許濤濤 張 晶 關(guān)云輝

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

國(guó)內(nèi)外動(dòng)車組、地鐵列車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)、鼓形齒聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱三部分組成[1]。車軸軸箱布置于車輪外側(cè)，齒輪箱采用軸懸方式與轉(zhuǎn)向架連接。此種驅(qū)動(dòng)及齒輪箱懸掛方式主要存在以下缺點(diǎn)：空間尺寸大，一系簧下質(zhì)量大，輪軌振動(dòng)沖擊對(duì)齒輪箱部件危害大，車輛舒適性差，能耗高。

為解決上述缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)某軌道交通車輛廠提出了軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架[2]，而該型轉(zhuǎn)向架主要對(duì)齒輪箱結(jié)構(gòu)及其懸掛方式提出了全新要求，本文將主要介紹該齒輪箱的設(shè)計(jì)制造及試驗(yàn)驗(yàn)證過程。

1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

如圖1所示，齒輪箱輸入軸電機(jī)通過剛性磨盤式聯(lián)軸節(jié)連接，齒輪箱通過V型橡膠堆懸掛于轉(zhuǎn)向架下部；齒輪箱二級(jí)從動(dòng)齒輪通過過盈配合安裝于空心軸上；空心軸通過端面齒與安裝在車軸上的輸出端楔形橡膠聯(lián)軸節(jié)連接，從而將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給了車軸，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。

1—牽引電機(jī)；2—車輪；3—齒輪箱；4—輸出端橡膠堆聯(lián)軸節(jié)；5—車軸；6—軸箱。

齒輪箱通過輸入端的V型橡膠堆實(shí)現(xiàn)了與轉(zhuǎn)向架的柔性連接，輸出端的楔形橡膠聯(lián)軸節(jié)實(shí)現(xiàn)了與車軸的柔性連接，從而降低了振動(dòng)沖擊對(duì)齒輪箱的影響。

齒輪箱與電機(jī)通過剛性磨盤式聯(lián)軸節(jié)連接，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)裝置橫向尺寸小的要求。

2 齒輪箱技術(shù)方案

2.1 總體布置方案

根據(jù)轉(zhuǎn)向架接口及驅(qū)動(dòng)參數(shù)的要求，齒輪箱采用二級(jí)圓柱斜齒平行軸傳動(dòng)形式，主要由箱體、輸入軸組成、中間軸組成、輸出軸組成、吊掛組成、潤(rùn)滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等組成。

V型橡膠堆吊掛裝置采用預(yù)壓縮方式安裝在箱體上，實(shí)現(xiàn)與轉(zhuǎn)向架連接及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各方向位移及角度變化補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

齒輪箱各軸系通過軸承支撐于箱體上，根據(jù)各軸系受力形式、傳動(dòng)的扭矩及受到的振動(dòng)沖擊大小，確定合適的軸承布置形式及軸承規(guī)格。

齒輪箱內(nèi)軸承和齒輪均采用飛濺潤(rùn)滑方式，箱體內(nèi)壁整體鑄造有集油槽，箱體及軸承座設(shè)置有進(jìn)油及回油通道，可以將潤(rùn)滑油導(dǎo)入到各軸承；考慮到輸入軸與輸出軸中心距較大，為保證各部位軸承的充分潤(rùn)滑，合理布置中間軸位置，保證一級(jí)從動(dòng)齒輪和二級(jí)從動(dòng)齒輪均可起到攪油作用。

齒輪箱輸入軸、輸出軸內(nèi)外部貫通部位采用間隙式機(jī)械迷宮密封方式，合箱面、軸承座與箱體結(jié)合面采用密封膠及O型圈接觸式密封方式，兩種密封方式有效滿足了齒輪箱在各工況下的密封要求。

2.2 箱體

綜合考慮各工況下箱體強(qiáng)度、鑄造及機(jī)加工工藝性等因素，箱體采用QT450-10材質(zhì)鐵鑄造而成，考慮齒輪箱與電機(jī)、轉(zhuǎn)向架的特殊連接形式，齒輪箱采用左右垂直分箱形式。箱體整體結(jié)構(gòu)采用仿圓形設(shè)計(jì)，有利于箱體整體強(qiáng)度及齒輪箱內(nèi)部潤(rùn)滑效果。

2.3 齒輪

由于列車啟停頻繁，加減速度快，齒輪需承受較大的沖擊，因此齒輪均采用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼，輪齒表面進(jìn)行滲碳淬火處理。為提高牽引齒輪的傳動(dòng)質(zhì)量和可靠性，降低初始嚙合動(dòng)載荷、減小偏載、降低噪聲，對(duì)齒輪進(jìn)行修形處理。

2.4 端面齒

齒輪箱空心軸與輸出端楔形橡膠聯(lián)軸節(jié)通過端面齒配合進(jìn)行動(dòng)力傳遞，工作時(shí)端面齒既要保證承受傳遞扭矩、振動(dòng)沖擊等載荷，還要保證兩側(cè)端面齒配合精度。端面齒采用60°齒形角，齒根、齒頂均有一定傾角，兩側(cè)端面齒通過圓周方向布置的螺栓進(jìn)行軸向預(yù)緊，可以保證工作時(shí)齒面的配合精度。

由于端面齒需傳遞較大的扭矩，因此采用中碳合金鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其屈服強(qiáng)度大于750 MPa。

3 計(jì)算校核

3.1 箱體強(qiáng)度

3.1.1箱體靜強(qiáng)度計(jì)算

為保證箱體在極端工況下各部位強(qiáng)度，選取短路扭矩工況，并考慮輸入、輸出端沖擊振動(dòng)的作用，進(jìn)行了箱體靜強(qiáng)度計(jì)算。

通過建立有限元仿真模型及仿真計(jì)算分析，齒輪箱在極端工況下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在V形橡膠堆吊掛安裝座處，最大應(yīng)力為178 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度310 MPa，滿足使用要求。

3.1.2箱體模態(tài)計(jì)算

為分析齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)下的動(dòng)態(tài)特性，需要考慮齒輪箱額定轉(zhuǎn)速下的特征頻率，即確定齒輪箱輸入軸、中間軸、輸出軸的轉(zhuǎn)頻及齒輪嚙合頻率特點(diǎn)。用仿真分析軟件進(jìn)行分析計(jì)算，得到箱體的前10階自由模態(tài)參數(shù)如表1所示。

表1 箱體前10階模態(tài)參數(shù)

由表1可知，箱體最低階固有頻率為516 Hz。本齒輪箱輸入軸額定轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，此時(shí)輸入軸轉(zhuǎn)頻為31.7 Hz，中間軸轉(zhuǎn)頻為15.5 Hz，輸出軸轉(zhuǎn)頻為6.4 Hz；一級(jí)齒輪嚙合頻率為792.5 Hz，二級(jí)齒輪嚙合頻率為358.4 Hz。對(duì)比分析可以看出，嚙合頻率和各傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)頻均遠(yuǎn)離齒輪箱箱體前10階固有頻率，齒輪箱額定轉(zhuǎn)速下正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。

3.2 齒輪強(qiáng)度校核

齒輪為齒輪箱主要承載部件之一，齒輪強(qiáng)度計(jì)算采用ISO 6336—2006標(biāo)準(zhǔn)中的方法B，分別在啟動(dòng)、額定、高速工況下對(duì)齒輪強(qiáng)度、靜強(qiáng)度、膠合承載能力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明在啟動(dòng)、額定、高速工況下齒輪的接觸安全系數(shù)和彎曲安全系數(shù)均達(dá)到了GB/T 3480—1997規(guī)定的較高可靠度要求，齒輪膠合承載能力安全系數(shù)達(dá)到了GB/T 6413—2003規(guī)定的高可靠度要求，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 端面齒強(qiáng)度校核

為保證端面在極端工況下的強(qiáng)度，選取短路扭矩工況，并考慮輸出端沖擊振動(dòng)及螺栓預(yù)緊力的作用進(jìn)行端面齒靜強(qiáng)度計(jì)算。

通過建立有限元仿真模型及仿真計(jì)算分析，端面齒在極端工況下最大應(yīng)力出現(xiàn)在齒面靠近齒頂部位，最大應(yīng)力為53 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

首套齒輪箱在試制完成后，需通過綜合試驗(yàn)臺(tái)模擬齒輪箱在實(shí)際線路各工況下的運(yùn)行情況，驗(yàn)證齒輪箱在各工況下的溫升、潤(rùn)滑、密封、振動(dòng)、噪音等性能。

型式試驗(yàn)主要試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)如表2所示。

表2 齒輪箱型式試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)

經(jīng)過對(duì)齒輪箱的綜合試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。其中額定扭矩加載工況下的溫升曲線如圖2所示。

圖2 齒輪箱疲勞試驗(yàn)溫度曲線

通過型式試驗(yàn)驗(yàn)證，齒輪箱各軸承部位溫度均小于90 ℃；聲壓級(jí)檢測(cè)噪音最高為88.3 dB；各軸承部位振動(dòng)值最高為3.5 mm/s。齒輪箱在各工況下溫升、振動(dòng)、密封、噪音等性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文論述了一種適用于軌道交通軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架用齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于新型轉(zhuǎn)向架的接口要求進(jìn)行齒輪箱的研發(fā)，并通過計(jì)算分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，成功完成齒輪箱的試制及試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：齒輪箱溫度、密封、振動(dòng)、噪音等各項(xiàng)性能良好，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

該齒輪箱的成功研制，突破了國(guó)內(nèi)軌道交通車輛軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架用齒輪箱設(shè)計(jì)研發(fā)的空白，為后續(xù)軸箱內(nèi)置式轉(zhuǎn)向架用齒輪箱的研制及應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。