机械差速器耦合轮对轨道车辆导向性能分析

魏玉

摘 要：目前对称样式的差速器广泛应用于旋转车轮轨道车辆中，左右车轮差速控制的装置，成为时下研究的一个热点问题。研究学者在动力学的基础上对机械差速耦合轮对运行车辆的影响建立了模型进行分析，其中包含刚性的车轮和独立旋转的车轮，通过模型分析对比研究了机械差速耦合轮对车辆直线和曲线行驶导向性能的研究。研究发现，机械差速耦合装置独立旋转的车轮在车轮在复位对中有着积极的影响，对独立车轮导向能力差有了很好的解决办法。和刚性车轮进行比较，机械差速在通过性能上有着更好的安全性和导向性能。在城市轨道交通领域有着很好的应用。文章通过讨论车轮导向的原理，研究了机械差速耦合装置对轨道交通车辆导向性能的影响。关键词：机械差速耦合轮;轨道车辆;导向性能中图分类号：U463.218  文献标识码：A  文章编号：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

机械差速是使左右驱动轮以不同的速度转动的装置，当车轮处于崎岖不平的路面行驶或者转彎的时候，车轮的转动速度就会存在着差异，车两侧的车轮就类似于纯滚动。为了能让车辆的行驶速度保持基本的一致，所以需要设置差速器来调整转速差。这样汽车在转弯的时候，就可以通过差速的区别，让右侧的轮子比左边的轮子行驶的弧线要长，来弥补距离的差异，从而更好的实现车辆的导向性能。

1 车轮导向的原理分析

车轮的导向作用指的是车轮偏离了轨道的中心地带之后靠近中心线运动的趋势，产生这种现象的一部分原因是车轮蠕滑力的对车辆的导向作用^[1]。以传统的固定轮对来说明，它的左右的车轮固定在同一个轮轴上面，所以车轮的旋转速度和转向的角度都一致。当车轮的偏离的方向向正方向偏离一定的距离时，作用轮轨接触点的地方会形成滚动圆的半径差，这时候轮轨的运动速度都是相同的，这样造成的结果就是在轮轨的接触点处产生相对滑动，进而出现一种纵向的蠕滑力，蠕滑力的分量能起到偏转力矩的效果，使得车轮逆时针旋转，如果偏转角为负的，此时在横向方向上就会出现偏转蠕滑力，重力复原值也为负的。在两种作用力的共同作用下，车轮就有着向轨道中央行进的趋势。

当传统固定的车轮形成一种独立回转状态时，车轮就会围绕车轴发生旋转作用，所以也就不存在动态的复位功能了。当车轮处于横向滑动的时候，此时车轮的复位趋势主要起作用的是重力复原力，但这必须要求重力复原力的值大于横向的摩擦力，这样的合力才会抵消摩擦力，有偏向中心线移动的趋势。重力复原力是需要依靠两个车轮的接触角和滑动的摩擦系数产生。可以利用轮座的方式来解决独立回转车轮偏转和不能恢复原位置的情况，从理论上进行分析，轮座是一种较为理想的导向结构，但是轮座的部分要归属于簧下，这样簧下的部分就会增加，簧下的质量就会加大，此时高锥度的踏面产生的轮轨磨损也是十分严重的。在解决导向问题上面，还可以采用三轨的形式来进行导向，这样可以避免蠕滑作用的产生。在寻找车轮回转的导向的方法中，也有部分学者提出了耦合轮对的情况，这样的轮对保持一种既不是完全固定，而不是完全独立的状态，而是通过一种装置来对车轮进行耦合，这样既减少对轮轨的蠕滑作用，也保留了轮对自身的导向特性，这样车轮的直线和曲线通过能力都得到了提升。

2 左右车轮差速为零的导向技术

当车轮的左右差速为零的时候，对独立旋转的车轮进行主动导向控制，这样当且仅当在独立旋转的车轮旋转力为零的时候，可以获得传统的刚性轮在曲线时的滚动作用，在实际情况中，因为独立的旋转车轮会安装在旋转架上，这样一系列的纵向定位刚度就对车辆的转向架起到十分重要的作用，所以就不能为零。

转速差的控制装置使由车辆行驶时车轮的转速和差速控制系统组成，在车轮上会安装有测速的装置，装置会对车速进行感应，将感应的结果传送至信息控制系统，接收到转速信息后会将信息放大，当车轮处于较快情况下行驶时，会产生一个阻力的转矩，来适量的调整车速，给运行较慢的车轮增加一个动力转矩，起到促进车辆运动的作用，这样实现了差速为零的控制的效果。我们可以得出，采用差速控制的系统可以将独立的车轮达到与小轮刚性轮对和横向的耦合车轮获得同样的导向作用，如果增益的选择较小的情况下，导向能力就会像纵向的独立旋转的车轮。但如果仅仅依靠转速差的比例进行控制，耦合模型在不同增益下的车轮偏移量是差不多的，会发生碰轮缘的作用。但不能解决旋转车轮对轨道的磨损程度。

除此之外，在控制增益增大的情况下，独立的旋转车轮的横向振荡位移就会加大。产生这样结果的原因是因为车辆在各个效果的增益下的速度相同，车辆的横向速度基本保持一致，随着复位时间的逐渐缩短，需要消耗的横向能量是不会发生变化的，而此时消耗的功率就会加大，这是就需要更大的横向位移来满足高能量的功率消耗，就会导致独立的车轮横向的振荡能力加大，通过研究发现，如果增益的控制效果过大会导致车辆运行状态不稳定，也有可能会出现脱轨的可能，所以一般情况下控制增益的量不要过大。随着增益效果的增大，车轮的纵向蠕滑力也会增大，从而使得旋转车轮的纵向蠕滑力矩变大，导向能力也会随之增强。当增益在小于500的时候，独立车轮的旋转冲角一致，基本不存在变化的趋势。当增益达到500的时候，冲角的值就会减小，但此时的变化效果并不明显，因为在多种增益效果下车轮会发生碰轮缘的问题，轮轨间的间隙基本被消耗殆尽，这时的独立车轮的各项参数指标基本相同。

综上所述，在差速为零的耦合控制下，独立旋转的车轮会获得导向性能，还可以通过调节增益的方式来获得与小轮径的车轮或者横向耦合的车轮达到相同的转向能力。仅仅依靠差速为零的控制无法解决车轮对轨道的磨损问题，因此主动控制的导向策略需要进一步的优化。

3 曲线差速控制导向技术

随着转速差的控制增益的提高，独立车轮具有较强的导向能力。但是随着增益的增大，再经过小半径的曲线区域时，会出现碰轮缘的情况，这会使得车轮以及轨道的磨损增大，缩短了列车和导轨的使用寿命，同时也为车辆的运行埋下了隐患。所以，减小车轮与导轨的碰轮缘的情况是当下研究的问题。通过建立控制车辆的横向移动量，来减小车轮与导轨之间的碰轮缘。通过改变比例控制增益，以独立旋转车轮的横移量和冲角为参考值进行实验分析。经试验可知，通过左右车轮转速差控制可以一定程度的减少轮缘的磨损。所以，采用这种方式，通过选择合适的转速差，能够有效地增加车轮和鋼轨的使用年限，减少损耗问题。

4 结论

经研究和分析所得，机械差速耦合装置独立旋转的车轮在车轮在复位对中起着很大的恢复作用，同时解决了独立车轮导向能力差，独立钢轮和钢轨易磨损的问题。机械差速耦合装置独立旋转车轮与刚性车轮相比，当通过小半径的曲线来说，优势明显，具有良好的导向性和安全性，但是这种方式仍处于应用初期，对待各种不同情况的道路仍然存在一些

问题。但综合而言，机械差速器耦合轮的应用在很大程度上提高了车辆的安全性能和导向性，并提高了使用寿命，对城市中的轨道交通发展起着促进作用。

参考文献

[1] 寇杰，张济民，周和超，王承萍.机械差速器耦合轮对轨道车辆导向性能分析[J].机械工程学报，2019，（08）：128-135.

[2] 张济民，寇杰，周和超，周俊华.差速器耦合轮对车辆曲线通过性能[J].机械工程学报，2017，（10）：94-99.

[3] 曹恺，王伯铭，张德乾，李天一.城市轨道交通车辆车轮差速控制的原理及其应用[J].城市轨道交通研究，2015，（04）：111-115.

[4] 孙效杰，陆正刚.轻轨车辆电气耦合轮对导向控制技术[J].交通运输工程学报，2013，（03）：40-46.