车轴知识
机车车轴的受力分析原理
机车车轴的受力分析原理
机车车轴的受力分析原理涉及静力学和材料力学的知识。
首先，机车车轴在运行过程中承受来自轮对、轴承、传动装置等部件的各种受力。
在受力分析中，我们通常会考虑以下几个方面：
1. 轴向受力：轴向受力包括来自轮对的牵引力和制动力，以及来自传动装置的推力等。
这些受力会导致车轴产生轴向应力和变形，需要保证车轴材料的强度和刚度足够以承受这些受力。
2. 弯曲受力：当车轴受到侧向力或者车辆经过曲线轨道时，车轴会发生弯曲受力。
这会导致轴上不同截面的受力情况不同，最大弯矩通常出现在车轮所在位置。
通过弯曲受力分析，可以确定车轴的弯曲刚度和强度要求，确保车轴不会发生断裂或者过度变形。
3. 扭转受力：车轴在运行过程中还会发生扭转受力。
扭转受力由于传动装置的传动力矩和侧向力的作用而产生，会导致车轴发生扭转变形和应力，需要保证车轴材料的扭转刚度和强度以承受这些受力。
以上三种受力的分析可以通过静力学的原理和材料力学的理论进行分析。
常用的分析方法包括受力面积法、受力平衡法、应力分布法等。
采用这些方法可以得到
车轴不同截面上的受力情况，并通过比较这些受力与车轴材料的强度和刚度要求来确定车轴设计的合理性。
同时，还需要考虑到车轴的使用寿命、负荷集中、疲劳断裂等因素，以确保车轴的安全可靠性。
动车组轮对及轴箱装置知识分享
踏面形状：LMA
轮缘宽度：135mm
车轴轴承 润滑脂润滑
轴承直径：130mm
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CRH2 车轴
动车转向架的轮轴
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CRH2 车轴（续）
拖车转向架的轮轴
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车轴强度计算与校核
19
车轴强度计算与校核（续）
20
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；
由于动力轴的空间有限，因此，动力轴上未 安装轴盘式制动盘；
拖车转向架上，两车轴均为非动力轴。
15
CRH2 车轴
名称
规格
轴重 定员轴重（M车14T，T车12.5t）最高速度250km/h
150%乘车（M车15T，T车13.5t）最高速度200km/h
200%乘车（M车16T，T车14.5t）
一
制动盘设计条件为250km/h
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
230
160 润滑脂
轴承用表面淬火钢（或同等品）
SUJ2（或同等品），具有真空溶解材质或同等性能
137.2（14t） 19.6（2t）
156.8（16t）
250
200
1608（平均轮径）
1286（平均轮径）
动车组轮对及轴箱装置
• 车轮 • 车轴 • 制动盘 • 齿轮箱 • 轴箱装置
1
动力轮对轴箱装置
非动力车轮对轴箱装置
2
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
传动轴基本知识
传动轴基本知识(图)一、传动轴总成简介传动轴总成图传动轴，英文PROPELLER（DRIVING）SHAFT。
在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力。
传动轴按其重要部件万向节的不同，可有不同的分类。
如果按万向节在扭转的方向是否有明显的弹性可分为刚性万向节传动轴和挠性万向节传动轴。
前者是靠零件的铰链式联接传递动力的，后者则靠弹性零件传递动力，并具有缓冲减振作用。
刚性万向节又可分为不等速万向节（如十字轴式万向节）、准等速万向节（如双联式万向节、三销轴式万向节）和等速万向节（如球笼式万向节、球叉式万向节）。
等速与不等速，是指从动轴在随着主动轴转动时，两者的转动角速率是否相等而言的，当然，主动轴和从动轴的平均转速是相等的。
主、从动轴的角速度在两轴之间的夹角变动时仍然相等的万向节，称为等速万向节或等角速万向节。
它们主要用于转向驱动桥、断开式驱动桥等的车轮传动装置中，主要用于轿车中的动力传递。
当轿车为后轮驱动时，常采用十字轴式万向节传动轴，对部分高档轿车，也有采用等速球头的；当轿车为前轮驱动时，则常采用等速万向节，等速万向节也是一种传动轴，只是称谓不同而已。
在发动机前置后轮驱动（或全轮驱动）的汽车上，由于汽车在运动过程中悬架变形，驱动轴主减速器输入轴与变速器（或分动箱）输出轴间经常有相对运动，此外，为有效避开某些机构或装置（无法实现直线传递），必须有一种装置来实现动力的正常传递，于是就出现了万向节传动。
万向节传动必须具备以下特点：a、保证所连接两轴的相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力；b、保证所连接两轴能均匀运转。
由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内；c、传动效率要高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易。
对汽车而言，由于一个十字轴万向节的输出轴相对于输入轴（有一定的夹角）是不等速旋转的，为此必须采用双万向节（或多万向节）传动，并把同传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面，且使两万向节的夹角相等。
轮对
并且其直径尺寸符合规定限度者允许使用。
掌握知识一：车轴的损伤及检修
一、裂纹部位原因及处理
9、客车纵裂纹和纵发纹的处理 （2）在役车轴 ①、最高运行速度不大于160 km/h的轮对 b、轴颈、防尘板座及轮座上存在长度小于25 mm，且各 部位均不超过5条，或同一断面不超过3条的纵向发纹时， 可不处理（对其长度不超过4 mm的纵向发纹可不计算在
c、轴颈：单个发纹的长度不大于25 mm或长度为2一25 mm的纵向发纹在整个轴颈表面上不得多于5条。
掌握知识一：车轴的损伤及检修
一、裂纹部位原因及处理
9、客车纵裂纹和纵发纹的处理 （1）新制车轴 d、轴身：单个发纹的长度不大于30 mm或长度为5一30 mm的发纹在2 500 mm² 的矩形面积内不得多于15条。 e、上述部位在同一断面上的发纹不得超过3条。 f、车轴各圆弧处不得存在发纹。 g、在车轴同一纵向直线上，5 mm以上的非连续发纹， 其总长度不大于50 mm。
mm的3870mm2的矩形面积内不得多于10条。
掌握知识一：车轴的损伤及检修
一、裂纹部位原因及处理
9、客车纵裂纹和纵发纹的处理 （1）新制车轴 b、轮座处30 mm惯性疲劳裂纹发生区：单个发纹长 度不大于5 mm或长度为2一5 mm的发纹，在长边不
大于152 mm的3870mm² 的矩形面积内不得多于10条。
一、裂纹部位原因及处理
9、客车纵裂纹和纵发纹的处理 （1）新制车轴 ①新制车轴的各部位均不得存在纵向裂纹 ②纵向发纹允许存在的限度： a、防尘板座及轮座处（不包括由轮座后肩向轴端方向测 量的30 mm内惯性疲劳裂纹发生区）；单个发纹长度不大 于10 mm或长度为2一10 mm的发纹，在长边不大于152
掌握知识一：车轴的损伤及检修
挂车车轴总成基本参数系列
挂车车轴总成基本参数系列
挂车车轴总成是挂车的重要组成部分，其基本参数系列包括轴
承类型、轴承数量、制动方式、轮毂孔数、轮毂孔径、制动鼓孔数、制动鼓直径、轮毂PCD、轮胎规格等。
首先，轴承类型可以分为滚
子轴承和滑动轴承两种，滚子轴承具有承载能力大、使用寿命长的
特点，而滑动轴承则具有结构简单、维护方便的优点。
其次，轴承
数量通常表现为单轴、双轴或多轴，不同的轴承数量会影响到挂车
的承载能力和稳定性。
再者，制动方式通常有鼓式制动和盘式制动
两种，鼓式制动结构简单、成本较低，而盘式制动制动性能好、散
热快。
此外，轮毂孔数和孔径决定了轮毂与车轮的连接方式和稳定性，制动鼓孔数和直径则与制动性能和散热有关。
最后，轮毂PCD
是指轮毂螺栓的间距，不同的挂车车轴总成会有不同的PCD数值，
轮胎规格则决定了挂车的使用场景和承载能力。
总的来说，挂车车轴总成的基本参数系列涵盖了轴承类型、数量、制动方式、轮毂孔数、孔径、制动鼓孔数、直径、轮毂PCD、
轮胎规格等多个方面，这些参数直接影响着挂车的使用性能和安全
性能。
因此，在选择挂车车轴总成时，需要根据实际使用需求和环
境来综合考虑这些参数，以确保挂车的稳定性、安全性和适用性。
我国动车组车轮和车轴技术综述(上)
2021年4月（总第414期）·38·研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS第49卷Vol.49第4期No.4铁道技术监督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2020-07-05基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司基金（2019YJ101）作者简介：张澎湃，副研究员；张关震，副研究员；吴毅，副研究员；张弘，研究员；张斌，研究员我国动车组车轮和车轴技术综述（上）张澎湃，张关震，吴毅，张弘，张斌（中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京100081）摘要：介绍国内CRH1，CRH2，CRH3，CRH5，CR300AF/BF ，CR400AF/BF 既有动车组车轮、车轴材料性能，分析国内既有各型动车组车轮和车轴在结构形状、尺寸和制动方式等方面差异。
对比分析结果表明，既有动车组车轮和车轴，无论是进口产品还是自主研发产品，其成分体系、材料微观组织结构、力学性能等，均为中碳钢材料，具备有条件下互换的可行性。
关键词：动车组；车轮；车轴；材料；结构；综述中图分类号：U260.331.1文献标识码：C文章编号：1006-9178（2021）04-0038-04Abstract ：The material properties of wheels and axles of CRH1,CRH2,CRH3,CRH5,CR300AF/BF and CR400AF/BF existing EMU/DMUs in China are introduced and the differences in structural shape,size and braking mode of wheels and axles of various existing EMU/DMUs in China are analyzed.The comparative analysis results show that the components,material microstructure,mechanical properties of the existing EMU/DMU wheels and axles,whetherimported or self-developed,are all medium carbon steel,which is feasible for interchange under certain conditions.Keywords ：EMU/DMU;Wheel;Axle;Material;Structure;Overview0引言动车组是高效运输工具，以其灵活、方便、快捷、安全、可靠、舒适的特点，备受世界各国青睐。
轴承基本知识分享
但多数滚动轴承不宜承受强大的冲击与振动，运转时有振动和噪声，轴承座结 构亦较复杂。 复习题：1. 滚动轴承的基本结构由哪几种零件组成？
第二节 滚动轴承的分类 2.1 滚动轴承的分类
滚动轴承的分类方法很多，本书主要介绍几种常见的分类方法。 1.轴承按其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同分类 （1）向心轴承 向心轴承包括径向接触轴承和向心角接触轴承
此类轴承广泛应用于汽车、拖拉机、机床、水泵、农业机械、纺织机械等。 其产量占轴承总产量的60%—70%，使用最普遍而且价格最便宜的一类轴承。
主要结构形式： （1）基本型深沟球轴承60000型（俗称：开式）
对安装、密封、配合无特殊要求的部件，均可采用此种结构。 （2）带防尘盖深沟球轴承
带单面防尘盖（后置代号为Z）和带双面防尘盖（后置代号为2Z）的深沟球轴承，采用 08或10钢制防尘盖，与内圈挡边之间存在径向间隙，极限转速与基本型深沟球轴承相同。 轴承装配时填入了适量的润滑剂，在安装使用时不用清洗和添加润滑剂。 （3）带密封圈深沟球轴承
圆锥滚子轴承 调心滚子轴承
推力圆锥滚子轴承 推力调心滚子轴承
2.2 深沟球轴承的性能 深沟球轴承结构简单，使用方便，是生产批量最大、应用范围最广的一类
轴承。主要用以承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙 加大时，具有角接触球轴承的功能，可承受较大的轴向载荷。
与尺寸相同的其它类型轴承比较，此类轴承磨擦系数小，极限转速高。在 转速较高不宜采用推力球轴承的情况下可用该类轴承承受纯轴向载荷。
（1）单列轴承——具有一列滚动体的轴承；
（2）双列轴承——具有二列滚动体的轴承；
（3）多列轴承——具有多于两列滚动体的轴承。如：三列、四列轴承。
轴的基础知识教案
轴的基础知识教学要求教学目的：了解轴的功用、分类、材料；轴的结构设计教学重点：轴的结构设计要求教学难点：轴的结构设计一、概述1.轴的用途及分类轴的功用主要是支承回转零件，并传递运动和动力。
根据轴所起的作用以及承受载荷性质的不同，可分为三大类。
（1）心轴心轴按其是否转动可分为转动心轴和固定心轴。
图11-1a所示的车轴为转动心轴；（2）转轴单级齿轮减速器中电动机的输出轴、减速器的输入轴和输出轴都是转轴。
（3）传动轴汽车变速箱与后桥之间的轴。
轴还可按结构形状的不同分为直轴和曲轴；光轴和阶梯轴；实心轴和空心轴等。
另外，还有一种轴线能按使用要求随意变化的轴，称软轴或挠性轴。
2.轴的材料轴的材料选择是保证强度的条件之一，选用的材料有碳钢和合金。
钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的直接有圆钢。
二、轴的结构设计1.拟定轴上零件的装配预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系，决定轴的基本形式。
2.零件在轴上的固定轴上零件的固定轴上零件的固定分轴向固定和周向固定。
1）轴上零件的轴向固定，常用的轴向固定方法有以下几种：轴肩和轴环、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等。
2）轴上零件的轴向固定，常用的轴向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。
3.各轴段直径和长度的确定4.提高轴的强度和刚度的措施1）合理布置轴上零件以减少轴的载荷2）改进轴上零件的结构以减小轴的载荷3）改进轴的结构以减小应力集中的影响4）改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度5.轴的结构工艺性1）为了减少应力集中，轴径变化尽可能小，阶梯轴相邻两轴段直径相差不应过大，一般在5～10ram。
2）轴上截面尺寸变化的位置应有倒角或过渡圆角，过渡圆角半径应尽可能大些，当轴上有多处倒角或过渡圆角时，尽可能选同样的倒角或圆角半径，以减少刀具规格和换刀次数。
3）轴上有多个键槽时，应尽可能将其安排在同一直线上，避免多次装夹。
4）轴上需切制螺纹或磨削时，要留有退刀槽和越程槽。
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车轴知识
车轴是机车车辆承受动载荷的关键零件，受力状态复杂，它主要承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷，并可能受到一定冲击。
所以，轴在工作中可因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，但疲劳断裂是轴的普遍断裂形式。
因此，对车轴钢材而言，主要是保证其良好的强度，特别是弯扭复合疲劳强度及韧性。
为了防止其轴颈部位的迅速磨损，还应具备一定的表面硬度。
车轴的强度、韧性等性能要求须通过车轴钢材成分和热处理两方面来保证，与此同时，对钢材的冶金质量、淬透性要求等还须提出附加要求。
以下仅就高速铁路用车轴材质的优化选择加以论述。
车轴钢材成分
车轴钢材成分对性能的保证包括两方面涵义，一方面指合金化问题，另方面指含碳量高低的选择。
车轴钢材的含碳量
“碳”是钢中必不可少的元素，也是影响钢材性能的重要元素。
然而加碳虽然强化作用很高，但却显著降低韧性。
轴类零件一般选择中碳钢。
为了提高铁路行车安全性，应降低车轴钢的含碳量，在降碳的同时，可通过微合金化及热处理来提高车轴强度。
40～45钢车轴使用历史悠久，是国际上使用较多的钢种。
由于其强度偏低，耐磨性差，疲劳裂纹萌生门槛值较低，使用寿命较短。
但40～45钢韧脆转变温度低，加工性能好，成本低，如果能采用先进的冶炼、锻造技术和热处理工艺，在保持韧性前提下提高强度，其裂纹率很可能有所下降，使用寿命将会相对延长。
长期以来，我国的机车车辆均采用优质碳素钢车轴，国外由于各国的国情不同，技术观点不同，选用的车轴材料不尽相同。
依据各国车轴标准不同，车轴材料一般分为两大类，即碳素钢车轴及合金钢车轴。
但都属于低碳钢范畴。
碳素钢车轴钢材的含碳量一般选择0.30～0.45%，加入合金元素，可适当降碳。
车轴钢材的合金元素
依据车轴钢材的使用性能，要求车轴钢具有较高的强度和韧性，即良好的综合性能。
因此，车轴钢合金化的目的就是添加合金元素达到强韧化目的。
钢材的韧化，意味着不发生脆化。
依据一般的强化机构，除细晶强化外，一般均会发生脆化，即脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降。
对于大截面钢件，Mo是使其晶粒细化，提高综合性能的首选元素。
Cr能够增加钢的淬透性，促使淬火及回火后工件整个截面上获得较均匀的组织。
Ni是提高钢材韧性最有效的合金元素。
它韧化的机理是使材料基体本身在低温下易于交叉滑移，从而提高韧性。
所以，不论对何种组织，加入Ni均可提高韧性。
多种合金元素的复合加入，反映在性能上，则由单一性能到优良的综合机械性能，从而可以满足车轴在不同受荷状态的需要。
因此，Cr、Ni、Mo等合金元素是车轴钢合金化的主要元素。
选材时还必须考虑经济性，包括材料成本的高低，供应是否充分，加工工艺过程是否复杂。
由于Ni、Mo的价格昂贵，使材料的成本增加。
综合性能、资源和成本等多种因素，车轴钢成分设计中，在满足设计要求的组织和性能前提下，应控制Ni、Mo的含量。
车轴钢的冶金质量
车轴要求钢材具有良好的疲劳强度，钢材中的宏观和微观缺陷将造成应力集中，而且本身常常就是裂纹源，因而，车轴钢材的冶金质量就显得十分重要。
为此，国外已开始较普遍地采用钢包脱气、真空冶炼等精炼方法生产车轴用钢。
精炼钢的疲劳强度和冲击性能都得到
大大提高。
车轴钢要求良好的强韧性配合，必须严格控制钢中硫、磷等杂质元素。
硫在钢中一般以MnS夹杂物形式存在，压力加工后沿轧制方向呈条状分布，使材料的各项异性增大。
磷对钢的韧性，尤其是低温韧性影响较大，金属断裂是一个裂纹萌生和扩展的过程。
根据裂纹形核与扩展机理，夹杂物往往是钢在受力后的裂纹源与扩展路径。
研究表明，钢中夹杂物或其产生的孔洞相当于微小缺口，在交变载荷作用下会产生应力集中，使材料在较低的应力水平下也会引起交变滑移和微裂纹形核，成为疲劳裂纹萌生的裂纹源，从而降低疲劳强度。
除疲劳性能外，断裂韧性，冷脆倾向等同样受钢中夹杂物含量的影响。
因而，提高钢的冶金质量，严格控制钢中硫、磷等杂质元素，可显著改善与冶金质量敏感的力学性能指标。
此外，成份偏析是钢，特别是较大截面钢件中普遍存在的现象。
钢的偏析包括化学成分和非金属夹杂物的不均匀分布。
钢中硫、磷等元素含量偏高，均导致成分不均匀分布倾向增大。
通常，非金属夹杂物含量越少，钢的淬透性越高。
车轴钢冶炼时必须充分脱气，防止形成层化，即氢引起的裂缝。
因此，车轴钢的冶炼质量至关重要。
钢的纯度、非金属夹杂物的形态和分布、氢含量均须严格控制。
车轴钢强化技术
车轴用碳素钢强化技术
采用低碳钢车轴表面感应淬火是提高其疲劳寿命最为经济而有效的方法。
日本对此进行了详细的试验研究，并成功地运用在高速铁路上。
为提高车轴疲劳强度，高速铁路车轴采用S38C碳素钢经调质处理后，再沿车轴纵向进行表面感应加热淬火。
在淬硬层内获得非常细的马氏体组织，使表面强度显著提高，同时产生压缩残余应力。
表层的硬化就可以提高车轴的耐磨性和抗冲击性；通过产生的压缩残余应力，更能提高车轴的疲劳强度。
试验结果表面，淬硬层越深，疲劳强度愈大。
高频淬火是利用钢铁材料等磁性体涡流的集肤效应进行淬火的方法。
在要进行高频淬火的工件上缠绕线圈，一旦接通高频交流电流，工件就会产生感应电流（涡流），这个涡流只流过工件的表面层，通过线圈的交流电频率越高，就越能在工件的表层集中。
表层的涡流由于工件的热阻而发热，一般工件可加热到900℃左右。
然后向加热部分喷水冷却。
这样的高频淬火工艺有两个特征：1）可以只加热零件的表层再进行淬火；2）可以在限定的零件局部进行淬火。
车轴高频淬火方式可有两种。
一种是边移动线圈边加热车轴的所谓移动淬火部分，一种是固定线圈，只按固定状态进行加热的固定淬火部分。
假如要对车轴全长淬火，就必须进行移动淬火。
那么从轮座外轮毂端直到轴颈部的车轴直径变化较大的部分，移动淬火就会比较困难，可采用固定淬火。
淬火指的是使金属组织实施50%以上的马氏体相变，车轴的表层100%变成马氏体组织。
在高频淬火后，为了使金属组织稳定，并具有韧性，需要进行回火。
一般回火温度越高，则韧性越好，但同时硬度降低，残余应力也会降低。
高频淬火车轴一般重视由压缩残余应力所决定的疲劳强度，通常进行低温回火。
日本的车轴高频淬火技术已日益成熟，其频率选择在10KHz左右，回火温度选择200℃～230℃，淬硬层可达10mm。
表层可得到致密的马氏体组织，使硬度升高到600HV。
距表层10mm的位置组织为铁素体+珠光体，硬度达200HV。
车轴高频淬火强化技术在我国尚未使用，还有待进一步试验、研究。
车轴用合金钢强化技术
依据欧洲标准，高速铁路采用合金钢车轴，常选用25CrMo4、30CrNi3、30CrMoA等材质。
其强化技术采用车轴调质处理后，轮座部位喷钼，其余部位采用滚压表面强化。
由于喷
涂层与基体结合强度较小，滚压强化层较浅，对车轴的材质、喷涂及滚压工艺要求较高，成本亦较高。
国内的车轴通常采用调质处理（或正火处理）后滚压强化处理。
但其强化层较浅，硬度较低，对疲劳强度和耐磨性的改善十分有限。
车轴钢材的优化选择及其强化技术的展望
①通过试验，提供我国高速铁路用车轴钢材的弯曲疲劳和接触疲劳极限数据，以更好地指导车轴钢材的优化选择。
②为了提高铁路行车安全性，应降低车轴钢的含碳量，在降碳的同时，可通过微合金化及热处理来提高车轴强度。
③综合考虑性能、资源和成本等多种因素，车轴钢成分设计中，在满足设计要求的组织和性能前提下，应控制Ni、Mo等合金元素的含量。
④车轴钢材的冶金质量十分重要。
车轴钢冶炼时钢的纯度、非金属夹杂物的形态和分布、氢含量均须严格控制
⑤选择高速铁路用车轴钢材时，除了需要保证原材料具有良好的性能外，还要选择合适的热处理工艺，以确保车轴的机械强度性能和小的热处理变形。
⑥进一步研究高速铁路用车轴的强化技术，确保车轴良好的强度和韧性综合性能，这是提高我国高速铁路用车轴的承载能力和疲劳寿命的技术方向。
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