悬挂式PRT车辆结构设计及动力学研究

摘要

随着城市人口密度的不断增大，交通拥堵问题成为了阻碍城市经济发展，影响居民正常生活的主要问题。大力发展公共交通是解决该问题的有效手段之一，而公共交通的发展需要考虑城市自身特点，并且各种交通系统之间应该能形成互补的结构。个人快速公交系统（Personal Rapid Transit，简称PRT）作为一种小运量的公共交通系统弥补了传统公共交通系统无法提供专车服务的空白，但是该系统在国内尚未得到运用。 本文以悬挂式PRT车辆为研究目标，根据其使用要求，设计了该车辆的整体结构，并且对车辆的走行部（即转向架）、悬挂装置建立了详细的三位模型，分析了车辆三向力的传递过程，同时根据相关设计经验，初步选取了车辆主要悬挂元件的参数，即单个弹簧减振器垂向刚度为20（N/mm) ，横向刚度为3.5（N/mm)；减振器垂向阻尼系为900（N·s/m) ，单个横向减振器阻尼系数为230 （N·s/m)。同时通过有限元计算得出牵引拉杆等效径向刚度为904(N/mm)，等效轴向刚度为252(N/mm)。 通过牛顿-欧拉法，本文建立了悬挂式 PRT 车辆的理论动力学模型，并且选取了Sperling平稳性指标、导向轮最大横向力、走行轮最大垂向力、车体最大侧滚角作为动力学评价指标，与SIMPACK建立的仿真模型相比，由于理论模型考虑自由度较少，同时对部分元件进行了简化，其计算结果较为理想化，但是二者变化趋势相近。 为提高车辆的运行品质，本文采用正交试验法和遗传优化算法对车辆动力学参数进行优化，在正交实验优化中，选取二系等效垂向刚度12.5(N/mm)、二系等效垂向阻尼700 (N·s/m)、二系横向等效刚度1(N/mm)、二系等效横向阻尼450 (N·s/m)以及导向轮径向刚度90(N/mm)，为最优参数组合。在遗传优化算法中选取二系等效垂向刚度10.2(N/mm)、二系等效垂向阻尼692 (N·s/m)、二系横向等效刚度1.2(N/mm)、二系等效横向阻尼243 (N·s/m) ，导向轮径向刚度82(N/mm)。结合车辆整体动力学指标仿真结果，最终确定遗传优化算法参数和为最优。而所选优化参数对平稳性影响较大，对导向轮最大横向力、走行轮最大垂向力较小。 车辆在偏载工况下的横向平稳性会降低，并且低于空载工况，而垂向平稳性在部分速度级下也会劣于空车工况，并且车辆前后走行轮所受最大垂向力的差值较大，为保证安全运行，建议在车体上加设平衡装置。

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悬挂式PRT终稿

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