第五章轮胎式轨道车辆动力学
第一节轮胎式轨道车辆
一、概 述
随着城市对各种轨道交通形式的需求，依靠轮胎走行方式的轨道车辆已成功地运用在一些国家的单轨交通和胶轮地铁中，并扩展到自动化导向交通系统(AGT)中。近年来，我国的重庆市也采用了这种典型的轮胎走形、导向的轨道交通方式。
单轨交通分为两种形式：跨坐式和悬挂式。跨坐式单轨交通车辆以高强度混凝土或者钢制箱形梁作为轨道(轨道梁)，车体安装在轮胎走行部之上，整个车辆跨坐在轨道梁上方运行，见图1。而悬挂式单轨车辆使用下部开口的钢制轨道梁，车体悬挂在安装有橡胶轮胎的走行部下方，整个车辆吊挂在轨道下方运行。在强风情况下，跨坐式单轨车辆比悬挂式单轨车辆更加稳定与支全，因此跨坐式单轨车辆已经发展成一种具有中等运量的城市轨道交通系统，特别在日本得到了较多的应用，本章将以跨坐式单轨方式为基础来阐述轮胎式导向轨道车辆动力学理论。
图1 跨坐式单轨车辆
传统的钢轮钢轨车辆主要靠带轮缘的锥型踏面走行与导向，而轮胎式轨道交通车辆的曲线通过是依靠走行部导向轮胎的引导实现。轮胎式轨道交通车辆都设有走行轮和导向轮，走行轮承担车体重量，担负牵引、制动等走行功能，导向车轮负责引导车辆沿着轨道行驶。按照导向轮的安装位置，采用橡胶轮胎走行的AGT系统车辆可分为
外侧导向式和内侧导向式两大类。外侧导向式车辆的导向轮胎安装在走行部的外侧，与U形轨道相配合，如图2所示。内侧导向式车辆的导向轮胎安装在走行部的内侧，与倒T形轨道相配合，如图3所示。
图2 外侧导向式AGT系统车辆
图3 内侧导向式AGT系统车辆
图5—4 AGT系统车辆的走行部
橡胶充气轮胎走行部具有以下特点：①黏着系数大，橡胶与钢或混凝土的摩擦系数显著高于钢与钢之间的摩擦系数，故橡胶轮胎车辆的加速和减速性能明显优于钢轮—钢轨系统的车辆，这在市内站距较短时对于提高平均运行速度非常有利，同时也有利于运行安全性。高的黏着系数还使橡胶轮胎车辆能适应在大坡度的线路上运用，线路坡度最大可达10％，便于丘陵、山地城市的选线，以及具有地下线路与地面高架线路连接需要的地方。②通过曲线半径小，橡胶轮胎走行部设有专门的导向机构，正线运行时最小曲线半径可低至50m，这有利于增加困难地段线路的选择机会。③单轨高架
比普通轮轨交通的高架轨道占用面积少，对道路的影响小。④噪声低，采用橡胶轮胎的车辆明显地降低了走行部的冲击噪声，一般可比普通钢轮钢轨车辆降低3～8 dB，特别适合于高架线路，减少了对周边地区的影响。⑤轨道维护量小，这是因为轮胎式的轨道交通车辆具有较好的等效一系弹性，对轨道平整度与弹性的要求可以降低，因而通常使用大型预制的混凝土和钢制轨道梁，线路维护量小。橡胶轮胎走行部的主要缺点是：由于轮胎的承载能力受限因而使得车辆载客量较小，走行部结构复杂，滚动阻力大引起的牵引功率消耗较大，道岔的结构复杂。
与刚性车轮相比，轮胎除了具有支承整车董基和为驱动和制动提供黏着力的功能外，轮胎还能作为一个弹性元件缓和路面不平顺对车辆的冲击力，因此轮胎式车辆的很多性能都与轮胎密切相关。从力学观点来看，轮胎可视为一个由质量连续分布的弹性元件和阻尼元件组成的子系统，因此在讨论轮胎式轨道交通车辆动力学之前，有必要简要介绍充气轮胎的基本结构及其力学特性。
二、轮胎的基本结构与力学特性
1.轮胎的作用与分类
轮胎直接与走行或导向轨面接触，它的作用是：支承轨道车辆的自重和载重，传递驱动力和制动力，作为等效的一系悬挂和二系悬挂系统一起共同缓和、衰减行驶时所受到的冲击与振动，保证车辆有良好的乘坐舒适性和平稳性。运行时要确保轮胎自身的可靠性，以保证轮胎与轨面有良好的黏着，提高牵引、制动、导向和安全性。
轨道交通车辆使用的轮胎一般是高压充气轮胎，轮胎内压力高达800~900 kPa。胎面为适用于良好路面的纵向花纹。
2.轮胎的构造
轮胎主要由胎冠、胎肩、胎侧、胎体和胎圈等部分组成，如图5所示。
图5 轮胎的结构简
胎冠是指外胎两胎肩间的整个部位，包括胎面、缓冲层(或带束层)和帘布层等。胎面的主要作用是保护胎体，防止早期磨耗和受机械损伤，增加轮胎与路面之间的黏着力，减弱来自路面的振动。缓冲层是缓和与部分吸收路面障碍物对轮胎的正面冲击。
带束层是指胎面基部分沿胎面中心线圆周方向箍紧胎体的材料层，主要是增强轮胎周向和侧向刚度，承受65％～75％的胎面应力。帘布层是指胎体中由平行帘线组成的布层，是胎体的基本骨架，支撑着外胎各部分。
胎侧是指胎肩至胎圈间胎体侧壁部位的橡胶层，主要作用是保护胎体，提高横向柔性。
胎体是指由一层或数层帘布与胎圈组成整体的充气轮胎的受力结构。斜交轮胎的胎体帘线彼此交叉排列，与胎冠中心线层成35°～40°的夹角，主要承受法向、切向和侧向负荷；子午线轮胎的胎体帘线相互平行，成弓形地从一侧胎圈绕至另一侧胎圈，按轮胎子午线方向排列，主要作用是保护胎压，保持断面形状，承受由法向负荷产生的横向拉伸应力。
胎圈是安装在轮毂上的部分，由胎圈芯和胎圈包布等组成j主要是防止轮胎脱离轮箍。
3．轮胎的力学特性
(1)轮胎坐标系
为了分析轮胎性能和作用在
轮胎上的力和力矩，必须有一个统
一的参考坐标系。图6是一种常用
的轮胎坐标系，坐标系的原点是轮
胎接地面的中心，x轴是车轮中心
平面与地面的交线，前进方向为正；
z轴垂直于地面，向上为正；y轴在
地平面内，其方向要使坐标系成为
右手直角坐标系。地面对轮胎作用
有三个力和三个力矩，即图中的ܨ୶、
ܨ୷、ܨ、ܶ୶、ܶ୷、ܶ，它们称为轮胎
的六分力。 图6轮胎坐标系与地面作用力和力矩 轮胎滚动时有两个重要的角度，侧偏角α和外倾角γ，作用在轮胎与地面接地印迹上的侧向力是侧偏角和外倾角两者的函数。
(2)轮胎的纵向力学特性
本节主要研究轮胎的滚动阻力、驱动力和制动力与轮胎参数及地面状况的关系。
①滚动阻力
轮胎式轨道车辆在水平道路上行驶时必须克服与地面接触产生的滚动阻力。统计表明，轮胎的滚动阻力约占车辆能耗的20％。
车轮滚动时，轮胎与地面的接触区域产生法向、切向的作用力及相应的轮胎和支承路面的变形。轮胎和支承路面的相对刚度决定了变形的特点。当弹性轮胎在光顺的混凝土或沥青路上滚动时，轮胎变形是主要。由于组成轮眙的材料不是完全弹性体，因此轮胎内部摩擦产生了弹性迟滞损失，外力使轮胎变形时所作的功部分被消耗了。
由于弹性迟滞现象，处于压缩过程中的前部地面法向反作用力大于处于恢复过程
