车辆动力学(第六章)

轨交车辆动力学

第六章 车辆动力学车辆动力学是对车辆与线路之间及车辆之间相互耦合作用的复 杂动力作用过程机理进行系统研究，并据此提出车 辆及列车关键结构和参数的一门学科。

主要研究的问题研究和确定车辆在导向线路上安全和平稳运行的条 件。 研究车辆结构、走行悬挂系统、牵引驱动装置、连 接与缓冲装置等机构的结构与参数。 研究车辆各部件的动载荷特征。

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第一节 引起车辆振动的原因及基本振动型式一、车辆振动的型式 伸缩：沿x轴的纵向振动 浮沉：沿z轴的上下振动 横摆：沿y轴的振动。 侧滚：在横断面内的转动 摇头：沿水平面的转动 点头：纵向立面中的转动 车体的横摆与侧滚形成了两个耦合振型：绕车体重心上方某滚心运动的为上心滚摆； 绕车体重心下方某滚心运动的为下心滚摆。

摇头与滚摆属于横向振动范畴， 浮沉、点头为垂向运动范畴， 伸缩则为纵向振动。

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车体的空间振动

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二、激起车辆振动的线路原因

轨道不平顺的4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

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轨道随机不平顺的表示

——50kg重钢轨的有缝轨道 ……50kg重钢轨的无缝轨道

轨道高低不平顺的功率谱密度函数示例

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三、车辆的自激振动在钢轮与钢轨的接触面或橡胶轮胎与导向 路面之间存在着切向力。 这种切向力称蠕滑力或粘滑力，它随车轮 与路面或轨面的相对位置及运动状态而发 生变化。 在一定条件下，这种切向力会激起车轮乃 至车辆发生剧烈振动，振动的原因是自激 性的。

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第二节 车辆运行平稳性及安全性的评定标准

车辆的动力学性能主要有平稳性 安全性 曲线通过性能。 曲线通过性能

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一、车辆运行平稳性及评定标准车辆平稳性是评定乘客舒适程度的主要依 反映了车辆振动对人体感受的影响。 据，反映了车辆振动对人体感受的影响。j3 W = 0.89610 F( f ) f 2 j——振动加速度(cm/s );

f——振动频率(Hz); F(f)——与频率有关的修正公式，反映人 体对不同方向和频率振动的敏感度。

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车辆横向平稳性指标与振动加速度

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我国铁路客车运行平稳性等级平稳性等级 1级 2级 3级 评 定 优 良好 合格 平稳性指标 <2.5 2.5~2.75 2.75~3

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欧洲与北美的平稳性评定标准在新轮踏面、轨道满足UIC标准并处于良好维护状态的 条件下，w≤2.5(垂直与横向)

平稳性的测点设置在心盘位的地板面上。 对车辆准正弦振动幅值。也有限制 a(mm)≤25/f2 (1Hz≤f≤10Hz) a(mm)≤250/f2(10Hz≤f≤50Hz) 国际标准化组织ISO2631标准 ISO标准评估振动对人体 影响时用疲劳时间T表示，从维持工作效能，健康和舒 适度出发相应提出3种限度：工效下降限度， 承

受限度 舒适度下降限度。

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研究结果这些限度是在对飞行员及汽车驾驶员进行 大量测试研究后取得的。 人体对2Hz左右的水平振动很敏感，而对 垂直振动4~8Hz最敏感。 在英法等欧洲国家也有取洛奇的疲劳时间 评定法；在日本则采用等舒适度曲线法评 定平稳性。

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新车与运用后的车辆的轮轨关系，悬挂参 数有所不同，其性能相应发生变化 因而不仅需要对新车平稳性或其他性能提 出要求，运用一段时期的车辆也必须达到 适当的平稳性指标。 要求在设计中采用的结构参数必须确保在 车辆整个运用期内有稳定而优良的动力学 性能

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二、车辆运行安全性及评定指标城轨动车组运行时，受到外界或内在因素 产生的各种作用，在最不利因素组合下可 能丧失车辆安全运行的基本条件，从而造 成轮轨分离，车辆脱轨或倾覆的恶性事故。 因而研究运行安全性及其评定标准很重 要。

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1.轮对脱轨条件及评定指标Q1 tan α1 µ1 = P 1 + µ1 tan α1 1

车轮脱轨系数Q1/P1=1.0为第一限度，希望不超过的允许限度 Q1/P1=1.2为第二限度。是安全限度。 新车不能超过第一限度

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车辆脱轨的作用力关系

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轮对脱轨条件表示为：

H + µ 2 P2 tan α1 µ1 ≥ P 1 + µ1 tan α1 1H:转向架作用在轮对上的横向力 适用于低速脱轨过程 高速脱轨是由跳轨或蛇行失稳产生的，此时瞬时侧向力 高速脱轨是由跳轨或蛇行失稳产生的 可以很大，因此Q1/P1的临界值与出现峰值瞬时力的时 间 t成反比。时间越短，允许的临界值可以大些。

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2.轮重减载引起的脱轨条件tan α 2 µ 2 P tan α 1 µ1 ≥ P 1 + µ1 tan α 1 1 + µ 2 tan α 2 tan α 1 µ1 tan α 2 µ 2 1 + µ tan α + 1 + µ tan α 1 1 2 2

△P——左右轮重差；µ1、µ2、a1、a2——分别为左右车轮与轨 头接触处的摩擦因数及接触角。 我国规定的允许限度为0.6 我国规定的允许限度为

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公式使用的具体条件在使用上述三个公式时应注意具体条件 Q1/P1是根本性的依据 后两个公式则是有条件 的，条件不满足 时采用后两公式会得到矛盾的结果。

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3.影响脱轨的因素及防范措施影响车辆脱轨的因素很多，而实际脱轨往往是多种因素 的组合所形成，其中某个因素起了决定性促成作用。 主要的脱轨因素有；线路条件： 线路条件：线路的曲线超高、顺坡、三角坑及局部高值不平顺均会引起过大 侧向力或轮重减载。

车辆条件： 车辆条件：车辆的转向架制造公差、回转力矩、轴箱横向定位刚度过大、斜 对称载荷均会造成侧向力过大或引起轮重减载。

运用条件： 运用条件：侧向力过大、车辆重心过高，在曲

线上也会导致减载超限 装载偏重、空车弹簧静挠度过小均会引起轮重减载。

一般车辆低速由曲线进入直线时容易脱轨。风力过大有 时也是曲线脱轨的原因。

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4.车辆倾覆安全性当车辆弹簧柔性过大，重心过高时，在过大的离心力、 当车辆弹簧柔性过大，重心过高时，在过大的离心力、 振动惯性力或风力组合作用下， 振动惯性力或风力组合作用下，整个车辆一侧车轮减载 过大而使车辆倾覆。 过大而使车辆倾覆。 车辆在横向力作用下可能倾覆的程度用倾覆系数D来表示

P2 P1 D= P2 + P1式中，P2——车辆外轨侧的垂直轮轨力； P1——车辆内轨侧的垂直轮轨力。 我国规定D=0.8为危险限度，允许倾覆系数应为D<0.8。