专利名称：独立车轮柔性耦合转向架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型铁道车辆用的独立车轮转向架，具体地是在现有单轴转向架之间增加一耦合元件。
背景技术：
随着我国社会经济的快速发展，干线铁路的全面提速和城市轨道交通的大力发展已势在必行。但是，列车的提速对车辆稳定性设计带来了严峻的考验；而且，城市轨道交通中的轻轨车辆通常要求采用低地板面的结构要求。独立车轮转向架恰好可以解决此类问题一方面，独立车轮的使用可以提高高速列车的稳定性；另一方面，独立车轮也可有效降低城轨列车的地板面高度，给旅客的出行带来极大的方便。
但是，由于独立车轮缺乏对导向起着重要作用的纵向蠕滑力，所以其导向能力很差，这样轮轨磨耗就会加剧，进而导致列车运行时噪声较大、维护成本增加，严重时还可能引发脱轨安全事故。
目前独立车轮的应用方案主要有以下几种如可采取将现有两轴转向架的前后固定轮对直接更换成独立轮对，此类独立车轮两轴转向架的前后轮对是通过一个刚性构架联系起来的，通过曲线时，前后轮对在一个共用的构架约束下而呈现展开不足的形式，即前后轮对不能趋于径向位置，其导向性能较差；另外，也可将独立车轮两轴转向架改换成独立车轮单轴转向架的形式，前后车体相邻端部下面的两个独立车轮单轴转向架要分别受到各自车体的约束，通过曲线时，它们在车体的约束下而呈现展开过渡的形式，也不能趋于径向位置，所以独立车轮单轴转向架的导向性能也不好；再者，目前国外多采用给独立车轮转向架增加各种导向装置，但其结构都较复杂、制造成本较高，并不适应于国内市场应用。
发明内容
本发明所述的独立车轮柔性耦合转向架，其目的在于解决上述问题和不足而提出一种结构简单且导向性能好的新型独立车轮转向架。本发明在单轴转向架之间增加一耦合元件，即将前后车体相邻端部下面的两个独立车轮单轴转向架用抗摇头的弹性元件联接起来，使之成为介于独立车轮两轴转向架和单轴转向架之间的新型柔性耦合转向架。通过给所述柔性耦合转向架的耦合元件选取一个适当的摇头角刚度值，使其前、后轮对在通过曲线时，在耦合元件和二系悬挂系统的共同作用下可以趋于径向位置。
可以认为直线是一种特殊的曲线(相当于半径R为∞的曲线)，现以曲线为例来分析独立车轮柔性耦合转向架的导向性能。
对于独立轮对来说，其左右车轮的纵向蠕滑力理论上为0，所以独立车轮柔性耦合转向架的前、后轮对的摇头运动主要受耦合元件产生摇头力矩Mczi和二系悬挂系统产生的摇头力矩Mszi的共同作用，当列车稳态通过曲线时，这两个摇头力矩之和应该为0，即Mczi+Mszi＝0 (1)根据车辆动力学理论，耦合元件产生摇头力矩Mczi和二系悬挂系统产生的摇头力矩Mszi分别应该为Mszi=-2KsxBs2[ψBi-ψc+(-1)ilR]---(2)]]>Mczi=(-1)iKψ[(-1)i+1ψBi-(-1)i+1ψB(i±1)+2bR]---(3)]]>上述方程式中，i＝1～2，Ksx为所述独立车轮柔性耦合转向架一侧的二系悬挂纵向刚度；Kψ为所述连接前后独立车轮单轴转向架的耦合元件提供的摇头角刚度；Bs为所述二系悬挂横向跨距值之半；l为车辆名义定距之半；b为所述独立车轮柔性耦合转向架的名义轴距之半；R为列车通过曲线线路的圆曲线半径ψB为设定的转向架的摇头角度；ψc为设定的车体的摇头角度。
考虑到轮对的位移和悬挂变形比车辆的名义定距2l要小得多，因此可以认为车体的中央部分近似与圆曲线相切，即ψc≈0。
当列车稳态通过圆曲线时，为了使耦合走行部的前后轮对完全处于径向位置，必有ψBi＝ψB(i+1)＝0，所以根据式(1)～式(3)可得Kψ2bR=2KsxBs2lR---(4)]]>即Kψ=Bs2lbKsx---(5)]]>其中Bs为所述二系悬挂横向跨距值之半；Ksx为所述独立车轮柔性耦合转向架一侧的二系悬挂纵向刚度；b为所述独立车轮柔性耦合转向架的名义轴距之半；l为车辆名义定距之半。
上述方程式(5)即是本发明所述独立车轮柔性耦合转向架的耦合元件所需耦合刚度Kψ的表达公式。
根据上述推导过程以及方程式(5)，只要车辆定距2l、转向架名义轴距2b和转向架一侧的二系悬挂刚度Ksx一旦确定，就能准确地计算出耦合元件所需提供的耦合刚度Kψ。
从方程式(5)还可以看出，耦合刚度Kψ的选取与曲线半径R无关，也就是说，不管线路的曲线半径大小，只要耦合刚度Kψ按方程式(5)与二系悬挂刚度Ksx进行合理地匹配，独立车轮柔性耦合转向架就能在二系悬挂系统和弹性耦合元件的共同作用下自动调节前后轮对趋于径向位置，这也是本发明所述独立车轮柔性耦合转向架的关键技术点。
独立轮对只要能占据径向位置，其横向蠕滑力就很小，在直线上就可以依靠重力复原力来复位；在曲线上以纯滚动的形式通过，其曲线通过性能必然很好。
综上所述，本发明所述的独立车轮柔性耦合转向架具有以下优点和有益效果
1、所述独立车轮柔性耦合转向架，在于解决了现有独立车轮转向架的导向难题。这主要表现在通过曲线时，独立车轮柔性耦合转向架的前后轮对在耦合元件的作用下自动趋于径向位置；在直线上运行时，耦合转向架的独立车轮受到轨道激扰而偏离轨道中心线后能自动回复到轨道中央。
2、独立车轮耦合转向架具有自导向功能，因而它不仅使独立车轮在曲线上的磨耗极小，而且还解决了直线上独立车轮的偏磨问题，这非常有利于独立车轮转向架在高速干线铁道列车和曲线半径较小的城市轻轨上应用。
3、上述独立车轮柔性耦合转向架，将耦合元件的耦合刚度Kψ与转向架一侧的二系悬挂纵向刚度Ksx建立了准确的对应关系，可操作性强。
4、独立车轮柔性耦合转向架就是在单轴转向架的基础之上增加了一个耦合元件，结构简单、技术难度小、开发成本低，推广价值较高。
图1是所述独立车轮柔性耦合转向架在列车中的安装侧视和仰视示意图；图2是所述柔性耦合转向架的前、后轮对在曲线上运动时产生的摇头力矩Mczi和Mszi的示意图。
图3-1是所述现有独立车轮两轴转向架通过曲线时的示意图；图3-2是所述现有独立车轮单轴转向架通过曲线时的示意图；图3-3是所述独立车轮柔性耦合转向架通过曲线时的示意图；其中，图1中的虚线框内部分是独立车轮柔性耦合转向架结构简图。
M1是车体1、M2是车体2、M3是车体3。
传统轮对两轴转向架G1、传统轮对单轴转向架G2、独立车轮柔性耦合转向架G3。
具体实施例方式
实施例1，如图1所示，列车两端仍然安装传统的两轴转向架，在车体与车体相接处安装所述的独立车轮柔性耦合转向架。
所述的独立车轮柔性耦合转向架，是在前、后单轴转向架之间连接一个抗摇头的弹性耦合元件(其耦合刚度为Kψ)。
如图3-1所示，现有独立车轮两轴转向架由于其I、II位轮对受同一刚性构架的约束，前后独立轮对之间的联接刚度Kψ趋于∞，远远大于二系悬挂纵向刚度Ksx，所以独立车轮两轴转向架的前后轮对受车体的约束很小而受构架的约束较大。通过曲线时，受曲线半径R和转向架轴距2b的影响，前后轮对的摇头运动要分别叠加一个(±b/R)的角度，这样轮对I通常相对于径向线形成正冲角(+ψ1)，而轮对II通常相对于径向线形成负冲角(-ψ2)，因此I、II位轮对在曲线上不能趋于径向位置，而呈现展开不足的形式。
如图3-2所示，现有独立车轮单轴转向架由于其I、II位轮对不再受同一构架的约束(它们之间的联接刚度Kψ＝0)，所以I、II位轮对在二系悬挂系统的作用下直接受车体的约束。通过曲线时，受曲线半径R和车辆定距2l的影响，由于轮对I处于前面车体的后端，所以I位轮对的摇头运动要叠加一个(-l/R)的角度；而轮对II处于后面车体的前端，所以II位轮对的摇头运动要叠加一个(+l/R)的角度，这样轮对I通常相对于径向线形成负冲角(-ψ1)，而轮对II通常相对于径向线形成正冲角(+ψ2)，因此I、II位轮对在曲线上也不能趋于径向位置，而呈现展开过渡的形式。
独立车轮两轴转向架的I、II位轮对在曲线上展开不足是因为刚性构架对它们的约束过大(Kψ＝∞)；独立车轮单轴转向架的I、II位轮对在曲线上展开过渡是因为它们仅受各自车体的约束而前后轮对之间缺乏必要的约束(Kψ＝0)。
如图2和图3-3所示，所述独立车轮柔性耦合转向架的I、II位轮对的摇头运动，主要受耦合元件产生摇头力矩Mczi和二系悬挂系统产生的摇头力矩Mszi的共同作用，当列车稳态通过曲线时，这两个摇头力矩之和应该为0，即Mczi+Mszi＝0(1)根据车辆动力学理论，耦合元件产生摇头力矩Mczi和二系悬挂系统产生的摇头力矩Mszi分别应该为Mszi=-2KsxBs2[ψBi-ψc+(-1)ilR]---(2)]]>Mczi=(-1)iKψ[(-1)i+1ψBi-(-1)i+1ψB(i±1)+2bR]---(3)]]>上述方程式中，i＝1～2，Ksx为所述独立车轮柔性耦合转向架一侧的二系悬挂纵向刚度；Kψ为所述连接前后独立车轮单轴转向架的耦合元件提供的摇头角刚度；Bs为所述二系悬挂横向跨距值之半；l为车辆名义定距之半；b为所述独立车轮柔性耦合转向架的名义轴距之半；R为列车通过曲线线路的圆曲线半径ψB为设定的转向架的摇头角度；ψc为设定的车体的摇头角度。
考虑到轮对的位移和悬挂变形比车辆的名义定距2l要小得多，因此可以认为车体的中央部分近似与圆曲线相切，即ψc≈0。
当列车稳态通过圆曲线时，为了使耦合走行部的前后轮对完全处于径向位置，必有ψBi＝ψB(i+1)＝0，所以根据式(1)～式(3)可得Kψ2bR=2KsxBs2lR---(4)]]>即Kψ=Bs2lbKsx---(5)]]>其中Bs为所述二系悬挂横向跨距值之半；Ksx为所述独立车轮柔性耦合转向架一侧的二系悬挂纵向刚度；b为所述独立车轮柔性耦合转向架的名义轴距之半；l为车辆名义定距之半。
设定应用所述柔性耦合转向架的列车结构参数如下；
转向架一侧的二系悬挂装置的纵向弹性系数Ksx＝0.2MN.m/rad；车辆名义定距之半l＝4m；耦合转向架的车辆名义轴距之半b＝1m；二系悬挂装置的横向跨距值之半Bs＝1m；则耦合元件的弹性系数Kψ＝0.8MN.m/rad。
权利要求
1.一种独立车轮柔性耦合转向架，是在列车前、后车体相邻端部下面的前、后独立车轮采用单轴转向架，其特征在于在前、后单轴转向架之间连接有一抗摇头的耦合弹性元件。
2.根据权利要求1所述的独立车轮柔性耦合转向架，其特征在于所述耦合元件的耦合刚度Kψ满足下述表达式，Kψ=Bs2lbKsx]]>其中Bs为所述二系悬挂横向跨距值之半，Ksx为所述独立车轮柔性耦合转向架一侧的二系悬挂纵向刚度，b为所述独立车轮柔性耦合转向架的名义轴距之半，l为车辆名义定距之半。
全文摘要
本发明所述的独立车轮柔性耦合转向架，是一种结构简单且导向性能好的新型独立车轮转向架。在单轴转向架之间增加一耦合元件，即将前后车体相邻端部下面的两个独立车轮单轴转向架用抗摇头的弹性元件联接起来，使之成为介于独立车轮两轴转向架和单轴转向架之间的新型柔性耦合转向架。通过给所述柔性耦合转向架的耦合元件选取一个适当的摇头角刚度值，使其前、后轮对在通过曲线时，在耦合元件和二系悬挂系统的共同作用下可以趋于径向位置。
文档编号B61F5/38GK1754733SQ20041003586
公开日2006年4月5日 申请日期2004年9月28日 优先权日2004年9月28日
发明者池茂儒, 张洪, 黄其祯, 王志春, 虞大联, 夏竟成 申请人:池茂儒