車輛系統(tǒng)動力學(xué)教學(xué)大綱Primary theories of Vehicle system dynamics 課程編號：適用專業(yè)：鐵道機車車輛 課程層次及學(xué)位課否：必修課總學(xué)時： 32 學(xué)分數(shù)：2執(zhí)筆者：任尊松 金新燦一、課程性質(zhì)和任務(wù)本課程主要面向本科三年級學(xué)生開設(shè)，其目的是讓學(xué)生從動力學(xué)角度了解、掌握鐵道車輛動力學(xué)基本理論和準則。由于車輛的運行性能主要決定于懸掛裝置中諸如彈簧和各種彈簧元件、減振器、彈簧支承以及各種拉桿、定位裝置等的結(jié)構(gòu)型式的選擇是否合理，設(shè)計參數(shù)是否選用恰當；因此，本課程將圍繞采取哪些措施來提高或獲得車輛系統(tǒng)優(yōu)良的動力學(xué)性能來講解。 二、內(nèi)容簡介和學(xué)時分配第一章 概論（2課時）1-1 研究內(nèi)容和目的（20分鐘）1-2 車輛動力學(xué)研究與實踐（30分鐘）1-3 鐵路發(fā)展趨勢（15分鐘）1-4 我國鐵路高速技術(shù)發(fā)展（20分鐘）1-5 鐵道部技術(shù)引進與動車組（15分鐘）重點：鐵道車輛動力學(xué)研究目的和世界輪軌鐵路發(fā)展趨勢第二章 世界輪軌高速（2課時）2-1 世界輪軌高速鐵路（40分鐘）2-2 高速列車十大關(guān)鍵技術(shù)（60分鐘）重點：高速列車的高性能轉(zhuǎn)向架技術(shù)、牽引與制動技術(shù)、輕量化技術(shù)等難點：自動控制監(jiān)測與診斷技術(shù)第三章 車輛動力性能與評判標準（2課時）3-1 車輛運行安全性及其評估標準（50分鐘）3-2 車輛運行品質(zhì)及其評估標準（50分鐘）重點：GB5599-1985中關(guān)于脫軌系數(shù)、減載率、輪軌橫向力等安全性指標和舒適性指標的限定標準。難點：脫軌系數(shù)、減載率求解公式推導(dǎo)。第四章 車輛系統(tǒng)動力學(xué)結(jié)構(gòu)模型（2課時）4-1 車輛系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)（25分鐘）4-2 車輛系統(tǒng)振動自由度（35分鐘）4-3 車輛系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（40分鐘）重點：車輛定距、軸距、車輪名義半徑、車輪踏面、輪緣等基本概念和車輛運動自由度定義。第五章 輪軌踏面設(shè)計與接觸幾何關(guān)系（2課時）5-1 輪對結(jié)構(gòu)對車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能影響（10分鐘）5-2 車輪踏面認識（20分鐘）5-3 空間輪軌接觸幾何關(guān)系（40分鐘）5-4 道岔區(qū)輪軌接觸幾何關(guān)系（30分鐘）重點：車輛動力學(xué)性能對車輪踏面設(shè)計要求。難點：錐形踏面和磨耗型踏面在輪軌匹配之間的差異。第六章 輪軌蠕滑與輪軌作用力（2課時）6-1 坐標系統(tǒng)及變換關(guān)系（40分鐘）1） 四個輪軌坐標系統(tǒng)2） 設(shè)置四個輪軌坐標系統(tǒng)的目的3） 四個輪軌坐標系統(tǒng)之間的變換關(guān)系6-2輪軌滾動接觸理論（60分鐘）1) 輪軌蠕滑與蠕滑現(xiàn)象；2) 赫茲接觸理論與輪軌蠕滑率定義；3) 蠕滑系數(shù)相關(guān)理論（Carter理論、Johnson-Vermeulen理論、Kalker線性理論、Kalker非線性理論）4) 輪軌蠕滑力定義與求解方法。5) 非線性蠕滑力的近似計算重點：輪軌蠕滑現(xiàn)象與輪軌蠕滑力求解思路難點：輪軌蠕滑理論第七章 軸箱定位與中央懸掛（3課時） 本章是本課程的重點內(nèi)容之一，需要重點講授，涉及的內(nèi)容主要有以下三個方面： 7-1 軸箱定位型式；1) 車輛動力學(xué)對軸箱定位剛度要求（彈性定位）、定位目的（臨界速度、穩(wěn)定性、曲線通過以及輪軌磨耗問題）以及制造成本和檢修對軸箱定位的要求等；2) 軸箱懸掛主要部件；3) 重點介紹目前鐵道車輛采用的各種定位型式（干摩擦導(dǎo)柱式、拉板式、橡膠堆式、轉(zhuǎn)臂式等）以及各自的部件組成、優(yōu)缺點和應(yīng)用車型。7-2 中央懸掛1) 重點介紹中央懸掛裝置分類以及各自的優(yōu)缺點；2) 講述中央懸掛裝置主要部件；3) 介紹中央懸掛主要的彈簧與減振器及其功能；4) 比較普通客車、準高速列車和高速列車在軸箱定位（懸掛）和中央懸掛之間的差異，讓學(xué)生掌握隨著運行速度的提高，列車在軸箱懸掛和中央懸掛方面的變化趨勢，并使其理解高速列車設(shè)計中軸箱定位和中央懸掛應(yīng)采取的合理形式。7-3 高速動車組軸箱定位與中央懸掛（涉及鐵道部技術(shù)引進動車組）1) 介紹四方高速動車組在軸箱定位和中央懸掛方面的特點；2) 介紹長客高速動車組在軸箱定位和中央懸掛方面的特點；3) 介紹青島BSP高速動車組在軸箱定位和中央懸掛方面的特點；重點：軸箱定位型式、中央懸掛裝置。難點：普通客車、準高速客車以及高速客車在軸箱定位型式和中央懸掛之間差異。第八章 車輛懸掛裝置與懸掛力（3課時）本章是本門課程的另一個重點，主要介紹懸掛裝置設(shè)計要求、橡膠元件、空氣彈簧和減振器類型，最后簡單介紹動力學(xué)計算時這些懸掛力如何描述。8-1 車輛懸掛裝置（45分鐘）1) 以209T轉(zhuǎn)向架為例，介紹轉(zhuǎn)向架垂向力傳遞順序2) 重點講解懸掛裝置種類、作用以及他們對于保證車輛運行的平穩(wěn)性和安全性具有的重要意義、懸掛裝置設(shè)計優(yōu)選需要考慮的主要因素等。3) 講述彈簧裝置靜撓度確定基本原則、方法和限制條件8-2 橡膠元件與空氣彈簧（45分鐘）1) 講述橡膠元件應(yīng)用目的和狀況，橡膠元件優(yōu)缺點及其特殊性能、設(shè)計原則、動靜剛度特性等2) 講述空氣彈簧的主要功能、鐵道車輛采用空氣彈簧的優(yōu)點、空氣彈簧剛度決定因素等內(nèi)容。8-3 減振器（30分鐘）1) 重點講述減振器元件的作用（作用力總是與運動的方向相反起著阻止振動的作用，有變機械能為熱能的功能，減振性能受減振阻力的方式和數(shù)值的影響）2) 介紹減振器元件的分類（按阻力特性分類和結(jié)構(gòu)分類）3) 簡要介紹液壓減振器工作原理、客貨車減振器選型原則、以及減振器特性曲線8-4 車輛懸掛力（15分鐘）1） 介紹一系懸掛力求解方式；2） 介紹一系懸掛力求解方式；重點：懸掛裝置設(shè)計優(yōu)選需要考慮的主要因素、橡膠元件和空氣彈簧的優(yōu)、缺點。第九章 軌道不平順（2課時）本章學(xué)習(xí)的目的是為了讓學(xué)生理解，鐵道線路存在多種不平順，這種不平順在列車運行時將形成軌道激擾，使得輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生振動，從而影響列車運行的安全性和乘坐舒適性。在車輛設(shè)計時必須考慮軌道激擾對列車系統(tǒng)的影響。9-1 軌道不平順形式 （45分鐘）9-2 軌道隨機不平順描述方式 （25分鐘）9-3 國內(nèi)外軌道不平順功率譜（20分鐘）重點：軌道不平順形式及描述方式第十章 車輛運動穩(wěn)定性與參數(shù)優(yōu)選（2課時）本章內(nèi)容主要涉及車輛穩(wěn)定性概念和懸掛參數(shù)對系統(tǒng)動力學(xué)性能影響特性。10-1 蛇行運動與自激振動10-2 自由輪對的蛇行運動10-3 系統(tǒng)參數(shù)對臨界速度的影響第十一章 貨車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及動力學(xué)模型（2課時）11-1 貨車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)本節(jié)主要介紹轉(zhuǎn)8AG、轉(zhuǎn)8G型、K1 型、轉(zhuǎn)K2、轉(zhuǎn)K6型、轉(zhuǎn)K4 型、轉(zhuǎn)K5 型、轉(zhuǎn)K3 型等轉(zhuǎn)向架在結(jié)構(gòu)方面共同特點與差異，從動力學(xué)角度講授各型轉(zhuǎn)向架構(gòu)造與振動原理。11-2 交叉支撐裝置 本節(jié)重點講授交叉支撐裝置的結(jié)構(gòu)特點、作用以及在車輛運行過程中的受力狀態(tài)。11-3 貨車動力學(xué)模型建立從分析貨車主要結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹常規(guī)貨車系統(tǒng)動力學(xué)模型建立方法，重點講授各種彈簧力、摩擦力、摩擦力矩等力的求解方式。重點：貨車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及運動原理難點：貨車動力學(xué)模型第十二章 動力學(xué)仿真在高速客車轉(zhuǎn)向架設(shè)計中的應(yīng)用（2課時）12-1 高速客車轉(zhuǎn)向架設(shè)計要求（20分鐘）12-2 轉(zhuǎn)向架設(shè)計中仿真計算種類（50分鐘）12-3 實際設(shè)計中的計算實例（30分鐘）重點：仿真計算種類第十三章 擺式列車基本（2課時）13-1 概述（30分鐘） 主要講述國外目前相對成熟的幾種高速擺式列車情況，這些擺式列車主要有瑞典X2000、法國TGV Atlantique、意大利ETR460 動力分散電動擺式動車組等。 13-2 擺式列車提速能力（35分鐘）13-3 擺式動車組關(guān)鍵技術(shù)（35分鐘）重點：擺式列車提速能力與關(guān)鍵技術(shù)第十四章 磁懸浮列車（2課時）14-1 磁懸浮列車基本概念（20分鐘）14-2 磁懸浮列車發(fā)展概況（20分鐘）14-3 上海磁懸浮列車（20分鐘）14-4 磁懸浮列車工作原理（20分鐘）14-5 磁懸浮列車動力學(xué)（20分鐘）1） 輪軌列車動力學(xué)模型2） 磁懸浮列車動力學(xué)模型重點：磁懸浮列車工作原