动车组车辆构造与设计转向架零部件和车体-CAD-CAE设计精简

1、,兰州交通大学机电学院机车车辆系 商跃进,欢迎学习动车组车辆构造与设计,第3节 转向架零部件CAD-CAE设计,1、圆柱压缩螺旋弹簧设计 2、车轴设计 3、车轮设计 4、轮对设计 5、制动零件设计 6、焊接构架强度设计 7、车体结构设计技术,1、圆柱压缩螺旋弹簧,（1）几何参数 （2）弹簧应力分析 （3）单卷弹簧设计公式 （4）双卷弹簧设计公式 （5）弹簧现代设计,d簧条直径（mm） D弹簧中径，即螺旋线圆柱直径 n弹簧的有效圈数，即螺旋线的圈数 H0弹簧的自由高 D2=D+d弹簧外径 D1=D-d弹簧内径 弹簧的螺旋角，即螺旋线的升角 t簧条间距，即螺旋线的节距 螺旋线的极角 C旋绕比，C=

2、D/d,（1）几何参数,基本参数,（2）单卷弹簧传统设计方法,EXCEL在CRH2轴箱弹簧分析中的应用,（3）弹簧现代设计,A、弹簧CAD设计 B、弹簧有限元分析 C、弹簧优化设计,A、弹簧CAD,1、几何参数 2、卷制工艺 3、仿真设计 4、配置 5、库零件,卷制工艺,制造工艺过程: 修正下料端部加热锻尖加热卷绕淬火回火强化处理（喷丸、强压、渗碳）磨平端面试验或验收。,热卷大弹簧.flv,仿真设计,（1）一段变螺距螺旋线扫描法 （2）三段等螺距螺旋线扫描法 （3）三段直线扫描法 （4）弹簧练习,（1）一段变螺距螺旋线扫描法,弹簧是由簧条圆绕一条螺旋线旋转而成的，故其造型过程为：先绘制螺旋线，

3、再绘制簧条圆，然后利用扫描特征创建弹簧基体，最后利用拉伸切除特征创建支撑圈。,（2）三段等螺距螺旋线扫描法,（3）三段直线扫描法,先钢丝 后卷滚,（4）弹簧练习,用多种方法进行弹簧建模,配置,SolidWorks配置可以在单一的文件中对零件或装配体生成多个设计变化，来开发与管理一组有着不同尺寸、零部件或其他参数的模型。在零件文件中，配置可以生成具有不同尺寸、特征和属性的零件系列。可以手动生成配置，也可以使用系列零件设计表同时建立多个配置。,右键单击特征尺寸（弹簧高度）配置尺寸输入配置尺寸：安装高度和对应的静载高值：,二次开发,二次开发，简单的说就是在现有的软件上进行定制修改，功能的扩展，然后达

4、到自己想要的功能，,Private Sub CmdClose_Click() End End Sub Private Sub CmdOK_Click() MDiameterValue = Val(TxtMD.Text) / 1000 从文本框获取新的中径 TDiameterValue = Val(TxtTd.Text) / 1000 从文本框获取新的簧条直径 nValue = Val(Txtn.Text) 从文本框获取新的有效圈数 FmaxValue = Val(Txtfmax.Text) / 1000 从文本框获取新的最大挠度 Call ParameterSub(MDiameterValue

5、, TDiameterValue, nValue, FmaxValue) 调用更新函数 End Sub,B、弹簧CAE分析,弹簧CAE设计实例-转K2弹簧有限元分析,（1）刚度（f=mm） （2）强度（f=47.2mm）,几何非线性 | 大变形问题,C、弹簧优化设计,（C）算例 已知某机车弹簧的相关参数为：Pst=119.428kN， fst=106.0mm，H0=490mm。材料为60Si2CrVAT，许用应力=1050MPa4，疲劳许用应力-1= 370MPa。取机车取弹簧裕度系数Kvd=0.5，动荷系数Kd=0.255。 “目标函数”m文件 “约束条件”m文件 “优化程序”m文件,（A）

6、Matlab中的分析步骤 建立优化模型并转成标准格式。 生成“优化目标函数”m文件 生成“优化约束条件”m文件 生成“优化求解程序”m文件 执行求解程序。,（B）弹簧优化设计数学模型,执行： OPTProg 结果：x = 50.8034 220.9303 4.7975 fval = 6.8228e+004,2、车轴强度计算,（1）计算载荷 （2）计算截面 （3）计算方法,（1） 传统计算方法,日本JIS E 4501铁道车辆车轴强度设计方法和JIS E 4502铁道车辆车轴品质要求,车辆车轴设计(TBT 2705-96 ).xls,（2）车轴CAD/CAE分析,加工a、b、c、d、e、f、g面

7、和各轴肩进行加工；,3、车轮的强度分析,1、车轮强度分析的内容 2、车轮强度分析载荷工况 3、车轮强度评价方法 4、车轮强度分析算例,（1）车轮CAD,（1）车轮建模顺序 （2）踏面作图方法 （3）踏面作图步骤,车轮生产工艺,车轮一直由两道工序加工完成, 即： 先加工内壳面、内辐板、轮缘、内辋面； 然后翻身找正加工外壳面、外辐板、外辋面、踏面及孔 其中轮缘、踏面在喉部接刀。,辗制工艺,草图尽量简，特征需关联， 造型要仿真，别只顾眼前。,切右辐板,钻轮毂孔,选材料,切左辐板,镟踏面,车轮CAD设计,1-内辋面 2-内壳面 3-内辐板 4-轮缘 5-喉部 6-踏面 7-外辋面 8-轮 辐 9-外辐

8、板 10-外壳面,车轮建模顺序,磨耗形踏面作图方法,TB-T 449-2003 机车车辆车轮轮缘踏面外形,磨耗形踏面作图步骤,库特征,库特征能将常用的特征用特定的格式保存起来，在需要用到的时候只要求一个拖放和简单的定位即可完成特征的创建。库特征的内容还可以是草图，对于常用的复杂草图和复杂特征更是能起到一劳永逸的效果。,（1）生成库特征 （2）使用库特征 （3）编辑库特征,（1）生成库特征,生成草图,添加到库,（2）使用库特征,生成父特征,添加库特征,生成子特征,（3）编辑库特征,（4）踏面库特征,车轮建模练习,（2）车轮CAE,（1）车轮强度分析载荷工况,根据UIC 510-5：2003（整体

9、车轮技术）标准进行车轮设计，对于安装到动轴上的车轮，考虑车轮通过直线、曲线和道岔时的载荷。,除了上述UIC 510-5规定的垂向和横向载荷外，还应考虑下表所示的载荷条件。,Q:每个车轮承担的重量,车轮CAE,GB 8601-1988铁路用辗钢整体车轮-客车车轮,4、轮对分析,1、轮对压装 2、轮对CAD 3、轮对承载应力 4、轮对装配应力分析 5、轮轨接触应力,（1）轮对压装,目前路内大多数工厂采用以轮毂孔外端面定位压装车轴的轮对压装方法,其工艺过程是: (1)轮轴套装:用车轴专用尺划出车轴的全长中心线,并在车轴两端轴颈上套上防护套;然后将选配好的车轴轮座表面和车轮轮毂孔内清扫干净,并均匀地涂

10、抹纯净植物油;最后将两个车轮分别套装在车轴的两端。,图2 以轮毂孔外端面定位压装车轴,轮对压装过程,(2)定位:将套装好的车轮车轴吊放到轮对压装专用的移动(旋转)小车上,启动小车开关,使轮毂孔的外端面靠紧压力机的定位面即完成压装的定位。 (3)压装:启动压力机进行压装。通过专用对称尺划出的车轴全长中心线,压装到位后(操作者目测判断),关机停压(若在压装过程中发现压力曲线不合格则立即停压),打开小车开关,将小车复位。 (4)调头压装:将小车旋转180,再按同样的过程压装另一侧的车轮。 (5)检测:车轮压装完成后,用专用尺仔细测量L和任意3处的距离差,并检查轮位差和压装力大小以及压力曲线是否合格。

11、 (6)记录:对压装合格的轮对,按照铁辆19982号文之附件5中的F5、2、7条的规定完成有关数据的记录。对压装不合格的轮对,应及时退卸并分析原因,妥善处理后重新压装。,TB-T 1718-2003 铁道车辆轮对组装技术条件,（2）轮对CAD,轮对压装位置要求,(1)轮对内侧距离L=(1 3532) mm,且任意3处距离差不大于1 mm。当内侧距离L不符合规定时,不得向外侧调压,但当轮对内侧距离比规定的最小距离小1 mm以下时或因车轮辗制不均匀而致使任3处距离差超过规定时,可以通过旋削轮辋内侧面进行调整。 (2)轮对轮位差: L1-L2 3 mm。,轮对装配,（3）轮对承载应力,（4）轮对装配

12、应力分析,（1）理论计算 （2）CAE分析,理论计算,为保证运行过程中，车轮不会与车轴发生相对转动或脱离，轮轴之间应有足够的 接触压应力。在标准EN13260:1998对轮对轮轴过盈量j有如下规定： a)采用收缩装配:0.0009dmj 0.0015dm; b)采用压力装配:0.0010dmj0.0015dm+0.06; 其中:dm表示轮座位置轴的平均直径，单位为mm。 dm=194mm时，0.174mm j 0.291mm,式中H一轮对所受的横向力;M一轮对所受的扭矩;R-轮毅孔半径;L为轮对装配长度;f为轮轴配合面摩擦系数。,接触强度：,CAE分析,冷缩配合 轴194.2mm 孔194mm

13、,（5）轮轨接触应力,（1）理论计算 （2）CAE分析,理论计算,车轮与钢轨之间的最大接触压力相当大，甚至于超过了弹性极限，因此在接触表面层产生塑性变形。 车轮与钢轨的接触是以两个不同半径构成的曲面形成的，故这个接触压力按赫兹压力的计算式。,CAE分析,5、制动零件设计,1、制动性能计算 2、制动热机耦合计算载荷 3、制动零件CAD/CAE设计实例 4、踏面制动零件CAD/CAE设计演示,热量载荷：制动过程中制动盘和闸片摩擦生热，在盘体和盘毂上产生热应力和热变形。 对流载荷： 制动过程中制动盘表面对空气散热。 压力载荷：盘体受到闸片的压力。 摩擦力载荷：盘体受到闸片的摩擦力。 旋转离心力：制动

14、盘高速旋转产生离心力，导致盘毂产生变形和应力。 振动载荷：车辆运行时，由于轮轨作用导致盘毂受到振动载荷的作用。 压装载荷：盘毂和车轴的过盈配合使盘毂发生变形而产生应力。,制动热机耦合计算载荷,踏面制动车轮热机耦合分析,对车轮热负荷最不利的制动工况： 紧急制动工况热流密度分别为288.8 kW/m2 拖曳制动工况热流密度为175.6kW/m2。,温度场结果 热机耦合场结果,6、焊接构架强度设计,（一）构架强度设计规范 （二）构架强度分析,1、构架强度设计规范,UIC515/ UIC615规程 JISE4207“铁道车辆转向架构架设计通用条件”,（1）UIC515/UIC615规程,（2）JIS技

15、术条件,2、构架强度分析,1、构架CAD 2、构架CAE,（1）构架CAD,构架加工工艺.MPG,构架-new-a.avi,（2）构架CAE,7 车体结构设计技术,一、车体外形设计 二、车体结构强度设计,一、车体外形设计,1、外形设计的基本要求 2、头型设计的基本参数 3、头车外形比较 4、车体横断面尺寸,1、外形设计的基本要求,随着列车运行速度的提高，周围空气的动力作用一方面对列车和列车运行性能产生影响；同时，列车高速运行引起的气动现象对周围环境也产生影响，这就是高速列车的空气动力学问题。,高速动车组外形设计的基本要求分三个方面，即要满足: 空气阻力的要求 压力波动的要求 噪声方面的要求,2

16、、头型设计的基本参数,(1)阻力系数 一些高速铁路发展比较早的国家，通过试验研究和理论计算，明确提出了各自的列车阻力系数指标。 在“德国联邦铁路城间特快列车ICE技术任务书”中规定： 列车前端的驱动头车空气阻力系数C0.17； 列车末端的驱动头车空气阻力系数C0.19。,(2)头型系数（长细比） 长细比，即车头前端鼻形部位长度与车头后部车身断面半径之比。 头、尾车阻力系数与流线化头部长细比直接有关，高速列车头部的长细比一般要求达到3左右或者更大，如图所示：,CRH5动车组原型车SM3外型效果图,3、头车外形比较,CRH2动车组原型车E21000外型图,4、车体横断面尺寸,动车组车身横断面形状设

17、计有以下特点： 1.整个车身断面呈鼓形，即车顶为圆弧形，侧墙下部向内倾斜（5o左右）并以圆弧过渡到底架，侧墙上部向内倾斜（3o左右）并以圆弧过渡到车顶。下图为德国ICE动车组车身断面形状。这不仅能减小空气阻力，而且有利于缓解列车交会压力波及横向阻力、侧滚力矩的作用。 2.裙板车辆底部形状对空气阻力的影响很大，为了避免地板下部设备的外露，采用与车身横断面形状相吻合的裙板遮住车下设备，以减少空气阻力，也可防止高速运行带来的沙石击打车下设备。 3.车体表面光滑平整，尽量减少突出物。如侧门采用塞拉式；扶手为内置式；脚蹬做成翻板式，使侧面关闭时可以包住它。 4.两车辆连接处采用橡胶大风挡，与车身保持平齐

18、，避免形成空气涡流。,车体断面比较,ICE动车组车身断面形状,二、车体结构强度设计,1、车体结构设计基本内容 2、车体结构强度设计标准JIS E7105 3、车体结构强度实例,1、车体结构设计基本内容,在车体设计中必须考虑以下几个方面的要求。 (1)车体强度：为保证车辆在运行中有足够的强度，必须能承受一定的载荷工况，以符合车辆的强度设计规范。需校核车体结构的强度和刚度，同时要进行结构疲劳设计。 (2)车体刚度：这主要是控制车体的垂向位移和扭转角位移。 (3)车体自振频率：这与车辆运行品质和安全密切相关，因此，规范中对车体第一阶垂向弯曲模态有一定的限制。 (4)车体的耐碰撞安全防护：即要求设计一个更强的客室结构，同时在车体的非乘客区设置能量吸收区.以吸收撞击动能，保证乘客安全。 (