機(jī)械差速器耦合輪對軌道車輛導(dǎo)向性能分析

魏玉

摘 要：目前對稱樣式的差速器廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)車輪軌道車輛中，左右車輪差速控制的裝置，成為時下研究的一個熱點(diǎn)問題。研究學(xué)者在動力學(xué)的基礎(chǔ)上對機(jī)械差速耦合輪對運(yùn)行車輛的影響建立了模型進(jìn)行分析，其中包含剛性的車輪和獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的車輪，通過模型分析對比研究了機(jī)械差速耦合輪對車輛直線和曲線行駛導(dǎo)向性能的研究。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械差速耦合裝置獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的車輪在車輪在復(fù)位對中有著積極的影響，對獨(dú)立車輪導(dǎo)向能力差有了很好的解決辦法。和剛性車輪進(jìn)行比較，機(jī)械差速在通過性能上有著更好的安全性和導(dǎo)向性能。在城市軌道交通領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用。文章通過討論車輪導(dǎo)向的原理，研究了機(jī)械差速耦合裝置對軌道交通車輛導(dǎo)向性能的影響。關(guān)鍵詞：機(jī)械差速耦合輪;軌道車輛;導(dǎo)向性能中圖分類號：U463.218? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-62-03

Abstract： At present， symmetrical differential is widely used in rotary wheel-rail vehicles. The device of differential control between left and right wheels has become a hot issue in current research. On the basis of dynamics， the influence of mechanical differential coupling wheelset on running vehicles is analyzed by a model， which includes rigid wheels and independently rotating wheels. Through the model analysis， the steering performance of mechanical differential coupling wheelset in straight line and curve is studied. It is found that the wheels rotating independently of the mechanical differential coupling device have a positive impact on the wheel alignment in the reset， and have a good solution to the poor steering ability of the independent wheels. Compared with rigid wheels， mechanical differential has better safety and guidance performance in passing performance. It has a good application in the field of urban rail transit. By discussing the principle of wheel steering， this paper studies the influence of mechanical differential coupling device on the steering performance of rail transit vehicles.Keywords： Mechanical differential coupling wheel; Track vehicle; Guidance performanceCLC NO.： U463.218? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-62-03

引言

機(jī)械差速是使左右驅(qū)動輪以不同的速度轉(zhuǎn)動的裝置，當(dāng)車輪處于崎嶇不平的路面行駛或者轉(zhuǎn)彎的時候，車輪的轉(zhuǎn)動速度就會存在著差異，車兩側(cè)的車輪就類似于純滾動。為了能讓車輛的行駛速度保持基本的一致，所以需要設(shè)置差速器來調(diào)整轉(zhuǎn)速差。這樣汽車在轉(zhuǎn)彎的時候，就可以通過差速的區(qū)別，讓右側(cè)的輪子比左邊的輪子行駛的弧線要長，來彌補(bǔ)距離的差異，從而更好的實(shí)現(xiàn)車輛的導(dǎo)向性能。

1 車輪導(dǎo)向的原理分析

車輪的導(dǎo)向作用指的是車輪偏離了軌道的中心地帶之后靠近中心線運(yùn)動的趨勢，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的一部分原因是車輪蠕滑力的對車輛的導(dǎo)向作用^[1]。以傳統(tǒng)的固定輪對來說明，它的左右的車輪固定在同一個輪軸上面，所以車輪的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)向的角度都一致。當(dāng)車輪的偏離的方向向正方向偏離一定的距離時，作用輪軌接觸點(diǎn)的地方會形成滾動圓的半徑差，這時候輪軌的運(yùn)動速度都是相同的，這樣造成的結(jié)果就是在輪軌的接觸點(diǎn)處產(chǎn)生相對滑動，進(jìn)而出現(xiàn)一種縱向的蠕滑力，蠕滑力的分量能起到偏轉(zhuǎn)力矩的效果，使得車輪逆時針旋轉(zhuǎn)，如果偏轉(zhuǎn)角為負(fù)的，此時在橫向方向上就會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)蠕滑力，重力復(fù)原值也為負(fù)的。在兩種作用力的共同作用下，車輪就有著向軌道中央行進(jìn)的趨勢。

當(dāng)傳統(tǒng)固定的車輪形成一種獨(dú)立回轉(zhuǎn)狀態(tài)時，車輪就會圍繞車軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)作用，所以也就不存在動態(tài)的復(fù)位功能了。當(dāng)車輪處于橫向滑動的時候，此時車輪的復(fù)位趨勢主要起作用的是重力復(fù)原力，但這必須要求重力復(fù)原力的值大于橫向的摩擦力，這樣的合力才會抵消摩擦力，有偏向中心線移動的趨勢。重力復(fù)原力是需要依靠兩個車輪的接觸角和滑動的摩擦系數(shù)產(chǎn)生。可以利用輪座的方式來解決獨(dú)立回轉(zhuǎn)車輪偏轉(zhuǎn)和不能恢復(fù)原位置的情況，從理論上進(jìn)行分析，輪座是一種較為理想的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，但是輪座的部分要?dú)w屬于簧下，這樣簧下的部分就會增加，簧下的質(zhì)量就會加大，此時高錐度的踏面產(chǎn)生的輪軌磨損也是十分嚴(yán)重的。在解決導(dǎo)向問題上面，還可以采用三軌的形式來進(jìn)行導(dǎo)向，這樣可以避免蠕滑作用的產(chǎn)生。在尋找車輪回轉(zhuǎn)的導(dǎo)向的方法中，也有部分學(xué)者提出了耦合輪對的情況，這樣的輪對保持一種既不是完全固定，而不是完全獨(dú)立的狀態(tài)，而是通過一種裝置來對車輪進(jìn)行耦合，這樣既減少對輪軌的蠕滑作用，也保留了輪對自身的導(dǎo)向特性，這樣車輪的直線和曲線通過能力都得到了提升。

2 左右車輪差速為零的導(dǎo)向技術(shù)

當(dāng)車輪的左右差速為零的時候，對獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的車輪進(jìn)行主動導(dǎo)向控制，這樣當(dāng)且僅當(dāng)在獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的車輪旋轉(zhuǎn)力為零的時候，可以獲得傳統(tǒng)的剛性輪在曲線時的滾動作用，在實(shí)際情況中，因為獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)車輪會安裝在旋轉(zhuǎn)架上，這樣一系列的縱向定位剛度就對車輛的轉(zhuǎn)向架起到十分重要的作用，所以就不能為零。

轉(zhuǎn)速差的控制裝置使由車輛行駛時車輪的轉(zhuǎn)速和差速控制系統(tǒng)組成，在車輪上會安裝有測速的裝置，裝置會對車速進(jìn)行感應(yīng)，將感應(yīng)的結(jié)果傳送至信息控制系統(tǒng)，接收到轉(zhuǎn)速信息后會將信息放大，當(dāng)車輪處于較快情況下行駛時，會產(chǎn)生一個阻力的轉(zhuǎn)矩，來適量的調(diào)整車速，給運(yùn)行較慢的車輪增加一個動力轉(zhuǎn)矩，起到促進(jìn)車輛運(yùn)動的作用，這樣實(shí)現(xiàn)了差速為零的控制的效果。我們可以得出，采用差速控制的系統(tǒng)可以將獨(dú)立的車輪達(dá)到與小輪剛性輪對和橫向的耦合車輪獲得同樣的導(dǎo)向作用，如果增益的選擇較小的情況下，導(dǎo)向能力就會像縱向的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的車輪。但如果僅僅依靠轉(zhuǎn)速差的比例進(jìn)行控制，耦合模型在不同增益下的車輪偏移量是差不多的，會發(fā)生碰輪緣的作用。但不能解決旋轉(zhuǎn)車輪對軌道的磨損程度。

除此之外，在控制增益增大的情況下，獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)車輪的橫向振蕩位移就會加大。產(chǎn)生這樣結(jié)果的原因是因為車輛在各個效果的增益下的速度相同，車輛的橫向速度基本保持一致，隨著復(fù)位時間的逐漸縮短，需要消耗的橫向能量是不會發(fā)生變化的，而此時消耗的功率就會加大，這是就需要更大的橫向位移來滿足高能量的功率消耗，就會導(dǎo)致獨(dú)立的車輪橫向的振蕩能力加大，通過研究發(fā)現(xiàn)，如果增益的控制效果過大會導(dǎo)致車輛運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，也有可能會出現(xiàn)脫軌的可能，所以一般情況下控制增益的量不要過大。隨著增益效果的增大，車輪的縱向蠕滑力也會增大，從而使得旋轉(zhuǎn)車輪的縱向蠕滑力矩變大，導(dǎo)向能力也會隨之增強(qiáng)。當(dāng)增益在小于500的時候，獨(dú)立車輪的旋轉(zhuǎn)沖角一致，基本不存在變化的趨勢。當(dāng)增益達(dá)到500的時候，沖角的值就會減小，但此時的變化效果并不明顯，因為在多種增益效果下車輪會發(fā)生碰輪緣的問題，輪軌間的間隙基本被消耗殆盡，這時的獨(dú)立車輪的各項參數(shù)指標(biāo)基本相同。

綜上所述，在差速為零的耦合控制下，獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的車輪會獲得導(dǎo)向性能，還可以通過調(diào)節(jié)增益的方式來獲得與小輪徑的車輪或者橫向耦合的車輪達(dá)到相同的轉(zhuǎn)向能力。僅僅依靠差速為零的控制無法解決車輪對軌道的磨損問題，因此主動控制的導(dǎo)向策略需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

3 曲線差速控制導(dǎo)向技術(shù)

隨著轉(zhuǎn)速差的控制增益的提高，獨(dú)立車輪具有較強(qiáng)的導(dǎo)向能力。但是隨著增益的增大，再經(jīng)過小半徑的曲線區(qū)域時，會出現(xiàn)碰輪緣的情況，這會使得車輪以及軌道的磨損增大，縮短了列車和導(dǎo)軌的使用壽命，同時也為車輛的運(yùn)行埋下了隱患。所以，減小車輪與導(dǎo)軌的碰輪緣的情況是當(dāng)下研究的問題。通過建立控制車輛的橫向移動量，來減小車輪與導(dǎo)軌之間的碰輪緣。通過改變比例控制增益，以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪的橫移量和沖角為參考值進(jìn)行實(shí)驗分析。經(jīng)試驗可知，通過左右車輪轉(zhuǎn)速差控制可以一定程度的減少輪緣的磨損。所以，采用這種方式，通過選擇合適的轉(zhuǎn)速差，能夠有效地增加車輪和鋼軌的使用年限，減少損耗問題。

4 結(jié)論

經(jīng)研究和分析所得，機(jī)械差速耦合裝置獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的車輪在車輪在復(fù)位對中起著很大的恢復(fù)作用，同時解決了獨(dú)立車輪導(dǎo)向能力差，獨(dú)立鋼輪和鋼軌易磨損的問題。機(jī)械差速耦合裝置獨(dú)立旋轉(zhuǎn)車輪與剛性車輪相比，當(dāng)通過小半徑的曲線來說，優(yōu)勢明顯，具有良好的導(dǎo)向性和安全性，但是這種方式仍處于應(yīng)用初期，對待各種不同情況的道路仍然存在一些

問題。但綜合而言，機(jī)械差速器耦合輪的應(yīng)用在很大程度上提高了車輛的安全性能和導(dǎo)向性，并提高了使用壽命，對城市中的軌道交通發(fā)展起著促進(jìn)作用。

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