專利名稱：測定鐵路車輪軸向剖面輪廓的方法及所制得的車輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有低的聲發(fā)射率的鐵路車輪。
鐵路車輪在它接觸到它所行駛的鐵軌時，會受激振動而發(fā)射出行駛噪聲，此種噪聲的功率與頻譜取決于車輪的設(shè)計、接觸面的光潔度以及車輛的速度；特別是對于高速列車說來，此種噪聲的功率是很高的，當車速超過250km/h時可以達到85dB。
事實上，鐵路車輪乃是一種供特殊應(yīng)用的部件。在各項應(yīng)用中，此種車輪都是一項特定設(shè)計的主題，而這種設(shè)計則涉及到幾何約束、各個軸所能經(jīng)受的載荷約束、以及在制動下行為的約束。但是，卻未曾考慮到聲的發(fā)射，而聲發(fā)射的結(jié)果使得車輪一般有很強的共振。
為了克服此種缺點，已提出過在車輪上設(shè)置共振器或消音器等各種技術(shù)，它們干擾著車輪，調(diào)整其自振頻率，并降低聲發(fā)射率。
上述技術(shù)存在著這樣的缺點，即需要相對于車輪的固有頻率來對共振器或消音器進行精細調(diào)節(jié)，而這類固有頻率則每當輪軌接觸面因機械加工作用而更新時就會改變。結(jié)果使得各個車輪在每當它經(jīng)受再次的機械加工作用后就必須進行調(diào)整。
但在任何情形下，上述這類技術(shù)都是權(quán)宜之計。
本發(fā)明之目的在于提出一種設(shè)計鐵路車輪的方法，它考慮到車輪的聲學性能，并可將車輪設(shè)計成在各種應(yīng)用中使噪聲盡可能地減至最低限度。
為此目的，本發(fā)明的主題涉及到這樣一種方法，它用來測定通過一車輪之轉(zhuǎn)動軸線之平面上的剖面輪廓，特別是這樣一種具有低的聲發(fā)射率的鐵路車輪，它包括輪轂、輪芯以及形成凸緣與軟軌接觸面的輪緣，車輪的外形可根據(jù)外部因素調(diào)整，這種車輪是計劃用在由一批軌道構(gòu)成的鐵路網(wǎng)上的，這批軌道具有一定的輪廓并根據(jù)鐵路網(wǎng)的專門規(guī)程鋪設(shè)，其中車輪通過軸向平面之剖面的最佳輪廓的確定，取決于車輛各軸上的負荷、名義速度以及車輛的制動條件，特征在于為了在使用中令車輪的聲發(fā)射率盡可能地低；車輪在運行中與軌道實際接觸點P在輪軌接觸面上的位置，應(yīng)該根據(jù)此輪軌接觸面的強制外形、軌道的輪廓以及鋪設(shè)軌道時的條件確定；輪緣和輪芯剖面上的質(zhì)量分布應(yīng)調(diào)節(jié)到，使得接觸點P、輪緣剖面的慣性中心G1以及輪芯剖面的慣性中心G2均位于垂直于車輪軸線YY′之間一直線XX′上；此外，車輪之剖面輪廓應(yīng)調(diào)整成，使得上述接觸點P乃是使用中之車輪(1)的輪緣(4)的軸向振動模式的一個振動節(jié)。
具體地說，此輪緣剖面的輪廓可以調(diào)節(jié)成，使得當原點位于此剖面慣性中心G1的基準坐標系(G1X，G1Y1)中且軸線G1X是在直線XX′上而軸線G1Y1平行于車輪軸線YY′時，所計算出的這一輪緣剖面的慣性矩矩陣包括的交錯項Ixy與Iyx要小于對角項Ixy與Iyy的10%。要是交錯項Ixy與Iyx小于對角項Ixx與Iyy的3%，就會取得更佳結(jié)果。
最好是，上述輪芯的剖面輪廓應(yīng)選擇成為相對于直線XX′對稱。
還能夠?qū)⑤喰酒拭孑喞{(diào)節(jié)成，使得在為輪緣剖面與輪芯剖面所形成之組合體的慣性矩矩陣中，所包括的交錯項Ixy與Iyx小于對角項Ixx與Iyy的10%而最好是小于它們的3%。
本發(fā)明的主題還涉及到這樣一種低的聲發(fā)射率的鐵路車輪，它包括一個輪轂、一個輪芯以及一個配有凸緣與輪軌接觸面的輪緣，其中，對于任何一個在經(jīng)過車輪軸線之平面上的剖面，上述輪軌接觸面與鐵軌的實際接觸點、輪緣剖面的慣性中心、以及輪芯剖面的慣性中心都排列在與該車輪軸線相垂直的直線ZZ′上。
輪芯的剖面最好相對于直線ZZ′對稱，而以輪芯的剖面為直的形式更為理想，亦即此輪芯的剖面是由兩條與直線ZZ′基本平行的直線所界定時更為理想。
特別是，此鐵路車輪輪緣的剖面可以在此車輪的內(nèi)側(cè)面上包括一下降部，而在此車輪的外側(cè)面上則有一平衡部(flyweight)，此平衡部或與車輪整體成形或裝附于車輪之上。輪芯與平衡部可以界定出一個槽，在此槽內(nèi)能設(shè)置一個最好由不銹鋼制的環(huán)。
為了改進車輪的聲學性能，可用樹脂將一個側(cè)邊部件粘合到輪芯上；輪軌接觸面也可以是輥光式的。
輪緣剖面的慣性矩矩陣最好使得它所包括的交錯項Ixy與Iyx小于對角項Ixx與Iyy的10%，而更為理想的是小于它們的3%。
下面對照唯一的附圖
來描述本發(fā)明，此附圖表示的是車輪的一個通過此車輪軸線之平面上的半個剖面。
鐵路車輪是一個軸對稱體，由通過一軸向平面的剖面1繞軸線YY′旋轉(zhuǎn)而成。此剖面1分成三個部分輪轂2的剖面、輪芯3的剖面、以及輪緣4的剖面，此輪緣4的剖面包括與此車輪的內(nèi)面5、凸緣6、輪軌接觸帶7與外面8相對應(yīng)的輪廓。
對于由每根軸上的一定載荷來表征的，采用特定制動技術(shù)在規(guī)定的鐵路網(wǎng)上依固定速率運行的鐵路車輛所限定的各種應(yīng)用而言，熟悉此項技術(shù)的人能以周知的方式確定相應(yīng)車輪的剖面，而確保車輪具有充分的機械強度、在制動下有令人滿意的行為，且一般可使車輪重量最小。為了達到這一目的，熟悉此項技術(shù)的人考慮了這一特殊問題所特有的約束條件，例如車輪凸緣與輪軌接觸面的外形以及車輪的直徑，并用到了屬周知的計算模型。
但是，上述設(shè)計方法并未考慮到車輪的聲學行為。但這樣，也就留有足夠的自由度來使車輪的聲學行為最優(yōu)化。
為此目的，測定了輪軌接觸面與軌道的最可能的實際接觸點P，測定的方法是熟悉本項工藝的人所周知的，其中考慮到了輪軌接觸面的輪廓、軌道的輪廓以及擬使用此種車輪之鐵路網(wǎng)的專門的鋪軌規(guī)程。然后，在設(shè)計車輪的過程中應(yīng)確保實現(xiàn)這一條件即上述接觸點P、輪緣剖面的慣性中心G1以及輪芯剖面的慣性中心G2，這三者必須排列在垂直于車輪軸線YY′的直線XX′上。這相當于對輪緣與輪芯二者剖面的質(zhì)量作出分布來滿足前述條件。
最后，調(diào)節(jié)輪緣4之剖面的輪廓，使得點P成為輪緣軸向振動模式(即平行于軸線YY′的模式)的波節(jié)。為此，人們可以嘗試地采用周知的計算鐵路車輪振動行為的模型或是通過實驗來進行。
而且最好應(yīng)加上這樣的條件，即當原點在輪緣4之剖面的慣性中心G1處而軸線與軸線X′X與Y′Y平行的基準坐標系(G1X，G1Y1)中，所計算出的輪緣4之剖面的慣性矩矩陣必須大致上是對角矩陣，即交錯項Ixy與Iyx與對角項Ixx上Iyy相比要小。實際上，要滿足的條件是Ixy與Iyx應(yīng)小于Ixx與Iyy的10%。
要是Ixy與Iyx更小，結(jié)果也就會更好，最好是使Ixy與Iyx小于Ixx與Iyy的3%；而理想的情形則是Ixy與Iyx為零。
以上約束條件使得輪芯之剖面3的外形，特別是車輪中性軸線的選擇幾乎沒有多少自由度。但最好是選擇由直線XX′形成的直的中性軸線，同時選擇輪芯的剖面3的外形使之相對于直線XX′是對稱的。
為使輪芯剖面3的外形最佳，還可加上這樣的條件，即由輪芯之剖面3與輪緣4所形成之組合體的慣性矩矩陣必須大體上是對角形的，亦即交錯項Ixy與Iyx必須小于對角項Ixx與Iyy的10%，而最好是小于它們的3%。
按以上方法進行，就能獲得一聲發(fā)射率低的車輪。事實上，這種運行噪聲是由輪芯的軸向振動引起?，F(xiàn)在，這類振動是在軌道/車輪接觸由作用于點P上的徑向載荷所勵起的，而這里要描述的設(shè)計規(guī)則是，需使徑向激勵與軸向波動之間只有極其之低的相聯(lián)關(guān)系。
但在鐵軌的彎曲部分時，車輛會受到側(cè)向載荷的影響，使得車輪與軌道的接觸點P移動到P′或P″(取決于車輪是在彎曲部分的內(nèi)側(cè)或外側(cè))。為使車輪不僅在直線上而且在彎曲部分上具有滿意的聲學行為，必須核查車輪當它在P′與P″受到擾動時能具有合格的振動行為，必要時可通過嘗試來調(diào)整輪緣4剖面的外形，有可能還要調(diào)整輪芯3剖面的外形。
本發(fā)明的方法能設(shè)計出具有低的聲發(fā)射率的用于高速列車的車輪，其中，最可能的實際接觸點P、輪緣4剖面的慣性中心G1以及輪芯3剖面的慣性中心G2，均排列在垂直于車輪軸線YY′的直線XX′上。此輪芯3的剖面是相對于XX′對稱的，并且是直的，這就是說，撇開混合半徑9與10結(jié)合到輪轂2之剖面上的部分不論，輪芯3之剖面的邊緣11與12則是平行于XX′的直線段。
撇開凸緣6的輪廓、輪軌接觸面7、內(nèi)側(cè)面5與外側(cè)面8不論，此輪緣4的剖面在內(nèi)側(cè)面5的一側(cè)上，包括一相對于直線XX′傾斜并將內(nèi)側(cè)面5連接到輪芯的一個下降部13；而在外側(cè)面8的一側(cè)上則有一平衡部14，后者與輪芯的剖面3限定出一個槽15。平衡部14在車輪上組成了一個環(huán)形件，此平衡部可與車輪整體成形，但也可以代之以例如用螺絲緊固上的裝配形式。
為了改進上述車輪的聲學行為，特別是可將一不銹鋼環(huán)16放置到槽15中，這樣能減少嘯聲噪音。
還能夠通過一層樹脂18，例如氯丁橡膠層，將一種側(cè)邊部件17粘合到車輪的輪芯上。
本發(fā)明適用于任何種類的鐵路車輪，更一般地說，能用來設(shè)計任何地面車輛的車輪。
權(quán)利要求
1.用來確定通過車輪(1)之轉(zhuǎn)動軸線(YY′)的平面上之剖面輪廓的方法，而這里的車輪特別是指這樣一種具有低的聲發(fā)射率的鐵路車輪，它包括有輪轂(2)、輪芯(3)以及形成凸緣(6)與輪軌接觸面(7)的輪緣(4)，車輪的外形可據(jù)外部因素調(diào)整，而這種車輪是計劃用在由一批軌道構(gòu)成之鐵路網(wǎng)上的，這批軌道具有一定的輪廓并根據(jù)鐵路網(wǎng)的專門規(guī)程鋪設(shè)，其中，車輪(1)通過軸向平面之剖面的最佳輪廓的確定，取決于車輛各軸上的負荷、名義速度以及車輛的制動條件，特別在于為了在使用中令車輪有盡可能低的聲發(fā)射率；車輪(1)在運行中與軌道實際接觸點P在輪軌接觸面(7)上的位置，應(yīng)該根據(jù)輪軌接觸面(7)的強制外形、軌道的輪廓與鋪設(shè)軌道時的條件確定；輪緣(4)的剖面和輪芯(3)的剖面上的質(zhì)量分布應(yīng)調(diào)整到，使得接觸點P、輪緣(4)的剖面的慣性中心G1以及輪芯(3)剖面的慣性中心G2均位在垂直于車輪(1)之軸線(YY′)的同一直線(XX′)上；此外，車輪(1)之剖面輪廓應(yīng)調(diào)整成，使得上述接觸點P乃是使用中之車輪(1)的輪緣(4)的軸向振動模式的一個振動節(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，特征在于上述輪緣(4)的剖面輪廓可以調(diào)節(jié)成，使得當原點位于此剖面慣性中心G1處的基準坐標系(G1X，G1Y1)中且軸線G1X是在直線XX′上而軸線G1Y1則平行于車輪軸線YY′時，所計算出的輪緣(4)之剖面的慣性矩矩陣包括的交錯項Ixy與Iyx要小于各對角項Ixx與Iyy的10%。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，特征在于輪緣(4)之剖面輪廓被調(diào)節(jié)成，使得上述慣性矩矩陣中的交錯項Ixy與Iyx小于對角項Ixx與Iyy的3%。
4.如權(quán)利要求1至3所述的方法，特征在于上述輪芯剖面的輪廓被確定為相對于直線XX′對稱。
5.如權(quán)利要求4所述方法，特征在于上述輪芯(3)剖面的輪廓經(jīng)調(diào)整成，使得在為輪緣(4)剖面與輪芯(3)剖面所形成之組合體的慣性矩矩陣中，所包括的交錯項Ixy與Iyx小于對角項Ixx與Iyy的10%，而最好是小于它們的3%。
6.一種具有低的聲發(fā)射率的下述類型的鐵路車輪，它包括一輪轂(2)、一個輪芯(3)以及一個配有凸緣(6)與輪軌接觸面(7)的輪緣(4)，特征在于對于任何一個在經(jīng)過車輪(1)之旋轉(zhuǎn)軸線YY′的平面，上述輪軌接觸面(7)與車輪(1)所在之軌道的實際接觸點P、輪緣(4)剖面的慣性中心G1、以及輪芯(3)剖面的慣性中心都排列在與車輪(1)之軸線YY′相垂直的直線ZZ′上。
7.如權(quán)利要求6所述的鐵路車輪，特征在于輪芯(3)的剖面相對于直線XX′對稱。
8.如權(quán)利要求7所述的鐵路車輪，特征在于輪芯(3)的剖面是由兩條實質(zhì)上與直線XX′相平行的直線所界定。
9.如權(quán)利要求7或8所述的鐵路車輪，特征在于輪緣(4)的剖面包括一在車輪(1)內(nèi)側(cè)面上的下降部(13)以及一在車輪(1)外側(cè)面上的平衡部(flyweight)(14)，此平衡部(14)可與車輪(1)整體成形或裝附于其上。
10.如權(quán)利要求9所述的鐵路車輪，特征在于上述平衡部(14)與輪緣(3)之間限定出一個槽(15)。
11.如權(quán)利要求10所述的鐵路車輪，特征在于有一個最好是由不銹鋼制得的環(huán)(16)置放在由平衡部(14)與輪緣(3)所界定的槽(15)之內(nèi)。
12.如權(quán)利要求6至11所述的鐵路車輪，特征在于還可通過一層樹脂(18)將一種側(cè)邊部件(17)粘合到輪芯(3)之上。
13.如上述任一項權(quán)利要求所述的鐵路車輪，特征在于輪軌接觸面(7)是輥光式的。
14.如權(quán)利要求6至13所述的鐵路車輪，特征在于當原點位于輪緣(4)剖面之慣性中心G1處的基準坐標系(G1X，G1Y1)中且軸線G1X是在直線XX′上而軸線G1Y1則平行于車輪軸線YY′時，在計算出的輪緣(4)之剖面的慣性矩矩陣中所包括的交錯項Ixy與Iyx要小于對角項Ixx與Iyy的10%，最好是小于它們的3%。
全文摘要
為了在使用中來減小聲的發(fā)射率，測定了車輪與軌道實際接觸點的位置，且調(diào)整了車輪之輪緣與輪芯二者剖面上的質(zhì)量分布，使得此接觸點、輪緣剖面的慣性中心以及輪芯剖面的慣性中心這三者均位于與車輪軸線相垂直的同一直線上，且調(diào)節(jié)車輪剖面的輪廓，使得上述結(jié)觸點乃是輪緣的軸向振動方式的振動波節(jié)。本發(fā)明特別適用于高速列車的車輪。
文檔編號B60B17/00GK1100688SQ9410823
公開日1995年3月29日 申請日期1994年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月9日
發(fā)明者貝爾納·卡托特, 弗朗索瓦·德米利 申請人:瓦爾杜恩斯公司