车轮定位参数透彻解析
陈虹 周劲松 石晨
摘要： 针对弹性车轮比传统刚性车轮结构复杂且影响车轮强度和寿命因素也更多的问题，通过CAD/CAE仿真软件建立某弹性车轮的有限元模型，基于EN 139791：2003标准，用Abaqus分析在直线工况下橡胶预压缩量、轮轴过盈量和减重孔数量对弹性车轮静强度的影响.对比不同方案下的静强度应力结果，给出一组合理的设计参数.在直线、曲线和道岔工况下的静强度校核结果表明该弹性车轮符合标准.
关键词： 弹性车轮； 橡胶预压缩量； 轮轴过盈量； 减重孔数量； 静强度
中图分类号： U270.33； TB115.1文献标志码： B
Abstract： Compared with the traditional rigid wheels， the structure of the elastic wheels is more complex and there are also more factors that affects the strength and life. A finite element model is built for an elastic wheel by CAD/CAE simulation software. Based on the standard EN 139791：2003， Abaqus is used to analyze the effect of rubber precompression， shrink range of wheel and shaft and quantity of lightening holes on the static strength of the elastic wheel under the linear condition. Compared with the static strength stress results under different schemes， a reasonable set of design parameters is given. The static strength check results indicate that the elastic wheel meets the standard in the linear， curve and turnout conditions.
Key words： elastic wheel； rubber precompression； wheel and shaft shrink range； lightening hole quantity； static strength
0引言
随着轨道交通行业的进一步发展，人们对车辆运行平稳性和舒适性的要求在不断提高.在诸多减振降噪措施中，弹性车轮的应用便是其中之一，其不仅能够降低轨道车辆振动和噪声[1]，提升乘客的乘坐舒适性，还可以减小轮轨间的冲击和磨耗，提高列车运行的平稳性，延长车辆和线路的使用寿命[2].因此，虽然弹性轮对结构相对复杂、制造成本偏高，但是仍然在许多国家得到较快发展.[35]
根据某厂设计的弹性车轮CAD图纸，使用绘图软件SolidWorks建立弹性车轮的三维模型，并使用有限元软件Abaqus对弹性车轮进行静强度分析.Abaqus是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一，不论是分析简单的线弹性问题，还是分析包含几种不同材料、承受复杂的机械和热载荷过程，以及变化的接触条件等的非线性组合问题，都可以得到令人满意的结果.
本文利用Abaqus对比弹性车轮结构中橡胶预压缩量、轮轴过盈量和轮心减重孔数量对车轮强度的影响，给出一组合理的设计参数.静强度校核表明该车轮符合标准.
1弹性车轮有限元模型
1.1弹性车轮三维模型
所设计的弹性车轮结构见图1，包括具有中心孔的轮毂和轮心组件.通过车轴传递的车辆载荷依次传至轮心、橡胶元件和轮毂，最后传至钢轨.车轮内部各组件接触情况分别为：橡胶外表面与轮毂过盈接触；橡胶内表面与轮心、压环面面接触；轮心与压环面面接触；轮心与轮轴过盈接触.轮心组件位于轮毂的中心孔内，且轮心组件与轮毂之间具有允许轮毂与轮心在压迫弹性元件后沿车轮的径向略微移动的间隙.轮心组件包括压环和具有毂孔的轮心，轮心与压环为压装配合，并采用盲孔螺栓连接.还有若干弹性元件位于轮心组件与轮毂之间，采用V型布置，且沿轮毂的中心孔内壁周向均布，可根据车辆轴重和设计刚度要求确定其夹角大小.轮心上设有注油孔，用高压油泵注入高压油即可拆卸.
1.2弹性车轮有限元模型
根据车轮三维模型建立车轮的有限元模型.模型忽略较小的圆角和倒角等细节，这些元素不会对所关心的计算结果产生较大影响，但是会增加计算量.另外，由于在正常运行条件下的循环载荷不会作用在螺栓上，因而可以忽略螺栓的作用.采用HyperMesh进行前处理网格划分[6]，再导入到Abaqus中进行计算求解，该弹性车轮最终划分为242 302个单元，见图2.
该模型中金属单元采用8节点的六面体非协调单元C3D8I进行划分.对橡胶等不可压缩材料进行有限元分析时，应该采用具有位移/压力插值公式的杂交单元.在隐式分析法中橡胶单元通常选用C3D8RH和C3D8H，而C3D8H有更好的变形能力，适用于接触分析，故橡胶单元采用C3D8H.
1.3弹性车轮材料参数
弹性车轮材料参数[7]见表1.安全因数的选取应体现既安全又经济的设计原则，根据《机械设计手册》，在静载下塑性材料可取许用安全因数ns=1.5～2.0.此处，R9T的许用安全因数取1.52.
1.4载荷工况和约束情况
依据EN 139791：2003中关于车轮计算载荷的说明，直线、曲线以及道岔工况的载荷数值[8]如下.
