一種獨立車輪踏面外形設計方法及獨立車輪的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種獨立車輪踏面外形設計方法及獨立車輪，屬于軌道車輛領域。
【背景技術】
[0002] 獨立旋轉車輪主要用于城市有軌電車及低地板車輛。獨立旋轉車輪將左右兩個車 輪解耦，使左右車輪可以獨立繞車軸旋轉，獨立車輪不存在縱向蠕滑力。因此，采用獨立車 輪的車輛不會發生蛇行自激振動，大大提高車輛的運行穩定性和乘坐舒適性;減少輪軌之 間的磨耗和噪聲。比起剛性車輪，獨立旋轉車輪的車軸不需要同輪對一起旋轉，那么可以將 剛性輪對的車軸做成U字型的形式，甚至取消形式上的車軸直接將輪子安裝在構架兩端。因 此獨立旋轉車輪的另一個優勢就是，其特殊的結構可應用于低地板輕軌車輛。由于低地板 輕軌車輛具有乘客上下方便、無須建造高站臺、線路造價低廉、運量大、速度高、能通過較小 半徑的曲線、能與城市環境良好融合的優點，低地板車輛更加適合城市軌道交通發展的需 要。但由于獨立旋轉車輪與鋼軌之間不存在縱向蠕滑，其輪對橫移引起的左右車輪輪徑差 不能形成回轉力矩，獨立車輪輪對與剛性車輪輪對的動態特性之間存在著本質區別，因此 其設計方法及設計目標也迥然不同。
[0003] 輪軌幾何匹配特性對有軌電車動力學性能、輪軌滾動接觸疲勞以及輪軌磨耗特性 有著重要的影響。對于獨立輪對軌道車輛，輪軌幾何匹配特性（即左右車輪接觸角差曲線） 與輪對的重力復原剛度緊密相關，重力復原力是獨立車輪直線運行及曲線導向所必須的。 而輪軌接觸點分布范圍與到輪軌磨耗和輪軌滾動接觸疲勞特性有關。匹配良好的輪軌應具 有良好的幾何接觸特性，滿足車輛的運行穩定性、曲線通過性以及輪軌滾動接觸疲勞等要 求。
【發明內容】
[0004] 本發明旨在提供一種獨立車輪踏面外形設計方法及獨立車輪，該設計方法快捷簡 便，設計出來的踏面外形具有動力學性能所需要的幾何接觸特性。
[0005] 為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：
[0006] -種獨立車輪踏面外形設計方法，包括如下步驟：
[0007] 1)根據車輛輪對內側距、滾動中心距、鋼軌型面、軌底坡以及軌距，車輛直線運行 對中性、曲線導向能力和磨耗指數與車輛動力學性能指標確定左右輪接觸角差曲線；
[0008] 2)給定初始輪軌接觸點分布區域；
[0009] 3)將步驟1)的左右輪接觸角差曲線及步驟2)的輪軌接觸點分布區域作為車輪踏 面外形設計目標，根據鋼軌外形、軌底坡、車輪踏面外形、左右輪接觸角差曲線以及輪軌接 觸點分布區域之間的相互關系反推出滿足要求的車輪踏面外形；
[0010] 4)根據設計出的踏面外形計算輪軌接觸應力；
[0011] 5)判斷輪軌接觸應力是否為最優，否則返回步驟2)重新調整輪軌接觸點分布區 域，直到輪軌接觸應力收斂于最小值。
[0012] 傳統的車輪踏面設計流程一般為:根據相關理論及經驗形成車輪踏面外形，然后 再通過動力學分析來驗證車輪踏面性能，若達不到所需要的動力學性能就返回重新修改踏 面外形，然后再校核，直到踏面外形能夠滿足車輛動力學的需要。這種根據設計師的經驗反 復調整、校核的設計方法具有一定的盲目性，且設計周期長，設計成本高。而本發明提供了 一種直接以滿足車輛動力學性能的參數為目標的踏面逆向設計方法。其技術難點關鍵在于 建立鋼軌外形、車輪踏面外形、左右車輪接觸角差曲線以及接觸點分布范圍之間的泛函關 系，通過函數關系式可以直接根據反映車輛動力學性能的左右車輪接觸角差曲線以及接觸 點分布范圍求解出車輪踏面外形。
[0013] 本發明實質上是一種基于輪軌接觸角差曲線和輪軌接觸點分布的獨立車輪踏面 外形的逆向設計方法，該方法將與車輛動力學性能和輪軌接觸疲勞直接相關的輪軌幾何接 觸狀態參數作為設計目標，兼顧輪軌接觸應力，通過逆向過程來反推踏面外形。
[0014] 根據本發明的實施例，還可以對本發明作進一步的優化，以下為優化后形成的技 術方案：
[0015] 優選地，本發明提供了一種種子設計方案，選擇經過驗證的幾何匹配良好的鋼軌 外形和踏面外形作為種子鋼軌外形和種子踏面外形，并給定種子鋼軌外形和種子踏面外形 以及基本軌道幾何參數，通過輪軌幾何接觸分析求出鋼軌外形和踏面外形之間的左右接觸 角差曲線，然后根據車輛的運行要求將接觸角差曲線優化形成目標接觸角差曲線，該曲線 為使車輛直線運行時能夠自動對中、順利通過曲線，再修改輪軌接觸點分布范圍，使其盡量 分布均勻，且當輪對在對中位置附近運動時，接觸點位于鋼軌軌頂的主接觸區域;最后將優 化后的接觸角差曲線和輪軌接觸分布函數作為設計目標函數，利用建立的輪軌幾何約束模 型來反推出接觸區段的踏面外形，通過拼接原踏面曲線獲得踏面整個外形，并根據需要調 整輪緣厚度、踏面寬度、輪緣高度形成完整的滿足目標接觸角差曲線的車輪型面。
[0016] 作為一種具體的設計方案，分別建立描述踏面和鋼軌外形的坐標系，踏面坐標系 的橫向與車軸相互平行，記作yw，垂向為垂直于軌道平面，記作Z w;鋼軌坐標系的橫向與軌道 曲線徑向相互平行，記作yr，垂向為垂直于軌道平面，記作Z r;定義接觸角差曲線為A0(ys)， ys為輪對相對于軌道的橫移量，方向平行于車軸方向，向左橫移為正，Α Θ為輪徑差，它是輪 對橫移量3^的函數，所求的踏面曲線為Zw(yw)，yw為踏面外形的橫坐標， Zw為踏面外形的縱坐 標，它是橫坐標的函數;給定的鋼軌曲線為Zr(yr)，yr為鋼軌外形的橫坐標，Zr為鋼軌外形的 垂向坐標，它是橫坐標的函數;其中gw(y w)和gr(yr)分別為踏面外形的梯度和鋼軌外形的梯 度，他們分別是yw和yr分函數；
[0017] 根據車輪踏面外形、鋼軌外形與左右車輪接觸角差曲線之間的約束關系導出車輪 型面外形設計的數學模型：
[0018] 當輪對的橫移量為ys時，記輪對的側滾角為冰\)，左右輪軌接觸面上的相互接觸 點分力U 為(ywl ( ys )，Zwl ( y s ) )，（yrl(ys)，Zrl ( y S ))和(ywr ( ys )，Zwr ( ys ) )，（yrr(ys)，Zrr ( ys ))，他們 均是輪對橫移量的ys函數;左右輪軌接觸面上的相互接觸點均是關于橫移量ys的函數，其中 左右輪軌接觸面上的相互接觸點的第一個下標表示接觸點是在鋼軌上還是踏面上，W表示 在車輪踏面上，r表示在鋼軌上，第二個下標表示左右，r表示右，1表示左（如y wl (ys)表示當 輪對橫移后輪軌接觸點在踏面上的橫坐標值，其他參數意義可類推）；由此，得輪對側滾角 為：
[0019]
[0020] 由于當車輪踏面與鋼軌軌頂相接觸時，車輪與鋼軌在接觸點相切，因此在輪軌接 觸點處踏面斜率和軌頭斜率之間存在如下關系式：
[0021]
[0022]
[0023] 當輪對橫移量為ys并滾動一個側滾角后，在一個點發生輪軌接觸，根據坐標 變換關系可得輪軌接觸點分別在踏面和鋼軌上的橫坐標之間的幾何約束關系如下：
[0024]
[0025]
[0026] 當橫移量增加后，為了滿足目標左右接觸角差曲線可得左右接觸角差的變化與接 觸點在左右踏面上的縱坐標的關系如下：
[0027]
[0028]上述式（1)一(6)中存在9個變量，其中鋼軌外形是已知的，在yri(y s)、Zri(ys)、yrr (ys)、Zrr(ys)四個變量中實質上是兩個獨立變量，再加上輪軌接觸點分布函數，即可解出剩 余的7個變量；
[0029] 從輪對橫移量0mm開始一直計算到最大橫移量ysmax，便可計算出車輪踏面外形，獲 得了車輪部分踏面外形后，需要校核該曲線外形的局部接觸角差曲線與期望的曲線的差 另IJ，若差別在容許范圍內，則可以根據原始外形對新獲得的部分外形進行擴展，擴展的原則 是保證踏面基本參數的不變。
[0030] 上式中d表示對函數的微分。一般而言，