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 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東 青島 266111）

（3 中車株洲電力機(jī)車有限公司， 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，地鐵齒輪箱位于車輛下部的敞開空間，主要作用是傳遞電機(jī)轉(zhuǎn)矩，推動車輛前進(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平行軸漸開線圓柱齒輪結(jié)構(gòu)[1]。齒輪箱前端通過吊桿懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，后端通過安裝在車軸上的兩個圓錐滾子軸承支撐在車軸上；齒輪箱的主動齒輪通過一套聯(lián)軸節(jié)與驅(qū)動電機(jī)主軸相連，并通過圓柱滾子軸承和四點(diǎn)接觸球軸承支撐在箱體軸承座上，從動齒輪過盈連接在車軸上。地鐵齒輪箱工作時(shí)，通過電機(jī)驅(qū)動主動齒輪，主、從動齒輪的嚙合將動力傳遞到車軸上，驅(qū)動車輛行駛。

由于驅(qū)動電機(jī)與地鐵齒輪箱在連接時(shí)以及在地鐵列車運(yùn)行過程中，受車輛的載荷不同、地鐵線路引起的車輛震動以及安裝誤差的影響，很難保證電機(jī)軸與主動齒輪軸的同軸度，同軸度的大小將會影響傳動系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性。為了解決此問題，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)動電機(jī)與齒輪箱之間同軸度差異的列車運(yùn)行要求，本文中設(shè)計(jì)的城軌列車聯(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，最終通過與之過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)動電機(jī)軸與齒輪箱在傳動過程中由于振動或連接誤差引起的不同軸問題，在聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，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)軸或齒輪箱主動齒輪相連接，從而解決了二者間不同軸問題。

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

齒式聯(lián)軸節(jié)的齒輪是通過一個齒部呈鼓形的外齒輪和一個內(nèi)齒圈嚙合完成動力傳遞，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)書的參數(shù)要求。城軌列車車輛的運(yùn)行工況如表1所示。

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

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊和齒輪計(jì)算開發(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)部潤滑采用的是稀油潤滑。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)部形成一個密閉的空腔，并且在聯(lián)軸節(jié)空腔的兩個端面均設(shè)置有O型密封圈，保證潤滑油不會外泄。

在車輛工作過程中，聯(lián)軸節(jié)的外齒輪和內(nèi)齒圈相對位置會發(fā)生變化，波紋管兩端法蘭跟隨外齒輪、內(nèi)齒圈相對運(yùn)動，中間彈性部分通過拉伸、壓縮及彎曲變形來補(bǔ)償相對位置變化，保證了聯(lián)軸節(jié)內(nèi)部始終是一個密閉的空腔。波紋管組件是一個金屬彈性元件，它可以在一定程度上發(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)工作過程中，其外齒輪與內(nèi)齒圈存在相互的擺動，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)動空間分析

聯(lián)軸節(jié)在列車轉(zhuǎn)向架上處于靜態(tài)和動態(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)和動態(tài)時(shí)，外齒輪、內(nèi)齒圈及附件間無干涉、無碰撞，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)的啟動工況、額定工況、短路工況，分別對聯(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

針對上述3種工況，以啟動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)車輛運(yùn)行載荷，選取熱處理工藝為氮化工藝，對聯(lián)軸節(jié)齒部強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算過程及結(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，通過上述兩種方法對齒輪的強(qiáng)度計(jì)算，所選取的齒部參數(shù)滿足車輛運(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精度不大于0.03 mm；測試設(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)測試系統(tǒng)主要包括：驅(qū)動電機(jī)、變速箱、傳感器、主試聯(lián)軸節(jié)、可移動試驗(yàn)臺、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)測試兩套聯(lián)軸節(jié)，在其中間設(shè)置有可移動式試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺可實(shí)現(xiàn)徑向位移及軸向位移的動態(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)動態(tài)軸向位移為±10 mm，動態(tài)頻率為2 Hz；徑向位移為16.9 mm，動態(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)來源于車輛工況，包括超負(fù)荷（轉(zhuǎn)矩過載和速度過載）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)合處無滲漏油現(xiàn)象，各連接件、緊固件無松動；聯(lián)軸節(jié)無異常聲音，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)過程中，對其進(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。