直接驱动转向架一系悬挂设计研究

史玉杰

【摘 要】在本设计中利用了动力学软件Simpack，建立了一个永磁同步电机直接性驱动转向架车辆的系统动力学模型。通过模式的建立，对直接驱动转向架的一系悬挂的结构进行了定型和数据优化。把一系悬挂的水平定位刚度和非线性临界速度的关系进行了简要的分析，得出横纵定位刚度，分别是10MN/m和6MN/m。结合数据确立了一系悬挂采用了双圈钢弹簧和三角拉杆的结构形式。结合一系悬挂横向跨度小的特点，简要的分析车辆柔和系数，最后得出一系弹簧详细的结构系数。

【关键词】直接驱动转向架 一系悬挂 模型 设计

在对轨道车辆的研究和开发中，提高永磁同步电机直接驱动转向架的性能是一个新课题，在本文的设计中是要取消普通转向架的齿轮装置，让同步电动机代替异步电动机，并且把电机运行转子安装到车轴表面，利用转子和定子的作用，直接驱动轮对。这样设计不仅可以把转向架的结构进行简化，还可以减少磨损，使车辆使用周期的成本投入降低。构架和轮对都是被一系悬挂连接着的，它具有导向、承载、传力和缓和减少冲击的作用，另外它也是车辆动力学的关键因素。结合车辆的实际情况，选择良好的一系悬挂装置，不仅可以保证车辆的动力学性能，还可以帮助转向架结构之间联系更为紧密。

1 结构选型分析和模型的建立

为了保证车辆有着良好的运行性能和安全性，在车辆的轴箱和构架之间设置了一系悬挂系统，在车辆主体和转向架之间设计了二系悬挂系统。这两个系统的设置可以减小悬挂系统的垂直合成刚度，让车辆的总静扰度增加，从而使车辆的平稳性提升，减小车辆对线路的动作力。

1.1 一系悬挂系统选型分析

在本设计中，选用了西门子Syntegra的驱动转向架，这是一台直接驱动转向架，它采用整体式的电机轮对，轮对的内侧进行支撑，组合形成铰接构架等特殊结构，没有设置减震器和抗扭滚干，这中构造十分简单、牢固。

因为轮对对内侧的支撑作用，让一系悬挂安装在电机和车轮之间的横向大小受到了限制。在轴重较大时，要把一系弹簧设计成为对称样式。对于双组一系弹簧的选择是要根据车辆实际情况和参数优化来决定。

1.2 一系悬挂系统模型建立

利用Simpack软件来建立转向架车辆动力学模型，模型建立可以直观观察到轮对内侧支撑、短轴距等转向架特点。在本实验的模型建立中，使用主要参数是：定距12m，轴重14t，轨距1435m等，后期参数的优化都是在此模型基础上进行的，模型的建立可以更直观观察一系悬挂系统所产生的问题，对数据处理也更为方便和科学。

2 参数优化

2.1 确定一系水平定位刚度

车辆行驶的稳定性和曲线通过性能都是由一系水平刚度决定的。通过对车辆非线性临界速度的测量，来选择一系纵、横向定位刚度值，在保证车辆行驶稳定情况下，要尽量选择较小一系悬挂纵、横向定位刚度值，保证转向架曲线通过的性能。假设一系纵向定位刚度为2MN/m，一系横向定位刚度由小变大时，随着一系横向定位刚度的增加，车辆的临界速度增加的幅度越要越小，把动力车的牵引性能考虑进去，变化的趋势也是一样的。在本文中，由于横向定位刚度的取值较大，所以轴箱拉杆不建议使用普通拉杆，要采用横向定位刚度较大的三角结构拉杆。如果想要提高车辆的非线性临界速度，可以在车辆上安装减震器或使用LMa踏板。

2.2 一系弹簧参数的分析

在一系弹簧的设计中，直接驱动一系弹簧和普通驱动转向架的一系弹簧相比，两者之间还是有很大不同。比如弹簧安装在电机和车辆车轮中间，它横向直径受到了很大限制，它也没有安装抗测扭滚装置，并且它的横向跨距也更小，以此轴向刚度一定要满足一定要求。利用Matlab进行弹簧设计编写，并且通过仿真模拟进行试验，在对弹簧尺寸、弹簧指数和强度满足的条件下，对双圈弹簧进行设计。在我国铁路交通中，车辆的抗测滚性能没有完整的标准和制度，为了结合本文实际，方便Simpack系统的运用，车辆抗侧滚性能则是采用了UIC505-5中规定柔度指标来评价。

3 评估车辆动力学性能

利用Simpack系统对上面进行优化处理的数据和车辆动力学行分析，有了以下几个方面的评估。

首先，在本文中通过仿真实验，把车辆的非临界速度提升为147km/h，临界速度高于车辆的最高行驶速度100km/h，它计算出的安全系数是47%。在直线行驶情况下，在美国AAR标准5级轨道的基础上，设置车辆的最高行驶速度为80km/h，在试验中车辆前端平稳指数横向为2.34，垂向指数为2.52，车辆后端平稳横向指数为2.41，垂向指数为2.68，试验中所有的数据都符合动力学性能测定标准。

其次，车辆在仿真模拟中，假设车辆以60km/h和100km/h的速度行驶，在R300和R800、超高120mm和100mm的线路上，车辆的安全指标均是符合铁道动力学性能评估标准。篇幅限制，本文的图表和数据计算就不一一展现了。

4 结语

综上所述，一系悬挂系统的选用和单拉杆结合双圈弹簧结构的设计，转箱拉杆的重要保证是一系悬挂系统的纵向刚度，一系悬挂系统纵向刚度值较大，有利于车辆驱动系统稳定性提升，加强黏着能力，并且保证了车辆的临界速度。纵向和横向刚度是根据弹簧决定，这两个参数是互相关联的，通过建立模型，进行仿真学合理分析优化，让车辆的纵横向刚度和动力学性能都有一定保障。直接驱动转向架一系悬挂运用双侧钢弹簧和三角立杆的方式，不仅能让转向架结构更加紧凑，还可以满足车辆临界速度要求。在对车辆进行非线性临界速度分析时，假设了纵横向刚度值，所得到的垂直刚度都是满足车辆对抗侧滚性能的标准。

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