跨坐式單軌車輛走行輪輪輞優化設計*

杜子學 楊 震 許舟洲 侯忠偉 王湘壽

（1.重慶交通大學交通運輸學院，400074，重慶；2.通號軌道車輛有限公司，410100，長沙//第一作者，教授）

跨坐式單軌車輛走行輪輪輞優化設計*

杜子學1楊 震1許舟洲1侯忠偉1王湘壽2

（1.重慶交通大學交通運輸學院，400074，重慶；2.通號軌道車輛有限公司，410100，長沙//第一作者，教授）

跨坐式單軌車輛的轉向架結構與其他軌道交通車輛不同，其轉向架走行機理差異是關鍵。為此，從單軌列車輪輞與輪芯的摩擦連接行為、摩擦特性研究入手，將走行輪輪輞圓錐斜面椎角由28°優化為27°。通過靜扭試驗，驗證了優化后的27°輪輞傳動性能優于28°輪輞。運用Hyperwoks有限元軟件計算分析，結果表明優化過后的輪輞剛度與強度均滿足設計要求。

跨坐式單軌車輛；走行輪；輪輞；優化設計

跨坐式單軌交通車輛的轉向架結構及軌道梁形式與其他軌道交通車輛不同，故跨坐式單軌車輛的走行輪必然是小直徑、大負荷能力的橡膠輪胎，而與輪胎相配合的輪輞與輪芯也必然是全新設計的非標準件。由于轉向架空間緊湊，走行輪輪輞與輪芯采用楔塊鎖緊的圓錐面無鍵聯接，因此，實現輪輞-輪芯驅動系統的穩定性是跨坐式單軌車輛走行系統技術的關鍵。

無圓錐面無鍵聯接具有對中性好、聯接零件無鍵槽削弱、傳遞轉矩大等特點，在正反轉及較大沖擊載荷工況下也能可靠工作,可多次裝拆而不易損傷配合表面,具有一定的過載保護功能［1］。在跨坐式單軌走行系統輪輞圓錐面無鍵連接中，準確分析錐角與傳遞扭矩的關系對增加傳動系統安全系數、保障車輛運行安全具有重要意義。

1 跨坐式單軌車輛走行系統的結構和原理

單軌列車走行系統主要由驅動軸、輪芯、內外輪輞、鎖環、擋圈、隔圈、輪胎和楔塊等零部件組成（如圖1所示）。單軌列車走行系統與汽車行駛系統的驅動橋類似，但減速器的布置方式與汽車不同。減速箱輸出的扭矩通過驅動軸傳遞給輪芯；楔塊以雙頭螺柱固定在輪芯上，通過圓錐面過盈聯接產生的摩擦將動力傳遞給輪輞，從而實現動力傳輸。在單軌列車走行系統的輪輞-輪芯系統中充分利用了摩擦原理，楔塊起到了關鍵的“橋梁”作用［2］。

根據重慶跨坐式單軌車輛相關資料，進口車體輪輞體與楔塊及輪芯的配合錐度角為28°（如圖2所示）。本文選取27°為優化的配合錐度角，并對二者進行對比分析。

2 配合錐度角優化前后的對比分析

參考圓錐面無鍵聯接的受力計算分析［3-4］，對輪輞輪芯系統的楔塊進行受力分析（見圖3）。

在圖3中兩個斜面所受壓力F1、F2，可由楔塊的靜力平衡方程方程求出：

圖1 走行系統的結構圖

圖2 錐角為28°的楔塊

式中：

q——螺栓預緊力；

K——與摩擦有關的系數，一般K=0.2；

Tn——螺栓擰緊力矩；

d——連接螺栓的直徑；

α——楔塊與輪輞配合的錐面斜角；

β——楔塊與輪芯配合的斜面錐角；

ρ——摩擦角，ρ=arctan（f）；

f——楔塊與輪輞輪芯的摩擦系數，當鋼件與鋼件之間沒有摩擦時f=0.15。

當楔塊鎖緊螺母的擰緊力矩Tn=170 Nm時，如α=28°，則 F1，28°=58 801.110 N，F2，28°=48 628.518 N；如 α=27°，則 F1，27°=60 471.591 N，F2，27°=53 215.000 N。

每個輪輞-輪芯系統有12個楔塊，所以每個輪輞-輪芯系統由楔塊在整個輪輞配合面上傳遞的總壓力為：

圖3 楔塊受力圖

在配合面上傳遞的摩擦力為F磨=F1，總f，則有：

輪輞輪芯系統能提供的最大扭矩Tmax=F磨d/2。

其中，28°輪輞平均結合直徑 d1=374.7 mm，27°輪輞平均結合直徑d2=373.7 mm。

由計算所得，在相同的楔塊螺母鎖緊力下，27°輪輞能傳遞的最大扭矩大于28°輪輞。故選擇27°輪輞。楔塊與輪輞體配合的斜面錐角相應為27°。27°楔塊與28°楔塊如圖4～5所示。

結合圖4～5，計算可得當楔塊與輪輞配合的斜面椎角改為27°后，楔塊與輪輞配合的長度由13.69 mm增加到17.03 mm；相應的楔塊與輪輞體配合的面積Aα也會增加（如圖6所示）。

28°楔塊與輪輞的配合面面積為 A28°=708.81 mm，27°楔塊與輪輞的配合面面積為 A27°=978.94 mm。楔塊與輪輞配合面的接觸壓應力為：

式中：

Fα——楔塊與輪輞接觸面的壓力。

經計算，P28°=82.96 MPa，P27°=61.77 MPa?？梢姡?8°楔塊對輪輞體的應力較大。

因此，改進后的27°輪輞-輪芯系統不僅能傳遞更大的扭矩，而且27°楔塊對輪輞體的應力更小。

經過嚴格的設計計算，將跨坐式單軌車輛走行系統的輪輞-輪芯系統中輪輞錐角以及與輪輞配合的楔塊的錐角優化為27°。

圖4 斜面椎角為28°的楔塊

3.3 試驗結果

試驗結果見表1。

表1 試驗結果

圖5 斜面椎角為27°的楔塊

圖 6 28°楔塊與27°楔塊實景

3 輪輞-輪芯系統的承載能力試驗

3.1 試驗輪輞的設計

跨坐式單軌車輛的輪輞與輪芯因結構原因，無法安裝在靜扭試驗臺上，故重新設計制造了便于與靜扭試驗臺安裝的28°、27°模擬輪輞及輪芯。模擬輪輞輪芯的配合尺寸，材質與加工工藝均按照原件圖紙。

3.2 試驗方案

在靜扭試驗臺上，對27°、28°兩種錐度角的輪輞-輪芯-楔塊系統的楔塊螺栓分別施加10 Nm、20 Nm、30 Nm、50 Nm的扭矩，并依次以10 Nm遞增，從而測試出在楔塊螺栓不同擰緊力矩下能傳遞的最大扭矩。

如發生打滑，或者模擬組件能傳遞的最大力矩接近 T1=Tηn=14 405．09 Nm 時，則停止試驗，認為達到了極端狀況。如繼續增加楔塊螺栓預緊力，然后加載使模擬組件打滑，則可能損壞組件，或者超出連接螺栓能夠承受的極限，會帶來危險性后果。

從試驗結果可以看出，27°輪輞-輪芯系統能傳遞的最大扭矩都大于28°輪輞-輪芯系統，證明了改進后的27°錐角的輪輞傳動性能優于28°輪輞。

4 輪輞有限元分析

對外輪輞進行靜載荷、動載荷及緊急制動等3種工況下的有限元分析。外輪輞在各工況下的應力應變分析結果見表2。

表2 外輪輞各工況下應力應變有限元分析結果

根據計算分析結果，在各種工況下的外輪輞較大變形均主要集中在輪輞外輪緣處（見圖7），最大變形量為0.178 mm。此變形量相對較小，安全系數足夠，輪輞剛度滿足設計要求。

圖7 外輪輞最大變形處

根據計算分析結果，各種工況下外輪輞的較大應力主要集中在楔塊與輪輞接觸面（見圖8）。最大應力為168.1 MPa，遠小于輪輞材料的屈服強度，具有足夠的安全系數。輪輞強度滿足設計要求。

圖8 外輪輞最大應力處

5 結語

通過靜扭試驗，優化后的輪輞-輪芯系統在承載能力上優于優化前，而且通過有限元分析計算，優化后的輪輞強度與剛度都滿足設計要求，優化后的輪輞-輪芯走行系統對增加傳動系統安全系數和車輛運行安全具有重要意義。本文對跨坐式單軌輪輞-輪芯進行優化分析及試驗，這對跨坐式單軌車輛輪輞的國產化以及圓錐面無鍵聯接在城市軌道交通中的應用具有指導意義。圓錐面無鍵聯接屬于過盈聯接，在聯接面上由于楔塊的鎖緊，楔塊與輪輞接觸面上由于過盈產生的過盈力對輪輞強度產生的影響，還需要作進一步研究。

［1］ 李海國，張小菊，徐慶杰.幾種無鍵聯接機構的形式及特點［J］.重型機械科技，2007（4）：46.

［2］ 顏溯，杜子學，何希和.跨座式單軌交通車輛道岔結構及分析［M］.北京：人民交通出版社，2013：12.

［3］ 劉萬俊，王志堅，龔小平，等.一種新的無鍵聯接結構設計［J］.現代機械，2005（2）：44.

［4］ 韓正銅.圓錐面無鍵聯接的受力分析計算［J］.機械科學與技術，1995（3）：13.

Structural Optimization of Walking Wheel Rim Design for Straddle-type Monorail Vehicle

DU Zixue，YANG Zhen，XU Zhouzhou，HOU Zhongwei，WANG Xiangtao

The important difference between straddle-type monorail and the subway system is the bogie structure,the key discrepancy of which is the bogie direction mechanism.Therefore,the optimization of walking wheel is studied firstly from the perspective of the friction and connection behavior between the wheel rim and wheel core,the conical surface angle of walking wheel rim is optimized from 28 degrees to 27.Through static torsion test,the 27 degrees rim has displayed higher drive performance than the 28 degrees rim.Then the finite element analysis software Hyperwoks is used to analyze the straddle-type monorail rim,and the results indicate that the optimized stiffness and strength of the walking wheel rim can meet the design requirements.

straddle-type monorail vehicle；walking wheel；rim；optimum design

First-author′s address Traffic and Transportation College，Chongqing Jiaotong University，400074，Chongqing，China

U270.33∶U232

10.16037/j.1007-869x.2017.12.006

*國家自然科學基金項目（51475062）

2016-04-14）