秦美超 曲云飛 賈彥光

(中車大連機車車輛有限公司技術(shù)開發(fā)部 遼寧 大連 116021)

機車牽引齒輪強度計算及齒向修形方法研究

秦美超 曲云飛 賈彥光

(中車大連機車車輛有限公司技術(shù)開發(fā)部 遼寧 大連 116021)

根據(jù)GB 3480—1997標準采用Excel表格編制了齒輪強度計算程序，并分析了機車主動齒輪齒向修形的2種不同形式。

牽引齒輪；彎曲強度；接觸強度；齒向修形

牽引齒輪是機車的重要組成部分，由它將牽引電動機的輸出扭矩傳遞給輪對，使機車能夠運行。牽引齒輪對機車的振動、噪音和安全運行影響很大。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進步，機車正朝著高速、重載方向發(fā)展，這就對齒輪提出了更高的要求。機車牽引齒輪載荷大、速度高，所以應(yīng)保證齒輪具有較高的彎曲強度、接觸強度、膠合強度，改善齒輪的嚙合性能，降低嚙合時的動載荷和沖擊，保證齒輪的良好潤滑[1]。齒輪強度校驗和主動齒輪齒向修形對于提高齒輪傳動性能和齒輪壽命有很大作用。

1 齒輪強度計算

1.1 齒輪強度公式編制

GB 3480—1997《漸開線圓柱齒輪能力計算方法》標準中提供了齒輪強度的計算方法，在齒輪強度計算的過程中，計算量大且繁雜，各個參數(shù)聯(lián)系密切，1個參數(shù)出錯將導(dǎo)致整個計算全部錯誤，并且修改非常麻煩。為了簡化計算流程，減少不必要的工作量，可以采用Excel表格插入公式編輯器的方式，首先針對機車牽引齒輪的運行特點，從GB 3480—1997標準中整理提取相關(guān)計算公式，應(yīng)用Excel表格的計算公式編輯功能編制機車牽引齒輪強度計算程序，然后輸入已知數(shù)據(jù)根據(jù)公式便可得到相應(yīng)的結(jié)果。這樣不但提高了效率，還大大提高了準確度，并且在發(fā)現(xiàn)問題的時候，追溯查詢問題根源也能一目了然。計算程序編完后需認真檢查每個參數(shù)，然后用已經(jīng)經(jīng)過強度計算的齒輪作為參照，輸入相關(guān)參數(shù)后對所編程序的正確性進行驗證。

應(yīng)用所編程序計算了某型機車齒輪不同工況下的強度，如表1所示。

表1 不同工況下齒輪強度的計算

根據(jù)GB/T 3480—1997標準中所推薦的最小安全系數(shù)可得出各工況安全可靠度如表2所示。

表2 各工況可靠度結(jié)果

1.2 齒輪靜強度計算

對齒輪在瞬時短路工況下的強度安全系數(shù)進行了驗算，結(jié)果如表3所示。根據(jù)上述計算數(shù)據(jù)，在瞬時短路扭矩作用下，齒輪的接觸強度安全系數(shù)及彎曲強度安全系數(shù)均在GB/T 3480—1997標準中規(guī)定的一般可靠度(SFmin：1.25，SHmin：1.00～1.10)之上，可見靜強度滿足要求。

表3 齒輪的靜強度計算結(jié)果

2 機車牽引齒輪齒向修形

2.1 主動齒輪對稱布置時的齒向修形

主、從動牽引齒輪在實際工作中產(chǎn)生較大的相對偏斜，使齒向載荷分布明顯不均、承載能力下降。因此，必須根據(jù)相對偏斜量對主動齒輪進行相應(yīng)的齒向修形。

根據(jù)計算分析主動齒輪受載時不產(chǎn)生傾斜變形，只是跟隨著抱軸箱產(chǎn)生少量偏斜，所以從動齒輪的偏斜是決定主動齒輪齒向修形曲線的主要因素。

圖1 前導(dǎo)面工作時車軸彎曲及齒輪的偏斜

圖2 電機后導(dǎo)面工作時車軸彎曲及齒輪的偏斜

圖3 某型機車主動齒輪的齒向修形圖

在確定牽引齒輪的修形量時還要考慮各種不同工況的影響因素。在俯視圖中，以輪對前進方向為前方，如電機在車軸后方，則主動齒輪的工作面為后導(dǎo)面，如電機在車軸前方，則主動齒輪的工作面為前導(dǎo)面[2]。如圖1所示，當主動齒輪順時針方向旋轉(zhuǎn)時(從主動齒輪外端看)，主動齒輪的右側(cè)齒面工作(電機前導(dǎo)面)，雖然主動齒輪的偏斜量很小，但從動齒輪的偏斜量較大。若不進行修形將在主動齒輪齒寬靠近電機側(cè)形成尖角接觸，在齒寬遠離電機的外側(cè)卻存在著初始間隙，會導(dǎo)致靠近電機側(cè)的齒面承載過大而損傷。因此，要對主動齒輪的電機前導(dǎo)面靠近電機的一側(cè)齒面加大修形量。如圖2所示，當主動齒輪逆時針方向旋轉(zhuǎn)時(從主動齒輪外端看)，主動齒輪的左側(cè)齒面工作(電機后導(dǎo)面)，同樣道理，將在主動齒輪齒寬遠離電機側(cè)的外端形成尖角接觸，而在靠近電機的一側(cè)存在初始間隙，需要對主動齒輪的電機后導(dǎo)面遠離電機的外側(cè)齒面加大修形量。綜上，在修形計算中必須兼顧各主要載荷下的齒向載荷分布情況，進行優(yōu)化綜合處理。根據(jù)以上原理某型機車主動齒輪的齒向修形如圖3所示。

2.2 主動齒輪懸臂布置時的齒向修形

主動齒輪呈懸臂布置，電機后導(dǎo)面工作時主動齒輪的受力情況如圖4所示，主動齒輪受力后電機軸發(fā)生彎曲。此時主動齒輪、從動齒輪都發(fā)生傾斜，且傾斜方向相同，經(jīng)計算某型機車主動齒輪傾斜量大于從動齒輪傾斜量，故主、從動齒輪在靠近電機側(cè)尖角接觸，如圖5所示。

主動齒輪呈懸臂布置，電機前導(dǎo)面工作時主動齒輪受力情況如圖6所示，主動齒輪受力后電機軸發(fā)生彎曲，電機軸彎曲及主動齒輪的偏斜如圖7所示。此時主動齒輪、從動齒輪都發(fā)生傾斜，且傾斜方向相反，故主、從動齒輪在靠近電機側(cè)尖角接觸。

綜上所述，對于主動齒輪呈懸臂布置的情況下，前導(dǎo)面為工作面時，主動齒輪受載荷傾斜方向與從動齒輪的傾斜方向相反，后導(dǎo)面為工作面時，主動齒輪受載荷傾斜方向與從動齒輪的傾斜方向相同。所以要使齒輪的傳動性能良好，其嚙合線應(yīng)長些，故前導(dǎo)面的修形量要大于后導(dǎo)面。某型機車其主動齒輪齒向修行圖(電機側(cè))如圖8所示。

圖4 后導(dǎo)面工作時主動齒輪受力情況(電機側(cè))

圖5 后導(dǎo)面嚙合面接觸示意圖

圖6 前導(dǎo)面工作時主動齒輪受力情況(電機側(cè))

圖7 前導(dǎo)面工作時電機軸彎曲及主動齒輪的偏斜

圖8 某型機車主動齒輪齒向修形圖(電機側(cè))

3 結(jié)束語

根據(jù)GB 3480—1997標準，采用Excel表格編制的齒輪強度計算程序可以用于齒輪強度校驗。通過闡述前、后導(dǎo)面的概念，分析了主動齒輪對稱布置與懸臂布置時的修形量不同的原因，主動齒輪懸臂布置時前導(dǎo)面的修形量要大于后導(dǎo)面的修形量。上述結(jié)論對機車齒輪設(shè)計師有一定參考價值。

[1] 朱孝錄.齒輪傳動設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2] 宋樂民.漸開線鼓形齒的鼓形量[J].齒輪，1987,11(6)：4-11.□

(編輯：李琳琳)

2095-5251(2016)02-0049-02

2015-08-05

秦美超(1984-)，男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事機車轉(zhuǎn)向架及牽引齒輪設(shè)計研發(fā)工作。

U260.332

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