第一章 轮轨关系 PPT
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城市轨道交通导论 第一章
11．造价
同样规模的线路，建设在地面和 高架上的轻轨交通与地铁比较，三者 投资相差较多，比值一般为1∶3∶9。 每公里地铁造价高达6～8亿元人民币， 每公里轻轨则需要1.5～3.5亿元人民 币。
第三节 国内外城市轨道交通的发展概况
一、国外城市轨道交通的发展概况
伦敦地铁线路总长度约410 km （地下隧道171 km），共设置车站275 座，地铁车辆保有量约4 139辆，年客 运总量已突破8亿人次，如图1-6所示。
4．城市轨道交通具有较高的舒适性
与常规公共交通相比，城市轨道交通的车辆具有较好的运行特性，车站装 有空调、引导装置、自动售票等直接为乘客服务的设备，城市轨道交通具有较 好的乘车条件，其舒适性优于公共电车、公共汽车。
5．城市轨道交通具有较高的安全性
城市轨道交通由于运行在专用轨道上，没有平交道口，不受其他交通工具 干扰，并且有先进的通讯信号设备，极少发生交通事故。
8．城市轨道交通对环境污染低
城市轨道交通由于采用电气牵引，与公共汽车相比不产生废 气污染。城市轨道交通的发展，能减少公共汽车的数量，从而进 一步减少了汽车的废气污染。城市轨道交通在线路和车辆上采用 了各种降噪措施，不会对城市环境产生严重的噪声污染。
第二节 城市轨道交通的种类
一、城市轨道交通的种类
若按容量（运送能力），可分为高容量、大容量、中容量和小容量。 若按线路架设方式，可分为地下、高架和地面。 若按导向方式，可分为轮轨导向和导向轨导向。 若按线路隔离程度，可分为全隔离、半隔离和不隔离。 若按轨道材料，可分为钢轮钢轨系统和橡胶轮混凝土轨道梁系统。 若按牵引方式，可分为旋转式直流、交流电机牵引和直线电机牵引。 若按运营组织方式，可分为传统城市轨道交通、区域快速轨道交通和城市
铁道车辆轮对结构关系ppt课件
19
轮轨接触分析
车轮外形的主要参数
车轮外形
SYSZ40-00-00-02A (200 kph) SYSZ40-00-00-00 (160 kph) S1002 XP55
Sd
L3 = 10 mm
L3 = 12 mm
(Standard China) 中国标准
32.6
32
33.2
32
32.5
-
32.6
-
铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系
整理版课件
1
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节
轮对结构认识 轮轨接触状态认识 轮轨接触几何关系求解 道岔区轮轨接触几何关系
整理版课件
2
第一节 轮对结构
整理版课件
3
1 轮对设计要求
应该有足够的强度，以保证在容许的最高速 度和最大载荷下安全运行（减轻轮对重量）；
2b b
tg(R )R tg(L )L
K gy F y gy2 W ytg (R)tg (L)
K g yF y gy 2 W ytg (R )tg (L )w b
有使轮对恢复到原来对中位置的作用
整理版课件
35
轮对重力刚度
Kgy / N.m-1
160
120
磨耗踏面
80
锥形踏面
40
0
0
4
8
12
16
① 轮缘：轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮 脱轨的重要部分。
② 滚动圆直径：车轮直径大小，对车辆的影响各 有利弊：轮径小可以降低车辆重心，增大车体 容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴 距，对于地铁车辆还可以减小建筑限界，降低 工程成本；但是，小直径车轮可使车轮阻力增 加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快，通过 轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响增大。轮 径大的优缺点则与之相反。
轮轨接触分析
车轮外形的主要参数
车轮外形
SYSZ40-00-00-02A (200 kph) SYSZ40-00-00-00 (160 kph) S1002 XP55
Sd
L3 = 10 mm
L3 = 12 mm
(Standard China) 中国标准
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33.2
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32.5
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32.6
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铁道车辆轮对结构与轮轨接触几何关系
整理版课件
1
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节
轮对结构认识 轮轨接触状态认识 轮轨接触几何关系求解 道岔区轮轨接触几何关系
整理版课件
2
第一节 轮对结构
整理版课件
3
1 轮对设计要求
应该有足够的强度，以保证在容许的最高速 度和最大载荷下安全运行（减轻轮对重量）；
2b b
tg(R )R tg(L )L
K gy F y gy2 W ytg (R)tg (L)
K g yF y gy 2 W ytg (R )tg (L )w b
有使轮对恢复到原来对中位置的作用
整理版课件
35
轮对重力刚度
Kgy / N.m-1
160
120
磨耗踏面
80
锥形踏面
40
0
0
4
8
12
16
① 轮缘：轮缘是保持车辆沿钢轨运行，防止车轮 脱轨的重要部分。
② 滚动圆直径：车轮直径大小，对车辆的影响各 有利弊：轮径小可以降低车辆重心，增大车体 容积，减小车辆簧下质量，缩小转向架固定轴 距，对于地铁车辆还可以减小建筑限界，降低 工程成本；但是，小直径车轮可使车轮阻力增 加，轮轨接触应力增大，踏面磨耗较快，通过 轨道凹陷和接缝处对车辆振动的影响增大。轮 径大的优缺点则与之相反。
1 轮轨关系演示文稿
❖ 轮轨相互动力作用引起车辆与轨道系统振动、冲击、疲劳、 伤损的直接根源，也是导致轮轨系统状态破坏和功能丧失 的主要原因
❖ 轨道存在空间线型变化，会引起运动学问题，轨道存在不 平顺，会引起动力学问题 ❖ 轮对系统的自动. 导向功能，车辆走行部偏差引起动力问题3
轮对基本特征及参数
❖ 刚性轮对：由左右轮子和车轴固结组成，左右轮的滚动角速度一致 ❖ 车轮与钢轨轨头的接触面称车轮踏面
.
14
比较以下几种方式的导向方式 ？
柱形踏面 锥形踏面 .
锥形踏面
15
自由轮对蛇形运动原理
❖ 轮对偏离轨道中心线，左右轮子踏面与钢轨顶面接触点的 滚动圆半径将产Th差异，在纯滚动条件下，大半径一侧轮 子将绕小半径一侧轮子作水平转动，使轮对返回到线路中 心线，表明锥型踏面的轮对具备横向偏移后的复原能力， 然而复原运动又会使轮对随着车辆前行时产Th左右摆动和 水平转动，形成周期性蛇行运动
.
16
自由轮对蛇形运动原理
❖ 假设自由轮对在微量横移y后，左右轮在轨面上将准静态 地进行纯滚动的几何学运动，由左右接触点处的轮径差
.
17
游间的作用
.
18
轮轨接触方式
一点接触：踏面接触
两点接触：踏面接触 轮缘接触
.
19
轮轨接触几何关系
❖ 轮对与钢轨的接触几何关系与参数是研究轮轨接触力学和车辆动力学 的基础，可用于轮轨外形设计、接触应力分析、蛇形稳定性分析、随 机响应分析和曲线通过分析等
.
4
车轮型式
.
5
轮对踏面
❖ 轮对踏面与轨头断面、名义滚动圆直径、轮轨接触位置对车辆动力学 性影响很大 ❖ 踏面外形主要尺寸包括轮缘角度、轮缘高度、轮缘厚度、车轮宽度和 踏面斜度等 ❖ 轮缘厚、高与轮对通过道岔时的安全性有直接关系，轮缘角一般指轮 缘斜面上的最大角度，与脱轨安全性有较大关系 ❖ 对于锥型踏面，踏面斜度λ等于踏面锥度，对于磨耗型踏面，由于各 处踏面斜度不同，需引入轮对在小范围内横动的等效斜度λe来表示
❖ 轨道存在空间线型变化，会引起运动学问题，轨道存在不 平顺，会引起动力学问题 ❖ 轮对系统的自动. 导向功能，车辆走行部偏差引起动力问题3
轮对基本特征及参数
❖ 刚性轮对：由左右轮子和车轴固结组成，左右轮的滚动角速度一致 ❖ 车轮与钢轨轨头的接触面称车轮踏面
.
14
比较以下几种方式的导向方式 ？
柱形踏面 锥形踏面 .
锥形踏面
15
自由轮对蛇形运动原理
❖ 轮对偏离轨道中心线，左右轮子踏面与钢轨顶面接触点的 滚动圆半径将产Th差异，在纯滚动条件下，大半径一侧轮 子将绕小半径一侧轮子作水平转动，使轮对返回到线路中 心线，表明锥型踏面的轮对具备横向偏移后的复原能力， 然而复原运动又会使轮对随着车辆前行时产Th左右摆动和 水平转动，形成周期性蛇行运动
.
16
自由轮对蛇形运动原理
❖ 假设自由轮对在微量横移y后，左右轮在轨面上将准静态 地进行纯滚动的几何学运动，由左右接触点处的轮径差
.
17
游间的作用
.
18
轮轨接触方式
一点接触：踏面接触
两点接触：踏面接触 轮缘接触
.
19
轮轨接触几何关系
❖ 轮对与钢轨的接触几何关系与参数是研究轮轨接触力学和车辆动力学 的基础，可用于轮轨外形设计、接触应力分析、蛇形稳定性分析、随 机响应分析和曲线通过分析等
.
4
车轮型式
.
5
轮对踏面
❖ 轮对踏面与轨头断面、名义滚动圆直径、轮轨接触位置对车辆动力学 性影响很大 ❖ 踏面外形主要尺寸包括轮缘角度、轮缘高度、轮缘厚度、车轮宽度和 踏面斜度等 ❖ 轮缘厚、高与轮对通过道岔时的安全性有直接关系，轮缘角一般指轮 缘斜面上的最大角度，与脱轨安全性有较大关系 ❖ 对于锥型踏面，踏面斜度λ等于踏面锥度，对于磨耗型踏面，由于各 处踏面斜度不同，需引入轮对在小范围内横动的等效斜度λe来表示
汇总轮轨关系
汇总轮轨关系————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：轮轨关系轨道车辆和线路的作用问题是铁路轮轨接触式运输的基本问题。
发展重载运输必须解决好轮轨之间的动力作用，努力减轻重载列车与线路的动态作用。
但由于轮轨关系自身的复杂性，目前的研究理论和模型仍然基于一些假设[1]： 1）法向接触满足Hertz 接触条件； 2）轮轨接触副视为弹性半空间；3） 接触表面是理想光滑连续的,而接触表面之间的 “第三介质 ,’ 如水、油和其它污染物的影响被忽略；4) 轮轨接触斑以外边界支撑和约束条件对轮轨接触行为的影响被忽略； 5) 高速轮轨滚动接触时的惯性力被忽略； 6) 不考虑温度的影响。
上述几点假设是不符合实际但是理论的前提。
轮轨关系的主要研究内容为轮轨接触几何的确定和轮轨滚动接触理论的应用。
实际接触参数计算和列解微分方程的过程可简述如下：在某一瞬时位置确定轮轨接触点是关键，之后就可以在确定了接触点的基础上利用几何推导出各个重要的接触几何参数，如左右轮/轨在接触点的接触角L δ、R δ，左右轨在接触点处的钢轨顶面曲率半径RR ρ、RL ρ，左右轮在接触点处的踏面曲率半径WR ρ、WL ρ，左右轮实际滚动半径R r 、L r ，轮轨接触时的侧滚角k θ，轮对中心的上下位移k z ，其中变量为轮对相对轨道的横移量和摇头角w y 、w ψ。
利用已求得的接触参数和Hertz 接触理论公式计算出接触椭圆的长短半轴，从而确定轮轨接触斑。
然后利用接触椭圆的长短半轴长和查表得到的kalker 系数及材料常数计算得到蠕滑系数，之后再通过实际速度和纯滚动速度计算出蠕滑率，将二者带入蠕滑力公式求得蠕滑力。
最后就可以列出含有蠕滑力，悬挂力，惯性力的运动微分方程，利用计算机求解得到位移、速度、加速度和相关模态值。
最初进行轮轨接触几何关系研究并确定接触参数的实用方法有两种：一种是圆弧形截面模型，一种是任意截面模型。
城轨轮轨几何关系及滚动理论
城轨轮轨几何关系及滚动理论轮轨几何关系及滚动理论1 轮轨接触状态和参数当车辆沿轨道运行时，为了避免车轮轮缘与钢轨经常接触和便于车辆通过曲线，左车轮的轮缘外侧距离小于轨距时，因此轮对可以相对与轨道做横向位移和摇头角位移，在不同的横向位移和摇头角位移的条件下，左右轮轨之间的接触点位置不同，于是轮轨之间的接触参数也发生变化，对于车辆运行中的动力学性能影响较大的轮轨参数如下，a、左轮和右轮实际滚动半径，r L 、r R。
当轮对为刚性轮对时，轮对绕中心线转动时，各部分的转速时一样的，车轮滚动半径大，在同样的转角下行走的距离长，同一轮对左右车轮滚动半径差越大，左右车轮滚动时走的距离差就越大。
左右车轮滚动时的走的行的距离就越大，车轮滚动的半径大小也影响轮轨的接触应力，b、左轮和右轮在轮轨接触点的踏面曲率P WL和P WR。
c、左轨和右轨在轮轨接触点处的轨头截面曲率半径P RL和P RR。
轮轨接触点处的曲率半径大小，将会影响轮轨实际接触斑的大小、形状、轮轨之间的接触应力。
d、左轮和右轮在接触点处的接触角?L 和?R，即轮轨接触点的轮轨公切线与轮对中心线间的夹角。
轮轨间的接触角大小影响轮轨间的法向力和切向力在水平方向分量的大小。
e、轮对侧滚角ΦW.轮对侧滚角会引起转向架侧滚和车体侧滚。
f、轮对中心上下z W。
该量的变化会引起转向架和车体垂向位移。
图5-8当轮对相对于轨道只有横向位移而无摇头角位移时，轮轨之间的接触点处于通过轮对中心线的铅垂平面内，但是当轮对相对于轨道有摇头位移时，即使轮轨仍保持踏面一点接触的情况，轮对接触点即不在位于通过轮对中心线的铅垂平面内，此时接触点与铅垂面有一段距离，成为接触点的超前量，车轮沿着钢轨运行时，轮轨接触点不断变化，车轮与钢轨与顶面的接触点是车轮转动的瞬时中心，从宏观来看，轮轨之间似无相对滑动，在有两点接触的情况下，车轮轮缘与钢轨侧面的接触点也不断不发生变化，由于车轮绕瞬时转动中心转动，因此轮缘与钢轨侧面之间在接触点处将会出现相对滑动。
轨道工程常识培训课件(ppt 52页)
◆ 传递荷载，将所承受的车轮 荷载传布于轨枕、道床及路基。
◆ 兼做轨道电路，仅在电气化 铁道或自动闭塞区段。
第二章 钢轨
2.钢轨分类 钢轨的类型，以每米大致质量“kg/m”来表示。 目前，我国铁路的钢轨类型主要有： 75kg/m、60kg/m、50kg/m、43kg/m。 其他还有38kg/m，不常用。
第一章 轨道概述
◆线路的分类
◇按照敷设方式分为： 地下线、地面线、高架线。
◇按照功能分为： 正线、场线、联络线及辅
助线等。
第一章 轨道概述 ◇正线：连接车站并贯穿或伸入车站的线路。是列车运营的线路，一般为双线。
◇场线：设于车辆段或者车场的线路。如：牵出线、检修线、静调线、洗车线等。
◇联络线：车场和正线的连接线，也包括不同正线之间的连接线，试车线与其他场线之间 的连接线。
第三章 扣件
◆ DTⅥ2-4型扣件
该扣件为无挡肩弹性分开式，扣件垂直静刚度为20-40kN/mm，一 组扣件的防爬能力不小于11.5kN，轨距调整量为+8、-12mm，水平调 整量为30mm
第三章 扣件
◆ 弹条Ⅰ型扣件
该扣件为弹性不分开式，A、B型弹条（直径13），轨距挡板分为 中间和接头两种，中间和接头轨距挡板分别有14、20两个号码，接头 处14号挡板采用B型弹条，其余均用A型弹条，扣件轨距调整量为+16、 -8mm。
顶铁
连接杆
第五章 道岔
◇轨撑：
设于基本轨外侧，承受横向力 和防止基本轨产生横向移动。
◇滑床板：
◇承托由尖轨与基本轨传来的 压力，并传递到岔枕上。
◇保证尖轨在滑床台上能正常
轨撑
的左右平滑摆动。
◇滑床平台具有阻止基本轨向 内侧移动的作用。
◆ 兼做轨道电路，仅在电气化 铁道或自动闭塞区段。
第二章 钢轨
2.钢轨分类 钢轨的类型，以每米大致质量“kg/m”来表示。 目前，我国铁路的钢轨类型主要有： 75kg/m、60kg/m、50kg/m、43kg/m。 其他还有38kg/m，不常用。
第一章 轨道概述
◆线路的分类
◇按照敷设方式分为： 地下线、地面线、高架线。
◇按照功能分为： 正线、场线、联络线及辅
助线等。
第一章 轨道概述 ◇正线：连接车站并贯穿或伸入车站的线路。是列车运营的线路，一般为双线。
◇场线：设于车辆段或者车场的线路。如：牵出线、检修线、静调线、洗车线等。
◇联络线：车场和正线的连接线，也包括不同正线之间的连接线，试车线与其他场线之间 的连接线。
第三章 扣件
◆ DTⅥ2-4型扣件
该扣件为无挡肩弹性分开式，扣件垂直静刚度为20-40kN/mm，一 组扣件的防爬能力不小于11.5kN，轨距调整量为+8、-12mm，水平调 整量为30mm
第三章 扣件
◆ 弹条Ⅰ型扣件
该扣件为弹性不分开式，A、B型弹条（直径13），轨距挡板分为 中间和接头两种，中间和接头轨距挡板分别有14、20两个号码，接头 处14号挡板采用B型弹条，其余均用A型弹条，扣件轨距调整量为+16、 -8mm。
顶铁
连接杆
第五章 道岔
◇轨撑：
设于基本轨外侧，承受横向力 和防止基本轨产生横向移动。
◇滑床板：
◇承托由尖轨与基本轨传来的 压力，并传递到岔枕上。
◇保证尖轨在滑床台上能正常
轨撑
的左右平滑摆动。
◇滑床平台具有阻止基本轨向 内侧移动的作用。
动车组轮对及轴箱装置PPT课件
第3页/共19页
动力轮对轴箱装置
非动力车轮对轴箱装置
第4页/共19页
4
CRH1轮对组成
➢ 轮对设计能够承受高的轴荷重； ➢ 实心直盘式轮； ➢ 130 筒式轴承； ➢ 中空钢车轴，依据EN 13104(动车) 和EN
13103 （拖车）； ➢ 动车车轮上安装制动盘，拖车车轴上安装制
动盘； ➢ 国产车轮外形LMA； ➢ 车轮间内侧距离符合我国铁要求（1353mm）。
φ890 mm φ810 mm 135 mm
XP55 φ192 mm 180 mm ≤ 311kg
第14页/共19页
14
车轮（续）
利用ANSYS有限元分析软件，建立新车轮和完全 磨耗到限车轮的有限元模型，三种载荷工况和特 殊载荷进行分析计算，结果表明，整体车轮的静 强度和疲劳强度均满足UIC 510-5的要求。
第5页/共19页
5
动轴轮对组成
1 带有降噪环和制动盘的车轮 2 车轴 3 齿轮箱 4 轴箱 5 轴 箱装置 6 轴箱减振器支架（每隔一个轮对一个）
第6页/共19页
6
拖车轴轮对组成
1 车轮 2 制动盘 3 车轴 4 具有轴箱装置和轴箱减振器支架的轴箱
第7页/共19页
7
车轴
动车车轴
拖车车轴
第8页/共19页
第12页/共19页
12
制动盘
第13页/共19页
13
车轮
整体车轮所用材质为符合UIC标准的R8T； 车轮设计和制造标准执行EN 13262：2003 (铁
路应用-轮对核转向架-车轮-产品要求) 和 UIC 812-2；
新车轮的滚动圆直径 磨耗到限的车轮的滚动圆直径 轮辋宽度 踏面形式 轮毂装配直径 轮毂宽度 整体车轮的最大重量
动力轮对轴箱装置
非动力车轮对轴箱装置
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4
CRH1轮对组成
➢ 轮对设计能够承受高的轴荷重； ➢ 实心直盘式轮； ➢ 130 筒式轴承； ➢ 中空钢车轴，依据EN 13104(动车) 和EN
13103 （拖车）； ➢ 动车车轮上安装制动盘，拖车车轴上安装制
动盘； ➢ 国产车轮外形LMA； ➢ 车轮间内侧距离符合我国铁要求（1353mm）。
φ890 mm φ810 mm 135 mm
XP55 φ192 mm 180 mm ≤ 311kg
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车轮（续）
利用ANSYS有限元分析软件，建立新车轮和完全 磨耗到限车轮的有限元模型，三种载荷工况和特 殊载荷进行分析计算，结果表明，整体车轮的静 强度和疲劳强度均满足UIC 510-5的要求。
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5
动轴轮对组成
1 带有降噪环和制动盘的车轮 2 车轴 3 齿轮箱 4 轴箱 5 轴 箱装置 6 轴箱减振器支架（每隔一个轮对一个）
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拖车轴轮对组成
1 车轮 2 制动盘 3 车轴 4 具有轴箱装置和轴箱减振器支架的轴箱
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车轴
动车车轴
拖车车轴
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制动盘
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车轮
整体车轮所用材质为符合UIC标准的R8T； 车轮设计和制造标准执行EN 13262：2003 (铁
路应用-轮对核转向架-车轮-产品要求) 和 UIC 812-2；
新车轮的滚动圆直径 磨耗到限的车轮的滚动圆直径 轮辋宽度 踏面形式 轮毂装配直径 轮毂宽度 整体车轮的最大重量
定轴轮系 PPT
V8=V7=2 r7n7/60= m Z7n7/60
= 3.14x3x20x0.3125/60 =0.98mm/s =0.00098m/s
移动方向如图所示。
8.2.2 周转轮系传动比的计算
具有一个自由度的周转轮 系称为简单周转轮系，如 下图所示；将具有两个自 由度的周转轮系称为差动 轮系，如下图所示。
混合轮系：既含有定轴轮系又含有周转轮系，或包含 有几个基本周转轮系的复杂轮系。
定轴轮系
周转轮系
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
3
I
1
2
4
2
3
V
5
图 5-1 定轴轮系
3
O3
2
1 2
O2 O3
H O1
图 5-2 周转轮系
2 3
2
5 4
1
3
图 5-3 混合轮系
8.2 轮系传动比的计算
二、平面定轴轮系传动比
传动比大小
从动轮的转向
1、传动比大小
i12
n1 n2
i34
n3 n4
z2 z1
z4 z 3
i23
n 2 n3
z3 z 2
i45
n4 n5
z5 z4
i12i23i34i45n n1 2n n2 3n n3 4n n4 5zz1 2zz2 3zz3 4zz4 5
n2 n2 n3 n3
定轴轮系
8.1 概述
现代机械中，为了满足不同的工作要求只用一对齿 轮传动往往是不够的，通常用一系列齿轮共同传动。 这种由一系列齿轮组成的传动系统称为齿轮系（简称 轮系）。本章主要讨论轮系的类型、传动比计算及轮 系的功用。
一 轮系的类型
= 3.14x3x20x0.3125/60 =0.98mm/s =0.00098m/s
移动方向如图所示。
8.2.2 周转轮系传动比的计算
具有一个自由度的周转轮 系称为简单周转轮系，如 下图所示；将具有两个自 由度的周转轮系称为差动 轮系，如下图所示。
混合轮系：既含有定轴轮系又含有周转轮系，或包含 有几个基本周转轮系的复杂轮系。
定轴轮系
周转轮系
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
3
I
1
2
4
2
3
V
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图 5-1 定轴轮系
3
O3
2
1 2
O2 O3
H O1
图 5-2 周转轮系
2 3
2
5 4
1
3
图 5-3 混合轮系
8.2 轮系传动比的计算
二、平面定轴轮系传动比
传动比大小
从动轮的转向
1、传动比大小
i12
n1 n2
i34
n3 n4
z2 z1
z4 z 3
i23
n 2 n3
z3 z 2
i45
n4 n5
z5 z4
i12i23i34i45n n1 2n n2 3n n3 4n n4 5zz1 2zz2 3zz3 4zz4 5
n2 n2 n3 n3
定轴轮系
8.1 概述
现代机械中，为了满足不同的工作要求只用一对齿 轮传动往往是不够的，通常用一系列齿轮共同传动。 这种由一系列齿轮组成的传动系统称为齿轮系（简称 轮系）。本章主要讨论轮系的类型、传动比计算及轮 系的功用。
一 轮系的类型
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自由轮对蛇形运动原理
❖ 假设自由轮对在微量横移y后，左右轮在轨面上将准静态 地进行纯滚动的几何学运动，由左右接触点处的轮径差
游间的作用
轮轨接触方式
一点接触：踏面接触
两点接触：踏面接触 轮缘接触
轮轨接触几何关系
❖ 轮对与钢轨的接触几何关系与参数是研究轮轨接触力学和车辆动力学 的基础，可用于轮轨外形设计、接触应力分析、蛇形稳定性分析、随 机响应分析和曲线通过分析等
❖ 轮轨相互动力作用引起车辆与轨道系统振动、冲击、疲劳、 伤损的直接根源，也是导致轮轨系统状态破坏和功能丧失 的主要原因
❖ 轨道存在空间线型变化，会引起运动学问题，轨道存在不 平顺，会引起动力学问题
❖ 轮对系统的自动导向功能，车辆走行部偏差引起动力问题
轮对基本特征及参数
❖ 刚性轮对：由左右轮子和车轴固结组成，左右轮的滚动角速度一致 ❖ 车轮与钢轨轨头的接触面称车轮踏面
❖ 使用过程中，轮轨接触范围内容易出现磨耗，引起轮轨关系的变化， 影响动力学性能，严格限制轨头的磨耗，包括轨头侧磨、垂磨、角磨
❖ 城市现代有轨电车共用路权，通常采用钢轨埋入式轨道结构，钢轨多 采用槽形轨，其中槽形轨内槽的宽度是重要限制尺寸
正常钢轨与磨耗钢轨
槽型钢轨
刚性轮对导向原理
❖ 为保证轮对在钢轨上的正常滚动，车轮轮缘与钢轨工作边之间需留有 一定的间隙，称为游间
车轮型式
轮对踏面
❖ 轮对踏面与轨头断面、名义滚动圆直径、轮轨接触位置对车辆动力学 性影响很大
❖ 踏面外形主要尺寸包括轮缘角度、轮缘高度、轮缘厚度、车轮宽度和 踏面斜度等
❖ 轮缘厚、高与轮对通过道岔时的安全性有直接关系，轮缘角一般指轮 缘斜面上的最大角度，与脱轨安全性有较大关系
❖ 对于锥型踏面，踏面斜度λ等于踏面锥度，对于磨耗型踏面，由于各 处踏面斜度不同，需引入轮对在小范围内横动的等效斜度λe来表示
使输入车体的能量减小， 车体振动程度降低
现阶段研究表明，在抑制车体蛇形 运动和提高稳定性方面，磨耗型有
时也能取得良好的效果
在适当运行速度下，与采用锥 形踏面的车轮相比，采用磨耗 型踏面的车轮，其转向架蛇形 运动波长段、频率高，且远离
车体固有振动频率
等效锥度
❖锥形踏面车轮滚动圆附近成斜率为0.1的直线段， 在直线段范围内车轮踏面斜度为常数
轮对踏面
❖ 磨耗型踏面的形成
锥形踏面车轮与钢轨头部的接触面积很小，接触应力很高，车轮运用初 期，局部位置的磨耗很快，使踏面呈现凹陷
当磨耗范围逐渐遍及整个踏面并与轨头轮廓外形相吻合后，接触应力明 显减小，表面又经“冷硬”处理，磨耗减慢，踏面外形相对稳定，此时 踏面形状接近磨耗型踏面
轮对踏面
❖车轮踏面设置要求
❖ 假定轮对和轨道为刚体在横断面作相对运动，轮轨接触面不分离 ❖ 左右钢轨的轨底坡βl，βr ❖ 左右轮踏面上距轮缘内侧T处的圆周就是车轮名义滚动圆半径r0 ❖ 当轮对偏离yw时，车轴中心线与轨顶面间的夹角φw称为轮对侧滚角 ❖ 左右轮实际滚动圆半径分别以rl、rr ❖ 左右轮与钢轨接触的切面与水平面间的夹角为接触角δl，δr ❖ 即使通过小半径曲线，轮对摇头角ψw也很少超过2°，因而对接触几
脱轨安全性 对中性能 运行稳定性（蛇形运动）） 曲线通过性能（曲线通过时横向力小） 可顺利通过道岔 耐磨性，即使磨耗，形状变化也要小
轮对踏面动力性能
曲线通过方面， 磨耗型踏面有利
抑制蛇形运动和 车体振动方面， 锥形踏面有利
车轮横移时，磨耗型踏面 车轮的接触角、滚动半径 差比锥形踏面车轮变化大，
❖ 当独立轮对左右轮子不再共用车轴时被称为独立轮座或独立轮子，其 动力学性能因不同结构有所不同
钢轨基本特征及参数
❖ 轨道的几何尺寸必须与轮对配合，与车辆动力学相关的轨道几何要素 有：轨距、轨头断面、轨底坡、曲线超高、轨距加宽等
❖ 为保证良好的轮轨接触几何关系，钢轨轨头一般做成多段不同曲线相 切的形式
❖当轮对中心离开对中位置移动横移量yw，则左右 车轮的实际滚动圆半径分别为
等效锥度
轮缘设置
❖ 线路上设有道岔引导车辆变道，车轮必须具有轮缘，引导车轮沿道岔 线路方向运行，并产Th横向导
❖ 轮对横向移动量过大时，轮缘可阻止轮对从钢轨顶面脱落形成脱轨 ❖ 在直线段运行时，若轮缘贴靠钢轨侧面则将很快磨薄轮缘，轮缘与轨
侧间必须留有间隙
独立轮对
❖ 独立轮对：与刚性轮对不同，独立轮对的左右轮能分别绕车轴回转， 车轴中部成下凹的“U”形，以实现车体的低地板面，在现代有轨电车 中得到广泛应用
❖ 左右轮可自由旋转，实现差动速度，直线运行时不易发Th蛇行运动， 曲线直接利用左右车轮的速度差实现导向，与刚性轮对有很大差异， 踏面外形和参数的设计有其特殊性
❖ 轮对通过线路中心时，由于存在一定的冲角，势必将使得轮对越过线 路中心偏向另一侧，形成反复的蛇形运动，亦是一种自动导向的机制
比较以下几种方式的导向方式？
柱形踏面 锥形踏面
锥形踏面
自由轮对蛇形运动原理
❖ 轮对偏离轨道中心线，左右轮子踏面与钢轨顶面接触点的 滚动圆半径将产Th差异，在纯滚动条件下，大半径一侧轮 子将绕小半径一侧轮子作水平转动，使轮对返回到线路中 心线，表明锥型踏面的轮对具备横向偏移后的复原能力， 然而复原运动又会使轮对随着车辆前行时产Th左右摆动和 水平转动，形成周期性蛇行运动
第一章 轮轨关系
目录
轮轨关 系概述
轮轨接 触伤损
轮轨接 触几何
轮轨接 触力学
轮轨关系概述
❖ 轮轨关系是车辆—轨道系统的核心，轨道系统需要为钢轮 滚动系统的移动提供导向，并且为车辆的加、减速提供必 要的粘着
❖ 轮轨关系主要包括为导向的轮轨接触几何关系和支撑车辆 重量并提供加、减速条件的轮轨接触力学关系，二者又是 紧密联系在一起的
❖ 通过曲线时，轮对将偏离线路中心向外移动，外侧车轮的滚动圆半径 大于内侧车轮滚动圆半径，从而自动实现轮对通过曲线的自动导向
❖ 直线运动时，若轮对偏离线路中心线，偏离中心一侧的车轮滚动圆半 径将大于名义滚动圆半径，另一侧反之，在相同的角速度情况下，偏 离一侧的车轮将滚过更长的距离，从而使偏离中心的车轮返回中心