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研究生: 謝淑惠
Shu-Hui Hsieh
論文名稱: 輕軌車於軌道不整之全車動態分析
Full Car of Light Rail Vehicle Dynamics Analysis Under Track Irregularities
指導教授: 林榮慶
Zone-ching Lin
口試委員: 許覺良
none
廖慶隆
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 88
中文關鍵詞: FFT輕軌車四階Runge-Kutta軌道不整
外文關鍵詞: track irregularities, power Spectral Density
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  • 本論文將以輕軌車之三節車廂建立理論模型,且針對全車輛以多剛體動力理論進行動態分析,並考慮文獻中不常探討之滾動運動。本車輛之動態分析,係以軌道高低不整作為車輛產生振動的來源,且將軌道不整的輸入分為步階函數、簡諧波型與軌道檢測數據三種形式。
    本文之研究可分為時域及頻域下之行為模式,文中運用Lagrange Equation推導理論模型之運動方程式,並以四階Runge-Kutta數值法求得運動方程式每一時刻下響應之數值解,而後以快速Fourier轉換法(FFT)求得到系統響應之頻域解,並針對文獻中少有提到之能量頻譜做探討。
    本研究方法將可便於軌道車輛設計者,在無須以實車測試之下,經由模擬便可得到近似實際軌道車輛之響應情形,而所獲得之結果將可成為車輛設計重要之參考依據。


    The contribution of this study is to establish theoretical models in a three-car train of light rail vehicle. Using multi-body dynamics analytic theories of the full car and considers the rolling movement which is seldom touched upon in literature. The dynamic analysis of cars employs the longitudinal irregularities of track as the source of vibration. The entry of track irregularities is divided into 3 ways: step response, harmonic wave and track measurement.
    The paper uses the actual track measurement data as the analytic entries, The study is divided into the behavioral modes under time domain and frequency domain solution. By using Lagrange Equation, the movement equation of the theoretical model is inferred; and by using 4-order Runge-Kutta numerical method, the numerical solution supported by movement equation at each moment is acquired. After that, by using fast Fourier transform function, the frequency-domain solution supported by the system is also acquired. Besides, this paper investigates the Power Spectral Density which is less discussed in the literature.
    This research method is referential to the designers of rail vehicle, so that they can simulate the response of practical tracked car without actually hold the trial test. Besides, the result obtained from this study is an important referential data for the rail vehicle design.

    目錄 中文摘要 I ABSTRACT II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機及背景 2 1.3 文獻回顧 3 1.4 論文架構 6 第二章 軌道車輛之振動 9 2.1 介紹 9 2.2 軌道車輛之蛇行動 10 2.2.1 剛性車體之蛇行動 10 2.2.2 轉向架之蛇行動 11 2.3 軌道系統之激振模型 12 第三章 軌道車輛於軌道不整時之特性 16 3.1 前言 16 3.2 軌道不整之應用 17 3.2.1 軌道不整之型式及定義 17 3.3 軌道不整之應用 19 3.3.1 步階響應 20 3.3.2 簡諧波型 21 3.3.3 軌道不整檢測數據 23 3.4 車輛行駛品質特性分析 25 3.4.1 乘車舒適度 25 3.4.2 行駛舒適性規範 26 第四章 理論模型 28 4.1 簡介 28 4.2 理論模型之運動方程式 31 4.3 運動方程式之推導 38 第五章 數值分析結果與討論 54 5.1 步階響應分析 55 5.2 簡諧波型軌道不整之動態行為 57 5.3 隨機軌道不整之動態行為 59 5.4 簡諧波型軌道不整之能量頻譜密度 60 5.5 隨機軌道不整之能量頻譜密度 62 第六章 結論與展望 80 6.1 結論 81 6.2 未來展望 82 參考文獻 84 作者簡介 88 圖目錄 圖1-1分析流程圖 ……………………………………………………… 7 圖2-1軌道車輛振動模式 ……………………………………………… 9 圖3- 1軌道力示意圖……………………………………………………16 圖3- 2錯牙接頭…………………………………………………………21 圖3- 3步階響應軌道高低量……………………………………………21 圖3- 4簡諧波型軌道高低不整偏移量…………………………………22 圖3- 5軌道高低不整檢測圖(右軌道)…………………………………24 圖3- 6軌道高低不整檢測圖(左軌道) …………………………………24 圖4- 1輕軌車示意圖 29 圖4- 2 理論模型架構圖 29 圖4- 3 輕軌車多剛體模型示意圖 34 圖4- 4 輕軌車第一節車廂理論模型示意圖(正面、側面) 35 圖4- 5輕軌車第二節車廂理論模型示意圖(正面、側面) 36 圖4- 6輕軌車第三節車廂理論模型示意圖(正面、側面) 37 圖5- 1 車輪軸質心垂直位移步階響應圖 63 圖5- 2 轉向架質心垂直位移步階響應圖 63 圖5- 3剛性車體質心垂直位移步階響應圖 64 圖5- 4轉向架質心俯仰角位移步階響應圖 64 圖5- 5 轉向架質心滾動角位移步階響應圖 65 圖5- 6剛性車體質心滾動角位移步階響應圖 65 圖5- 7車輪軸1、2、3、4質心垂直位移圖(簡諧波型) 66 圖5-8車輪軸3、4、5、6質心垂直位移圖(簡諧波型) 66 圖5-9剛性車體質心垂直位移圖(簡諧波型) 67 圖5-10 轉向架質心俯仰角位移圖(簡諧波型) 67 圖5-11車輪軸質心滾動角位移圖(簡諧波型) 68 圖5-12剛性車體質心滾動角位移圖(簡諧波型) 68 圖5-13 左軌道高低不整檢測圖(分析用) 69 圖5-14右軌道高低不整檢測圖(分析用) 69 圖5- 15剛性車體質心垂直位移圖(高低不整檢測圖,分析用) 70 圖5- 16車輪軸質心滾動角位移圖(高低不整檢測圖,分析用) 70 圖5-17轉向架質心俯仰角位移圖(高低不整檢測圖,分析用) 71 圖5- 18剛性車體質心俯仰角位移圖(高低不整檢測圖,分析用) 71 圖5-19剛性車體1垂直加速度能量頻譜密度(簡諧波型) 72 圖5- 20剛性車體1垂直加速度能量頻譜密度(檢測數據) 72 圖5- 21剛性車體2垂直加速度能量頻譜密度(簡諧波型) 73 圖5- 22剛性車體2垂直加速度能量頻譜密度(檢測數據) 73 圖5- 23剛性車體3垂直加速度能量頻譜密度(簡型波型) 74 圖5- 24剛性車體3垂直加速度能量頻譜密度(檢測數據) 74 圖5- 25剛性車體垂直加速度分析(步階響應) 75 圖5- 26剛性車體垂直加速度分析(簡諧波型) 75 圖5- 27剛性車體垂直加速度分析(檢測數據) 76 表目錄 表2- 1 簡諧波型激振來源 14 表2- 2 脈衝型激振模式來源 15 表3- 1 軌道不整之五種型式及定義 18 表3- 2 ISO2631-1 舒適性規範 27 表4- 1 理論模型自由度 33 表5- 1 輕軌車各數據 77 表5- 2 輕軌車理論模型步階響應表 78 表5- 3 理論模型垂直加速度R.M.S 比較表 79

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