車軸
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-22
車軸的視頻教程
軌道車輛車輪車軸（輪對）強度分析教程視頻SolidWorks+HyperMesh+ABAQUS/ANSYS聯合仿真
本課程為ABAQUS、ANSYS、Hypermesh、SolidWorks聯合仿真教學視頻，詳細講解了軌道車輛車輪和車軸強度分析的全過程，根據鐵標TB-T-3463-2016設置直線、曲線、道岔工況與分析。包含在SolidWorks建立車輪和車軸模型，型號是中國和諧號動車組CRH2輪軸。車輪、車軸相對位置的計算確定。 詳細講解了在Hypermesh軟件中進行車輪和車軸網格的劃分。
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ABAQUS和Fe-safe分析列車輪軸系統在軸重載荷下的強度和疲勞可靠性
本案例應用ABAQUS軟件創建列車車軸、車輪和鋼軌的三維實體模型，并進行網格劃分和加載，首先計算輪軸的過盈裝配，在過盈裝配后對車軸施加軸重載荷的作用，并將模擬的應力結果導入到疲勞分析軟件Fe-safe中進行疲勞壽命的計算。詳細講解的內容有：1. 車軸、車輪和鋼軌三維模型的創建和模型的裝配。2. 車軸、車輪和鋼軌接觸的設定和載荷邊界條件施加。3. 車軸、車輪和鋼軌的網格劃分和單元類型的選取。4.
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動車組轉向架構架強度分析（Hypermesh與ANSYS APDL/Workbench聯合仿真），轉向架構架設計
4.構架車軸和彈簧的建立。 5.在Hypermesh添加不同工況的約束與載荷。 6.在ANSYS APDL和Workbench中計算靜應力結果，進行后處理，撰寫分析報告。 課程視頻的錄制、構架有限元模型處理、報告撰寫均由本團隊完成，花費了大量時間，整理不易，需要收點小費。
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車軸的實例教程
當交變載荷作用于車軸時，產生的應力便會在刀花處不斷囤積，當其超過車軸的疲勞極限時，便在該位置萌生裂紋，并不斷向心部擴展，擴展過程中不同裂紋相互連接，最終導致車軸斷裂。
結論
⑴車軸的原材料、鍛造熱處理工序未對其疲勞性能產生不利影響。
⑵車軸機加工過程中，進給量的提高直接導致了車軸表層拉應力的增大，降低了車軸的疲勞極限。同時，表面粗糙度的過高又為裂紋提供了大量的萌生位置，最終使得車軸圓周表面多個位置產生疲勞裂紋，裂紋擴展過程中相互連接，進而發生斷裂。
車軸承受靜載荷、動載荷和制動附加載荷,以彎曲變形為主。由于轉動,使得車軸不停地承受拉伸、壓縮應力。車軸的失效形式主要是疲勞破損,尺寸到限也是報廢的原因。車軸疲勞屬高周疲勞,其疲勞壽命與循環應力幅值、次數和材質的性能有關。本文僅就車軸失效機理及對策談一點粗淺看法,并簡單介紹我國車軸的強度設計方法及車軸的演變過程。
1 車軸疲勞破壞機理和對策
1.1 機理
由于金屬各個晶粒位向不同,并存在位錯、夾雜等微觀與宏觀缺陷,在低于材料屈服強度的循環應力作用下,最不利的薄弱晶粒或夾雜等缺陷處會萌生裂紋,經裂紋擴展階段直至失穩斷裂。由于鐵道車輛車軸表面應力高,表面晶粒受的約束少、易滑移,表面易腐蝕, 表面上可能有加工痕跡或傷痕使其疲勞強度降低,因而疲勞裂紋在表面萌生并逐漸向內部擴展。車軸存在所謂微動磨損或稱為摩擦腐蝕現象。所謂微動磨損是指當車軸上組裝車輪、軸承、制動盤等零件時,在承載并轉動的情況下,由于車軸不停地產生拉壓變形,與過盈配合在車軸上的零件表面間發生相對滑移現象,不斷地滑移摩擦會使車軸產生微小的疲勞裂紋。
目前,車軸疲勞強度相對薄弱的部位包括:(1)因微動磨損及密封不良導致腐蝕處及加工不良的軸頸后部卸荷槽處;(2)與車輪、制動盤產生微動磨損的輪座、盤座內外側邊緣;(3)各不同直徑過渡處。
1.2 對策
(1)采用合理的形狀與尺寸,根據理論和經驗確定足夠疲勞強度的斷面直徑。為減輕車軸與車輪、制動盤過盈配合引起的微動磨損,車軸輪座、制動盤座與軸身過渡處的斷面階梯比取1112~1115時疲勞強度最好,過渡處應選擇合適曲率的曲線連接。車軸與車輪、制動盤突懸組裝,并應確保在有關尺寸到達檢修限度和公差處于最不利組合時仍有突懸量。盡量縮短軸頸長度,提高軸頸的強度和剛度,減少軸頸彎曲變形,以減輕微動磨損。
展開 根據疲勞載荷的類型，構件疲勞可靠性分析的研究還可分為：
等幅載荷下構件的疲勞可靠性
變幅載荷下構件的疲勞可靠性分析
隨機載荷時間歷程作用下構件的疲勞可靠性分析
根據疲勞載荷的類型，構件疲勞可靠性分析的研究還可分為：應用可靠性分析來評價車軸，主要有以下幾方面的任務：
對新設計的車軸作可靠性分析及壽命估算。
按要求的可靠性指標改進設計。
按要求的可靠性指標對車軸作可靠性分析，制定出合理的廠、段修周期。
進行車軸報廢及更新換代的經濟性評價。
現有的超聲波探傷法是將探頭接觸在車軸的端面或表面上，或是沒有拆卸的重要部件上，向車軸中射入超聲波，觀察是否有傷痕的反射波。要有垂直探傷、斜角探傷和局部探傷三種方法，如圖所示。
現有車軸檢測方法
（1）垂直探傷
垂直探傷是由車軸端面垂直的射入2.5MHz的超聲波。檢測車軸在全長方向是否有損傷。垂直探傷的探傷范圍最廣，可以掃查到整個車軸縱向，但由于超聲波不易接觸裂紋，小裂紋難以檢測出來，精度較低。
（2）局部探傷（小角度探傷）
針對可能發生裂紋的端部配合處，以10~15度的折射角從車軸兩端面傾斜的射入2MHz的縱波超聲波進行檢查，該方法也稱為縱波斜角探傷。局部探傷雖比垂直探傷精度高，但不能像垂直探傷那樣掃查車軸全體，只能檢測車軸的一部分。因此，僅以局部探傷檢查車軸時，要使用多個探頭。
（3）斜角探傷
斜角探傷一般使用37~45度的折射角從有曲率的車軸表面斜方向射入2MHz的橫波超聲波。斜角探傷可檢查到齒輪座、制動盤座等部位的傷痕。斜角探傷比局部探傷更能檢測出細小的傷痕，但是為便于探傷，必須把車軸表面打磨干，還要采用與車軸表面曲率相匹配的探頭。
展開 車軸作為汽車行駛系的重要結構，軸輪的強度及剛度分析尤為重要，通常分析過程中軸輪與其他零部件的接觸關系也較復雜，因而為了獲得較好的計算效率，對軸輪的網格質量有更高的要求。采用通常的四面體網格單元，常常導致分析的不收斂。而規則的六面體網格則能較好的收斂。本文以某型號軸輪為例，介紹ANSA在高質量體網格的應用。
軸輪的結構如圖1所示，它是近似于軸對稱結構，但軸輪法蘭上分布一些不可忽略孔。軸輪的內圈上的槽可以簡化處理。由于結構關于中心平面對稱，因而取1/2結構進行劃分網格。從圖2中可以看出，除了軸輪法蘭部分區域，其他可以看著一個面域繞中心軸旋轉而得。
將1/2結構分割成兩部分，如圖3和圖4所示，分割后的結構形式都可以采用MAP算法生成規則的體網格（六面體網格或三菱柱網格）如圖5所示。
將圖5所示的體網格關于對稱平面復制即可得到整個軸輪的體網格，然而復制后的模型是兩個體，接下來需要對對稱面上的節點進行粘貼，采用Grids>paste>auto>visible 保持默認選項，即可完成對節點的粘貼。最后形成軸輪的體網格如圖6所示。
采用ANSA的車軸軸輪網格劃分.pdf
展開 圖3 轉向架構件上的邊梁和十字交叉梁
軸箱懸掛，該種裝置通過轉向架構架的軸承支撐車軸。基于懸掛方法和支撐剛度，它是一個非常關鍵的構件，它決定轉向架的運行舒適性和乘坐舒適性，以及轉向架構架的構造，因而采用了各種設計。
圖4 各種類型的軸箱懸掛
支座式搖臂式彈簧支架在轉向架車架上用滑塊支撐軸箱，廣泛應用于前JNR的各種軌道車輛中。因為它的構造簡單，滑塊隨著時間發生磨損，引起輪對速度偏差。因此，它不適用于高速列車。其良好的緩沖橡膠剛度有效地消除了車軸與轉向架之間的間隙。然而，它也有一些缺點，例如增加了轉向架構架的長度，鋼板彈簧維護要求更加嚴格，因而現在的一些列車選用了其它類型。
車輪，車軸和軸承。傳統列車的車輪是實心軋制型的，并且新的車輪的直徑通常是860mm。波形輻板車輪的外表面的波形的為了提高剛度，同時減少板的厚度和重量。上世紀八十年代，它們主要用于短途列車。車輪的踏面是經過熱處理的，其輪廓尺寸如圖所示。
圖5 車輪及踏面尺寸
車輪易受質量不平衡的影響，容易引起車軸的振動并且會傳導至車身上，在一定的速度下會產生共振。為了避免這個事情，從上世紀八十年代開始，人們在一直努力控制不平衡，當壓裝在車軸上時對車輪進行平衡。
車軸一般是實心的，但是空心車軸主要用來減少重量同時不影響彎曲強度。空心車軸中心是空的，從上世紀五十年代末開始，通常用于電氣化的高速列車。因為制造問題，最后它們被摒棄了。大約在1975年，為了提高可靠性，通過鏜孔的方式加工出了空心車軸。1981年，它被用于高速柴油機列車。隨后，空心車軸被用于無搖枕轉向架列車，它對減輕簧下質量做出了重大貢獻。
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車軸的最新內容
從工業革命開始，工程師們就疑惑：這好好的火車車軸，怎么用一段時間就斷？
同時也開始了苦苦探求：這個結構在斷裂之前到底能堅持多久？
直到19世紀中期，德國工程師奧古斯特·沃勒通過試驗發現：應力幅度越小，材料能承受的循環次數就越多。
進一步，他以應力幅度（S，Stress）為縱軸，以循環次數（N，Number of Cycles）為橫軸，繪制了著名的S-N曲線。
下面是汽車輪轂的主要組成及各部分的作用：
1.輪輞與輪轂配合，起支撐作用；2.輪輻與車輪車軸連接；3.輪緣是保持并支撐輪轂方向的輪輞部分，輪緣的外沿部分很容易遭受外力載荷的沖擊,而且在沖擊后很容易產生變形,甚至形成裂紋導致汽車輪轂胎壓的泄漏；4.胎圈座與輪轂的胎圈接觸，作用時支撐輪轂徑向的輪輞部分；5.槽底是為了裝拆輪轂而留的一個凹坑；6.氣門孔是輪轂充氣的位置。
也用于修復受損的汽車零件，如車軸和齒輪。
圖2：(a)汽車零件表面已腐蝕；(b)汽車零件冷噴表面修復外加一層保護層
電子產業
冷噴涂技術用于制作特殊功能性涂層，如導電和防護涂層，以保護電子組件免受環境損害。
在制造散熱器和其他散熱裝置中也有應用。
楊暢[8]基于變密度法和SIMP懲罰優化準則來構建拓撲優化，對汽車傳動軸進行了輕量化，結果使車軸總體上降低了10%的質量。孫志遠等[9]用拓撲優化的方法對汽車前車架進行了輕量化設計，車架在結構優化后減輕了30.8%;Kiani等[10]用拓撲優化的方法對鎂材料的車身進行輕量化設計，仿真結果顯示了車身在滿足碰撞和振動要求下，質量大幅減少。
從控制角度考慮，減速器的制動能力一般以減速度表示，單臺減速器制動單個車輛時可達到的減速度為
式中：B軸為減速器作用在一根車軸上的制動力；Q軸為被制動車輛的軸重；g′為考慮車輛車輪轉動慣量影響的重力加速度，一般取9.5m/s2；h為減速器的單位制動能高。
It)、輪對(Mw、Iw)、齒輪(Mg、Ig)和齒條等主要部件，車體、轉向架構架、輪對等假設為剛體，具有 6 個方向的自由度；車體與轉向架通過二系懸掛連接(Ks、Cs)，構架與輪對通過一系懸掛連接(Kp、Cp)，一系、二系懸掛由等效線性剛度和阻尼力元模擬，且對稱布置于構架兩側；齒輪齒條嚙合通過嚙合剛度和阻尼等效(k、c)；齒條位于兩條鋼軌中間，通過彈簧阻尼支撐(Kc、Cc)；忽略齒輪支撐剛度，齒輪與車軸鉸接
</p><p><span style="color: rgb(25, 27, 31);"> </span>5）建立一系耦合關系：將參考點RP5、RP6、RP7、RP8分別與車軸表面進行運動耦合Kinematic，所有自由度U1,U2,U3,UR1,UR2,UR3均進行約束。
使用 Adams Car 克服分析挑戰
通過 Adams Car，該團隊可以快速有效地配置多組合大型車輛模型，如60米的公路列車，有8個或更多的車輛單元，每個單元有多個車軸。
鼓式制動器廣泛應用于卡車、公共汽車和一些乘用車，利用連接到車軸或懸架的半圓形制動蹄與安裝在車
輪上的圓柱形鼓內側的摩擦使車輛減速。蹄與鼓之間的摩擦系數是一個可調特性，它影響制動性能和制動
器的振動特性。較高的摩擦系數降低了作用在制動蹄上所需的力，但它也增加了振動并降低了制動系統的穩
定性。
MBSE的概念
● 為選型計算添加了參數約束
● 交付功能MBSE模型作為概念證明
傳動系統定義和概念
架構：
● 傳動系統系統將動力系統輸出連接到驅動輪
● 主要功能是將驅動扭矩從動力系統傳遞到地面（車輪）
● 驅動系統子類型，例如 FWD、RWD、AWD 在 SysML 中被視為泛化
組件：
● 驅動軸/半軸 - 將扭矩傳遞到前/后或左/右
● 車軸
