架懸式100%低地板輕軌車輛齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)研究

劉 瑩 魏世晨 仇文凡 周 驥 司衛(wèi)衛(wèi)

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 概述

齒輪箱架懸式100%低地板輕軌車是一種新型的、應(yīng)用廣泛的輕軌車輛，其齒輪箱完全懸掛于構(gòu)架上，可有效降低簧下質(zhì)量，減少因輪對沖擊引起的附加載荷，使車輛運(yùn)行更加平穩(wěn)，同時(shí)便于維護(hù)和檢修。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)向架的核心部件，起到傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速的作用，其性能好壞直接影響車輛的整體性能，同時(shí)低地板車輛通常在城市開放路面運(yùn)行，經(jīng)常遇到積水路段，要求齒輪箱還要具備一定的密封防水性能[1]。

1 結(jié)構(gòu)功能簡介

架懸式100%低地板輕軌車采用帶軸輪對式轉(zhuǎn)向架，齒輪箱和電機(jī)縱向布置在轉(zhuǎn)向架外側(cè)，輸入與輸出呈90°交角，因此齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)需采用含螺傘齒輪的傳動(dòng)形式[2]。齒輪箱箱體通過法蘭與電機(jī)殼體剛性連接，并由3個(gè)環(huán)形節(jié)點(diǎn)(齒輪箱側(cè)1個(gè)，電機(jī)側(cè)2個(gè))吊裝在構(gòu)架上；法蘭腔內(nèi)部，牽引電機(jī)軸輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速經(jīng)膜片聯(lián)軸節(jié)傳遞至齒輪箱輸入軸，再經(jīng)過一級螺傘齒輪副和二級圓柱斜齒輪副傳遞至齒輪箱空心軸，空心軸上設(shè)置端面齒結(jié)構(gòu)，與橡膠聯(lián)軸節(jié)上對應(yīng)的端齒部位嚙合，橡膠聯(lián)軸節(jié)的另一端，設(shè)置端齒與車軸連接，從電機(jī)軸到齒輪箱輸入、輸出軸，形成完整的傳動(dòng)鏈，再傳遞到車軸，從而驅(qū)動(dòng)輪對前進(jìn)，如圖1所示。

1—電機(jī)；2—齒輪箱；3—彈性節(jié)點(diǎn)；4—車輪；5—橡膠聯(lián)軸節(jié)。 圖1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)功能示意圖

2 技術(shù)總體方案

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)采用“一級螺傘齒輪+二級圓柱齒輪斜齒輪+端面齒嚙合”傳動(dòng)的形式，如圖2所示，該齒輪箱可采用斜分箱結(jié)構(gòu)，亦可采用垂直分箱形式。

齒輪箱外部由上箱體、下箱體、聯(lián)軸節(jié)、吊掛節(jié)點(diǎn)、油標(biāo)、端蓋等組成(見圖3)，其內(nèi)部包含兩級齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并由軸承支撐在箱體上。

圖2 齒輪箱傳動(dòng)示意圖

圖3 齒輪箱外形結(jié)構(gòu)圖

齒輪箱采用飛濺潤滑的方式，一級和二級從動(dòng)齒輪部分浸在箱體油池中，在運(yùn)行中將箱體底部的油攪起，飛濺到集油槽，將潤滑油引導(dǎo)至軸承部位，從而潤滑軸承。

采用機(jī)械迷宮密封和接觸密封相結(jié)合的方式。

結(jié)合低地板線路常遇積水路段的工況，若外部雨水進(jìn)入齒輪箱，極易引起潤滑油乳化，為了避免這種故障，齒輪箱在機(jī)械迷宮密封的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用V型橡膠圈的接觸密封，V型圈內(nèi)圈套在軸上，靠橡膠體的內(nèi)在張力固定，隨軸旋轉(zhuǎn)，在垂直方向壓緊接觸面起到靜密封的作用，可以防止水和外部污染物進(jìn)入齒輪箱內(nèi)部。

V型圈選用丁腈橡膠材料，具備良好的耐高低溫、耐老化、摩擦小、耐磨性好、壓縮性好等性能。

密封結(jié)構(gòu)簡易示意圖如圖4所示。

圖4 帶V型圈密封結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真計(jì)算

3.1 箱體鑄造工藝性計(jì)算

箱體選用低溫球墨鑄鐵材料QT400-18L，具備良好鑄造性能和機(jī)械性能。

箱體采用雙層澆注工藝，保證鑄件兩側(cè)充型均勻(見圖5)，澆注口處設(shè)置補(bǔ)縮冒口以增強(qiáng)鑄件的致密性。采用Magma仿真分析，表明其充型過程無紊流、卷氣，關(guān)鍵部位補(bǔ)縮良好。

圖5 上箱體充型過程模擬

經(jīng)過工藝模擬可知，箱體鑄造過程中金屬液充型平穩(wěn)，溫度變化穩(wěn)定，鑄件成形性良好，能有效保證鑄造質(zhì)量。

3.2 箱體強(qiáng)度計(jì)算

在有限元軟件中對齒輪箱吊掛位置約束相應(yīng)的自由度，軸承載荷施加到軸承安裝位置，沖擊載荷通過施加慣性力實(shí)現(xiàn)。

在啟動(dòng)工況和短路工況下，扭矩分別為981 N·m和3 400 N·m，將軸承載荷及轉(zhuǎn)向架縱向(X軸)、橫向(Y軸)、垂向(Z軸)的沖擊加速度載荷進(jìn)行組合，考慮正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)總計(jì)16種工況，分別用來計(jì)算箱體疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度。以扭矩為981 N·m為例，舉例疲勞工況計(jì)算如表1所示。

表1 啟動(dòng)沖擊組合載荷計(jì)算工況表(正轉(zhuǎn))

在靜強(qiáng)度各計(jì)算工況中，齒輪箱箱體的最大Mises應(yīng)力為187.15 MPa，小于箱體材料的屈服極限240 MPa，疲勞特性中，取箱體表面粗糙度Ra=50 um，鑄造質(zhì)量檢查考慮為非破壞性探傷，總安全系數(shù)fD=1.563，根據(jù)FKM標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)，齒輪箱箱體的最大靜強(qiáng)度利用度為91.97%，最大疲勞強(qiáng)度利用度為97.63%，均小于1，計(jì)算結(jié)果滿足使用要求，如圖6所示。

圖6 疲勞強(qiáng)度利用度云圖(局部)

3.3 結(jié)合面密封性計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)和工藝要求，對齒輪箱上的螺栓擰緊處施加預(yù)緊力，通過仿真計(jì)算校核螺栓預(yù)緊結(jié)合面的密封特性，如圖7所示。

圖7 裝配狀態(tài)下螺栓結(jié)合面壓強(qiáng)云圖(端蓋)

螺栓結(jié)合面密封性的結(jié)算結(jié)果，各結(jié)合面均未出現(xiàn)接觸壓強(qiáng)貫穿為零的區(qū)域，密封情況良好。

3.4 齒輪計(jì)算

根據(jù)《ISO 6336直齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)，對齒輪進(jìn)行強(qiáng)度、靜強(qiáng)度和校核承載能力進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：啟動(dòng)工況、額定工況、高速工況以及短路工況下，齒輪的接觸安全系數(shù)SH及彎曲安全系數(shù)SF均高于1.3。對比《GB/Z 6413.2—2003圓柱齒輪、錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪 膠合承載能力計(jì)算方法》中推薦的最小安全系數(shù),可見主從動(dòng)齒輪的強(qiáng)度達(dá)到較高可靠度以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)各零部件加工完成后進(jìn)行組裝，并進(jìn)行例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，以檢驗(yàn)齒輪箱的溫升、潤滑、密封等整體性能(見圖8)。同時(shí)進(jìn)行淋水試驗(yàn)(見圖9)，在跑合試驗(yàn)中，從低速到最高轉(zhuǎn)速，以8 L/min的淋水量，對齒輪箱的迷宮部位和接觸密封部位進(jìn)行淋水測試,以檢驗(yàn)齒輪箱的密封防水性能。

圖8 試驗(yàn)中軸承部位浸油示意圖

圖9 齒輪箱淋水試驗(yàn)示意圖

型式試驗(yàn)過程中，額定工況內(nèi)部軸承溫度不超過95 ℃，潤滑油溫度不超過85 ℃，齒輪箱密封狀態(tài)良好，無異常振動(dòng)和噪聲，淋水試驗(yàn)結(jié)束后，齒輪箱潤滑油含水量約0.07%，防水效果優(yōu)良，齒輪箱整體性能穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文論述了一種架懸式100%低地板齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，介紹了其總體技術(shù)方案，對箱體、齒輪等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了仿真校核計(jì)算，從設(shè)計(jì)和工藝方面論證了該方案的可行性；齒輪箱組裝后進(jìn)行型式試驗(yàn)，通過加載試驗(yàn)和淋水試驗(yàn)等，驗(yàn)證了齒輪箱的溫升性能和密封性能等，該類型齒輪箱已經(jīng)在低地板線路運(yùn)行，在運(yùn)行過程中，齒輪箱整體性能良好，穩(wěn)定可靠。