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随着轨道交通产业的发展和需求,可以为车辆提供更好运行性能的新式车轮的开发和研究一直受到关注。本文设计出主要由铝合金轮芯和钢制轮辋组成的组合材料车轮,将铝合金材料成功引入车轮结构中。铝合金材料有较低的密度和弹性模量,能有效降低车轮质量、改善车轮径向刚度,对提高列车的运行性能有积极意义。同时铝合金普遍有非常强的抗腐蚀性,非常适合轨道交通车辆的运行环境。基于组合式车轮的形式和地铁车轮的尺寸要求,设计出适用于城市轨道车辆的组合材料车轮的具体结构。通过综合考虑确定出各零件的具体材料,根据DVS 1608、EN 13262和GB/T 1222-2007确定轮芯、轮辋和扣环材料的主要机械性能参数。根据UIC 510-5和EN 13260等标准确定车轴和轮芯、轮芯和轮辋过盈配合结构需要传递的最大切向载荷和轴向载荷。根据标准GB/T 5371中的过盈配合计算方法,对车轴和轮芯、轮芯和轮辋过盈量的取值范围进行初步计算。基于初步计算结果,建立组合材料车轮的有限元模型并进行仿真计算,确定出更符合车轮实际结构和载荷的过盈量范围。确定车轮过盈量取值范围后,对采用最大过盈量的新轮和采用最小过盈量的磨耗到限车轮进行组装预应力分析,分析发现轮辋的预应力分布会明显受到自身厚度的影响,轮芯和轮辋配合表面的接触应力也会受到车轮状态的显著影响。基于UIC 510-5确定组合材料车轮强度分析的载荷工况,利用ANSYS有限元软件对车轮进行仿真计算,得到车轮在不同载荷工况下的应力分布。车轮各零件的最大应力都小于其材料对应的屈服强度,车轮的静强度符合要求。在相同载荷工况下,轮辋在磨耗到限状态下产生的应力更大,轮芯在新轮状态下产生的应力更大。基于单轴疲劳准则对轮辋内表面和轮芯的辐板区域进行疲劳强度评估,其应力幅均小于许用应力幅,疲劳强度满足设计要求。基于平面应力法编写程序处理车轮的有限元结果数据,得到轮轴配合表面各位置的SWT参数,分析其配合表面的微动疲劳。分析结果表明:车轴配合表面上距离内侧边缘约20mm处的SWT参数为极大值,其附近区域容易萌生疲劳裂纹;轮轴配合关系中轮芯表面内侧边缘的SWT参数为极大值,该区域容易萌生疲劳裂纹;轮芯和轮辋配合关系中轮芯表面中间位置的SWT参数为极大值,该区域容易萌生疲劳裂纹;轮辋配合表面两侧边缘的SWT参数值都比较大,都是产生疲劳裂纹的危险区域。