摘　要：文章介紹了A型地鐵車輛ZMA080型轉(zhuǎn)向架齒輪箱的設(shè)計，著重分析了齒輪箱的結(jié)構(gòu)、潤滑和密封、齒輪設(shè)計和軸承布置，并對箱體進行了強度評估。
　　關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向架；齒輪箱；潤滑；密封；齒輪
　　0　引言
　　齒輪箱作為車輛轉(zhuǎn)向架驅(qū)動系統(tǒng)的重要部件，對整個車輛的運行狀況有著至關(guān)重要的影響。針對A型地鐵車輛ZMA080型轉(zhuǎn)向架驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能特點，自主設(shè)計適用于該類型轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動系統(tǒng)齒輪箱。
　　1　齒輪箱設(shè)計
　　1.1技術(shù)參數(shù)
　　齒輪箱是傳遞電機扭矩的部分，主要由齒輪箱體、主動齒輪、從動齒輪、密封件、支承軸承等部件組成。齒輪箱應(yīng)滿足的技術(shù)參數(shù)如下^[1]。
　　車輛運行速度/km·h^-1　80
　　軸重/t　16
　　車輛每年運行里程/km　125000
　　電機額定功率/kW　190
　　電機額定轉(zhuǎn)速/r·min^-1　1800
　　電機轉(zhuǎn)速/r·min^-1　3481
　　電機啟動轉(zhuǎn)矩/N·m　1625
　　電機額定轉(zhuǎn)矩/N·m　1008
　　電機牽引轉(zhuǎn)矩/N·m　1626
　　電機短路轉(zhuǎn)矩/N·m　9800
　　傳動比　6.32
　　齒輪中心距/mm　355
　　1.2結(jié)構(gòu)
　　齒輪箱箱體采用鑄造結(jié)構(gòu)，材料為球磨鑄鐵，箱體結(jié)構(gòu)屬于薄壁鑄件，主要壁厚12~16mm，箱體總重175kg。主動齒輪、從動齒輪均采用漸開線斜齒圓柱齒輪，材料符合EN10084—1998《滲碳鋼材交貨技術(shù)條件》的要求，表面滲碳處理。
齒輪箱外形尺寸為656mm×1005mm×286mm，為上、下箱體剖分式結(jié)構(gòu)，上、下箱之間通過2個圓柱銷定位，輸出軸軸承座部位4個內(nèi)六角螺釘連接，其余處8個內(nèi)六角螺釘連接。注油孔和排油孔上的螺塞端部裝有磁鐵，用來收集油液中的鐵屑；油位可通過油位觀察玻璃進行查看；下箱體上設(shè)有觀察孔，拆下觀察蓋后可觀察從動齒輪齒面情況；起吊螺座通過與吊環(huán)配合用于箱體的起吊；上箱體上的防脫落臂通過與裝在構(gòu)架上的安全銷配合在緊急情況下起保護作用，齒輪箱外形圖如圖1所示。　　1.3潤滑和密封
　　車輛運營時，沖擊、振動、噪聲、漏油和齒輪輪齒失效是齒輪箱比較突出的問題^[2-3]。為了提高齒輪箱的性能，保證箱內(nèi)各部件的壽命，在設(shè)計過程中必須采取可靠的潤滑和密封措施。
　　1.3.1潤滑方式
　　車輛運行過程中，齒輪箱內(nèi)運動部件處于高速運轉(zhuǎn)及高溫狀態(tài)，采用飛濺式潤滑，潤滑油不僅可以顯著降低摩擦阻力，還可以起到散熱、減小接觸應(yīng)力、吸收振動、防止銹蝕等作用^[4]。
　　1.3.2油路循環(huán)
　　從動齒輪采用浸油式潤滑，其輪齒浸入油中，齒輪轉(zhuǎn)動將油甩到箱壁上，借以散熱。在上箱體頂部兩側(cè)設(shè)有兩蓋板，蓋板通過沉頭螺釘固定在箱體上，蓋板和箱體間形成油池（見圖2），飛濺到箱壁上的潤滑油通過頂部的擋油筋板流入到兩油池中。油池中的潤滑油通過油路流到軸承座上，潤滑軸承。軸承座上的潤滑油通過下箱體上的回油孔回到下箱油池中。　　齒輪轉(zhuǎn)動時，從動齒輪把潤滑油帶到未浸入油中的主動齒輪的嚙合齒面上實現(xiàn)主動齒輪潤滑。在靠電機側(cè)設(shè)有與箱體頂部處原理相似的油池和擋油筋板，用于主動齒輪支承軸承潤滑。主動齒輪另一端的軸承由于直接跟小齒輪端面接觸，潤滑油可直接進入軸承，實現(xiàn)軸承潤滑，多余的潤滑油通過油路流回箱內(nèi)。
　　1.3.3密封
　　齒輪箱應(yīng)具有良好的密封性，不應(yīng)有漏油現(xiàn)象，并能避免水分、塵埃及其它雜質(zhì)進入箱體內(nèi)部。齒輪箱由靜密封、動密封兩種密封方式確保密封性。
　　1）靜密封：在注油塞和排油塞安裝處都使用了金屬墊圈密封，油位指示器使用了管螺紋密封。外端蓋和箱體的結(jié)合處以及箱體的合箱面都是容易滲油的部位，因此在外端蓋和箱體間采用密封圈密封，同時在接觸面上采取密封膠密封。
　　2）動密封：采用非接觸式的迷宮密封，迷宮式密封由動件和靜件組成，兩者互不接觸，中間存在間隙，油封縫隙中填滿潤滑脂，可有效阻止多余潤滑油滲出^[4]。
　　1.4齒輪設(shè)計
　　為減小振動，改善輪齒受力狀況，降低噪聲，提高車輛乘坐舒適性，主、從動齒輪均采用斜齒輪傳動。
　　齒輪傳動比u=6.32，為使輪齒不致過小，保證主動齒輪的強度，主動齒輪齒數(shù)Z1=19，從動齒輪齒數(shù)Z2=120。為適應(yīng)總體結(jié)構(gòu)條件的限制和增強齒輪強度的需要，主動齒輪采取正變位，從動齒輪采取負變位^[5]。這樣在滿足總體各項要求的條件下，可使從動齒輪質(zhì)量適當降低，同時使齒輪箱的設(shè)計空間增大，有利于齒輪箱箱體及潤滑與密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
　　按ISO6336-5—2003《直齒輪和斜齒輪承載能力的計算》和GB/T3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》規(guī)定的方法校核齒輪的承載能力，校核結(jié)果如表1和表2所示。以作用于齒輪上的極限載荷為基礎(chǔ)對輪齒進行靜強度分析，要求計算彎曲強度安全系數(shù)SF＞1。輪齒失效是齒輪失效的主要形式^[3]，對齒輪輪齒的接觸和彎曲疲勞強度進行校核，要求齒面的計算接觸強度安全系數(shù)SH＞1.2，齒根計算彎曲強度安全系數(shù)SF＞1.6。　　計算結(jié)果表明，輪齒的靜強度和疲勞強度均符合設(shè)計要求。
　　1.5軸承布置
　　齒輪箱通過2個圓錐滾子軸承環(huán)抱于車軸，2個圓錐滾子軸承反向?qū)ΨQ布置，可平衡受力狀況，提高支撐剛性。
　　小齒輪兩側(cè)通過支承軸承支撐，輪側(cè)采用1個圓柱滾子軸承結(jié)合1個四點球軸承的組合方式，電機側(cè)采用1個相同的圓柱滾子軸承。圓柱滾子軸承可以承受較高轉(zhuǎn)速和徑向力，四點球軸承用于承受軸向力。
　　軸承的有效壽命應(yīng)經(jīng)過計算驗證，在考慮潤滑狀態(tài)及遵循換油周期的情況下進行計算，計算結(jié)果如表3所示。　　2　齒輪箱箱體強度校核
　　分析齒輪箱箱體在車輛各種運行工況下的應(yīng)力狀態(tài)，利用ANSYS軟件的Work bench模塊進行模擬加載、運算，對齒輪箱箱體靜強度和疲勞強度進行評估。
　　齒輪箱受力計算按以下要求進行：1）在從動齒輪軸承座處施加全約束；2）在吊桿座和主動齒輪軸承座上施加載荷。
　　齒輪箱箱體承受的載荷包括三個部分：一是齒輪傳動時對齒輪箱的作用力；二是驅(qū)動裝置在受沖擊時對齒輪箱的作用力；三是電機傳遞扭矩時對齒輪箱的作用力。
　　2.1靜強度校核
　　按照極限工況校核齒輪箱的靜強度，考慮驅(qū)動裝置垂向受5g沖擊和電機短路力矩共同作用于齒輪箱時，箱體靜強度能否滿足要求。材料GGG50.3的屈服強度為320MPa，取安全系數(shù)為1，則許用應(yīng)力為320MPa。計算結(jié)果見圖3，齒輪箱上應(yīng)力出現(xiàn)在主動齒輪軸承座上，為172.15MPa，小于材料的許用應(yīng)力，因此箱體的靜強度滿足要求。　　2.2疲勞強度校核
　　在只受自重作用、啟動扭矩與垂向3g沖擊共同作用于齒輪箱的情況下，校核齒輪箱箱體疲勞強度。經(jīng)計算，在疲勞交變載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力為39.78MPa。
將各個危險點的平均應(yīng)力、第1主應(yīng)力和第3主應(yīng)力輸入材料的Goodman疲勞曲線圖（見圖4），可知該齒輪箱箱體的動應(yīng)力范圍均在材料的Goodman疲勞曲線界限之內(nèi)，因此齒輪箱體的疲勞強度滿足要求。　　3　結(jié)束語
　　設(shè)計的A型地鐵車輛ZMA080型轉(zhuǎn)向架齒輪箱試制后型式試驗表明，設(shè)計滿足要求。目前，該齒輪箱已經(jīng)裝于相應(yīng)地鐵車輛上運用，效果良好。
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