金思勤 朱 飛 郭其超 王鵬川

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是車輛的關(guān)鍵部件，自身易產(chǎn)生不平穩(wěn)振動(dòng)并可通過轉(zhuǎn)向架傳遞振動(dòng)，一旦齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將直接威脅到車輛的安全運(yùn)行[1]。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要求壽命長、可靠性高。由于城軌車輛齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)安裝隱蔽、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于拆卸，故障類型多而復(fù)雜，加之測試條件的限制，為了保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，節(jié)約開發(fā)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)費(fèi)用，在研發(fā)階段就需要開展運(yùn)用性能研究評(píng)估，包括強(qiáng)度和壽命分析，確認(rèn)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的運(yùn)用可靠性[2-3]。

1 產(chǎn)品概述

分析某城軌車輛齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為平行軸圓柱斜齒輪單級(jí)傳動(dòng)，采用上下分箱方式，如圖1所示。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要求長壽命，一般壽命要求20年以上。產(chǎn)品在運(yùn)用過程中需要定期維護(hù)，包括日常運(yùn)用過程中的檢查維護(hù)，以及架修(一般60萬km)和大修(一般120萬km)的定期檢修。通常情況下齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)箱體、齒輪要求全壽命，軸承使用一般要求滿足大修周期，即120萬km使用壽命，同時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算壽命要求大于200萬km。

圖1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)外形圖

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)輸入端和輸出端均采用圓錐滾子軸承面對(duì)面配置方式(見圖2)，其中齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)側(cè)小軸承和車輪側(cè)小軸承型號(hào)相同；齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)車輪側(cè)大軸承和電機(jī)側(cè)大軸承型號(hào)也相同。

圖2 計(jì)算分析模型

計(jì)算分析模型建立后，利用已知條件，即可對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、壽命運(yùn)用性能分析評(píng)估，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 計(jì)算參數(shù)的定義和加載

2.1 材料性能參數(shù)

箱體靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)不考慮幾何非線性，即按線彈性小變形問題處理。齒輪箱箱體材料牌號(hào)為QT400-18，彈性模量為150 000 MPa，密度為7.3 kg/dm3，泊松比為0.3，屈服極限σs為250 MPa，抗拉強(qiáng)度σb為400 MPa。

2.2 載荷施加

本文計(jì)算和評(píng)估齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)箱體、齒輪、軸承在額定工況下的強(qiáng)度和壽命運(yùn)用性能。額定工況下齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞功率為190 kW，輸入軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。齒輪法向模數(shù)為6，齒數(shù)比為120/19，壓力角20°，螺旋角16°。根據(jù)該工況條件，計(jì)算得到小齒輪側(cè)軸承所受載荷，再將計(jì)算載荷施加于圖2虛擬樣機(jī)模型中的小軸承座上。

3 計(jì)算結(jié)果及運(yùn)用性能分析

3.1 箱體計(jì)算結(jié)果及分析

將上文所述的計(jì)算載荷及約束條件施加于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，計(jì)算得到齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)箱體的應(yīng)力圖(見圖3、圖4)以及位移圖(見圖5、圖6)，其中應(yīng)力單位為MPa，位移單位為mm。

從圖3～圖4的計(jì)算結(jié)果可以看出：正轉(zhuǎn)時(shí)，箱體最大應(yīng)力為21.05 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限(250 MPa)，從靜強(qiáng)度觀點(diǎn)分析，箱體在工作時(shí)受到的應(yīng)力很小，完全可以承受工作狀況下的載荷，滿足設(shè)計(jì)要求。反轉(zhuǎn)時(shí)箱體最大應(yīng)力為18.87 MPa，也完全滿足要求。正常使用條件下，箱體完全滿足壽命周期內(nèi)的運(yùn)用性能要求。

圖3 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)箱體應(yīng)力云圖

圖4 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)箱體應(yīng)力云圖

3.2 齒輪計(jì)算結(jié)果及分析

齒輪作為傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，需要對(duì)其進(jìn)行計(jì)算及評(píng)估。圖5為齒輪接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，圖6為齒輪彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，圖7為齒輪接觸和彎曲安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

圖5 齒輪接觸應(yīng)力

圖6 齒輪彎曲應(yīng)力

圖7 齒輪接觸和彎曲安全系數(shù)

計(jì)算得到的齒輪接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及相應(yīng)的安全系數(shù)如表1所示。

表1 齒輪接觸和彎曲計(jì)算結(jié)果

從圖表中可以看出，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的接觸和彎曲壽命均能達(dá)到或超過2.8萬h，其總損傷很小。齒輪接觸應(yīng)力為684.54 MPa，主動(dòng)齒輪彎曲應(yīng)力為130.7 MPa，從動(dòng)齒輪彎曲應(yīng)力為155.2 MPa,安全系數(shù)最低的是主動(dòng)齒輪的接觸強(qiáng)度安全系數(shù)1.457。

為了將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過理論計(jì)算得到齒輪在相同工況下的疲勞強(qiáng)度。

齒輪接觸和彎曲強(qiáng)度按《漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》(ISO-6336-1～6336-3 eqv GB/T 3480)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算得到的結(jié)果如表2所示。

表2 額定工況下牽引齒輪的強(qiáng)度計(jì)算

兩種計(jì)算方式的主、從齒輪接觸強(qiáng)度安全系數(shù)分別為1.457和1.542；彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)分別為3.625和3.161。通過理論計(jì)算得到的主、從動(dòng)齒輪接觸強(qiáng)度安全系數(shù)分別為1.49和1.56；彎曲接觸強(qiáng)度安全系數(shù)分別為3.48和3.23。兩種計(jì)算結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了計(jì)算分析的正確性和可用性。

此外根據(jù)《漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》(GB/T 3480 eqv ISO-6336-1～6336-3)標(biāo)準(zhǔn)附錄A推薦的齒輪接觸和彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)參考，兩種計(jì)算結(jié)果得到的安全系數(shù)均達(dá)到了較高可靠度要求，表明齒輪均能滿足設(shè)計(jì)要求，可達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命，并滿足運(yùn)用性能要求。

3.3 軸承計(jì)算結(jié)果分析

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中共有4個(gè)軸承，且均為圓錐滾子軸承。軸承運(yùn)用壽命要求120萬km，設(shè)計(jì)壽命要求大于200萬km。

施加約束和載荷條件后，對(duì)軸承進(jìn)行壽命分析，結(jié)果如圖8及表3所示。

圖8 各軸承的壽命結(jié)果

表3 各軸承的壽命和損傷表

由上述結(jié)果可以看出，計(jì)算出壽命最短的軸承為車輪側(cè)小軸承，其壽命為13萬 h。按照齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)額定工況時(shí)速為43 km/h，車輪側(cè)小軸承的壽命可達(dá)到559萬km。其他軸承壽命均大于559萬km，軸承壽命均滿足200萬km設(shè)計(jì)壽命要求。

根據(jù)相同的設(shè)計(jì)輸入條件，在相同工況下對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)軸承壽命進(jìn)行理論計(jì)算，得到軸承壽命如表4所示。

表4 理論計(jì)算得到的軸承壽命

由表3和表4可以看出，理論計(jì)算得到的軸承壽命滿足設(shè)計(jì)條件，同時(shí)兩種計(jì)算方式得到的軸承壽命相比，相差不大，比較吻合，說明結(jié)果的正確性。兩種計(jì)算結(jié)果均表明軸承滿足運(yùn)用性能要求。

4 結(jié)論

本文建立某城軌齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算模型，完成箱體強(qiáng)度計(jì)算分析、齒輪接觸和彎曲應(yīng)力及安全系數(shù)分析、軸承壽命計(jì)算分析。并結(jié)合傳統(tǒng)理論計(jì)算方法，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證分析的可行性。通過計(jì)算分析研究，對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)箱體、齒輪、軸承關(guān)鍵件運(yùn)用性能進(jìn)行了評(píng)估。本文的研究對(duì)探索與發(fā)展城軌車輛齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)度、壽命分析及運(yùn)用性能評(píng)估有著積極的參考作用，并可為齒輪傳動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、全壽命周期檢修維護(hù)、服役性能評(píng)估提供新的思路和方法。