軌道交通牽引齒輪齒面接觸分析及修形優(yōu)化

顏 力,張鵬飛,王文健,王澤坤,王宇鵬

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所股份有限公司,江蘇 常州 213000)

0 引言

牽引齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是軌道交通城軌、地鐵走行部的關(guān)鍵部件之一,它是將電機(jī)輸出扭矩傳遞給輪對(duì)以實(shí)現(xiàn)牽引的裝置[1]。

齒輪修形是減少齒面偏載,降低齒輪嚙入和嚙出沖擊的重要技術(shù)手段。但目前軌道交通牽引齒輪修形設(shè)計(jì)大部分還是根據(jù)經(jīng)驗(yàn),特別是主、從動(dòng)齒輪均采用兩端圓錐滾子軸承支撐的城市軌道交通齒輪傳動(dòng)系統(tǒng),這種結(jié)構(gòu)常認(rèn)為齒輪副兩軸線平行度非常好,不易出現(xiàn)嚙合偏載,因此經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為該類(lèi)傳動(dòng)系統(tǒng)僅需要在主動(dòng)齒輪上采用齒向鼓形修形即可使齒面接觸均勻。

本文以某軌道交通齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為例,建立了Romax傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,綜合考慮了齒輪輪齒修形、軸系變形、軸承剛度、軸承游隙等因素對(duì)齒輪嚙合狀態(tài)的影響,通過(guò)齒面接觸分析,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)齒輪僅采用鼓形修形存在著偏載現(xiàn)象,并提出了齒輪修形優(yōu)化方案。通過(guò)加載試驗(yàn),驗(yàn)證了采用增加齒向斜度修形優(yōu)化方案后,齒輪齒面接觸均勻,可避免齒輪偏載。

1 設(shè)計(jì)輸入

1.1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軌道交通齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、大小軸承、車(chē)軸和箱體等組成[2]。主動(dòng)齒輪通過(guò)小軸承兩端支撐,從動(dòng)齒輪過(guò)盈裝配在車(chē)軸上,電機(jī)扭矩通過(guò)主動(dòng)齒輪傳遞到從動(dòng)齒輪,最后由車(chē)軸輸出,如圖1所示。

圖1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

軌道交通齒輪采用一級(jí)圓柱斜齒輪傳動(dòng),啟動(dòng)扭矩、電機(jī)功率、傳動(dòng)比等傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)具體如表1所示。

表1 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

1.3 齒輪參數(shù)和尺寸

牽引主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪基本參數(shù)和齒輪幾何尺寸如表2和表3所示。

表2 齒輪基本參數(shù)

表3 幾何尺寸 mm

2 仿真模型建立

Romax被認(rèn)為是世界上權(quán)威的傳動(dòng)系統(tǒng)仿真軟件[3],本文按上述結(jié)構(gòu)圖建立了該齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)Romax仿真模型(見(jiàn)圖2)。并在主動(dòng)齒輪軸頭施加電機(jī)輸入扭矩和轉(zhuǎn)速,車(chē)軸為扭矩輸出,車(chē)軸輪對(duì)處添加剛度軸承約束,齒輪箱吊桿座處施加剛性連接地面。通過(guò)Romax仿真軟件可以充分考慮齒輪輪齒修形、軸系變形、軸承剛度、軸承游隙等因素對(duì)齒輪嚙合狀態(tài)的影響。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

齒輪左右齒面的定義如圖3所示。在齒輪修形方面,主動(dòng)齒輪齒廓采用了齒頂和齒根修形,齒向修形由于主、從動(dòng)齒輪均為兩端支撐結(jié)構(gòu),采用了鼓形修形,其中中間鼓形量為10 μm,兩端削邊量為20 μm(見(jiàn)圖4)。從動(dòng)齒輪不修形,并在模型中導(dǎo)入主、從動(dòng)齒輪相應(yīng)修形參數(shù)。

圖3 主動(dòng)齒輪左、右齒面定義

圖4 主動(dòng)齒輪修形

3 齒面接觸分析

Romax軟件齒面接觸分析是基于赫茲接觸理論模型,斜齒輪的齒面接觸情況可通過(guò)齒面嚙合接觸線載荷分析計(jì)算。由于在實(shí)際嚙合的過(guò)程中,斜齒輪的嚙合接觸線是由點(diǎn)變化成線再變化成點(diǎn)的,所以要得到斜齒輪不同嚙合位置時(shí)的法向接觸載荷分布,可以用總法向載荷除以總嚙合線的長(zhǎng)度,得到在某具體位置嚙合時(shí)的接觸線單位法向載荷[4]。

在Romax軟件中分別計(jì)算了牽引齒輪在啟動(dòng)工況和制動(dòng)工況左、右齒面從嚙入到嚙出整個(gè)工作齒面上各個(gè)嚙合位置上的單位接觸法向線載荷,并形成接觸線載荷云圖,如圖5～圖8所示。

圖5 啟動(dòng)工況-右齒面嚙合

圖6 啟動(dòng)工況-左齒面嚙合

圖7 制動(dòng)工況-右齒面嚙合

圖8 制動(dòng)工況-左齒面嚙合

由齒面接觸線載荷云圖可知,啟動(dòng)和制動(dòng)工況下該牽引齒輪左齒面和右齒面存在比較嚴(yán)重的邊緣接觸,其中右齒面嚙合傳動(dòng)時(shí)接觸偏輪對(duì)側(cè),左齒面嚙合傳動(dòng)時(shí)接觸偏電機(jī)側(cè),并且左齒面嚙合傳動(dòng)邊緣接觸更嚴(yán)重,其中啟動(dòng)工況左齒面單位最大接觸線載荷達(dá)到1 008.5 N/mm。

圖9～圖10是左右齒面啟動(dòng)工況的嚙合接觸斑點(diǎn)分布,可見(jiàn)主動(dòng)齒輪載荷左齒面明顯偏向電機(jī)側(cè),右齒面偏向輪對(duì)側(cè),紅色高應(yīng)力區(qū)與運(yùn)營(yíng)5萬(wàn)km后的實(shí)物失效主動(dòng)齒輪(見(jiàn)圖11)的接觸偏載剝離的痕跡十分接近。

圖9 左齒面嚙合斑點(diǎn)

圖11 實(shí)物齒面接觸痕跡

4 齒輪強(qiáng)度校核

軌道交通牽引齒輪的強(qiáng)度校核計(jì)算按照ISO 6336—2006標(biāo)準(zhǔn),取載荷最大的啟動(dòng)工況作為計(jì)算輸入工況。

計(jì)算時(shí)考慮齒輪修形及齒輪嚙合錯(cuò)位引起的齒面偏載分布,因此齒面載荷分布系數(shù)KHβ根據(jù)嚙合接觸線實(shí)際計(jì)算值,最終牽引齒輪強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果如表4所示,對(duì)應(yīng)表5推薦的最小安全系數(shù),可見(jiàn)牽引主動(dòng)齒輪的接觸安全系數(shù)為小于低可靠度,不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表4 齒輪安全系數(shù)

表5 GB/T 3480—1997推薦的最小安全系數(shù)

5 齒輪修形設(shè)計(jì)優(yōu)化

由上述分析和使用后實(shí)物齒輪接觸痕跡可知,該對(duì)齒輪在工作中存在著嚙合偏載,原設(shè)計(jì)齒向?qū)ΨQ(chēng)鼓形修形不適合該齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)工況,因此須對(duì)主動(dòng)齒輪的齒向修形重新設(shè)計(jì)優(yōu)化。

根據(jù)左右齒面的偏載情況,在主動(dòng)齒輪左右齒面增加斜度修形量,斜度修形量為50 μm,齒廓修形不變,優(yōu)化后的齒向修形如圖12所示。并對(duì)優(yōu)化后的齒輪齒面接觸進(jìn)行重新計(jì)算,結(jié)果如圖13～16所示,可見(jiàn)齒面接觸居中,最大接觸線載荷為582.74 N/mm,較優(yōu)化前下降了42.2%。牽引齒輪強(qiáng)度校核結(jié)果如表6所示,其中主動(dòng)齒輪齒面接觸強(qiáng)度提高到一般可靠度,彎曲安全系數(shù)達(dá)到了高可靠度,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表6 優(yōu)化后齒輪安全系數(shù)

圖12 主動(dòng)齒輪修形優(yōu)化圖

圖13 啟動(dòng)工況-右齒面嚙合

圖14 啟動(dòng)工況-左齒面嚙合

圖15 制動(dòng)工況-右齒面嚙合

圖16 制動(dòng)工況-左齒面嚙合

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

牽引齒輪齒面接觸狀態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證需要在加載試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。本次試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)采用電封閉結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖17),通過(guò)聯(lián)軸節(jié)將2套齒輪箱的主動(dòng)齒輪軸連接,負(fù)載電機(jī)(發(fā)電機(jī))與驅(qū)動(dòng)電機(jī)(電動(dòng)機(jī))分別連接齒輪箱的車(chē)軸端,通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩,即可模擬齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用工況,實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱加載試驗(yàn)。

圖17 加載試驗(yàn)

將優(yōu)化齒輪修形后的2臺(tái)齒輪箱作為主試和被試齒輪箱裝配到加載試驗(yàn)臺(tái)上,并在主動(dòng)齒輪左右齒面刷一層刮研紅丹油。按啟動(dòng)扭矩加載跑合時(shí)間360 h后,拆箱檢查齒輪接觸痕跡見(jiàn)圖18,可見(jiàn)齒面兩頭紅油均已跑合干凈,左右齒面接觸均勻,未見(jiàn)偏載痕跡。因此從仿真計(jì)算及加載試驗(yàn)接觸痕跡檢查情況看,優(yōu)化后的修形設(shè)計(jì)能明顯改善齒輪嚙合偏載現(xiàn)象。

圖18 優(yōu)化后齒面接觸痕跡

7 結(jié)論

綜上分析,齒輪的齒面接觸分析及強(qiáng)度校核結(jié)果表明原牽引齒輪在啟動(dòng)和制動(dòng)工況均存在較大的偏載;其中主動(dòng)齒輪右齒面嚙合傳動(dòng)時(shí)載荷偏輪對(duì)側(cè),左齒面嚙合傳動(dòng)時(shí)載荷偏電機(jī)側(cè);尤其是左齒面嚙合偏載非常惡劣,計(jì)算的齒面接觸安全系數(shù)小于最低可靠度,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕和剝離等齒面疲勞損傷。

牽引齒輪偏載的原因是原牽引齒輪對(duì)稱(chēng)鼓形的修形設(shè)計(jì)與該傳動(dòng)系統(tǒng)不匹配。經(jīng)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,通過(guò)對(duì)主動(dòng)齒輪增加斜度修形優(yōu)化可極大改善齒面嚙合接觸狀態(tài),齒面接觸應(yīng)力顯著下降,提高齒輪強(qiáng)度和安全系數(shù),滿(mǎn)足使用要求。