一种轻量化重载轮对及其设计方法与流程

1.本发明涉及轨道车轮技术领域，尤其是涉及一种轻量化重载轮对及其设计方法。


背景技术：

2.工矿企业普遍采用的运输车辆均为特殊用途的铁路货车，一般轴重可达40t以上。其中，炼铁厂专门用于转运铁水的工况车辆为鱼雷罐车，其满载总重可达600吨以上，鱼雷罐车的轮对轴重可达50t，属于重载轮对。
3.重载轮对主要由两片车轮和一根车轴通过过盈配合的方式组成。其中，车轴主要由轴颈、防尘座、轮座及轴身四部分组成；车轮主要由轮毂，辐板，轮辋三部分组成。车轴的结构主要是由轴端结构部分、轴端与轴颈过渡引锥、轴颈直线部分、轴颈卸荷槽部分、防尘座直线部分、防尘座卸荷槽部分、轮座、轮座与轴身过渡圆弧和轴身部分构成。车轮的结构主要指的是辐板结构。辐板结构主要分为4种：s型辐板、铃形辐板(又称双s型辐板)、盆型辐板和直辐板。s型辐板、铃型辐板(又称双s型辐板)和盆型辐板又可归类于弯曲辐板，相较直辐板，具有更好的力学性能。重载轮对的车轮由于轴重大，需要通过增加磨耗到限后车轮剩余辋厚的方式以保证车轮磨耗到限后的应力满足车轮设计、计算标准的要求，从而保证车轮运行的结构安全性能。但在车轮滚动圆直径不变的情况下，增加轮辋厚度就意味着车轮辐板区域缩小，更适合设计为直辐板或斜辐板，因为设计为力学性能优异的弯曲辐板的难度较大。
4.目前，国内铁水转运用鱼雷罐车的轮对用的车轮辐板均采用国外制造商设计的斜辐板形式，其车轮滚动圆踏面直径主要有φ650mm，φ760mm，φ840mm三种，而以车轮滚动圆踏面直径φ760mm的轮对应用最为广泛。由于鱼雷罐车轮对的车轮斜辐板形式，使得单个车轮重达330kg，大大增加了车辆转向架的簧下重量，严重影响了车辆的力学性能和运输效率。


技术实现要素：

5.针对现有技术不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种轻量化重载轮对及其设计方法，其可有效降低转向架的簧下重量，减小轮轨磨耗，提高运输效率。
6.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
7.一种轻量化重载轮对，包括车轴和设在车轴上的车轮，车轴为圆柱形结构；所述车轴每端均包括车轴轴端区域、车轴轴颈直线区域、车轴防尘座直线区域、车轴轮座区以及车轴轴身区域；所述车轮包括轮毂、辐板和轮辋，所述辐板为弯曲结构，辐板的一端与轮毂连接，辐板的另一端与轮辋连接，轮辋上远离辐板的一端设有踏面和轮缘；所述辐板包括轮毂-辐板过渡区、辐板主体和轮辋-辐板过渡区；所述车轮设在车轴轮座区上，轴向上所述轮辋-辐板过渡区位于轮毂-辐板过渡区的外侧；轮毂-辐板过渡区位于轮毂与辐板主体之间，轮辋-辐板过渡区位于轮辋与辐板主体之间；辐板主体为弯曲结构，辐板通过圆弧，分别与轮辋及轮毂连接。
8.所述车轴轴端区域与车轴轴颈直线区域之间由过渡引锥连接；车轴轴颈直线区域与车轴防尘座直线区域设置有轴颈卸荷槽；车轴防尘座直线区域与车轴轮座区域之间设置了防尘座卸荷槽；车轴轮座区域与车轴轴身区域设置有圆滑过渡的过渡圆弧。
9.所述轮毂外径面外侧轮廓线与轮箍外侧面的夹角≥98
°
，轮毂外径面内侧轮廓线与轮箍内侧面的夹角为≥100
°
，轮辋内径面外侧轮廓线与轮辋外侧面的夹角为≥96
°
，轮辋内径面内侧轮廓线与轮辋内侧面的夹角为≥96
°
；轴向上，轮辋内侧面位于轮毂内侧面的外侧，且轮辋内侧面与轮毂内侧面的距离≥35mm。
10.一种所述轻量化重载轮对的设计方法，包括以下步骤：
11.步骤1.辅助线设置：x轴线为车轮旋转轴线，也称为轴向；y轴线指示垂直于x轴向的径向，x轴线箭头所指方向为外侧，x轴线箭头的反方向为内侧；轮毂-辐板过渡区的轴线为a；
12.步骤2.绘制轮毂的轮毂外轮廓线与外毂面连接；绘制轮毂的轮毂内轮廓线与内毂面连接；轮毂外轮廓线与外毂面形成夹角φ1，轮毂内轮廓线与内毂面形成夹角φ2；
13.步骤3.设计轮毂-辐板过渡区域：以轮辋的内辋面定位轴向尺寸x1，绘制轴线a，将轴线a沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮毂-辐板过渡区的辐板厚度s2，分别绘制曲线r1、r2、r3，其中，r1与轮毂外轮廓线相切，r3与轮毂内轮廓线相切；
14.步骤4.绘制轮辋的轮辋外轮廓线与外辋面连接；绘制轮辋的轮辋内轮廓线与内辋面连接；轮辋外轮廓线与外辋面形成夹角φ3，轮辋内轮廓线与内辋面形成夹角φ4；
15.步骤5.设计辐板靠近轮辋的区域：以轮辋的内辋面定位轴向尺寸x3，及轮辋内轮廓线与内辋面交点径向平移尺寸x2确定圆心c，以c为圆心绘制半径r6及半径r5，r5半径-r6半径＝s2厚度；
16.步骤6.设计轮辋-辐板过渡区域：在r5及轮辋外轮廓线之间，绘制同时与r5及轮辋外轮廓线相切的圆弧r7；在r6及轮辋内轮廓线之间，绘制同时与r6及轮辋内轮廓线相切的圆弧r8；
17.步骤7.在r2及r5之间，绘制同时与r2及r5相切的圆弧r4；在r3及r6之间，绘制同时与r3及r6相切的圆弧r9；
18.步骤8.设计y轴线为轮对的轴对称线，也称为竖直线；
19.步骤9.设计车轮内辋面与y轴线之间的水平距离为l1；
20.步骤10.设计车轮内辋面与车轴轴端区域的水平距离为l4；
21.步骤11.设计车轮外毂面到车轴防尘座卸荷槽末端的引锥的水平距离为l3；
22.步骤12.设计车轮内毂面到车轴轮座区域末端的水平距离为l2；
23.步骤13.设计车轮注油槽到车轴轮座区域直线距离为h1；
24.步骤14.设计车轮注油槽起始部位的圆弧为r9；
25.步骤15.设计车轮注油槽末端部位的圆弧为r11；
26.步骤16.设计车轮注油槽起始部位的圆弧r9与末端部位的圆弧r11之间的过渡圆弧为r10；
27.步骤17.设计车轴轴端区域的车轴轴端螺纹孔的相邻两个螺纹孔之间的均布角度为∠1＝∠2；
28.步骤18.设计车轴轴端区域的车轴轴端螺纹孔的相邻两个螺纹孔之间的均布节圆
直径为φ2；
29.步骤19.设计车轴轴端区域的车轴中心孔护锥的开口直径为φ1；
30.步骤20.设计车轴轴端区域的车轴中心孔护锥的开口角度为∠3；
31.步骤21.设计车轴轴端区域的车轴中心孔护锥的深度为l7；
32.步骤22.设计车轴轴端区域的车轴中心孔底孔的深度为l8，中心孔开口角度为∠4；
33.步骤23.设计车轴轴颈卸荷槽区域的起始过渡圆弧为r12；
34.步骤24.设计车轴轴颈卸荷槽区域的车轴轴颈直线区域与起始过渡圆弧r12的深度为h2；
35.步骤25.设计车轴轴颈卸荷槽区域的长度为l5；
36.步骤26.设计车轴轴颈卸荷槽区域的末端过渡圆弧为r13；
37.步骤27.设计车轴轴颈卸荷槽区域的末端与车轴防尘座直线区域之间的过渡圆弧为r14；
38.步骤28.设计车轴防尘座卸荷槽区域的过渡圆弧为r15；
39.步骤29.设计车轴防尘座卸荷槽区域的末端过渡引锥长度为l6；
40.步骤30.设计车轴防尘座卸荷槽区域的过渡圆弧与车轴防尘座直线区域之间的深度为h3。
41.优选的：所述步骤2中，夹角φ1≥98
°
，夹角φ2≥100
°
；所述步骤3中，r1半径≥r2半径≥30mm，r3半径≥30mm，s2≥30mm，x1尺寸≥45；所述步骤4中，夹角φ3≥96
°
，夹角φ4≥96
°
；所述步骤5中，r5半径≥90mm，r6半径≥60mm，s2厚度≥18mm，x2≥30mm；所述步骤6中，r7半径≥25mm，r8半径≥25mm；所述步骤7中，r9半径≥r4半径≥100mm。
42.优选的：所述步骤2中，夹角φ1≥90
°
，夹角φ2≥90
°
；所述步骤3中，r1半径≥r2半径≥30mm，r3半径≥30mm，s2≥30mm，x1尺寸≥40；所述步骤4中，夹角φ3≥90
°
，夹角φ4≥90
°
；所述步骤5中，r5半径≥90mm，r6半径≥60mm，s2厚度≥18mm，x2≥30mm；所述步骤6中，r7半径≥25mm，r8半径≥25mm；所述步骤7中，r9半径≥r4半径≥100mm。
43.优选的：所述步骤9中，水平距离l1＝676～677mm；所述步骤10中，水平距离l4＝403～404mm；所述步骤11中，水平距离l3＝8～9mm；所述步骤12中，水平距离l2＝8～9mm；所述步骤13中，深度h1＝0.5～0.7mm；所述步骤14中，圆弧半径r9＝5mm；所述步骤15中，圆弧半径r11＝10mm；所述步骤16中，圆弧半径r10＝5mm；所述步骤17中，角度∠1＝∠2＝120
°
；所述步骤18中，直径φ2＝100mm；所述步骤19中，直径φ2＝21.4～23.4mm；所述步骤20中，角度∠3＝120
°
；所述步骤21中，深度l7＝2mm；所述步骤22中，角度∠4＝60
°
；所述步骤23中，圆弧半径r12＝15mm；所述步骤24中，深度h2＝0～0.02mm；所述步骤25中，长度l5＝20mm；所述步骤26中，圆弧半径r13＝3mm；所述步骤27中，圆弧半径r14＝3mm；所述步骤28中，圆弧半径r15＝15mm；所述步骤29中，长度l6＝28～32mm；所述步骤30中，深度h3＝0～0.02mm。
44.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
45.该轻量化重载轮对易于制造，通过对现行重载轮对使用的斜辐板车轮进行辐板形状的重新设计优化，以在满足车辆使用的前提下，通过轮对的减重，以减小轮对簧下重量，提高车辆动力学性能，同时还可以降低轮对的采购成本，减小轮轨磨耗，降低轮对运行成
本，达到性能与实用经济性的平衡。
附图说明
46.下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
47.图1为本发明车轮结构示意图。
48.图2为本发明轮对结构示意图。
49.图3为图2中油槽内端放大示意图。
50.图4为本发明车轴结构示意图。
51.图5为图4中轴颈卸荷槽放大示意图。
52.图6为图4中防尘座卸荷槽放大示意图。
53.图7为本发明轴端结构示意图。
54.图8为本发明轴端中心孔结构示意图。
55.图中：
56.1-轮毂；2-辐板；3-轮辋；4-踏面；5-注油槽；6-油槽；7-内毂面；8-外毂面；9-内辋面；10-外辋面；11-轮毂外轮廓线；12-轮毂内轮廓线；13-轮辋外轮廓线；14-轮辋内轮廓线；15-车轴轴端区域；16-车轴轴端与轴颈过渡引锥；17-车轴轴颈直线区域；18-车轴轴颈卸荷槽区域；19-车轴防尘座直线区域；20-车轴防尘座卸荷槽区域；21-车轴轮座区域；22-车轴轮座与轴身过渡圆弧区域；23-车轴轴身区域；24-车轴轴端螺纹孔；25-车轴中心孔护锥；26-车轴中心孔底孔；
57.a：轮毂-辐板过渡区轴线；b：r1的圆心与r2的圆心的连线；c：r5及r6的圆心；r1～r15：圆弧；φ1～φ4：夹角；s1、s2：辐板厚度；f：内辋面到内毂面的轴向距离；l1-轮对车轮内辋面到车轴竖直中心线的水平距离；l2-轮对车轮内凸悬；l3-轮对车轮外凸悬；l4-轮对车轮内辋面到车轴端面的水平距离；l5-车轴轴颈卸荷槽长度；l6-车轴轮座引锥长度；l7-车轴中心孔护锥长度；l8-车轴中心孔底孔深度；∠1～∠2-车轴螺纹孔均布角度；∠3-车轴中心孔护锥开口角度；∠4-车轴中心孔开口角度；φ1-车轴中心孔护锥直径；φ2-车轴螺纹孔节圆直径。
具体实施方式
58.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
59.如图1至图8所示，该铁路货车整体车轮，包括轮毂1、辐板2、轮辋3及踏面4，辐板2为弯曲结构，辐板2的一端与轮毂1连接，辐板2的另一端与轮辋3连接，轮辋3上远离辐板2的一端设有轮缘14和踏面4。
60.轴向上，轮辋-辐板过渡区位于轮毂-辐板过渡区的外侧。轮毂1外径面轮毂外轮廓线11与轮箍外毂面8的夹角为φ1，φ1≥98
°
。轮毂1外径面轮毂内轮廓线12与轮箍内毂面7的夹角为φ2，φ2≥100
°
。轮辋内径面轮辋外轮廓线13与轮辋外辋面10的夹角为φ3，φ3≥96
°
。轮辋内径面轮辋内轮廓线14与轮辋内辋面9的夹角为φ4，φ4≥96
°
。轴向上，轮辋内辋面9位于轮毂内毂面7的外侧，且内毂面7与内辋面9的距离f≥35mm。
61.辐板2包括轮毂-辐板过渡区、辐板主体和轮辋-辐板过渡区，轮毂-辐板过渡区位
于轮毂1与辐板主体2之间，轮辋-辐板过渡区位于轮辋3与辐板主体之间。轮毂-辐板过渡区和轮辋-辐板过渡区均为圆弧结构。
62.轮毂-辐板过渡区包括圆弧曲线r1、r2，圆弧曲线r1连接位于轮毂-辐板过渡区的轴线a的外侧，圆弧曲线r3连接位于轮毂-辐板过渡区的轴线a的内侧，圆弧曲线r1、r2的弧度方向相同且均与r3的弧度方向相反。轮毂-辐板过渡区，通过轴线a进行轴向定位。
63.轮辋-辐板过渡区包括圆弧曲线r7、r8，圆弧曲线r7位于轮辋-辐板过渡区的外侧，圆弧曲线r8位于轮辋-辐板过渡区的内侧，圆弧曲线r7的弧度方向与r8的弧度方向相反。
64.辐板2的厚度自辐板轮毂结合处至辐板轮辋结合处逐渐由厚变薄，轮毂-辐板过渡区的厚度为s2≥20mm，轮辋-辐板过渡区的厚度为s1≥18m，s2＞s1。构成s1轮廓的圆弧r5及r6同心。根据运用要求，可以在轮毂1的外侧上设有注油孔5，轮毂1的内孔面上设有导油槽6，注油孔5的一端与导油槽6连通，导油槽6为环状导油槽。具体使用时，可将油杯直接旋进注油孔5内并向其中注油，油进入导油槽6内，这时将车轮从车轴上拆卸下来。
65.本发明工况车用轻量化重载轮对，主要由车轴和车轮两部分组成，车轴为圆柱形结构，包括车轴轴端区域15、车轴轴颈直线区域17、车轴防尘座直线区域19、车轴轮座区21和车轴轴身区域23；车轴轴端区域15与车轴轴颈直线区域17之间由过渡引锥16连接，车轴轴颈直线区域17与车轴防尘座直线区域19设置有轴颈卸荷槽18，车轴防尘座直线区域19与车轴轮座区域21之间设置了防尘座卸荷槽20，车轴轮座区域21与车轴轴身区域23设置有圆滑过渡的过渡圆弧22。
66.车轴轮座区21与车轮之间设置有注油槽5，注油槽5包含三段圆弧r9、r10和r11，其中r9＝r11＝5mm，r10＝10mm，圆弧r10与r9和r11均为外切相连，圆弧r10的最高点到车轴轮座区21的直线距离为h1＝0.5～0.7mm，整个注油槽5环形分布与车轮轮毂孔面内。
67.车轴轴端区域15包括车轴轴端螺纹孔24，车轴中心孔护锥25和车轴中心孔底孔26；轴端螺纹孔24在车轴轴端区域15内为均匀分布，每相邻两个轴端螺纹孔24之间的角度为∠1＝∠2＝120
°
，三个轴端螺纹孔24均匀分布的节圆直径为φ2＝100mm。
68.车轴轴端区域15包括车轴轴端螺纹孔24，车轴中心孔护锥25和车轴中心孔底孔26；车轴中心孔护锥25和车轴中心孔底孔26均为沉孔结构，中心孔护锥25的开口直径φ1＝21.4mm～23.4mm，深度l7＝2mm，开口角度∠3＝120
°
；中心孔开口角度∠4＝60
°
,车轴中心孔底孔26深度l8＝22mm；
69.车轴轴颈卸荷槽18包括圆弧r12、r13和r14以及车轴轴颈直线区域17与r12之间的高度差h2＝0～0.02mm和车轴轴颈卸荷槽18的长度l5，r12＝15mm与r13＝3mm之间为直线连接，r14＝3mm为车轴轴颈卸荷槽18与车轴防尘座直线区域19之间的过渡圆弧。
70.车轴防尘座卸荷槽20包括圆弧r15以及车轴防尘座直线区域19与r15之间的高度差h3＝0～0.02mm，r15＝15mm和车轴轮座区域21之间设置了长度为l6＝28mm～32mm的过渡引锥。
71.车轴轮座区域21与车轴轴身区域23设置有圆滑过渡的过渡圆弧22，其直径大小为150mm，整个结构呈轴对称分布。
72.优选的，工况车用轻量化重载轮对，车轮内辋面9到车轴轴端区域15的水平距离l4＝403mm～404mm之间，车轮内辋面9到车轴竖直中心线的水平距离l1＝676～677之间，车轮外毂面8到车轴防尘座卸荷槽20末端的引锥l6的水平距离为l3＝8～9mm，车轮内毂面7到车
轴轮座区域21末端的水平距离为l2＝8～9mm。
73.基于上述一种轻量化重载轮对，本发明还涉及一种轻量化重载轮对的设计方法，该设计方法包括：
74.步骤1.辅助线设置：x轴线为车轮旋转轴线，也称为轴向。y轴线指示垂直于x轴向的径向，x轴线箭头所指方向为外侧，x轴线箭头的反方向为内侧；轮毂-辐板过渡区4的轴线为a。
75.步骤2.绘制轮毂1的轮毂外轮廓线11与外毂面8连接。绘制轮毂1的轮毂内轮廓线12与内毂面7连接；轮毂外轮廓线与外毂面8形成夹角φ1，轮毂内轮廓线12与内毂面7形成夹角φ2。
76.步骤3.设计轮毂-辐板过渡区域：以轮辋的内辋面定位轴向尺寸x1，绘制轴线a，将轴线a沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮毂-辐板过渡区的辐板厚度s2，分别绘制曲线r1、r2、r3，其中，r1与11相切，r3与12相切。
77.步骤4.绘制轮辋3的轮辋外轮廓线13与外辋面10连接；绘制轮辋3的轮辋内轮廓线14与内辋面9连接；轮辋外轮廓线13与外辋面10形成夹角φ3，轮辋内轮廓线14与内辋面9形成夹角φ4。
78.步骤5.设计辐板靠近轮辋的区域：以轮辋的内辋面定位轴向尺寸x3，及14与9交点径向平移尺寸x2确定圆心c；以c为圆心绘制半径r6及半径r5。r5半径-r6半径＝s2厚度。
79.步骤6.设计轮辋-辐板过渡区域：在r5及轮辋外轮廓线13之间，绘制同时与r5及轮辋外轮廓线13相切的圆弧r7；在r6及轮辋内轮廓线14之间，绘制同时与r6及轮辋内轮廓线14相切的圆弧r8。
80.步骤7.在r2及r5之间，绘制同时与r2及r5相切的圆弧r4；在r3及r6之间，绘制同时与r3及r6相切的圆弧r9。
81.进一步的，所述步骤2中，夹角φ1≥98
°
，夹角φ2≥100
°
82.进一步的，所述步骤3中，r1半径≥r2半径≥30mm，r3半径≥30mm，s2≥30mm，x1尺寸≥45
83.进一步的，所述步骤4中，夹角φ3≥96
°
，夹角φ4≥96
°
84.进一步的，所述步骤5中，r5半径≥90mm，r6半径≥60mm，s2厚度≥18mm，x2≥30mm。
85.进一步的，所述步骤6中，r7半径≥25mm，r8半径≥25mm。
86.进一步的，所述步骤7中，r9半径≥r4半径≥100mm。
87.进一步的，由关联尺寸决定，可由r6及a向内侧沿轴向的偏移线绘制与r6相切的曲线r9，在r9及轮毂内轮廓线12之间绘制同时与r9及轮毂内轮廓线12相切的曲线r3。
88.步骤8.设计y轴线为轮对的轴对称线，也称为竖直线。
89.步骤9.设计车轮内辋面9与y轴线(车轴竖直中心线)之间的水平距离为l1。
90.步骤10.设计车轮内辋面9与车轴轴端区域15的水平距离为l4。
91.步骤11.设计车轮外毂面8到车轴防尘座卸荷槽20末端的引锥的水平距离为l3。
92.步骤12.设计车轮内毂面7到车轴轮座区域21末端的水平距离为l2。
93.步骤13.设计车轮注油槽5到车轴轮座区域21直线距离为h1。
94.步骤14.设计车轮注油槽5起始部位的圆弧为r9。
95.步骤15.设计车轮注油槽5末端部位的圆弧为r11。
96.步骤16.设计车轮注油槽5起始部位的圆弧r9与末端部位的圆弧r11之间的过渡圆弧为r10。
97.步骤17.设计车轴轴端区域15的车轴轴端螺纹孔24的相邻两个螺纹孔之间的均布角度为∠1＝∠2。
98.步骤18.设计车轴轴端区域15的车轴轴端螺纹孔24的相邻两个螺纹孔之间的均布节圆直径为φ2。
99.步骤19.设计车轴轴端区域15的车轴中心孔护锥25的开口直径为φ1。
100.步骤20.设计车轴轴端区域15的车轴中心孔护锥25的开口角度为∠3。
101.步骤21.设计车轴轴端区域15的车轴中心孔护锥25的深度为l7。
102.步骤22.设计车轴轴端区域15的车轴中心孔底孔26的深度为l8，中心孔开口角度为∠4。
103.步骤23.设计车轴轴颈卸荷槽区域18的起始过渡圆弧为r12。
104.步骤24.设计车轴轴颈卸荷槽区域18的车轴轴颈直线区域17与起始过渡圆弧r12的深度为h2。
105.步骤25.设计车轴轴颈卸荷槽区域18的长度为l5。
106.步骤26.设计车轴轴颈卸荷槽区域18的末端过渡圆弧为r13。
107.步骤27.设计车轴轴颈卸荷槽区域18的末端与车轴防尘座直线区域19之间的过渡圆弧为r14。
108.步骤28.设计车轴防尘座卸荷槽区域20的过渡圆弧为r15。
109.步骤29.设计车轴防尘座卸荷槽区域20的末端过渡引锥长度为l6。
110.步骤30.设计车轴防尘座卸荷槽区域20的过渡圆弧与车轴防尘座直线区域19之间的深度为h3。
111.进一步的，所述步骤2中，夹角φ1≥90
°
，夹角φ2≥90
°
112.进一步的，所述步骤3中，r1半径≥r2半径≥30mm，r3半径≥30mm，s2≥30mm，x1尺寸≥40
113.进一步的，所述步骤4中，夹角φ3≥90
°
，夹角φ4≥90
°
114.进一步的，所述步骤5中，r5半径≥90mm，r6半径≥60mm，s2厚度≥18mm，x2≥30mm。
115.进一步的，所述步骤6中，r7半径≥25mm，r8半径≥25mm。
116.进一步的，所述步骤7中，r9半径≥r4半径≥100mm。
117.进一步的，由关联尺寸决定，可由r6及a向内侧沿轴向的偏移线绘制与r6相切的曲线r9，在r9及轮毂内轮廓线12之间绘制同时与r9及轮毂内轮廓线12相切的曲线r3。
118.进一步的，所述步骤9中，水平距离l1＝676～677mm。
119.进一步的，所述步骤10中，水平距离l4＝403～404mm。
120.进一步的，所述步骤11中，水平距离l3＝8～9mm。
121.进一步的，所述步骤12中，水平距离l2＝8～9mm。
122.进一步的，所述步骤13中，深度h1＝0.5～0.7mm。
123.进一步的，所述步骤14中，圆弧半径r9＝5mm。
124.进一步的，所述步骤15中，圆弧半径r11＝10mm。
125.进一步的，所述步骤16中，圆弧半径r10＝5mm。
126.进一步的，所述步骤17中，角度∠1＝∠2＝120
°
。
127.进一步的，所述步骤18中，直径φ2＝100mm。
128.进一步的，所述步骤19中，直径φ2＝21.4～23.4mm。
129.进一步的，所述步骤20中，角度∠3＝120
°
。
130.进一步的，所述步骤21中，深度l7＝2mm。
131.进一步的，所述步骤22中，角度∠4＝60
°
。
132.进一步的，所述步骤23中，圆弧半径r12＝15mm。
133.进一步的，所述步骤24中，深度h2＝0～0.02mm。
134.进一步的，所述步骤25中，长度l5＝20mm。
135.进一步的，所述步骤26中，圆弧半径r13＝3mm。
136.进一步的，所述步骤27中，圆弧半径r14＝3mm。
137.进一步的，所述步骤28中，圆弧半径r15＝15mm。
138.进一步的，所述步骤29中，长度l6＝28～32mm。
139.进一步的，所述步骤30中，深度h3＝0～0.02mm。
140.本发明的目标是提供一种工况车用轻量化重载轮对，该轮对易于制造，并且通过对轮对进行减重设计，提高车辆的载重效率。本发明通过对现行重载轮对使用的斜辐板车轮进行辐板形状的重新设计优化，以在满足车辆使用的前提下，通过轮对的减重，以减小轮对簧下质量，提高车辆动力学性能，同时还可以降低轮对的采购成本，减小轮轨磨耗，降低轮对运行成本，达到性能与实用经济性的平衡。
141.应用本发明设计的轮对，车轮的机械强度校核结果满足uic 510-5标准及en 13979-1标准的相关规定，车轴的强度校核结果满足en 13103-1标准的相关规定。以滚动圆直径φ760mm的工况用重载货轮对为例，新造轮对的车轮外径为φ760mm，轮对报废车轮外径为φ742mm，轴重可达50t，用本发明设计的轮对，车轮的最大疲劳强度为336mpa，小于uic 510-5标准及en 13979-1标准规定的阈值360mpa；最大静强度为288mpa，小于uic 510-5标准及en 13979-1标准规定的阈值355mpa，车轴各个计算截面的安全系数均大于1.22，高于en13103-1标准规定的最小安全系数1的要求。
142.对应用本发明设计的轻量化重载轮对进行了试制，试制产品实称重量1120kg，现用产品重量为1186kg，减重66kg。
143.本发明的轮对可应用于重载车辆上，适用于踏面制动，且易于批量生产；本发明从现行的工况用鱼雷罐车轮对的簧下质量大，力学性能不高的角度出发，通过对车轮辐板结构的重新设计及优化，发展出了一种适用于工况车辆轻量化的、易于批量生产的、车轮辐板结构弯曲的、轴重更大的重载轮对。其中，在保证车轮具有合理的强度、刚度及uic 510-5及en 13979-1标准要求的前提下，对轮对结构进行重新设计，提高车辆的运输效率，节约输运成本。
144.上述仅为对本发明较佳的实施例说明，上述技术特征可以任意组合形成多个本发明的实施例方案。
145.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种轻量化重载轮对，包括车轴和设在车轴上的车轮，车轴为圆柱形结构；所述车轴每端均包括车轴轴端区域、车轴轴颈直线区域、车轴防尘座直线区域、车轴轮座区以及车轴轴身区域；所述车轮包括轮毂、辐板和轮辋，所述辐板为弯曲结构，辐板的一端与轮毂连接，辐板的另一端与轮辋连接，轮辋上远离辐板的一端设有踏面和轮缘；所述辐板包括轮毂-辐板过渡区、辐板主体和轮辋-辐板过渡区；所述车轮设在车轴轮座区上，其特征在于：轴向上所述轮辋-辐板过渡区位于轮毂-辐板过渡区的外侧；轮毂-辐板过渡区位于轮毂与辐板主体之间，轮辋-辐板过渡区位于轮辋与辐板主体之间；辐板主体为弯曲结构，辐板通过圆弧，分别与轮辋及轮毂连接。2.如权利要求1所述轻量化重载轮对，其特征在于：所述车轴轴端区域与车轴轴颈直线区域之间由过渡引锥连接；车轴轴颈直线区域与车轴防尘座直线区域设置有轴颈卸荷槽；车轴防尘座直线区域与车轴轮座区域之间设置了防尘座卸荷槽；车轴轮座区域与车轴轴身区域设置有圆滑过渡的过渡圆弧。3.如权利要求1所述轻量化重载轮对，其特征在于：所述轮毂外径面外侧轮廓线与轮箍外侧面的夹角≥98
°
，轮毂外径面内侧轮廓线与轮箍内侧面的夹角为≥100
°
，轮辋内径面外侧轮廓线与轮辋外侧面的夹角为≥96
°
，轮辋内径面内侧轮廓线与轮辋内侧面的夹角为≥96
°
；轴向上，轮辋内侧面位于轮毂内侧面的外侧，且轮辋内侧面与轮毂内侧面的距离≥35mm。4.一种如权利要求1至3任一项所述轻量化重载轮对的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括以下步骤：步骤1.辅助线设置：x轴线为车轮旋转轴线，也称为轴向；y轴线指示垂直于x轴向的径向，x轴线箭头所指方向为外侧，x轴线箭头的反方向为内侧；轮毂-辐板过渡区的轴线为a；步骤2.绘制轮毂的轮毂外轮廓线与外毂面连接；绘制轮毂的轮毂内轮廓线与内毂面连接；轮毂外轮廓线与外毂面形成夹角φ1，轮毂内轮廓线与内毂面形成夹角φ2；步骤3.设计轮毂-辐板过渡区域：以轮辋的内辋面定位轴向尺寸x1，绘制轴线a，将轴线a沿轴向，向两侧平移相等距离，形成轮毂-辐板过渡区的辐板厚度s2，分别绘制曲线r1、r2、r3，其中，r1与轮毂外轮廓线相切，r3与轮毂内轮廓线相切；步骤4.绘制轮辋的轮辋外轮廓线与外辋面连接；绘制轮辋的轮辋内轮廓线与内辋面连接；轮辋外轮廓线与外辋面形成夹角φ3，轮辋内轮廓线与内辋面形成夹角φ4；步骤5.设计辐板靠近轮辋的区域：以轮辋的内辋面定位轴向尺寸x3，及轮辋内轮廓线与内辋面交点径向平移尺寸x2确定圆心c，以c为圆心绘制半径r6及半径r5，r5半径-r6半径＝s2厚度；步骤6.设计轮辋-辐板过渡区域：在r5及轮辋外轮廓线之间，绘制同时与r5及轮辋外轮廓线相切的圆弧r7；在r6及轮辋内轮廓线之间，绘制同时与r6及轮辋内轮廓线相切的圆弧r8；步骤7.在r2及r5之间，绘制同时与r2及r5相切的圆弧r4；在r3及r6之间，绘制同时与r3及r6相切的圆弧r9；步骤8.设计y轴线为轮对的轴对称线，也称为竖直线；步骤9.设计车轮内辋面与y轴线之间的水平距离为l1；步骤10.设计车轮内辋面与车轴轴端区域的水平距离为l4；
步骤11.设计车轮外毂面到车轴防尘座卸荷槽末端的引锥的水平距离为l3；步骤12.设计车轮内毂面到车轴轮座区域末端的水平距离为l2；步骤13.设计车轮注油槽到车轴轮座区域直线距离为h1；步骤14.设计车轮注油槽起始部位的圆弧为r9；步骤15.设计车轮注油槽末端部位的圆弧为r11；步骤16.设计车轮注油槽起始部位的圆弧r9与末端部位的圆弧r11之间的过渡圆弧为r10；步骤17.设计车轴轴端区域的车轴轴端螺纹孔的相邻两个螺纹孔之间的均布角度为∠1＝∠2；步骤18.设计车轴轴端区域的车轴轴端螺纹孔的相邻两个螺纹孔之间的均布节圆直径为φ2；步骤19.设计车轴轴端区域的车轴中心孔护锥的开口直径为φ1；步骤20.设计车轴轴端区域的车轴中心孔护锥的开口角度为∠3；步骤21.设计车轴轴端区域的车轴中心孔护锥的深度为l7；步骤22.设计车轴轴端区域的车轴中心孔底孔的深度为l8，中心孔开口角度为∠4；步骤23.设计车轴轴颈卸荷槽区域的起始过渡圆弧为r12；步骤24.设计车轴轴颈卸荷槽区域的车轴轴颈直线区域与起始过渡圆弧r12的深度为h2；步骤25.设计车轴轴颈卸荷槽区域的长度为l5；步骤26.设计车轴轴颈卸荷槽区域的末端过渡圆弧为r13；步骤27.设计车轴轴颈卸荷槽区域的末端与车轴防尘座直线区域之间的过渡圆弧为r14；步骤28.设计车轴防尘座卸荷槽区域的过渡圆弧为r15；步骤29.设计车轴防尘座卸荷槽区域的末端过渡引锥长度为l6；步骤30.设计车轴防尘座卸荷槽区域的过渡圆弧与车轴防尘座直线区域之间的深度为h3。5.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤2中，夹角φ1≥98
°
，夹角φ2≥100
°
；所述步骤3中，r1半径≥r2半径≥30mm，r3半径≥30mm，s2≥30mm，x1尺寸≥45；所述步骤4中，夹角φ3≥96
°
，夹角φ4≥96
°
；所述步骤5中，r5半径≥90mm，r6半径≥60mm，s2厚度≥18mm，x2≥30mm；所述步骤6中，r7半径≥25mm，r8半径≥25mm；所述步骤7中，r9半径≥r4半径≥100mm。6.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤2中，夹角φ1≥90
°
，夹角φ2≥90
°
；所述步骤3中，r1半径≥r2半径≥30mm，r3半径≥30mm，s2≥30mm，x1尺寸≥40；所述步骤4中，夹角φ3≥90
°
，夹角φ4≥90
°
；所述步骤5中，r5半径≥90mm，r6半径≥60mm，s2厚度≥18mm，x2≥30mm；所述步骤6中，r7半径≥25mm，r8半径≥25mm；所述步骤7中，r9半径≥r4半径≥100mm。7.如权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述步骤9中，水平距离l1＝676～677mm；所述步骤10中，水平距离l4＝403～404mm；所述步骤11中，水平距离l3＝8～9mm；所述步骤12中，水平距离l2＝8～9mm；所述步骤13中，深度h1＝0.5～0.7mm；所述步骤14中，圆
弧半径r9＝5mm；所述步骤15中，圆弧半径r11＝10mm；所述步骤16中，圆弧半径r10＝5mm；所述步骤17中，角度∠1＝∠2＝120
°
；所述步骤18中，直径φ2＝100mm；所述步骤19中，直径φ2＝21.4～23.4mm；所述步骤20中，角度∠3＝120
°
；所述步骤21中，深度l7＝2mm；所述步骤22中，角度∠4＝60
°
；所述步骤23中，圆弧半径r12＝15mm；所述步骤24中，深度h2＝0～0.02mm；所述步骤25中，长度l5＝20mm；所述步骤26中，圆弧半径r13＝3mm；所述步骤27中，圆弧半径r14＝3mm；所述步骤28中，圆弧半径r15＝15mm；所述步骤29中，长度l6＝28～32mm；所述步骤30中，深度h3＝0～0.02mm。

技术总结
本发明公开了一种轻量化重载轮对及其设计方法，其轮对包括车轴和设在车轴上的车轮，车轴为圆柱形结构；车轴每端均包括车轴轮座区；所述车轮包括轮毂、辐板和轮辋，所述辐板为弯曲结构，辐板的一端与轮毂连接，辐板的另一端与轮辋连接，轮辋上远离辐板的一端设有踏面和轮缘；所述辐板包括轮毂-辐板过渡区、辐板主体和轮辋-辐板过渡区；所述车轮设在车轴轮座区上，轴向上所述轮辋-辐板过渡区位于轮毂-辐板过渡区的外侧；轮毂-辐板过渡区位于轮毂与辐板主体之间，轮辋-辐板过渡区位于轮辋与辐板主体之间；辐板主体为弯曲结构，辐板通过圆弧，分别与轮辋及轮毂连接；可有效降低转向架的簧下重量，减小轮轨磨耗，提高运输效率。提高运输效率。提高运输效率。


技术研发人员：汪永阳 刘智 尹明 陈刚 潘胜利 袁志兴 陶盈龙 黄孝卿
受保护的技术使用者：宝武集团马钢轨交材料科技有限公司
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2022/5/25