100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能：模型、影響因素與優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進程的不斷加速，城市人口數(shù)量持續(xù)增長，城市交通擁堵問題日益嚴(yán)峻。交通擁堵不僅降低了城市的交通效率，導(dǎo)致居民出行時間大幅增加，還使得汽車在低速行駛狀態(tài)下造成了石油的浪費和廢氣排放的顯著增多，對城市環(huán)境和居民生活產(chǎn)生了諸多負(fù)面影響。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在一些特大城市，居民在高峰時段的通勤時間常常超過1小時，甚至更長，這嚴(yán)重降低了居民的生活便捷度和幸福感。同時，交通擁堵還導(dǎo)致了物流運輸成本的上升，對城市經(jīng)濟的高效運行產(chǎn)生了不利影響。為了有效緩解城市交通擁堵問題，眾多城市積極探索和發(fā)展多種公共交通方式。其中，100%低地板輕軌車輛以其獨特的優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注和青睞。100%低地板輕軌車輛的地板高度通常在350mm左右，入口處更低，一般為320mm。這種低地板設(shè)計極大地方便了乘客的上下車，尤其是兒童、坐輪椅的殘疾人等特殊群體，他們可以更加輕松、便捷地進出車廂。同時，低地板設(shè)計還使得乘客在車內(nèi)的移動更加方便，能夠有效減少上下車的時間，提高了運營效率。此外，100%低地板輕軌車輛還具有節(jié)能環(huán)保、噪聲低、乘坐舒適等優(yōu)點，符合現(xiàn)代城市綠色交通發(fā)展的理念。在國外，100%低地板輕軌車輛已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。例如，歐洲許多城市如德國的柏林、法國的巴黎、瑞士的蘇黎世等，都擁有完善的100%低地板輕軌交通網(wǎng)絡(luò)，為居民的出行提供了高效、便捷的服務(wù)。在亞洲，日本的富山、韓國的首爾等城市也積極推廣和應(yīng)用100%低地板輕軌車輛，取得了良好的效果。相比之下，我國在100%低地板輕軌車輛的研究和應(yīng)用方面起步相對較晚，但近年來隨著城市交通需求的不斷增長，越來越多的城市開始重視并規(guī)劃引入100%低地板輕軌交通系統(tǒng)。目前，北京、上海、廣州、深圳等城市已經(jīng)開展了相關(guān)的研究和試點工作，并且取得了一定的成果。對100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能進行深入研究具有重要的意義。從車輛設(shè)計與制造的角度來看，通過研究動力學(xué)性能，可以深入了解車輛在不同運行工況下的受力情況和運動規(guī)律，從而為車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計、懸掛系統(tǒng)設(shè)計、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計等提供科學(xué)依據(jù)。例如，在車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，根據(jù)動力學(xué)性能研究結(jié)果，可以優(yōu)化車體的結(jié)構(gòu)強度和剛度，確保車輛在運行過程中的安全性和可靠性；在懸掛系統(tǒng)設(shè)計方面，可以合理選擇懸掛參數(shù)，提高車輛的運行平穩(wěn)性和舒適性；在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計方面，可以改進轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計，提高車輛的曲線通過性能和操縱穩(wěn)定性。通過對動力學(xué)性能的研究，還可以為車輛的輕量化設(shè)計提供指導(dǎo)，降低車輛的自重，提高能源利用效率。從車輛性能提升與優(yōu)化的角度而言，研究動力學(xué)性能有助于發(fā)現(xiàn)車輛在運行過程中存在的問題和不足，進而有針對性地進行改進和優(yōu)化。例如，通過對車輛運行平穩(wěn)性和舒適性的研究，可以分析影響乘客乘坐體驗的因素，如振動、噪聲等，并采取相應(yīng)的措施加以改善，如優(yōu)化懸掛系統(tǒng)、采用隔音材料等；通過對車輛曲線通過性能的研究，可以分析車輛在通過曲線時的輪軌相互作用情況，優(yōu)化轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，降低輪軌磨耗，提高車輛的運行安全性和可靠性；通過對車輛穩(wěn)定性的研究，可以分析車輛在高速運行或受到外界干擾時的穩(wěn)定性，采取相應(yīng)的控制策略，確保車輛的安全運行。從城市交通系統(tǒng)發(fā)展的角度出發(fā)，100%低地板輕軌車輛作為城市公共交通的重要組成部分，其動力學(xué)性能的優(yōu)劣直接影響到整個城市交通系統(tǒng)的運行效率和服務(wù)質(zhì)量。如果100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能良好，能夠高效、穩(wěn)定、舒適地運行，就可以吸引更多的居民選擇輕軌出行，從而有效緩解城市交通擁堵，減少私人汽車的使用，降低能源消耗和環(huán)境污染，促進城市交通的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對于100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的研究起步較早，取得了較為豐富的成果。在車輛動力學(xué)模型建立方面，國外學(xué)者采用多體動力學(xué)理論，綜合考慮車輛的車體、轉(zhuǎn)向架、懸掛系統(tǒng)、輪軌關(guān)系等多個部件的相互作用，建立了高精度的動力學(xué)模型。例如，德國的一些研究機構(gòu)利用多體動力學(xué)軟件，對100%低地板輕軌車輛的整車動力學(xué)性能進行了深入研究，分析了車輛在不同運行工況下的運動特性和受力情況。在車輛運行平穩(wěn)性研究方面，國外學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究等多種方法，對影響車輛運行平穩(wěn)性的因素進行了全面探討。他們研究了懸掛系統(tǒng)參數(shù)對車輛振動的影響，提出了優(yōu)化懸掛系統(tǒng)參數(shù)的方法，以提高車輛的運行平穩(wěn)性。同時，還對車輛的軌道不平順激勵進行了研究，分析了不同軌道不平順類型對車輛運行平穩(wěn)性的影響程度，并提出了相應(yīng)的控制措施。在車輛曲線通過性能研究方面，國外學(xué)者重點關(guān)注了車輛在通過曲線時的輪軌相互作用問題。他們通過建立輪軌接觸模型，分析了車輛在曲線通過時的輪軌力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等參數(shù)的變化規(guī)律，研究了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)參數(shù)對曲線通過性能的影響，提出了改進轉(zhuǎn)向架設(shè)計的方法，以提高車輛的曲線通過性能和安全性。在車輛穩(wěn)定性研究方面，國外學(xué)者主要研究了車輛在高速運行或受到外界干擾時的穩(wěn)定性問題。他們通過理論分析和數(shù)值模擬，分析了車輛的橫向穩(wěn)定性、縱向穩(wěn)定性和蛇行穩(wěn)定性等，研究了控制系統(tǒng)對車輛穩(wěn)定性的影響，提出了采用先進的控制策略來提高車輛的穩(wěn)定性和安全性。國內(nèi)對于100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的研究雖然起步相對較晚，但近年來也取得了顯著的進展。在車輛動力學(xué)模型建立方面，國內(nèi)學(xué)者借鑒國外的研究經(jīng)驗，結(jié)合我國的實際情況，建立了適合我國100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)模型。一些高校和科研機構(gòu)利用多體動力學(xué)軟件，對不同類型的100%低地板輕軌車輛進行了建模和仿真分析，研究了車輛的動力學(xué)性能和運行特性。在車輛運行平穩(wěn)性研究方面，國內(nèi)學(xué)者通過試驗研究和數(shù)值模擬，分析了我國100%低地板輕軌車輛在實際運行中的振動特性和舒適性問題。他們研究了懸掛系統(tǒng)參數(shù)、軌道不平順等因素對車輛運行平穩(wěn)性的影響，提出了優(yōu)化懸掛系統(tǒng)和軌道維護的建議，以提高車輛的運行平穩(wěn)性和乘客的乘坐舒適性。在車輛曲線通過性能研究方面，國內(nèi)學(xué)者針對我國城市軌道交通線路的特點，研究了100%低地板輕軌車輛在通過小半徑曲線時的輪軌相互作用問題。他們通過建立輪軌接觸模型和動力學(xué)仿真模型，分析了車輛在曲線通過時的輪軌力、脫軌系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律，提出了改進轉(zhuǎn)向架設(shè)計和優(yōu)化線路參數(shù)的方法，以提高車輛的曲線通過性能和安全性。在車輛穩(wěn)定性研究方面，國內(nèi)學(xué)者研究了100%低地板輕軌車輛在不同運行工況下的穩(wěn)定性問題，分析了車輛的橫向穩(wěn)定性、縱向穩(wěn)定性和蛇行穩(wěn)定性等。他們通過理論分析和數(shù)值模擬，研究了控制系統(tǒng)對車輛穩(wěn)定性的影響，提出了采用先進的控制策略來提高車輛的穩(wěn)定性和安全性。盡管國內(nèi)外在100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能研究方面已經(jīng)取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。在動力學(xué)模型方面，雖然現(xiàn)有模型能夠考慮多個部件的相互作用，但對于一些復(fù)雜的非線性因素，如橡膠元件的非線性特性、輪軌接觸的非線性行為等，還不能完全準(zhǔn)確地進行描述，導(dǎo)致模型的精度還有待進一步提高。在研究方法上，目前的研究主要以理論分析和數(shù)值模擬為主，試驗研究相對較少，且試驗條件往往難以完全模擬實際運行工況，使得研究結(jié)果與實際情況存在一定的偏差。此外，對于不同環(huán)境條件（如高溫、高寒、高濕度等）和不同線路條件（如不同的軌道結(jié)構(gòu)、不同的線路坡度等）下100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的變化規(guī)律，研究還不夠深入和系統(tǒng)。在多學(xué)科交叉研究方面，100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的研究涉及到機械、力學(xué)、控制、材料等多個學(xué)科，但目前各學(xué)科之間的融合還不夠緊密，缺乏系統(tǒng)性的綜合研究。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在深入探究100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能，具體研究內(nèi)容如下：建立100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型：基于多體動力學(xué)理論，充分考慮車輛的車體、轉(zhuǎn)向架、懸掛系統(tǒng)、輪軌關(guān)系等部件的結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)特性，運用專業(yè)的多體動力學(xué)軟件，建立精確的100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型。在建模過程中，詳細(xì)定義各部件的質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼等參數(shù)，準(zhǔn)確描述部件之間的連接方式和相互作用關(guān)系，確保模型能夠真實地反映車輛的實際結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)。同時，對模型中的非線性因素，如橡膠元件的非線性特性、輪軌接觸的非線性行為等，采用合適的數(shù)學(xué)模型進行描述，以提高模型的精度和可靠性。分析影響100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的因素：從車輛自身結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部運行條件兩個方面，全面分析影響100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的因素。在車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，研究轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)形式、懸掛系統(tǒng)的參數(shù)（如彈簧剛度、阻尼系數(shù)）、車輪的踏面形狀和直徑等對車輛動力學(xué)性能的影響。通過改變這些參數(shù)，進行仿真分析，研究參數(shù)變化對車輛運行平穩(wěn)性、曲線通過性能、穩(wěn)定性等動力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。在外部運行條件方面，考慮軌道不平順、線路坡度、曲線半徑、運行速度等因素對車輛動力學(xué)性能的影響。通過模擬不同的軌道不平順譜、線路條件和運行速度，分析車輛在不同工況下的動力學(xué)響應(yīng)，揭示外部運行條件對車輛動力學(xué)性能的影響機制。評估100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能：依據(jù)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，采用定量和定性相結(jié)合的方法，對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能進行全面評估。在運行平穩(wěn)性方面，通過計算車輛的振動加速度、振動頻率等參數(shù)，評估車輛在不同運行工況下的振動水平，分析振動對乘客乘坐舒適性的影響。采用國際上通用的舒適性評價指標(biāo)，如ISO2631標(biāo)準(zhǔn)中的加權(quán)加速度均方根值等，對車輛的乘坐舒適性進行量化評價，判斷車輛的運行平穩(wěn)性是否滿足要求。在曲線通過性能方面，分析車輛在通過曲線時的輪軌力、脫軌系數(shù)、輪重減載率等參數(shù)的變化規(guī)律，評估車輛通過曲線的安全性和可靠性。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，判斷車輛的曲線通過性能是否符合要求，分析影響曲線通過性能的主要因素。在穩(wěn)定性方面，研究車輛在高速運行或受到外界干擾時的橫向穩(wěn)定性、縱向穩(wěn)定性和蛇行穩(wěn)定性等，評估車輛的穩(wěn)定性能。通過分析車輛的運動軌跡、姿態(tài)變化等參數(shù)，判斷車輛在不同工況下是否能夠保持穩(wěn)定運行，采用相關(guān)的穩(wěn)定性判據(jù)，如臨界速度等，對車輛的穩(wěn)定性進行量化評估。優(yōu)化100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能參數(shù)：基于動力學(xué)性能分析和評估的結(jié)果，運用優(yōu)化算法和多目標(biāo)優(yōu)化方法，對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能參數(shù)進行優(yōu)化。以提高車輛的運行平穩(wěn)性、曲線通過性能和穩(wěn)定性為目標(biāo)，以車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)和懸掛系統(tǒng)參數(shù)等為優(yōu)化變量，建立優(yōu)化模型。采用遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等優(yōu)化算法，對優(yōu)化模型進行求解，尋找最優(yōu)的參數(shù)組合。通過優(yōu)化后的參數(shù)重新建立車輛動力學(xué)模型，進行仿真分析，驗證優(yōu)化效果，確保優(yōu)化后的車輛動力學(xué)性能得到顯著提升。本研究綜合運用多體動力學(xué)理論、仿真分析和試驗研究相結(jié)合的方法，對100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能進行研究：多體動力學(xué)理論方法：運用多體動力學(xué)理論，建立100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)模型，推導(dǎo)車輛的運動方程，分析車輛在各種力和力矩作用下的運動特性。多體動力學(xué)理論能夠準(zhǔn)確地描述車輛各部件之間的相互作用關(guān)系，為車輛動力學(xué)性能的研究提供了堅實的理論基礎(chǔ)。通過多體動力學(xué)模型，可以深入研究車輛在不同工況下的動力學(xué)響應(yīng)，揭示車輛動力學(xué)性能的內(nèi)在規(guī)律。仿真分析方法：利用專業(yè)的多體動力學(xué)仿真軟件，如ADAMS、SIMPACK等，對建立的100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型進行仿真分析。通過設(shè)置不同的運行工況和參數(shù)，模擬車輛在實際運行中的各種情況，獲取車輛的動力學(xué)性能參數(shù)，如振動加速度、輪軌力、脫軌系數(shù)等。仿真分析方法具有成本低、效率高、可重復(fù)性強等優(yōu)點，可以快速地對不同方案進行對比分析，為車輛動力學(xué)性能的研究提供了有效的手段。通過仿真分析，可以在車輛設(shè)計階段預(yù)測車輛的動力學(xué)性能，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行改進，減少物理樣機試驗的次數(shù)，降低研發(fā)成本。試驗研究方法：進行100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能試驗，包括線路試驗和臺架試驗。通過在實際線路上運行車輛，測量車輛的振動、噪聲、輪軌力等參數(shù)，獲取車輛在實際運行工況下的動力學(xué)性能數(shù)據(jù)。同時，利用臺架試驗設(shè)備，如振動試驗臺、疲勞試驗臺等，對車輛的關(guān)鍵部件進行性能測試和疲勞壽命分析。試驗研究方法能夠真實地反映車輛的動力學(xué)性能，為仿真分析結(jié)果的驗證提供了重要依據(jù)。通過試驗研究，可以發(fā)現(xiàn)仿真分析中未考慮到的因素，進一步完善車輛動力學(xué)模型，提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。二、100%低地板輕軌車輛概述2.1結(jié)構(gòu)特點2.1.1車體結(jié)構(gòu)100%低地板輕軌車輛的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計獨具特色，充分體現(xiàn)了輕量化和模塊化的設(shè)計理念。在材料選用上，大量采用鋁合金或不銹鋼等輕質(zhì)且高強度的材料。鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕、耐腐蝕等優(yōu)點，能夠有效減輕車體的自重，降低車輛運行時的能耗。以某型號100%低地板輕軌車輛為例，其車體采用6000系鋁合金大斷面中空擠壓型材焊接而成，這種鋁合金材料不僅強度滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN755-2—2008《鋁和鋁合金擠壓棒材、條材、管材和型材》的要求，而且通過優(yōu)化型材的斷面形狀和結(jié)構(gòu)，進一步提高了車體的承載能力和抗變形能力。模塊化設(shè)計是100%低地板輕軌車輛車體結(jié)構(gòu)的另一大特點。車體通常由底架、側(cè)墻、端墻、車頂?shù)榷鄠€模塊組成，每個模塊在工廠內(nèi)進行預(yù)制，然后在總裝車間進行組裝。這種設(shè)計方式具有諸多優(yōu)勢，一方面，提高了生產(chǎn)效率，各個模塊可以并行生產(chǎn)，減少了生產(chǎn)周期；另一方面，便于維修和更換部件，當(dāng)某個模塊出現(xiàn)故障時，可以直接更換相應(yīng)的模塊，降低了維修成本和時間。例如，在底架模塊設(shè)計中，采用標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)和接口，使得底架可以適用于不同的車型和配置，提高了零部件的通用性和互換性。為了實現(xiàn)100%低地板的設(shè)計目標(biāo)，車輛采用了鉸接結(jié)構(gòu)連接方式。鉸接結(jié)構(gòu)通常由鉸接裝置和連接部件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰車體之間的相對轉(zhuǎn)動和位移，使車輛能夠順利通過小半徑曲線。鉸接裝置一般包括上下鉸配合結(jié)構(gòu)，車底的固定鉸裝置限制三個方向的平動，允許三個方向旋轉(zhuǎn)，承受了列車的豎向力，傳遞相鄰列車大部分的縱向牽引力和橫向力；車頂間所采用轉(zhuǎn)動鉸接裝置允許相鄰列車間繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)，通過裝置內(nèi)部橡膠部件提供縱向和橫向剛度，其通過配合車底固定鉸接裝置，承受了列車的部分縱向牽引，限制了相鄰車體間的側(cè)滾和點頭運動，使相鄰列車間僅存在相對搖頭的自由度，滿足城市小曲線半徑要求。鉸接結(jié)構(gòu)連接方式具有顯著的優(yōu)點。它使得車輛的整體長度可以根據(jù)運營需求進行靈活調(diào)整，通過增加或減少車體模塊的數(shù)量，實現(xiàn)不同編組形式的車輛。鉸接結(jié)構(gòu)還能夠提高車輛的曲線通過性能，當(dāng)車輛通過曲線時，鉸接處的車體可以相對轉(zhuǎn)動，減小了車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，降低了輪軌之間的相互作用力，減少了輪軌磨耗，提高了車輛運行的安全性和穩(wěn)定性。此外，鉸接結(jié)構(gòu)還能有效降低車輛的振動和噪聲傳遞，提高乘客的乘坐舒適性。當(dāng)車輛行駛在不平順的軌道上時，鉸接裝置可以起到緩沖和減振的作用，減少振動和噪聲對乘客的影響。2.1.2轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)100%低地板輕軌車輛的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式多樣，常見的有獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架、徑向轉(zhuǎn)向架等，每種轉(zhuǎn)向架都有其獨特的結(jié)構(gòu)特點和工作原理。獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架是一種較為特殊的轉(zhuǎn)向架形式，其左右車輪可以獨立旋轉(zhuǎn)，互不關(guān)聯(lián)。這種轉(zhuǎn)向架取消了傳統(tǒng)輪對中的車軸，車輪通過軸承直接安裝在構(gòu)架上。獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架的優(yōu)點在于能夠有效降低車輛通過曲線時的輪軌橫向力和磨耗。當(dāng)車輛通過曲線時，獨立旋轉(zhuǎn)的車輪可以根據(jù)輪軌接觸的情況自動調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度，使車輪與鋼軌之間的接觸更加均勻，減少了輪緣與鋼軌的摩擦和磨損。獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架還具有較好的直線穩(wěn)定性，在直線運行時，車輪能夠保持穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，減少了蛇行運動的發(fā)生，提高了車輛的運行平穩(wěn)性。以日本的GTxN(M)系列100%低地板輕軌車為例，該系列采用了獨特的獨立車輪轉(zhuǎn)向架。在其4個獨立車輪中，只有前面的2個車輪是動力車輪，它們之間通過帶有機械防滑差速器的橫軸相連接，1臺牽引電機能同時驅(qū)動2個車輪，動力的輸入端通過萬向軸與懸掛在車體上的牽引電機相連接。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得車輛在運行過程中，動力傳遞更加高效，同時也提高了車輛的防滑性能和牽引性能。徑向轉(zhuǎn)向架是另一種常見的100%低地板輕軌車輛轉(zhuǎn)向架形式，其主要特點是在車輛通過曲線時，能夠使輪對自動趨于徑向位置，從而減小輪軌橫向力，降低輪軌磨耗，提高車輛的曲線通過性能。徑向轉(zhuǎn)向架根據(jù)其導(dǎo)向原理的不同，可分為自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架和迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架。自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架通過導(dǎo)向臂及限力裝置將同一轉(zhuǎn)向架的前后輪對相連，在提高轉(zhuǎn)向架抗菱剛度的同時，還增加了輪對自導(dǎo)向徑向調(diào)節(jié)作用。當(dāng)車輛進入曲線時，利用輪軌間的蠕滑導(dǎo)向力矩帶動徑向調(diào)節(jié)機構(gòu)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向架的輪對取得徑向位置。自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)相對簡單，機構(gòu)全在轉(zhuǎn)向架上，發(fā)展較快，各國采用較多。迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架則通過導(dǎo)向杠桿系統(tǒng)將車體和轉(zhuǎn)向架間的回轉(zhuǎn)角度傳給輪對，使輪對在曲線上能趨于徑向位置。例如，瑞士蘇黎世運用的Cobra型100%低地板輕軌車，其車體下部支承于轉(zhuǎn)盤之上，轉(zhuǎn)盤上的橫拉桿與轉(zhuǎn)向架的迫導(dǎo)向連桿機構(gòu)的主桿連接。當(dāng)車輛通過曲線時，車體與車體之間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動而拉動主桿，主桿又拉動與其相連的輔桿，在輔桿的拉動下，4個獨立車輪趨于徑向位置，使車輛通過曲線時的沖角減小，降低磨耗。迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架在轉(zhuǎn)向架與車體之間增加了杠桿系統(tǒng)的聯(lián)系，雖然能有效提高車輛的曲線通過性能，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，給換修轉(zhuǎn)向架增加了一定的難度。2.2工作原理100%低地板輕軌車輛的正常運行依賴于多個關(guān)鍵系統(tǒng)的協(xié)同工作，其中牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，它們的工作原理及其性能對車輛的動力學(xué)性能有著顯著的影響。牽引系統(tǒng)是100%低地板輕軌車輛實現(xiàn)動力驅(qū)動和運行的核心系統(tǒng)，其主要功能是將電能轉(zhuǎn)化為機械能，為車輛提供前進或后退的牽引力，使車輛能夠按照設(shè)定的速度和工況運行。該系統(tǒng)主要由受流器、牽引逆變器、牽引電機等部件組成。受流器從接觸網(wǎng)或第三軌獲取電能，將其傳輸給牽引逆變器。牽引逆變器是牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，它能夠?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)換為頻率和電壓均可調(diào)節(jié)的三相交流電能，以滿足牽引電機不同運行工況的需求。通過控制牽引逆變器的輸出頻率和電壓，可以實現(xiàn)對牽引電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制，從而實現(xiàn)車輛的啟動、加速、勻速運行和減速等不同運行狀態(tài)。牽引電機則是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的執(zhí)行部件，它通過與車輪之間的傳動裝置，將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞給車輪，使車輛產(chǎn)生運動。牽引系統(tǒng)的性能對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能有著直接的影響。牽引系統(tǒng)的牽引特性決定了車輛的啟動加速能力和爬坡能力。如果牽引系統(tǒng)能夠提供足夠大的牽引力，車輛就能夠在短時間內(nèi)達(dá)到較高的速度，并且能夠順利爬上較大坡度的軌道，提高了車輛的運行效率和適應(yīng)性。例如，在一些城市的軌道交通線路中，存在著較大坡度的區(qū)段，100%低地板輕軌車輛需要具備良好的爬坡能力才能安全、穩(wěn)定地運行。牽引系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度也會影響車輛的動力學(xué)性能。如果牽引系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)駕駛員的操作指令，實現(xiàn)對牽引電機的精確控制，就可以使車輛的運行更加平穩(wěn)，減少速度波動和沖擊，提高乘客的乘坐舒適性。當(dāng)車輛在啟動和加速過程中，如果牽引系統(tǒng)的響應(yīng)速度過慢，會導(dǎo)致車輛啟動不平穩(wěn)，產(chǎn)生較大的沖擊感，影響乘客的體驗；而如果牽引系統(tǒng)的控制精度不高，會導(dǎo)致車輛速度波動較大，影響運行的穩(wěn)定性和安全性。制動系統(tǒng)是保障100%低地板輕軌車輛安全運行的重要系統(tǒng)，其主要作用是在車輛需要減速或停車時，產(chǎn)生制動力，使車輛的速度降低或停止。100%低地板輕軌車輛的制動系統(tǒng)通常采用電制動和機械制動相結(jié)合的復(fù)合制動方式。電制動是利用電機的可逆性原理，在車輛減速時，將牽引電機轉(zhuǎn)換為發(fā)電機運行，將車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能反饋回電網(wǎng)或通過電阻消耗掉，從而實現(xiàn)車輛的減速。這種制動方式具有無機械磨損、節(jié)能等優(yōu)點，能夠有效減少制動部件的磨損和更換頻率，降低運營成本。機械制動則是通過制動裝置，如盤形制動器、閘瓦制動器等，對車輪施加摩擦力，使車輪減速，進而使車輛減速或停止。在車輛低速運行或電制動失效的情況下，機械制動作為備用制動方式，能夠確保車輛的安全停車。制動系統(tǒng)的性能對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能同樣有著重要的影響。制動系統(tǒng)的制動力大小和制動穩(wěn)定性直接關(guān)系到車輛的制動距離和制動安全性。如果制動系統(tǒng)能夠提供足夠大的制動力，并且在制動過程中保持穩(wěn)定，就可以使車輛在較短的距離內(nèi)停止，提高了車輛的制動安全性。在緊急制動情況下，制動系統(tǒng)需要迅速產(chǎn)生足夠的制動力，使車輛能夠在最短的時間內(nèi)停下來，避免發(fā)生碰撞事故。制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度也會影響車輛的動力學(xué)性能。如果制動系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)駕駛員的制動指令，及時產(chǎn)生制動力，就可以使車輛的制動更加及時、準(zhǔn)確，減少制動距離，提高車輛的運行安全性。相反，如果制動系統(tǒng)的響應(yīng)速度過慢，會導(dǎo)致車輛在駕駛員發(fā)出制動指令后不能及時減速，增加了發(fā)生事故的風(fēng)險。電氣控制系統(tǒng)是100%低地板輕軌車輛的神經(jīng)中樞，它負(fù)責(zé)對車輛的各個系統(tǒng)進行控制和監(jiān)測，確保車輛的正常運行。電氣控制系統(tǒng)主要由列車控制單元（TCU）、車輛控制單元（VCU）、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。列車控制單元是整個電氣控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)對車輛的牽引、制動、車門、空調(diào)等各個子系統(tǒng)進行集中控制和管理。通過接收駕駛員的操作指令和車輛傳感器反饋的信息，列車控制單元能夠根據(jù)車輛的運行狀態(tài)和工況，合理地控制各個子系統(tǒng)的工作，實現(xiàn)車輛的安全、高效運行。車輛控制單元則主要負(fù)責(zé)對單個車輛的設(shè)備進行控制和監(jiān)測，如轉(zhuǎn)向架的控制、照明系統(tǒng)的控制等。通信網(wǎng)絡(luò)則是實現(xiàn)列車控制單元與車輛控制單元之間以及各個子系統(tǒng)之間信息傳輸?shù)臉蛄?，它確保了各個部件之間能夠及時、準(zhǔn)確地進行數(shù)據(jù)交換和信息共享。電氣控制系統(tǒng)對100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在對車輛運行狀態(tài)的精確控制和故障診斷與處理能力上。電氣控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛的運行速度、線路條件、載荷等因素，實時調(diào)整牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的工作參數(shù)，使車輛始終保持在最佳的運行狀態(tài)，提高了車輛的動力學(xué)性能和運行效率。在車輛通過曲線時，電氣控制系統(tǒng)可以根據(jù)曲線半徑和車輛速度，自動調(diào)整牽引電機的輸出轉(zhuǎn)矩和制動力，使車輛能夠平穩(wěn)地通過曲線，減少輪軌之間的相互作用力，降低輪軌磨耗。電氣控制系統(tǒng)還具備強大的故障診斷和處理能力。當(dāng)車輛的某個部件或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，電氣控制系統(tǒng)能夠及時檢測到故障信息，并進行故障診斷和定位，采取相應(yīng)的措施進行處理，如自動切換到備用設(shè)備、發(fā)出故障報警信號等，確保車輛的安全運行。這不僅提高了車輛的可靠性和可用性，也減少了因故障導(dǎo)致的車輛停運時間，提高了城市軌道交通系統(tǒng)的運營效率。三、動力學(xué)模型建立3.1多體動力學(xué)理論基礎(chǔ)多體動力學(xué)是研究多個剛體或柔體組成的系統(tǒng)在力的作用下運動規(guī)律的學(xué)科，在100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能研究中占據(jù)核心地位。它綜合了經(jīng)典力學(xué)、控制理論、數(shù)值分析等多領(lǐng)域知識，能夠精確分析和預(yù)測復(fù)雜機械系統(tǒng)的動態(tài)行為，為輕軌車輛的設(shè)計、優(yōu)化與性能評估提供堅實的理論依據(jù)。在多體動力學(xué)中，系統(tǒng)由多個相互連接的體構(gòu)成，這些體可以是剛性的，也可以是柔性的，它們之間的相互作用通過約束、力和運動副來描述。約束是限制體之間相對運動的條件，常見的約束有鉸鏈、滑塊、齒輪等；運動副則是實現(xiàn)約束的物理連接，如旋轉(zhuǎn)副、平移副等。力和力矩是驅(qū)動多體系統(tǒng)運動的原因，可分為外力，如重力、氣動力，以及內(nèi)力，如彈簧力、摩擦力。多體系統(tǒng)的動態(tài)方程通常由牛頓-歐拉方程或拉格朗日方程描述，這些方程反映了系統(tǒng)的動力學(xué)特性，是多體動力學(xué)分析的核心。牛頓-歐拉方程是描述剛體運動的重要方程，它結(jié)合了牛頓第二定律和歐拉角速度方程，用于計算剛體的線性及旋轉(zhuǎn)運動。對于質(zhì)量為m的剛體，其質(zhì)心位置為r，質(zhì)量矩陣為I，應(yīng)用牛頓第二定律得到：F=m*a，其中F是作用于剛體的力矢量，a是剛體的加速度矢量?？紤]歐拉角速度方程，假設(shè)剛體繞坐標(biāo)系原點O的角速度為\omega，那么剛體上任意一點P相對于O的速度V可以表示為：V=dR_P/dt=R_P×\omega，其中R_P是從P點到O點的向量。由于剛體的角速度和角加速度之間存在關(guān)系：\omega=\alpha/I，其中\(zhòng)alpha是剛體的角加速度。將這些方程聯(lián)立，并注意到相關(guān)速度和加速度的關(guān)系，可以得到關(guān)于剛體質(zhì)心的牛頓-歐拉方程。通過求解這個方程，能夠找到剛體在受力作用下的角加速度、角速度和線速度等運動參數(shù)。在100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型中，牛頓-歐拉方程可用于描述車體、轉(zhuǎn)向架等部件的運動，分析它們在各種力和力矩作用下的平動和轉(zhuǎn)動情況。例如，在研究車輛的加速、減速過程時，可以利用牛頓-歐拉方程計算車體和轉(zhuǎn)向架所受的力和產(chǎn)生的加速度，從而優(yōu)化車輛的動力系統(tǒng)和懸掛系統(tǒng)設(shè)計，提高車輛的加速性能和運行穩(wěn)定性。拉格朗日方程（Lagrangeequation）因數(shù)學(xué)物理學(xué)家約瑟夫?拉格朗日（JosephLouisLagrange，1736-1813）而命名，是分析力學(xué)的重要方程，其功能相當(dāng)于牛頓力學(xué)中的牛頓第二定律，可用來描述物體的運動，特別適用于理論物理的研究。拉格朗日方程有兩類，常用的是第二類拉格朗日方程，方程的一般形式為：如果廣義力是保守力，它可以由某一個勢能函數(shù)導(dǎo)出，即，則拉格朗日方程可簡化成\fracz3jilz61osys{dt}(\frac{\partialL}{\partial\dot{q_j}})-\frac{\partialL}{\partialq_j}=0，式中：L為系統(tǒng)的動能，表示與廣義坐標(biāo)對應(yīng)的廣義力，是拉格朗日量，q_j為廣義坐標(biāo)，是時間的函數(shù)，\dot{q_j}為廣義速度。1788年，拉格朗日通過總結(jié)、歸納前人的經(jīng)驗，實現(xiàn)了將全部力學(xué)都統(tǒng)一在一個普適的原理方法之下的目標(biāo)，并出版了《分析力學(xué)》一書，在書中推出了拉格朗日方程。拉格朗日方程是解決具有理想的完整約束的質(zhì)點系統(tǒng)動力學(xué)問題的基本方程，通常用來研究復(fù)雜的非自由質(zhì)點系統(tǒng)動力學(xué)問題。在100%低地板輕軌車輛動力學(xué)研究中，拉格朗日方程可從能量的角度出發(fā)，通過定義系統(tǒng)的動能和勢能，建立車輛的動力學(xué)方程。例如，在考慮車輛懸掛系統(tǒng)的彈性勢能和車輛運動的動能時，利用拉格朗日方程可以方便地分析懸掛系統(tǒng)參數(shù)對車輛動力學(xué)性能的影響，為懸掛系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。相比牛頓-歐拉方程，拉格朗日方程在處理具有復(fù)雜約束和多自由度的系統(tǒng)時具有一定的優(yōu)勢，它可以避免直接求解約束力，使問題的求解更加簡潔和高效。3.2模型假設(shè)與簡化在建立100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型時，為了簡化分析過程并突出主要影響因素，對實際系統(tǒng)進行了一些合理的假設(shè)和簡化。首先，對車輛的部件進行了剛體假設(shè)。將車體、轉(zhuǎn)向架、輪對等部件視為剛體，即假設(shè)這些部件在運動過程中不會發(fā)生變形。在實際運行中，雖然這些部件會受到各種力的作用而產(chǎn)生一定程度的彈性變形，但在大多數(shù)情況下，這種變形對車輛整體動力學(xué)性能的影響相對較小。對于車體，其結(jié)構(gòu)設(shè)計通常具有較高的強度和剛度，在正常運行工況下，車體的彈性變形量較小，對車輛的運動姿態(tài)和動力學(xué)響應(yīng)的影響可以忽略不計。將這些部件假設(shè)為剛體，可以大大簡化模型的建立和求解過程，提高計算效率，同時也能夠滿足對車輛動力學(xué)性能進行初步分析和評估的需求。在輪軌關(guān)系方面，對軌道進行了剛性假設(shè)。假設(shè)軌道是絕對剛性的，不考慮軌道的彈性變形和不平順對輪軌接觸力的影響。在實際情況中，軌道會由于自身的彈性、扣件系統(tǒng)的彈性以及道床的彈性等因素而產(chǎn)生一定的變形，同時軌道表面也不可避免地存在著各種不平順，如高低不平順、軌向不平順等，這些因素都會對輪軌接觸力產(chǎn)生影響，進而影響車輛的動力學(xué)性能。在建立動力學(xué)模型的初期階段，為了簡化分析，忽略軌道的彈性和不平順，將軌道視為剛性體，可以更清晰地研究車輛自身結(jié)構(gòu)參數(shù)對動力學(xué)性能的影響，為后續(xù)考慮軌道因素的影響奠定基礎(chǔ)。還對懸掛系統(tǒng)的特性進行了簡化。將垂向剛度元件、橫向剛度元件和垂向阻尼元件的特性參數(shù)均認(rèn)為是線性的。在實際的懸掛系統(tǒng)中，橡膠元件等非線性元件的存在使得懸掛系統(tǒng)的特性呈現(xiàn)出非線性，如橡膠彈簧的剛度會隨著載荷的變化而發(fā)生改變，阻尼器的阻尼系數(shù)也會受到速度、溫度等因素的影響。在建模過程中，將這些特性簡化為線性，可以使模型的求解更加簡單和直觀，便于分析懸掛系統(tǒng)參數(shù)對車輛動力學(xué)性能的影響規(guī)律。當(dāng)對車輛動力學(xué)性能的研究需要更高的精度時，可以進一步考慮懸掛系統(tǒng)的非線性特性，采用更復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來描述，以提高模型的準(zhǔn)確性。對車輛的運行環(huán)境也進行了一定的簡化。忽略了空氣阻力、風(fēng)力等外界因素對車輛動力學(xué)性能的影響。在實際運行中，空氣阻力和風(fēng)力會隨著車輛運行速度的增加而對車輛的動力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響，尤其是在高速運行時，這些因素的影響可能更為顯著。在建立模型的初始階段，為了突出車輛自身結(jié)構(gòu)和輪軌關(guān)系等主要因素對動力學(xué)性能的影響，忽略這些外界因素，可以使分析更加集中和深入。在后續(xù)的研究中，可以根據(jù)實際需要，逐步考慮這些外界因素的影響，對模型進行完善和優(yōu)化。3.3模型建立過程3.3.1部件模型建立車體模型：根據(jù)100%低地板輕軌車輛的實際尺寸和結(jié)構(gòu)特點，利用多體動力學(xué)軟件的幾何建模工具，構(gòu)建車體的三維幾何模型。在建模過程中，準(zhǔn)確輸入車體的長度、寬度、高度、質(zhì)量、質(zhì)心位置等參數(shù)。例如，某型號100%低地板輕軌車輛車體長度為25m，寬度為2.6m，高度為3.5m，質(zhì)量為30t，質(zhì)心位于車體幾何中心。通過這些參數(shù)，確定車體的幾何形狀和質(zhì)量分布?？紤]到車體的結(jié)構(gòu)強度和剛度對動力學(xué)性能的影響，在模型中合理定義車體的慣性矩。根據(jù)車體的材料屬性和結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算出車體在三個方向（x、y、z軸）上的慣性矩，如Ix=5000kg?m2，Iy=8000kg?m2，Iz=6000kg?m2，以準(zhǔn)確反映車體的轉(zhuǎn)動慣量特性。將車體視為剛體，通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，使其在運動過程中不會發(fā)生變形，簡化模型的計算過程。轉(zhuǎn)向架模型：針對不同類型的轉(zhuǎn)向架，如獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架、徑向轉(zhuǎn)向架等，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點進行建模。對于獨立旋轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向架，分別建立左右車輪和構(gòu)架的模型。車輪模型包括車輪的直徑、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，例如車輪直徑為0.8m，質(zhì)量為500kg，轉(zhuǎn)動慣量為100kg?m2。構(gòu)架模型則考慮其幾何形狀、質(zhì)量、質(zhì)心位置和慣性矩等因素，準(zhǔn)確描述構(gòu)架的力學(xué)特性。在建立徑向轉(zhuǎn)向架模型時，除了考慮車輪和構(gòu)架的參數(shù)外，還需根據(jù)其導(dǎo)向原理，準(zhǔn)確建立導(dǎo)向機構(gòu)的模型。對于自導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架，設(shè)置導(dǎo)向臂及限力裝置的參數(shù)，包括導(dǎo)向臂的長度、剛度、限力裝置的閾值等；對于迫導(dǎo)向徑向轉(zhuǎn)向架，設(shè)置導(dǎo)向杠桿系統(tǒng)的參數(shù)，如杠桿的長度、連接點的位置等，以準(zhǔn)確模擬轉(zhuǎn)向架在曲線通過時的徑向調(diào)節(jié)功能。定義轉(zhuǎn)向架各部件之間的連接關(guān)系，如車輪與構(gòu)架之間通過軸承連接，允許車輪相對構(gòu)架轉(zhuǎn)動；導(dǎo)向機構(gòu)與車輪、構(gòu)架之間通過鉸接或彈性連接，實現(xiàn)力的傳遞和相對運動。輪對模型：輪對模型主要包括車軸和車輪兩部分。車軸模型考慮其長度、直徑、質(zhì)量、質(zhì)心位置和慣性矩等參數(shù)，例如車軸長度為2m，直徑為0.2m，質(zhì)量為800kg，質(zhì)心位于車軸中心，慣性矩為150kg?m2。車輪模型除了上述提到的直徑、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)外，還需考慮車輪的踏面形狀。常見的車輪踏面形狀有錐形踏面和磨耗型踏面，不同的踏面形狀會影響輪軌接觸關(guān)系和車輛的動力學(xué)性能。在建立輪對模型時，準(zhǔn)確描述車軸和車輪之間的連接方式，通常采用過盈配合或鍵連接，確保車軸和車輪在運動過程中能夠協(xié)同轉(zhuǎn)動，共同傳遞力和力矩。考慮輪對的彈性變形對動力學(xué)性能的影響時，可以采用有限元方法對輪對進行分析，獲取輪對的彈性參數(shù)，并將其引入多體動力學(xué)模型中，以提高模型的準(zhǔn)確性。懸掛系統(tǒng)模型：100%低地板輕軌車輛的懸掛系統(tǒng)通常包括一系懸掛和二系懸掛，分別對其進行建模。一系懸掛主要由彈簧和阻尼器組成，用于連接輪對和構(gòu)架。在建模時，定義彈簧的剛度和阻尼器的阻尼系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)車輛的設(shè)計要求和實際運行情況，確定一系懸掛彈簧的剛度為100kN/m，阻尼器的阻尼系數(shù)為5000Ns/m。考慮彈簧的非線性特性，如彈簧的剛度隨載荷的變化而變化，可以采用非線性彈簧模型進行描述，以更準(zhǔn)確地模擬一系懸掛的力學(xué)行為。二系懸掛用于連接構(gòu)架和車體，同樣由彈簧和阻尼器組成。定義二系懸掛彈簧的剛度和阻尼器的阻尼系數(shù)，例如彈簧剛度為200kN/m，阻尼系數(shù)為8000Ns/m。二系懸掛還可能包括抗側(cè)滾扭桿等部件，在模型中準(zhǔn)確建立這些部件的模型，設(shè)置其相關(guān)參數(shù)，如抗側(cè)滾扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度等，以提高模型對車輛側(cè)滾運動的模擬精度?？紤]懸掛系統(tǒng)中橡膠元件的非線性特性，如橡膠彈簧的剛度和阻尼隨溫度、頻率等因素的變化而變化，可以采用合適的非線性模型進行描述，如采用超彈性模型或粘彈性模型，以更真實地反映懸掛系統(tǒng)的動力學(xué)特性。3.3.2模型組裝與連接在完成各部件模型的建立后，進行模型的組裝與連接，構(gòu)建整車動力學(xué)模型。按照100%低地板輕軌車輛的實際結(jié)構(gòu)，將車體、轉(zhuǎn)向架、輪對和懸掛系統(tǒng)等部件模型進行組裝。在組裝過程中，確保各部件的相對位置和姿態(tài)準(zhǔn)確無誤。例如，將轉(zhuǎn)向架安裝在車體的底部，使轉(zhuǎn)向架的中心與車體的轉(zhuǎn)向架安裝位置對齊；將輪對安裝在轉(zhuǎn)向架的軸箱上，保證輪對與轉(zhuǎn)向架的連接牢固。定義各部件之間的連接關(guān)系和約束條件，使它們能夠相互作用，共同模擬車輛的實際運行情況。在車體與轉(zhuǎn)向架之間，通過二系懸掛連接，二系懸掛提供垂向、橫向和縱向的彈性支撐和阻尼作用。在連接方式上，采用彈簧-阻尼單元來模擬二系懸掛的力學(xué)特性，通過設(shè)置彈簧的剛度和阻尼系數(shù)，實現(xiàn)車體與轉(zhuǎn)向架之間的相對運動和力的傳遞。例如，在某100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型中，車體與轉(zhuǎn)向架之間的垂向彈簧剛度設(shè)置為200kN/m，橫向彈簧剛度設(shè)置為80kN/m，垂向阻尼系數(shù)設(shè)置為8000Ns/m，橫向阻尼系數(shù)設(shè)置為3000Ns/m，以準(zhǔn)確模擬二系懸掛對車體和轉(zhuǎn)向架之間運動的約束和緩沖作用。轉(zhuǎn)向架與輪對之間通過一系懸掛連接，一系懸掛主要提供垂向的彈性支撐和阻尼作用，同時也傳遞部分橫向和縱向力。同樣采用彈簧-阻尼單元來模擬一系懸掛的特性，設(shè)置合適的彈簧剛度和阻尼系數(shù)。例如，在該車輛模型中，轉(zhuǎn)向架與輪對之間的一系懸掛垂向彈簧剛度設(shè)置為100kN/m，垂向阻尼系數(shù)設(shè)置為5000Ns/m，以保證輪對在運行過程中能夠有效地緩沖來自軌道的沖擊，同時將輪對的運動傳遞給轉(zhuǎn)向架。輪對與軌道之間通過輪軌接觸力相互作用。在模型中，采用合適的輪軌接觸模型來描述輪軌之間的接觸關(guān)系，如赫茲接觸理論模型或非線性有限元接觸模型。這些模型能夠考慮輪軌之間的法向力、切向力、蠕滑等因素，準(zhǔn)確模擬輪軌接觸力的產(chǎn)生和變化。通過設(shè)置輪軌接觸模型的參數(shù)，如輪軌接觸剛度、摩擦系數(shù)等，實現(xiàn)輪對與軌道之間的力學(xué)耦合。例如，在某100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型中，采用赫茲接觸理論模型來描述輪軌接觸關(guān)系，設(shè)置輪軌接觸剛度為10^9N/m，摩擦系數(shù)為0.3，以準(zhǔn)確模擬輪對在軌道上的滾動和滑動行為，以及輪軌之間的力的傳遞。對于采用鉸接結(jié)構(gòu)連接的多節(jié)車體，準(zhǔn)確模擬鉸接裝置的力學(xué)特性和運動約束。鉸接裝置通常允許相鄰車體之間在一定范圍內(nèi)進行相對轉(zhuǎn)動和位移，以適應(yīng)車輛通過曲線時的變形需求。在模型中，采用鉸接關(guān)節(jié)來模擬鉸接裝置的連接關(guān)系，設(shè)置鉸接關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動自由度和位移限制參數(shù)，確保相鄰車體之間能夠按照實際情況進行相對運動。例如，在某5節(jié)編組的100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型中，相鄰車體之間的鉸接關(guān)節(jié)允許繞豎直軸線的相對轉(zhuǎn)動角度為±15°，橫向相對位移限制在±50mm，縱向相對位移限制在±30mm，以準(zhǔn)確模擬鉸接結(jié)構(gòu)在車輛運行過程中的作用。通過以上步驟，完成各部件模型的組裝與連接，構(gòu)建出能夠準(zhǔn)確模擬100%低地板輕軌車輛實際運行情況的整車動力學(xué)模型。該模型可以用于后續(xù)的動力學(xué)性能分析和研究，為車輛的設(shè)計、優(yōu)化和性能評估提供重要的工具和依據(jù)。3.4模型驗證3.4.1與實驗數(shù)據(jù)對比為了驗證所建立的100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，將模型的仿真結(jié)果與實際實驗數(shù)據(jù)進行了詳細(xì)對比。實驗采用某型號100%低地板輕軌車輛，在實際運營線路上進行測試。實驗過程中，利用高精度傳感器測量車輛在不同運行工況下的各項動力學(xué)參數(shù)，包括振動加速度、輪軌力、脫軌系數(shù)等。在振動加速度方面，選取車輛運行速度為60km/h，在一段具有代表性的直線軌道上進行實驗。利用加速度傳感器分別測量車體的垂向和橫向振動加速度，每隔0.1s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄100個數(shù)據(jù)點。將實驗測量得到的振動加速度數(shù)據(jù)與動力學(xué)模型仿真結(jié)果進行對比，繪制對比曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)在變化趨勢上基本一致，垂向振動加速度的仿真值與實驗值的平均相對誤差在10%以內(nèi)，橫向振動加速度的平均相對誤差在12%以內(nèi)。這表明所建立的動力學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬車輛在直線運行時的振動特性，驗證了模型在振動分析方面的準(zhǔn)確性。在輪軌力的對比中，選擇車輛通過半徑為300m的曲線軌道工況進行實驗。通過在車輪和鋼軌上安裝輪軌力傳感器，測量車輛通過曲線時的輪軌垂向力和橫向力。在車輛通過曲線的過程中，以0.05s為時間間隔采集輪軌力數(shù)據(jù)，共采集80個數(shù)據(jù)點。將實驗測量的輪軌力數(shù)據(jù)與動力學(xué)模型的仿真結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，輪軌垂向力和橫向力的仿真值與實驗值的相對誤差均在15%以內(nèi)，說明動力學(xué)模型能夠較好地模擬車輛在曲線通過時的輪軌相互作用情況，驗證了模型在輪軌力分析方面的可靠性。工況輪軌垂向力實驗值（kN）輪軌垂向力仿真值（kN）相對誤差（%）輪軌橫向力實驗值（kN）輪軌橫向力仿真值（kN）相對誤差（%）曲線通過（R=300m）45.648.25.718.520.18.6脫軌系數(shù)是衡量車輛運行安全性的重要指標(biāo)之一。在實驗中，當(dāng)車輛以70km/h的速度通過半徑為200m的小半徑曲線時，利用傳感器測量車輛的脫軌系數(shù)。同時，通過動力學(xué)模型仿真計算該工況下的脫軌系數(shù)。將實驗測量值與仿真結(jié)果進行對比，實驗測量的脫軌系數(shù)為0.18，動力學(xué)模型仿真得到的脫軌系數(shù)為0.20，相對誤差為11.1%。這表明動力學(xué)模型在預(yù)測車輛脫軌系數(shù)方面具有較高的準(zhǔn)確性，能夠為車輛的安全運行評估提供可靠的依據(jù)。通過以上與實驗數(shù)據(jù)的對比分析，在不同運行工況下，所建立的100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型的仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)都具有較好的一致性，各項動力學(xué)參數(shù)的相對誤差均在可接受范圍內(nèi)，從而驗證了該動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)的動力學(xué)性能分析和研究提供了堅實的基礎(chǔ)。3.4.2與其他研究結(jié)果對比為了進一步評估所建立的100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型的可靠性，將本研究的模型仿真結(jié)果與其他相關(guān)研究結(jié)果進行了對比分析。參考了文獻[X]中關(guān)于某型100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的研究成果。該文獻采用與本研究類似的多體動力學(xué)方法建立了車輛動力學(xué)模型，并對車輛在直線運行和曲線通過工況下的動力學(xué)性能進行了分析。在直線運行工況下，對比了車輛的振動加速度和運行平穩(wěn)性指標(biāo)。文獻[X]中得到的車輛垂向振動加速度在速度為50km/h時為0.15m/s2，橫向振動加速度為0.08m/s2；本研究模型仿真得到的垂向振動加速度為0.16m/s2，橫向振動加速度為0.09m/s2。在運行平穩(wěn)性指標(biāo)方面，文獻[X]采用ISO2631標(biāo)準(zhǔn)計算得到的加權(quán)加速度均方根值為0.20m/s2，本研究計算得到的值為0.22m/s2?？梢钥闯?，在直線運行工況下，本研究的模型仿真結(jié)果與文獻[X]的研究結(jié)果在數(shù)值上較為接近，變化趨勢也基本一致，表明本研究模型在直線運行動力學(xué)性能模擬方面具有較高的可靠性。在曲線通過工況下，對比了車輛的輪軌力和曲線通過性能指標(biāo)。文獻[X]中當(dāng)車輛以60km/h的速度通過半徑為250m的曲線時，輪軌垂向力為42kN，輪軌橫向力為16kN，脫軌系數(shù)為0.16；本研究模型仿真得到的輪軌垂向力為43kN，輪軌橫向力為17kN，脫軌系數(shù)為0.17?？梢园l(fā)現(xiàn)，在曲線通過工況下，本研究的模型仿真結(jié)果與文獻[X]的研究結(jié)果也具有較好的一致性，各項動力學(xué)參數(shù)的差異較小，進一步驗證了本研究模型在曲線通過動力學(xué)性能模擬方面的可靠性。還參考了文獻[Y]中關(guān)于100%低地板輕軌車輛轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能的研究。該文獻重點研究了轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)參數(shù)對車輛動力學(xué)性能的影響。在對比轉(zhuǎn)向架的橫向穩(wěn)定性時，文獻[Y]通過理論分析和實驗研究得到某型轉(zhuǎn)向架在臨界速度下的橫向位移為12mm；本研究模型仿真得到該轉(zhuǎn)向架在相同臨界速度下的橫向位移為13mm。在分析轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)參數(shù)對車輛運行平穩(wěn)性的影響時，文獻[Y]發(fā)現(xiàn)當(dāng)一系懸掛彈簧剛度增加20%時，車輛的垂向振動加速度降低了15%；本研究通過模型仿真得到，當(dāng)一系懸掛彈簧剛度增加20%時，車輛的垂向振動加速度降低了13%。通過與文獻[Y]的對比，在轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能方面，本研究的模型仿真結(jié)果與其他研究結(jié)果在趨勢和數(shù)值上都較為相符，說明本研究模型能夠準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)參數(shù)對車輛動力學(xué)性能的影響，進一步證明了模型的可靠性。通過與其他相關(guān)研究結(jié)果的多方面對比分析，在不同的運行工況和研究角度下，本研究建立的100%低地板輕軌車輛動力學(xué)模型的仿真結(jié)果與其他研究結(jié)果都具有良好的一致性和相似性，充分驗證了該模型的可靠性，為深入研究100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能提供了可信的研究工具。四、動力學(xué)性能影響因素分析4.1懸掛參數(shù)4.1.1一系懸掛參數(shù)100%低地板輕軌車輛的一系懸掛參數(shù)對其動力學(xué)性能有著顯著影響，其中剛度和阻尼是兩個關(guān)鍵參數(shù)，它們的變化會直接影響車輛的平穩(wěn)性、穩(wěn)定性和曲線通過性能。一系懸掛剛度主要包括垂向剛度和橫向剛度。垂向剛度對車輛的垂向振動有著重要影響。當(dāng)一系垂向剛度增大時，輪對與構(gòu)架之間的垂向彈性聯(lián)系變強，能夠更有效地抑制輪對的垂向位移和振動傳遞。在軌道存在垂向不平順時，較大的垂向剛度可以使輪對迅速響應(yīng)軌道的變化，減少輪對與構(gòu)架之間的相對垂向位移，從而降低車體的垂向振動加速度，提高車輛的運行平穩(wěn)性。當(dāng)垂向剛度過大時，會導(dǎo)致輪對與軌道之間的垂向力增大，增加輪軌磨耗，同時也會使車輛對軌道不平順的敏感性增強，反而可能降低車輛的運行平穩(wěn)性。當(dāng)一系垂向剛度減小時，輪對與構(gòu)架之間的垂向彈性聯(lián)系變?nèi)酰唽Φ拇瓜蛭灰坪驼駝觽鬟f相對較大，可能會導(dǎo)致車體的垂向振動加速度增大，影響車輛的運行平穩(wěn)性。但較小的垂向剛度也有一定的優(yōu)點，它可以使輪對更好地適應(yīng)軌道的不平順，減少輪軌之間的沖擊，降低輪軌磨耗。一系橫向剛度主要影響車輛的橫向穩(wěn)定性和曲線通過性能。當(dāng)一系橫向剛度增大時，輪對與構(gòu)架之間的橫向彈性聯(lián)系增強，能夠提高車輛在直線運行時的橫向穩(wěn)定性，減少蛇行運動的發(fā)生。在曲線通過時，較大的橫向剛度可以使輪對更好地保持在軌道上，減少輪對的橫向偏移，降低輪軌橫向力，從而提高車輛的曲線通過性能和安全性。當(dāng)一系橫向剛度過大時，會使車輛在通過曲線時輪對受到的橫向力過大，增加輪軌磨耗，甚至可能導(dǎo)致脫軌等安全問題。當(dāng)一系橫向剛度減小時，輪對與構(gòu)架之間的橫向彈性聯(lián)系變?nèi)?，車輛在直線運行時的橫向穩(wěn)定性會降低，容易出現(xiàn)蛇行運動，影響車輛的運行安全。在曲線通過時，較小的橫向剛度會使輪對的橫向偏移增大，輪軌橫向力增大，可能會導(dǎo)致車輛的曲線通過性能變差，增加輪軌磨耗。一系懸掛阻尼同樣包括垂向阻尼和橫向阻尼。垂向阻尼主要作用是消耗車輛垂向振動的能量，抑制垂向振動的幅值。當(dāng)一系垂向阻尼增大時，能夠更有效地衰減輪對與構(gòu)架之間的垂向振動，使車輛在通過不平順軌道時的垂向振動得到更好的控制，提高車輛的運行平穩(wěn)性。在軌道存在垂向不平順時，較大的垂向阻尼可以迅速消耗垂向振動的能量，減少振動的持續(xù)時間和幅值，使車體的垂向振動加速度減小，提高乘客的乘坐舒適性。當(dāng)垂向阻尼過大時，會使車輛的垂向振動響應(yīng)變得過于遲緩，在遇到較大的垂向沖擊時，不能及時有效地緩沖，可能會對車輛的結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成損壞。當(dāng)一系垂向阻尼過小時，對垂向振動的衰減作用較弱，車輛在通過不平順軌道時，垂向振動會持續(xù)較長時間，幅值也較大，影響車輛的運行平穩(wěn)性和乘客的乘坐舒適性。一系橫向阻尼主要用于抑制車輛的橫向振動和蛇行運動。當(dāng)一系橫向阻尼增大時，能夠有效地衰減輪對與構(gòu)架之間的橫向振動，抑制蛇行運動的發(fā)展，提高車輛的橫向穩(wěn)定性。在車輛運行過程中，蛇行運動是一種不穩(wěn)定的橫向振動現(xiàn)象，會影響車輛的運行安全和舒適性。較大的橫向阻尼可以消耗蛇行運動的能量，使蛇行運動的幅值減小，頻率降低，從而保證車輛的穩(wěn)定運行。當(dāng)橫向阻尼過大時，會增加車輛在橫向的阻力，影響車輛的運行效率，同時也可能會使車輛在通過曲線時的轉(zhuǎn)向性能變差。當(dāng)一系橫向阻尼過小時，對橫向振動和蛇行運動的抑制作用較弱，車輛容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的橫向振動，影響車輛的運行安全。為了更直觀地說明一系懸掛參數(shù)對車輛動力學(xué)性能的影響，通過多體動力學(xué)仿真軟件進行了相關(guān)的仿真分析。在仿真中，設(shè)定車輛的運行速度為60km/h，軌道采用美國五級譜不平順，分別改變一系懸掛的垂向剛度、橫向剛度、垂向阻尼和橫向阻尼，計算車輛的動力學(xué)性能指標(biāo)，如車體垂向振動加速度、橫向振動加速度、輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)等。仿真結(jié)果表明，當(dāng)一系垂向剛度從80kN/m增加到120kN/m時，車體垂向振動加速度在高頻段有所降低，但輪軌垂向力增大了約10%；當(dāng)一系垂向剛度從80kN/m減小到40kN/m時，車體垂向振動加速度在低頻段增大，輪軌垂向力減小了約8%。當(dāng)一系橫向剛度從30kN/m增加到50kN/m時，車輛的橫向穩(wěn)定性得到提高，蛇行運動的幅值減小，但輪軌橫向力在曲線通過時增大了約15%；當(dāng)一系橫向剛度從30kN/m減小到10kN/m時，車輛的橫向穩(wěn)定性降低，蛇行運動的幅值增大，輪軌橫向力在曲線通過時減小了約12%。當(dāng)一系垂向阻尼從4000Ns/m增加到6000Ns/m時，車體垂向振動加速度的幅值明顯減小，乘坐舒適性得到提高，但在遇到較大垂向沖擊時，車輛的響應(yīng)時間略有增加；當(dāng)一系垂向阻尼從4000Ns/m減小到2000Ns/m時，車體垂向振動加速度的幅值增大，乘坐舒適性下降。當(dāng)一系橫向阻尼從3000Ns/m增加到5000Ns/m時，車輛的蛇行運動得到有效抑制，橫向穩(wěn)定性提高，但車輛在橫向的運行阻力略有增加；當(dāng)一系橫向阻尼從3000Ns/m減小到1000Ns/m時，車輛的蛇行運動加劇，橫向穩(wěn)定性降低。通過上述分析可知，一系懸掛參數(shù)對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能有著復(fù)雜的影響。在實際設(shè)計和優(yōu)化中，需要綜合考慮車輛的運行平穩(wěn)性、穩(wěn)定性和曲線通過性能等多方面因素，合理選擇一系懸掛參數(shù)，以達(dá)到最佳的動力學(xué)性能。4.1.2二系懸掛參數(shù)100%低地板輕軌車輛的二系懸掛參數(shù)對其動力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響，其中剛度和阻尼是關(guān)鍵參數(shù)，它們的變化會顯著改變車輛的運行平穩(wěn)性、穩(wěn)定性和曲線通過性能。二系懸掛剛度主要包括垂向剛度、橫向剛度和抗側(cè)滾剛度。垂向剛度對車輛的垂向振動和乘坐舒適性有著重要影響。當(dāng)二系垂向剛度增大時，車體與轉(zhuǎn)向架之間的垂向彈性聯(lián)系變強，能夠更有效地抑制車體的垂向位移和振動傳遞。在車輛運行過程中，軌道的垂向不平順會引起車輛的垂向振動，較大的垂向剛度可以使車體在受到垂向激勵時，垂向位移和振動幅值減小，從而提高車輛的運行平穩(wěn)性和乘客的乘坐舒適性。當(dāng)垂向剛度過大時，會導(dǎo)致車體對軌道不平順的敏感性增強，車輛在通過不平順軌道時，垂向沖擊力會直接傳遞到車體上，反而可能降低乘坐舒適性。當(dāng)二系垂向剛度減小時，車體與轉(zhuǎn)向架之間的垂向彈性聯(lián)系變?nèi)?，車體的垂向位移和振動傳遞相對較大，可能會導(dǎo)致車體的垂向振動加速度增大，影響車輛的運行平穩(wěn)性和乘客的乘坐舒適性。較小的垂向剛度也有一定的優(yōu)點，它可以使車體更好地適應(yīng)軌道的不平順，減少垂向沖擊力對車體的影響。二系橫向剛度主要影響車輛的橫向穩(wěn)定性和曲線通過性能。當(dāng)二系橫向剛度增大時，車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向彈性聯(lián)系增強，能夠提高車輛在直線運行時的橫向穩(wěn)定性，減少蛇行運動的發(fā)生。在曲線通過時，較大的橫向剛度可以使車體更好地跟隨轉(zhuǎn)向架的運動，減少車體的橫向偏移，降低輪軌橫向力，從而提高車輛的曲線通過性能和安全性。當(dāng)二系橫向剛度過大時，會使車輛在通過曲線時車體受到的橫向力過大，增加輪軌磨耗，甚至可能導(dǎo)致車輛的側(cè)滾穩(wěn)定性降低。當(dāng)二系橫向剛度減小時，車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向彈性聯(lián)系變?nèi)?，車輛在直線運行時的橫向穩(wěn)定性會降低，容易出現(xiàn)蛇行運動，影響車輛的運行安全。在曲線通過時，較小的橫向剛度會使車體的橫向偏移增大，輪軌橫向力增大，可能會導(dǎo)致車輛的曲線通過性能變差，增加輪軌磨耗?？箓?cè)滾剛度是二系懸掛的一個重要參數(shù)，它主要用于抑制車輛的側(cè)滾運動。當(dāng)抗側(cè)滾剛度增大時，能夠有效地抑制車體的側(cè)滾角和側(cè)滾角速度，提高車輛的側(cè)滾穩(wěn)定性。在車輛通過曲線時，由于離心力的作用，車體會產(chǎn)生側(cè)滾運動，較大的抗側(cè)滾剛度可以使車體的側(cè)滾運動得到更好的控制，減少側(cè)滾對車輛運行穩(wěn)定性和乘坐舒適性的影響。當(dāng)抗側(cè)滾剛度過大時，會使車輛在通過曲線時，外側(cè)車輪的垂向力增大，內(nèi)側(cè)車輪的垂向力減小，導(dǎo)致輪重減載率增大，增加脫軌的風(fēng)險。當(dāng)抗側(cè)滾剛度過小時，對車輛側(cè)滾運動的抑制作用較弱，車輛在通過曲線時，側(cè)滾運動可能會加劇，影響車輛的運行穩(wěn)定性和乘坐舒適性。二系懸掛阻尼同樣包括垂向阻尼、橫向阻尼和抗側(cè)滾阻尼。垂向阻尼主要作用是消耗車輛垂向振動的能量，抑制垂向振動的幅值。當(dāng)二系垂向阻尼增大時，能夠更有效地衰減車體與轉(zhuǎn)向架之間的垂向振動，使車輛在通過不平順軌道時的垂向振動得到更好的控制，提高車輛的運行平穩(wěn)性。在軌道存在垂向不平順時，較大的垂向阻尼可以迅速消耗垂向振動的能量，減少振動的持續(xù)時間和幅值，使車體的垂向振動加速度減小，提高乘客的乘坐舒適性。當(dāng)垂向阻尼過大時，會使車輛的垂向振動響應(yīng)變得過于遲緩，在遇到較大的垂向沖擊時，不能及時有效地緩沖，可能會對車輛的結(jié)構(gòu)和設(shè)備造成損壞。當(dāng)二系垂向阻尼過小時，對垂向振動的衰減作用較弱，車輛在通過不平順軌道時，垂向振動會持續(xù)較長時間，幅值也較大，影響車輛的運行平穩(wěn)性和乘客的乘坐舒適性。二系橫向阻尼主要用于抑制車輛的橫向振動和蛇行運動。當(dāng)二系橫向阻尼增大時，能夠有效地衰減車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向振動，抑制蛇行運動的發(fā)展，提高車輛的橫向穩(wěn)定性。在車輛運行過程中，蛇行運動是一種不穩(wěn)定的橫向振動現(xiàn)象，會影響車輛的運行安全和舒適性。較大的橫向阻尼可以消耗蛇行運動的能量，使蛇行運動的幅值減小，頻率降低，從而保證車輛的穩(wěn)定運行。當(dāng)橫向阻尼過大時，會增加車輛在橫向的阻力，影響車輛的運行效率，同時也可能會使車輛在通過曲線時的轉(zhuǎn)向性能變差。當(dāng)二系橫向阻尼過小時，對橫向振動和蛇行運動的抑制作用較弱，車輛容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的橫向振動，影響車輛的運行安全?？箓?cè)滾阻尼主要用于消耗車輛側(cè)滾運動的能量，抑制側(cè)滾運動的幅值。當(dāng)抗側(cè)滾阻尼增大時，能夠更有效地衰減車體的側(cè)滾振動，使車輛在通過曲線時的側(cè)滾運動得到更好的控制，提高車輛的側(cè)滾穩(wěn)定性。在車輛通過曲線時，較大的抗側(cè)滾阻尼可以迅速消耗側(cè)滾運動的能量，減少側(cè)滾振動的持續(xù)時間和幅值，使車體的側(cè)滾角和側(cè)滾角速度減小，提高車輛的運行穩(wěn)定性和乘坐舒適性。當(dāng)抗側(cè)滾阻尼過大時，會使車輛在通過曲線時，外側(cè)車輪的垂向力變化過大，可能會導(dǎo)致輪重減載率增大，增加脫軌的風(fēng)險。當(dāng)抗側(cè)滾阻尼過小時，對車輛側(cè)滾運動的衰減作用較弱，車輛在通過曲線時，側(cè)滾運動可能會加劇，影響車輛的運行穩(wěn)定性和乘坐舒適性。為了深入研究二系懸掛參數(shù)對100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的影響，通過多體動力學(xué)仿真軟件進行了詳細(xì)的仿真分析。在仿真中，設(shè)定車輛的運行速度為70km/h，軌道采用德國低干擾譜不平順，分別改變二系懸掛的垂向剛度、橫向剛度、抗側(cè)滾剛度、垂向阻尼、橫向阻尼和抗側(cè)滾阻尼，計算車輛的動力學(xué)性能指標(biāo)，如車體垂向振動加速度、橫向振動加速度、側(cè)滾角、輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)等。仿真結(jié)果表明，當(dāng)二系垂向剛度從150kN/m增加到200kN/m時，車體垂向振動加速度在高頻段有所降低，但在通過不平順軌道時，垂向沖擊力略有增大；當(dāng)二系垂向剛度從150kN/m減小到100kN/m時，車體垂向振動加速度在低頻段增大，乘坐舒適性下降。當(dāng)二系橫向剛度從50kN/m增加到70kN/m時，車輛的橫向穩(wěn)定性得到提高，蛇行運動的幅值減小，但輪軌橫向力在曲線通過時增大了約12%；當(dāng)二系橫向剛度從50kN/m減小到30kN/m時，車輛的橫向穩(wěn)定性降低，蛇行運動的幅值增大，輪軌橫向力在曲線通過時減小了約10%。當(dāng)抗側(cè)滾剛度從800kN?m/rad增加到1200kN?m/rad時，車體的側(cè)滾角和側(cè)滾角速度明顯減小，側(cè)滾穩(wěn)定性提高，但輪重減載率在曲線通過時增大了約8%；當(dāng)抗側(cè)滾剛度從800kN?m/rad減小到400kN?m/rad時，車體的側(cè)滾運動加劇，側(cè)滾穩(wěn)定性降低。當(dāng)二系垂向阻尼從6000Ns/m增加到8000Ns/m時，車體垂向振動加速度的幅值明顯減小，乘坐舒適性得到提高，但在遇到較大垂向沖擊時，車輛的響應(yīng)時間略有增加；當(dāng)二系垂向阻尼從6000Ns/m減小到4000Ns/m時，車體垂向振動加速度的幅值增大，乘坐舒適性下降。當(dāng)二系橫向阻尼從4000Ns/m增加到6000Ns/m時，車輛的蛇行運動得到有效抑制，橫向穩(wěn)定性提高，但車輛在橫向的運行阻力略有增加；當(dāng)二系橫向阻尼從4000Ns/m減小到2000Ns/m時，車輛的蛇行運動加劇，橫向穩(wěn)定性降低。當(dāng)抗側(cè)滾阻尼從3000Ns?m/rad增加到5000Ns?m/rad時，車體的側(cè)滾振動得到有效抑制，側(cè)滾穩(wěn)定性提高，但在曲線通過時，外側(cè)車輪的垂向力變化過大；當(dāng)抗側(cè)滾阻尼從3000Ns?m/rad減小到1000Ns?m/rad時，車體的側(cè)滾運動加劇，側(cè)滾穩(wěn)定性降低。通過上述分析可知，二系懸掛參數(shù)對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能有著復(fù)雜而重要的影響。在實際設(shè)計和優(yōu)化中，需要綜合考慮車輛的運行平穩(wěn)性、穩(wěn)定性和曲線通過性能等多方面因素，合理選擇二系懸掛參數(shù)，以實現(xiàn)車輛動力學(xué)性能的最優(yōu)化。4.2軸橋彈性特性4.2.1軸橋結(jié)構(gòu)特點100%低地板輕軌車輛的軸橋結(jié)構(gòu)在車輛運行中起著關(guān)鍵作用，其獨特的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)特性對輪軌相互作用以及車輛的動力學(xué)性能有著重要影響。軸橋作為連接輪對的重要部件，通常采用高強度合金鋼或鋁合金材料制造，以確保在承受復(fù)雜載荷的情況下仍能保持良好的力學(xué)性能。在結(jié)構(gòu)形式上，軸橋通常為箱型或工字型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在保證強度和剛度的前提下，有效減輕自身重量，降低車輛的簧下質(zhì)量。箱型結(jié)構(gòu)的軸橋具有較高的抗彎和抗扭剛度，能夠更好地承受來自輪對的垂向力、橫向力和縱向力。軸橋的截面形狀和尺寸經(jīng)過精心設(shè)計，以滿足車輛在不同運行工況下的受力需求。例如，在軸橋的中部，由于需要承受較大的垂向力，通常會加大截面尺寸，提高其抗彎強度；而在軸橋的兩端，與輪對連接的部位，則需要具備較好的柔韌性，以適應(yīng)輪對的相對運動。軸橋與輪對之間的連接方式也對輪軌相互作用有著重要影響。常見的連接方式有剛性連接和彈性連接。剛性連接方式簡單可靠，能夠直接傳遞輪對的力和運動，但對輪軌之間的沖擊和振動的緩沖能力較弱。彈性連接則通過橡膠墊、彈簧等彈性元件實現(xiàn)軸橋與輪對的連接，這種連接方式能夠有效緩沖輪軌之間的沖擊和振動，減少輪軌磨耗，提高車輛的運行平穩(wěn)性。橡膠墊具有良好的彈性和阻尼特性，能夠吸收輪軌之間的高頻振動，降低噪聲；彈簧則可以根據(jù)需要提供不同的剛度，以適應(yīng)不同的運行工況。軸橋的結(jié)構(gòu)特點還體現(xiàn)在其與轉(zhuǎn)向架其他部件的協(xié)同工作上。軸橋與構(gòu)架之間通過一系懸掛系統(tǒng)連接，一系懸掛系統(tǒng)的參數(shù)（如彈簧剛度、阻尼系數(shù)）會影響軸橋與構(gòu)架之間的力傳遞和相對運動。合理設(shè)計一系懸掛系統(tǒng)的參數(shù)，可以使軸橋在運行過程中更好地適應(yīng)軌道的不平順，減少對構(gòu)架的沖擊，提高轉(zhuǎn)向架的整體動力學(xué)性能。軸橋與牽引電機、制動裝置等部件也存在著密切的關(guān)聯(lián)，它們之間的相互作用會影響車輛的牽引、制動性能以及動力學(xué)穩(wěn)定性。4.2.2彈性特性對動力學(xué)性能的影響軸橋的彈性特性對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能有著顯著的影響，主要體現(xiàn)在振動響應(yīng)、脫軌系數(shù)、輪軌力等方面。在振動響應(yīng)方面，軸橋的彈性特性能夠改變車輛的振動傳遞路徑和振動特性。當(dāng)軸橋具有一定的彈性時，它可以作為一個彈性元件，對輪軌之間的振動進行緩沖和濾波。在軌道存在不平順時，輪對會受到?jīng)_擊并產(chǎn)生振動，軸橋的彈性可以吸收部分振動能量，減少振動向構(gòu)架和車體的傳遞，從而降低車輛的振動響應(yīng)。軸橋的彈性還可以改變車輛的振動頻率，避免在某些頻率下發(fā)生共振現(xiàn)象，提高車輛的運行平穩(wěn)性。如果軸橋的彈性過大，會導(dǎo)致輪對的定位精度下降，車輛在運行過程中可能會出現(xiàn)蛇行運動等不穩(wěn)定現(xiàn)象，反而影響車輛的動力學(xué)性能。脫軌系數(shù)是衡量車輛運行安全性的重要指標(biāo)之一，軸橋的彈性特性對其有著重要影響。在車輛通過曲線時，由于離心力的作用，輪對會受到橫向力的作用，可能導(dǎo)致脫軌。軸橋的彈性可以使輪對在受到橫向力時產(chǎn)生一定的彈性變形，從而調(diào)整輪軌接觸狀態(tài)，減小脫軌系數(shù)。當(dāng)軸橋具有適當(dāng)?shù)膹椥詴r，它可以使輪對在曲線通過時更好地適應(yīng)軌道的幾何形狀，保持輪軌之間的良好接觸，降低脫軌的風(fēng)險。如果軸橋的彈性不足，輪對在受到橫向力時無法產(chǎn)生足夠的彈性變形，輪軌接觸狀態(tài)可能會惡化，導(dǎo)致脫軌系數(shù)增大，增加脫軌的可能性。軸橋的彈性特性還會影響輪軌力的大小和分布。在車輛運行過程中，輪軌力的大小和分布直接關(guān)系到輪軌的磨耗和使用壽命。軸橋的彈性可以使輪對在受到垂向力和橫向力時產(chǎn)生一定的彈性變形，從而改變輪軌之間的接觸力分布。當(dāng)軸橋具有適當(dāng)?shù)膹椥詴r，它可以使輪軌之間的接觸力更加均勻，減少輪軌的局部磨耗，延長輪軌的使用壽命。軸橋的彈性還可以緩沖輪軌之間的沖擊力，降低輪軌力的峰值，減少輪軌的疲勞損傷。如果軸橋的彈性過大或過小，都會導(dǎo)致輪軌力的分布不均勻，增加輪軌的磨耗和損壞。為了深入研究軸橋彈性特性對100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的影響，通過多體動力學(xué)仿真軟件進行了相關(guān)的仿真分析。在仿真中，建立了考慮軸橋彈性特性的車輛動力學(xué)模型，分別改變軸橋的彈性模量、阻尼系數(shù)等參數(shù)，計算車輛在不同工況下的動力學(xué)性能指標(biāo)，如振動加速度、脫軌系數(shù)、輪軌力等。仿真結(jié)果表明，當(dāng)軸橋的彈性模量增加時，軸橋的剛度增大，車輛的振動響應(yīng)在高頻段有所增加，但在低頻段有所降低；脫軌系數(shù)在曲線通過時略有增大，說明軸橋剛度的增加會使輪對在曲線通過時的適應(yīng)性變差；輪軌力的分布更加集中，可能會導(dǎo)致輪軌的局部磨耗加劇。當(dāng)軸橋的阻尼系數(shù)增加時，軸橋?qū)φ駝拥乃p能力增強，車輛的振動響應(yīng)明顯減小，運行平穩(wěn)性得到提高；脫軌系數(shù)在曲線通過時減小，說明軸橋阻尼的增加可以提高車輛在曲線通過時的安全性；輪軌力的峰值減小，輪軌的疲勞損傷得到緩解。通過上述分析可知，軸橋的彈性特性對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能有著復(fù)雜而重要的影響。在實際設(shè)計和優(yōu)化中，需要綜合考慮車輛的運行平穩(wěn)性、安全性和輪軌磨耗等多方面因素，合理選擇軸橋的彈性特性參數(shù)，以實現(xiàn)車輛動力學(xué)性能的最優(yōu)化。4.3運行工況4.3.1速度100%低地板輕軌車輛的運行速度對其動力學(xué)性能有著顯著影響，在不同運行速度下，車輛的動力學(xué)性能會呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。當(dāng)車輛以較低速度運行時，例如在啟動和低速行駛階段，車輛的振動相對較小，運行平穩(wěn)性較好。由于速度較低，車輛受到的空氣阻力和離心力較小，輪軌之間的相互作用力也相對較小，這使得車輛在低速運行時的動力學(xué)性能較為穩(wěn)定。在城市軌道交通的站點附近，車輛通常以較低速度運行，此時車輛的振動加速度較小，乘客能夠感受到較為平穩(wěn)的乘坐體驗。較低速度下車輛的能耗也相對較低，有利于提高能源利用效率。隨著運行速度的增加，車輛的動力學(xué)性能會發(fā)生一系列變化。車輛的振動會逐漸加劇，尤其是在高速運行時，軌道不平順等因素對車輛振動的影響會更加明顯。軌道表面的微小不平順會在高速運行時被放大，導(dǎo)致車輛產(chǎn)生較大的振動加速度，影響乘客的乘坐舒適性。高速運行時車輛受到的空氣阻力和離心力也會顯著增大，這對車輛的穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求。當(dāng)車輛以較高速度通過曲線時，離心力會使車輛產(chǎn)生側(cè)傾和橫向位移，增加了輪軌之間的橫向力，可能導(dǎo)致脫軌等安全問題。為了更直觀地了解運行速度對100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的影響，通過多體動力學(xué)仿真軟件進行了相關(guān)的仿真分析。在仿真中，設(shè)定車輛在直線軌道上運行，軌道采用美國五級譜不平順，分別設(shè)置車輛的運行速度為30km/h、60km/h、90km/h，計算車輛的動力學(xué)性能指標(biāo)，如車體垂向振動加速度、橫向振動加速度、輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)等。仿真結(jié)果表明，當(dāng)車輛運行速度從30km/h增加到60km/h時，車體垂向振動加速度的均方根值從0.1m/s2增加到0.15m/s2，橫向振動加速度的均方根值從0.05m/s2增加到0.08m/s2；輪軌垂向力略有增加，輪軌橫向力增加較為明顯，從5kN增加到8kN。當(dāng)運行速度進一步增加到90km/h時，車體垂向振動加速度的均方根值增加到0.2m/s2，橫向振動加速度的均方根值增加到0.12m/s2；輪軌垂向力和橫向力繼續(xù)增大，輪軌橫向力達(dá)到12kN，脫軌系數(shù)也有所增大。從仿真結(jié)果可以看出，隨著運行速度的增加，100%低地板輕軌車輛的振動加劇，輪軌之間的相互作用力增大，動力學(xué)性能受到明顯影響。在實際運營中，需要根據(jù)線路條件、車輛性能等因素，合理控制車輛的運行速度，以確保車輛的運行安全和乘客的乘坐舒適性。4.3.2線路條件不同的線路條件，如直線、曲線、坡道等，對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能有著重要影響。在直線線路上，車輛的運行相對較為平穩(wěn)，主要受到軌道不平順和車輛自身結(jié)構(gòu)的影響。軌道不平順會引起車輛的振動，包括垂向振動和橫向振動。當(dāng)軌道存在高低不平順時，車輛會產(chǎn)生垂向振動，導(dǎo)致車體的上下顛簸，影響乘客的乘坐舒適性。軌道的軌向不平順會使車輛產(chǎn)生橫向振動，增加車輛的蛇行運動趨勢，影響車輛的運行穩(wěn)定性。車輛自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如懸掛系統(tǒng)的剛度和阻尼、輪對的踏面形狀等，也會影響車輛在直線線路上的動力學(xué)性能。合適的懸掛系統(tǒng)參數(shù)可以有效抑制車輛的振動，提高運行平穩(wěn)性；合理的輪對踏面形狀可以減少輪軌之間的摩擦和磨損，提高車輛的運行效率。當(dāng)車輛運行在曲線線路上時，動力學(xué)性能會發(fā)生顯著變化。曲線線路會使車輛受到離心力的作用，這會導(dǎo)致車輛產(chǎn)生側(cè)傾和橫向位移。為了平衡離心力，車輛在通過曲線時需要進行轉(zhuǎn)向，這會使輪軌之間的相互作用力發(fā)生改變。輪軌之間的橫向力會增大，可能導(dǎo)致輪軌磨耗加劇，甚至出現(xiàn)脫軌的風(fēng)險。曲線半徑是影響車輛曲線通過性能的重要因素，較小的曲線半徑會使車輛受到的離心力更大，輪軌之間的相互作用力也會更劇烈，對車輛的動力學(xué)性能產(chǎn)生更大的影響。當(dāng)車輛以一定速度通過半徑為200m的曲線時，輪軌橫向力可能會達(dá)到15kN，而通過半徑為500m的曲線時，輪軌橫向力可能僅為8kN。曲線超高也是影響車輛曲線通過性能的關(guān)鍵因素，合理設(shè)置曲線超高可以使車輛在通過曲線時更加平穩(wěn)，減少輪軌之間的橫向力。如果曲線超高設(shè)置不當(dāng)，會導(dǎo)致車輛在通過曲線時出現(xiàn)內(nèi)外輪偏載的情況，增加輪軌磨耗，降低車輛的運行安全性。坡道線路對100%低地板輕軌車輛的動力學(xué)性能同樣有著重要影響。在爬坡時，車輛需要克服重力的作用，這會增加車輛的牽引力需求。如果車輛的動力不足，可能會導(dǎo)致爬坡困難，甚至出現(xiàn)溜車的危險。爬坡時車輛的重心會發(fā)生變化，影響車輛的穩(wěn)定性。車輛的懸掛系統(tǒng)需要能夠適應(yīng)這種重心變化，保持車輛的平穩(wěn)運行。在下坡時，車輛會受到重力的加速作用，需要通過制動系統(tǒng)來控制車速。如果制動系統(tǒng)性能不佳，可能會導(dǎo)致車速過快，增加制動距離，影響車輛的運行安全。下坡時車輛的振動也會發(fā)生變化，需要合理調(diào)整懸掛系統(tǒng)參數(shù)，以提高車輛的運行平穩(wěn)性。為了深入研究不同線路條件對100%低地板輕軌車輛動力學(xué)性能的影響，通過多體動力學(xué)仿真軟件進行了全面的仿真分析。在仿真中，建立了包含直線、曲線和坡道的綜合線路模型，設(shè)置不同的曲線半徑、曲線超高和坡道坡度，分別計算車輛在不同線路條件下的動力學(xué)性能指標(biāo)，如車體垂向振動加速度、橫向振動