悬挂式单轨车辆转向架结构设计及动力学性能分析

摘要

随着城市规模的不断扩大，城市轨道交通得到了快速发展，并且成多元化发展趋势。悬挂式单轨交通系统作为城市轨道交通的一种补充类型，由于具有建设周期短、生产成本低、占地面积小、空间利用率高、运行安全舒适、噪音低、对环境污染小、爬坡能力强、曲线通过性能好以及适应性强等诸多优点而备受青睐，故本文对悬挂式单轨车辆进行了分析研究。
　　本文首先介绍了悬挂式单轨交通系统的特点以及其适用范围，然后重点叙述了德国和日本比较典型的几条悬挂式单轨线路，并讲述了我国悬挂式单轨交通系统的发展状况;其次对悬挂式单轨车辆的编组形式和转向架结构进行了分析，重点研究了转向架构架、走行轮、导向轮和基础制动装置的结构，然后利用CATIA软件建立了转向架三维模型，并利用CATIA软件自带的有限元模块对基础制动装置的关键零部件进行了强度校核。之后简要介绍了充气橡胶轮胎的力学特性，在此基础上分析了车辆系统自由度，建立了悬挂式单轨车辆动力学模型，并推导出了转向架和车体的运动方程;最后运用simpack软件建立其动力学仿真模型，并根据直线平稳性指标和曲线通过性能指标对车辆悬挂参数进行了仿真优化，同时在已优化参数的基础上对直线状态下不同速度和曲线状态下不同半径的动力学性能进行了仿真预测，得出悬挂式单轨车辆动力学性能良好。
　　本文通过上述研究内容，得到以下结论:
　　(1)悬挂式单轨车辆转向架结构独特，走行轮和导向轮都采用充气橡胶轮胎，车体和构架的连接采用特殊的梯形悬吊装置，而驱动装置采用先进的差速器机构。由于橡胶轮胎具有良好的缓冲减振性能，使得车轮和转向架构架之间不需要安装一系悬挂，简化转向架结构，但没有影响车辆平稳性指标，同时使车辆具有过小半径曲线的能力。
　　(2)在车辆通过曲线时，导向轮预压力过小会导致导向轮脱离导向轨，使车辆曲线通过性能迅速变差，只有在保证导向轮不脱离导向轨的前提下，导向轮预压力的变化才不会影响车辆曲线通过性能。
　　(3)悬挂参数优化之后对车辆在直线和曲线上的动力学性能进行仿真分析，结果表明车辆平稳性指标均小于2.5，在优秀等级范围内，说明本文设计的悬挂式单轨车辆平稳性较好;同时曲线通过性能指标均在安全标准的限制值以内，说明本文设计的悬挂式单轨车辆具有良好的曲线通过性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 悬挂式单轨交通系统概述

1．2．1 悬挂式单轨交通系统的特点

1．2．2 悬挂式单轨交通系统的适用范围

1．3 悬挂式单轨交通系统的国内外发展现状

1．3．1 国外发展现状

1．3．2 国内发展现状

1．4 本文研究的主要内容

第2章 悬挂式单轨车辆转向架结构设计

2．1 车辆编组方式及主要参数

2．2 车辆转向架总体结构及特点

2．3 转向架三个力的传递过程

2．4 转向架构架结构分析

2．5 走行轮和导向轮结构分析

2．6 基础制动装置结构分析

2．7 关键零部件的强度校核

2．7．1 悬挂式单轨列车制动力估算

2．7．2 基础制动装置的有限元分析

2．8 本章小结

第3章 轮胎力学特性研究

3．1 轮胎的坐标系

3．2 轮胎的滚动阻力

3．3 轮胎的侧偏特性

3．4 轮胎的径向刚度特性

3．5 本章小结

第4章 悬挂式单轨车辆动力学模型

4．1 车辆系统动力学建模的理论基础

4．1．1 车辆多体系统动力学概述

4．1．2 运动方程的建立

4．2 车辆动力学模型的建立

4．2．1 车辆系统自由度

4．2．2 整车动力学模型

4．3 车辆系统动力学方程

4．3．1 转向架的运动方程

4．3．2 车体的运动方程

4．4 轨道不平顺

4．4．1 轨道不平顺的类型

4．4．2 轨道功率谱

4．5 本章小结

第5章 悬挂式单轨车辆悬挂参数优化

5．1 动力学性能的评价标准

5．1．1 垂向及横向平稳性指标

5．1．2 曲线通过性能评价指标

5．1．3 车辆平稳性观测点的确定

5．2 曲线限速与线路设置

5．3 车辆动力学仿真模型建立

5．3．1 模型的拓扑结构

5．3．2 建模所需的特征参数

5．3．3 动力学仿真模型

5．4 导向轮预压力的研究

5．5 走行轮参数优化

5．5．1 走行轮径向刚度优化

5．5．2 走行轮径向阻尼优化

5．6 转向架二系悬挂参数优化

5．6．1 空气弹簧垂向刚度优化

5．6．2 空气弹簧纵／横向刚度优化

5．6．3 空气弹簧垂向阻尼优化

5．6．4 横向减振器阻尼优化

5．6．5 横向拉杆橡胶关节轴向刚度优化

5．7 本章小结

第6章 悬挂式单轨车辆动力学性能预测分析

6．1 直线运行平稳性预测分析

6．2 曲线通过性能预测分析

6．3 本章小结

结论及展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文