HXD1B機(jī)車齒輪轂設(shè)計(jì)與優(yōu)化

關(guān)鶴 趙玉凱 范友航 何鵬輝

摘要：針對(duì)HXD1B型機(jī)車驅(qū)動(dòng)單元中的齒輪轂強(qiáng)度不足，可靠性不佳的問(wèn)題進(jìn)行研究，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱處理工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的齒輪轂進(jìn)行有限元分析。得出的研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的齒輪轂具有良好的機(jī)械性能并很好的改善了應(yīng)力集中現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)裝車驗(yàn)證，滿足機(jī)車驅(qū)動(dòng)單元的使用要求。

Abstract： In order to solve the problem of insufficient strength and poor reliability of the gear hub in the drive unit of HXD1B electric locomotive， the optimization design of the gear hub was carried out from the aspects of structural， heat treatment process. The finite element analysis method was applied for the optimized gear hub. The results show that the optimized gear hub has good mechanical performance and the stress concentration has been improved. After assembling to electric locomotive， the optimized gear hub meets the use requirements of the locomotive drive unit.

關(guān)鍵詞：齒輪轂;材料42CrMo;熱處理工藝

Key words： gear hub;material 42CrMo;hardening and tempering process

中圖分類號(hào)：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0017-03

0? 引言

機(jī)車齒輪轂是用來(lái)連接車軸與大齒圈，傳遞扭矩的關(guān)鍵零部件，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車的齒輪箱中。HXD1B電力機(jī)車齒輪箱中的大齒圈通過(guò)齒輪轂安裝在車軸上，大齒圈通過(guò)齒輪轂將扭矩傳遞到車軸上，驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)[1]。其齒輪轂設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，強(qiáng)度高，可靠耐用，且具有互換性等特點(diǎn)。本文針對(duì)HXD1B電力機(jī)車齒輪轂存在的強(qiáng)度不足，可靠性不佳等問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械性能等方面進(jìn)行改善，并對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。

1? 輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 齒輪轂安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

HXD1B電力機(jī)車電機(jī)通過(guò)齒輪箱將扭矩傳遞到車軸上，輪轂是連接車軸與大齒圈的重要部件。大齒圈材料選用18CrNiMo7-6，滲碳淬火后硬度高，但韌性較差，機(jī)車齒輪箱采用的是兩點(diǎn)支撐一端浮動(dòng)的承載方式，這就要求連接車軸與大齒圈的輪轂具有浮動(dòng)性，能滿足機(jī)車在不同路況上都能保證齒輪的嚙合狀態(tài)。齒輪轂設(shè)計(jì)為軸套加法蘭盤的常規(guī)結(jié)構(gòu)，輪轂法蘭盤部位設(shè)計(jì)為薄壁，以達(dá)到比較好的韌性。輪轂與車軸的配合采用過(guò)盈配合，裝配方式采用熱裝。HXD1B機(jī)車齒輪箱總成局部如圖1所示。

齒輪轂通過(guò)過(guò)盈配合套裝于車軸上[1]。齒輪轂內(nèi)徑的最大尺寸小于車軸外徑的最小尺寸，裝配后，由于結(jié)合面上產(chǎn)生阻礙零件相互位移的結(jié)合力，而使輪軸相互抱緊。輪轂和車軸通過(guò)過(guò)盈配合來(lái)傳遞扭矩和軸向力。此種配合是利用過(guò)盈量產(chǎn)生徑向的接觸面壓力P1，并依靠由該面壓力產(chǎn)生的摩擦力來(lái)傳遞扭矩和軸向力，能夠滿足傳動(dòng)扭矩需要[2]，如圖2所示。

1.2 改善輪轂內(nèi)孔與車軸過(guò)盈配合應(yīng)力集中的措施

輪對(duì)組裝采用車軸與輪轂孔的過(guò)盈量配合來(lái)實(shí)現(xiàn)，鑒于車輛輪對(duì)受力復(fù)雜，使用年限長(zhǎng)，加之輪對(duì)在制動(dòng)時(shí)閘瓦和車輪摩擦產(chǎn)生的高熱傳導(dǎo)的輪轂會(huì)引起輪轂的膨脹，軸頸運(yùn)轉(zhuǎn)熱傳導(dǎo)到輪座會(huì)引起輪轂座膨脹等情況，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)車軸與輪轂內(nèi)孔的過(guò)盈量為車軸直徑的0.08～0.15%，HXD1B電力機(jī)車車軸輪座處直徑為？準(zhǔn)252，故車軸輪座處于輪轂內(nèi)孔過(guò)盈量的取值為0.2～0.38mm，如此大的過(guò)盈量會(huì)使過(guò)盈連接的接合面沿軸向產(chǎn)生壓力不均勻的現(xiàn)象[2]，如圖3所示。

為了改善壓力不均，以減少應(yīng)力集中，本設(shè)計(jì)采取的優(yōu)化措施為在包容件的端面加工出卸載槽，在內(nèi)孔端面做出倒角，取倒角？琢為20°，內(nèi)孔加工后表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra1.6，如圖4所示。避免了接合面沿軸向的壓力出現(xiàn)分布不均勻現(xiàn)象。

1.3 改善輪轂法蘭截面應(yīng)力集中的措施

由于機(jī)車在行駛過(guò)程中會(huì)發(fā)生不規(guī)則的顛簸，尤其在遇到轉(zhuǎn)彎時(shí)，這時(shí)候車軸會(huì)發(fā)生彎曲，從而影響主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的嚙合，所以，輪轂在設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意大齒輪和車軸在機(jī)車轉(zhuǎn)彎等特殊狀態(tài)下的相對(duì)位移，如何保證機(jī)車在各種路況下主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪都能保證處于理想的嚙合狀態(tài)，使輪轂在齒輪傳動(dòng)中具有浮動(dòng)性，這是輪轂設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)將輪轂法蘭截面各接合面過(guò)渡處均設(shè)計(jì)成圓弧過(guò)渡，加工時(shí)保證過(guò)渡圓弧的表面粗糙度，如圖5所示。該設(shè)計(jì)能使輪轂法蘭受到偏轉(zhuǎn)力時(shí)能夠浮動(dòng)而又不產(chǎn)生應(yīng)力集中。

1.4 輪轂裝卸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

輪轂與車軸的拆卸方法為在車軸與輪轂內(nèi)孔之間注入140～150MPa高壓油，注油壓力高于輪轂內(nèi)孔和車軸的接觸應(yīng)力，使之形成油膜，隨著油不斷滲透，輪轂內(nèi)孔和車軸之間處于油膜隔開的狀態(tài)，可將輪轂從車軸上拆卸下[3]。為改善應(yīng)力分布，輪轂內(nèi)孔環(huán)形槽位置設(shè)計(jì)在輪轂輻板正下方，如圖6所示。

因?yàn)檐囕S輪座處直徑為？準(zhǔn)252，查機(jī)械手冊(cè)油壓裝卸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JB/T6136——1992）得油孔接口應(yīng)選用G1/4螺紋孔，輪轂內(nèi)孔環(huán)形油槽處在加工后，表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra1.6，溝槽與輪轂內(nèi)孔應(yīng)圓滑過(guò)渡，不許有銳、棱、尖角。相應(yīng)的環(huán)形油槽和油孔如圖7所示。

2? HXD1B輪轂熱處理工藝優(yōu)化

綜合考慮機(jī)械性能與經(jīng)濟(jì)性的因素，輪轂材料選為42CrMo，42CrMo鋼屬于超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無(wú)明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好。該鋼適宜制造要求一定強(qiáng)度和韌性的大、中型塑料模具。42CrMo的化學(xué)成分如表1所示。

本設(shè)計(jì)輪轂熱處理工藝如圖8所示。

圖8中，650～670℃中間保持的目的是：

①減少鍛件內(nèi)外溫差，為高溫相變做準(zhǔn)備，使相變?cè)谡麄€(gè)截面上均勻進(jìn)行，可以避免產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力;

②減少高溫均溫時(shí)間。因?yàn)檩嗇灤周嚭蠊ぜ^大，工件吸熱量很大，不采用中間保持時(shí)，將因高溫階段不易達(dá)到較大的加熱速度而延長(zhǎng)鍛件在高溫的停留時(shí)間，造成較大的氧化和晶粒長(zhǎng)大，反之采用中間保持能克服這個(gè)缺點(diǎn)。

③低溫階段輪轂處于彈性狀態(tài)，過(guò)高的溫差易造成過(guò)大的熱應(yīng)力而導(dǎo)致工件開裂。

經(jīng)中間保持后，鍛件表面和心部的溫差基本消失，這時(shí)鍛件心部的溫度較高，已處于塑性狀態(tài)，所以這是繼續(xù)升溫可采用較高的升溫速度。即使這時(shí)會(huì)產(chǎn)生第二個(gè)溫差，對(duì)鍛件也不會(huì)產(chǎn)生更大的危害。

均溫完成后進(jìn)入保溫階段，保溫作用是使工件心部溫度也達(dá)到加熱溫度，并完成奧氏體轉(zhuǎn)變。由于工件有效截面積較大，過(guò)快的冷卻速度會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力引起開裂，所以采用油冷卻淬火，使奧氏體盡可能多的完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織[4]。200～250℃低溫保溫目的是減小表面與心部的溫差，使心部過(guò)冷奧氏體組織繼續(xù)轉(zhuǎn)變。

回火目的是消除和降低淬火冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)獲得穩(wěn)定的回火組織，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能指標(biāo)。

取三組42CrMo試樣，經(jīng)上述熱處理工藝調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能如表2所示。

3? 對(duì)優(yōu)化后的齒輪轂有限元分析

3.1 輪轂的有限元分析參數(shù)設(shè)定

下面使用solidworks中的cosmosworks有限元分析軟件，對(duì)輪轂在起步工況的約束和負(fù)載狀況下，進(jìn)行強(qiáng)度分析。

假設(shè)工況為機(jī)車剛起步時(shí)，如表3所示。

此時(shí)電機(jī)扭矩最大，為9626N·m，齒輪箱速比i=6.2941。

此時(shí)大齒輪上承受的扭矩為9626×6.2941=60587N·m。

在進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，使輪轂內(nèi)孔固定進(jìn)行約束，外圓加載扭矩60587N·m。

網(wǎng)格信息如表4所示。

解算器信息如表5所示。

3.2 輪轂的強(qiáng)度與位移分析

計(jì)算得輪轂應(yīng)力分布云圖如圖9所示，輪轂位移分布云圖如圖10所示。

從圖9可以看出，應(yīng)力最大值為2.754×107N/m2，屈服應(yīng)力為9.3×108N/m2，應(yīng)力最大值小于屈服應(yīng)力。從圖10可以看出，位移最大部位集中在輪轂外圓邊緣處，位移最大值為0.023mm。

從有限元分析結(jié)果可得，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的輪轂法蘭截面未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，經(jīng)本文中熱處理工藝調(diào)質(zhì)后，機(jī)械性能可滿足HXD1B型機(jī)車驅(qū)動(dòng)單元的使用要求。

4? 結(jié)論

研究結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的齒輪轂很好的改善了法蘭截面的應(yīng)力集中現(xiàn)象并具有良好的機(jī)械性能。經(jīng)過(guò)裝車使用，運(yùn)行十萬(wàn)公里后拆卸檢查，齒輪轂無(wú)故障和出現(xiàn)異樣，滿足了HXD1B機(jī)車驅(qū)動(dòng)單元使用工況要求。

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