機(jī)車牽引齒輪強(qiáng)度計(jì)算及齒向修形方法研究

秦美超 曲云飛 賈彥光

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

機(jī)車牽引齒輪強(qiáng)度計(jì)算及齒向修形方法研究

秦美超 曲云飛 賈彥光

(中車大連機(jī)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(biāo)準(zhǔn)采用Excel表格編制了齒輪強(qiáng)度計(jì)算程序，并分析了機(jī)車主動(dòng)齒輪齒向修形的2種不同形式。

牽引齒輪；彎曲強(qiáng)度；接觸強(qiáng)度；齒向修形

牽引齒輪是機(jī)車的重要組成部分，由它將牽引電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩傳遞給輪對(duì)，使機(jī)車能夠運(yùn)行。牽引齒輪對(duì)機(jī)車的振動(dòng)、噪音和安全運(yùn)行影響很大。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)車正朝著高速、重載方向發(fā)展，這就對(duì)齒輪提出了更高的要求。機(jī)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(qiáng)度、接觸強(qiáng)度、膠合強(qiáng)度，改善齒輪的嚙合性能，降低嚙合時(shí)的動(dòng)載荷和沖擊，保證齒輪的良好潤(rùn)滑[1]。齒輪強(qiáng)度校驗(yàn)和主動(dòng)齒輪齒向修形對(duì)于提高齒輪傳動(dòng)性能和齒輪壽命有很大作用。

1 齒輪強(qiáng)度計(jì)算

1.1 齒輪強(qiáng)度公式編制

GB 3480—1997《漸開線圓柱齒輪能力計(jì)算方法》標(biāo)準(zhǔn)中提供了齒輪強(qiáng)度的計(jì)算方法，在齒輪強(qiáng)度計(jì)算的過程中，計(jì)算量大且繁雜，各個(gè)參數(shù)聯(lián)系密切，1個(gè)參數(shù)出錯(cuò)將導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算全部錯(cuò)誤，并且修改非常麻煩。為了簡(jiǎn)化計(jì)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(duì)機(jī)車牽引齒輪的運(yùn)行特點(diǎn)，從GB 3480—1997標(biāo)準(zhǔn)中整理提取相關(guān)計(jì)算公式，應(yīng)用Excel表格的計(jì)算公式編輯功能編制機(jī)車牽引齒輪強(qiáng)度計(jì)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(zhǔn)確度，并且在發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)候，追溯查詢問題根源也能一目了然。計(jì)算程序編完后需認(rèn)真檢查每個(gè)參數(shù)，然后用已經(jīng)經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算的齒輪作為參照，輸入相關(guān)參數(shù)后對(duì)所編程序的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

應(yīng)用所編程序計(jì)算了某型機(jī)車齒輪不同工況下的強(qiáng)度，如表1所示。

表1 不同工況下齒輪強(qiáng)度的計(jì)算

根據(jù)GB/T 3480—1997標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度計(jì)算

對(duì)齒輪在瞬時(shí)短路工況下的強(qiáng)度安全系數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)算，結(jié)果如表3所示。根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)，在瞬時(shí)短路扭矩作用下，齒輪的接觸強(qiáng)度安全系數(shù)及彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)均在GB/T 3480—1997標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的一般可靠度(SFmin：1.25，SHmin：1.00～1.10)之上，可見靜強(qiáng)度滿足要求。

表3 齒輪的靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2 機(jī)車牽引齒輪齒向修形

2.1 主動(dòng)齒輪對(duì)稱布置時(shí)的齒向修形

主、從動(dòng)牽引齒輪在實(shí)際工作中產(chǎn)生較大的相對(duì)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(duì)偏斜量對(duì)主動(dòng)齒輪進(jìn)行相應(yīng)的齒向修形。

根據(jù)計(jì)算分析主動(dòng)齒輪受載時(shí)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(dòng)齒輪的偏斜是決定主動(dòng)齒輪齒向修形曲線的主要因素。

圖1 前導(dǎo)面工作時(shí)車軸彎曲及齒輪的偏斜

圖2 電機(jī)后導(dǎo)面工作時(shí)車軸彎曲及齒輪的偏斜

圖3 某型機(jī)車主動(dòng)齒輪的齒向修形圖

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

2.2 主動(dòng)齒輪懸臂布置時(shí)的齒向修形

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

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

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

圖4 后導(dǎo)面工作時(shí)主動(dòng)齒輪受力情況(電機(jī)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(shí)主動(dòng)齒輪受力情況(電機(jī)側(cè))

圖7 前導(dǎo)面工作時(shí)電機(jī)軸彎曲及主動(dòng)齒輪的偏斜

圖8 某型機(jī)車主動(dòng)齒輪齒向修形圖(電機(jī)側(cè))

3 結(jié)束語

根據(jù)GB 3480—1997標(biāo)準(zhǔn)，采用Excel表格編制的齒輪強(qiáng)度計(jì)算程序可以用于齒輪強(qiáng)度校驗(yàn)。通過闡述前、后導(dǎo)面的概念，分析了主動(dòng)齒輪對(duì)稱布置與懸臂布置時(shí)的修形量不同的原因，主動(dòng)齒輪懸臂布置時(shí)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(duì)機(jī)車齒輪設(shè)計(jì)師有一定參考價(jià)值。

[1] 朱孝錄.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)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(jī)車轉(zhuǎn)向架及牽引齒輪設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

U260.332

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