的急弯道的性能，（3）300km/h左右的高速性与通过小半径曲线性能的并存，（4）与轨道的协调。

相对于这种铁道系统的新进展，作为运行装置的转向架是解决问题的一个关键。

但所要改进的不仅仅是转向架的结构学，改进转向架的运动特性即动力学特性尤为重要。

因此，在此我想以“转向架的动力学特性”为题，谈谈有关转向架的动态特性。

最近最受注目的有关转向架的话题，有无枕梁转向架、操纵转向架以及偏摆减振器的实用化等。

虽然其背景自然是与转向架的动力学特性的改进有关，但我想人们自然也会关心它呈什么样的结构、具有什么样的效果这类结构学方面的问题。

因此，在此文中，将进一步把焦点集中到动力学特性即转向架的运动特性上来。

因而，本文将不谈及最近各种提案的新的转向架，重点阐述以前转向架动力学特性的思考方法。

要了解动力学特性，我想首先说明转向架的运动本身、它有怎样的运动方式。

然后，从三个不同的视点来剖析其动力学特性。

即，对有关动力学特性的实际的问题、作为物理现象的动力学特性以及转向架的动态现象的看法。

2.转向架的运动在考虑转向架、车体、甚至是一般被称为载体的汽车、船舶、飞机等的运动时，需要讨论下述六种运动方式。

即，上下·左右·前后方向，以及它们所拥有的轴的旋转运动：偏摆、纵向运动和横摇（图-1）。

如果只限于轮轴的运动，一般不考虑其中的前后、纵向运动和横摇。

因为它本身就是受制于轨道的旋转运动。

因而，在探讨轮轴的运动时，主要以考虑了平面运动的左右和偏摆、或是上下方向运动为对象。

对于转向架主体即转向架构架以及车体，一般多从下述三种组合来探讨：与轮轴一样的左右和偏摆、再加上横摇的运动；上下和纵向运动；前后运动。

横摇运动多与左右运动联动，与偏摆一起被称为左右运动的解析问题，与摆动特性、操纵特性及乘坐舒适度特性等重要问题密不可分。

图-1 转向架的运动转向架的结构要求在该动的方向能够自由运动，在不该动的方向应受到限制。

即，除了轮轴的转动不受约束外，转向架在其它方向的运动基本上都要受到限制。

最成问题的是偏摆运动。

在直线运行时不需要偏摆，而在弯道运行时需要。

它与上下振动等根本的不同在于，上下振动只要把防振放在心上就行了，而它则必须得下工夫满足两个截然相反的条件。

3.与动力学特性密切相关的实际问题转向架的基本功能有三：支承车体、导向和驱动。

可是，不仅仅是这些，它与下面将要说明的与动力学特性密切相关的实际存在问题关系也很密切。

（1）提高乘坐舒适度虽说乘坐舒适度与心理方面、噪音和内部设施有关，但不管怎么说，还是改善振动·摆动状况对提高乘坐舒适度作用较大。

因此，有必要抓住这一动力学特性问题。

这不仅仅只是如何解决振动绝缘的问题，如何抑制振动源以及如何把握物理性振动与体内感觉的关系等，也是十分重要的课题。

（2）高速化所谓防止自激不规则摆动、得到稳定的运行自不必说，但转向架会因轨道的不规则而激振。

由于速度越高这个激振力就越大，所以有必要探讨高速时的乘坐舒适度和轮对失稳等的安全性。

另外，如果是在弯道区间，对相对于与时时刻刻都在变化的曲率半径和速度的二次方成正比的离心力的横向压力和乘坐舒适度的研究也是很重要的。

（3）防止轨道与车轮的磨耗车轮能够沿着轨道平稳地运行自然是不成问题的，但如果车轮与轨道间出现滑动，或者不能进行适当的操纵而在车轮和轨道间出现破坏角的话，就会造成轮缘和轨道的磨耗。

这是因为转向架具有对轨道的随动性亦即响应性的缘故。

（4）防止轨道破坏轨道破坏正是由于车辆的运行而发生的。

因车辆的振动而助长轨道形变和弯道轨道所受的正常横向压力等，都要求改善转向架的动力学特性。

（5）确立脱轨的安全性脱轨现象也是由转向架的运转而发生的，当然是与动力学特性密切相关的重要问题。

（6）防止噪音噪音既有车体的空气动力噪音和受电弓与接触网之间的滑动音，也有随着车轮与轨道的滚动接触、振动而产生的噪音，防止这一噪音也很重要。

以前的防噪音措施的中心是不让已发生的声音扩散，而今后采取防止与动力学特性有关的噪音的产生和传播的措施更有必要。

4.捕捉动力学特性现象的方法要调查动力学特性现象，最好能先接触一下它的物理性质，这样会更容易理解一些。

因此，尽管有些繁琐，但我还是想谈谈这方面的话题。

4-1动态系统不仅仅是转向架的运动，所谓的一般动态系统亦即动态的系统，是指象图-2那样的，系统输出依赖于输入系统的时间经过、把输入输出关系的动力学特性作为研究课题的系统。

套用转向架来说，假定转向架为一个系统，它的输出是转向架的各部分、轮轴和转向架构架的时间响应，即转向架各部分的动作和振动。

而输入则是轨道和钢轨。

图-2 动态系统的模式车辆在运行中，轨道形状是直线还是曲线，随时间的变化而变动。

另外，无论轨道形状是直线还是曲线，钢轨表面的凹凸、钢轨的通端不规则等的不规则也随时间的变化而变化。

希望转向架对前者的轨道形状具有随动性，但不希望它对后者的轨道的不规则具有响应性。

两者的区别在于时间变化比例的大小。

即，要下工夫使转向架对慢速变化具有随动性，而对快速变化不具有随动性并可认定其为干扰。

动态系统的重要问题是，应加速度而产生的惯性力和因速度而产生的衰减力的作用。

象转向架这样主要以质量较大的轮轴和转向架构架为主，通过弹簧和减振器结合而成的部件，单是静态的弹簧平衡也会出现想也想不完的现象。

图-3 向转向架的输入4-2稳定性和响应性这样的动态系统从大的方面可分为稳定性和响应特性这两个性质的问题。

所谓稳定性是指系统即使受到外部干扰、也可不受其影响地继续进行原来的运动，对转向架来说，即使线路不规则、振动变大，它也能够不脱轨。

在没有外部干扰时，自激性地发生振动也会造成运动不稳定。

这种振动称为自激震动。

转向架的自激不规则摆动就是这种典型的例子。

是运行能量转化成了振动的能量。

响应特性分稳态响应和非稳态响应两种。

稳态响应是对具有固定频率的输入的响应，也叫做频率响应，对转向架来说，就相当于它在象波状磨耗那样的周期性不规则的钢轨上运行的情况。

另外，对位移和速度恒定的输入的响应，如在具有恒定曲率的圆曲线上的曲线回转性能，也是稳态响应的一种。

非稳态响应又分为不规则过程和过渡响应。

由于通常的轨道具有任意性不规则性，如果在这样的轨道上运行转向架就会受到不规则的输入。

对于过渡特性，可举出转向架在缓和曲线上的操纵性能的例子。

进入曲线，需要通过曲率从零慢慢加大的缓和曲线。

对这样的曲率呈直线性变化的响应被称为斜升响应，是过渡响应的一种。

如上所述，简单地说，稳定性和响应性就是：要想使系统（本文指转向架）按照所想的那样运动，需要解决响应特性问题；要想使系统（转向架）不做想也没想过的动作，需要确保其稳定性。

4-3解析手法（1）稳定性稳定性原则上只依赖于转向架的结构，而不依赖于线路形状是直线还是曲线以及轨道的不规则性。

因此，需要通过记述转向架的运动方程式来进行解析。

虽然实际的转向架运动是用非线性的系统来记述的，但一般多用线性运动方程式表达来进行特性值解析。

（2）频率响应输入如果是周期性的，即使是再稳定的系统，响应即振动有时也会变得非常大。

这是因为系统中存在有依赖于结构的固有振动频率，当输入接近这一振动频率时，就会发生所谓的共振现象。

由于转向架也是由质量和弹簧构成，相对于各种运动方式都有它的固有振动频率。

因此，有必要调查一下这些固有振动频率与线路的不规则的关系。

在实际的测量中，也使用利用FFT了（快速傅立叶变换）的频谱分析。

（3）稳态曲线旋转性能对操纵性能的评价，一般多用稳态响应。

这需要调查轮轴在具有特定曲率的圆曲线上是如何操纵的。

这种情况下，由于输入不依赖于时间，严格地说这不是动力学而是静力学的问题，需要考虑作用于轨道、车轮、转向架、车体的力的平衡。

图-4 自激不规则摆动方式（速度200.8km/h，蛇行运动频率4.36Hz，蛇行运动波长13.3m）（4）非稳态响应相对于不规则轨道的转向架的响应以及转向架对缓和曲线的随动性这样的响应，一般没有容易的解析手法。

因此，多用采用给予时间间隔的数值解法解答转向架的运动方程式的运行模拟来进行解析。

5.常见转向架动态现象本节将简单地叙述上一节中所谈及的几个与动力学密切相关的转向架特有的现象的特征。

5-1自激不规则摆动如前所述，自激不规则摆动属于转向架的稳定性问题。

首先让我们来看看发生定性的蛇行运动的机理。

通常轮轴由左右车轮刚性结合而成。

因而，即使左右车轮的转动速度相等，为了能使其拐过弯道，也要采取下述办法。

把车轮与轨道的接触面即踏面做成锥面，这样就等于当轮轴向曲线的外侧移动时加大了外侧车轮的半径。

可是由于采用这种结构，如果在直线轨道上轮轴也因某种原因而向左右方向移动的话，轮轴就会发生偏摆。

如果因偏摆而在轮轴与轨道之间形成破坏角的话，在所拐的方向上就会受力。

这样，轮轴又会向另外一侧移动。

这种反复的运动就是蛇行运动。

以上为静态下的考虑方法，也叫做轮轴的几何自激不规则摆动。

车轮与轨道的形状一旦确定，自激不规则摆动的波长也就随之确定。

一般可采取简单地加长其波长的对策。

实际上，转向架的自激不规则摆动常常伴随着轮轴的剧烈运动。

因而，由于惯性力的作用，并不是象这样的单纯的现象。

还必须得考虑轮轴与转向架构架的弹性结图-5 自激不规则摆动的安全性与轴箱支承刚性合。

因此，就有必要进行动力学的研究，即抓住动态系统的稳定性的问题。

图-4是只考虑转向架构架与轮轴的平面运动自由度情况下的、通过特性值解析而求得的自激不规则摆动的方式的例子。

在这一计算例中，速度约为200km/h，蛇行运动的频率约为4.3Hz 即波长为13.3m。

由图中可以看出，由于运动非常地快，不但轮轴与转向架构架各自存在有相位差，而且还进行着左右与偏摆的复合运动。

那么，该如何防止这种蛇行运动呢？基本上看图就可以想象得出，两个轮轴与转向架构架相互约束。

也就是说，轮轴与转向架构架之间的轴箱支承刚性较大地左右着稳定性。

该支承刚性值既不能过小也不能过大。

如图-5所示，理论上存在有与转向架的大小、车轮和轨道间的力的特性相应的适度的值。