某承載式齒輪箱強度分析方法研究

張志顯 申俊

摘 要：齒輪箱箱體作為齒輪箱中各零部件的安裝基體，其質量和強度對車輛的乘坐舒適性及安全性具有重要影響。本文對齒輪箱體強度分析方法進行了研究，并采用古德曼法進行了疲勞驗證，分析了箱體的動態強度滿足情況。

關鍵詞：承載式齒輪箱;強度分析;疲勞分析

齒輪箱殼體是車輛的關鍵零部件之一，減少其質量可有效的降低車輛簧下質量，降低軌道車輛輪軌磨損，提升車輛運行壽命。為保證齒輪箱的正常運行，應在其設計過程中，進行應力分布評估，[1]并用古德曼圖對設計箱體進行疲強度分析，以確保所設計箱體能夠滿足各工況運行之間的切換。

1 承載式齒輪箱箱體結構簡介

圖中齒輪箱輸入端與電機采用剛性連接，輸出端齒輪通過螺栓連接動力輸出軸。電機通過圖1所示位置3、4連接車架，齒輪箱箱體通過1、5分別連接到車架和電機連接臂上。

2 箱體結構受力情況分析

參照TJ/JW 064-2015《交流傳動機車鑄鋁合金齒輪箱體暫行技術條件》架懸式承載齒輪箱體應能承受垂向±3g、橫向±1g和縱向±2g的慣性力沖擊;同時還應能承受驅動系統持續扭矩作用在齒輪箱體上的力。車輛運轉過程中存在啟動、持續、高速、短路等工況，其中在短路工況為最惡劣工況，因此應著重分析短路工況作用下齒輪箱的受力情況。因慣性力沖擊載荷的不同組合，在短路工況運行時，會出現不同慣性載荷沖擊疊加情況，為保證在各種情況下，車輛齒輪箱箱體均能承受相應載荷，排列組合出現8種組合沖擊載荷情況。在最惡劣工況下齒輪箱體的應力均應小于材料屈服極限。依據齒輪傳動力分析計算方法，可計算出個主從動齒輪所承受的各方向載荷情況。

3 箱體強度分析

采用CATIA建立箱體結構三維模型，導入workbench軟件，依據實際運行情況在不失真的情況下對模型進行簡化以降低模型計算難度。[3]

3.1 定義材料屬性

該結構采用交流傳動機車用鑄鋁合金齒輪箱體材料，力學性能如表1所示：

3.2 建立有限元模型

把用CATIA建立的齒輪箱箱體三維模型導入workbench中進行網格劃分。網格類型采用10節點187單元四面體網格和20節點186單元六面體網格，共有1379924個節點，726745個網格。[2]

3.3 模型分析邊界條件及載荷情況

依據模型在分析軟件中具體位置圖依據圖1所定義各項位置，加載相應的邊界條件。具體加載情況如表2所示：

4 有限元分析結果

4.1 各工況應力情況

分析結果如表3所示，各工況下的最大應力均滿足要求。

4.2 疲勞強度分析

在各種組合工況下，承載齒輪箱體所有應力不允許超過圖示應力限值實線區域范圍，齒輪箱箱體材料的Goodman圖區域如圖2所示。

編制程序處理節點數據文件，分析結果如圖3所示，各個節點都滿足古德曼曲線，即表示在正常工況下，各個節點都落在Goodman曲線多邊形內部，滿足要求。

5 結論

在極端運行工況下，箱體所受最大應力均小于材料屈服極限，保證在靜力學條件下，箱體結構能滿足相應的使用要求。

依據TJ/JW 064—2015《交流傳動機車鑄鋁合金齒輪箱體暫行技術條件》對承載箱體所規定的Goodman疲勞設計曲線，所設計箱體符合規定的曲線要求，即，箱體設計滿足在動載荷作用下的使用要求。

參考文獻：

[1]劉建亮，范乃則，田華軍，等.基于Workbench高速動車組用驅動齒輪箱箱體強度分析[J].機械傳動，2017，41（2）：77-82.

[2]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.7.

[3]張小坤，陳曉峰，殷明貴.基于ANSYS Workbench的變速器箱體輕量化分析[J].機械工程與自動化，2010（5）：57-59.