(中車四方車輛有限公司,山東 青島 266111)
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]。
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)
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
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
2.2.1 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)
2.3.1 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
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。
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)。