轨道车辆抗侧滚扭杆结构与参数的设计及优化.docx

轨道车辆抗侧滚扭杆结构与参数的设计及优化摘要：本文通过对抗侧滚扭杆功能原理的分析，建立了抗侧滚扭杆刚度数学 模型，对抗侧滚扭杆的综合刚度进行了分析并以车辆运行平稳性及稳定性为考 核指标，优化抗侧滚扭杆的刚度参数，得到刚度最优解最终对抗侧滚扭杆进行 疲劳试验验证其强度满足运用要求关键词：抗侧滚扭杆结构强度 参数优化 疲劳试验为提升车辆运行平稳性，目前国内轨道车辆二系悬挂均选用空气弹簧，但随 二系悬挂装置垂向刚度降低，也使车体抗侧滚能力下降，严重时导致车辆的外形 尺寸超出限界为解决车辆侧滚问题，目前有增加空气弹簧跨距或增加抗侧滚扭 杆两种解决方案，其中增加抗侧滚扭杆方案对车辆运行品质的提升更为明显本 文从结构强度及参数优化两个方面，对轨道车辆抗侧滚扭杆进行优化，为抗侧滚 扭杆的设计提供一定的指导意义1抗侧滚扭杆装置结构及原理图1抗侧滚扭杆装置结构及工作原理抗侧滚扭杆结构如图1所示，通常由轴承座、扭臂、扭杆轴、连杆、节点组 成其工作原理如下：根据图2所示，当车体发生侧滚时（即转向架上左右空气 弹簧发生相反的垂向位移时），水平放置的两个连杆（扭臂）对于扭杆分别有一 个相反的力和力矩的作用，使弹性扭杆承受扭矩而产生扭转弹性变形，起到扭杆弹簧的作用。

扭杆的反扭矩，总是与车体产生侧滚角角位移相反，起到抗侧滚的 作用抗侧滚扭杆装置既增加二系中央悬挂装置的抗侧滚性能，又不影响二系悬 挂装置中空气弹簧的垂向振动性能2抗测滚扭杆设计及参数优化2.1抗侧滚扭杆装置结构强度抗侧滚扭杆关键零部件材料性能见下表1：表1抗侧滚扭杆关键零部件材料性能表号零件材料屈服强度5s(MPa)拉伸强度Ob(MPa)1扭杆轴52CrMoV4N1300= 16502扭臂42CrM= 650=9003轴承座42CrMN650=9004连杆40Cr=5401 =735序扭杆的刚度包括扭杆本身的扭转刚度和由于安装了抗侧滚扭杆后车体（或摇 枕）所增加的侧滚刚度（下称扭杆的侧滚刚度），在下面计算时先要算出扭杆的扭 转刚度，然后再算出扭杆的侧滚刚度，扭杆的侧滚刚度按下式计算：k=b;kji2式中：扭杆的名义长度；扭杆的扭转刚度.■-；扭臂长：.，I"，..'.；剪切弹性模量：，:.•则抗侧滚扭杆刚度I.3但是由于以下因素使扭杆侧滚刚度减小：1） 连杆的上、下球铰使实际侧滚刚度减小：上下节点的刚度分别为:70KN/mm和52KN/mm,合成刚度为30KN/mm在力作用下调节连杆的变形为：、•■"」，、■ ■■ i：1 f2） 扭杆在力的作用下会发生弯曲，使实际侧滚刚度减小，其计算方法如下:可以简化扭杆为一根等截面杆，其外径为658mm，抗弯曲惯量：..V' .< II- 1：| 1 ； - .I 如作用下,A 点向下：，’• ： ： ' ，•- r ' ■ ■■ ' '作用下,A 点向上：■- ■■■.'.■ ，•，.：，，•.则A点在力的作用下其位移为：.•，门•• •、..，.•.扭杆实际侧滚刚度为： •• ••" ■' ■ ■- ■为了分析抗侧滚扭杆刚度对车辆动力学性能的影响，选取了 6个刚度值(0.0 MNm/rad、0.5 MNm/rad、1.5 MNm/rad、2.0 MNm/rad、2.5 MNm/rad、 3.0MNm/rad)。

分别计算在安装上述不同刚度值扭杆的情况下车辆的蛇行运动稳 定性，运行平稳性和运行安全性及车轮摩擦功表2和图2为抗侧滚扭杆刚度对 车辆蛇行运动临界速度的影响图3为抗侧滚扭杆刚度对车辆运行平稳性的影响 综上所知，抗侧滚扭杆刚度值对稳定性影响很小在平稳性方面，随着抗侧滚扭 杆刚度增加横向平稳性和舒适度有明显改善，对车辆垂向平稳性影响较小随着 抗侧滚扭杆刚度增大轮重减载率变化不明显，其它曲线通过性能指标变化较小 综合考虑建议抗侧滚扭杆刚度值取1.5 MNm/rad表2抗侧滚扭杆刚度对车辆稳定性的影响图2抗侧滚扭杆刚度对车辆稳定性的影响—□— Front T7— Center —O— Rear、 —e m. f-■* xj U L_■- V V 守 寸 \1 15 1 1.5 2 2.5 3抗侧强杼刖旬WWrMI图3抗侧滚扭杆刚度对车辆稳定性的影响3抗测滚扭杆强度试验对抗侧滚扭杆施加载荷，验证其强度要求：序号载荷频率加载次数126.1~+26.1KN11-3Hz600万次231.3~+31.3KN200万次337.6~+37.6KN200万次1） 扭转静刚度损失率I " • ： ,.，，L2） 将疲劳试验后的抗侧滚扭杆进行磁粉探伤，无缺陷裂纹。

因此疲劳试验通过，扭杆的安全性能满足要求4小结1）通过对抗侧滚扭杆功能原理的分析，建立抗侧滚扭杆刚度计算模型，对 抗侧滚扭杆的综合刚度进行了计算2） 以车辆运行平稳性及稳定性为考核指标，通过抗侧滚扭杆刚度计算模型 对扭杆参数进行优化，得到最优解3） 通过抗侧滚扭杆疲劳试验验证抗侧滚扭杆的强度满足运用要求。