《车辆系统动力学》教学大纲

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《车辆系统动力学》教学大纲
Primary theories of Vehicle system dynamics
课程编号：
适用专业：铁道机车车辆 课程层次及学位课否：必修课
总学时： 32 学分数：2
执笔者：任尊松 金新灿

一、课程性质和任务
本课程主要面向本科三年级学生开设，其目的是让学生从动力学角度了解、掌握铁道车
辆动力学基本理论和准则。
由于车辆的运行性能主要决定于悬挂装置中诸如弹簧和各种弹簧元件、减振器、弹簧
支承以及各种拉杆、定位装置等的结构型式的选择是否合理，设计参数是否选用恰当；因此，
本课程将围绕采取哪些措施来提高或获得车辆系统优良的动力学性能来讲解。

二、内容简介和学时分配
第一章 概论（2课时）
§1-1 研究内容和目的（20分钟）
§1-2 车辆动力学研究与实践（30分钟）
§1-3 铁路发展趋势（15分钟）
§1-4 我国铁路高速技术发展（20分钟）
§1-5 铁道部技术引进与动车组（15分钟）
重点：铁道车辆动力学研究目的和世界轮轨铁路发展趋势

第二章 世界轮轨高速（2课时）
§2-1 世界轮轨高速铁路（40分钟）
§2-2 高速列车十大关键技术（60分钟）
重点：高速列车的高性能转向架技术、牵引与制动技术、轻量化技术等
难点：自动控制监测与诊断技术

第三章 车辆动力性能与评判标准（2课时）
§3-1 车辆运行安全性及其评估标准（50分钟）
§3-2 车辆运行品质及其评估标准（50分钟）
重点：GB5599-1985中关于脱轨系数、减载率、轮轨横向力等安全性指标和舒适性指标的限
定标准。
难点：脱轨系数、减载率求解公式推导。

第四章 车辆系统动力学结构模型（2课时）
§4-1 车辆系统基本结构（25分钟）
§4-2 车辆系统振动自由度（35分钟）
§4-3 车辆系统数学模型（40分钟）
重点：车辆定距、轴距、车轮名义半径、车轮踏面、轮缘等基本概念和车辆运动自由度定义。

第五章 轮轨踏面设计与接触几何关系（2课时）
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§5-1 轮对结构对车辆系统动力学性能影响（10分钟）
§5-2 车轮踏面认识（20分钟）
§5-3 空间轮轨接触几何关系（40分钟）
§5-4 道岔区轮轨接触几何关系（30分钟）
重点：车辆动力学性能对车轮踏面设计要求。
难点：锥形踏面和磨耗型踏面在轮轨匹配之间的差异。

第六章 轮轨蠕滑与轮轨作用力（2课时）
§6-1 坐标系统及变换关系（40分钟）
1） 四个轮轨坐标系统
2） 设置四个轮轨坐标系统的目的
3） 四个轮轨坐标系统之间的变换关系
§6-2轮轨滚动接触理论（60分钟）
1) 轮轨蠕滑与蠕滑现象；
2) 赫兹接触理论与轮轨蠕滑率定义；
3) 蠕滑系数相关理论（Carter理论、Johnson-Vermeulen理论、Kalker线性理论、Kalker
非线性理论）
4) 轮轨蠕滑力定义与求解方法。
5) 非线性蠕滑力的近似计算
重点：轮轨蠕滑现象与轮轨蠕滑力求解思路
难点：轮轨蠕滑理论

第七章 轴箱定位与中央悬挂（3课时） 本章是本课程的重点内容之一，需要重点讲授，
涉及的内容主要有以下三个方面：
§7-1 轴箱定位型式；
1) 车辆动力学对轴箱定位刚度要求（弹性定位）、定位目的（临界速度、稳定性、曲
线通过以及轮轨磨耗问题）以及制造成本和检修对轴箱定位的要求等；
2) 轴箱悬挂主要部件；
3) 重点介绍目前铁道车辆采用的各种定位型式（干摩擦导柱式、拉板式、橡胶堆式、
转臂式等）以及各自的部件组成、优缺点和应用车型。
§7-2 中央悬挂
1) 重点介绍中央悬挂装置分类以及各自的优缺点；
2) 讲述中央悬挂装置主要部件；
3) 介绍中央悬挂主要的弹簧与减振器及其功能；
4) 比较普通客车、准高速列车和高速列车在轴箱定位（悬挂）和中央悬挂之间的差异，
让学生掌握随着运行速度的提高，列车在轴箱悬挂和中央悬挂方面的变化趋势，并
使其理解高速列车设计中轴箱定位和中央悬挂应采取的合理形式。
§7-3 高速动车组轴箱定位与中央悬挂（涉及铁道部技术引进动车组）
1) 介绍四方高速动车组在轴箱定位和中央悬挂方面的特点；
2) 介绍长客高速动车组在轴箱定位和中央悬挂方面的特点；
3) 介绍青岛BSP高速动车组在轴箱定位和中央悬挂方面的特点；
重点：轴箱定位型式、中央悬挂装置。
难点：普通客车、准高速客车以及高速客车在轴箱定位型式和中央悬挂之间差异。
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第八章 车辆悬挂装置与悬挂力（3课时）
本章是本门课程的另一个重点，主要介绍悬挂装置设计要求、橡胶元件、空气弹簧和减
振器类型，最后简单介绍动力学计算时这些悬挂力如何描述。
§8-1 车辆悬挂装置（45分钟）
1) 以209T转向架为例，介绍转向架垂向力传递顺序
2) 重点讲解悬挂装置种类、作用以及他们对于保证车辆运行的平稳性和安全性具有的
重要意义、悬挂装置设计优选需要考虑的主要因素等。
3) 讲述弹簧装置静挠度确定基本原则、方法和限制条件
§8-2 橡胶元件与空气弹簧（45分钟）
1) 讲述橡胶元件应用目的和状况，橡胶元件优缺点及其特殊性能、设计原则、动静刚
度特性等
2) 讲述空气弹簧的主要功能、铁道车辆采用空气弹簧的优点、空气弹簧刚度决定因素
等内容。
§8-3 减振器（30分钟）
1) 重点讲述减振器元件的作用（作用力总是与运动的方向相反起着阻止振动的作用，
有变机械能为热能的功能，减振性能受减振阻力的方式和数值的影响）
2) 介绍减振器元件的分类（按阻力特性分类和结构分类）
3) 简要介绍液压减振器工作原理、客货车减振器选型原则、以及减振器特性曲线
§8-4 车辆悬挂力（15分钟）
重点：悬挂装置设计优选需要考虑的主要因素、橡胶元件和空气弹簧的优、缺点。

第九章 轨道不平顺（2课时）
本章学习的目的是为了让学生理解，铁道线路存在多种不平顺，这种不平顺在列车运行
时将形成轨道激扰，使得轮轨系统产生振动，从而影响列车运行的安全性和乘坐舒适性。在
车辆设计时必须考虑轨道激扰对列车系统的影响。
§9-1 轨道不平顺形式 （45分钟）
§9-2 轨道随机不平顺描述方式 （25分钟）
§9-3 国内外轨道不平顺功率谱（20分钟）
重点：轨道不平顺形式及描述方式

第十章 车辆运动稳定性与参数优选（2课时）
本章内容主要涉及车辆稳定性概念和悬挂参数对系统动力学性能影响特性。
§10-1 蛇行运动与自激振动
§10-2 自由轮对的蛇行运动
§10-3 系统参数对临界速度的影响

第十一章 货车转向架结构及动力学模型（2课时）
§11-1 货车转向架结构
本节主要介绍转8AG、转8G型、K1 型、转K2、转K6型、转K4 型、转K5 型、转
K3 型等转向架在结构方面共同特点与差异，从动力学角度讲授各型转向架构造与振动原
理。
§11-2 交叉支撑装置
本节重点讲授交叉支撑装置的结构特点、作用以及在车辆运行过程中的受力状态。
§11-3 货车动力学模型建立
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从分析货车主要结构出发，介绍常规货车系统动力学模型建立方法，重点讲授各种弹
簧力、摩擦力、摩擦力矩等力的求解方式。
重点：货车转向架结构及运动原理
难点：货车动力学模型

第十二章 动力学仿真在高速客车转向架设计中的应用（2课时）
§12-1 高速客车转向架设计要求（20分钟）
§12-2 转向架设计中仿真计算种类（50分钟）
§12-3 实际设计中的计算实例（30分钟）
重点：仿真计算种类

第十三章 摆式列车基本（2课时）
§13-1 概述（30分钟）
主要讲述国外目前相对成熟的几种高速摆式列车情况，这些摆式列车主要有瑞典
X2000、法国TGV Atlantique、意大利ETR460 动力分散电动摆式动车组等。
§13-2 摆式列车提速能力（35分钟）
§13-3 摆式动车组关键技术（35分钟）
重点：摆式列车提速能力与关键技术

第十四章 磁悬浮列车（2课时）
§14-1 磁悬浮列车基本概念（20分钟）
§14-2 磁悬浮列车发展概况（20分钟）
§14-3 上海磁悬浮列车（20分钟）
§14-4 磁悬浮列车工作原理（20分钟）
§14-5 磁悬浮列车动力学（20分钟）
1） 轮轨列车动力学模型
2） 磁悬浮列车动力学模型
重点：磁悬浮列车工作原理

三、课程教学安排
本课程采用多媒体方式、以课堂讲授为主。课后有适量作业，其目的是让学生能够从
总体上理解车辆各主要部件和结构对动力学性能的影响特性

四、
课程考核方式

上课出勤占10%，平时作业20%, 期末考试70%。

五、主要参考书
1. 教师自编资料
2. 车辆系统动力学 王福天 中国铁道出版社
3. 车辆-轨道耦合动力学 翟婉明 中国铁道出版社