高速軌道車輛一系垂向懸架最優(yōu)阻尼比的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及高速軌道車輛懸置，特別是高速軌道車輛一系垂向懸架最優(yōu)阻尼比的 設計方法。
【背景技術】
[0002] -系垂向懸架系統(tǒng)能夠有效緩和輪軌沖擊，隔離高頻沖擊對車輛造成的危害，其 阻尼比的設計或選取，是設計一系垂向懸架系統(tǒng)減振器閥系參數(shù)所依據(jù)的重要參數(shù)。盡管 已有學者對軌道車輛一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比作了大量研究，例如，同濟大學的王福天教 授曾給出了軌道車輛單質量二自由度一系垂向懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比值（ξ = 〇. 1925)， 但一直未曾給出具有實際應用價值的一系垂向懸架系統(tǒng)的阻尼比。據(jù)所查閱資料可知，目 前國內、外對于高速軌道車輛一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比的設計，大都是按經(jīng)驗選取一定的 阻尼比值（通常經(jīng)驗阻尼比為0. 2~0. 3)，然后，借助計算機技術，利用多體動力學軟件 S頂PACK或ADAMS/Rail，通過實體建模來優(yōu)化和確定其大小，盡管該方法可以得到比較可 靠的仿真數(shù)值，使車輛具有較好的動力性能，然而，隨著軌道車輛行駛速度的不斷提高，人 們對高速軌道車輛一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比的設計提出了更高的要求，目前一系垂向懸架 系統(tǒng)阻尼比設計的方法不能給出具有指導意義的創(chuàng)新理論，不能滿足軌道車輛不斷提速情 況下對減振器設計要求的發(fā)展。因此，必須建立一種準確、可靠的高速軌道車輛一系垂向懸 架最優(yōu)阻尼比的設計方法，滿足軌道車輛不斷提速情況下對減振器設計的要求，提高高速 軌道車輛懸置系統(tǒng)的設計水平及產(chǎn)品質量，提高車輛行駛平穩(wěn)性和安全性；同時，降低設計 及試驗費用，縮短產(chǎn)品設計周期，增強中國軌道車輛的國際市場競爭力。

【發(fā)明內容】

[0003] 針對上述現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種準確、 可靠的高速軌道車輛一系垂向懸架最優(yōu)阻尼比的設計方法，其設計流程圖如圖1所示；高 速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動模型圖如圖2所示。
[0004] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所提供的高速軌道車輛一系垂向懸架最優(yōu)阻尼比的 設計方法，其特征在于采用以下設計步驟：
[0005] (1)建立高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動微分方程：
[0006] 根據(jù)1/4單節(jié)車體的滿載質量m，懸架彈簧的等效剛度M寺設計一系垂向懸架的 阻尼比ξ，其中，懸架減振器的等效阻尼系數(shù)C; =2&/^，懸架減振器的端部連接等效剛 度Km;以減振器活塞桿的垂向位移ζ ?^及車體質心的垂向位移ζ 坐標；以軌道高低不平 順隨機輸入Zv為輸入激勵，建立高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動微分方程， 即：
[0008] (2)確定車體垂向振動位移頻率響應函數(shù)~(.丨0)_,. ?
[0009] 根據(jù)步驟（1)中所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動微分方 程，經(jīng)傅里葉變換，確定車體垂向振動位移頻率響應函數(shù)，即：
[0011] (3)建立一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比目標函數(shù)Κξ)的解析表達式：
[0012] I步驟：根據(jù)軌道高低不平順大小幅值參數(shù)G，車輛行駛速度V，及步驟（2)中所確 定的車體垂向振動位移頻率響應函數(shù)，建立一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比的目標函 數(shù)JU)，即：
[0014] 式中，μ =K1VK1;
[0015] II步驟：根據(jù)I步驟所建立的一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比的目標函數(shù)J( ξ )，利用 Matlab，求解得到方程= 的正實數(shù)根，SP μ = 2; op
[0016] III步驟：根據(jù)I步驟所建立的一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比的目標函數(shù)J( ξ )，及II 步驟中求得的μ =2,建立一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比目標函數(shù)Κξ)的解析表達式，即：
[0018] (4)確定一系垂向懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比ξ。。：
[0019] 根據(jù)步驟（3)中所建立的一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比目標函數(shù)JU)的解析表 達式，利用MATLAB，求解
的正實數(shù)根，便可得到一系垂向懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比 ^ OC ?
[0020] (5)確定一系垂向懸架系統(tǒng)的最大許用阻尼比ξΜ:
[0021] ①確定軌道高低不平順大小幅值參數(shù)G :
[0022] A步驟：根據(jù)步驟（1)中所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動 微分方程，及步驟（3)中II步驟計算得到的μ = KqiZK1= 2,利用Matlab/Simulink仿真 軟件，構建高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿真模型；
[0023] B步驟：根據(jù)步驟（4)中設計得到的最佳阻尼比
及A步驟中 所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿真模型，以軌道高低不平順隨機 輸入為輸入激勵，仿真得到車體垂向運動的振動加速度均方根值Cl。。
[0024] C步驟：根據(jù)步驟（4)中設計得到的最佳阻尼比
及A步驟中 所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿真模型，以利用軌道高低不平順 LlN 丄UO丄丄/004 Λ 1VJ I·* ?/? ^ 隨機輸入簡化函數(shù)
所合成的軌道高低不平順隨機信號為輸入激勵，對車體垂 向運動的振動加速度均方根值進行仿真；
[0025] D步驟：利用步驟B中所得到的車體垂向運動的振動加速度均方根值crW及步 驟C中仿真所得到的車體垂向運動的振動加速度均方根值#^*，建立軌道高低不平順大 小幅值參數(shù)的優(yōu)化設計目標函數(shù)Jmin，即：
[0027] E步驟：根據(jù)A步驟中所建立的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿 真模型，以軌道高低不平順大小幅值參數(shù)為設計變量，以軌道高低不平順隨機輸入Zv為輸 入激勵，利用優(yōu)化算法求D步驟中所建立軌道高低不平順大小幅值參數(shù)的優(yōu)化設計目標函 數(shù)J_的最小值，所對應的優(yōu)化變量即為軌道高低不平順大小幅值參數(shù)G ;
[0028] ②一系垂向懸架系統(tǒng)最大許用阻尼比ξ Μ的設計：
[0029] 根據(jù)車輛參數(shù)，車體垂向振動加速度的最大設計要求值Α，步驟（3)中所建立的一 系垂向懸架系統(tǒng)最大許用阻尼比目標函數(shù)J( ξ )的解析表達式，及①步驟中求得的軌道高 低不平順大小幅值參數(shù)G，建立一系垂向懸架系統(tǒng)最大許用阻尼比ξ Μ的設計數(shù)學模型， 即：
[0031] 利用Matlab計算程序，求解上述關于ξ的方程的正實數(shù)根，便可得到一系垂向懸 架系統(tǒng)最大許用阻尼比的設計值；
[0032] (6) -系垂向懸架最優(yōu)阻尼比ξ。的設計：
[0033] 根據(jù)步驟（4)中設計得到的最佳阻尼比Ici。，及步驟（5)中②步驟設計得到的最 大許用阻尼比ξ。3，利用黃金分割原理，計算得到偏舒適性的一系垂向懸架系統(tǒng)的最優(yōu)阻尼 比ξ。，即：
[0035] 本發(fā)明比現(xiàn)有技術具有的優(yōu)點：
[0036] 目前國內、外對于高速軌道車輛一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比的設計，大都是按經(jīng)驗 選取一定的阻尼比值（通常經(jīng)驗阻尼比為〇. 2~0. 3)，然后，借助計算機技術，利用多體動 力學軟件SniPACK或ADAMS/Rail，通過實體建模來優(yōu)化和確定其大小，盡管該方法可以得 到比較可靠的仿真數(shù)值，使車輛具有較好的動力性能，然而，隨著軌道車輛行駛速度的不斷 提高，人們對高速軌道車輛一系垂向懸架系統(tǒng)阻尼比的設計提出了更高的要求，目前一系 垂向懸架系統(tǒng)阻尼比設計的方法不能給出具有指導意義的創(chuàng)新理論，不能滿足軌道車輛不 斷提速情況下對減振器設計要求的發(fā)展。
[0037] 本發(fā)明通過建立高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動模型，建立了一系 垂向懸架系統(tǒng)阻尼比的目標函數(shù)，進而計算得到一系垂向懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比和最大許 用阻尼比，并利用黃金分割原理，計算得到一系垂向懸架系統(tǒng)的最優(yōu)阻尼比。通過設計實例 及SMPACK仿真驗證可知，該方法可得到準確可靠的一系垂向懸架系統(tǒng)的最優(yōu)阻尼比值， 為高速軌道車輛一系垂向懸架阻尼比的設計提供了可靠的設計方法。利用該方法，不僅可 提高高速軌道車輛懸置系統(tǒng)的設計水平及產(chǎn)品質量，提高車輛乘坐舒適性和安全性；同時， 還可降低產(chǎn)品設計及試驗費用，縮短產(chǎn)品設計周期，增強我國軌道車輛的國際市場競爭力。
【附圖說明】
[0038] 為了更好地理解本發(fā)明下面結合附圖做進一步的說明。
[0039] 圖1是高速軌道車輛一系垂向懸架最優(yōu)阻尼比設計方法的設計流程圖；
[0040] 圖2是高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動模型圖；
[0041] 圖3是實施例的/(Ti2GV)]隨阻尼比ξ變化的曲線；
[0042] 圖4是實施例的高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動仿真模型；
[0043] 圖5是實施例所施加的德國軌道高低不平順隨機輸入激勵；
[0044] 圖6是實施例仿真所得到的車體垂向運動的振動加速度曲線。 具體實施方案
[0045] 下面通過一實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0046] 某高速軌道車輛的1/4單節(jié)車體的滿載質量m = 17371kg，懸架彈簧的等效剛度 K1= 6. 86X IO5NAi;待設計一系垂向懸架的阻尼比為ξ，其中，懸架減振器的等效阻尼系數(shù) (T1 =2~^'懸架減振器的端部連接等效剛度K01。該高速軌道車輛車體垂向振動加速度 的最大設計要求值A = 0. 7835m/s2, 一系垂向懸架阻尼比設計所要求的車輛行駛速度V = 300km/h，對該高速軌道車輛一系垂向懸架的最優(yōu)阻尼比進行設計。
[0047] 本發(fā)明實例所提供的高速軌道車輛一系垂向懸架最優(yōu)阻尼比的設計方法，其設計 流程圖如圖1所示，高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動模型圖如圖2所示，具體 步驟如下：
[0048] (1)建立高速軌道車輛1/4車體二自由度行駛垂向振動微分方程：
[0049] 根據(jù)1/4單節(jié)車體的滿載質量m = 17371kg，懸架彈簧的等效剛度K1 = 6.86X 105N/m;待設計一系垂向懸架的阻尼比ξ，其中，懸架減振器的等效阻尼系數(shù) C二，懸架減振器的端部連接等效剛度Km;以減振器活塞桿的垂向位移ζ Μ及車體 質心的垂向位移21為坐標；以軌道高低