最新火车轮结构基础知识
火车车轮与铁轨原理
火车车轮与铁轨原理近几十年来，火车一直是人类重要的运输工具，特别是在工业发达的国家，火车给予了此前没有的快速准确的运输、工业化发展的推动力。
火车由车轮与铁轨组成，而车轮与铁轨原理也是火车运行的基础。
因此，本文将探讨火车车轮与铁轨的原理。
火车车轮的原理很简单，就是利用车轮和铁轨组合，使火车产生应力便能移动，而且在有铁轨的路线上推进。
火车车轮的特点是具有较大的摩擦力，具有较大的承载力，车轮的内部有两个部分，分别是轮胎和轮辋。
轮胎是靠金属制成的铸造或冲压型车轮轮胎，比较耐磨，具有较强的抗撞击能力，而轮辋是由多层钢板缠绕，结实牢固，可以承受强大的推力，能够保证火车的安全运行；而车轮上还有特殊的凸轮，它在铁轨与车轮接触时，会使火车得以顺利前进。
火车的车轮在不同的轨道上会发生什么样的变化呢？当火车运行在横轨道上时，车轮会因为横向非常小而摩擦力都会降低，从而影响火车的运行速度和动力，相反，当火车运行在纵轨道时，车轮会因为其横向的空间较大，摩擦力高，形成较大的抗拒力，这时，火车运行速度会降低，但动力会增加，因此，火车在不同的轨道上会发生不同的变化。
此外，火车运行还受制于铁轨的影响。
铁轨是火车运行的基础，它由多种铁质钢制而成，可以抗冲击、抗腐蚀，还可以抗老化，能够确保火车的稳定性。
在火车与铁轨的结合中，先有车轮与铁轨的交接，然后车轮会把动力传递给铁轨，铁轨的变形能够在轨道上滚动着火车，所以铁轨的强度对火车的运行也至关重要。
最后，当火车在轨道上行驶时，车轮和铁轨会发生相互作用，形成推进力，这样才能有效地把火车推动起来，所以火车车轮与铁轨原理对火车的运行有着重要的影响。
总之，火车车轮与铁轨原理是火车运行的重要组成部分，也是火车发展的基础，在火车的运行稳定性方面起着至关重要的作用。
动车组轮对及轴箱装置演示课件
防尘措施时，应用螺栓或橡胶塞等塞住）； ? 轴箱支撑橡胶安全部分的机械加工是与压板同
时加工的，打上刻印便于组合管理。
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前盖与后盖
前盖
?目的：需要安装测速发电机时，安装前盖；对不安装安装测 速发电机的部位，为了防水、防尘，也需要设有前盖； ?材质：铝合金铸件（AC4CH-T6， JIS H 5202）； ?形状：在轴箱体的安装部分为嵌合结构。
18
车轴强度计算与校核
19
车轴强度计算与校核（续）
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CRH2 车轮
? 车轮是铁道车辆用碳素钢整体碾压车轮， 具有较好的弹性和优良的防噪声性能；
? 车轮直径φ860 mm 、宽度135mm，车轮材 质为SSW-Q3R ；
? 车轮踏面为 LMA磨耗型踏面，轮缘高 28 mm，最大可能的磨耗半径为 35mm；
22
轴承
23
轴承基本参数
名称 轴承型式 内轮直径 内轮宽度 外轮直径 外轮宽度 润滑方式 内轮与外轮材质 滚柱材质
设计轴重 簧下重量 最高速度 最高转速 车轮直径 设计寿命
单位
mm mm mm mm
kN kN km/h rpm mm 万km以上
规格 日本NTN轴承，密封双列圆锥滚柱轴承
130
150
12
CRH1车轮强度计算
新轮
旧轮
Nastran – Patran 软件
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CRH2 轮对轴箱结构
? 车轴 ? 车轮 ? 制动盘 ? 轴承 ? 轴箱 ? 齿轮箱传动装置
14
CRH2 车轴
铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系 1
铝合金
质量轻，耐腐蚀，但强度较低。
其他合金材料
如镍合金、钛合金等，具有特殊 性能，但成本较高。
02
轮轨接触几何关系
轮轨接触几何模型
点接触模型
假设轮轨接触点处的曲率中心与接触点重合，适用于 小变形和弹性接触。
面接触模型
考虑轮轨接触面的形状和曲率变化，适用于大变形和 塑性接触。
混合接触模型
结合点接触和面接触的特点，考虑轮轨接触的复杂性 和非线性特性。
垂直反力
车轮垂直于轨道方向产生的力，与轨道承受的重 量和轮轨接触点的分布有关。
轮对与轨道的相互作用模型
弹性接触模型
将轮轨接触视为弹性接触，通过 弹性力学理论描述轮轨接触点的 应力分布和变形。
有限元模型
利用有限元方法模拟轮轨接触和 应力分布，考虑了材料的非线性 特性和复杂的边界条件。
轮对与轨道的相互作用的影响因素
铁道车辆轮对结构与 轮轨接触几何关系
目录
• 轮对结构 • 轮轨接触几何关系 • 轮对与轨道的相互作用 • 轮轨接触的磨损与损伤 • 轮对与轨道的设计优化
01
轮对结构
轮对的组成
01
02
03
车轮
包括轮缘、踏面和轮毂， 是直接与轨道接触的部分， 承受车辆重量和传递制动 力。
车轴
连接车轮的轴，通过轴承 支撑车轮转动，传递牵引 力和制动力。
通过建立动力学模型，模拟列车运行过程 中轮对与轨道的动态响应，预测和解决潜 在的振动和稳定性问题。
实验设计法
优化算法
通过实验手段获取轮对与轨道在实际运行 中的性能数据，为设计提供依据和验证。
利用数学优化算法，如遗传算法、粒子群 算法等，对轮对与轨道的结构参数进行优 化，实现轻量化和性能提升。
铁路货车轮轴技术简介
• 2.5车轮静平衡测试标记 • 新制车轮进行静态平衡测试的残余不平衡值不大于125g•m
时，标记为E3；残余不平衡值不大于75g•m时，标记为E2； 在内侧轮毂外表面用油漆做出约15mm宽、40mm长的径向 条带，标记在条带的上端部或下端部。
• 2.6车轮直径 • 车轮直径用白色油漆在辐板内侧面适当位置上标明车轮直
径尺寸，字体高度不应小于25mm，字迹应清晰可辩，轮 径精确到小数点后一位。
三.轴承
无轴箱双列圆锥滚子轴承： 25t轴重： 353130B（主型） 21t轴重： 352226X2-2RZ(TN) （主型） SKF197726 （主型）
前盖 内圈 保持架 外圈 滚子
后挡
密封罩
中隔圈
油封
352226X2-2RZ
制造年月（各2位数字）、制造工厂代号、车轮钢种代号、车 轮型号、车轮顺序号、检验人员标记。例： 1412 TZ II HESA 220436
• 美国格里芬（Griffin）车轮厂制造的整体铸钢车轮标记在
轮毂内侧端面上，如图6-10所示。
• 制造年月（各2位数字）、制造工厂图形标记、制造工厂
代号、车轮级别、车轮型号和车轮顺序号。标记在车轮辐板内侧
面上,如图所示
• 制造年月（各2位数字）、制造工厂代号、车轮级别、车
轮型号和车轮顺序号。例：
• 2.4.6前苏联车轮制造厂（维克萨、下塔吉尔、地聂伯）制造
的整体辗钢车轮标记在轮辋外侧面上，如6-12所示。
• 制造年月（制造年为2位数字，制造月为罗马数字）、车轮
轮毂 长度
L
178±3
178±3
178±3 178±3 178±3 178±3
178±3
车轮轮 辋宽度
为什么火车轮子是圆的？
为什么火车轮子是圆的？
为什么火车轮子是圆的？
火车轮子是圆的，是因为圆形结构具有许多优点，使其成为火车轮的理想形状。
以下是详细解释：
1. 圆形结构的均匀性
圆形结构具有均匀的分布特性，这意味着轮子的重量分布在整个结构上是均匀的。
这种均匀性使得火车轮子能够承受更大的重量和压力，同时保持稳定性。
2. 圆形结构的稳定性
圆形结构具有稳定性，这是因为圆形结构的重心位于其中心点，因此在转动时，重心不会发生偏移。
这使得火车轮子在高速运转时保持稳定，减少了摆动和震动。
3. 圆形结构的平滑性
圆形结构具有平滑的表面，这使得火车轮子在与铁轨接触时能够平稳地滑动。
这种平滑性减少了摩擦和磨损，使火车轮子更加耐用。
4. 圆形结构的可制造性
圆形结构是一种非常容易制造的结构，因为它只需要简单的机器加工就可以制
造出来。
这使得火车轮子的制造成本相对较低，同时也可以大规模生产。
综上所述，火车轮子是圆的，是因为圆形结构具有均匀性、稳定性、平滑性和
可制造性等优点，使其成为火车轮的理想形状。
火车运行原理
火车运行原理
1 四轮火车运行原理
火车被认为是现代交通工具中最具有流行性和通用性的一种。
其
能够载着大量的乘客和货物在有轨道的路线上安全、快速、舒适地前进，为人们出行提供了极大的便利。
这一切都要归功于火车运行的一
大特点——四轮火车运行原理。
四轮火车运行原理指的是火车上设有四个轮子，即前轮、中轮、
后轮和助力轮。
前轮又称转向轮，主要用于转向，即调整行驶方向，
使火车保持稳定轨迹。
中轮以及后轮则共同负责拉动火车，助力轮则
起到减速和提高制动能力的作用，以满足行驶时的需求。
此外，四轮火车运行原理还涉及到火车的发动机、底盘和轨道等。
发动机主要用于提供动力，底盘也会经常使用，用于布线整个火车底
盘的连接，以确保火车能够行驶。
另外，轨道也确保火车的正常行驶，以及拐弯、煞车、急加速等。
总而言之，四轮火车运行原理十分重要，它展示了火车在轨道上
如何有效地移动，为人们出行带来极大的便捷和便利。
当然，要确保
火车在行驶期间安全顺利，唯有按照四轮火车运行原理来操作，确保
每一次行程都安全、稳定、高效。
为什么火车的轮子不会掉下来？
为什么火车的轮子不会掉下来？一、轮轴的结构设计火车的轮轴是通过一系列精密的设计和加工而成的，在轮轴的两端，分别安装了轮对，保证了车轮的固定和稳定。
这种设计可以确保轮子在行驶中不会脱落，从而保证了火车的安全运行。
轮轴的结构设计是确保火车轮子不会掉下来的关键因素之一。
二、轮毂的锁紧装置火车的轮毂是通过一种锁紧装置固定在轮轴上的。
锁紧装置使用了一种特殊的材料和结构，能够在火车运行过程中保持紧固状态，防止轮毂松动或脱落。
这种锁紧装置是确保轮子不会掉下来的又一个重要因素。
三、制动系统的作用火车的制动系统是由一系列重要组件组成的，如制动盘、制动片和制动器等。
在火车运行过程中，制动系统可以通过施加制动力来控制车轮的旋转速度，从而使火车停止或减速。
制动系统的作用相当于给轮子加上了一道“死锁”，使其无法脱离轨道，确保了轮子不会掉下来。
四、轨道的作用火车行驶在固定的轨道上，轨道的形状和尺寸都是经过精心设计和测量的，确保了火车的稳定性和安全性。
轨道的两侧有凸起的轨道边缘，可以防止轮子脱离轨道，保证火车沿着固定轨道行驶。
轨道的作用也是确保火车轮子不会掉下来的重要因素之一。
总结：火车的轮子不会掉下来是由于多种因素的综合作用。
首先，轮轴的结构设计确保了轮子的固定和稳定；其次，轮毂的锁紧装置能够确保轮毂在火车运行过程中不松动或脱落；另外，制动系统的作用对于保证轮子的稳定性也起到了重要作用；最后，轨道的形状和尺寸能够确保火车沿着固定轨道行驶，防止轮子脱离轨道。
这些因素共同作用，保证了火车的安全运行和轮子不会掉下来。
火车轮子不会掉下来的原因是一门很有深度的工程技术，它涉及到机械设计、材料科学和力学等多个学科的综合运用。
通过对火车轮子不会掉下来的原因的深入研究，我们能更好地了解火车的运作原理和安全性，进一步推动车辆运输技术的发展和改进。
铁道车辆知识点总结
铁道车辆知识点总结铁道车辆是指在铁路上行驶的各种车辆，其种类繁多，功能各异。
它们按用途和特点的不同，可分为客运车辆、货运车辆、施工车辆、机车和动车组等。
在铁路运输中，铁道车辆起着至关重要的作用，它们不仅承担着人和货物的运输任务，还直接关系到铁路的安全和运输效率。
1.车辆结构车体：车体是铁道车辆的主体部分，通常由车体骨架和外部覆盖层构成。
车体的设计要求具有足够的强度和刚度，以支撑和保护车辆内部的设备和乘客或货物。
车轮和轴箱：车轮是铁道车辆的重要部件，它直接与轨道接触，承担着重量和牵引力。
轴箱则是安装车轮的支撑组件，可保证车轮在运动时保持一定的轴向位置。
制动系统：为确保铁道车辆的安全运行，制动系统是至关重要的组成部分。
常见的制动系统包括空气制动和电气制动等，可以通过空压机或电气控制单元实现制动力的传递和调节。
走行部：走行部是指车辆的转向架和相关传动装置，用于保证车辆在铁路上平稳行驶。
转向架能够使车轮按照铁轨的弯曲方向转动，使铁道车辆在高速运行时也能保持良好的稳定性。
2.车辆类型客运车辆：客运车辆是以乘客运输为主要任务的铁道车辆，常见的客运车辆包括硬座车、软座车、卧铺车、动车组等。
它们通常配备有舒适的座椅或卧铺设施，能够为乘客提供良好的旅行体验。
货运车辆：货运车辆是用于运输货物的铁道车辆，一般根据货物的特点可以分为敞车、密封车、冷藏车等类型。
货运车辆通常具有较大的载重量和储存空间，能够满足各种类型货物的运输需求。
施工车辆：铁道施工车辆主要用于铁路线路的建设和维护工作，包括作业车、维修车、道岔处理车等。
它们在铁道建设和维护过程中起着不可替代的作用，能够提高铁路运输的安全性和可靠性。
机车：机车是铁路列车的动力车辆，它们通常配备有内燃机或电动机，能够为列车提供牵引动力。
根据动力来源的不同，机车可以分为内燃机车和电力机车两大类。
动车组：动车组是具有自主牵引能力的列车单元，其车厢通常由头等座车厢、二等座车厢、餐车等部分组成。
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车轮结构完全由车轮直径，轮辋，轮毂尺寸，毂辋距，辐板形状，轮缘踏面外形所决定。
每个尺寸或每部位形状都有其特殊意义。
一、直径
车轮直径对其本身及整个车辆都有较大影响。
一方面车轮直径越大，车辆重心越高，车辆的动力性能越差。
另一方面，增大车轮直径，可以降低轮轨的接触应力，降低车轮磨耗速度，增加车轮的热容量，提高踏面制动热负荷的承受能力。
因此车轮直径大小应根据车辆情况综合确定。
但总的来说，车辆轴重越大，车轮直径应越大，以提高车轮的热容量和增加轮轨的接触面积，减少踏面损伤和磨耗。
另外，车轮直径的取值还应注意规格的标准化系列问题，以利于车轮制造和检修。
目前我过货车车轮直径大多为840mm，特殊货车车轮直径为915。
二、轮辋
轮辋宽度尺寸主要取决于轮轨的搭载量。
当轮对运行在曲线上时，外侧车轮轮缘靠近钢轨，内侧轮缘远离钢轨。
只有内侧车轮踏面在钢轨上的搭载量足够，才能保证轮对不脱轨。
《铁路技术管理规程》规定，当曲线半径在300m以下时，轨距应加宽15mm。
因此，最大轨距为1435+15+6=1456mm（其中：名义轨距L为1435mm，最大公差为6mm）。
轮对最小内侧距为1354mm，轮缘最小厚度为23mm。
车轮踏面外侧倒角5mm，钢轨头部圆弧半径为R13mm，钢轨内侧磨耗2mm，轨枕弯曲、道钉松动等引起轨距扩大8mm，重车时车轴微弯引起轮对内侧距离减小2mm，轮轨安全搭载量按7mm考虑，根据上述数据算得轮辋最小宽度为120mm，考虑到车辆过驼峰时实施的制动，车轮外侧面磨损5mm，则轮辋最小宽度应为125mm。
目前我国铁路货车车轮轮辋宽度为135~140mm。
轮辋厚度通常指新轮辋厚度。
我国铁路对正常服役的车轮的判废依据是轮辋剩余厚度，当轮辋剩余厚度小于等于23mm时车轮报废。
新轮辋厚度与轮辋限度之差为轮辋的有效磨耗厚度。
轮辋越厚有效磨耗厚度就越大。
但车轮自重也大。
有效磨耗厚度越厚，车轮使用寿命越长，新旧车轮直径差就越大。
车辆检修时，为了满足车辆之间悬挂的要求，经常需要在心盘、旁承等位置增加调平板。
如果新旧车轮直径差过大，所增加的垫板相应加厚。
这样心盘螺栓就容易折断，同时也增加了检修的工作量。
轮辋质量占车轮质量较大的比例，即轮辋的质量在很大程度上决定了车轮的质量。
特别是铸钢车轮，由于浇铸工艺原因，轮辋质量越大，就要求辐板越厚，车轮质量将更大。
车轮为簧下质量，其质量的增加对轮轨垂向动作用力有较大影响。
为了提高轮辋硬度以提高其使用寿命，成产中车轮踏面进行淬火处理。
由于淬火工艺特性，淬硬深度受到限制。
轮辋越厚，内部硬度越低，耐磨性能越来越差。
虽然车轮使用寿命随着轮辋厚度的增加而延长，但延长的比例越来越小。
从车轮的使用寿命的角度来考虑轮辋应越厚越好。
但从车轮重量和新旧车轮直径差的角度轮辋厚度应越小越好。
轮辋厚度尺寸大小各有利弊，应根据车辆具体使用条件及上述各种影响因素综合确定。
目前国内货车车轮轮辋厚度有50mm和65mm两种。
三、轮毂
车轮和车轴靠过盈配合组装在一起，轮毂的主要作用是将车轮牢牢地固定到车轴上，其尺寸主要由轮轴配合所需要的紧固力所决定。
我国车辆车轮轮毂长度名义尺寸均为178mm。
轮毂厚度随轴重的不同而变化。
在轮毂长度尺寸和轮轴间配合过盈量一定的情况下，轮毂厚度越厚，车轮质量越大，轮轴之间的紧固力也越大。
合理的轮毂厚度应该是：在满足轮轴紧固力要求的前提下厚度尽可能地小，以减轻车轮质量。
四、毂辋距
毂辋距指轮辋内侧面与轮毂内侧面间的轴向距离，该值与轮对内侧距、
车轴两轮座之间的距离有关，因此在选取毂辋距时不能仅从车轮的角度考虑，应根据轮对内侧距与车轴协调考虑。
目前国内货车车轮该值为68mm。
五、辐板形状
辐板的强度直接关系到行车的安全，因此车轮辐板应有足够的强度。
辐板形状对车轮的结构强度和刚度有较大的影响。
较小的径向刚度可使车轮具有较大的弹性，可以改善制动热负荷作用下车轮的应力状态和降低轮轨动力作用力，因此辐板的径向刚度应适量地小。
辐板的轴向刚度应尽量的大，否则车轮将产生较大的轴向变形。
轴向变形过大会改变轮轨正常接触位置和轮缘角度，影响车辆运行性能，增加爬轨的可能性。
一个好的辐板形状，可以在不增加自重的条件下大幅度地提高车轮的结构刚度，改善车轮的刚度，因此辐板是车轮结构设计和优化的重点部位。
国内外普遍采用的辐板形状有：直辐板、S辐板、波浪形辐板、盆型辐板。
直辐板与其他各形状辐板相比，优点是质量小，缺点是径向刚度过大，轴向刚度较小。
不是一个好的辐板形状。
但尽管如此，在轮盘制动的情况下必须采用直辐板，以便安装制动盘。
S型和盆型辐板可使得车轮具有合理的刚度和较低的热应力。
将辐板设计成S形或盆形的主要目的是为了降低热应力。
踏面制动一般采用这两种辐板形状。
但由于S形辐板不利于钢水的流动，因此不适合铸钢车轮，铸钢车轮大多采用盆形辐板。
波浪形辐板与S形辐板在结构上的区别主要是辐板的偏心量（靠近轮辋处辐板的中心线与靠近轮毂处的辐板中心线之间的轴向距离）不同，造成这种差别的原因主要是车轮的毂辋距不同。
波浪形辐板车轮径向刚度较小，与S形相比波浪形辐板车轮轴向刚度和应力较大。
辐板形状即可用优选法设计也可用优化法设计，不管用什么方法，良好的辐板性能是唯一的目标。
另外在车轮辐板设计时，要校核辐板是否与车辆下部界限发生干涉。
六、轮缘踏面外形
轮缘踏面外形设计时应考虑与轨头外形的配合，理想的轮轨型面配合状态能有效地降低接触应力和磨耗，有助于改善列车通过曲线性能，
有效地提高列车失稳的临界速度。
同时设计的新踏面应尽量与磨耗后的
形状接近，以降低修正踏面时金属切削量。
轮缘踏面外形的设计原则是：（1）如果轮缘踏面与钢轨发生两点接触，那么必然要有一个点发生滑动，滑动的点将发生严重磨耗，因此应尽量避免轮缘踏面与钢轨发生
两点接触。
此外，轮对处于任何位置时，轮轨接触点处的车轮和钢轨横
向界面曲率半径差不要过大，以增大轮轨之间的接触面，减小接触应力，从而降低轮轨磨耗量和轮轨疲劳损坏。
（2）
（3）保证轮对在直线轨道上运行时有较高的临界速度，这就要求轮对在横移量不大时，车轮踏面接触点处的等效斜率小，即左右轮接触点
处的半径差小，这样轮对在直线上运行时不易发生蛇行运动。
（4）曲线通过性能好，即轮对在曲线上运行时，轮对和轨道之间应保持较小的冲角，这就要求轮对在横移量较大时车轮踏面接触点处的等
效斜率要大，即左右接触点的处的半径差要大，这样有利于轮对位置复
原，从而可以减轻轮缘磨耗、轨道侧磨和轮对对曲线的冲击。
（5）在运用中，由于磨耗、剥离、擦伤等原因，轮缘踏面需要经常旋修，如果磨耗后的形状与轮缘踏面初始差别较大，那么旋修时旋掉的
金属量就多，这样会降低车轮的使用寿命，因此在进行轮缘踏面设计时，既要考虑上述各种性能因素也要考虑经济因素。
轮缘需有一定高度，过低易发生脱轨；若轮缘设计的过高，当踏面磨耗深度较大时轮缘顶部可能触碰钢轨鱼尾板螺栓和鱼尾板肩部。
轮缘高度一般在26~30mm之间。
考虑通过道岔安全，车轮轮径越小，轮缘应越高。
轮缘有防止车轮脱线的功能，为防止低速车轮爬轨和高速车轮跳轨，轮缘外侧面与水平面之间有足够的轮缘角，一般在70°左右，过小容易爬轨，不能保证安全；过大使修复外形时切削量增加，且当轮对有冲角时轮缘顶部易与钢轨发生接触。
轮缘踏面形状主要取决于线路情况和列车运行速度，而与车轮本身的结构无
关。
当运行的路线和列车的速度没有较大变化时，即使车轮结构发生了变化，其踏面形状也无需改变。
通常情况下踏面采用标准形状。
车轮设计计算标准中一般不包括轮缘踏面外形设计计算。
目前国内货车只有一种轮缘踏面形式，即LM型，见图。