[发明专利]一种独立车轮踏面外形设计方法及独立车轮

摘要

本发明公开了一种独立车轮踏面外形设计方法及独立车轮。所述踏面外形设计方法包括如下步骤：1）根据车辆参数、轨道参数以及所期望的车辆动力学性能指标确定左右轮接触角差曲线；2）给定初始轮轨接触点分布区域；3）将步骤1）的左右轮接触角差曲线及步骤2）的轮轨接触点分布区域作为车轮踏面外形设计目标，根据钢轨外形、轨底坡、车轮踏面外形、左右轮接触角差曲线以及轮轨接触点分布区域之间的相互关系可反推出满足要求的车轮踏面外形；4）根据设计出的踏面外形计算轮轨接触应力；5）判断轮轨接触应力是否为最优，否则返回步骤2）重新调整轮轨接触点分布区域，直到轮轨接触应力收敛于最小值。本发明设计出来的踏面外形具有动力学性能所需要的几何接触特性。

主权项

1.一种独立车轮踏面外形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)根据车辆轮对内侧距、滚动中心距、钢轨型面、轨底坡以及轨距，车辆直线运行对中性、曲线导向能力和磨耗指数与车辆动力学性能指标确定左右轮接触角差曲线；2)给定初始轮轨接触点分布区域；3)将步骤1)的左右轮接触角差曲线及步骤2)的轮轨接触点分布区域作为车轮踏面外形设计目标，根据钢轨外形、轨底坡、车轮踏面外形、左右轮接触角差曲线以及轮轨接触点分布区域之间的相互关系反推出满足要求的车轮踏面外形；4)根据设计出的踏面外形计算轮轨接触应力；5)判断轮轨接触应力是否为最优，否则返回步骤2)重新调整轮轨接触点分布区域，直到轮轨接触应力收敛于最小值；分别建立描述踏面和钢轨外形的坐标系，踏面坐标系的横向与车轴相互平行，记作yw，垂向为垂直于轨道平面，记作Zw；钢轨坐标系的横向与轨道曲线径向相互平行，记作yr，垂向为垂直于轨道平面，记作Zr；定义接触角差曲线为Δθ(ys),ys为轮对相对于轨道的横移量，方向平行于车轴方向，向左横移为正，Δθ为轮径差，它是轮对横移量ys的函数，所求的踏面曲线为zw(yw)，yw为踏面外形的横坐标，zw为踏面外形的纵坐标，它是横坐标的函数；给定的钢轨曲线为zr(yr)，yr为钢轨外形的横坐标，zr为钢轨外形的垂向坐标，它是横坐标的函数；其中gw(yw)和gr(yr)分别为踏面外形的梯度和钢轨外形的梯度，他们分别是yw和yr分函数；根据车轮踏面外形、钢轨外形与左右车轮接触角差曲线之间的约束关系导出车轮型面外形设计的数学模型：当轮对的横移量为y_s时，记轮对的侧滚角为左右轮轨接触面上的相互接触点分别为(y_wl(y_s),z_wl(y_s)),(y_rl(y_s),z_rl(y_s))和(y_wr(y_s),z_wr(y_s)),(y_rr(y_s),z_rr(y_s))，他们均是轮对横移量的y_s函数；左右轮轨接触面上的相互接触点均是关于横移量y_s的函数，其中左右轮轨接触面上的相互接触点的第一个下标表示接触点是在钢轨上还是踏面上，w表示在车轮踏面上，r表示在钢轨上，第二个下标表示左右，r表示右，l表示左；由此，得轮对侧滚角为：由于当车轮踏面与钢轨轨顶相接触时，车轮与钢轨在接触点相切，因此在轮轨接触点处踏面斜率和轨头斜率之间存在如下关系式：当轮对横移量为y_s并滚动一个侧滚角后，在一个点发生轮轨接触，根据坐标变换关系可得轮轨接触点分别在踏面和钢轨上的横坐标之间的几何约束关系如下：当横移量增加后，为了满足目标左右接触角差曲线可得左右接触角差的变化与接触点在左右踏面上的纵坐标的关系如下：上述式(1)—(6)中存在9个变量，其中钢轨外形是已知的，在yrl(ys)、zrl(ys)、yrr(ys)、zrr(ys)四个变量中实质上是两个独立变量，再加上轮轨接触点分布函数，即可解出剩余的7个变量；从轮对横移量0mm开始一直计算到最大横移量ysmax，便可计算出车轮踏面外形，获得了车轮部分踏面外形后，需要校核该曲线外形的局部接触角差曲线与期望的曲线的差别，若差别在容许范围内，则可以根据原始外形对新获得的部分外形进行扩展，扩展的原则是保证踏面基本参数的不变；所述踏面基本参数包括轮缘厚度、轮缘高度以及车轮宽度。