第四章-走行部主要部件结构与设计

1、第四章 走行部主要部件结构与设计,思考题：,1）车轮踏面为什么必须有斜度？ 2）锥形踏面与磨耗型踏面接触点与磨耗的特点是什么？ 3）为什么要进行轴箱定位？ 4）抗侧滚稳定器的作用原理是什么？ 5）为什么空气弹簧系统一定要安装高度控制阀？ 6）空气弹簧系统为什么要设置差压阀？ 7）为什么SKF1液压减振器在拉伸和压缩过程中阻力不相等，而KONI减振器则相同？ 8）转向架与车体间的连接装置应满足哪些要求？ 9）有摇枕和无摇枕的车体连接结构的优缺点有哪些？,轮对轴箱装置,一轮对,1. 轮对的组成及作用,组成：车轴、车轮。 城轨车辆一般采用整体车轮， 轮轴结合部位采用过盈配合。 作用：, 承受全部载荷

2、及冲击； 与钢轨粘着产生牵引力,或制动力；, 轮对滚动使车辆前进。,组装：车轮热套到车轴,(也可采用液压套装)，,1,二、 车 轮 结 构 及 其 局 部 损 伤 示 意 图,2,车轮的种类：辗钢轮，轮箍轮，弹性车轮,11,弹性车轮, 结构形式,有承剪型、承压型和压剪复 合型等三种，见右图。现代 城轨车辆上用得最多的是压 剪复合型橡胶弹性车轮。 剪压复合型橡胶弹性车轮是 一种既能承剪又能承压的结 构。通常将橡胶元件采用众 所周知的V形布置（见右 图）。由于这种结构能使剪 力和压力的分配可以随橡胶 元件的V形角的改变而改 变，即轴向刚度与径向刚度 能达到人们所期望的最佳匹 配，因此，这种剪压复合

3、型 橡胶弹性车轮代表了弹性车 轮的发展方向。,弹性车轮 主要优点：可减小车辆簧下部分质量，降低轮轨力，缓和冲击，提高列车运行平稳性，改善车轮与车轴的运用条件，减小磨耗和噪声。 压缩型 压剪型,图1,12, 特点 A垂向弹性可明显降低车轮垂向加速度 早在1933年，希施费尔德 （Hirschfeld）就对橡胶弹性车 轮的垂向冲击加速度进行了研 究，其成果列于图1和图2中。 图1表示车轮垂向冲击加速度与 车轮静挠度的关系，可以看出： 当完全刚性的车轮在刚性道床 的轨道上运行时（通常轻轨线,1.75mm,路或地铁线路的混凝土道床是 很硬的），冲击加速度高达 30g，但只要存在一个不大的 静挠度时，该

4、冲击加速度就会 迅速下降，例如，当静挠度为 1.75mm时，其值降至10g。,静扰度：增大弹簧的静扰度，可以改善车辆运行的平稳性。,图2,图2表示车轮垂向冲击加速度与 运行速度的关系，曲线a代表完全 刚性的钢制车轮，是一条直线，加 速度值很高，但车轮稍具弹性时， 就会使高速度运行的冲击加速度显 著下降（见曲线b），当弹性位移 为2mm左右时，冲击加速度已下降 到了允许的范围之内（见曲线d）。 由图1和图2可得出如下重要结论：,只要在静载荷作用下能有2mm 左右的垂向静挠度，车轮垂向冲击 加速度就可以降到令人满意的程 度，并能有效保护钢轨、车轮、轴 承和轴悬式电动机。,13,B橡胶弹性车轮能显著

5、降低噪声 图3是橡胶弹性车轮与刚性车轮的噪声比 较结果。 由图3可见，当车速为60km/h时，橡胶 弹性车轮的噪声比刚性车轮低20多Phon 特别需要指出的是，橡胶弹性车轮在降 低曲线噪声方面具有明显效果。根据德 国汉堡地铁试验结果，橡胶弹性车轮在 曲线区间可以减少噪声达2022dB(A)。 图4表示橡胶弹性车轮降低曲线噪声的效 果，该图摘自美国Standard公司的资 料，其试验条件是：装有Acousta-Flex橡 胶弹性车轮的车辆，以56km/h以下的低 速，通过半径为140ft(约40m)的小曲线。 由图4可见，在上述情况下，车外噪声能,图4,降低约25dB(A)。,14,橡胶弹性车轮

6、之所以能明显降低噪声，主要原因是： 1、由于橡胶能吸收高频振动、降低冲击，并使轮轨间（特 别是在曲线上）的摩擦得到改善。 2、另外，采用刚性车轮时，由于轮箍在轨道上滚动而出现 的噪声会通过轮心的膜片作用而大大强化，并以体噪声 的形式传至车体，而采用橡胶弹性车轮时，该噪声被橡,胶层隔绝。 刚性车轮 橡胶弹性车轮 图5 轮缘磨耗比较,C橡胶弹性可明显减少轮缘磨耗 橡胶弹性车轮通过曲线时的轮缘 磨耗与刚性车轮的比较情况见图 5所示。 由于橡胶弹性车轮的轴向弹性， 使通过曲线及道岔时轮缘刚性贴 靠钢轨滑行的情况受到了弹性约 束，摩擦力及其造成的轮缘磨耗 大大降低（最大可降低40%）。,德国高铁事故车轮

7、,整体式辗钢轮/组合式弹性车轮,缺点：轮箍圈金属材料容易产生疲劳裂纹。,弹性车轮目前一般用在轻轨车辆上的较多。,整体车轮采用：踏面光滑、踏面弹性，或安装消声器，如阻尼器等。,名,义,滚,动,圆,直,径,2. TB踏面及轮缘 A. 几个关键的名称和尺寸（标准踏面） 轮缘的作用：为保证车轮在轨道上正常运行，防止脱轨，同时引 导车轮在曲线上转向。 TB型踏面：高25mm，厚32mm，轮缘角65,轮缘,踏面, 踏面：,1:20斜面的作用：在直线 上自动对中；在曲线上使 外轮滑动量小。是车轮与 钢轨接触的主要部分。 1:10斜面的作用：通过小 曲线时，接触于1:10斜面 上，可进一步减小外轮滑 动量。

8、滚动圆：离轮缘内侧70mm 处的直径，为滚动圆。名义直径600840mm 标准锥形踏面外形图 轮缘内侧面有R16的倒角， 以引导车轮顺利通过护轨。,带锥形踏面的轮对 在轨道上的运动与 啤酒桶在线轨的运 动相似,4,解释：为什么踏面是有斜度的？,踏面设置坡度的理由： 1.便于通过曲线； 2.可自动调中； 3.能顺利通过道岔； 4.使车轮磨耗均匀； 5.防止车轮脱轨。,磨,耗,率,0,B. 标准踏面存在的主要问题,TB踏面和轮缘磨损严重（尤其是在 新踏面投入运用的前期） 原因：锥形踏面与钢轨的接触区 域，明显地仅为狭小面积接触，因 此产生局部磨耗，使踏面呈凹形， 但当踏面达到某种凹形程度后，外 形

9、便保持相对稳定。 C. 解决方法：采用磨耗形（凹形、 曲形、弧形）踏面 研究表明：当锥形踏面磨耗到一定,(单位：毫米/万公里) 运行公里 磨耗率与运行公里的关系图,的凹形程度后，外形便相对稳定， 磨耗速度减小（此时轮轨接触区域 较宽）因此，我们可直接将新 踏面做成磨耗形状即磨耗形踏 面。 5,轮轨接触情况,轮轨接触点,3. 磨耗形踏面的定义：,将新的车轮踏面外形直接做成与标准锥形踏面磨耗后 的形状相类似（或近似）的这样一种踏面，称为磨耗 形踏面（亦称凹形、曲形、弧形踏面）。,磨耗形踏面外形图,6,优点：,（1）延长镟轮公里（因轮轨接触点变化范围较大，使 轮轨磨耗较均匀），并减少镟轮时的车削量；

10、 （2）在同样的接触应力下，容许更高轴重（因轮轨接,触面积较大）；,（3）减少了曲线上的轮缘磨耗（因锥形踏面在曲线上 时轮轨为两点接触，而磨耗形踏面在曲线上时轮轨 为一点接触）。,缺点：,等效斜度大蛇行稳定性差。,镟轮：车辆跑合一段时间后，踏面的几何形状发生了变化， 此时会影响到车辆的运行性能，所以需要镟修恢复其几何形状。,锥形踏面的斜度为0.05，而磨耗形踏面的等效斜度通常为0.15左右甚至更大; 踏面等效斜度大有利于曲线通过，但对机车的蛇行稳定性不利。对于速度较高的机车，在设计时，必须要考虑这个因素。,需镟削处 需镟削处,磨耗处 磨耗处,需镟削处 需镟削处,磨耗处 磨耗处,8,第一接触点

11、第二接触点 唯一接触点,轨面接触范围 几乎为一点 踏面接触范围 约为9.5mm,轨面接触范围 约为14.5mm 踏面接触范围 约为24mm 9,磨耗形踏面与轨面的接触点的变动范围较宽， 因此磨耗也比较均匀。,目前，我国已把磨耗形踏面定位标准踏面外形。 LM磨耗踏面外形,轮径小的优点：降低车辆重心，减小簧下质量，缩短固定轴距。 缺点：阻力增加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快, 对车辆振动也有影响。 我国标准轮径： 电力机车地铁840mm ，货车840mm，客车915mm， 柴油机车轮径为1050毫米,电力机车轮径为1250毫米。 蒸汽机车各种车轮的直径因机型而异，动轮直径通常在13702000毫

12、米之间。,CRH1 915mm CRH2 860(全磨耗790mm) CRH3 920mm CRH5 890mm,轮对形状尺寸与线路的相互作用 (一) 轮缘内侧距离与线路尺寸的关系 保证轮缘与钢轨间有一定的游间，以减少轮缘与钢轨的磨耗，实现轮对的自动调中作用，避免轮对两侧车轮直径的允许公差要求过高，避免轮轨之间的过分滑动及偏磨现象。 最小轮缘间隙=轨距-（轮缘内侧距+2轮缘厚度） =1433-（1359+232）=10mm 则最小游间为5mm。游间越小，轮对蛇形运动的振幅越小。 2. 安全通过曲线 车轮踏面安全的安全搭载量轮对的最小内侧距最薄轮缘厚度轮辋厚最大轨距 =1350+22+130-1

13、456=46mm,游间过大增大蛇形运动的振幅； 游间过小增大轮缘与钢轨间的磨耗。,为了便于机车车辆转向，曲线区段的轨距都要适当加宽，一般最大轨距为1456mm。 当轮对运行到曲线区段时，由于离心现象，一侧车轮轮缘紧靠外轨，另一侧车轮踏面在内轨上应保证有足够的宽度，以防止轮对对踏面单位接触应力过大而产生裂纹或变形，严重时会引起车轮脱轨。 内侧车轮在内轨上的这个必要的宽度，叫做安全搭载量。,3. 安全通过辙叉1.翼轨 2.轮缘 3.叉心 4.辙叉 5.护轮轨,翼轨作用面至护轮轨头外侧面的距离不大于1348mm。否则，轮缘内侧面将被护轨轮挤压，不能安全通过道岔。,叉心作用面至护轮轨头部外侧面的距离不

14、小于1391mm;如小于1391mm，车轮轮缘将骑入叉心的另一侧面而导致脱轨。,辙叉（frog） 使车轮由一股钢轨越过另一股钢轨的设备，由叉心、翼轨和联结零件组成。按平面形式分，有直线辙叉和曲线辙叉两类；按构造类型分，有固定辙叉和活动辙叉两类。,(二) 踏面斜度与曲线半径 径向通过曲线，可减小运行阻力，减小轮轨之间的磨耗，有利于避免脱轨现象的发生。 外侧半轮半径：r0+y， 内侧半轮半径：r0-y 由 得 (1) 纯滚线横移量 y一定时 踏面斜度越大，通过的曲线半径R越小。 轨距加宽 (2) 一定，R越小，则y越大，外侧轮缘间隙减小，因此轨距要加宽。当R650m时要考虑轨距加宽。,踏面斜度,y

15、纯滚线横移量,二、车轴 绝大多数为圆截面实心轴。 (一)车轴各部位名称及作用 轴颈，2.防尘板座， 3.轮座， 4. 轴身 轴颈：车轴上与轴承相作用的部分； 轮座：车轮压装处，也是车轴上直径最大的部分； 防尘板座：客、货车车轴上轴颈与轮座之间的过渡处，其上装有滑动轴箱的防尘板或滚动轴箱的后挡板;,表 标记圆直径,轴身：两车轮之间的部分，有些客、货车车轴的轴身自轮座向中央逐渐缩小，也有一些轴身通长为圆柱形，采用盘形制动的制动盘组装在轴身上。,(二)车轴材质及要求 优质碳素钢，锻压成型 (三)空心车轴车轴 通常是实心的，但车轴应力在截面上的分布是不均匀的,越接近表面就越大,而在中心的应力很小。因此

16、有可能采用空心车轴代替实心车轴，以减轻簧下重量对机车车辆和线路的有害影响。空心车轴在一些国家的铁路上虽已试用多年,但由于在运用中受力状态复杂,仍在研究改进中。 与实心车轴比，减轻质量20-40%； 降低了簧下质量，从而减小轮轨动力作用； 特别适用于高速和重载车辆。,采用高强材料,2. 轴箱装置形式,按轴承类型分，有滑动轴承轴箱和滚动轴承轴箱之 分。 城轨车辆均采用滚动轴承轴箱，而滚动轴承轴 箱又有圆柱滚动轴承、圆锥滚动轴承和球面滚动轴 承（即调心轴承）三种。,上海地铁和北京地铁车辆的轴箱轴承均采用圆柱滚 动轴承。,三轴箱的作用和形式 1. 作用,活动关节连接轮对与构架的活动关节； 保证轮对能够

17、相对构架在弹簧振动时作垂向运动， 在通过曲线时还能少量横移。 传力传递牵引力、横向力和垂向力；,运动实现轮对与构架间的垂向运动和横动。,16,E. 轴箱轴承,为什么采用滚动轴承?,采用滚动轴承的优点：能显著 地改善车辆走行部分的工作条 件，减小运行阻力和启动阻力， 减少燃轴的惯性事故，减轻维 护和检修工作，减低运营成本。 滚动轴承类型,有(1)圆柱滚子轴承、(2)圆锥滚子轴 承和球面滚子轴承（调心轴承） 等。但城轨车辆上大多采用圆 柱滚子轴承（见右图），该轴 承能同时承受径向力和轴向力。 要求轴承的承载能力大、强度高、耐冲击、寿命长。,26,2.形式 滚子滚动轴承：圆柱、圆锥和球面滚子轴承 轴

18、承组成：外圈、内圈、滚子和保持架（隔离环） （1）圆柱滚子轴承与轴箱 特点：承受径向载荷的能力较大，承受轴向载荷稍差；结构简单、制造容易、成本低、检修方便、运用比较安全可靠。 RD3型滚动轴承轴箱装置，用于206，209客车转向架,RD3型滚动轴承轴箱,横向力的传递过程： 往右端传递力 车轴 防尘挡圈与后轴承内圈 后轴承滚子 后轴承外圈 前轴承外圈 轴箱盖 轴箱体 往左端传递力 车轴 压板 前轴承内圈 前轴承滚子 前轴承外圈 后轴承外圈 轴箱后盖 轴箱体,为改善轴箱密封性能，用橡胶迷宫式取代毛毡式密封,圆柱滚子轴承,（2）圆锥滚子轴承与轴箱 197726T圆锥滚子轴承，无轴箱式，用于货车转向架

19、，承受轴向力能力较强。 特点：既能承受径向力，又能承受轴向力； 结构简单，制造容易，检修方便，由于无轴箱体而重量轻。 高铁动车组一般采用圆锥滚子轴承。,圆锥滚子轴承,圆锥滚动轴承特点： 结构简单，制造容易，检修方便，由于无轴箱体而重量轻。 在高速、高负荷下，圆锥滚子轴承的轴向负荷主要是由滚道承受，而滚子与滚道的接触面之间主要是滚动摩擦；而圆柱滚子轴承则主要靠两个挡边承受轴向负荷，滚子端面与挡边之间是滑动摩擦。 摩擦力矩小，导致温度低。,CRH2轴箱,CRH5轴箱,二. 滚动轴承的选型 主要根据额定动载荷来选取：100万转时承受的载荷额定寿命 选用轴承的程序如下： 确定工作条件 负荷大小和方向,

20、 (2) 负荷性质(稳定,交变或冲击) (3)转速, (4) 工作环境 (5)机器部件结构上的特殊要求, (6)轴承寿命. 2. 根据工作条件, 选取轴承类型, 确定精度等级 3. 选用轴承: 根据轴承的负荷,转速和寿命, 计算额定动载荷, 再在产品样本中选取轴承.,能否正确选用滚动轴承，对主机能否获得良好的工作性能，延长使用寿命；对企业能否缩短维修时间，减少维修费用，提高机器的运转率，都有着十分重要的作用。因此，不论是设计制造单位，还是维修使用单位，在选择滚动轴承时都必须高度重视,铁路轴承载荷工况复杂, 要求耐振, 耐冲击,寿命高，且要求有较小的尺寸与重量, 一般为非标准产品.,三. 高速车

21、辆对滚动轴承的要求 主要问题：降低轴承温度，小型轻量化 影响轴承性能的主要因素是：轴承结构（形式、保持 架、内部形状）轴承质量（材质、热处理、精度）；润 滑油（质量、数量、种类）；密封（形式、质量）和工 作环境。 1. 轴承的选型、精度等级、材质及热处理硬度 圆柱、圆锥滚子轴承都能满足高速: 200-230km/h (2)圆锥滚子轴承优于圆柱滚子轴承：磨耗小，温度低 (3)240km/h以上: 一般采用圆锥滚子轴承 (4)高速轴承：我国用得较多的为德国的SKF和FAG (5)ISO轴承精度：普通级、P6、P5、P4、SP、UP (6)我国轴承精度：G、E、D、C,轴承温度及降温措施 轴温：与轴

22、承的质量和结构、轴承的内摩擦、运行条件、润滑脂的粘度和质量、轴承系统的散热条件等 。 轴温高影响轴承寿命。 降低轴温的措施：好的材质，提高精度、光洁度和可靠性；良好润滑，适宜的润滑脂黏度，填充量少；控制连续运转时间；改善振动性能。,四、轴箱定位 A: 拉杆式定位轴箱（东风4系列机车） 力的传递 垂向力：由轴箱弹簧传递 （东风4系列机车由前后圆弹簧传递） 纵向力：由轴箱拉杆传递 横向力：由轴箱拉杆、弹簧和横向止档共同传递 轴箱止档,构架侧梁 轴箱弹簧 上拉杆座 上拉杆,构架侧梁 轴箱弹簧,下拉杆座 下拉杆,双拉杆式轴箱定位原理图,轴箱,拉杆座 单拉杆,单拉杆式轴箱定位原理图,轴箱,27,具有橡胶

23、关节的拉杆,CRH5轴箱定位,按定位方式分类，有：,拉板式定位,拉杆式定位（东风4型内燃机车用）,转臂式定位（北京地铁车辆DK3和天津轻轨车辆用） 人字型橡胶定位（上海地铁车辆SMC和深圳地铁车辆用） 层叠圆锥橡胶定位（北京城铁车辆和深圳地铁车辆用） 导柱式定位,导框式定位（老东风型内燃机车用） 等等,但在现代城轨车辆上，使用最普遍的是人字型橡胶定位、 转臂式定位和层叠圆锥橡胶定位。,轴箱定位实现轮对轴箱在垂向、纵向、横向3个方向适当的定位刚度，弹性定位。,B: 转臂式轴箱定位装置,转臂式轴箱定位结构示意图,（天津轻轨车辆用）,19,南京地铁车辆转向架转臂式轴箱定位装置,20, 力的传递,垂向

24、力：由轴箱圆弹簧传递； 纵向力：由转臂定位销传递；,横向力：由转臂定位销和圆弹簧共同传递。, 结构特点,定位转臂一端通过弹性节点（定位销）与构架 上的定位销座相连，另一端则用螺栓固定在轴 箱体的承载座上。,而弹性节点主要由弹性橡胶套、定位轴和金属 外套组成，其中弹性橡胶套的形状和参数对转 向架走行性能影响较大。, 优点,无摩擦磨损；能实现不同的纵向和横向定位刚 度，可有效抑制转向架的蛇行运动。,21,z,C: 八字形橡胶堆轴箱定位装置,应急支承,八字形橡胶堆轴箱定位结构示意图,（上海和广州地铁车辆用）,x,八字形橡胶堆（块）,kz：ky：kx,=1 ：(22.5)：(1012),22,力的传递

25、,垂向力、纵向力和横向力均由八字形橡胶堆传递 结构特点 a. 该橡胶堆具有三向弹性特性，且可根据需要设计。 通常kz：ky：kx=1 ：(22.5)：(1012)，即垂向刚度kz 最小（约为纯剪的一倍），纵向刚度kx最大。 b. 在垂向载荷作用下，橡胶同时受剪切和压缩变形， 改变其安装角度，可得到不同的垂向和纵向刚度，此 安装角一般取10 11。 优点 具有无摩擦磨损；重量轻、结构简单；吸收高频振动 和减少噪音等优点，寿命可达150万走行公里以上。 23,24,C. 层叠圆锥橡胶轴箱定位装置 力的传递 垂向力、纵向力和横向 力均由层叠圆锥橡胶传 递 结构特点 a.层叠圆锥橡胶具有三向 弹性特性

26、，且其横向弹性 可通过在圆周上开切口来 调整； b.在垂向载荷作用下，橡 胶主要受剪切变形。 优点 具有无摩擦磨损；重量轻、,层叠圆锥橡胶轴箱定位结构示意图 （北京城轨、成都地铁车辆、深 圳地铁长客车辆用）,结构简单；吸收高频振动 和减少噪音等优点。,25,弹簧装置及减振器 一概述,弹簧种类：圆弹簧、板弹簧、橡胶簧及空气弹簧； 减振器种类：液压减振器、摩擦减振器；,一系悬挂：仅在构架与轴箱间设有一系簧的弹簧悬 挂，一般用于低、中速货运机车和铁路货车； 两系悬挂：既有第一系弹簧，还在构架与车体间设 有第二系簧的弹簧悬挂，用于中、高速客运机车和 铁路客车；,采用两系悬挂的目的：可减少弹簧装置的合成

27、刚 度，增大其总静挠度，以改善机车车辆铅垂方向的 运行平稳性和减少机车车辆对线路的动作用力。,39,请点击鼠标左键显示后面内容,There are several types of springs. Commonly used springs are helical, power, blade and leaf springs. 弹簧的种类很多，常用的有：螺旋弹簧、涡卷弹簧和板弹簧等。,a) Helical b) Helical c) Torsion d) Power e) Leaf f) Blade compression tension spring spring spring sprin

28、g spring spring 螺旋压缩弹簧 螺旋拉伸弹簧 扭转弹簧 涡卷弹簧 板弹簧 片弹簧,Types of springs 弹簧的种类,弹簧减振装置：缓和冲动、衰减振动的装置 三类：主要起缓和冲动的弹簧装置，如中央及轴箱弹簧； 主要起衰减振动的减振装置，如垂向、横向减振器； 主要起定位作用的定位装置，如轴箱轮对纵、横向的弹性定位装置，车钩缓冲装置。 一、弹性元件的作用及特性 1. 弹簧装置的作用 均衡车辆系统中的载荷 缓和线路不平顺和各种因素引起的车辆的振动 提高车辆运行的舒适性和平稳性 延长车辆和轨道使用寿命,2. 弹簧的主要特性,线性弹簧,分段线性弹簧,P=kf,软/硬弹簧特性,P=

29、kf,弹簧刚度特性 线性弹簧： 非线性弹簧：,弹簧的特性是：弹簧的扰度f与外载荷P之间的关系。,P=kf,3. 弹簧的串联、并联刚度的计算 并联弹簧： 如果各弹簧刚度相等：,串联弹簧： 如果各弹簧刚度相等：,串并联弹簧刚度计算步骤： （1）先将各级并联弹簧当量刚度计算出来； （2）然后简化成串联布置的当量弹簧系统； （3）计算串联系统的当量刚度。,对于车辆悬挂系统的设计： （1）应采用仅可能大的弹簧静挠度，即小的弹簧刚度； （2）可降低车体的自振频率； （3）提高运行平稳性。,P d 2 y,g d t,二弹簧装置的作用 分配给各轴一定的载荷，并使所分配的重量在车 轮行经不平顺线路时不致发生显

30、著变化； 缓和冲击，使运行平稳； 改善机车车辆横向运动性能和曲线通过性能。 无弹簧时，车轮行经不平顺 处的动作用力为： Q = 2 通过不平顺处的时间很短 （大约0.01秒或更短） 冲击加速度d2y/d2t可高达,无弹簧时,(510)g,40,q d 2 y,g d t,q d 2 y,g d t,有弹簧时，车轮行经不平顺处 的动作用力为： Q = 2 + k h,其中： 2 为簧下部分的动作用力；,有弹簧时,k h 为簧上部分对弹簧装置的反作用力。 这里： P轮荷重； q簧下重量； g重力加速度； k弹簧刚度； h不平顺高度。 41,P d 2 y P,g d t g,q d 2 y,g d

31、 t,1900,g,=,举例： 设轮荷重P=10000daN（10牛），簧下死重量q=1900daN， 弹簧刚度k=100daN/mm，线路不平顺度h=2mm， d2y/d2t=2g，则有： 无弹簧时， Q1 = 2 = 2 g = 20000daN,有弹簧时， Q2 = 2 + k h =, 2 g + 100 2 = 4000daN,比较：,Q2 4000 Q1 20000,= 20%,42,1.,2.,3.,由上述分析可以得出如下结论：,簧下死重量q越轻，轮轨动作用力越小，因此必须采取有 效措施尽可能降低簧下死重量q（而采用牵引电动机架悬 式驱动装置是一种最有效的减轻簧下死重量的措施）

32、； 弹簧刚度k必须选择合理；,为防止弹簧能量释放过程中产生共振，并限制共振振幅， 必须加装液压减振器。,43,f,P,0,f,三圆弹簧 1. 圆弹簧的总特点： 重量轻；运动灵活；无阻尼。 2. 单圈圆弹簧的特性计算： 由材料力学可知：,P=kf力与挠度成正比,d簧条直径； D簧圈直径，也 称弹簧平均直径； R 簧圈半径； f在载荷P作用下 的静挠度； H0弹簧自由高 度，即无载荷下的高 度； P工作载荷。,圆弹簧特性曲线,圆弹簧的结构及参数,44,Names and parameters of cylindrical helical compression spring 圆柱螺旋压缩弹簧各部分

33、的名称及尺寸关系,请点击鼠标左键显示后面内容,(GB/T 20892009),钢弹簧结构及计算 1. 螺旋弹簧结构及主要参数 通常为簧条截面为圆形的圆柱压缩螺旋弹簧，即圆簧 材质：55Si2Mn, 60Si2Mn 主要参数：簧条直径d，弹簧平均直径D， 有效圈数n，总圈数N， 弹簧全压缩高度Hmin， 自由高度H0， 弹簧指数m=D/d， 垂向静挠度fv， 垂向刚度Kv。,单卷弹簧的轴向（垂向）特性计算 刚度： 有效圈数： 总圈数： 应力： (强度) 弹簧稳定性较核：,式中：G弹簧的剪切弹性模数， 一般弹簧钢G=80GPa； Pmax作用于弹簧上的 最大垂向载荷； m弹簧指数，又称旋挠比， 其

34、值为m=D/d,机车的弹簧一般取46； n有效圈数（或称工作圈数）； N弹簧总圈数，一般N=n+1.5。 C 应力修正系数，是考虑簧条 的弯曲和剪应力的非均匀分布等因 素而对应力进行修正。,55Si2Mn, 60Si2Mn,3. 双圈圆弹簧的特性计算：,. 为什么要用双圈簧代替单圈簧? 主要原因是单圈圆簧的尺寸受到安 装处所的空间限制或者其簧条太粗。 . 注意：必须使内外两圆簧的旋向 相反，以防止因振动而使小簧嵌入 大簧中。 .计算： 已知：单圆簧参数D，d和n。 可求：与之等效的双圈圆簧内、外 圈的参数D2，d2，n2和D1，d1，n1 条件：必须保证使内外圈簧的应力、 挠度和修正系数等均与

35、单圈时相等。 双圈圆弹簧的结构及参数,3. 双卷弹簧的轴向（垂向）特性计算 （1）可提高载重，减小弹簧占用空间 （2）内外卷弹簧的螺旋方向要一个左旋，一个右旋 （3）弹簧指数相等 （4）应力相等，充分利用材料强度 （5）各卷弹簧挠度相等，以保证性能一致,=,=,P P P2,1,d,弹,簧,中,心,线,1,2,2,D/2,d D D,47,计算过程：,（1）修正系数相等，即m = m1 = m2,D D1 D2 d d1 d 2,(1), (2),（2）应力相等，即 = 1 = 2,d, 2 = 2 = 2 d1 d 2 （3）总载荷相等，即P = P + P2，代入上式,d1,d2,D2/2

36、, d = d1 + d,2 2,(3),D1/2,（4）挠度相等，即f = f1 = f 2, Dn = D1n1 = D2 n2,(4), (5),几何关系示意图,（5）几何关系(见附图)，即：,d1 2,+ + 2 = 1 2 2 2 2,(6), 内外簧的径向间隙，一般取 = 3 5mm。,六个未知数D2，d2，n2和D1，d1，n1可由上述六个方程联立解出。,四、车辆的抗侧滚装置,为了改善车辆垂向振动性能，通常设置相当柔软的垂向悬挂装置，这也因此造成车体侧滚振动的角刚度也变得柔软，尤其是当车辆通过道岔时，呈现出车体侧滚较大，晃动次数多。 车体的侧滚角刚度太小，可能会使车辆侵入限界。,

37、车辆的抗侧滚装置 （1）布置在车体和转向架间，提高抗侧滚性能 （2）在纵、横、垂向对中央悬挂影响很小 （3）扭杆和转臂应有足够刚度 （4）防止高频振动的传递,扭杆和扭臂是主要的受力件，使用过程中扭杆发生扭转而产生反扭矩，从而抵抗车辆侧滚。 连杆将扭杆与车体相连接，连杆两头是销轴和轴承。,五橡胶弹簧,一般情况下，橡胶弹簧只作压簧 和扭转簧，不作拉簧。,因为拉伸时，橡胶对局部缺陷 和表面拉伤非常敏感。,1. 总特点,.结构简单，重量轻（利用橡胶的三维特性,可减轻自重）；,. 减振性能好，特别是能吸收高频振动，且频率越高，阻 尼越大（原因：振动时，橡胶变形内部分子产生内摩擦,消耗能量）。通常认为其相

38、对阻尼系数D=0.030.05； （有较高内阻，高频吸振及隔噪好;比金属有较大的弹性，良好的非线性特性）,橡胶元件设计时的注意事项 （1）橡胶具有特殊的蠕变特性，具有弹性滞后，动刚度比静刚度大，与动载荷振动频率和振幅有关（阻尼越大，弹性越差）； （2）性能受温度影响很大； （3）具有体积不变特性，应保证有足够空间改变形状； （4）散热性不好，采用多层片状结构； （5）防止疲劳损坏； （6）变形受载荷影响较大，一般用于受剪受压。,橡胶的基本特性： 1）阻尼特性：橡胶在变形时显示出一种重要性能，即吸收性能，特别是吸收高频振动的能量。 橡胶使机械能转化为热量，通常用橡胶的损失系数来表示。 越小，热量

39、越小，但阻尼效果差。,原因：振动时，橡胶变形内部分子产生内摩擦消耗能量,2）硬度及弹性模数 硬度是橡胶的一个重要参数。试验表面：橡胶的剪切模数G和杨氏弹性模数E主要取决于橡胶的硬度。 我国通用的硬度单位是肖氏硬度（HS)。我国机车工程上所用的橡胶件，一般硬度都在HS50以上，大多在HS60上下。,49,2. 性能参数,. 硬度（通常用肖氏硬度HS表示）,主要性能参数；,. 剪切模数G（静态G和动态Gd）、弹 模数E （静态E和动态Ed）和表观剪切 模数Ga,主要取决于硬度HS（见右图）； 静剪切模数G与肖氏硬度HS的关系可用 下式表示：,G=0.119e0.034HS (MPa),.静弹性模数

40、E是橡胶弹簧设计中的重 要参数,它与橡胶的品种、硬度、工作 温度、形状尺寸、变形特点以及与金属 支承面固结状态等许多因素有关，试验 表明：,A. 拉伸变形时： E3G B. 压缩变形时： E=iG,b,b1 b1 2 2,式中：i几何形状和硬度影响系数，可用以下近似公式 计算：,垫圈 衬套,i=3+kS2 i=4+0.56kS2,矩形块,i =,1 1 + 1 b2,4 + 2 + 0.56(1 + ) kS b2 b2,其中：k系数，k=10.7 0.098HS， b1， b2矩形块的宽度和长度， S形状系数。 这里，形状系数S=AL/AF，即S为橡胶元件的承载面积 AL与自由面积AF之比。

41、例如： 对直径为D、高度为H的圆柱体，S=D/(4H)； 对长度为A、宽度为B的矩形块，S=AB/2(A+B)H。 50,C.剪切变形时：Ga=jG,式中：j弯曲变形影响系数，其值为：,j=1+H2/(12i2)-1,其中：截面回转半径，,H橡胶元件高度，,i几何形状和硬度影响系数，与前面,所述相同。,当橡胶弹簧圆柱体的H/D或矩形块的H/A（或H/B）的 值小于0.5时，可略去弯曲变形的影响，对于较薄的橡胶衬 套也可以同样处理，这时近似取：,Ga=G,51,. 动静比d=Ed /E也与硬度HS有关（见下面附图） ； . 硬度修正系数tE温度硬度( tE)；温度硬度 ( tE )（温度达240

42、时，橡胶完全失去弹性）。 tE T=15时，tE=1 1 0,-15,0,15,t（）,硬度修正系数与 温度的关系 52,3. 计算 橡胶弹簧的弹性刚度（变形）与其初始形状有关。 对于一般弹簧来说，载荷（力）P与刚度k、挠度h之间 符合虎克定律，即k=P/h 。 而对橡胶弹簧，载荷P=应力承载面积AL， 且橡胶元件在简单拉伸和压缩变形时，其应力与应变 之间的关系式为： E = (1 + ) (1 + ) 2 3 式中： =h/h（h为橡胶弹簧变形量，即挠度；h 为橡胶弹簧厚度）。 该公式在拉伸应变小于20%和压缩应变小于50%这个重要 的工程应用范围内有足够的精确度。从橡胶弹簧承受疲劳 强度考

43、虑，一般应变量均控制在15%，此时可近似地 取：,E,53,z,h,h,x,y,于是，有： P= EAL=EALh/h 于是：k=EAL/h,.中孔圆柱形橡胶弹簧的刚度k计算 承载面积 AL=(r22- r12) 自由扩胀面积AF=2h(r1+ r2) 面积比 S=AL/AF=(r2-r1)/(2h) 垂向形状修正系数=1.2(1+1.65S2) 横向形状修正系数jx=jy=1+(h/r2)2/9-1 垂向刚度 kz=EAL/h (受压),r1,r2,横向刚度 kx =ky=jxGAL/h (受剪) .实心圆柱形橡胶弹簧的刚度k计算 只需令r1=0代入上述各式即可得出。 54,h,z .矩形橡

44、胶弹簧的刚度k计算,承载面积,AL=ab,h,自由扩胀面积AF=2h(a+b) 面积比 S=AL/AF=ab/(a+b)/(2h),垂向形状修正系数=1+2.2S2,b,x,纵向形状修正系数jx=1+0.29(h/a)2-1 横向形状修正系数jy=1+0.29(h/b)2-1 垂向刚度 kz=EAL/h (受压) 纵向刚度 kx =jxGAL/h (受剪) 横向刚度 ky=jyGAL/h (受剪),y,a,.橡胶弹簧应力校验 压应力=P/AL 剪应力= Q/AL 55,复合橡胶弹簧：是由金属螺旋弹簧及其外边包裹的优质硫化橡胶共同构成。 集金属弹簧和橡胶弹簧的优点于一体，克服了金属弹簧刚性大、工

45、作噪音高及橡胶弹簧承重量小、形状及机械性能稳定性差等缺点。具有更高的载荷量和大变形量、减震降噪效果更好、工作平稳、共振区间短等优点。,六、空气弹簧 什么是空气弹簧？就是将压缩空 气密封在橡胶膜（或囊）中形成 具有一定刚度的弹性体。 1. 特点 a.刚度小，当量静挠度大空 气弹簧能大幅度地增加当量静挠 度，可使弹簧悬挂装置设计得很 柔软，这样可降低车辆的自振频,率；,上盖板 橡胶囊 气室 橡胶垫,57,（1）垂向变形由空气弹簧本体（即气囊）和其下面的层叠橡胶堆共同承担，确保垂向大变形量； （2）在水平方向，一方面利用积层橡胶堆进一步降低刚性，另一方面通过改变气囊形状，可以产生一定的阻尼 ，以改善

46、乘坐舒适性。,具有一定刚度的弹性体,b. 具有非线性特性空气弹簧具有非线性特性，可以根 据车辆振动性能的需要，设计成具有比较理想的弹性特性 （曲线）。在平衡位置振动幅度较小时（即正常运行时的振 动），刚度较低；若位移过大，刚度显著增加，以限制车体 的振幅；,c. 刚度随载荷变化空气弹簧的刚度随载荷而变化，从 而可基本保持空、重车时，车体自振频率几乎相等，使空、 重车不同状态的运行平稳性几乎相同；,d. 高度可调节空气弹簧和高度控制阀并用时，可使车 体在不同静载荷下，保持地板面距轨面的高度基本不变； e. 可充分利用其横向弹性同一空气弹簧可以同时承受 三维方向的载荷。利用空气弹簧的横向弹性特性，

47、可以代替 传统转向架的摇动台装置，从而简化结构，减轻自重；,58,f. 能产生适宜阻尼在空气弹簧本体与附加空气室之 间设有适宜的节流孔，可以产生适宜的阻尼，以代替垂 向液压减振器；,g. 具有吸振和隔音性能空气弹簧具有良好的吸收高 频振动和隔音性能；,h. 缺点：结构复杂；附件多；制造成本高；维护检修复 杂。,2. 空气弹簧装置系统组成,系统组成,主要有空气弹簧本体、附加空气室（也称辅助风缸）、 高度控制阀、差压阀和滤尘器等组成（见下页附图）。,59,空气弹簧拆装2,空气弹簧疲劳测试,空气弹簧拆装1,压力空气传递过程（见下图）： 压力空气由列车主风管1T形支管2截断塞门3滤尘止 回阀4空气弹簧

48、贮风缸5主管（在车底架上）连接软 管6高度控制阀7附加空气室10和空气弹簧本体8。 请思考：为什么要有 差压阀？ 这是因为： 在曲线上时，左右 两只气囊必须保证一 定的压差，否则车体 将会发生倾斜； 车体左右摇摆振动 时，也必须保证一定 的压差，否则将加剧,摇摆。,60,差压阀：主要由2个单向阀组成，它是保证一个转向架两侧空气弹簧的内部空气压力之差不能超过某一定值。 由于空气弹簧存在进、排气时间和速度上的差异，使得静止或运行中的转向架左右两侧空气弹簧的内压有区别。 防止由于一只气囊充气而另一只气囊没有充气而向一边严重倾斜，使车辆稳定性下降，甚至脱轨。 DP5设定的压力差为（15020）kPa.

49、,节流孔：起到衰减振动的作用。当 空气弹簧产生垂向振动时，在空气 弹簧本体和附加空气室之间将产生 压力差，空气流过节流孔时，由于 阻力而耗散部分的振动能量，使之 具有减振作用。振动速度越大，阻 尼越大。,61,高度调节阀工作原理,为了保持车体距轨面的高度不 变，在车体与转向架间装有高度 调节阀，调节空气弹簧橡胶囊中 的压缩空气（充气、放气或保持 压力），使车辆地板面不受车内 乘客的多少和分布不均的影响， 基本始终保持水平。,调节过程：,在正常载荷位置，即h=H时，充气通路,VL和放气通路LE均被关闭；,当车体载荷增加时，此时hH，阀动 作，使VL通路开启，压缩空气向空气 弹簧充气，直至地板面上

50、升到标定高度 （即h达到H高度）为止；,当车体载荷减小时，此时hH，阀动 作，使LE通路开启，空气弹簧向大气 排气，直至地板面下降到标定高度（即 h达到H高度）为止。,62,高度调整阀结构和工作原理 载荷增加进气过程,高度调整装置,安装示意图,如何保证高度调整阀仅在静态需要调整 时才起作用，而对动态振动(车体、转向架) 不起作用？高度调整阀必须：,1、具有不惑带(不灵敏带)（）； 2、具有时间延迟（秒）； 3、内腔充满硅油起阻尼作用。,载荷减少排气过程,高度调整阀具体安装位置 高度调整阀特性,不惑带 时间延迟 空气流量 工作角度, 秒 m3/秒 ,注：空气流量按照JR流 量试验方法 工作油特性

51、 种类：硅油（信越化学 KF96） 粘度：C.S 25 温度系数： 流动点：以下 63,3. 空气弹簧的结构和分类,空气弹簧大体上可分为囊式 和膜式两种。, 囊式空气弹簧又可分为单曲、,双曲和多曲等形式。,双曲囊式空气弹簧结构见右 图。,特点：制造工艺简单，使用 寿命长；但刚度大，振动频 率高。故现代车辆上基本不 用。, 膜式空气弹簧可分为约束膜 式和自由膜式两种，见右图。,64,住友生产的自由膜式空气弹簧.,约束膜式空气弹簧：由内、外筒将橡胶囊约束在内。 特点：刚度小，振动频率低，可方便地通过调整约束裙 （内、外筒）的形状来控制其弹性特性。但橡胶囊（膜） 工作状况复杂，耐久性差。,自由膜式空

52、气弹簧：无内、外约束筒。 自由膜式空气弹簧的特点：,(1)无约束橡胶囊变形的内、外筒，可减轻橡胶囊的磨 耗，提高使用寿命；,(2)安装高度低，可明显降低车辆地板面距轨面的高度； (3)具有良好的负载特性，其弹簧特性可通过改变上盖板 边缘的包角加以适当调整； (4)重量轻。,故在现代城轨车辆上，自由膜式空气弹簧应用 最广泛。,65,空气弹簧的设计计算：,1）垂向刚度计算： 自由模式空气弹簧的垂向（轴向）的刚度：,p0空气弹簧的内压力，通常p00.6MPa.影响几何参数R的选取。 Pa大气压力，一般取Pa=0.1MPa. A0静平衡位置时空气弹簧的有效承压面积。 V0静载荷作用下空气弹簧的容积（本

53、体容积+附加空气室容积） n多变指数，取n=1.31.38 a空气弹簧垂直特性形状系数。,载荷P=(p0-pa)A0,2)横向刚度计算 K1空气弹簧的横向特性形状系数。 b横向特性形状系数，取决于空气弹簧几何形状。,3）阻尼计算 自由振动： 强迫振动的振幅： 强迫振动的加速度： 当已知最佳阻尼时，节流孔的最佳直径：,第四节 减振元件,减振器的作用：减小振动。它的作用力总是与运动的方向相反，起着阻止振动的作用。 分为：摩擦减振器和液压减振器,减小弹簧回弹力，减小振动的幅度。,摩擦减振器特点：结构简单，成本低，制造维修比较方便；但摩擦力随摩擦面的状态和改变而变化，摩擦力与振动速度基本无关，有时可能

54、会出现当振幅小时，摩擦阻力过大形成对车体的硬性冲击；而振幅大时，摩擦阻力过小又不能使振动迅速衰减。一般用于货车转向架上。,Ride Control摩擦减振器：,楔块斜面、摇枕斜面 以及楔块的主摩擦面 与磨耗板贴紧。 此摩擦阻力不随转向架 的载荷变化。,液压减振器特点：利用液体粘滞阻力所作的负功吸收振动能量。优点为阻力是振动速度的函数，振幅大时衰减量也大。但它的结构复杂、维护比较困难、成本较高及受外界温度影响。一般用于机车和客车转向架上。,液压减振器 1. 工作原理：利用液体的粘滞阻力作负功来吸收振动能量 2. 特性,FV， 即F=qV 阻尼力F主要取决于： 节流孔的大小q； 活塞运动速度之快慢

55、V。,节流孔,F,节流孔小 节流孔大,进油孔,0,阻尼特性曲线,V,69,液压工作原理,V,F 3. 圆弹簧和液压减振器共同工作时的特性 圆弹簧的,特性曲线,0 F,f,圆弹簧,液压减 振器,V与f的关系,F与f的关系,减振器的,圆弹簧和液压减振器 共同工作示意图,特性曲线 圆弹簧和 减振器的 联合工作 特性曲线,0 F 0,f f,70,振幅,阻尼力,线性阻尼,4.,液压减振器的结构（双向往复流动减振器） 最主要的部件是活塞阀和进油阀 1.压盖； 2.橡胶垫； 3.套； 4.防尘罩； 5.油封圈； 6.螺盖； 7.密封盖； 8.密封圈； 9.托垫； 10.弹簧； 11.缸盖； 12.活塞；

56、13.缸筒； 14.贮油筒； 15.心阀； 16.弹簧； 17.阀座； 18.涨圈； 19.套阀； 20.进油阀； 21.锁环； 22.阀瓣； 23.防锈帽； 24.螺母；,25.螺母。,71,直径为2mm的节流孔，一部分露出套阀，减振器阻力大学决定于该节流孔的大小。,油压最高可达2.5MPa,拉伸阻力：,双向液压减振器阻力特性分析：,压缩阻力：,双向液压减振器阻力特性分析：,汽车双向流动减振器原理仿真,单向循环流动液压减振器工作原理（KONI液压减振器）,特点： 1）由于拉压过程中油液流经相同的阻尼阀，因此拉压行程中的减振阻力近似相等，具有对称特性。 2）由于在拉压过程中油液流动的方向相同，

57、因此能够消除油缸中油液与空气混合产生的乳化现象。 3）阻尼调整方便，不需要结体减振器，仅调节阻尼阀中的弹簧压缩量即可使阻尼达到理想值。,单向液压减振器阻力特性分析：,5. 液压减振器阻尼特性的调节 2 3 通过调节心阀上的节流孔的大小及弹 簧预压缩量来实现 A. 阀座端面加垫片节流孔变小，阻,节流孔,尼增大，同时减小工作范围； B. 心阀顶面加垫片节流孔变大，阻 尼减小，同时增大工作范围； C. 弹簧上部加垫片节流孔不变，阻 尼不变，但增大工作范围 72,一般液压减振器与抗蛇形液压减振器的性能比较,与一般液压减振器相比，抗蛇形液压减振器只是节流孔的结构不通过，从而造成节流特性发生变化。即抗蛇形液压减振器的卸荷速度V0远远小于一般液压减振器的卸荷速度。 抗蛇形液压减振器一定是纵向安装在车体与转向架之间，也称纵向减振器。 可以同时满足有效抑制蛇