CRH2型电力动车组大作业

CRH2动车组轮对与轴箱弹簧CAD/CAE设计

班级：车辆1001班

姓名：李素乾

学号：202303602

2023年12月20日

CRH2型电力动车组，是中华人民共和国铁道部为国营铁路进行第六次提速及建立中的高速

客运专线铁路，向川崎重工及中国南车集团四方机车车辆股份有限公司订购的高速列车车

款之一。

中国铁道部将全部引进国外技术、联合设计生产的中国铁路高速（CRH）车辆均命名为“和

谐号"。CRH2系列为动力分布式、沟通传动的电力动车组，接受了铝合金空心型材车体。

CRH2转向架的结构特点为：

1、接受无摇枕H型构架

2、接受轻量、小型、简洁的结构

3、接受小轮径（直径860mm）的车轮以削减簧下重量

4、接受内孔为直径60mm的空心车轴，该内孔同时有利于对车轴进行超声波探伤

5、轴箱接受转臂式定位，轴箱弹簧接受双圈钢圆簧

6、二系接受具有高度自动调整装置的空气弹簧，且其帮助风缸由无缝钢管制成的横梁内腔

担当

7、接受抗蛇行减震器兼顾高速稳定性和曲线通过性能

8、接受单拉杆式中心牵引装置传递纵向力

9、动车转向架上接受轻型沟通异步电动机

10、接受挠性浮动齿式联轴式牵引电动机架悬式驱动装置

11、基础制动装置接受液压缸卡钳式盘形制动

12、全部车轮装有机械制动盘（轮盘）

13、拖车转向架车轴上装有机械制动盘（轴盘）

14、利用踏面清扫装置改善轮轨间运行噪声和黏着状态

本文以CRH2动车组轮对与轴箱弹簧为探讨对象，建立其有限元模型。依据相关标准，应用

Soidworks2023对其进行CAD/CAE设计分析。

CRH2动车组转向架基本参数

项目参数

最高试验速度/（km/h）250

运营速度/（km/h）200

定员时轴重（100%定员）/kN137.2(14t)

满员时最大轴重（200%定员）/kN156.8(16t)

轴箱弹簧的CAD/CAE分析

（一）、问题描述

CRH2弹簧参数如下:

项目内圈簧外圈簧

簧条直径/mm2641

簧圈直径/mm143220

自由高度/mm240256

压紧高度/mm153.4180.4

总圈数/有效圈数6.4Z4.44.9/2.9

旋向左右

弹性系数单355.2915.1

/N/mm总1270.3

横向弹性系数

/N/mm8000080000

应力修正系数1.2781.286

（二）、轴箱内弹簧的CAD/CAE设计

1、轴箱内弹簧的CAD设计

内弹簧的建模过程，接受三段直线扫描法。

绘制三段直线一扫描下支撑圈一扫描有效圈一扫描上支撑圈一拉伸切除一完成如图1.1所

不

图1.1内弹簧

2、轴箱内弹簧的CAE分析

2.1轴箱内弹簧刚度计算

2.1.1、受力分析

弹簧下端受到轴箱支撑面的支持力，上端施加1mm的位移，计算支反力即为弹簧刚度的大

小。

2.1.2、应力计算

(1)前处理：

定类型：CRH2轴箱内弹簧属于静态分析；

画模型：运用solidworks2023建立弹簧模型；

设属性：设弹簧材料为合金钢

分网格：共15332个节点，8199个单元。结果如图1.2所示。

图1.2轴箱内弹簧网格划分

(2)、求结果

添约束：在弹簧下端加固定几何体约束。

加载荷：在弹簧上端施加1mm的位移。结果如图1.3所示

图1.3施加约束与载荷

查错误：载荷列表后进行检查。

求结果：进行有限元分析.

⑶、后处理

列结果：列约束反力，如图1.4所示

图1.4轴箱内弹簧1mm位移下的合力

下结论：轴箱内弹簧的刚度为363N/mm.

2.2轴箱内弹簧强度计算

2.2.1受力分析

由上可知，内弹簧的刚度为363N/mm,弹簧所受载荷最大为28700.84N.所以弹簧上端所发生

的最大位移为28700.84/363mm=79.066mm,分析时可简化为一端固定，另一端发生79.066mm

的位移。

222应力分析

(1)前处理：

定类型：CRH2轴箱内弹簧属于静态分析

画模型：运用solidworks2023建立弹簧模型。

设属性：设弹簧材料为合金钢

分网格：共16063个节点，8652个单元。结果如图1.5所示。

(2)、求解

添约束：在弹簧下端加固定几何体约束。

加载荷：在弹簧上端施加79.066mm的位移，结果如图1.5所示。

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图1.5轴箱内弹簧分网格、加约束、加载荷

查错误：载荷列表后进行检查。

求结果：进行有限元分析.

（3）后处理

列结果：列约束反力。

绘图形：轴向弹簧加载后位移图、应力图应变图如图1.6、图1.7、图1、8所示

图1.6轴箱内弹簧应力图

图1.8轴箱内弹簧应变

2.2.3强度评价

（1）确定紧急点：由分析结果可以得出，弹簧受到的最大应力为12Q49MPA,在弹簧端部。

（2）校核强度：应力小于TB/T1335-1996规定轴箱弹簧的材料的许用应力340MPa,弹簧

强度符合设计要求。

（二）、轴箱外弹簧的CAD/CAE设计

1、轴箱外弹簧的CAD设计

外弹簧的建模过程，接受三段直线扫描法。

绘制三段直线一扫描下支撑圈一扫描有效圈一扫描上支撑圈一拉伸切除一完成如图1.1所

示

图1.1外弹簧

2、轴箱外弹簧的CAE分析

2.1轴箱外弹簧刚度计算

2.1.1、受力分析

弹簧下端受到轴箱支撑面的支持力，上端施加1mm的位移，计算支反力即为弹簧刚度的大

小。

2.1.2、应力分析

(1)前处理：

定类型：静态分析

画模型：运用solidworks2023建立弹簧模型。

设属性：设弹簧材料为合金钢

分网格：共12469个节点，6707个单元。结果如图2.2所示。

图2.2轴箱外弹簧网格划分

(2)、求结果

添约束：在弹簧下端加固定几何体约束。

加载荷：在弹簧上端施加1mm的位移。结果如图2.3所示

X0

•等**

图2.3施加约束与载荷

查错误：载荷列表后进行检查。

求结果：进行有限元分析.

⑶、后处理

列结果：列约束反力，如图2.4所示

A

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图2.4轴箱外弹簧1mm位移下的合力

下结论：轴箱外弹簧的刚度为936N/mm.

2.2轴箱外弹簧强度计算

2.2.1受力分析

由上可知，外弹簧的刚度为936N/mm,弹簧所受载荷最大为74129.16N.所以弹簧上端所发生

的最大位移为74129.1的36mm=79.198mm,分析时可简化为一端固定,另一端发生79.198mm

的位移。

2.2.2应力分析

(1)前处理:

定类型：静态分析

画模型：运用solidworks2023建立弹簧模型。

设属性：设弹簧材料为合金钢

分网格：共12585个节点，6762个单元。结果如图2.5所示。

(2)、求解

添约束：在弹簧下端加固定几何体约束。

加载荷：在弹簧上端施加79.169mm的位移，结果如图2.5所示。

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人

•等**

图2.5轴箱内弹簧分网格、加约束、加载荷

查错误：载荷列表后进行检查。

求结果：进行有限元分析.

(3)后处理

列结果：列约束反力

绘图形：轴向弹簧加载后位移图、应力图和应变图如图2.6、图2.7、图2.8所示

•«tk«

图2.6轴箱外弹簧位移

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官—>K国力:“0,42380.0

A

•VtkM

图2.7轴箱外弹簧应力

A

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图2.8轴箱外弹簧应变

2.2.3强度评价

（1）确定紧急点：由分析结果可以得出，弹簧受到的最大应力为19.538MPA,在弹簧端部。

（2）校核强度：应力小于TB/T1335-1996规定轴箱弹簧的材料的许用应力340MPa,弹簧

强度符合设计要求。

二、轮对的CAD/CAE分析

（一）、车轴的CAD/CAE设计

1.问题分析

CRH2转向架车轴依据JISE4501（铁道车辆一车轴强度设计）进行设计，按JISE4502标准

进行生产。为提高车轴的乏累平安性，接受高频淬火热处理和滚压工艺。如图2.0所示。

图2.0CRH2车轴尺寸

2.CRH2车轴的CAD设计

车轴的建模过程：拉伸轴身一切轴颈一切防尘板座一切轮座（切轴身）一倒角一镜像一完

成如图2.1所示

图2.1CRH2车轴

3.CRH2车轴的CAE设计

3.1车轴受力分析

弧=(j-g)W/4,M,M=厂产+以(a+/)-限

crb=m(M1+M2+M3)/Z>

〃=%//

式中，a为轴颈中心到轮座端部的距离；d为车轴直径；g为车轮踏面间距；A为车轴中心线

与重心位置的距离；J为轴颈间距；1为轮毂长度；r为车轮半径；Z为轮座处的抗弯截面模

数；尸为横向力；。为尸引起的轴颈上的垂向力；层为尸引起的踏面上的垂向力；/为轴箱弹

簧上的重量：屈、M和JZ分别为尸、垂向加速度和横向力引起的轮座处的弯矩；人和以分别

为垂向动荷系数和横向动荷系数；外、外b分别为轮座处车轴的工作应力和疲劳许用应力；〃

为疲劳安全系数.

2.2应力分析

(1)前处理：

定类型：静态分析

画模型：运用solidworks2023建立CRH2车轴模型。

设属性：设车轴材料为合金钢

分网格：共14450个节点，9066个单元。结果如图3.5所示。

(2)、求解

添约束：在轴承座下半表面添加弹性约束。

加载荷：在左轴颈处施加大小为185.58KN的力，右轴颈处施加大小为87.95KN的力，方向

均为上视基准面的法线方向。结果如图3.5所示。

图2.5轴箱内弹簧分网格、加约束、加载荷

查错误：载荷列表后进行检查。

求结果：进行有限元分析.

(3)后处理

列结果：列约束反力

绘图形：轴向弹簧加载后位移图、应力图和应变图如图2.6、图2.7、图2.8所示

图2.6车轴位移

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.9

HL0

—»SS力U0.4U0N0

图2.7车轴应力

图2.8车轴应变

3.3强度评价

（1）确定紧急点：由分析结果可以得出，车轴受到的最大应力为113.246MPA,在轴颈处。

（2）校核强度：CRH2动车组车轴材料S38C,接受高频淬火热处理和滚压工艺，依据JIS

E4502取车轴的乏累许用应力为147MPa,可见，依据日本标准，该车轴满足设计要求。经

分析，车轴结构强度符合设计要求。

（三）车轮的CAD/CAE分析

车轮是轮对的重要组成部分，其乏累强度干脆关系到动车组运行的平安性、牢靠性、稳定

性等。CRH2型动车组转向架车轮按JISE5402《铁道车辆一碳素钢整体辗压车轮》设计和生

产，车轮接受整体轧制车轮，轮辆宽度为，踏面形态接受LMA型。

新造车轮滚动圆直径为0860mm,最大磨耗直径为0790mm。在靠轮辆轮缘侧面0790mm

圆周上，设有磨耗到限标记。CRH2车轮踏面形态见图3.1所示。

图3.1CRH2车轮踏面形态

2.CRH2车轮的CAD设计

车轮的建模过程：拉伸轮胚一切左腹板一切右腹板一旋踏面一打轮毂孔一倒角一完成如图

3.2所示

图3.2车轮

3.CRH2车轮的CAE设计

3.1受力分析

依据UIC510-5：2023(整体车轮技术)标准进行车轮设计，对于安装到动轴上的车轮，考

虑车轮通过直线、曲线和道岔时的载荷。

.135mm

108.5mm载荷工况垂向力横向力

直线运行Fzl=1.25QFyl=0

曲线运行Fz2=1.25QFy2=0.7Q

过道岔Fz3=1.25QFy3=0.42Q

Q：每个车轮担当的重量

图3.3CRH2车轮受力图

依据UIC510-5：2023(整体车轮技术)标准进行车轮设计，对于安装到动轴上的车轮，考

虑车轮通过直线运行、曲线通过和道岔通过三种工况，CRH2动车组车轮受力如图3.3所示,

有关符号如下：

Q,：满轴重静态载荷Q=7250kg

g：重力加速度(m/s2)Fz：轮轨垂向力，Fz=L25Q(KN)

Fy：轮轨横向力，Fy=0.7Q.(KN)

工况1：直线运行

Flz=1.25Q=1.25X7250X9.8=88.8kN

横向力：Fly=0

工况2：曲线通过

F2z=1.25Q=1.25x7250x9.8=88.8kN

F2y=0.7Q=49.7kN

工况3：道岔通过

F3z=1.25Q=1.25X7250X9.8=88.8kN

F3y=O.42Q=0.42X7250X9,8=29.8kN

3.2应力分析

(1)前处理：

定类型：静态分析

画模型：运用solidworks2023建立CRH2车轮模型。

设属性：设车轮材料为合金钢

分网格：共20673个节点，12125个单元。结果如图3.4所示。

(2)、求解

添约束：在轮毂孔表面添加弹性约束。

加载荷：由于车轮有蠕滑现象，所以踏面加载区域是一个椭圆面，在椭圆斑施加大小为

88.8KN的力，方向为上视基准面的法线方向，结果如图3.4所示。

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图3.4车轮分网格、加约束、加载荷

查错误：载荷列表后进行检查。

求结果：进行有限元分析.

(3)后处理

列结果：列约束反力

绘图形：车轮加载后位移图、应力图和应变图如图3.5、图3.6、图3.7所示

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图3.5车轮位移

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