车辆动力学基础

车辆动力学基础-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
车辆动力学基础
第一章
1．车体在空间的位置由6个自由度的运动系统描述。

浮沉、摇头、点头、横摆、伸缩、侧滚2．轴重：铁道车辆的轴重是指车辆每一根轮轴能够承受的允许静载。

3．轴距：是指同一转向架下两轮轴中心之间的纵向距离。

4．轴箱悬挂：是将轴箱和构架在纵向、横向以及垂向联结起来、并使两者在这三个方向的相对运动受到相互约束的装置。

5．中央悬挂：是将车体和构架/侧架联结在一起的装置，一般具有衰减车辆系统振动、提高车辆运行平稳性和舒适性的作用。

6．曲线通过：曲线通过是指车辆通过曲线时，曲线通过能力的大小，反映在系统指标上，主要表现为车辆轮轨横向力、轮对冲角以及轮轨磨耗指数等的大小上。

7．自由振动：是指在短时间内，由于某种瞬间或过渡性的外部干扰而产生的振动，其振动振幅如果逐渐变小，该系统将趋于稳定；相反，若振幅越来越大，则系统将不稳定。

第二章
1．车辆的动力性能主要包括运行稳定性（安全性）、平稳性（舒适性）以及通过曲线能力等。

2．车辆脱轨根据过程不同大体可分为爬轨脱轨、跳轨脱轨、掉道脱轨。

3．目前我国车辆部门主要采用脱轨系数和轮重减载率两项指标。

4．当横向力作用时间t小于时，用t计算所得的值作为标准值。

5．不仅仅依靠脱轨系数来判断安全性的原因：
（1）轮重较小时与其对应的横向力一般也较小，计算脱轨系数时受到轮重和横向力的测量误差的影响就较大，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限界值；另一方面，单侧车轮轮重减小时，另一侧车轮轮重一般会增大，此时极小的轮对冲角变化会导致较大的横向力，从而加大了脱轨的危险性。

（3）根据多次线路试验来看，与其说脱轨系数值较大容易导致列车脱轨，还不如说轮重减少的越多越容易导致列车脱轨。

6．评价铁道车辆乘坐舒适性最直接的指标就是车体振动加速度。

第三章
1．轮对的组成：轮对由一根车抽和两个相同的车轮组成。

2．对车轮轮对的要求：（1）应该有足够的强度，以保证在容许的最高速度和最大载荷下安全运行。

（2）应不仅能够适应车辆直线运动，同时又能够顺利地通过曲线和岔道，而且应具备必要的抵抗脱轨能力。

（3）应具备阻力小和耐磨性好的优点，这样可以减小驱动牵引力和延长使用寿命。

3．车轮名义直径：由于车辆踏面存在斜度，各处直径不同，按规定，车轮在离轮缘内测
70mm处的园，并以滚动园的直径作为车轮名义直径。

4．踏面主要作用：
（1）便于曲线通过。

车辆在曲线上运行，由于离心力的作用，轮对偏向外轨，于是在外轨上滚动的车轮与钢轨接触的部分直径较大，而沿内轨滚动的车轮与接触部分直径较小，使滚动中的轮对中大直径的车轮沿外轨行走的路程长，小直径的车轮沿内轨行走的路程短，这正好和曲线区间线路的外轨长、内轨短的情况相适应。

（2）可自动对中。

在直线运行时，如果车辆中心线与轨道中心线不一致靠近中心线侧车轮承受的横向力一般要小于另一侧车轮承受的横向力，使轮对向另一侧横移。

（3）踏面磨耗沿宽度方向比较均匀。

由自动对中性能分析可知，当车轮一侧横移量过大时，该侧较大的横向力将迫使轮对向另一侧横移，当另一侧的横移量过大时，轮对又向该侧横移，如此往复。

5．车轮踏面的类型按外形可以归结为三种：圆柱形踏面、锥形踏面和凹形踏面（圆弧形踏面、磨耗形踏面）
6．重力刚度：复原力F
y 与轮对横移量y
w
之比称为（等效）重力刚度。

7．重力角刚度：当轮对横移量为y
w
而且有摇头角ψ时，作用在左右车轮上的轨道横向力将对轮对产生一个力矩Mg。

轮对摇头角越大，重力作用引起的力矩也越大，该摇头力矩与摇头角之比称为轮对的重力角刚度。

8．轮对低动力设计方法：
（1）减小簧下质量 a.采用空心车轴；b.采用合理尺寸小轮径车轮
（2）采用合理的车轮踏面
（3）采用弹性车轮
（4）严格控制车轮质量，降低车轮动不平衡质量
9．车轮与钢轨之间的接触状态：一点接触和两点接触
10．道岔是铁路轨道最薄弱环节之一，是限制列车速度的最主要线路部位。

第四章
1．两弹性体间的接触面积形状是一个椭圆。

2．轮轨蠕滑：是指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。

蠕滑：由于轮轨间为两个弹性体间滚动接触而产生相对位移，在轮周力的作用下，车轮实际行进速度v<wr，转矩越大则轮轨表面变形量越大，因而速度差也越大，这现象为蠕滑。

3．蠕滑率：滑动的大小称为蠕滑率，车轮的接触面在圆周上移动，轨道的接触面将在轨道长度方向移动，蠕滑率可以根据接触面的移动速度得到。

Cater定义的纵向蠕滑率ν
x 和横向蠕滑率ν
y
ν
x
=（车轮的实际前进速度-纯滚动时的前进速度）/由车轮纯滚动产生的前进速度
ν
y
=（车轮的实际横向速度-纯滚动时的横向速度）/由车轮纯滚动产生的前进速度在考虑钢轨振动条件下，各蠕滑率可按下式定义：
纵向蠕滑率：ν
1=（车轮纵向速度-钢轨纵向速度）
接触点处
/名义前进速度
横向蠕滑率：ν
2=（车轮纵向速度-钢轨纵向速度）
接触点处
/名义前进速度
自旋蠕滑率：ω
3=（车轮角速度-钢轨角速度）
接触点处
/名义前进速度
第五章
1、铁道客车车辆一般采用两级悬挂系统：轴向悬挂和中央悬挂。

2、轴箱悬挂的主要目的是使得车辆系统具有优良的运行稳定和曲线通过能力，而中央悬挂的目的主要是保持车辆系统具有优良的乘坐舒适性。

3、轴箱悬挂装置主要由轴箱弹簧、垂向减震器和定位装置组成。

轴箱弹簧：传递并缓冲车轮与构架间载荷，影响乘坐舒适性；
定位装置：传递并缓冲车轮与构架间载荷，影响系统临界速度、曲线通过能力以及乘坐舒适性；
垂向减震器：减小垂向振动，改善垂向振动性能。

4、在低速和部分提速转向架如206、206T、209P等转向架上，中央悬挂装置为摇枕钢圆簧装置；在部分提速、高速和动车组转向架如CRH上，中央弹簧装置普遍采用无摇枕空气弹簧装置。

5、轴箱定位有多种结构形式：导框式、导柱式、拉板式、拉杆式、转臂式、橡胶堆式
导框式：用于低速运行，不适应高速转向架发展要求
导柱式：不能满足高速运行要求
橡胶堆式：难以满足车辆高速和长期运用要求
6、在国内所有高速动车组和部分提速客车转向架轴箱悬挂系统中，轴箱弹簧均为钢弹簧，减振装置为单向液压减振器。

7、中央悬挂系统主要承担两个任务：一是支撑车体，使得车体的质量及载荷比较均衡地传递给各个轮轴；二是衰减因线路不平顺以及车轮缺陷等原因引起的车辆振动和冲击，使得车体具有良好的乘坐舒适性。

8、支撑车体要求二系悬挂系统刚度足够硬，能够保证车体和转向架一起运动；
良好的舒适性则要求中央悬挂系统够软，能够很好的隔离和衰减来自于转向架的高频振动。

9、按照中央弹簧的类型，可以简单的将中央悬挂装置分为有摇枕钢弹簧悬挂装置和空气弹簧系统悬挂装置。

10、高度控制阀的主要作用及要求：维持车体在不同静载荷下都与轨面保持一定的高度；在直线上运行时，车辆在正常振动情况下不发生进、排气作用；在车辆通过曲线时，由于车体的倾斜，使得转向架左右两侧的高度控制阀分别产生进、排气的不同作用，从而减少车体倾斜。

11、差压阀功能：见书P78
12、按减振器的结构特点，可以分为摩擦减振器和液压减振器两类。

13、抗蛇行减振器沿车辆纵向方向安装在车体与构架之间，因此它又可以称为纵向油压减振器。

14、牵引拉杆的安装方向，要求与两侧的抗蛇行减振器方向保持一致。

即要求拉杆与车体中心销的连接点与抗蛇行减振器车体安装点均处于车体中心一侧。

15、准高速客车转向架悬挂特点
（1）中央悬挂装置一般采用空气弹簧加摇动台形式
（2）减振形式上，垂向上设置有轴箱单向油压减振器和二系可变节流阀减振装置，横向上设置有和缓冲器装置，其目的是为了改善车辆系统动力性能，同时不会因提速后车辆系统振动加剧而恶化车辆乘坐舒适性。

（3）设置有全旁承支重装置，能够在一定程度上抑制车辆系统蛇行运动
（4）设置有抗侧滚装置，能够保证车辆系统具有良好的垂向振动性能
（5）轴箱定位采用了性能较为稳定的橡胶堆定位、转臂式加横向控制杆定位以及转臂式定位等形式，摒弃了不能满足提速需要的干摩擦导柱式定位。

16、高速客车转向架悬挂特点
（1）中央悬挂均采用了结构简单可靠、性能优越的空气弹簧装置。

（2）在衰减振动方面，都是在轴箱位置设置垂向油压减振器、二系采用可变节流阀进一步衰减传向车体的垂向振动，二系横向均加装有垂向减震器和缓冲器以抑制车体横向振动，为抑制转向架高速蛇行失稳，在车体与构架之间都设置有抗蛇行减振器。

（3）在轴箱定位方面，采用了结构简单、定位功能强、性能稳定的转臂式定位方式或双拉杆的定位形式。

（4）在侧滚装置方面，有的采用了抗侧滚扭杆装置，有的未采用。

17、车辆在轨道上运行时，由于线路存在着各种各样的不平顺，道岔、钢轨磨耗以及车轮踏面锥度、擦伤、不圆和轮轴偏心等原因，将引起各种周期性或瞬时性振动和冲击。

（判断）18、车辆上采用的弹簧减振装置，按其主要作用的不同，可分为三类：
（1）主要起缓和冲击作用的弹簧装置，如中央及轴箱螺旋弹簧。

（2）主要起衰减振动作用的减振装置，如垂向、横向以及抗蛇行减振器。

（3）主要起定位作用的定位装置，如轴箱轮对前后左右方向的弹性定位装置
19、轴箱纵向定位刚度k
px 和横向定位刚度k
py
对转向架蛇行运动临界速度v
cr
起着决定性的影
响，并且影响着车辆曲线通过能力。

20、车辆系统的临界速度与轴箱垂向刚度、阻尼这两个参数的关联性不明显
21、轴箱垂向刚度与减振阻尼属于垂向参数，因此这两个参数对系统稳定性影响不明显，但是他们与系统的乘坐舒适性密切相关。

22、轴箱横向悬挂距离越来越宽（<=2m）,车辆系统临界速度越高，但当横向悬挂距离继续增大时（>2m），系统临界速度不再增加。

23、减小踏面等效锥度可以提高转向架蛇行临界速度，但也需要防止低锥度时发生振型失稳的现象。

24、抗蛇行减振器阻尼值对系统临界速度有十分重要的影响。

当阻尼值较大时，在其他参数保持良好状态下，系统可以达到很高的临界速度值；过大的抗蛇行减振器阻尼值不利于车辆通过小半径曲线。

25、抗侧滚扭杆刚度值对系统临界速度几乎没有影响。

第六章
1、一般货车转向架主要由轮对轴箱装置、弹簧减振装置、侧架或构架、摇枕、基础制动装置等几部分组成。

2、目前国内一般货车转向架采用了导框式轴箱定位。

3、侧架交叉支撑技术
第七章
1、动力学建模时，一般以车辆悬挂系统为分界面，将车辆质量分为三大部分：
（1）轮对质量（2）构架质量（3）车体质量
第八章
1、我国标准钢轨的长度定为、25m
2、我国铁路上主型钢轨有60kg/m、50kg/m
3、引起车辆振动的原因，按激振源分为：瞬时冲击性的、周期性的和随机性的三类。

4、轨道不平顺的四种类型及影响
（1）轨道垂向不平顺：激起车辆的垂向振动，并能使轮轨间产生很大的垂向动作用力。

（2）轨道水平不平顺：引起机车车辆横向滚摆耦合振动.
（3）轨道方向不平顺：激发轮对产生横向运动，是引起机车车辆左右摇摆和侧滚振动的主要原因。

（4）轨距不平顺：轨距不平顺是由左右两轨的方向不平顺所派生的，轨距大小对轮对磨耗和车辆运行稳定性及安全性有一定影响。

第九章
1、蛇行运动：车辆沿直线轨道运行，具有一定形状踏面的铁道车辆轮对，沿着平直钢轨滚动，会产生一种振幅有增大趋势的特有的运动——轮对一方面横向移动、一方面又绕通过其质心的铅垂轴转动，这种运动的耦合称为蛇形运动。

2、自激振动：是指系统内部的非振动能量转化为振动的激振力而产生的振动。

3、提高车辆稳定性的方法
（1）选择合理的轴向定位刚度
为了提高蛇形运动临界速度，必须采用合适的纵向和横向轴箱定位刚度。

另外，还须考虑橡胶堆定位刚度的可行性及耐久性等条件。

（2）设置抗蛇行减振器和横向减振器
在车体和转向架之间设置合理阻尼值的抗蛇行减振器和横向减振器，可以大幅度提高车辆系统的临界速度，使得车辆系统的运行稳定性得到极大地改善。

（3）合理的车轮踏面斜度
较小的踏面斜度对提高系统临界速度十分有利，但不利于车辆曲线通过。

因此，在选择车轮踏面斜度时，需要综合考虑踏面斜度对车辆系统运动特性的影响。

（4）中央悬挂采用空气弹簧
采用空气弹簧不仅可以降低车辆的自振频率，而且还可以吸收和隔离由构架传递至车体的高频振动、具有良好的隔音性能。

（5）其他方法
合理的轴向定位形式、增大轴箱及中央悬挂横向距离、减轻轮对及轴箱等簧下质量，对提高转向架蛇形运动临界速度也是有利的。