導(dǎo)軌電車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

（中車四方車輛有限公司,山東 青島 266111）

0 引言

導(dǎo)軌電車是介于城市公共汽車與城市有軌電車之間的一種中低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)，一般適用于中小城市內(nèi)部、城市與市郊之間、城市新區(qū)或開發(fā)區(qū)內(nèi)部、旅游景區(qū)等區(qū)域的快速公交運(yùn)輸線路。它具有引導(dǎo)城市發(fā)展方向、緩解城市交通擁堵的作用，同時(shí)與火車站、地鐵、輕軌等城市軌道交通網(wǎng)連接，以建立不同運(yùn)量等級的軌道交通系統(tǒng)，完善城市綜合交通運(yùn)輸體系，彌補(bǔ)城市最后一公里的軌道交通運(yùn)輸需求。

本文主要介紹了一種適用于單軌導(dǎo)向的導(dǎo)軌電車的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋是位于傳動(dòng)系末端能改變來自牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，傳遞導(dǎo)向機(jī)構(gòu)施加的轉(zhuǎn)向力矩，驅(qū)使導(dǎo)軌電車沿固定線路運(yùn)行的執(zhí)行單元[1]。

1 導(dǎo)軌電車參數(shù)要求

導(dǎo)軌電車采用兩動(dòng)兩拖的四編組形式，電車的動(dòng)力分布于兩端，可雙向行駛，采用膠輪驅(qū)動(dòng)、承載，單軌鋼輪導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)形式。該車增加一套導(dǎo)向機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的方向盤，驅(qū)使車輛沿鋼軌行駛。電車主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)軌電車參數(shù)

2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋主要組成部分及設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋下部通過中心銷與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相連，兩者之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)沿鋼軌行駛時(shí)，通過兩個(gè)橫向連桿推動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的左右轉(zhuǎn)向節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，及實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)彎。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋上部通過空氣彈簧與車體連接，中部設(shè)有抗側(cè)滾扭桿和牽引拉桿。詳細(xì)布置見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋與導(dǎo)軌電車的連接布置

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋主要由橋殼總成、主減速器總成、輪邊減速器總成、驅(qū)動(dòng)半軸總成、制動(dòng)器總成等組成，見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋

2.1 橋殼總成

橋殼總成由鋼板Q460C焊接而成，焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN15085。橋殼總成作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的主要承載部件，其強(qiáng)度需要滿足一定的校核及試驗(yàn)驗(yàn)證[2]。

2.1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）輸入數(shù)據(jù)計(jì)算：導(dǎo)軌電車軸重11 t，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)承載能力12 t，取安全系數(shù)2.5，故橋殼每個(gè)支撐點(diǎn)受力為12×1 000×10×2.5/2= 150 000 N；輪胎到主銷軸中心距離0.221 m，主銷軸線距離0.282 5 m，輪胎有效半徑0.54 m，制動(dòng)力矩17 000 N.m。

①輪胎支承力在左上主銷孔產(chǎn)生的作用力

F左上X=－150 000×0.221÷0.282 5=－117 345.14（N）

②在左下主銷孔產(chǎn)生的作用力

F左下X=150 000×0.221÷0.282 5 =117 345.14（N）

③輪胎支承力在左下主銷孔下端面產(chǎn)生的作用力

F左下Y=150 000（N）

④制動(dòng)力在左上主銷孔產(chǎn)生的作用力

F左上Z=17 000÷0.282 5－ 17 000÷0.54=28 696（N）

⑤制動(dòng)力在左下主銷孔產(chǎn)生的作用力

F左下Z=-（17 000÷0.282 5+17 000÷0.54）=-91 658（N）

右側(cè)受力與左側(cè)相同。

（2）強(qiáng)度計(jì)算。橋殼進(jìn)行有限元計(jì)算，固定橋殼與支撐架安裝面，分別于主銷軸處施加垂向力和制動(dòng)力，計(jì)算結(jié)果見圖3。

橋殼總成最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力值為435 MPa，小于屈服強(qiáng)度460 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 橋殼總成強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

橋殼總成進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算后還需要進(jìn)行必要的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證：橋殼垂直彎曲剛性和垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)和橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備見圖4。試驗(yàn)方法參照QC/T533《汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》。

圖4 橋殼總成臺(tái)架試驗(yàn)

（1）橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)：滿載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過1.5 mm。橋殼總成經(jīng)臺(tái)架測試其剛度滿足要求，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 橋殼垂直彎曲剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）橋殼垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)：驅(qū)動(dòng)橋橋殼垂直彎曲失效（斷裂或嚴(yán)重塑性變形）后備系數(shù)Kn＞6。

式中：Kn----橋殼垂直彎曲失效后備系數(shù)；

pn----橋殼垂直彎曲失效載荷，N；

p----滿載軸荷，120 000 N。

橋殼總成垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，后備系數(shù)均大于6，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 橋殼垂直彎曲靜強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)遵循對數(shù)正態(tài)分布（或韋布爾分布），取其中值疲勞壽命不低于80萬次，試驗(yàn)樣品中最低壽命不得低于50萬次。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證中值98.6萬次高于80萬次；最低91.6萬次，高于50萬次，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 橋殼垂直彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

2.2 主減速器總成和輪邊減速器總成

2.2.1 組成部分

主減速器總成主要包括盆齒輪和錐齒輪、差速器。主減速器的主要作用：

（1）改變動(dòng)力傳輸方向，將動(dòng)力由沿縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變?yōu)檠貦M軸轉(zhuǎn)動(dòng)；

（2）提供一級減速比，起到降速增扭的功效；

（3）差速器的存在可以適應(yīng)左右車輪的不同步。

輪邊減速器總成采用行星差速器結(jié)構(gòu)，由太陽輪、內(nèi)齒圈、行星輪、行星支架等組成。其主要作用：提供二級減速，進(jìn)一步降速增扭。

2.2.2 傳動(dòng)比計(jì)算

導(dǎo)軌電車根據(jù)與牽引電機(jī)匹配，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋需要11.3的傳動(dòng)比。選定主減速器盆齒輪齒數(shù)35，錐齒輪齒數(shù)13；輪邊輪邊減速器太陽輪齒數(shù)20，齒圈齒數(shù)64。傳動(dòng)原理圖見圖5，傳動(dòng)比校對如下：

主減速比：i主=Z盆/Z錐＝35/13＝2.692 3。

輪邊減速比：i輪=Z內(nèi)/Z太+1＝ 64/20+1＝ 4.2。

總減速比：i總=i主×i輪＝2.692 3×4.2＝11.307 7。

綜上，選定各齒輪齒數(shù)產(chǎn)生的傳動(dòng)比為11.307 7，與導(dǎo)軌電車對轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比11.3的要求接近，能夠滿足要求。

圖5 傳動(dòng)原理圖

2.2.3 齒輪強(qiáng)度及精度

齒輪強(qiáng)度：按照《GB 10062錐齒輪承載能力計(jì)算方法》進(jìn)行校驗(yàn)，計(jì)算接觸應(yīng)力977 MPa＜許用接觸應(yīng)力1 266 MPa，計(jì)算齒根應(yīng)力470 MPa＜許用齒根應(yīng)力777 MPa，強(qiáng)度滿足要求。

由于導(dǎo)軌電車是雙向行駛，主減速器的盆齒輪和錐齒輪雙面進(jìn)行磨齒，精度要求7級。

2.2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

齒輪疲勞強(qiáng)度需進(jìn)行必要的臺(tái)架試驗(yàn)，齒輪疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)見圖6。齒輪疲勞壽命評價(jià)指標(biāo)：試驗(yàn)數(shù)據(jù)遵循對數(shù)正態(tài)分布（或韋布爾分布），取其中值疲勞壽命不低于50萬次，試驗(yàn)樣品中最低壽命不低于30萬次。

圖6 齒輪半軸疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

齒輪靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋總成中進(jìn)行，見圖7。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋總成靜扭強(qiáng)度后備系數(shù)KK＞1.8。

KK=MK/MP

式中：KK----靜扭強(qiáng)度后備系數(shù)；

MK----靜扭斷裂扭矩，N. m；

MP----試驗(yàn)計(jì)算扭矩，2 200 N. m。

圖7 齒輪半軸靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)

2.3 驅(qū)動(dòng)半軸總成

2.3.1 計(jì)算

驅(qū)動(dòng)半軸材質(zhì)50CrVA，屈服強(qiáng)度1 127 MPa，輸入額定扭矩 Mn=2 200×2.692 3÷2=2 961.53（N. m）。

半軸計(jì)算應(yīng)力344.3 MPa＜屈服強(qiáng)度1 127 MPa，見圖8，安全系數(shù)3.3＞1.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

驅(qū)動(dòng)半軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)于圖6試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，疲勞壽命指標(biāo)：B50≥30萬次，B10≥20萬次。

半軸靜扭靜強(qiáng)度與齒輪靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)同時(shí)完成，見圖7。

圖8 半軸強(qiáng)度計(jì)算

2.4 制動(dòng)器熱容量計(jì)算

制動(dòng)器同時(shí)需要滿足QC/T479《貨車、客車制動(dòng)器臺(tái)架試驗(yàn)方法》和QC/T239《貨車、客車制動(dòng)器性能要求》。

將整車動(dòng)能平均分配到各制動(dòng)器上，則制動(dòng)時(shí)單個(gè)制動(dòng)器產(chǎn)生的熱能：

L1= M*Va2/2/8

=（10 650+11 885+11 550+10 850）*Va2/2/8

=2 808.438Va2

與制動(dòng)盤相連的受熱金屬件（卡鉗和支架）總質(zhì)量為mh=30.5 kg，球鐵比熱容ch=510 J/（kgK）；22.5吋制動(dòng)盤質(zhì)量 md=34.7 kg，灰鐵比熱容cd=510 J/（kgK）。

（ md*cd+ mh*ch）*Δ t=（34.7*510+30.5*510）*Δ t

=33 252Δ t=2 808.438Va2

Δ t=2 808.438Va2÷33 252=5.87℃

一次由Va=30 km/h到完全停車的強(qiáng)烈制動(dòng)，升溫Δ t不超過15℃，滿足要求。

3 結(jié)論

本文主要介紹了導(dǎo)軌電車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證，確保導(dǎo)軌電車能夠平穩(wěn)可靠地運(yùn)行，同時(shí)為后期類似部件的設(shè)計(jì)試驗(yàn)提供參考依據(jù)。