楊漢文　王敏　邢佳　王琛　李博

【摘 ?要】傳動軸作為軌道車輛動力傳動裝置的重要組成部分，用于實現(xiàn)軸線不在同一條直線上或相對位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動力傳遞，其設(shè)計選型及總體布置對于整車運行安全性及平穩(wěn)性至關(guān)重要。本文就軌道車輛單根傳動軸設(shè)計選型及安裝布置需要注意項點進行分析說明。

【關(guān)鍵詞】傳動軸;動平衡;夾角

引言

傳動軸作為軌道車輛動力傳動裝置的重要組成部分，用于實現(xiàn)軸線不在同一條直線上或相對位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動力傳遞。根據(jù)整車布置要求的不同，主要用于發(fā)動機與變速箱、變速箱與齒輪箱、雙軸均帶動力的轉(zhuǎn)向架齒輪箱之間動力的傳遞。在設(shè)計選型階段，必須根據(jù)整車傳動系統(tǒng)參數(shù)對傳動軸進行設(shè)計計算，保證傳動軸結(jié)構(gòu)強度安全可靠，能平穩(wěn)可靠的傳遞扭矩，滿足整車安裝及動力傳遞的要求。此外，軌道車輛用傳動軸主要采用十字軸式萬向節(jié)，該萬向節(jié)結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致傳動軸安裝夾角會產(chǎn)生附加載荷，軸間夾角越大，傳動軸轉(zhuǎn)動的不均勻性越大，產(chǎn)生的附加交變載荷也越大，影響整車的振動噪音及傳動件的使用壽命，同時也會降低傳動效率，所以在傳動系統(tǒng)總體布置上應(yīng)盡量減小這些軸間夾角。本文就軌道車輛傳動軸設(shè)計選型及安裝布置需要注意項點進行分析說明。

1.傳動軸設(shè)計計算

傳動軸設(shè)計選型時必須根據(jù)整車運用工況對傳動軸最大工作扭矩進行設(shè)計計算并對制造廠家提出相應(yīng)的要求，從而保證傳動軸在整車動力傳遞過程中安全可靠。此外，為保證傳動軸使用過程中的平穩(wěn)性及安全性，傳動軸必須嚴格要求許用不平衡量，具體內(nèi)容如下：

（1）軌道車輛用傳動軸最大扭矩的計算一般是根據(jù)輪周啟動牽引力進行反向計算，設(shè)計選型時應(yīng)盡量保證傳動軸最大工作扭矩Tse2小于傳動軸的額定扭矩值，具體計算公式如下：

Tl = f·r

f = F/n

Tse2 = Tl·K / If·η1

式中：Tl 為車輪扭矩（N.m）;F 為整車啟動牽引力（N）;f 為輪周啟動牽引力（N）;n 為整車動軸總個數(shù);r 為車輪半徑（m）;if 為車軸齒輪箱傳動比;η1 為車軸齒輪箱傳動效率;K 為安全系數(shù)。

以上公式中安全系數(shù)K一般取1.5～2.0，軌道工程機械中K取2.0

（2）傳動軸許用不平衡量設(shè)計要求及計算方法

傳動軸設(shè)計選型時許用不平衡量要求應(yīng)不低于GB 9239中規(guī)定的G40平衡品質(zhì)級別。

①許用不平衡量按下式進行計算：

Uper =1000·M·G / ω

式中：Uper 為許用不平衡量（g·mm）;M 為傳動軸質(zhì)量（kg）;G 為平衡品質(zhì)級別（mm/s）;ω 為角速度（rad/s）。

②傳動軸許用不平衡量亦可用查圖法（見圖1）進行簡單計算，計算公式如下：

Uper = eper × M

式中：eper 為許用不平衡度（g·mm/kg或μm）

2.傳動軸安裝布置

2.1單根傳動軸的總體布置

軌道車輛用傳動軸采用十字軸式萬向節(jié)，該結(jié)構(gòu)萬向節(jié)為不等速萬向節(jié)，為了使輸入軸與輸出軸的角速度一致，常將萬向節(jié)成對使用，在安裝布置時，傳動軸必須滿足以下三個條件：

（1）傳動軸所有軸線在同一平面內(nèi);

（2）傳動軸輸入軸與傳動軸軸線夾角β1等于輸出軸與傳動軸軸線的夾角β2;

（3）傳動軸兩端萬向節(jié)叉相位相同。

按照上述布置原則，為保證傳動軸輸入軸與輸出軸角速度一致，單根傳動軸的安裝布置大致可分為以下三類，具體布置型式如圖2。

軌道車輛由于整車布置的限制，主要采用一型布置及Z型布置。一型布置為理想的布置模式，這種布置型式下傳動軸各軸線夾角為零，各軸角速度一致，沒有附加的徑向力，傳動效率最高、運轉(zhuǎn)最平穩(wěn)、傳動軸零部件的使用壽命最長。

實際布置時，傳動軸各軸線間不可避免的會產(chǎn)生一定的安裝夾角，本文著重分析Z型布置下傳動軸各軸間的運動關(guān)系。

當單個十字軸萬向節(jié)主、從動軸之間的夾角為β時，主、從動軸存在如下關(guān)系：

tanφ1 =tanφ2cosβ

ω2/ω1 = cosβ/（1-sin2βcos2φ1）

式中φ1為主動叉相對初始位置轉(zhuǎn)過的角度;φ2為從動叉轉(zhuǎn)過的角度;ω1為主動叉角速度;ω2為從動叉角速度。初始位置定義為主動叉所在平面與主、從動軸所在平面重合時主動叉所在的位置。

圖3為不同夾角β情況下主動軸與從動軸轉(zhuǎn)角差φ1-φ2與主動軸轉(zhuǎn)角φ1之間的關(guān)系，由圖可知，當主動軸轉(zhuǎn)角在0°～90°區(qū)間范圍內(nèi)時，從動軸是超前的，即φ2>φ1。此外，轉(zhuǎn)角差在主動軸轉(zhuǎn)角為45°時達到最大，隨后逐漸減小，這也就意味著在這個范圍內(nèi)假設(shè)主動軸勻速旋轉(zhuǎn)，從動軸也是先加速后減速。當主動軸轉(zhuǎn)角在90°～180°區(qū)間范圍內(nèi)時，從動軸是滯后的，假設(shè)主動軸勻速旋轉(zhuǎn)，從動軸則為先減速后加速。

綜上所述，當傳動軸安裝布置夾角大于零時，即使采用Z型布置保證傳動軸輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速一致，傳動軸的中間軸也是不等速旋轉(zhuǎn)的，這必然會引起在支承位置產(chǎn)生額外的附加載荷及振動，一定程度上影響傳動軸的傳遞效率、壽命及NVH（噪聲、振動及不平順性）。因此，傳動系統(tǒng)總體布置上應(yīng)盡量減小這些軸間夾角，軌道車輛中規(guī)定傳動軸的布置應(yīng)盡可能地選用平面夾角，并且軸線夾角應(yīng)不大于8°，空間夾角（定義為傳動軸輸入軸與輸出軸既不平行也不相交時，輸入軸與輸出軸間的夾角）不大于6°。

2.2多根傳動軸的總體布置

傳動軸橫截面不變的情況下，長度越長傳動軸臨界轉(zhuǎn)速越低，當傳動軸的工作轉(zhuǎn)速接近其臨界轉(zhuǎn)速時會發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致傳動軸振幅急劇增加，從而導(dǎo)致傳動軸折斷，因此傳動軸設(shè)計選型時因?qū)ζ渑R界轉(zhuǎn)速進行驗算。

傳動軸臨界轉(zhuǎn)速計算公式如下：

（r/min）

其中，nk為傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速;D為傳動軸管外徑;d為傳動軸管內(nèi)徑;L為傳動軸的兩萬向節(jié)中心的距離。

應(yīng)當指出，上述計算公式是在傳動軸兩端支承為剛性的假設(shè)條件下推導(dǎo)出來的。實際上傳動軸兩端支承具有一定的彈性，并非完全剛性，因此臨界轉(zhuǎn)速計算公式是近似的。此外，制造過程中動不平衡質(zhì)量的存在及使用過程中的磨損都會使nk下降，因此在設(shè)計選型時要求傳動軸必須滿足：

nmax<0.7nk

其中，nmax為傳動軸的最大輸入轉(zhuǎn)速。

若傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速不能滿足設(shè)計要求，可以在總長度不變的情況下，將傳動軸分成幾段，提高臨界轉(zhuǎn)速以滿足要求。

2.3傳動軸的安裝緊固

傳動軸主要是通過兩法蘭接觸面的摩擦力實現(xiàn)傳動軸連接處扭矩的傳遞，接觸面間必須存在一定的正壓力，因此傳動軸緊固螺栓對防松性能的要求極為嚴格，軌道工程中傳動軸的緊固方式的設(shè)計應(yīng)符合以下原則：

（1）安裝傳動軸法蘭盤螺栓，螺栓一般應(yīng)選用8.8級以上的細牙螺栓，宜選用10.9級細牙螺栓，螺栓緊固方式采用螺栓+螺母+墊圈的方式，防松措施應(yīng)盡量避免選用彈簧墊圈，安裝連接時施加相應(yīng)的緊固力矩，保證結(jié)合面有一定正壓力，并且起到車輛運行過程中防止螺栓松動的作用;

（2）防松措施主要有：a.碟形墊圈（成對使用，螺栓頭部與螺母側(cè)各一個）;

b.洛帝牢防松墊圈（成對使用，螺栓頭部與螺母側(cè)各一組）;

3.結(jié)語

傳動軸的設(shè)計選型及安裝布置對整車動力傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要，設(shè)計選型時因根據(jù)上述內(nèi)容對傳動軸提出相應(yīng)的要求，確保傳動軸設(shè)計、安裝、布置合理安全，實現(xiàn)動力傳遞的同時最大程度的保證整車運行平穩(wěn)性及安全性。

參考文獻

[1]QC/T 29082-92《汽車傳動軸總成技術(shù)條件》;

[2]馮振東，空間多萬向節(jié)傳動布置的優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程，1992，14（8）：138-143.