CAE技術在高分子材料齒輪箱設計中的應用

王鳳等

摘要： 為解決機車齒輪箱裂紋和漏油等故障，設計全新的滿足使用要求的高分子材料齒輪箱.借助模態和模流仿真技術，分析齒輪箱的動態結構和成型過程，重點研究齒輪箱固有特性、成型工藝性和翹曲變形等，找出設計結構強度薄弱部位、成型困難部位和變形嚴重影響的裝配部位.結果可以為齒輪箱的改進設計提供參考.

關鍵詞： 機車； 齒輪箱； 高分子材料； 動態結構； 成型過程； 模態； 模流

中圖分類號： TQ320；U260文獻標志碼： B

Abstract： To solve the problems of gear box crack and leakage of locomotive， a new polymer material gear box is designed to meet the usage requirements. By the simulation technology on mode and mold molding， the dynamical structure and forming process are analyzed for the gear box， the natural characteristics， forming technology and warp deformation are emphatically studied to find out the weak part of structural strength， the hardest forming part and the assembly part affected by serious deformation. The results can provide reference for the improvement of gear box design.

Key words： locomotive； gear box； polymer material； dynamical structure； forming process； modal analysis； mold flow

引言

在正常工作狀態下，機車齒輪箱運行環境惡劣，需承受軌道不平順引起的高頻振動和沖擊載荷以及齒輪嚙合引起的異常振動等，這些因素可能引起齒輪箱裂紋和腐蝕漏油等一系列故障.[1]為徹底解決齒輪箱問題，提出采用高分子材料齒輪箱代替金屬齒輪箱的設想，設計一款全新的滿足性能要求的齒輪箱.與金屬齒輪箱相比，高分子材料齒輪箱具有許多顯著優點：高分子材料比金屬材料密度小，因此采用高分子材料齒輪箱可以大幅減輕齒輪箱質量，實現輕量化目的，減少因振動引起的斷裂現象發生；高分子材料齒輪箱采用成熟的注塑成型工藝，可以實現一次成型，從而規避金屬焊接結構缺陷，減少因焊接缺陷引起的裂紋；高分子材料本身性能優異，在硬度、剛度和耐腐蝕性等方面優于金屬材料.[2]

CAE技術在降低設計開發成本、縮短產品開發周期和提高產品質量等方面發揮著重要的作用.伴隨企業自主開發能力的提升，CAE技術的應用將更加廣泛和直接.模態和模流仿真技術分別是針對產品動態特性和成型工藝特性進行分析的CAE技術，本文借助這2種技術對設計的新型高分子齒輪箱進行分析，為齒輪箱的改進設計提供參考.

1新材料齒輪箱幾何結構

某機車齒輪箱為薄壁鋼板焊接結構，材質為Q235A.改進后的新材料齒輪箱采用PA6+GF50（尼龍6+50%長玻纖）.尼龍材料以其優良的耐高溫、耐油、耐化學腐蝕和高拉伸強度等性能，越來越受到青睞，改性尼龍產品以其更加優越的性能，在一些特殊領域的應用日益廣泛.[3]

新設計的高分子材料齒輪箱整體壁厚為4 mm，上下箱對接部位為6 mm，安裝孔處壁厚為10 mm.為滿足齒輪箱使用性能要求，擋油環安裝部位和油液觀察窗采用PU發泡條與軸承靜態密封.上箱體設計有吊耳和呼吸孔，組合形成呼吸空腔，同時起方便吊裝的作用；下箱設計有加油口和卸油口.高分子材料齒輪箱幾何結構見圖1.

3模流仿真

模流仿真技術是針對高分子材料成型過程的計算機仿真分析技術.借助該技術可以預測產品成型過程中的缺陷.本文重點研究高分子材料齒輪箱工藝成型性和翹曲變形程度，預測產品成型困難部位和變形嚴重影響裝配的部位，為產品結構優化設計提供改進意見.

結論

（1）相比于原金屬材料齒輪箱，高分子材料齒輪箱在一體成型和輕量化方面具有顯著優勢，具有一定的應用價值.

（2）通過模態仿真分析計算得知，高分子材料齒輪箱振動強烈部位出現在擋油環安裝部位和加油口處，在結構改進設計過程中應加強剛度薄弱環節，進行剛度的合理布置和平衡，盡可能提高齒輪箱的總體剛度，以提高齒輪箱模態頻率、降低振動響應.

（3）通過模流仿真分析計算得知，高分子材料齒輪箱成型工藝性良好，不會出現短射現象，但翹曲變形嚴重，影響上下箱的安裝效果.翹曲嚴重部位主要出現在加油口處，結構改進設計過程中應在滿足產品使用效能的前提下對該部位做適當的補強.

（4）用模態仿真分析技術和模流仿真分析技術分別分析產品的結構和成型過程，借助CAE分析技術可大大縮短產品開發周期，規避開發風險.

參考文獻：

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