齒輪箱從動(dòng)齒輪過(guò)盈配合設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究

金思勤 王鵬川 朱 飛 崔會(huì)勇 金鵬云

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

齒輪箱作為動(dòng)車(chē)組動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵零部件，其安全可靠性關(guān)系到整車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行，其中從動(dòng)齒輪與車(chē)軸為過(guò)盈配合，過(guò)盈配合與其他固定聯(lián)結(jié)形式相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配合的定心性好，由于不需附加緊固件(如鍵、銷(xiāo)子、螺釘?shù)?，而提高了聯(lián)結(jié)件的橫截面強(qiáng)度，同時(shí)整個(gè)結(jié)合面均產(chǎn)生結(jié)合壓力。因此聯(lián)結(jié)的承載能力高，承受變載和沖擊的性能好[1-2]。

在轉(zhuǎn)向架上，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)將動(dòng)力傳遞給齒輪箱，齒輪箱承擔(dān)著降速增矩的作用，電機(jī)和聯(lián)軸器的扭矩會(huì)全部通過(guò)過(guò)盈配合傳遞給車(chē)軸，從而帶動(dòng)列車(chē)前進(jìn)，所以過(guò)盈量的選擇至關(guān)重要。

在齒輪箱分解檢修過(guò)程中，從動(dòng)齒輪退卸后發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔尺寸變大，超出新造值上限，發(fā)生了無(wú)法完全保證檢修所要求的過(guò)盈量的問(wèn)題。為此，本文以某齒輪箱為例，結(jié)合齒輪箱的運(yùn)用條件，對(duì)過(guò)盈配合量進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并開(kāi)展試驗(yàn)進(jìn)行安全評(píng)估，驗(yàn)證不同過(guò)盈量情況下的承載力以及發(fā)生滑移時(shí)的扭矩，從而提出合理的從動(dòng)齒輪檢修過(guò)盈量標(biāo)準(zhǔn)，為從動(dòng)齒輪退卸后內(nèi)孔尺寸變大問(wèn)題提供解決方案。

1 設(shè)計(jì)分析

運(yùn)用圓柱面過(guò)盈連接的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)車(chē)軸與齒輪過(guò)盈配合進(jìn)行分析計(jì)算。

以某齒輪箱為例，從動(dòng)齒輪和車(chē)軸裝配采用冷壓壓裝，從動(dòng)齒輪為包容件，車(chē)軸為被包容件，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪與軸過(guò)盈配合參數(shù)

1.1 傳遞負(fù)荷所需的最小過(guò)盈量

傳遞負(fù)載所需的最小結(jié)合壓力

其中：M為聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩對(duì)應(yīng)的從動(dòng)齒輪傳遞負(fù)荷；K為安全系數(shù)，取1；dm為結(jié)合面直徑，207 mm；lf為結(jié)合面的長(zhǎng)度，90 mm；μ為摩擦因數(shù)，0.02。

包容件傳遞負(fù)荷所需最小直徑變化量

被包容件傳遞負(fù)荷所需最小直徑變化量：

傳遞負(fù)載所需最小有效過(guò)盈量

δemin=eamin+eimin=0.174 mm

考慮壓平的最小過(guò)盈量

δmin=δemin=0.174 mm

1.2 不產(chǎn)生塑性變形所允許的最大有效過(guò)盈量

包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力

pfamax=a·σs=172.271 MPa

被包容件不產(chǎn)生塑性變形所容許的最大結(jié)合壓力為

pfimax=c·σs=205.589 MPa

聯(lián)結(jié)件不產(chǎn)生塑性變形的最大結(jié)合壓力，取pfamax與pfimax較小者。

包容件不產(chǎn)生塑性變形最大直徑變化量

被包容件不產(chǎn)生塑性變形最大直徑變化量

聯(lián)接件不產(chǎn)生塑性變形最大有效過(guò)盈量

δemax=eamax+eimax=0.775 mm

1.3 過(guò)盈量確定

過(guò)盈量過(guò)小，不能夠?yàn)榱熊?chē)運(yùn)行提供足夠的動(dòng)力；過(guò)盈量過(guò)大，熱套組裝時(shí)所需的加熱溫度和加熱時(shí)間增加，冷壓組裝所需的壓力升高，此外過(guò)盈量太大時(shí)，結(jié)合面局部會(huì)發(fā)生大面積屈服以致零部件破壞[3]，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，確定軸的公差帶為+0.30 mm～+0.27 mm，孔的公差帶為+0.029 mm～0。

根據(jù)以上公差帶計(jì)算，此處配合產(chǎn)生的最小過(guò)盈量為δmin=0.241 mm，最大過(guò)盈量為δmax=0.30 mm。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證方案

在齒輪箱拆解檢修退卸從動(dòng)齒輪過(guò)程中，出現(xiàn)了內(nèi)孔尺寸脹大的情況，超出新造值上限，為進(jìn)一步驗(yàn)證過(guò)盈量小于設(shè)計(jì)值的情況下過(guò)盈配合的承載能力，需設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

如圖1所示，車(chē)軸通過(guò)支撐座固定在地基上，從動(dòng)齒輪與加載座通過(guò)銷(xiāo)子聯(lián)結(jié)，液壓油缸加載臂通過(guò)螺栓與加載座固定，可以對(duì)加載座施加拉力和推力。為保證初始位置時(shí)加載座處于豎直方向，從動(dòng)齒輪和車(chē)軸壓裝時(shí)注意對(duì)從動(dòng)齒輪上銷(xiāo)孔和車(chē)軸支撐面進(jìn)行找正，使得一直徑上兩銷(xiāo)孔中心連線與支撐面垂直，每次試驗(yàn)臺(tái)組裝后用水平儀對(duì)加載座進(jìn)行調(diào)整，保證加載座基座水平。試驗(yàn)前可在輪軸結(jié)合處劃線，并安裝攝像頭監(jiān)控，試驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)監(jiān)控觀察是否發(fā)生遲緩。

當(dāng)齒輪箱過(guò)載或電機(jī)短路時(shí)，電機(jī)軸和聯(lián)軸節(jié)過(guò)載保護(hù)襯套會(huì)相對(duì)滑移，用以保護(hù)齒輪箱傳動(dòng)部件，發(fā)生滑移的扭矩為7 000～11 000 N·m。

按照聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩11 000 N·m計(jì)算，對(duì)應(yīng)的模擬試驗(yàn)載荷為：

Fm=11 000×2.517/0.536=51.6 kN

其中：齒輪箱傳動(dòng)比為2.517，加載座加載面中心距離車(chē)軸中心0.536 m。

設(shè)定試驗(yàn)載荷51.6 kN(對(duì)應(yīng)聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩11 000 N·m)，保壓20 s后卸載，按此模式往復(fù)循環(huán)10次觀察車(chē)軸與從動(dòng)齒輪遲緩線狀態(tài)。之后設(shè)定極限載荷120 kN，在載荷上升過(guò)程中從動(dòng)齒輪發(fā)生遲緩時(shí)液壓油缸會(huì)自動(dòng)卸壓并記錄相應(yīng)扭矩。

圖1 試驗(yàn)方案圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 最大滑移扭矩試驗(yàn)

計(jì)算分析得到的滿足傳動(dòng)要求的最小過(guò)盈量為0.174 mm，對(duì)此設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。分別對(duì)過(guò)盈量為0.204 mm、0.193 mm、0.179 mm的3組輪軸進(jìn)行試驗(yàn)，每次退卸后重新進(jìn)行測(cè)量并確認(rèn)車(chē)軸結(jié)合面狀態(tài)完好，組裝前重新用水平儀校正。

如圖2～圖4所示，得到液壓缸加載力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線，液壓缸正常加載，聯(lián)軸節(jié)的最大滑移扭矩11 000 N·m(對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)載荷為51.6 kN)下均未發(fā)生遲緩。

3.2 極限遲緩試驗(yàn)

分別對(duì)過(guò)盈量為0.204 mm、0.193 mm、0.179 mm的三組輪軸進(jìn)行極限加載試驗(yàn)，直至從動(dòng)齒輪與車(chē)軸間發(fā)生遲緩，即從動(dòng)齒輪在車(chē)軸上發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖5～圖7液壓缸加載力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線所示，從動(dòng)齒輪與車(chē)軸間發(fā)生遲緩時(shí)液壓缸會(huì)立即卸壓，同時(shí)視頻監(jiān)測(cè)到遲緩線發(fā)生錯(cuò)位，得到發(fā)生遲緩時(shí)的極限載荷分別為105.86 kN、91 kN、86 kN，分別對(duì)應(yīng)輸入端扭矩為22 543 N·m、 19 378 N·m、 18 313 N·m。

圖2 過(guò)盈量0.204 mm滑移扭矩試驗(yàn) 圖3 過(guò)盈量0.193 mm滑移扭矩試驗(yàn) 圖4 過(guò)盈量0.179 mm滑移扭矩試驗(yàn)

圖5 過(guò)盈量0.204 mm時(shí)極限載荷試驗(yàn) 圖6 過(guò)盈量0.179 mm時(shí)極限載荷試驗(yàn) 圖7 過(guò)盈量0.193 mm時(shí)極限載荷試驗(yàn)

此外在過(guò)盈量0.179 mm條件下設(shè)置-20 kN和20 kN之間的交變載荷開(kāi)展疲勞循環(huán)試驗(yàn)，以5 Hz的頻率進(jìn)行10萬(wàn)次試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)滑移現(xiàn)象發(fā)生，且疲勞后再次進(jìn)行推拉兩個(gè)方向的極限加載試驗(yàn)，試驗(yàn)滑移扭矩均大于聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩對(duì)應(yīng)下的載荷。

3種過(guò)盈量情況下發(fā)生遲緩時(shí)的極限載荷均大于齒輪箱實(shí)際工作過(guò)程中聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩，即表明即使在設(shè)定的0.179 mm過(guò)盈條件下，試驗(yàn)中齒輪箱輸入端出現(xiàn)超過(guò)聯(lián)軸節(jié)最大滑移扭矩的負(fù)荷時(shí)，聯(lián)軸節(jié)會(huì)先行滑移，沒(méi)有發(fā)生從動(dòng)齒輪遲緩現(xiàn)象，說(shuō)明當(dāng)過(guò)盈量適當(dāng)放寬時(shí)仍能滿足要求。在其他條件相同的情況下，結(jié)合壓力與過(guò)盈量成正比，也進(jìn)一步說(shuō)明之前設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某齒輪箱檢修時(shí)從動(dòng)齒輪與過(guò)盈配合量變小的問(wèn)題，首先進(jìn)行過(guò)盈量配合設(shè)計(jì)分析，結(jié)合產(chǎn)品運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)盈量進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。同時(shí)為合理確定檢修過(guò)盈量標(biāo)準(zhǔn)，解決檢修過(guò)程中從動(dòng)齒輪內(nèi)孔尺寸變大導(dǎo)致的過(guò)盈量變小問(wèn)題，進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。在原設(shè)計(jì)過(guò)盈量基礎(chǔ)上考慮檢修實(shí)際，設(shè)定了3種過(guò)盈量數(shù)值，通過(guò)試驗(yàn)均滿足傳遞負(fù)荷要求，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)計(jì)算的合理性，試驗(yàn)表明即使在過(guò)盈量為0.179 mm條件下仍能滿足要求，為制定檢修過(guò)盈量標(biāo)準(zhǔn)及妥善處理從動(dòng)齒輪退卸檢修過(guò)程中的過(guò)盈量問(wèn)題提供了解決方案。