高速動車組用聯軸節過盈配合分析

孟永帥+趙永強+王起梁+高雷+王本濤

摘要： 為校核某高速動車組用鼓型齒聯軸節的過盈量是否滿足設計要求，采用六面體實體單元建立聯軸節的有限元模型，對聯軸節在不同過盈量配合下的等效應力和傳遞扭矩進行分析計算。結果表明：在過盈量設計范圍內，聯軸節能夠滿足安全和過載保護要求。進行聯軸節滑移扭矩試驗，驗證聯軸節過盈量設計的可靠性，從而為動車組用聯軸節過盈量的設計和優化提供依據。

關鍵詞： 鼓型齒； 聯軸節； 過盈配合； 滑移扭矩； 試驗驗證； 有限元； 動車組

中圖分類號： U260.332 文獻標志碼： B

Interference fit analysis of coupling for high-speed EMU

MENG Yongshuai， ZHAO Yongqiang， WANG Qiliang， GAO Lei， WANG Bentao

（CRRC Qishuyan Institute Co.， Ltd.， Changzhou 213011， Jiangsu， China）

Abstract： To check whether or not the interference of drum gear coupling for EMU meets the design requirements， the finite element model of the coupling is built using hexahedral solid element， equivalent stress and transmission torque in different amounts of interference fit are calculated and analyzed. The results show that the coupling can meet the requirements of safety and overload protection in the range of interference. A slip torque test is performed and the reliability of the interference design of the coupling is verified. It can provides a reference for the interference design and optimization of the EMU coupling.

Key words： drum gear； coupling； interference fit； slip torque； test verification； finite element； EMU

0 引 言

鼓型齒聯軸節以其良好的軸線偏移補償性能以及結構緊湊、承載能力高、使用壽命長、成本低等優點被廣泛應用于高速動車組，作為驅動傳動系統的重要組成部分，其性能的好壞直接影響整個牽引傳動系統的平穩性和可靠性。

過盈連接結構簡單、定心性好、承載能力強、抗沖擊性能好，是鼓型齒聯軸節常用的連接方式。[1]已有文獻主要是應用厚壁圓筒理論或LAME方程對聯軸節過盈連接進行研究，如許定奇等[2]基于厚壁圓筒理論推導圓柱、圓錐過盈聯接的設計計算方法，王正文[3]和史可忠[4]對無鍵齒式聯軸節的過盈量設計進行論述，王冬梅等[5]依照《圓錐過盈配合的計算和選用》對電機中間聯軸節的過盈量進行計算，徐俊良等[6]和陶德峰[7]對多層過盈聯結的結合壓力算法進行理論研究，劉慶[8]對船用液壓套筒式聯軸器的過盈量范圍進行計算。

這些研究發現，厚壁圓筒理論和LAME方程能有效解決外形較為簡單的聯軸節過盈設計問題。但是，在本文聯軸節設計中，由于鼓型齒的外徑尺寸變化較大以及需要考慮聯軸節過載保護要求（將聯軸節的載荷傳遞能力控制在某一范圍內），因此對過盈量的設計提出更高的要求：過盈量既不能過大也不能過小，過大起不到過載保護作用，過小則達不到傳遞載荷的要求。對于這類結構，傳統設計計算方法會導致連接可靠性大大降低。[9]計算機和有限元方法的發展為過盈連接的設計和校核提供一種切實可行的研究方法。本文利用先進的有限元技術對高速動車組鼓型齒聯軸節的過盈配合進行模擬，并對其產生的應力以及其載荷傳遞能力進行分析。

1 鼓型齒聯軸節結構

高速動車組用鼓型齒聯軸節主要由電機側鼓型齒、內齒套、齒輪箱側鼓型齒、擋油圈、過載保護襯套等零件組成（見圖1），其中由電機側鼓型齒、內齒套和齒輪箱側鼓型齒等組成聯軸節載荷傳遞部件，電機驅動載荷通過電機側鼓型齒—內齒套—齒輪箱側鼓型齒傳遞到驅動齒輪箱上，再經由齒輪傳遞到車輪上，從而驅動動車組列車前進。

為防止牽引載荷過大對齒輪箱傳動部件造成損壞，在電機側設計襯套作為過載保護裝置，保護扭矩范圍為7 500～12 000 N·m。當傳遞載荷超出設計范圍時，襯套外配合面發生滑移，從而對齒輪箱起到過載保護的作用。

2 過盈配合有限元分析

鼓型齒聯軸節的三維模型見圖2。電機軸與中間層襯套之間采用過盈配合，襯套與鼓型齒之間采用間隙配合，在安裝時先將襯套放入鼓型齒中，再將鼓型齒和襯套一起與電機軸進行過盈裝配。聯軸節各零件的配合尺寸見表1。

由表1中的尺寸參數可知：電機軸和襯套之間的最大過盈量為0.280 mm，最小過盈量為0.231 mm，襯套和鼓型齒之間的最大間隙為0.059 mm，最小間隙為0.010 mm。

為降低計算復雜性，對三維模型進行必要的簡化。在有限元軟件Abaqus中對聯軸節各零件模型采用六面體網格C3D8進行劃分，建立的有限元計算模型見圖3。對襯套與電機軸和鼓型齒配合面建立面對面接觸連接，根據經驗及有關文獻，接觸面摩擦因數[10]都取為0.11，同時在接觸面之間通過Contact Interference設置定義過盈量或間隙，各零件的材料屬性參數見表2。endprint

計算時，對電機軸一端施加位移約束，在兩接觸面上定義過盈量，同時根據兩配合面的過盈量及間隙范圍確定4種計算工況，見表3。

在聯軸節計算模型中，對表3中的4種計算工況進行有限元計算，對其應力分布進行分析，計算結果見圖4～7。

為分析聯軸節的載荷傳遞能力，在有限元模型中對鼓型齒施加軸向角位移，使鼓型齒與襯套發生整體相對滑移，用電機軸的扭轉反力對各計算工況下的最大傳遞扭矩進行分析，結果見表4。從圖4～7看出，4種計算工況下，3個零件的應力分布趨勢基本一致，電機軸的最大應力區域出現在中心孔內壁處，襯套的最大應力區域出現在法蘭一端內孔處，鼓型齒的最大應力區域出現在壁厚較薄一端。

在EN 12663—2010中有關靜強度的評定要求為：各部件的應力必須小于或等于其所選材料的許用應力[11]，即

式中：σ為各部件的計算應力；σ為各部件的許用應力（見表2）。

由表4可知：在4種計算工況中，電機軸、鼓型齒、襯套等的最大應力都遠小于其材料的許用應力，因此聯軸節結構滿足上述各計算工況下的靜強度要求；從襯套最大傳遞扭矩來看，在4種計算工況下，聯軸節傳遞的扭矩都在7 500～12 000 N·m范圍內，滿足襯套設計要求，因此可以確定聯軸節過盈量設計滿足目標要求。

3 鼓型齒滑移扭矩試驗

為驗證聯軸節的滑移扭矩特性，在聯軸節加工完成后，對聯軸節進行滑移扭矩試驗，見圖8。

為精確控制襯套與電機軸、鼓型齒之間的配合， 在生產加工時對零件進行選配，使配合間隙為0.03～0.05 mm。按照聯軸節組裝文件要求將聯軸節在試驗臺上組裝，然后逐漸增加聯軸節扭矩，直到聯軸節滑移，記錄聯軸節的滑移扭矩，見表5。

從試驗結果可以看出，聯軸節的滑移扭矩都在保護扭矩范圍內，滑移襯套滿足過載保護要求，說明聯軸節過盈量的設計合理可靠。

4 結束語

根據鼓型齒聯軸節的結構特點及使用要求，采用有限元法對聯軸節不同過盈配合下的應力分布和傳遞扭矩進行模擬分析，結果表明：在過盈量設計范圍內，聯軸節的應力強度以及傳遞扭矩載荷都滿足設計要求。同時，為驗證聯軸節的滑移扭矩特性，對聯軸節進行滑移扭矩試驗，結果也表明聯軸節滿足過載保護設計要求。

由此可見，有限元法作為一種現代分析方法，可以精確模擬過盈配合的應力分布和載荷傳遞能力，能夠為復雜結構的過盈連接設計提供可靠的分析依據。參考文獻：

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