齒輪箱吊桿組件桿體強度分析*

史業(yè)釗，高耀東

(內(nèi)蒙古科技大學 機械工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

齒輪箱吊桿組件是在軌道車輛轉(zhuǎn)向架上安裝的牽引裝置，能有效提高機車和轉(zhuǎn)向架之間牽引力和制動力的傳遞效率.吊桿組件大部分使用橡膠關(guān)節(jié)耦合在一起，能有效減小齒輪箱吊桿與構(gòu)架或車體連接部位剛性帶來的沖擊力以增強車輛運行的平穩(wěn)性[1]，保證其運動的自由度.為機車縱向牽引力和制動力提供足夠的傳遞力，齒輪箱吊桿組件在保證縱向剛度的同時，車體與轉(zhuǎn)向架連接的垂向、橫向及搖枕約束自由度要盡量釋放出來，從而來降低因振動等因素引起的共振[2].

1 齒輪箱吊桿組件的組成

齒輪箱吊桿組件由齒輪箱吊桿桿體與橡膠關(guān)節(jié)過盈壓裝而成，二維結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，橡膠關(guān)節(jié)由外至內(nèi)由外套、橡膠和芯軸構(gòu)成，外套和芯軸是金屬材料機加工制造形成，通過特殊的硫化工藝和橡膠粘結(jié)在一起.其三維模型(簡化)如圖2所示.

齒輪箱吊桿一般用材料42CrMo圓鋼鍛造加工成毛坯段再機加工制造而成[3]，是車體與轉(zhuǎn)向架縱向牽引力和制動力傳遞的關(guān)鍵構(gòu)件.因為桿體加工制造的時候是圓鋼經(jīng)過高溫高壓鍛打制造而成，所以齒輪箱吊桿品質(zhì)大多受鍛造裂紋、氣孔等缺陷[4]因素的影響，因此對桿體強度的校核是非常有必要的.圖3是齒輪箱吊桿桿體示意圖.

圖1 齒輪箱吊桿組件二維圖1為橡膠關(guān)節(jié)；2為齒輪箱吊桿

圖2 三維模型簡化

圖3 齒輪箱吊桿桿體示意圖

2 計算模型及計算數(shù)據(jù)

2.1 齒輪箱吊桿組件加載工況

在本文分析中，固定吊桿一端球鉸芯軸，對另一端球鉸芯軸施加方向如圖所示的載荷，邊界條件示意圖如圖4所示.

圖4 齒輪箱吊桿強度計算邊界條件示意圖

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

齒輪箱吊桿組件的金屬部分用C3D8R單元模擬其線彈特性，橡膠部分使用C3D8H單元模擬其超彈特性[5].運用ABAQUS軟件中的C3D4單元模擬桿體，C3D8R單元模擬球鉸芯軸和球鉸外套，C3D8H單元模擬球鉸的橡膠部分，如圖5所示.其中：桿體、球鉸芯軸、球鉸外套的網(wǎng)格數(shù)量分別為118 880，26 880和6 624，橡膠部分網(wǎng)格數(shù)量為11 592，合計163 976個單元.

圖5 網(wǎng)格劃分

2.3 單位系統(tǒng)

本結(jié)構(gòu)分析在ABAQUS軟件下進行，及分析中所采用的單位系統(tǒng)為SI，即mm，N，MPa，文中文字及圖片中出現(xiàn)的數(shù)字，如未特別注明，均采用此單位系統(tǒng).

2.4 材料參數(shù)

表1 橡膠材料的性能參數(shù)(采用Mooney-Rivlin)本構(gòu)模型進行模擬

表2 金屬材料的性能參數(shù)

3 齒輪箱吊桿組件強度校核

3.1 極限拉伸工況強度計算

拉伸100 kN極限工況時，齒輪箱吊桿部件的應(yīng)力分布如圖6所示.吊桿桿體的最大應(yīng)力位于外圓弧到桿體過渡處，最大應(yīng)力為129.3 MPa，低于材料屈服強度930 MPa.

計算結(jié)果表明，拉伸100 kN極限工況下，吊桿部件最大應(yīng)力低于材料屈服強度，可以安全使用.

3.2 極限壓縮工況強度計算

壓縮100 kN極限工況時，齒輪箱吊桿部件的應(yīng)力分布如圖7所示.吊桿桿體的最大應(yīng)力位于外圓弧到桿體過渡處，最大應(yīng)力為101.9MPa，低于材料屈服強度930 MPa.

計算結(jié)果表明，壓縮100 kN極限工況下，吊桿部件最大應(yīng)力低于材料屈服強度，可以安全使用.

表3 齒輪箱吊桿組件計算工況

圖6 齒輪箱吊桿極限拉伸工況(100 kN)下應(yīng)力云圖

圖7 齒輪箱吊桿極限壓縮工況(100 kN)下應(yīng)力云圖

表4 齒輪箱吊桿組件靜強度計算結(jié)果見下表

通過表4可以看出齒輪箱吊桿組件在各種工況下，金屬部件安全系數(shù)都大于1.5，滿足相關(guān)強度要求.

4 結(jié)論

(1)齒輪箱吊桿在極限拉伸載荷100 kN時，其最大應(yīng)力為129.3 MPa，遠低于材料屈服強度930 MPa；

(2)齒輪箱吊桿在極限壓縮載荷100 kN時，其最大應(yīng)力為101.9 MPa，遠低于材料屈服強度930 MPa，安全系數(shù)均在5倍以上滿足強度要求；

(3)齒輪箱吊桿組件在承載時的應(yīng)力，均在設(shè)計范圍內(nèi)，對齒輪箱吊桿臺階處進行倒圓角處理，可有效降低應(yīng)力集中.利用有限元模擬技術(shù)對齒輪箱吊桿組件進行分析，以預(yù)測產(chǎn)品剛度特性及結(jié)構(gòu)強度，并提供相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變參考數(shù)據(jù)結(jié)果，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化提供幫助以縮短研發(fā)周期.