空氣彈簧懸架電動(dòng)客車傳動(dòng)軸長度的三種設(shè)計(jì)方法

趙文闖，李文建，倪曉鶴，許 凱，任 鵬

(洛陽廣通汽車有限公司，河南 洛陽 471000)

目前，電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)廣泛采用電動(dòng)機(jī)-驅(qū)動(dòng)橋組合型式[1-3]，在傳統(tǒng)客車動(dòng)力結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上省掉了離合器和變速器，采用一個(gè)固定速比的減速器，但仍需要安裝傳動(dòng)軸。

客車配置空氣彈簧懸架或板簧懸架時(shí)，其行駛過程中懸架跳動(dòng)的方式不同，傳動(dòng)軸最大和最小工作長度在懸架跳動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的位置也不同。由于空氣彈簧懸架安裝有多組推力桿，其跳動(dòng)軌跡相比于板簧懸架更加復(fù)雜[4-5]。所以，本文結(jié)合某空氣彈簧懸架純電動(dòng)客車，介紹其傳動(dòng)軸長度設(shè)計(jì)的三種方法，并進(jìn)行比較。

1 數(shù)值估算法

某車型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置如圖1所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為后置式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出口軸線與驅(qū)動(dòng)橋輸入口軸線重合，兩接口通過傳動(dòng)軸連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝傾角α為3°，上推力桿長度L推1為550 mm，下推力桿長度L推2為584 mm，懸架上跳及下跳極限尺寸h為80 mm，傳動(dòng)軸止口距十字軸中心長度L3為90 mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出口與傳動(dòng)軸輸入口間垂直距離L0為590 mm。

圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋布置結(jié)構(gòu)

根據(jù)分析，空氣彈簧懸架客車的傳動(dòng)軸在懸架上跳極限位置或下跳極限位置時(shí)，傳動(dòng)軸的工作長度最大。采用三角函數(shù)和勾股定理[6]計(jì)算懸架上跳極限位置時(shí)的傳動(dòng)軸長度尺寸：

代入數(shù)據(jù)得L軸上≈594 mm

懸架下跳極限位置時(shí)的傳動(dòng)軸長度尺寸：

代入數(shù)據(jù)得L軸下≈602 mm

L上=L軸上+5.65 mm≈600 mm
L下=L軸下+5.65 mm≈608 mm

由此，計(jì)算傳動(dòng)軸基準(zhǔn)尺寸L:

L=(L下+L0)/2=599 mm≈600 mm

傳動(dòng)軸安裝尺寸為600 mm時(shí)，可取其調(diào)節(jié)余量為±50 mm，即傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)尺寸為600 mm±50 mm。

2 CAD畫圖法

采用數(shù)值估算法計(jì)算傳動(dòng)軸基準(zhǔn)長度一般存在誤差，在不具備使用繪圖工具的情況下使用。相比于數(shù)值估算法，CAD畫圖法[7]在傳動(dòng)軸長度的設(shè)計(jì)上更加便捷與準(zhǔn)確。

首先，按照?qǐng)D1所示結(jié)構(gòu)，將車架、推力桿、懸架、車橋、傳動(dòng)軸等零部件連接結(jié)構(gòu)簡化，其固定點(diǎn)分別標(biāo)記為A、B、C、D、E、F，其中A為上推力桿與車架固定點(diǎn)的回旋中心，B為下推力桿與車架固定點(diǎn)的回旋中心，C為上推力桿與懸架固定點(diǎn)的回旋中心，D為下推力桿與懸架固定點(diǎn)的回旋中心，E為傳動(dòng)軸在車橋端的十字軸中心，F(xiàn)為傳動(dòng)軸在驅(qū)動(dòng)電機(jī)端的十字軸中心，其中固定點(diǎn)C、D、E構(gòu)成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 車型連接結(jié)構(gòu)固定點(diǎn)位置簡化圖

按照懸架上跳及下跳極限尺寸h=80 mm，懸架跳動(dòng)時(shí)，上推力桿和下推力桿分別繞A、B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，上推力桿和下推力桿與懸架的固定點(diǎn)上跳及下跳的極限位置分別標(biāo)記為C1、C2和D1、D2。因?yàn)楣潭c(diǎn)C、D、E為三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，固定點(diǎn)C、D、E的相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生變化，可以平移點(diǎn)C、D、E確定傳動(dòng)軸在車橋端的十字軸中心極限位置，標(biāo)記為E1、E2。連接E1F和E2F，即為傳動(dòng)軸兩十字軸中心在上跳極限和下跳極限位置的長度，經(jīng)測量分別為419.4 mm、427.3 mm，如圖3所示。

圖3 懸架跳動(dòng)極限位置畫線圖

加上傳動(dòng)軸止口距兩十字軸中心長度L3分別為599.4 mm和607.3 mm，由此考慮傳動(dòng)軸工作的最大長度和最小長度，計(jì)算傳動(dòng)軸基準(zhǔn)尺寸為598.65 mm，取整為600 mm，并取其調(diào)節(jié)余量為±50 mm，即傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)尺寸為600 mm±50 mm。

3 CATIA軟件DMU運(yùn)動(dòng)校核法

采用CATIA軟件中的DMU運(yùn)動(dòng)校核法[8]，不僅能準(zhǔn)確設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸長度，還能直觀看到傳動(dòng)軸隨懸架上下跳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，避免產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉問題。但是相較于數(shù)值估算法和CAD畫圖法，所需要的時(shí)間較長，一般在開發(fā)周期較長、時(shí)間充足的情況下才使用。

首先，按圖1結(jié)構(gòu)將車架、推力桿、懸架、車橋、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等零部件裝配到裝配體中，并設(shè)定懸架上跳和下跳極限位置尺寸h均為80 mm。然后在DMU工作環(huán)境下選擇傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)校核的運(yùn)動(dòng)模擬命令，對(duì)懸架跳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，分別在上跳極限位置和下跳極限位置狀態(tài)下測量傳動(dòng)軸兩十字軸中心間尺寸，分別為419.722 mm、427.261 mm。圖4為下跳極限尺寸DMU的確定方法。加上傳動(dòng)軸止口距兩十字軸中心長度L3，分別為599.722 mm和607.261 mm。計(jì)算傳動(dòng)軸基準(zhǔn)尺寸為598.63 mm，取整為600 mm。取傳動(dòng)軸調(diào)節(jié)余量為±50 mm，并對(duì)基準(zhǔn)長度尺寸取整處理，計(jì)算出傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)尺寸為600 mm±50 mm。

圖4 下跳極限時(shí)兩十字軸中心間尺寸

4 結(jié)束語

數(shù)值估算法便于在沒有二維或三維設(shè)計(jì)軟件的情況下對(duì)傳動(dòng)軸長度進(jìn)行估算，數(shù)值一般會(huì)存在±3 mm以內(nèi)的誤差。CAD畫圖法得出的傳動(dòng)軸長度較為準(zhǔn)確，一般在開發(fā)任務(wù)緊急的情況下選用。CATIA軟件DMU運(yùn)動(dòng)校核法不僅可以得到準(zhǔn)確的理論數(shù)據(jù)，還能查看傳動(dòng)軸與周邊零件的干涉情況，但是需要花費(fèi)的時(shí)間和精力較多。以上三種設(shè)計(jì)方法均能滿足傳動(dòng)軸長度的精度要求。