一種城軌列車(chē)齒式聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

何鵬輝 李富強(qiáng) 賀世忠 陶功安 程相勛 張祥儒 趙玉凱

（1 鄭州機(jī)械研究所有限公司， 河南 鄭州 450000）

（2 中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司， 山東 青島 266111）

（3 中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司， 湖南 株洲 412001）

（4 鄭州地鐵集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450002）

0 引言

眾所周知，地鐵齒輪箱位于車(chē)輛下部的敞開(kāi)空間，主要作用是傳遞電機(jī)轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。在轉(zhuǎn)向架中，該部件屬于關(guān)鍵件。地鐵齒輪箱一般為一級(jí)平行軸漸開(kāi)線圓柱齒輪結(jié)構(gòu)[1]。齒輪箱前端通過(guò)吊桿懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，后端通過(guò)安裝在車(chē)軸上的兩個(gè)圓錐滾子軸承支撐在車(chē)軸上；齒輪箱的主動(dòng)齒輪通過(guò)一套聯(lián)軸節(jié)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸相連，并通過(guò)圓柱滾子軸承和四點(diǎn)接觸球軸承支撐在箱體軸承座上，從動(dòng)齒輪過(guò)盈連接在車(chē)軸上。地鐵齒輪箱工作時(shí)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪，主、從動(dòng)齒輪的嚙合將動(dòng)力傳遞到車(chē)軸上，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)與地鐵齒輪箱在連接時(shí)以及在地鐵列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，受車(chē)輛的載荷不同、地鐵線路引起的車(chē)輛震動(dòng)以及安裝誤差的影響，很難保證電機(jī)軸與主動(dòng)齒輪軸的同軸度，同軸度的大小將會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性。為了解決此問(wèn)題，本文中介紹了一種具有可偏轉(zhuǎn)的齒式聯(lián)軸節(jié)[2-5]。該齒式聯(lián)軸節(jié)不僅具有補(bǔ)償各種空間位移的能力，而且具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 齒式聯(lián)軸節(jié)設(shè)計(jì)

1.1 聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)與齒輪箱之間同軸度差異的列車(chē)運(yùn)行要求，本文中設(shè)計(jì)的城軌列車(chē)聯(lián)軸節(jié)為齒式聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)，由兩套半聯(lián)軸節(jié)組成，其左右部分結(jié)構(gòu)形式一樣。半聯(lián)軸節(jié)由外齒輪、內(nèi)齒圈、波紋管和附件組成；兩半聯(lián)軸節(jié)之間使用絞制螺栓連接，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)矩由電機(jī)軸傳遞給與之過(guò)盈連接的左外齒輪，經(jīng)相嚙合的內(nèi)、外齒傳遞給內(nèi)齒圈，再由內(nèi)、外齒傳遞給右外齒輪，最終通過(guò)與之過(guò)盈連接的齒輪軸將轉(zhuǎn)矩傳入齒輪箱，完成轉(zhuǎn)矩的傳遞。

圖1 聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of coupling

為了解決驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸與齒輪箱在傳動(dòng)過(guò)程中由于振動(dòng)或連接誤差引起的不同軸問(wèn)題，在聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，外齒輪采用了鼓形設(shè)計(jì)，鼓形齒輪的齒頂在內(nèi)齒圈內(nèi)部可進(jìn)行一定角度的靈活偏轉(zhuǎn)，鼓形齒輪的內(nèi)孔與電機(jī)軸或齒輪箱主動(dòng)齒輪相連接，從而解決了二者間不同軸問(wèn)題。

1.2 聯(lián)軸節(jié)齒部參數(shù)設(shè)計(jì)

齒式聯(lián)軸節(jié)的齒輪是通過(guò)一個(gè)齒部呈鼓形的外齒輪和一個(gè)內(nèi)齒圈嚙合完成動(dòng)力傳遞，而齒部參數(shù)的設(shè)計(jì)依據(jù)的是電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速，即聯(lián)軸節(jié)需要傳遞的轉(zhuǎn)矩大小等任務(wù)書(shū)的參數(shù)要求。城軌列車(chē)車(chē)輛的運(yùn)行工況如表1所示。

表1 車(chē)輛運(yùn)行工況Tab.1 Vehicle operating conditions

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和齒輪計(jì)算開(kāi)發(fā)軟件[6-7]，初步設(shè)計(jì)了一組齒輪參數(shù)，如圖2和表2所示。

圖2 聯(lián)軸節(jié)齒輪設(shè)計(jì)軟件Fig.2 Coupling gear design software

表2 聯(lián)軸節(jié)齒部基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of coupling teeth

1.3 聯(lián)軸節(jié)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聯(lián)軸節(jié)的內(nèi)部潤(rùn)滑采用的是稀油潤(rùn)滑。為了保證密封結(jié)構(gòu)的安全可靠，在方案設(shè)計(jì)中，每半聯(lián)軸節(jié)都是通過(guò)螺釘將波紋管組件兩端的法蘭和內(nèi)齒圈、外齒輪進(jìn)行連接，從而在聯(lián)軸節(jié)內(nèi)部形成一個(gè)密閉的空腔，并且在聯(lián)軸節(jié)空腔的兩個(gè)端面均設(shè)置有O型密封圈，保證潤(rùn)滑油不會(huì)外泄。

在車(chē)輛工作過(guò)程中，聯(lián)軸節(jié)的外齒輪和內(nèi)齒圈相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，波紋管兩端法蘭跟隨外齒輪、內(nèi)齒圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)，中間彈性部分通過(guò)拉伸、壓縮及彎曲變形來(lái)補(bǔ)償相對(duì)位置變化，保證了聯(lián)軸節(jié)內(nèi)部始終是一個(gè)密閉的空腔。波紋管組件是一個(gè)金屬?gòu)椥栽梢栽谝欢ǔ潭壬习l(fā)生拉伸、壓縮及扭轉(zhuǎn)變形。

圖3 波紋管組件連接Fig.3 Bellows assembly connection

在聯(lián)軸節(jié)工作過(guò)程中，波紋管組件是不承載傳遞轉(zhuǎn)矩的，其承受的主要是拉伸、壓縮、彎曲的高頻交變載荷。

1.4 聯(lián)軸節(jié)齒部側(cè)隙計(jì)算

在齒式聯(lián)軸節(jié)工作過(guò)程中，其外齒輪與內(nèi)齒圈存在相互的擺動(dòng)，其嚙合齒部位也相應(yīng)發(fā)生變化，主要體現(xiàn)為軸間傾角的變化。為此，在進(jìn)行齒部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將外齒輪設(shè)計(jì)為鼓形齒。

當(dāng)軸線有角位移Δα?xí)r，鼓形齒與內(nèi)齒圈產(chǎn)生相對(duì)位移，鼓形齒上各點(diǎn)將在Δα=0°時(shí)的位置上產(chǎn)生位移，該位移量在內(nèi)齒圈法線上的投影稱(chēng)為鼓形齒的法向位移量[8-9]。

聯(lián)軸節(jié)每轉(zhuǎn)1周，任一鼓形齒上各點(diǎn)的法向位移量也隨位置角而變化。

任意一對(duì)內(nèi)外齒的左右齒面間的最小法向側(cè)隙JLmin、JRmin應(yīng)同時(shí)能滿足鼓形齒左右齒面的最大法向位移量，近似計(jì)算公式為

聯(lián)軸節(jié)的最小理論法向側(cè)隙Jnmin為JLmin和JRmin之和，即

式中，符號(hào)及數(shù)值如表3所示。

表3 最小法向側(cè)隙計(jì)算參數(shù)Tab.3 Minimum normal backlash calculation parameters

把數(shù)值代入式（2）計(jì)算得出：動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)時(shí)Jnmin=1.09 mm；靜態(tài)偏轉(zhuǎn)時(shí)Jnmin=1.49 mm。

1.5 聯(lián)軸節(jié)運(yùn)動(dòng)空間分析

聯(lián)軸節(jié)在列車(chē)轉(zhuǎn)向架上處于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)，其空間位置需滿足表4所示要求。

表4 聯(lián)軸節(jié)位移變位需求Tab.4 Translocation and displacement demand of coupling mm

經(jīng)模擬分析，靜態(tài)聯(lián)軸節(jié)極限位置如圖4 所示，動(dòng)態(tài)聯(lián)軸節(jié)極限位置如圖5所示。

圖4 靜態(tài)聯(lián)軸節(jié)極限位置Fig.4 Limit position of static coupling

圖5 動(dòng)態(tài)聯(lián)軸節(jié)極限位置Fig.5 Limit position of dynamic coupling

由式（1）、式（2）可以得知，聯(lián)軸節(jié)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)，外齒輪、內(nèi)齒圈及附件間無(wú)干涉、無(wú)碰撞，且最大偏轉(zhuǎn)角為5.05°，小于聯(lián)軸節(jié)的最大可變角度為6.2°。所以，聯(lián)軸節(jié)在空間及性能上均滿足轉(zhuǎn)向架的變位使用要求。

2 聯(lián)軸節(jié)強(qiáng)度有限元分析

2.1 強(qiáng)度有限元分析

通過(guò)Ansys計(jì)算軟件，建立聯(lián)軸節(jié)三維模型。約束條件是創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)鉸接，外齒圈施加轉(zhuǎn)矩，內(nèi)齒圈允許一個(gè)小角度的旋轉(zhuǎn)。邊界條件如圖6所示。

圖6 邊界條件Fig.6 Boundary conditions

為了驗(yàn)證聯(lián)軸節(jié)強(qiáng)度的可靠性，選取電機(jī)的啟動(dòng)工況、額定工況、短路工況，分別對(duì)聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行有限元分析。所施加的載荷如表5所示。

表5 施加載荷Tab.5 Applied load

針對(duì)上述3種工況，以啟動(dòng)工況和額定工況下外齒輪及內(nèi)齒圈為例的有限元分析應(yīng)力計(jì)算云圖分別如圖7～圖10 所示。3 種工況下的外齒輪及內(nèi)齒圈有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表6 所示。從表6 中可以看出，外齒輪及內(nèi)齒圈的應(yīng)力值與輸入轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系。

圖7 啟動(dòng)工況下外齒輪應(yīng)力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of external gears under starting condition

圖8 額定工況下外齒輪應(yīng)力云圖Fig.8 Stress cloud diagram of external gears under rated working condition

圖9 啟動(dòng)工況下內(nèi)齒圈應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of ring gears under starting condition

圖10 額定工況下內(nèi)齒圈應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud diagram of ring gears under rated working condition

表6 有限元應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of finite element stressMPa

2.2 齒輪強(qiáng)度軟件計(jì)算分析

采用ZGCAD 齒輪強(qiáng)度計(jì)算軟件，依據(jù)車(chē)輛運(yùn)行載荷，選取熱處理工藝為氮化工藝，對(duì)聯(lián)軸節(jié)齒部強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算過(guò)程及結(jié)果分別如圖11、表7所示。

圖11 聯(lián)軸節(jié)齒部強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程Fig.11 Strength calculation process of coupling teeth

表7 各工況下齒輪接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of gear contact strength and bending strength under various working conditions

結(jié)果表明，通過(guò)上述兩種方法對(duì)齒輪的強(qiáng)度計(jì)算，所選取的齒部參數(shù)滿足車(chē)輛運(yùn)行工況的使用要求。

3 聯(lián)軸節(jié)樣機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的聯(lián)軸節(jié)的各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)，制造了聯(lián)軸節(jié)樣機(jī)。依據(jù)車(chē)輛運(yùn)行工況進(jìn)行了聯(lián)軸節(jié)的周期性循環(huán)試驗(yàn)。

3.1 聯(lián)軸節(jié)試驗(yàn)外部環(huán)境

為保障試驗(yàn)設(shè)備與驅(qū)動(dòng)齒輪箱連接的可靠性，電機(jī)和聯(lián)軸器齒輪的同軸度徑向跳動(dòng)精度不大于0.03 mm；測(cè)試設(shè)備及傳感器的靈敏度滿足試驗(yàn)要求；環(huán)境溫度為-40 ℃～40 ℃，相對(duì)濕度小于等于90%，風(fēng)速小于等于5 m/s；試驗(yàn)設(shè)備連接可靠、布局合理。

3.2 聯(lián)軸節(jié)試驗(yàn)布局

聯(lián)軸節(jié)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速箱、傳感器、主試聯(lián)軸節(jié)、可移動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、被試聯(lián)軸節(jié)、傳感器、變速箱和加載電機(jī)。該試驗(yàn)系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)試兩套聯(lián)軸節(jié)，在其中間設(shè)置有可移動(dòng)式試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)徑向位移及軸向位移的動(dòng)態(tài)變化，以滿足聯(lián)軸節(jié)模擬實(shí)際路況的要求。聯(lián)軸節(jié)的試驗(yàn)布局如圖12所示。

圖12 聯(lián)軸節(jié)試驗(yàn)臺(tái)布局Fig.12 Coupling test bench layout

圖13所示為聯(lián)軸節(jié)內(nèi)齒圈及外齒輪的實(shí)物照片。

圖13 聯(lián)軸節(jié)內(nèi)齒圈及外齒輪樣件Fig.13 Coupling ring gear and external gear samples

3.3 聯(lián)軸節(jié)試驗(yàn)方案

具體實(shí)施方案為：設(shè)定聯(lián)軸節(jié)動(dòng)態(tài)軸向位移為±10 mm，動(dòng)態(tài)頻率為2 Hz；徑向位移為16.9 mm，動(dòng)態(tài)頻率為1 Hz。軸向和徑向位移變位疊加。周期性循環(huán)試驗(yàn)來(lái)源于車(chē)輛工況，包括超負(fù)荷（轉(zhuǎn)矩過(guò)載和速度過(guò)載）試驗(yàn)[10-12]。周期性循環(huán)試驗(yàn)參數(shù)如表8所示。

表8 周期性運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)步驟Tab.8 Periodic operation test steps

3.4 聯(lián)軸節(jié)試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)過(guò)程中，兩件參與試驗(yàn)的聯(lián)軸節(jié)在模擬實(shí)際工況下，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，各密封處、結(jié)合處無(wú)滲漏油現(xiàn)象，各連接件、緊固件無(wú)松動(dòng)；聯(lián)軸節(jié)無(wú)異常聲音，表面最高溫度為82°，試驗(yàn)效果良好。

4 結(jié)論

在齒式聯(lián)軸節(jié)樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行了三維建模和仿真分析；為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，制造樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的齒式聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)合理，能夠滿足城軌列車(chē)運(yùn)行工況的要求；形成了一套較為完整有效的聯(lián)軸節(jié)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法，為其他領(lǐng)域聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)提供了一種切實(shí)可行的思路。