轻质材料圆弹簧对车辆动力学性能影响分析

宫 琦¹，陈秉智²

(1.大连交通大学机械工程学院，辽宁 大连 116028)

(2.大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028)

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51875073）；大连市科技基金资助项目（2019J11CY017）

作者简介：宫琦（1980—），女，讲师，博士研究生，主要研究方向为轨道车辆虚拟样机性能仿真、多学科优化设计、质量与RAMS工程，172673233@qq.com.)

摘要：为了探究轻质材料在铁路客车上的应用，达到车辆轻量化的目的，提出一种碳纤维复合材料(CFRP)一系圆弹簧。基于传统钢圆弹簧的基本结构，采用CFRP替代钢材料，设计了一种新型一系圆弹簧。根据GB/T1239.6标准对CFRP圆弹簧刚度进行仿真分析。在此基础上，建立高速列车多体系统动力学模型，并对钢圆弹簧和CFRP圆弹簧的车辆稳定性、平稳性和安全性进行对比分析。结果表明：CFRP圆弹簧的车辆稳定性、平稳性和安全性指标值与钢圆弹簧基本保持一致，但其质量降低了80%，表明将轻质材料应用到圆弹簧设计中具有可行性，可为其在高速列车圆弹簧上的应用提供指导。

关键词：碳纤维复合材料；圆弹簧；刚度；动力学分析

中图分类号：U271.91   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)10-0097-05

近些年，国家大力提倡绿色环保理念，轻量化已成为我国高速列车发展的重要目标。转向架的质量达到整车质量的1/3，因此降低转向架质量是解决整车轻量化问题的重要环节^［1］。解决转向架轻量化问题的重中之重是构架和簧下质量的轻量化，簧下质量轻量化能有效降低轮对和钢轨之间的冲击，从而降低车辆的运营成本，也有利于进一步减轻振动，降低列车噪声，提高乘坐舒适度。先进轻质材料在车辆中的应用是轻量化最直接有效的途径。碳纤维复合材料(CFRP)是目前很有潜力的一种新型轻质材料，其具有高比强度、高比模量、耐疲劳、耐腐蚀等优异特性，已被广泛应用于航空、航天、轮船、汽车等各个领域^［2-3］。因此，CFRP是未来铁路客车各部件减重的重要选择。目前CFRP应用于我国铁路客车司机室头罩、裙板、受电弓的导流罩、内饰板等零部件。新一代碳纤维地铁车辆在车体、转向架构架、司机室、设备舱等均使用CFRP制造^［4］；李永华等^［5］对复合材料地铁车车头外罩铺层进行了优化设计，车头外罩的轻量化效果明显；周伟旭^［6］对CFRP车体从应用与技术方面进行了分析，证实了将该材料用于承载结构是可行的；王胜光等^［7］通过计算和实验证明了CFRP用在车辆空调壳体上是可行的。就检索的文献看，将CFRP用在铁路客车圆弹簧上未见报道，而将其应用于汽车的悬架圆弹簧上已引起国内外汽车企业的广泛关注，国内外的科研人员已对CFRP圆弹簧的有限元分析、制造、实验、结构优化、刚度影响等方面进行了一些早期的探索性研究^［8-12］。

基于此，本文本着节约制造成本的原则和对轴箱、构架制造工艺没有影响的前提下，保持圆弹簧结构不变，尝试将CFRP应用到铁路客车转向架一系圆弹簧上。运用数值仿真分析方法对CFRP圆弹簧的质量、垂向刚度、横向刚度进行计算，利用多体系统动力学理论计算并分析了车辆运行的稳定性、平稳性和安全性，并与钢圆弹簧的车辆动力学性能进行了对比分析。