關(guān)鶴 趙玉凱 范友航 何鵬輝

摘要：針對HXD1B型機(jī)車驅(qū)動單元中的齒輪轂強度不足，可靠性不佳的問題進(jìn)行研究，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱處理工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化后的齒輪轂進(jìn)行有限元分析。得出的研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的齒輪轂具有良好的機(jī)械性能并很好的改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象。經(jīng)過裝車驗證，滿足機(jī)車驅(qū)動單元的使用要求。

Abstract： In order to solve the problem of insufficient strength and poor reliability of the gear hub in the drive unit of HXD1B electric locomotive， the optimization design of the gear hub was carried out from the aspects of structural， heat treatment process. The finite element analysis method was applied for the optimized gear hub. The results show that the optimized gear hub has good mechanical performance and the stress concentration has been improved. After assembling to electric locomotive， the optimized gear hub meets the use requirements of the locomotive drive unit.

關(guān)鍵詞：齒輪轂;材料42CrMo;熱處理工藝

Key words： gear hub;material 42CrMo;hardening and tempering process

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0017-03

0? 引言

機(jī)車齒輪轂是用來連接車軸與大齒圈，傳遞扭矩的關(guān)鍵零部件，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車的齒輪箱中。HXD1B電力機(jī)車齒輪箱中的大齒圈通過齒輪轂安裝在車軸上，大齒圈通過齒輪轂將扭矩傳遞到車軸上，驅(qū)動車輪前進(jìn)[1]。其齒輪轂設(shè)計要求結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，強度高，可靠耐用，且具有互換性等特點。本文針對HXD1B電力機(jī)車齒輪轂存在的強度不足，可靠性不佳等問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)械性能等方面進(jìn)行改善，并對優(yōu)化后的方案進(jìn)行有限元分析驗證。

1? 輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 齒輪轂安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

HXD1B電力機(jī)車電機(jī)通過齒輪箱將扭矩傳遞到車軸上，輪轂是連接車軸與大齒圈的重要部件。大齒圈材料選用18CrNiMo7-6，滲碳淬火后硬度高，但韌性較差，機(jī)車齒輪箱采用的是兩點支撐一端浮動的承載方式，這就要求連接車軸與大齒圈的輪轂具有浮動性，能滿足機(jī)車在不同路況上都能保證齒輪的嚙合狀態(tài)。齒輪轂設(shè)計為軸套加法蘭盤的常規(guī)結(jié)構(gòu)，輪轂法蘭盤部位設(shè)計為薄壁，以達(dá)到比較好的韌性。輪轂與車軸的配合采用過盈配合，裝配方式采用熱裝。HXD1B機(jī)車齒輪箱總成局部如圖1所示。

齒輪轂通過過盈配合套裝于車軸上[1]。齒輪轂內(nèi)徑的最大尺寸小于車軸外徑的最小尺寸，裝配后，由于結(jié)合面上產(chǎn)生阻礙零件相互位移的結(jié)合力，而使輪軸相互抱緊。輪轂和車軸通過過盈配合來傳遞扭矩和軸向力。此種配合是利用過盈量產(chǎn)生徑向的接觸面壓力P1，并依靠由該面壓力產(chǎn)生的摩擦力來傳遞扭矩和軸向力，能夠滿足傳動扭矩需要[2]，如圖2所示。

1.2 改善輪轂內(nèi)孔與車軸過盈配合應(yīng)力集中的措施

輪對組裝采用車軸與輪轂孔的過盈量配合來實現(xiàn)，鑒于車輛輪對受力復(fù)雜，使用年限長，加之輪對在制動時閘瓦和車輪摩擦產(chǎn)生的高熱傳導(dǎo)的輪轂會引起輪轂的膨脹，軸頸運轉(zhuǎn)熱傳導(dǎo)到輪座會引起輪轂座膨脹等情況，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗車軸與輪轂內(nèi)孔的過盈量為車軸直徑的0.08～0.15%，HXD1B電力機(jī)車車軸輪座處直徑為？準(zhǔn)252，故車軸輪座處于輪轂內(nèi)孔過盈量的取值為0.2～0.38mm，如此大的過盈量會使過盈連接的接合面沿軸向產(chǎn)生壓力不均勻的現(xiàn)象[2]，如圖3所示。

為了改善壓力不均，以減少應(yīng)力集中，本設(shè)計采取的優(yōu)化措施為在包容件的端面加工出卸載槽，在內(nèi)孔端面做出倒角，取倒角？琢為20°，內(nèi)孔加工后表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra1.6，如圖4所示。避免了接合面沿軸向的壓力出現(xiàn)分布不均勻現(xiàn)象。

1.3 改善輪轂法蘭截面應(yīng)力集中的措施

由于機(jī)車在行駛過程中會發(fā)生不規(guī)則的顛簸，尤其在遇到轉(zhuǎn)彎時，這時候車軸會發(fā)生彎曲，從而影響主動齒輪與從動齒輪的嚙合，所以，輪轂在設(shè)計過程中要注意大齒輪和車軸在機(jī)車轉(zhuǎn)彎等特殊狀態(tài)下的相對位移，如何保證機(jī)車在各種路況下主動齒輪與從動齒輪都能保證處于理想的嚙合狀態(tài)，使輪轂在齒輪傳動中具有浮動性，這是輪轂設(shè)計中的一個重點。本設(shè)計將輪轂法蘭截面各接合面過渡處均設(shè)計成圓弧過渡，加工時保證過渡圓弧的表面粗糙度，如圖5所示。該設(shè)計能使輪轂法蘭受到偏轉(zhuǎn)力時能夠浮動而又不產(chǎn)生應(yīng)力集中。

1.4 輪轂裝卸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

輪轂與車軸的拆卸方法為在車軸與輪轂內(nèi)孔之間注入140～150MPa高壓油，注油壓力高于輪轂內(nèi)孔和車軸的接觸應(yīng)力，使之形成油膜，隨著油不斷滲透，輪轂內(nèi)孔和車軸之間處于油膜隔開的狀態(tài)，可將輪轂從車軸上拆卸下[3]。為改善應(yīng)力分布，輪轂內(nèi)孔環(huán)形槽位置設(shè)計在輪轂輻板正下方，如圖6所示。

因為車軸輪座處直徑為？準(zhǔn)252，查機(jī)械手冊油壓裝卸結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（JB/T6136——1992）得油孔接口應(yīng)選用G1/4螺紋孔，輪轂內(nèi)孔環(huán)形油槽處在加工后，表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra1.6，溝槽與輪轂內(nèi)孔應(yīng)圓滑過渡，不許有銳、棱、尖角。相應(yīng)的環(huán)形油槽和油孔如圖7所示。

2? HXD1B輪轂熱處理工藝優(yōu)化

綜合考慮機(jī)械性能與經(jīng)濟(jì)性的因素，輪轂材料選為42CrMo，42CrMo鋼屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。該鋼適宜制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料模具。42CrMo的化學(xué)成分如表1所示。

本設(shè)計輪轂熱處理工藝如圖8所示。

圖8中，650～670℃中間保持的目的是：

①減少鍛件內(nèi)外溫差，為高溫相變做準(zhǔn)備，使相變在整個截面上均勻進(jìn)行，可以避免產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力;

②減少高溫均溫時間。因為輪轂粗車后工件較大，工件吸熱量很大，不采用中間保持時，將因高溫階段不易達(dá)到較大的加熱速度而延長鍛件在高溫的停留時間，造成較大的氧化和晶粒長大，反之采用中間保持能克服這個缺點。

③低溫階段輪轂處于彈性狀態(tài)，過高的溫差易造成過大的熱應(yīng)力而導(dǎo)致工件開裂。

經(jīng)中間保持后，鍛件表面和心部的溫差基本消失，這時鍛件心部的溫度較高，已處于塑性狀態(tài)，所以這是繼續(xù)升溫可采用較高的升溫速度。即使這時會產(chǎn)生第二個溫差，對鍛件也不會產(chǎn)生更大的危害。

均溫完成后進(jìn)入保溫階段，保溫作用是使工件心部溫度也達(dá)到加熱溫度，并完成奧氏體轉(zhuǎn)變。由于工件有效截面積較大，過快的冷卻速度會產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起開裂，所以采用油冷卻淬火，使奧氏體盡可能多的完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織[4]。200～250℃低溫保溫目的是減小表面與心部的溫差，使心部過冷奧氏體組織繼續(xù)轉(zhuǎn)變。

回火目的是消除和降低淬火冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，同時獲得穩(wěn)定的回火組織，達(dá)到設(shè)計要求的力學(xué)性能指標(biāo)。

取三組42CrMo試樣，經(jīng)上述熱處理工藝調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能如表2所示。

3? 對優(yōu)化后的齒輪轂有限元分析

3.1 輪轂的有限元分析參數(shù)設(shè)定

下面使用solidworks中的cosmosworks有限元分析軟件，對輪轂在起步工況的約束和負(fù)載狀況下，進(jìn)行強度分析。

假設(shè)工況為機(jī)車剛起步時，如表3所示。

此時電機(jī)扭矩最大，為9626N·m，齒輪箱速比i=6.2941。

此時大齒輪上承受的扭矩為9626×6.2941=60587N·m。

在進(jìn)行強度分析時，使輪轂內(nèi)孔固定進(jìn)行約束，外圓加載扭矩60587N·m。

網(wǎng)格信息如表4所示。

解算器信息如表5所示。

3.2 輪轂的強度與位移分析

計算得輪轂應(yīng)力分布云圖如圖9所示，輪轂位移分布云圖如圖10所示。

從圖9可以看出，應(yīng)力最大值為2.754×107N/m2，屈服應(yīng)力為9.3×108N/m2，應(yīng)力最大值小于屈服應(yīng)力。從圖10可以看出，位移最大部位集中在輪轂外圓邊緣處，位移最大值為0.023mm。

從有限元分析結(jié)果可得，優(yōu)化設(shè)計后的輪轂法蘭截面未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)本文中熱處理工藝調(diào)質(zhì)后，機(jī)械性能可滿足HXD1B型機(jī)車驅(qū)動單元的使用要求。

4? 結(jié)論

研究結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計后的齒輪轂很好的改善了法蘭截面的應(yīng)力集中現(xiàn)象并具有良好的機(jī)械性能。經(jīng)過裝車使用，運行十萬公里后拆卸檢查，齒輪轂無故障和出現(xiàn)異樣，滿足了HXD1B機(jī)車驅(qū)動單元使用工況要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周建斌，陳清明，王德新，等.HXD1B型機(jī)車轉(zhuǎn)向架驅(qū)動系統(tǒng)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2010，33（6）：5-7.

[2]肖乾，徐紅霞，李清華，等.考慮輪軸、盤軸過盈裝配的車軸應(yīng)力分析[J].機(jī)械強度，2014，36（1）：067-071.

[3]徐海霞.HXD1C型機(jī)車抱軸箱組裝工藝難點及解決方案[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2010，33（3）：43-44.

[4]魯玉梅，王凱軍，梁曉婕，等.42CrMo4 風(fēng)機(jī)主軸調(diào)質(zhì)工藝優(yōu)化[J].熱處理技術(shù)與裝備，2020，41（5）：29-32.