独立车轮导向技术研究

论文摘要

随着科学技术和城市化的发展，城市轨道交通已经成为大中城市公共交通的重要组成部分。在各种轨道交通工具中，低地板轻轨车辆由于造价低、上下车方便等因素而被欧洲和我国一些城市所接受，成为城市轨道交通的一种模式。 实现轻轨车辆低地板化的关键是降低车轴的高度，以保证车内通道的贯通，解决该问题的主要措施是采用独立车轮。独立车轮是“独立旋转车轮”的简称，最简单的独立旋转车轮就是将传统的刚性轮对的左右车轮解耦，使它们各自独立地绕车轴旋转。由于车轴不再需要旋转，因而独立车轮轮对的车轴可以做成曲轴形状，甚至取消车轴，以满足低地板车辆的需要。 与传统的刚性轮对相比，独立车轮理论上不存在纵向蠕滑力产生的回转力矩，因而不会产生蛇行运动，对提高稳定性有好处。但是这一优点也同时是它的缺点，因为独立车轮缺少了纵向蠕滑力矩的导向作用，因而降低了轮对的导向能力，大大限制了独立车轮的使用。如何提高独立车轮的导向能力，一直是本领域研究的热点问题之一。本文的目的对独立车轮的各种导向技术进行综合分析，并从以下三个方面来提高独立车轮导向能力。 对于采用被动悬挂的独立车轮转向架，独立车轮的导向能力最终都依赖于重力复原力，而重力复原力取决于左右车轮的接触角差，因此设计具有较大接触角差的踏面是提高独立车轮的导向能力的基本措施之一。论文研究了采用接触角反推法设计独立车轮踏面的技术，介绍了接触角踏面反推法的原理及其实现，并针对不同的独立车轮走行部，提出了独立车轮踏面设计的原则，给出了设计实例。研究表明，接触角曲线踏面反推法对独立车轮的设计非常有效，并且能够实现踏面外形的计算机设计。 对于采用被动悬挂的独立车轮转向架，在使用较大接触角差的踏面基础上，还应该采用具有径向功能的转向架。从原理上讲，具有径向功能的独立车轮转向架可分为两类：迫导向转向架和自调节转向架。迫导向转向架是通过迫导向机构，利用车体与转向架之间的相对转角或者是相邻车体之间的转角，迫使轮对趋向径向位置。论文研究了独立车轮耦合转向架—一种新型的迫导向转向架的导向原理，给出了其实现径向导向的条件，仿真分析了装用独立车轮耦合转向架的低地板轻轨车辆的曲线通过性能和直线复位特性，并设计了其关键部件

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 论文选题背景
• 1.2 导向原理
• 1.2.1 轮轨间的作用力
• 1.2.2 刚性轮对的导向
• 1.2.3 独立车轮轮对的导向
• 1.2.4 独立车轮轮座的导向
• 1.3 独立车轮的研究发展
• 1.3.1 独立车轮的踏面设计
• 1.3.2 独立车轮转向架
• 1.3.3 耦合轮对
• 1.3.4 主动悬挂技术
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 独立车轮的踏面设计
• 2.1 踏面设计的发展
• 2.1.1 踏面的发展
• 2.1.2 踏面设计理论的发展
• 2.1.3 踏面设计的要求
• 2.2 踏面反推法设计理论与实现
• 2.2.1 轮轨接触角踏面反推法理论
• 2.2.2 轮轨接触角反推法的实现
• 2.2.3 踏面反推法的计算机实现
• 2.2.4 反推法设计的影响因素
• 2.3 独立车轮踏面设计实例
• 2.3.1 原型的独立车轮踏面
• 2.3.2 新设计的独立车轮踏面
• 2.3.3 轮轨间隙的影响
• 2.4 踏面反推法的推广应用
• 2.4.1 等效斜率和接触角的关系
• 2.4.2 基于LM踏面的踏面改进
• 2.5 本章小结
• 第3章 独立车轮耦合转向架导向性能研究
• 3.1 独立车轮耦合转向架
• 3.2 独立车轮单轴耦合转向架的曲线通过性能研究
• 3.2.1 曲线通过性能的理论分析
• 3.2.2 曲线通过仿真
• 3.3 独立车轮耦合转向架的直线复位性能研究
• 3.3.1 理论分析
• 3.3.2 仿真分析
• 3.4 耦合机构的结构实现
• 3.4.1 耦合机构
• 3.4.2 耦合机构设计实例
• 3.5 本章小结
• 第4章 自调节独立车轮的导向性能分析
• 4.1 自调节独立车轮的走行部
• 4.1.1 自调节独立车轮的走行部
• 4.1.2 自动调节的独立车轮的导向原理
• 4.1.3 连杆的作用
• 4.3 自调节车轮轮副的运动基本特性
• 4.2.1 走行部的运动方程
• 4.2.2 轮副摇头运动的频率和阻尼比
• 4.3 自调节轮副的车轮踏面设计
• 4.4 曲线通过性能仿真
• 4.4.1 车辆系统的动力学模型
• 4.4.2 仿真结果
• 4.4.3 轮副初始安装不平行度的影响
• 4.5 自调节车轮的主动导向控制
• 4.6 本章小结
• 第5章 独立车轮轮对的主动导向
• 5.1 独立车轮轮对的运动特性分析
• 5.1.1 独立车轮轮对的导向性分析
• 5.1.2 独立车轮轮对的稳定性分析
• 5.1.3 独立车轮轮对的主动导向原理
• 5.2 基于转速差的独立车轮轮对的主动导向
• 5.2.1 导向原理
• 5.2.2 仿真分析
• 5.2.3 控制增益的稳定区域
• 5.3 非线性模型的仿真分析
• 5.3.1 非线性的仿真模型
• 5.3.2 作动器的模型
• 5.3.3 非线性模型的仿真结果
• 5.4 独立车轮轮对的主动导向与稳定性的集成控制
• 5.4.1 稳定性的主动控制方法
• 5.4.2 稳定性与导向的集成控制方法
• 5.4.3 仿真分析
• 5.5 基于遗传算法的控制器参数优化
• 5.5.1 控制的参数优化问题
• 5.5.2 遗传算法简介
• 5.5.3 控制器的参数优化
• 5.5.4 优化结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 轮毂电机独立车轮的主动导向
• 6.1 轮毂电机
• 6.1.1 轮毂电机
• 6.1.2 使用轮毂电机的独立车轮转向架
• 6.2 基于左、右车轮转速差的主动导向
• 6.2.1 基于左、右车轮转速差的导向原理
• 6.2.2 导向性能的仿真分析
• 6.2.3 控制增益对稳定性的影响
• 6.3 与耦合轮对的关系
• 6.3.1 耦合轮对
• 6.3.2 转速主动控制与耦合轮对的关系
• 6.4 非线性模型的仿真分析
• 6.4.1 非线性的仿真模型
• 6.4.2 非线性模型的仿真结果
• 6.5 轮毂电机独立车轮轮对的主动导向与稳定性的集成控制
• 6.5.1 稳定性的主动控制
• 6.5.2 “天棚弹簧”
• 6.5.3 主动导向与稳定性的集成控制
• 6.5.4 仿真分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 本文的主要创新之处
• 7.3 进一步工作的方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 新踏面的外形轮廓坐标值
• 附录B 低地板车辆参数
• 附录C 自调节轮副车辆参数
• 附录D 转向架式独立车轮轮对车辆参数
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果