悬吊系统

机械术语

悬吊系统就是指由车身与轮胎间的弹簧与避震器组成整个支持系统，悬吊系统应有的功能是支持车身，改善乘坐的感觉。

系统类型

独立悬吊

独立悬吊系统(亦称独立悬挂系统)，包含了以下几种悬挂系统：Swing axle 摇轴式、Sliding pillar 滑动支柱式、MacPherson strut/Chapman strut 麦佛逊(麦花臣)支柱悬挂/查普曼支柱式悬吊、Upper and lower A-arm (double wishbone)双A臂式、multi-link suspension 多连杆式、semi-trailing arm suspension 半拖曳臂式、swinging arm 摇臂式、leaf springs 叶片弹簧式。

非独立式

非独立式悬吊系统包含Satchell link、Panhard rod、Watt's linkage(澳大利亚福特汽车所发明，可改善活轴悬吊的操控性)、WOBLink、Mumford linkage、Live axle(活轴悬吊，有传动功能的Beam axle)、Twist beam(亦称Torsion beam axle扭力梁式悬吊，搭配拖曳臂，可算半独立式悬吊系统，中小型车常使用)、Beam axle(无传动功能称Solid axle，有传动功能称Live axle，通称Beam axle)、leaf springs used for location (transverse or longitudinal) 。

系统应用

汽车底盘采独立悬挂系统可使左右两边车轮轮胎独立跳动起伏，不会互相拉扯影响车辆行驶平衡，增加操控性与舒适性，只是成本较非独立悬吊(如固定轴悬吊Solid Axle)高。独立悬吊除了使用在汽车上以外，使用在坦克车上也很有用，二十世纪初期美国人John Walter Christie 发明坦克独立悬挂系统后没多久就被共产苏联买去技术专利，让苏联发展出行驶恶劣路面如履平地的优良T34坦克，越野能力远胜纳粹坦克，成为击败纳粹主力军队改写历史的发明。

振动特性研究

高速客车车体轻量化设计是高速铁路发展的基本设计准则之一，轻量化的设计有效减小了轮轨间的相互作用，降低生产制造成本，但是会造成车体结构刚度的降低，从而导致乘客乘坐舒适度的下降，因此，考虑车体弹性作用的车辆振动问题已成为国内外研究者研究的重点。高速动车组大多采用动力分散的形式，为了安装牵引变压器、牵引变流器和水箱等附属设备，在车体底部设计有设备舱，附属设备的质量从几十千克到几吨不等，并且有的设备如风机等本身具有激扰源，这种设计方式必将会对车体的垂向弯曲频率产生重要影响，一种非常有效的方法就是引入车下设备弹性悬吊系统，将车下悬吊设备考虑成动力吸振器，通过选取合理的悬挂参数达到降低车体弹性振动的目的。

相关研究将车体考虑为均质欧拉梁，建立了考虑动力吸振器的刚柔耦合垂向动力学模型，分析了动力吸振器对车体弹性振动的抑制作用。为了降低车体的弹性振动问题，同样将车体考虑为弹性的均质欧拉梁，建立了弹性车体和车下设备的垂向耦合振动数学模型，并且基于动力吸振器原理进行了多个车下悬挂设备的最优悬挂频率设计。建立了高速动车组的刚柔耦合动力学模型，仿真分析了悬吊设备质量、刚度、阻尼和安装位置等对车体振动的影响，并分析了不同悬挂参数下车体和悬吊设备之间的耦合振动特性，将仿真结果与台架试验结果进行比较，发现仿真结果是可信的。基于车体模态测试结果对车体有限元模型进行了修正，随后建立了刚柔耦合动力学模型，对悬挂参数与车体振动模态的匹配关系进行了分析。以上研究表明，车下悬吊设备对乘客乘坐舒适度有很

大的影响，合理的悬挂参数和悬吊设备安装位置均可以抑制车体的弹性振动。

但是，铁道车辆以其独特的轮轨接触关系服务于国家经济建设，随着车辆速度和载重量的不断加大，势必会加快车轮和轨道的磨损，而国内外的研究成果也表明了车轮磨耗会导致车辆动力学性能恶化，分析得到随着车辆磨耗的增加，车辆曲线通过运行安全性将显著增加，轮轴横向力增大了 100%，并且直线下的平稳性指标增幅达到了54%。国内外研究者对车轮磨耗下车辆动力学性能的演变过程进行了大量的研究，而车下悬吊设备与车体耦合振动问题的研究也刚起步，对于车辆磨耗下车下悬吊设备振动方面的研究未见述及。本文基于国内某高速动车组建立考虑车体弹性的刚柔耦合动力学模型，研究在一个镟轮周期内(20万km)车体和悬吊设备振动的演变规律，并根据分析结果提出合理的悬挂参数选择范围。

特性分析

重点分析了高速动车组的车下悬吊系统在一个镟轮周期内(即不同运营里程下)车体和悬吊设备耦合振动的演变规律。在仿真分析过程中，采用武广线实测轨道激扰谱，如表1所示，悬吊设备的质量达到了3.107 t，故将其布置在车体纵向中部，车体和悬吊设备之间采用弹性的联接方式。

参数选择

车辆磨耗会恶化车体和设备的横向振动，而合理地选择车下悬吊系统的参数会降低车体和设备间的耦合振动，为此，分析了不同悬吊参数对减小车体振动的影响。

如《图2：悬吊参数对平稳性的影响》所示，从分析结果上可以看出，随着运营里程的增加，车辆的横向平稳性指标明显变差了，但是，通过合理地选择悬吊参数可以有效抑制车辆磨耗带来的影响。从新轮到磨耗 19.1 万 km，对应的悬吊设备横向刚度分别为： 0.3 MN/m、0.5 MN/m、0.7 MN/m、 0.9 MN/m 和 1.1 MN/m，说明了在不同的磨耗下，合理的悬吊参数选取存在一定的差异。综合来说，在整个镟轮周期内，悬吊系统横向刚度的选择范围在 0.7～1.5 MN/m 内比较合理。

研究结论

(1) 在运营的前 5 万 km 内，车轮磨耗明显，之后磨耗速率降低，并且从实测踏面外形来看，轮缘磨耗要比踏面磨耗严重。

(2) 车轮磨耗对车下悬吊系统的横向振动影响较大，对垂向振动影响相对较小；前 5 万 km 下，车体和设备的振动基本保持不变，随着运营里程的增加，车体和悬挂设备的振动不断恶化；当运营里程为 19.1 万 km 时，车体和设备的振动加速度幅值达到了新轮下的 2 倍。

(3) 车辆运行速度不高于 140 km/h 时，车轮磨耗对车体和设备的振动没有影响，随着速度的增加，其影响也随之增加。

(4) 通过合理选取悬吊参数可以有效抑制车轮磨耗对悬吊系统的影响，合理的横向刚度取值范围是 0.7～1.5 MN/m。

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