《车辆构造》第七章城市轨道交通车辆动力学基础
城市轨道交通车辆工程第七章 城轨车辆垂向动力学
城轨车辆垂向动力学
在第六章中已经叙述了引起城轨车辆振动的主要原因和城 轨车辆振动的主要形式，其中在铅垂面内产生的振动（包括 沉浮、点头和伸缩）主要是由波形线路引起的。本章所要讲 述的内容仅限于垂向振动，当然包括沉浮、点头和伸缩3种形 式，但根据实测资料，由于城轨车辆伸缩振动一般不显著， 因此通常不予考虑。
6．共振建立过程
• 第三节 具有一系簧和液压减振器车轮荷重 • 系统受迫振动
1．系统动力学模型及受力分析 2．运动方程 3．方程的解
4．讨 论
• 第四节 液压减振器和摩擦减振器的 • 吸振性能比较
1．激扰力在振动一个周期内所做的功A激扰 2．液压减振器在振动一个周期内所吸收的功A减 3．在共振点处，为使振幅不增加，必须使A激 = A减
• 第七节 具有两系簧的有阻尼车辆 • 系统的受迫振动
1．数学模型
2．受力分析
3．运动方程 4．方程的解及结果分析 5．本章总结
一、研究目的
二、垂向振动研究内容
• 第一节 具有一系簧的无阻尼车轮荷重系统的 • 固有振动
1．系统动力学模型 2．受力分析
3．运动方程
4．方程的解 5．分 析
• 第二节 具有一系簧的无阻尼车轮荷重系统的 • 受迫振动
1．激扰源 2．系统动力学模型及受力分析 3．运动方程 4．方程的解 5．分析讨论
4．摩擦减振器在振动一个周期内所吸收的功A摩
5．摩擦减振器与液压减振器的性能比较
• 第五节 具有两系簧的无阻尼车轮荷重系统的 • 固有振动
1．系统模型及受力分析
Hale Waihona Puke 2．运动方程3．求系统固有频率
• 第六节 具有两系簧的有阻尼车轮荷重 • 系统的受迫振动
城市轨道交通车辆构造-教案-第71
教学设计
教学过程
教学环节教师讲授、指导（主导）内容
学生学习、
操作（主体）活动
时间
分配
组织教学师生互致问候，宣布开始上课。
学生集中注意力，
进入学习状态。
1mn
复习冷凝器的作用
学生积极参与思
考，融洽师生关系。
充分调动学生学习
的积极性和兴趣。
4min
新授知识第一节引起车辆振动的原因
学生积极思考老师
提出的问题，并做
回答。
认真听讲，并做就
好课堂笔记。
35min
第二节轮轨接触及滚动原理
二、轮轨接触蠕滑关系
1.粘着区和滑动区
2.蠕滑与蠕滑率
3.蠕滑力。
轨道交通车辆动力学基础一PPT课件
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车辆的振动形式
浮沉运动——沿垂向平移
横摆运动——沿横向平移
伸缩运动——沿纵向平移
摇头运动——绕垂向轴旋转 (yaw)
点头运动——绕横向轴旋转 (pitch)侧滚运动——绕纵向轴Fra bibliotek转 (roll)
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与轨道有关的激振因素
1、峰值扣分法； 2、TQI。
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轨道平顺状态的评估方法
1、峰值扣分法
峰值扣分法从轨道几何尺寸指标、动力学指标的角度 出发，根据轨道局部不平顺超限等级，以一公里为单位计算 总扣分的方式来评价轨道的质量。检查评定项目包括轨距、 水平、高低、轨向、三角坑、车体垂向振动加速度和横向振 动加速度共七项。
局部不平顺幅值超限评分法把轨道动态几何尺寸允许 偏差管理值按线路允许速度分为四级：Ⅰ级为保养标准，每 处扣1分；Ⅱ级为舒适度标准，每处扣5分；Ⅲ级为临时补 修标准，每处扣100分；Ⅳ级为限速标准，每处扣301分。
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轨道平顺状态的评估方法
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轨道平顺状态的评估方法
每公里扣分总数按下式计算：
具体的TQI管理限界值的组成如下表:
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轨道平顺状态的评估方法
计算分析：
2.某区段200m范围内，采样点及参数见下表。（TQI法）
采样点 1 轨距 1435 高低 140
2 1437 130
3 1436 120
4 1434 145
5 1440 150
6 1434 155
轨距均值：1436 轨距标准差：2.08 高低均值：140 高低标准差：11.9
城市轨道交通机械基础第7章
5.力的表示方法 力是一个既有大小又有方向的矢量。一般有两种表示方法：
1)用加粗的字母“F”表示(表示力的大小时用不加粗的字母“F”表示，如F＝10 0N)。
2)用一条带有箭头的线段来表示，如图7-1所示。
力系与原力系等效。 这是因为平衡力系对刚体的作用总效应等于零，因此，它不会改变刚体的原有状
态。常被用来简化已知力系或推导某些静力学定理，是力系等效替换的重要理论依据。 证明：如图7-4所示
图7-4 力的可传性
7.1.3 静力学公理
例如，如图7-5所示，用小车运送物品时，不论在车后A点用力F推车，或是在车前同一 直线上的B点用力F拉车，对于车的运动而言，其效果都是一样的。
图7-2 梁受均布载荷
7.1.2 平衡的概念
1.物体的平衡状态 物体相对于地面保持静止或做匀速直线运动。
2.平衡力系 作用于物体上使之保持平衡状态的力系。平衡力系中的各个力对物体的作用效果
相互抵消，因此，物体处于平衡状态。 3.平衡条件和平衡方程
静力学研究物体的平衡问题，实际上就是研究作用于物体上力系的平衡条件，即： FR=0。平衡力系的合力为零，建立平衡条件的投影式和力矩式就得到了平衡方程，利 用平衡条件或平衡方程就可以解决具体平衡问题。
7.1.3 静力学公理
1.二力平衡公理 作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的充分和必要条件是：这两个力的
大小相等、方向相反、作用在同一直线上(简称等值、反向、共线)。
图7-3 绳的受力
7.1.3 静力学公理
2.加减平衡力系公理 在作用于刚体上的已知力系中，可以任意增加或减去一个平衡力系，所构成的新
《城市轨道交通车辆基础》课程教学大纲
《城市轨道交通车辆基础》课程教学大纲
一、课程概述
本书紧扣职业教育的特点和要求，结合职业院校城市轨道交通专业的教学实际进行编写，对城市轨道交通车辆各部件进行了较全面的介绍，主要内容包括城市轨道交通车辆概述、车体、车门、转向架、车辆连接装置、电力牵引系统、制动与供风系统，以及空调系统。
本书内容选取以“适度够用”为原则，坚持理论与实践相结合，力求实用，突出技能培养，语言简洁明了，文字通俗易懂，具有较强的针对性。
二、教学目标
1、熟练掌握城轨车辆的类型,理解车辆编号及车辆相关标识。
2、掌握车体结构及材料,了解铝合金车体的性能及轻量化结构特点。
3、掌握城市轨道车辆转向架的组成及结构,各结构部分的功能、特点。
4、掌握车门系统的组成、控制原理及控制过程。
5、掌握车辆连接装置的组成及结构特点,理解各部分之间的相互关系。
6、掌握受电弓的工作原理及控制方法。
三、最低课时安排
《城市轨道交通车辆基础》课程最低总计学习课时为144课时。
各章节最低课时安排如下表所示：
四、教学内容
我们对本课程的具体授课内容会提供PPT，并在PPT中标明知识点讲述要点，详细内
容请参考PPT。
第7章 城轨车辆垂向动力学
3 受力分析 设在某一瞬时，车体离开平衡位置的距离为，由于车体的重力是不变的，而 弹簧反力已增为。此时车体上作用的两个铅垂方向的力不平衡，在该不平衡力的 作用下，车体产生加速度。
4 运动方程 取所有与坐标轴方向一致的力、速度和加速度为正，则根据牛顿运动第二定 律，可得到运动方程式：
kz Mz
图7-2 来自钢轨变形及接头下沉或车轮偏心等激扰源
2 系统动力学模型及受力分析 考虑线路激扰源后，车轮荷重系统的受迫振动（V）力学动力学模型及受力分析
3 运动方程 同样，根据牛顿第二定律可得该车轮荷重系统的运动方程：
4 方程的解 由高等数学可得上述微分方程的解为：
2 系统动力学模型（T） 该动力学模型可用车轮荷重系统——轮对簧上质量系统来描述，即用一个轮 对代表城轨车辆各轮对在轨道上运行的特点，用一个簧上质量代表在弹簧上的车 体和转向架等所有部件的总质量，如图7-1所示。
图7-1 车轮荷重系统自由振动力学模型及受力分析
设车体及转向架（质量块）的质量为M，弹簧的刚度为K，当该车轮荷重系统 处于静平衡状态时，弹簧的静挠度为fst ，此时车体的静平衡条件为车体重力与 弹簧范例相平衡，即：
5 分析讨论
图7-4 受迫振动振幅增幅系数与频率之间的关系
图7-4 受迫振动振幅增幅系数与频率之间的关系
6 共振建立过程
由此可见，该系统共振时的振动规律如图7-6所示。 为避免共振，可采取下述2种方法： 使临界速度增大采用大刚度弹簧。 使临界速度减小采用小刚度（软性）弹簧。
图7-6 系统受迫振动共振时的运动规律
式中： ——弹簧静挠度，与该系统本身弹性刚度K及惯性质量M有关， 与初始条件无关。 系统的固有频率为： 1 g 1 2 2 f 0 2 f 0
轨道交通车辆动力学基础(一)课件
提高轨道和车辆寿命 良好的车辆动力学性能可以减少轨道和车辆的磨 损，延长轨道和车辆的使用寿命，降低维护成本。
轨道交通车辆动力学的发展历程
01
初期发展
20世纪初，随着轨道交通的兴起，人们开始关注轨道交通车辆动力学问
轨道交通车辆动力学基础概念
02
车辆动力学的基本概念
车辆动力学：研究车辆在运行过程中 受到的力和力矩、以及由此产生的加 速度、角加速度等运动学状态变化的 学科。
车辆动力学与车辆设计、线路条件、 控制策略等密切相关，是保证轨道交 通安全、舒适、高效运行的基础。
车辆动力学性能的评价指标
稳定性
01
衡量车辆在运行过程中保持稳定状态的能力，包括横摆、侧滚、
Simpack
适用于轨道车辆、铁路和城市轨道交通系统的动力学 仿真软件。
b
提供多种模块，可用于车辆动力学性能的仿真和优化。
车辆的动力学仿真案例分析
案例一
分析某型地铁车辆在曲线线路上的动力学性能，包括平稳性、安 全性等方面。
案例二
研究不同悬挂参数对动车组动力学性能的影响，优化悬挂参数配置。
抗倾覆性能分析主要考虑车 辆在不同速度、不同曲线半 径和不同载荷下的稳定性。
为了提高车辆抗倾覆性能，需 要加强车辆悬挂系统和转向架 设计，优化车体结构，以及进
行充分的试验验证。
轨道交通车辆的动力学仿真与 分析
05
动力学仿真的基本原理与方法
动力学仿真的基本原理
01 动力学仿真基于物理定律和数学模型，通过计算机模
悬挂系统的组成
悬挂系统主要由悬挂元件、减震器和车体等部分组成。悬挂元件用于连接车体 和转向架，减震器用于减小车体振动，车体则承载乘客和货物。
轨道交通车辆动力学基础(一)
与轨道有关的激振因素
① 高低不平顺
钢轨顶面长度方向的垂向凸凹不平，简称为高低不平顺， 由于左、右两根钢轨高低的起伏变化趋势不完全相同，可区分 为左轨高低不平顺和右轨高低不平顺。
与轨道有关的激振因素
② 水平不平顺
钢轨顶面长度方向各个横截面上左右轨对应点的高差， 简称为水平不平顺。水平不平顺的幅值，在曲线上是指扣 除正常超高值的偏差部分。
轨道平顺状态的评估方法
轨道平顺状态的评估方法
每公里扣分总数按下式计算：
轨道平顺状态的评估方法
计算分析：
1.某区段1km范围内，Ⅰ级标准发现3处， Ⅱ级发现5处， Ⅲ 级发现1处，分析该区段质量状态。（峰值扣分法）
轨道平顺状态的评估方法
2、TQI
轨道平顺状态的评估方法
以200m轨道区段作为单元区段，分别计算单元区段内 左、右高低，左、右轨向，轨距，水平，三角坑七项几何 参数的标准差。 各单项几何不平顺幅值的标准差称为单项指数，七个单 项指数之和作为评价该单元区段轨道平顺性综合质量状态 的轨道质量指数。其计算公式为：
振动加速度、振幅和振动频率。
铁路车辆在线路上运行时，构成一个极其复杂的具有多自 由度的振动系统。
一、车辆系统的振动
在机车车辆动力学研究中，把车体、转向架构架（侧架）、 轮对等基本部件近似地视为刚性体，只有在研究车辆各部件 的结构弹性振动时，才把他们视为弹性体。
簧上质量：车辆支持在弹性元件上的零部件 。 车体（包括载重）及摇枕质量， 客车转向架构架，一般是簧上质量。
轨道交通车辆动力学基础 （一）
董英荣 2016.11.12
为什么要研究车辆动力学？
城轨车辆动力学研究内容？
•研究在加速、制动、转向和行驶过程中车辆 的表现----施加于车辆上的力的响应。
轨道车辆动力学
轨道车辆动力学基础
动力学和静力学的区别
定义：车辆动力学
二、车辆平稳性及评定标准 影响平稳性的原因： （1）人为的线路形状变化, 是由于地形或需要在 修筑铁路时设置的线路特殊形状, 如线路曲线, 道岔, 驼峰, 上下坡道等。 （2）另一种非人为线路形状变化是微观的经常 性的随机不平顺, 这是由于施工和维修中无法 避免的实际线路与理想线路之间的各种偏差。 偏差大小随线路等级和施工维修的标准而异, 这种偏差具有随机性质。
一、车辆安全性及评定标准 3. 措施 主动倾摆式转向架、抗侧滚扭杆、控制入 弯速度、定期线路检查等
二、车辆稳定性及评定标准 运动稳定性研究车辆在一定速度运行时各部 件的运动状态, 即判定车辆系统运动是否稳 定。车辆系统的蛇行运动是一种自激振动, 如自激振动过大会引起车辆剧烈的振动而 使车辆系统的动力性能恶化, 引起轮对与钢 轨间的撞击、车辆倾覆等重大事故
二、车辆稳定性及评定标准 随着车辆运行速度的提高, 急剧增加, 车辆系统失稳。车辆在正常运 行速度下要避免出现蛇行失稳现象，这就 要求车辆系统应具有高于其构造速度一定 裕量的蛇行失稳临界速度。
二、车辆稳定性及评定标准
平稳性指标
二、车辆平稳性及评定标准 定义： 车辆沿线路运行时, 由于线路存在不同的不 平顺, 轮轨之间相互作用力不断变化, 这些力 一方面使线路变形, 同时又激起车辆的振动, 衡量车辆的振动标准, 称为车辆运行平稳性。
二、车辆平稳性及评定标准
城市轨道动力学知识点整理
1轮轨系统是铁道车辆的核心内容2铁路列车的两种形式：机车和车辆组成，机车提供牵引动力；没有专门机车提供动力，车辆具有牵引力3簧上质量：将车体视为支撑于弹簧上的刚体（车体加载重）簧下质量：弹簧以下的质量，通常指轮对轴箱装置和大多数货车转向架侧架4车体沿坐标轴及绕3个坐标轴振动时，分别给予下列名称（1）伸缩振动：沿x轴方向作纵向振动（2）横摆振动：沿y轴方向作横向振动（3）浮沉振动：沿z轴方向作铅锤振动（4）侧滚振动：车体绕x轴作回转振动（5）点头振动：车体绕y轴作回转振动（6）摇头振动：车体绕z轴作回转振动垂直振动：浮沉和点头振动的组合发生在车体铅垂平面xoz内横向振动：摇头和滚摆振动的组合发生在水平平面xoy内纵向振动：伸缩运动沿车体纵向产生5轴重：车辆每一根轮轴能承受的允许静载（货车21t23t25t客车14t15t16t17t）轴距：同一转向架下两轮轴中心之间的纵向距离(客车/动车组2.5~2.7m,轻轨车辆轴距一般为2.0~2.3m,货车转向架为2.0m）车辆定距：同一车辆两转向架之间的纵向距离，车辆定距决定了车辆长度和载客量（客车/动车组25m，轻轨13m，货车9m）轴箱悬挂：将轴箱和构架在纵向、横向和垂向联结起来、并使两者在这三个方向的相对运动收到相互约束的装置。
一般包括轴箱定位装置和轴箱减振器中央悬挂：将车体和构架/侧架联结在一起的装置，具有衰减车辆系统同振动、提高车辆运行平稳性和舒适性的作用轮对冲角：垂直于轮轨接触点处钢轨切线方向，与轮轴轴线之间形成的夹角，其大小反映了车辆曲线通过能力大小以及难易程度曲线通过：车辆通过曲线时，曲线通过能力的大小，反映在系统通过指标上，主要表现在车辆轮轨横向力，轮对冲角以及轮轨磨耗指数等的大小上6铁道车辆动力学性能一般由转向架性能决定转向架主要功能：（1）提高车辆运行的平稳性与安全性（2）支撑车体，承受并传递车体轮轨间的各种载力及作用力，并使轴重均匀分配（3）车体与转向架之间可以相对转动，便于通过曲线（4）缓和车辆与线路之间的作用，减小振动和冲击7研究车辆运动的目的：了解车辆各部分的位移以及车轮作用在轨道上的力；知道车辆的振动状态（自由振动和强迫振动）8车辆系统动力性能9铁路运输最基本要求：列车运行安全性（主要涉及车辆是否会脱轨和倾覆）车辆脱轨主要分为爬轨脱轨(随着车轮转动，车轮轮缘逐渐爬上轨头引起的脱轨最常见）、跳轨脱轨、掉道脱轨指标：脱轨系数轮重减载率，倾覆系数脱轨系数分为两类：（1）不考虑作用时间的脱轨系数，是将测量或计算得到的轮轨垂向力瞬间值作为轮重值而使用的脱轨系数；（2）考虑时间作用的脱轨系数：不考虑轮重测量或计算波形中产生的剧烈波动仅考虑较平缓部分的值作为轮重值轮缘角越大，脱轨系数临界值越大，摩擦系数越大，脱轨系数临界值越小(1)轮重较小时与其对应的横向力一般较小，计算脱轨系数时受到轮重和横向力测量误差影响较大，因此要获得正确的脱轨系数比较困难(2)垂向力较小时，使用该垂向力和与其对应的横向力得到的脱轨系数很容易达到脱轨临界值；单侧车轮轮重减小时，另一侧车轮轮重会增大，此时极小的轮对冲角变化会导致较大的横向力，增加脱轨的危险性(3)与其说脱轨系数值较大容易导致列车脱轨，不如说轮重减少的越多22为什么说轮对有摇头角时更容易产生两点接触？车当轮对摇头时,大半径车轮较早发生轮缘贴靠;轨底坡影响轮轨初始接触位置和轮轨接触角,从而对轮轨接触几何关系影响较大24轮轨接触几何参数：左右轮实际滚动半径r l,r r;左右轮在轮轨接触点处的踏面曲率半径r wl和r wr;左轨右轨在轮轨接触点处的轨头截面曲率r rl和r rr;左右轮在轮轨接触点的接触角；轮轨侧滚角；轮对中心上下位移25轮轨蠕滑：具有弹性的钢制车轮在弹性的钢轨上以一定速度滚动时，在车轮与钢轨的接触面间产生相对微小滑动26横向蠕滑力与纵向蠕滑率无关，纵向蠕滑力与横向蠕滑率无关27直行轮对自旋现象：车轮向左右方向移动时将产生左右滑动，一侧滚动圆半径变大，另一侧变小，半径大的车轮试图多走，但连接在同一根车轴上，半径较大的车轮向着被拉回的方向方向滑动，半径较小的车轮向行进方向滑动，同时车轮也绕着垂直轴作回转运动，该回转运动使接触面上产声回转滑动28车体和转向架垂直载荷：车辆自重，载重；横向载荷：风力，离心力；纵向载荷：牵引力，制动力车辆运行性能主要决定于悬挂装置以及各种拉杆、定位装置等结构形式的选择是否合理，设计参数选用是否恰当铁道客车车辆一般采用轴箱悬挂和中央悬挂。
轨道交通车辆动力学基础(三)课件
05
轨道交通车辆动力学未来发展 展望
Chapter
新材料与新技术的应用
高强度轻质材料
采用新型的高强度轻质材料，如碳纤维复合材料，能够显著减轻 车辆重量，提高运行效率和节能减排。
耐磨材料
针对轨道和车辆部件的磨损问题，研发新型耐磨材料，提高车辆使 用寿命和安全性。
智能材料
利用智能材料，如形状记忆合金和光纤传感器，实现对车辆状态的 实时监测和自动调整。
随着科技的发展，车辆动力学研究逐 步完善，涉及更多复杂因素，如空气 动力学、弹性车轮和轨道结构等。
02
车辆动力学基本原理
Chapter
车辆动力学模型
车辆动力学模型概述
车辆动力学模型是描述车辆在轨道上运行时的动态特性的数学模型。它包括车辆的悬挂系 统、轮轨关系、车辆与轨道之间的相互作用等。
车辆动力学模型的建立
列车运行控制
安全保障
车辆动力学的研究有助于 提高列车运行控制的安全 性，预防和控制列车运行 过程中的安全风险。
节能优化
基于车辆动力学特性的分 析，可以对列车运行控制 进行节能优化，降低运营 成本和能源消耗。
调度管理
通过分析车辆动力学特性 ，可以提高列车调度管理 的效率，实现列车运行的 高效组织。
04
绿色环保与可持续发展
节能减排技术
研发和应用新型节能减排技术，降低车辆运行过程中的能耗和排 放，减轻对环境的影响。
清洁能源利用
利用清洁能源，如太阳能和风能，为轨道交通提供电力，减少对 化石燃料的依赖。
生态友好型设计
在轨道交通车辆设计和制造过程中，注重生态友好型设计，采用 环保材料和工艺，降低对环境的影响。
稳定性指标
稳定性指标是衡量车辆在运行过 程中的稳定性的指标。例如，蛇 行运动是列车在高速行驶时的一 种不稳定的运动状态，可以通过 测量蛇行运动的频率、振幅和相 位等参数来评估列车的稳定性。
上交大《城市轨道交通车辆构造》PPT课件和习题答案 上交大社《城市轨道交通车辆构造》课后习题答案
思考与练习1（1） 城轨车辆有哪些基本种类？试述其基本结构。
答：有地铁、轻轨、独轨、新交通系统、磁悬浮等。
其基本结构有：车体、转向架、牵引缓冲连接装置、制动装置、车辆设备等五部分。
（2） 什么是车辆的技术参数？主要有哪些参数？举例说明重要参数的作用。
答：车辆技术参数是概括地介绍车辆技术规格的某些指标，是从总体上表征车辆性能及结构的一些参数，一般可分为性能参数与主要尺寸两大类。
车辆的性能参数主要有：自重、载重及容积、2.速度3.轴重、4.轴配置或轴列式、5.每延米轨道载重 、6.通过最小曲线半径、7.制动形式、8.坐席数及每平米地板面积站立人数、9.冲击率、10.列车平稳性指标、车辆的主要尺寸：（1）车辆长度。
（2）车辆最大宽度。
（3）车辆最大高度。
（4）车辆定距。
车（5）固定轴距。
（6）车钩中心线距离钢轨面的高度。
（7）地板面高度。
（3） 城轨车辆是如何编组的？请举例说明某种编组方式的优、缺点。
答：城轨交通车辆中，动车M 和拖车T 通过车钩连接而成的一个相对固定的编组称为一个（动力）单元，一列列车可以由一个或几个（动力）单元编组而成。
目前，我国城轨交通车辆列车编组比较普遍是的6辆编组或4辆编组，还有一些城市的大运量地铁的车辆采用8辆编组。
6辆编组的主要有“3动3拖”和“4动2拖”，4辆编组的主要有“2动2拖”。
举例：西安地铁1、2号线列车均采用“3动3拖”的编组形式，编组表达式为==c p p c T *M *T *M *M *T而西安地铁3号为增加动力，则采用“4动2拖”的编组形式，编组的表达式为 ==c p p c T *M *T *M *M *T式中，c T 表示有司机室的拖车；p M 表示带受电弓的动车，空气压机装在p M 车；M 表示不带受电弓的动车； T 表示不带司机室的拖车，空压机装在p M 车。
（4）为什么要对车辆进行标识？如何对车辆进行标识？答：城轨车辆的一般都有固定标识编号，标识编号在使用期间不会发生任何改变，直至此车报废，这个标识编号主要是为了明确城轨车辆的制造商和运营商等信息。
《城市轨道交通车辆构造》车辆基本知识
城市轨道交通车辆构造
二、城市轨道交通车辆的主要技术参数
车辆的技术参数分为性能参数与主要尺寸两部分，主要用来概括车辆技术规格的相关指标，从而从总体 上对车辆性能及结构进行表征。
（一）性能参数 1．自重、载重：空车时，车辆自身的全部质量称为车辆的自重。车辆允许的正常最大装载质量叫做车
9．辅助电源系统：辅助电源系统是指三相交流380V电源、低压直流电源和蓄电池，其中低压直流 电源通常有110V直流电和24V直流电。380V交流电的负载：空气压缩机、空调系统、各类风机、220V 插座；直流110V电源的负载：有触点控制电路、各系统的电子控制电路、照明电路、指示灯、车门驱动 系统、广播系统、乘客信息显示系统、紧急通风电源等。
单元1 城市轨道交通 车辆的基本知识
城市轨道交通车辆构造
4．车体向着轻量化发展，采用大断面铝合金型材或不锈钢材焊接车体的整体承载结构，在满足安全和强 度的前提下，最大限度地减少车重。
5．车辆间采用封闭式全贯通道，便于乘客走动及分布均匀，车辆采用密接式车钩进行机械、电气、气路 的贯通连接。
6．为了在列车站停时能使大量的上下客流交换在尽可能短的时间内完成，车门数量比较多，每节车厢单 侧车门数量A型车4~5个，B型车3~4个。
5．贯通道装置：贯通道装置实现两节车客室之间的柔性连接，是车辆通过曲线的关键部位，使乘 客可在车厢之间走动，从而使乘客均匀分布。贯通道具有防雨、防风、防尘、隔音、隔热等功能，使客 室环境不受外部天气影响。两节车厢间贯通道由两半通道对接而成。贯通道由外部波纹形折篷和内板件 组成，波纹形折篷上的两个连挂框架，一个装在车体端面，一个用于与另一节车厢的贯通道连挂框架连 接，地面渡板由车钩上的滑动支撑板承载。城市轨道交通车辆一般采用宽体式贯通道装置。
城市轨道交通车辆构造教案 (8)
第六节
1.气流特点
列车运行时的空气流
一、明线(非隧道)上运行的列车
图7-17 列车空气流 a)头部 b)尾部 c)边界层及涡流 d)尾流区中纵向涡流
第六节 列车运行时的空气流
(1)挤压区 高速列车运行时，由于空气惯性，引起列车前 面的空气堆积，静压力升高。 (2)摩擦区 第二部分气流为摩擦区，这里的气流呈线流， 分布在列车大部分长度上。 (3)尾流区 列车驶过以后，所占的空间立即被空气填充， 这就引起空气快速运动。 2.空气阻力
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
表格
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
2.学员的评价
表格
3.知识跟进 1)学习了解城市轨道交通车辆高速运行动力学。 2)学习了解车辆轮轨接触理论。
第六节 列车运行时的空气流
图7-18 明线上空气阻力 1—200系列 2—star 21(初期) 3—star 21(改进)
第六节 列车运行时的空气流
图7-19 列车阻力系数及组成 a)传统列车 b)APT-E先进电气化快速列车 c)TGV高速列车 d)ICE无任何流线形外罩 e)ICE在转向架之间下部设备加流线形外罩 f)ICE加转向架裙板，下部设备全部加 流线形外罩，受电弓外罩并封闭车辆之间间隙
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
【学习目标】
1.分析引起车辆振动的原因。 2.通过学习轮轨接触及滚动理论，分析各种情况下轮对的蛇 行运动。 3.了解车辆运行品质及其评价标准。 4.了解车辆运行安全性及其评估标准。
【学习目标】
1.教学场地：教室、互联网多媒体教室；城市轨道交通车辆 转向架、轮对、减振装置模型实训室。 2.设备要求：至少具有能连接互联网的多媒体教室一个，各 种形式城市轨道交通车辆走行装置仿真模型一套，能放视 频投影的设备及课件、视频介绍一套。 3.课时要求：课堂讲授6课时；实地观察、分析2课时。
哈工程《城市轨道交通车辆构造》教学资料 课后习题答案 《城市轨道交通车辆构造》课后习题答案(哈工大)
项目1 车辆基础知识1.简要说明城轨车辆基本类型、主要特点。
答：按车体宽度和驱动方式分类城市轨道交通车辆按车体宽度和驱动方式可以分为两类、六种车型。
（1）粘着牵引系统。
①A、B型车，车体宽度为3.0 m、2.8 m的四轴系列车型。
②C、D型车，车体宽度为2.6 m，车地板不同高度的铰接车系列车型。
③单轨胶轮车，车体宽度为3.0 m的跨座式单轨胶轮系列车型。
（2）非粘着牵引系统。
L型直线电机车辆系列。
.按车辆的牵引控制系统分类城市轨道交通车辆按车辆的牵引控制系统可以分为交流变压车和变频车。
.按车体材料分类城市轨道交通车辆按车体材料可以分为不锈钢车、铝合金车和耐候钢车。
.按受电方式分类城市轨道交通车辆按受电方式可以分为受电弓车、受流器车、受电弓加受流器车。
按电压等级分类城市轨道交通车辆按电压等级可以分为直流1 500 V和直流750 V。
2．简要说明城市轨道交通车辆的基本组成。
答：城市轨道交通车辆主要由以下几部分组成：1.车体车体是城市轨道交通车辆的基础框架和主体，其主要作用是运载乘客，为司机提供驾驶空间，承受车辆各种载荷，安装传动机构、电气设备和服务设施。
2.转向架转向架是城市轨道交通车辆的走行装置，安装在车体与轨道之间，用来牵引和引导车辆沿轨道行驶，承受、传递车体与轨道之间的各种载荷并缓和其动力作用，是保证车辆运行品质的关键部件。
3.牵引缓冲连接装置城市轨道交通列车的编组必须依靠车钩和贯通道。
其中，车钩是用来连接车辆，传递纵向力的装置。
4.制动装置制动装置是保证列车运行安全必不可少的装置。
不管是动车还是拖车都设有制动装置，它可以保证运行中的列车按需要减速或在规定的距离内停车。
5.车辆设备车辆设备包括服务于乘客的设备和服务于车辆运行的设备。
6.车辆电气系统车辆电气系统包括车辆上的各种电气设备及其控制电路。
按其作用和功能可分为主电路系统、辅助电路系统和电子与控制电路系统。
3.简述城市轨道交通编组方式，并举例说明。
轨道交通车辆动力学基础(二)课件
02
单节车厢模型
为了简化计算，可以将一列车辆简化为一个单节车厢模型。该模型可以
用来研究车辆的纵向冲动和运行稳定性等方面的问题。
03
悬挂系统模型
悬挂系统是影响车辆动力学性能的重要因素之一，因此建立悬挂系统模
型是必要的。该模型可以用来研究悬挂系统的刚度和阻尼系数对车辆动
力学性能的影响。
03
轨道交通车辆动力学分析方法
车辆动力学的研究
内容
主要包括车辆的悬挂系统、轮轨 关系、运行稳定性、曲线通过、 纵向冲动等方面的研究。
车辆动力学的基本原理
牛顿第二定律
在车辆动力学中，牛顿第二定律是基本原理之一，即“力等于质量乘以加速度”。通过这个公式可以计算出车辆在不 同受力情况下的运动状态。
动量守恒定律
当车辆在运行过程中受到冲击时，动量守恒定律可以用来分析车辆的运动状态变化。即“动量等于质量乘以速度”， 当车辆受到冲击时，动量保持不变。
轨道动力学
研究轨道结构、轨道不平 顺等因素对车辆运行稳定 性的影响。
车辆动态行为
研究车辆在不同工况下的 动态响应，如启动、制动 、曲线通过等。
车辆动力学的重要性
提高乘坐舒适性
良好的车辆动力学性能可以减少乘客在行驶过程中的颠簸和不适 感。
提高运行效率
通过优化车辆动力学性能，可以提高列车运行速度和稳定性，缩 短旅行时间。
出轨。
发展阶段
02
随着科技的发展，车辆动力学研究开始涉及更复杂的因素，如
车辆悬挂系统、轨道不平顺等。
现代阶段
03
现代车辆动力学研究更加注重智能化和精细化，通过先进的仿
真和测试技术，深入研究车辆动态行为和性能。
车辆动力学的研究内容
城市轨道交通车辆构造课件 单元7.1 牵引系统的功能分类
单元七 牵引系统装置 2）、斩波调阻控制系统
•
斩波调阻控制系统中，斩波器与电阻并联， 通过调节 斩波器的占空比来实现对电阻的调节，连续调节斩波器的占 空比，相应的电阻接入主回路的阻值也连续平滑的变化。斩 波调阻装置即斩波器由晶闸管、二极管、均流电抗器、均压 电阻和换流电容等部件组成。
单元七 牵引系统装置
2）、根据控制单元控制类型的不同分类
•
交流传动牵引系统可以分为直接转矩控制和矢量控制。
• （1）、直接转矩控制就是通过空间电压矢量来控制定子磁链
的旋转速度，以改变定子磁链的平均旋转速度的大小，从而改
变磁通的大小来控制电磁转矩。
• （2）、矢量控制主要是对转矩与转子磁通的控制，转矩给定 值由转差决定，磁通给定值根据速度给定，在基速以下磁通恒 定，超速则进行磁场削弱。
• ②电阻制动工况：制动能量不能向电网回馈时，电制动产 生的电能将会消耗在制动电阻上，列车动能转换为热能散 逸在大气中。
单元七 牵引系统装置
二、牵引系统的分类
• 根据城轨车辆牵引电机的种类分类
牵引系统
直流传动牵引系统 交流传动牵引系统
单元七 牵引系统装置
1、直流传动的类型
• 1）、凸轮变阻控制系统
城市轨道交通车辆构造
城市轨道交通车辆构造
单元七 牵引系统装置
课题一 牵引系统概述
一、牵引系统的功能
列车牵引系统是列城市轨道交通车辆的核心部件，是列车动力的来源， 根据需要为列车提供牵引力和制动力，完成列车牵引和制动。因此， 牵引系统主要有两个工况：牵引工况和电制动工况，完成牵引、再生 制动及电阻制动的功能
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第一节 引起车辆振动的原因
图7-2 轨道的随机不平顺的 功率谱密度函数示例 50kg重钢轨的有缝轨道 50kg重钢轨的无缝轨道
第一节 引起车辆振动的原因
二、与车辆结构有关的激振因素 1.车轮偏心
图7-3 车轮偏心
2.车轮不均重
第一节 引起车辆振动的原因
3.车轮踏面擦伤
图7-4 车轮踏面擦伤
第一节 引起车辆振动的原因
1)为什么车辆在线路上运行时会出现各种振动，有哪些主要
原因? 2)车辆自振频率大小与振幅有没有关系?
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
3)在车辆交车检查验收时同一车辆的车钩高度忽高忽低， 为什么不是一个固定值? 4)车辆有哪些振动形式? 5)轮对蛇行运动的根本原因是什么? 6)评定车辆运行平稳性采用什么标准? 7)影响车辆运行安全性有哪些方面?评定的标准是什么? 8)提高列车速度对列车附近的气流有什么影响? 9)如何减少高速列车的空气阻力? 10)会车压力波对车厢内外有什么影响?
第二节 轮轨接触及滚动理论
二、轮轨接触蠕滑关系 1.粘着区和滑动区 2.蠕滑与蠕滑率 3.蠕滑力
第二节 轮轨接触及滚动理论
图7-8 不同实验者所做纵向蠕滑实验值与 理论曲线的比较 ▽—Johnmn和Vermeulen ○(上)—松井信夫 和横濑景司 ○(下)—Ockwell △—Loach □—Barwell和Woolcaott
第六节 列车运行时的空气流
3.列车风
图7-20 列车风
4.会车压力波
第六节 列车运行时的空气流
图7-21 三种不同车头形状的会车压力 波峰值在观测车上的变化情况
第六节 列车运行时的空气流
二、隧道中运行的列车 1.隧道中的气流特点
2.列车阻力
3.列车风 4.列车在隧道内的压力波 5.隧道微气压力波 6.隧道内会车压力波 三、在压力波作用下的舒适度标准
第六节 列车运行时的空气流
图7-18 明线上空气阻力 1—200系列 2—star 21(初期) 3—star 21(改进)
第六节 列车运行时的空气流
图7-19 列车阻力系数及组成 a)传统列车 b)APT-E先进电气化快速列车 c)TGV高速列车 d)ICE无任何流线形外罩 e)ICE在转向架之间下部设备加流线形外罩 f)ICE加转向架裙板，下部设备全部加 流线形外罩，受电弓外罩并封闭车辆之间间隙
1.教师的评价
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
表格
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
2.学员的评价
表格
3.知识跟进 1)学习了解城市轨道交通车辆高速运行动力学。 2)学习了解车辆轮轨接触理论。
第二节 轮轨接触及滚动理论
4.粘着系数
图7-9 不同轮轨接触表面状态的蠕滑关系
第三节
轮对的蛇行运动
图7-10 通常情况的轮对蛇行运动轨迹
第三节 轮对的蛇行运动
一、自由轮对的蛇行运动 1)刚体自由轮对沿平直轨道作等速运动。 2)轮对的运动属微幅振动，其轮轨接触几何形状与面积、 蠕滑率(力)关系均为线性，纵横向蠕滑系数近似相等，即f 11=f22=f。 3)轮对具有小锥角踏面、较小等效斜率λe，暂不计重力刚 度与角刚度的因素。 4)轮对横摆、摇头自由度为yω、ψω，不考虑侧滚惯性及旋 转蠕滑影响。
4.车辆倾覆安全性
第六节
1.气流特点
列车运行时的空气流
一、明线(非隧道)上运行的列车
图7-17 列车空气流 a)头部 b)尾部 c)边界层及涡流 d)尾流区中纵向涡流
第六节 列车运行时的空气流
(1)挤压区 高速列车运行时，由于空气惯性，引起列车前 面的空气堆积，静压力升高。 (2)摩擦区 第二部分气流为摩擦区，这里的气流呈线流， 分布在列车大部分长度上。 (3)尾流区 列车驶过以后，所占的空间立即被空气填充， 这就引起空气快速运动。 2.空气阻力
表7-1 轮对蛇行运动产生的蠕滑率与蠕滑力
第三节 轮对的蛇行运动
表7-2 特征根与稳定性
二、转向架的蛇行运动 1.刚性转向架的蛇行运动 2.弹性转向架的蛇行运动 1)很柔性的二系悬挂车体与转向架为弱耦合，车体振动对 转向架几乎不产生影响，只传递垂直荷载。
第三节 轮对的蛇行运动
2)构架重心与车轴中心线高度相近，不考虑侧架侧滚。 3)一系及二系悬挂为线性特征。
2.设备要求：至少具有能连接互联网的多媒体教室一个，各 种形式城市轨道交通车辆走行装置仿真模型一套，能放视 频投影的设备及课件、视频介绍一套。 3.课时要求：课堂讲授6课时；实地观察、分析2课时。
第一节
引起车辆振动的原因
一、激起车辆振动的线路原因
图7-1 轨道不平顺的四种类型 a)高低不平顺 b)水平不平顺和轨距不平顺 c)方向不平顺
4.车辆的自激振动
图7-5 车体的空间振动
第二节
轮轨接触及滚动理论
一、轮轨接触几何关系(等效斜率、重力刚度及重力角刚度)
图7-6 弧形轮轨外形的轮轨接触几何关系
第二节 轮轨接触及滚动理论
1.等效斜率λe 2.重力刚度Kｇ 3.重力角刚度Ｃｇ
图7-7 磨耗前后的轮轨接触关系变化 a)磨耗前后的等效斜率变化 b)磨耗前后的接触角变化 1—新轮轨 2—旧轮轨
城市轨道交通车辆构造
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
连苏宁 主编
【问题导入】 作为交通工具，地铁车辆的舒适程度是最受人们关注的。城市轨 道交通车辆在各方面的设计上都必须充分考虑乘客的舒适感。本章 就引起车辆振动的原因、轮轨接触及滚动理论、轮对的蛇行运动、 车辆运行品质及其评价标准、车辆运行安全性及其评估标准、列车 运行时的空气流等内容进行分析，从理论上在车辆动力学方面建立 一定的基本概念。
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
【学习目标】
1.分析引起车辆振动的原因。
2.通过学习轮轨接触及滚动理论，分析各种情况下轮对的蛇
行运动。 3.了解车辆运行品质及其评价标准。 4.了解车辆运行安全性及其评估标准。
【学习目标】
1.教学场地：教室、互联网多媒体教室；城市轨道交通车辆
转向架、轮对、减振装置模型实训室。
第四节
车辆运行品质及其评价标准
图7-15 横向平稳性指标与振动加速度曲线
第四节 车辆运行品质及其评价标准
表7-3 我国铁路客车现行的运行平稳性等级
第五节 车辆运行安全性及其评估标准
1.轮对脱轨条件及评定指标
图7-16 车轮脱轨的作用力关系
第五节 车辆运行安全性及其评估标准
2.轮重减载引起的脱轨条件 3.影响脱轨的因素及防范措施
第三节 轮对的蛇行运动
(5)中央悬挂装置 中央悬挂装置内的两系回转复原弹簧Ｋ 2x对提高蛇行临界速度有很大影响，如果在那里设置了具 有非线性磁滞饱和特性的悬挂元件，在直线运行的小振幅 时,这种特性呈现出高约束性，而在曲线通过时则位于饱 和位置以减少对转向的约束，如图所示。
第三节 轮对的蛇行运动
图7-14 非线性悬挂元件特征曲线 a)一般的回环和饱和特性 b)无间隙的复原力矩M()与偏角位移 间的关系 c)构架与摇枕间含间隙δ情况下M()与关系
第三节 轮对的蛇行运动
图7-11 弹性转向架蛇行运动计算简图
第三节 轮对的蛇行运动
(1)轮对定位刚度 轮对的纵向定位刚度K1x、横向定位刚 度Ｋ1y是转向架控制轮对运动的直接因素。
图7-12 特征值随速度变化特性
第三节 轮对的蛇行运动
(2)车轮踏面等效斜率λe λe是影响蛇行运动的关键参数之 一，它与临界速度的关系可用υcr∝来蠕滑系 数小，临界速度也小。 (4)转向架固定轴距 固定轴距增大会使蛇行临界速度提高， 但是却对曲线通过不利，一般倾向取短的固定轴距以改善 轮轨磨耗。
第七章 城市轨道交通车辆动力学基础
【实践操作】
1.操作练习
1)在课余时间，根据本章所学的知识，调研本地城轨车辆运
用条件，分析车辆运行时车辆振动的原因、轮对的蛇行运 动，评价车辆运行品质。 2)在课余时间，根据本章所学的知识，调研本地城轨车辆运 用条件，分析随着列车速度的提高，空气流变化，车辆蛇 形运动平稳性及车辆运行平稳性。 2.书面练习