高速轨道车辆一系垂向悬架最优阻尼比的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高速轨道车辆悬置，特别是高速轨道车辆一系垂向悬架最优阻尼比的 设计方法。
【背景技术】
[0002] -系垂向悬架系统能够有效缓和轮轨冲击，隔离高频冲击对车辆造成的危害，其 阻尼比的设计或选取，是设计一系垂向悬架系统减振器阀系参数所依据的重要参数。尽管 已有学者对轨道车辆一系垂向悬架系统阻尼比作了大量研究，例如，同济大学的王福天教 授曾给出了轨道车辆单质量二自由度一系垂向悬架系统的最佳阻尼比值（ξ = 〇. 1925)， 但一直未曾给出具有实际应用价值的一系垂向悬架系统的阻尼比。据所查阅资料可知，目 前国内、外对于高速轨道车辆一系垂向悬架系统阻尼比的设计，大都是按经验选取一定的 阻尼比值（通常经验阻尼比为0. 2~0. 3)，然后，借助计算机技术，利用多体动力学软件 S頂PACK或ADAMS/Rail，通过实体建模来优化和确定其大小，尽管该方法可以得到比较可 靠的仿真数值，使车辆具有较好的动力性能，然而，随着轨道车辆行驶速度的不断提高，人 们对高速轨道车辆一系垂向悬架系统阻尼比的设计提出了更高的要求，目前一系垂向悬架 系统阻尼比设计的方法不能给出具有指导意义的创新理论，不能满足轨道车辆不断提速情 况下对减振器设计要求的发展。因此，必须建立一种准确、可靠的高速轨道车辆一系垂向悬 架最优阻尼比的设计方法，满足轨道车辆不断提速情况下对减振器设计的要求，提高高速 轨道车辆悬置系统的设计水平及产品质量，提高车辆行驶平稳性和安全性；同时，降低设计 及试验费用，缩短产品设计周期，增强中国轨道车辆的国际市场竞争力。
【发明内容】
[0003] 针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种准确、 可靠的高速轨道车辆一系垂向悬架最优阻尼比的设计方法，其设计流程图如图1所示；高 速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动模型图如图2所示。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所提供的高速轨道车辆一系垂向悬架最优阻尼比的 设计方法，其特征在于采用以下设计步骤：
[0005] (1)建立高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动微分方程：
[0006] 根据1/4单节车体的满载质量m，悬架弹簧的等效刚度M寺设计一系垂向悬架的 阻尼比ξ，其中，悬架减振器的等效阻尼系数C; =2&/^，悬架减振器的端部连接等效刚 度Km;以减振器活塞杆的垂向位移ζ ?^及车体质心的垂向位移ζ 坐标；以轨道高低不平 顺随机输入Zv为输入激励，建立高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动微分方程， 即：
[0008] (2)确定车体垂向振动位移频率响应函数~(.丨0)_,. ?
[0009] 根据步骤（1)中所建立的高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动微分方 程，经傅里叶变换，确定车体垂向振动位移频率响应函数，即：
[0011] (3)建立一系垂向悬架系统阻尼比目标函数Κξ)的解析表达式：
[0012] I步骤：根据轨道高低不平顺大小幅值参数G，车辆行驶速度V，及步骤（2)中所确 定的车体垂向振动位移频率响应函数，建立一系垂向悬架系统阻尼比的目标函 数JU)，即：
[0014] 式中，μ =K1VK1;
[0015] II步骤：根据I步骤所建立的一系垂向悬架系统阻尼比的目标函数J( ξ )，利用 Matlab，求解得到方程= 的正实数根，SP μ = 2; op
[0016] III步骤：根据I步骤所建立的一系垂向悬架系统阻尼比的目标函数J( ξ )，及II 步骤中求得的μ =2,建立一系垂向悬架系统阻尼比目标函数Κξ)的解析表达式，即：
[0018] (4)确定一系垂向悬架系统的最佳阻尼比ξ。。：
[0019] 根据步骤（3)中所建立的一系垂向悬架系统阻尼比目标函数JU)的解析表 达式，利用MATLAB，求解
的正实数根，便可得到一系垂向悬架系统的最佳阻尼比 ^ OC ?
[0020] (5)确定一系垂向悬架系统的最大许用阻尼比ξΜ:
[0021] ①确定轨道高低不平顺大小幅值参数G :
[0022] A步骤：根据步骤（1)中所建立的高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动 微分方程，及步骤（3)中II步骤计算得到的μ = KqiZK1= 2,利用Matlab/Simulink仿真 软件，构建高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动仿真模型；
[0023] B步骤：根据步骤（4)中设计得到的最佳阻尼比
及A步骤中 所建立的高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动仿真模型，以轨道高低不平顺随机 输入为输入激励，仿真得到车体垂向运动的振动加速度均方根值Cl。。
[0024] C步骤：根据步骤（4)中设计得到的最佳阻尼比
及A步骤中 所建立的高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动仿真模型，以利用轨道高低不平顺 LlN 丄UO丄丄/004 Λ 1VJ I·* ?/? ^ 随机输入简化函数
所合成的轨道高低不平顺随机信号为输入激励，对车体垂 向运动的振动加速度均方根值进行仿真；
[0025] D步骤：利用步骤B中所得到的车体垂向运动的振动加速度均方根值crW及步 骤C中仿真所得到的车体垂向运动的振动加速度均方根值#^*，建立轨道高低不平顺大 小幅值参数的优化设计目标函数Jmin，即：
[0027] E步骤：根据A步骤中所建立的高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动仿 真模型，以轨道高低不平顺大小幅值参数为设计变量，以轨道高低不平顺随机输入Zv为输 入激励，利用优化算法求D步骤中所建立轨道高低不平顺大小幅值参数的优化设计目标函 数J_的最小值，所对应的优化变量即为轨道高低不平顺大小幅值参数G ;
[0028] ②一系垂向悬架系统最大许用阻尼比ξ Μ的设计：
[0029] 根据车辆参数，车体垂向振动加速度的最大设计要求值Α，步骤（3)中所建立的一 系垂向悬架系统最大许用阻尼比目标函数J( ξ )的解析表达式，及①步骤中求得的轨道高 低不平顺大小幅值参数G，建立一系垂向悬架系统最大许用阻尼比ξ Μ的设计数学模型， 即：
[0031] 利用Matlab计算程序，求解上述关于ξ的方程的正实数根，便可得到一系垂向悬 架系统最大许用阻尼比的设计值；
[0032] (6) -系垂向悬架最优阻尼比ξ。的设计：
[0033] 根据步骤（4)中设计得到的最佳阻尼比Ici。，及步骤（5)中②步骤设计得到的最 大许用阻尼比ξ。3，利用黄金分割原理，计算得到偏舒适性的一系垂向悬架系统的最优阻尼 比ξ。，即：
[0035] 本发明比现有技术具有的优点：
[0036] 目前国内、外对于高速轨道车辆一系垂向悬架系统阻尼比的设计，大都是按经验 选取一定的阻尼比值（通常经验阻尼比为〇. 2~0. 3)，然后，借助计算机技术，利用多体动 力学软件SniPACK或ADAMS/Rail，通过实体建模来优化和确定其大小，尽管该方法可以得 到比较可靠的仿真数值，使车辆具有较好的动力性能，然而，随着轨道车辆行驶速度的不断 提高，人们对高速轨道车辆一系垂向悬架系统阻尼比的设计提出了更高的要求，目前一系 垂向悬架系统阻尼比设计的方法不能给出具有指导意义的创新理论，不能满足轨道车辆不 断提速情况下对减振器设计要求的发展。
[0037] 本发明通过建立高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动模型，建立了一系 垂向悬架系统阻尼比的目标函数，进而计算得到一系垂向悬架系统的最佳阻尼比和最大许 用阻尼比，并利用黄金分割原理，计算得到一系垂向悬架系统的最优阻尼比。通过设计实例 及SMPACK仿真验证可知，该方法可得到准确可靠的一系垂向悬架系统的最优阻尼比值， 为高速轨道车辆一系垂向悬架阻尼比的设计提供了可靠的设计方法。利用该方法，不仅可 提高高速轨道车辆悬置系统的设计水平及产品质量，提高车辆乘坐舒适性和安全性；同时， 还可降低产品设计及试验费用，缩短产品设计周期，增强我国轨道车辆的国际市场竞争力。
【附图说明】
[0038] 为了更好地理解本发明下面结合附图做进一步的说明。
[0039] 图1是高速轨道车辆一系垂向悬架最优阻尼比设计方法的设计流程图；
[0040] 图2是高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动模型图；
[0041] 图3是实施例的/(Ti2GV)]随阻尼比ξ变化的曲线；
[0042] 图4是实施例的高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动仿真模型；
[0043] 图5是实施例所施加的德国轨道高低不平顺随机输入激励；
[0044] 图6是实施例仿真所得到的车体垂向运动的振动加速度曲线。 具体实施方案
[0045] 下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。
[0046] 某高速轨道车辆的1/4单节车体的满载质量m = 17371kg，悬架弹簧的等效刚度 K1= 6. 86X IO5NAi;待设计一系垂向悬架的阻尼比为ξ，其中，悬架减振器的等效阻尼系数 (T1 =2~^'悬架减振器的端部连接等效刚度K01。该高速轨道车辆车体垂向振动加速度 的最大设计要求值A = 0. 7835m/s2, 一系垂向悬架阻尼比设计所要求的车辆行驶速度V = 300km/h，对该高速轨道车辆一系垂向悬架的最优阻尼比进行设计。
[0047] 本发明实例所提供的高速轨道车辆一系垂向悬架最优阻尼比的设计方法，其设计 流程图如图1所示，高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动模型图如图2所示，具体 步骤如下：
[0048] (1)建立高速轨道车辆1/4车体二自由度行驶垂向振动微分方程：
[0049] 根据1/4单节车体的满载质量m = 17371kg，悬架弹簧的等效刚度K1 = 6.86X 105N/m;待设计一系垂向悬架的阻尼比ξ，其中，悬架减振器的等效阻尼系数 C二，悬架减振器的端部连接等效刚度Km;以减振器活塞杆的垂向位移ζ Μ及车体 质心的垂向位移21为坐标；以轨道高低