同等學(xué)力碩士機械工程學(xué)科綜合車輛電子學(xué)復(fù)習(xí)資料

1、第六章機車車輛動力學(xué) 第一節(jié)總論一、機車車輛動力學(xué)及研究對象鐵路運輸是依靠列車在線路上的運行來實現(xiàn)的。 由機車和車輛組成的列車以及鐵道線路是一 個整體系統(tǒng) , 在這個復(fù)雜的系統(tǒng)中 , 它們互相聯(lián)系又互相作用。列車運行時, 系統(tǒng)中各組成構(gòu)件將會產(chǎn)生各種力和位移的動力過程 , 這些力和位移是由于機車車輛與線路的相互作用以及 機車與車輛之間和各連接車輛之間的相互作用所引起的 , 對這些過程進行研究的一門學(xué)科就 是機車車輛動力學(xué) , 也稱車輛動力學(xué)輪軌動力學(xué)。輪軌動力學(xué)是以輪軌系作為研究對象的。實際上, 輪軌系所描述的是兩個獨立物理系統(tǒng)的相互作用系 ,即線路系統(tǒng)和機車車輛系統(tǒng)。 輪和軌作為相互作用系的

2、直接接觸媒介 , 它們在接觸 面上發(fā)生的物理過程及其性狀 , 無論在質(zhì)上還是量上都支配著各獨立系統(tǒng)的運動。剛體動力學(xué)而言 , 單一機車車輛或由若干機車和車輛組成的列車和線路的相互作用 , 可以用 系統(tǒng)的“輸入一傳遞函數(shù) -響應(yīng)輸出” 的模式來描述 ,研究三者的關(guān)系是車輛動力學(xué)的另一個 研究對象。兩個獨立的系統(tǒng)都可以從對方獲得輸人 , 并經(jīng)由自身系統(tǒng)的傳遞函數(shù) , 對輸入產(chǎn)生 響應(yīng)。不同的傳遞函數(shù)對輸人譜有不同的選擇性和靈敏度。1. 車輛動力學(xué) 垂向與橫向動力學(xué)模型。用于研究車輛對各種軌道不平順的響應(yīng)。 橫向穩(wěn)定性模型。用于預(yù)測車輛蛇行運動的特性及臨界速度。 曲線通過模型。用于分析車輛通過曲線時

3、輪對的偏移和輪軌間的作用力，以及檢驗車輪脫軌條件。2. 列車動力學(xué) 縱向動力學(xué)模型。 用用來研究由于列車操縱、 編編組、 制動和各種運行工況下作用在車輛 之間的縱向動力特性。 橫向動力學(xué)模型。 用來分析列車在輪軌作用力、 曲線超高力和離心力以及縱向力分量等綜 合作用下 ， 在橫向平面內(nèi)的穩(wěn)定性。 垂向動力學(xué)模型。主要研究列車中車鉤分離及車體與轉(zhuǎn)向架分離的垂向穩(wěn)定性。三、車輛動力學(xué)性能的主要指標(biāo)1. Sperling 平穩(wěn)性指標(biāo)2. 蛇行運動的穩(wěn)定性在輪軌間蠕滑力的作用下 , 車輛運行到達某一臨界速度時會產(chǎn)生失穩(wěn)的自激振動即蛇行運 動。高速時的蛇行運動動表現(xiàn)為輪對和轉(zhuǎn)向架激烈的橫向振動 , 它威

4、脅到運行安全。為此 要求車輛蛇行運動的臨界速度D遠高于其最高運行速度，以保證有足夠的安全裕量。3. 脫軌的穩(wěn)定性( P535)4. 車輛傾覆穩(wěn)定性 (P535)四、軌道不平順1. 軌道不平順的幾何描述在線路的平直道區(qū)段 ， 鋼鋼軌并不是呈理想的平直狀態(tài) ， 兩根鋼軌在高低和左右方向相對于 理想的平直軌道呈某種波狀變化而產(chǎn)生偏差 ， 這種幾何參數(shù)的偏差就稱為軌道的不平順。軌 道上在沒有車輪載荷作用時所呈現(xiàn)的不平順稱為靜態(tài)不平順。在直線區(qū)段 ， 軌道不平順按下列四種型式進行描述(1) 軌道垂向不平順軌道高低變化是垂直方向的不平順 ， 是指鋼軌表面在同一輪載作用下所形成的沿長度方向的 高低不平。(2

5、) 軌道水平不平順直線上的軌道水平不平順是指左右鋼軌對應(yīng)點的高差所形成的沿位軌長方向的不平順。(3) 軌道方向不平順軌道方向 (橫向 ) 不平順是指左右兩根鋼軌沿長度方向在橫向平面內(nèi)呈現(xiàn)的彎曲不直。(4) 軌距不平順軌距不平順是指左右兩軌的軌距沿軌道長度方向上的偏差 ， 其數(shù)值以實際軌距與名義軌距之 差來表示。2. 軌道不平順類型(1) 周期性軌道不平順在有縫線路上 , 接頭是鋼軌的薄弱環(huán)節(jié)。由于魚尾板的抗彎剛度不足 , 在車輪載荷的作用下 , 接頭處產(chǎn)生較大的彈性下沉。接頭區(qū)由于受到車輪的沖擊載荷而使軌面被打平和壓低, 因此其高低不平順（2）隨隨機性軌道不平順無縫線路上的軌道不平順是里程的隨

6、機函數(shù) , 其波幅和波長都是而是隨機變量。隨機過程需要用統(tǒng)計函數(shù)來描述,而功率譜密度函數(shù) PSD則是表述作為平穩(wěn)隨機過程的軌道 不平順的最重要和最常用的統(tǒng)計函數(shù)。垂向不平順公式（ P537）方向不平順公式（ P537）水平不平順和軌距不平順具有相同的譜密度表達式（P537）（3）軌道局部不平順在線路的特定結(jié)構(gòu)處或偶然地點 （ 如線路的局部病害處 ） 產(chǎn)生的軌道幾何參數(shù)的偏差稱為軌 道局部不平順。五、輪軌接觸關(guān)系的幾個常用參數(shù)1. 車輪踏面斜度和等效斜度錐形踏面車輪在滾動圓附近做成一段斜度為入的直線段 , 在直線段范圍內(nèi)車輪踏面斜度為常 數(shù)。2. 輪對重力剛度當(dāng)輪對自其對中位置向右 （ 或向左

7、） 移動時 , 左右鋼軌給予左右車輪的法向反力就不相同, 法向力的橫向分力在左右車輪上也不相 , 作用于左右車輪上的合成橫向力有使輪對恢復(fù)到原來 對中位置的作用。 橫向復(fù)原力的大小與輪對橫移量及所受的載荷有關(guān)。 復(fù)原力與能對橫移量 之比稱為等效重力剛度 h。3. 輪對重力角剛度當(dāng)輪有搖頭角v時,作用在左右車輪上的軌道橫向力將對輪對產(chǎn)生一個力矩M輪對的搖頭角越大 , 由于其重力作用引起的力矩也越大。這個搖頭力矩與搖頭角之比稱為輪對的搖頭重 力角剛度k。由于重力作用引起的搖頭力矩的方向與輪對搖頭角的方向是一致的時取正故輪 對搖頭重力角剛度為負(fù)剛度。第二節(jié)輪軌滾動接觸理論1. 蠕滑率縱向蠕滑率公式（

8、）橫向蠕滑率公式（）自旋蠕滑率公式（）2. 滑力和蠕滑系數(shù)蠕滑力是由兩個相互接觸的彈性體在其接觸斑內(nèi)的應(yīng)變不同所引起。滑率的大小決定著滑力的數(shù)值 ,且當(dāng)有不同方向、不同數(shù)量的滑率存在時, 其滑力也是不同的。3非線性蠕滑力的近似算法公式（）第三節(jié)車輛的蛇行運動穩(wěn)定性一、蛇行運動及其穩(wěn)定性的概念具有一定形狀踏面的鐵道車輛輪對 , 沿著平直鋼軌滾動時 , 會產(chǎn)生一種振幅有增大趨勢的特 有的運動一一輪對一面橫向移動、一面又繞通過其質(zhì)心的鉛垂軸轉(zhuǎn)動 , 這兩種運動的耦合稱 為輪對蛇行運動。蛇行運動是一種自激振動。車輛蛇行運動的振型中 ,只要有一個振型的幅值在某速度下 ,既不擴大也不衰減 , 呈等同穩(wěn)態(tài)

9、振動 ,而其他振型均呈衰減振動 ,那么這時的速度就稱為車輛蛇行運動的臨界速度。 小于臨界 速度時車輛是穩(wěn)定的 , 大于臨界速度車輛就失穩(wěn)。二、自由輪對的蛇行運動方程（一組公式在 P545 頁）三、輪對彈性定位轉(zhuǎn)向架的蛇行運動方程研究轉(zhuǎn)向架蛇行運動時 , 有六個自由度 , 包括每個輪對的橫擺與搖頭和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的橫擺和 搖頭。作用在轉(zhuǎn)向架上的力包括懸掛力輪軌蠕滑力以及重力（ 角）剛度產(chǎn)生的力 （力矩 ）。通過轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定性的分析 , 可以看出影響車輛蛇行運動穩(wěn)定性的 主要因素有 : 轉(zhuǎn)向架輪對與構(gòu)架 （ 或側(cè)架 ） 之間的定位剛度 , 即轉(zhuǎn)向架一系縱向定位剛度 k, 和橫向定位 剛度 k, 對蛇行運

10、動穩(wěn)定性影響很大提高k、 k, 有利于提高穩(wěn)定性。但過高的k, 、k, 副作用則是惡化了車輛的曲線通過性能。所以在確定定位剛度時 , 要綜合考慮其對穩(wěn)定性和曲線通 過性能的影響。 車輪踏面斜度或等效斜度 ,對穩(wěn)定性影響也很大。一般情況下 ,入越大 ,車輛蛇行運動臨界 速度越低 , 因此適當(dāng)?shù)亟档腿搿?在車體和轉(zhuǎn)向架之間設(shè)置一定的彈性回轉(zhuǎn)約束和阻尼對提高車輛的蛇行運運動穩(wěn)定性是 有利的。 轉(zhuǎn)向架的固定軸距對穩(wěn)定性有一定的影響。一般來說，較大的軸距對提高 Ver是有利的。但轉(zhuǎn)向架過大的固定軸距會使轉(zhuǎn)向架變得笨重 ,所以轉(zhuǎn)向架設(shè)計以結(jié)構(gòu)要求為主要依據(jù) ,不 應(yīng)過分以加大軸距來提高穩(wěn)定性。第四節(jié) 車輛

11、的隨機振動（車輛振動位移 ， 速度， 和加速度的頻率響應(yīng)函數(shù)以及響應(yīng)加速度的頻譜見P551）第五節(jié)車輛的曲線通過具有良好曲線通過性能的車輛 ， 意味著在通過曲線時輪軌間的相互作用力要小， 這就能減輕車輪與鋼軌的磨耗耗 ， 作用在車輛各部件上的力也較小。車輛在曲線上的運行阻力也會隨之 下降，由此減少了機車的牽引力 ，節(jié)約了能耗。對線路來說 ，過大的側(cè)向力將導(dǎo)致軌距變寬、 軌排橫移或鋼軌翻轉(zhuǎn) ，使線路的維修工作量大大增加加 ，甚至危及行車安全 ;此外，線線路的 橫向不平順可能加劇 ， 從而影響車輛的運行平穩(wěn)性 ; 車輪上較大的側(cè)向力與較小的垂向載荷 聯(lián)合作用時 ， 將使車輛的抗脫軌安全性下降。二，

12、線性系統(tǒng)車輛的穩(wěn)態(tài)曲線通過1. 曲線上作用在車輛上的力作用在車輛上的力有三種 :第一，由于假定車輪輪緣不與鋼軌接觸 ，所以輪軌間只作用有蠕滑 力;第二，由于外軌超高不足引起的力 ;第三，由于車輛運動零部件之間具有相對位移 ，引起彈 簧懸掛裝置產(chǎn)生彈性復(fù)原力。2. 運動方程（， 560，561）三，徑向轉(zhuǎn)向架等效彎曲剛度公式（）在曲線上運行時 , 能使輪對軸線處于或接近徑向位置的各種轉(zhuǎn)向架 , 統(tǒng)稱為徑向轉(zhuǎn)向架。對于徑向轉(zhuǎn)向架 , 為了獲得良好的曲線通過性能 , 主要力求減小輪對縱向定位剛度 k（ 即 k）, 但隨之帶來的后果則是降低了蛇行臨界速度。由此徑向轉(zhuǎn)向架可以在減小輪對約束剛度提高曲線通

13、過性能的同時 , 通過調(diào)整輪對之間直接 的約束剛度以提高蛇行運動臨界速度 , 克服一般轉(zhuǎn)向架曲線通過性能和蛇行運動穩(wěn)定性對參 數(shù)要求的矛盾。第六節(jié) 列車運行時的縱向作用力一、緩沖器的特性（ P654）二、列車在穩(wěn)態(tài)運行時的縱向作用力如果機車位于列車的頭部 , 而線路在列車長度范圍內(nèi)無坡度變化 , 則列車在輪周牽引力、 運行 阻力、制動力和慣性力同時作用下的運動方程式為（）三、調(diào)車時車輛沖擊引起的縱向作用力（分析過程在有不少公式）第七節(jié)鐵道車輛動力學(xué)的數(shù)值方法一、數(shù)值方法系統(tǒng)運動方程在時域中的數(shù)值解法廣泛應(yīng)用于機械系統(tǒng)在任意激勵下瞬態(tài)響應(yīng)的計算。 當(dāng)機 車車輛通過諸如道岔這類局部不平順以及通過緩

14、和曲線時, 其響應(yīng)應(yīng)具有瞬態(tài)特性。對于非線性系統(tǒng) , 瞬態(tài)響應(yīng)就必須用數(shù)值解法。數(shù)值積分方法有兩個基本特點 : 一個是它們并不能在任意時間上滿足運動微分方程 , 而而只是在離散的時間間隔上滿足方程 ;二是在每一時間間隔中 , 位移 , 速度和加速度按一定的規(guī)律變化 , 不同的變化規(guī)律相應(yīng)于不同 的數(shù)值方法。、車輛系統(tǒng)中的非線性特征 在以上各節(jié)用的車輛動力學(xué)分析中 , 所取的模型都是用線性方程來描述線性系統(tǒng)。 車輛系統(tǒng)中非線性來源主要有以下三個方面輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性：常用的幾個參數(shù)如踏面等效斜度、重力剛度和重力角剛度, 。2. 蠕滑系數(shù)非線性只有蠕滑率很小時 , 滑系數(shù)才近似地保持不變。

15、實驗證明 , 蠕滑系數(shù)隨著蠕滑率的增大而變小 呈所謂的“軟特性”。3. 車輛懸掛系統(tǒng)的非線性車輛懸掛系統(tǒng)中常見的非線性主要是彈性元件和阻尼元件兩類。彈性元件中 , 常用的鋼質(zhì)螺旋彈簧在簧圈未壓死前其剛度是不變的, 是一種典型的線性彈性元件。而彈性止擋具有間隙的剛度特性 ; 橡膠彈簧和空氣彈簧則呈明顯的“硬特性”。為適 應(yīng)貨車空重車質(zhì)量懸殊而設(shè)計的多級剛度特性的彈簧 , 則具有分段線性的剛度特性。阻尼元件中 , 客車常用的液壓減振器可以近似地認(rèn)為是線性阻尼元件。而具有干摩擦阻尼特 性的貨車摩擦減振器則是很強的非線性阻尼元件。三、車輛動力學(xué)數(shù)值仿真 鐵道車輛系統(tǒng)動力學(xué)的數(shù)值仿真分析軟件采用在先進的

16、計算機硬件和軟件系統(tǒng)的支持下, 在計算機中構(gòu)造虛擬現(xiàn)實環(huán)境 , 通過對車輛系統(tǒng)進行合理抽象 , 建立車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型 , 描述 軌道/車輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的幾何關(guān)系、 運動學(xué)關(guān)系和約束關(guān)系 , 對系統(tǒng)進行運動學(xué)和動力學(xué)數(shù) 值分析 , 從而研究車輛動力學(xué)性能 , 改進車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)。車輛系統(tǒng)動力學(xué)的數(shù)值仿真模型主要由車輛模型型輪軌接觸模型和線路模型三部分。構(gòu)造輪軌接觸模型主要解決三個問題 : 分析輪軌的空間動態(tài)、 幾何接觸狀態(tài) , 計算出所需的輪 軌接觸幾何參數(shù) ; 求解輪軌的法向作用力 ; 分析輪軌接觸斑上的相對運動 , 求解輪軌之間的蠕 滑力。線路模型由線路斷面和軌道不平順兩

17、部分組成。線路斷面數(shù)據(jù)描述線路的宏觀幾何特征 , 包括直線段、坡道、緩和曲線、圓曲線等的長度、 位位置參數(shù)。第八節(jié)車輛動力學(xué)的控制一、動力學(xué)性能的主動和半主動控制轉(zhuǎn)向架上的懸掛系統(tǒng)是決定車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能的關(guān)鍵部件, 它把輪對和車體彈性地連接起來, 承受車輪和車體之間的作用力 , 緩利軌道各向不平順激擾及沖擊載荷 , 衰減車體的振動 , 以保證乘適性和運行安全性。 傳統(tǒng)的由彈性元件和阻尼元件組成的懸掛系統(tǒng)稱為被動懸掛系 統(tǒng)統(tǒng) , 它是通過彈性元件的儲能和阻尼元件的耗能起到緩沖減振作用的。主動系統(tǒng)定義為 : 使系統(tǒng)的輸出控制 （ 例如力 ） 與所測量的狀態(tài)變量之間產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)的作用。它主要由傳感

18、器、信號處理器和控制執(zhí)行器連同外部能源所組成。在被動懸掛中, 能量只能被儲存或損耗變成熱量 , 而在主動系統(tǒng)中可以連續(xù)或間接地利用外部能量 , 使系統(tǒng)實 現(xiàn)其性能控制的功能。二、擺式列車擺式客車的原理是客車車體在通過曲線時相對于軌面向軌道內(nèi)側(cè)傾擺一個角度, 以完全或部分地抵消超高不足角。這樣乘客實際感到的實際超高不足角為（公式）三、半主動懸掛的工作原理（）二、簡答題1. 什么是機車車輛動力學(xué) ?它研究的對象主要有哪幾方面 ?機車車輛動力學(xué)： 研究列車在線路上運行時機車車輛各個構(gòu)件之間、 各節(jié)車輛之間及列車與 線路之間的力、加速度和位移等相互動力作用的學(xué)科，也稱車輛系統(tǒng)動力學(xué)。研究內(nèi)容主要包括運

19、行平穩(wěn)性、 運行穩(wěn)定性、 曲線通過性能以及輪軌系統(tǒng)所特有的輪軌幾何 關(guān)系和輪軌蠕滑關(guān)系等， 通常分為垂向動力學(xué)、 橫向動力學(xué)和縱向動力學(xué)對機車車輛運行性 能進行研究。2. 結(jié)合輪軌的具體特征應(yīng)用 Hertz 理論敘述計算輪軌接觸斑參數(shù)的方法。3. 應(yīng)用 Kalker 線性理論敘述計算蠕滑系數(shù)的過程。4. 怎樣利用“縮減因子法”近似計算非線性蠕滑力 ?5. 在一些基本假定條件下 , 列出自由輪對蛇行運動方程。6. 在一些基本假定條件下 , 列出輪對彈性定位轉(zhuǎn)向架的蛇行運動方程。7. 試論影響車輛蛇行運動穩(wěn)定性的主要因素。（P548）主要因素有 : 轉(zhuǎn)向架輪對與構(gòu)架 （ 或側(cè)架 ） 之間的定位剛度

20、 , 即轉(zhuǎn)向架一系縱向定位剛度k, 和橫向定位剛度 k, 對蛇行運動穩(wěn)定性影響很大提高k、 k, 有利于提高穩(wěn)定性。但過高的 k, 、k, 副作用則是惡化了車輛的曲線通過性能。所以在確定定位剛度時 , 要綜合考慮其對穩(wěn)定性和曲線通 過性能的影響。 車輪踏面斜度或等效斜度 ,對穩(wěn)定性影響也很大。一般情況下 ,入越大 ,車輛蛇行運動臨界 速度越低 , 因此適當(dāng)?shù)亟档腿搿?在車體和轉(zhuǎn)向架之間設(shè)置一定的彈性回轉(zhuǎn)約束和阻尼對提高車輛的蛇行運運動穩(wěn)定性是 有利的。 轉(zhuǎn)向架的固定軸距對穩(wěn)定性有一定的影響。一般來說，較大的軸距對提高 Ver是有利的。但轉(zhuǎn)向架過大的固定軸距會使轉(zhuǎn)向架變得笨重 ,所以轉(zhuǎn)向架設(shè)計以

21、結(jié)構(gòu)要求為主要依據(jù) ,不 應(yīng)過分以加大軸距來提高穩(wěn)定性。8. 怎樣用極限環(huán)法分析非線性車輛系統(tǒng)的蛇行運動穩(wěn)定性 ?9. 利用單自由度模型推導(dǎo)出線性車輛垂向振動的頻率響應(yīng)函數(shù)及響應(yīng)。10. 影響車輛隨機振動響應(yīng)的主要因素及主要應(yīng)對措施有哪些？（ P552表格）11. 車輛系統(tǒng)中的非線性來源有哪些方面 ?（輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性，蠕滑系數(shù)非線性，車輛懸掛系統(tǒng)的非線性）12. 推導(dǎo)作用在輪對上的橫向蠕滑力和力矩計算式。13. 穩(wěn)態(tài)曲線通過中作用在車輛上的力有幾類?如何計算 ?14. 用“半車體模型”列出 7 個自由度穩(wěn)態(tài)曲線通過的運動方程。1 5.假定軌距足夠大 ，蠕滑力導(dǎo)向的條件是什么 ?怎樣計

22、算 ?16. 試分析影響曲線通過性能的主要因素。 （P556 頁）（蠕滑力， 超高不足力， 彈性復(fù)原力）P563 頁下方）17. 說明徑向轉(zhuǎn)向架為什么可以兼顧車輛蛇行運動穩(wěn)定性和曲線通過性能。（18. 對于常規(guī)轉(zhuǎn)向架 ,哪幾個主要參數(shù)對車輛蛇行運動穩(wěn)定性和曲線通過性能的影響是矛盾 的?通常設(shè)計轉(zhuǎn)向架如何處理 ?19. 列車運動時的縱向作用力有哪些 ?當(dāng)列車或成組機車車輛處于運動狀態(tài)時產(chǎn)生于車輛和車輛之間以及機車和車輛之間車 鉤緩沖裝置上的力。 研究列車縱向動力時， 可以把列車看作是一個有阻尼的彈性約束機械系 統(tǒng)。在列車運行中由于機車牽引力和線路縱斷面的變化， 或在制動時列車的縱向運動發(fā)生各 種變化，在車鉤緩沖裝置中產(chǎn)生拉伸力或壓縮力（統(tǒng)稱車鉤力）。 它的大小和方向取決于列 車的運動狀態(tài)，并且同機車或車輛間的相互作用特點有密切關(guān)系。20. 根據(jù)調(diào)車時車輛沖擊過程中動量和能量變化關(guān)系推導(dǎo)恢復(fù)系數(shù)和緩沖器吸收率。21. 試論述車輛系統(tǒng)中非線性來源的三個方面。1. 輪軌接觸幾何關(guān)系的非線性：常用的幾個參數(shù)如踏面等效斜度、重力剛度和重力角剛度。2. 蠕滑系