簡述一種適用于城軌車輛的新型彈性聯軸器

謝磊

摘 要 彈性聯軸器是被應用于城軌交通列車上，是列車傳動系統中重要的功能部件，連接于牽引電機與齒輪箱之間，負責傳遞電機扭矩到齒輪箱，同時補償傳遞過程中產生的軸向及徑向位移。目前城軌車輛上配套使用的聯軸器主要為鼓形齒式聯軸器，該類型聯軸器全部由國外供應商提供。從國內的市場發展來看，從很多方面受制于進口產品;而且鼓形齒聯軸器存在一定的缺陷。因此針對現有鼓形齒聯軸器存在的問題，研制設計一種新型結構的彈性聯軸器，使其解決噪音大、成本高，并且擁有緩沖減振和免維護的特點;從而打破國外技術壟斷，實現聯軸器完全自主化的知識產權。

關鍵詞 彈性聯軸器;鼓形齒聯軸器;彈性件;纖維線繩;變形原理;緩沖減振

1國內外鐵路聯軸器研究發展現狀

目前我國聯軸器的分類按類別分為：剛性聯軸器、撓性聯軸器、安全聯軸器。其各種聯軸器在傳動系統中的功能和作用不盡相同，但共同的基本功能為連接兩軸、傳遞轉矩和轉速。國外對鼓形齒聯軸器的研究工作開展較早，該聯軸器屬于剛性聯軸器。1950年研發使用至今，加工工藝精良，整體設計趨于完善。目前投入使用的鼓形齒式聯軸器多為標準系列化產品，且具有較大可調整擺角、密封可靠等優點，潤滑處理采用新型高級潤滑油;具有齒向三段圓弧設計及內外齒的小側隙設計、噪音小、位移量大、使用壽命長等特點，鼓形齒式聯軸器在歐洲、美國、日本等工業發達國家及地區研究發展已相當成熟[1]。

在鐵路行業，國外較早投入應用鼓形齒式聯軸器。性能優良的鼓形齒聯軸器對于設計方法、生產加工、檢測技術等具有更高的要求，且需要不斷完善和提高，目前國內軌道交通使用的主要品牌：德國的Flender鼓形齒聯軸器，日本的日本住友金屬、日本三菱電機的鼓形齒聯軸器，德國KWD的鼓形齒聯軸器，布魯塞爾的ESCO鼓形齒聯軸器。上述公司生產的鼓形齒式聯軸器都具有較高可靠性，設計合理，工藝成熟，應用廣泛。

國內市場上的鐵路車輛源于國外技術的引進、技術轉讓、消化、吸收，因此也沿用了其原有的形式。即同國外選用相同的廠家，采用進口產品。如高鐵、動車、地鐵、有軌電車等車輛也均采用鼓形齒式聯軸器，約占比90%以上。甚至原有的膜片式的聯軸器都在逐步被替換。目前生產的軌道車輛聯軸器主要有三種形式，一種是日本住友金屬日本三菱電機的設計，采用的是橡膠結構的動密封;第二種是Flender和ESCO的設計，采用的是橡膠與金屬環結構的動密封;第三種是KWD的設計，采用的是波紋管的靜密封。但目前國產軌道車輛使用以上結構的鼓形齒聯軸器具有一些短板，例如：振動噪音大，維護保養困難，成本較高以及近些年出現的漏油事故等問題。

2新型彈性聯軸器的設計與分析

2.1 彈性聯軸器

根據目前城軌車輛提出的綜合要求，聯軸器除連接兩軸、傳遞轉矩或轉速之外，還要求具有補償兩軸相對偏移、減振、緩沖、提高傳動效率、提高傳動精度、降低噪聲、節能、改善傳動系統工作性能，并要求聯軸器結構簡單、工藝性好、可靠性高、便于制造、價格低、維護方便、裝拆容易等。針對這些特點專門研究設計了一款新型彈性聯軸器（如圖1），在城軌車輛上替代國外鼓形齒聯軸器，實現軌道交通車輛聯軸器的國產化目標[2]。

該彈性聯軸器采用橡膠體作為補償偏移的功能件，創新利用纖維線圈為骨架來傳遞扭矩，實現免維護、噪音小、成本低、不污染環境的要求，滿足高速、重載、大變位的運行環境，也實現聯軸器技術的完全自主化研制。該新型彈性聯軸器整體上分為兩個部分，一半聯軸器通過錐軸壓裝的方式安裝在電機輸出軸上，另一半聯軸器通過錐軸壓裝的方式安裝在齒輪箱輸入軸上（圖2），兩半聯軸器通過中間法蘭用螺栓連接。

2.2 彈性件的設計與分析

彈性件用的是正六邊形的對稱結構（如圖3）。采用六個金屬擋邊套筒和六個尼龍線圈組合成正六邊形的彈性骨架（如圖4），然后在骨架外圍包裹天然橡膠而成。

彈性件變形的原理：由下圖5可知，彈性件的1、3、5三個點與一側的電機法蘭（或齒輪箱法蘭）固定連接，而2、4、6三個點與另一側的中間法蘭固定連接。假定本圖紙平面由Y軸和Z軸構成，X軸則是垂直于紙面的方向。這6個點在X、Y、Z方向都有自由度，那么1、3、5三點確定的平面（紅色三角平面）與2、4、6三點確定的平面（黑色三角平面）能在X軸方向發生相對位移，即軸向位移;也能在Y軸和Z軸構成的平面內發生相對位移，即徑向位移。

緩沖減震的設計原理：緩沖是指在旋轉扭矩方向的緩沖，由于彈性件骨架是由纖維線圈組成。纖維線圈具有很強的拉伸能力，因此在扭矩加載時，纖維線圈承受的拉力是緩慢累加上去的。從而使得列車在啟動和制動時的扭矩不會突然增加，相比使用鼓形齒這種剛性聯軸器乘客的舒適度會有大幅度提升。減振是因為彈性件在X、Y、Z方向承受沖擊載荷時，橡膠具有彈性減震的效果[3]。

2.3 彈性纖維線繩的材料

纖維線繩作為彈性件的骨架材料必須具備一定的物理機械性能，需要具備耐沖擊、抗疲勞、高強度、密度小以及良好的尺寸穩定性，目前工業上廣泛應用的尼龍6為基材的纖維復合線繩，具有以下幾種突出性能：①很高的機械強度，韌性好，有較高的抗拉、抗壓強度。②耐疲勞性能突出，制件經多次反復拉伸仍能保持原有機械強度。③耐腐蝕，十分耐堿和大多數鹽液，還耐弱酸、機油、汽油，耐芳烴類化合物和一般溶劑，對芳香族化合物呈惰性。能抵御汽油、油、脂肪、酒精、弱堿等的侵蝕和有很好的抗老化能力。④優良的電氣性能。電絕緣性好，尼龍的體積電阻很高，耐擊穿電壓高，在干燥環境下，可作為絕緣材料，即使在高濕環境下仍具有較好的電絕緣性。⑤耐磨、耐熱、尺寸穩定性好;⑥與橡膠彈性體有良好的黏合性;經過反復測試后，最終選擇尼龍6作為纖維骨架的材料。

2.4 彈性纖維線繩的浸膠和繞線工藝

由于線繩與橡膠材料的不同極性，其本身很難結合牢固，為保證線繩在橡膠內部的穩定性，預先需要在線繩表面涂覆一層膠液;通過研發的全自動纖維線繩涂膠設備（如圖6）。利用該設備可以在線繩表面均勻涂覆一層膠液，在橡膠硫化過程中可以與橡膠牢固地結合在一起，提供很高的抽出粘合力。

纖維線圈的工藝是通過特種自動繞線設備繞制而成，采用滾珠絲桿作為機械傳動系統，配合氣動系統、變頻調速系統及交流伺服系統，由工業用可編程控制器綜合控制，自動完成整個線圈的繞制過程。所繞制的線圈排列整齊、緊密。通過磁粉張力器，使線繩繞制時張力均勻保證了線圈工作時受力均勻[4]。

2.5 金屬件的設計

整個新型彈性聯軸器主要有三大金屬結構件（如圖7）：齒輪箱側法蘭-1，電機側法蘭-2，中間法蘭-3;三大金屬結構都采用的是正三邊形的對稱結構。材質選擇的是42CrMo合金結構鋼，選擇這種材料的優點：①調質后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊載荷的能力;②由于軌道交通車輛有在低溫環境下使用的需要，而42CrMo具有很不錯的低溫沖擊韌性。

齒輪箱側法蘭和電機側法蘭的一端都是通過錐度過盈與軸連接，另一端是三個Φ20孔與金屬套筒-4形成過盈配合。三大金屬件與橡膠彈性件的連接都是通過三個M14的六角螺栓與其緊固的。而M14的螺栓與金屬套筒-4是間隙配合，所以螺栓只起到連接作用，不承受圓周方向的彎矩，而是由金屬套筒-4來承受。這樣設計的優點：①防止螺栓變形，導致彈性件的安裝、拆卸困難;②由于M14螺栓與金屬套筒-4是間隙配合就不會承受變形過程中的交變應力，從而防止螺栓松動失效[5]。

3結束語

對比于目前城軌車輛上一直采用的鼓形齒聯軸器，該新型彈性聯軸器解決了噪音大、成本高等問題，并具有緩沖減振和免維護的特點;并且各項設計指標均符合軌道交通車輛用聯軸器的要求。相信該彈性聯軸器能很好的應用于軌道交通市場，并為聯軸器的國產化提供一分力量。

參考文獻

[1] 文斌.聯軸器設計選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2008：59.

[2] 石明友.高速列車聯軸器開發與研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2012.

[3] 鼓形齒式聯軸器的選用及計算：JBZQ 4381-2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[4] 產品幾何量技術規范 圓錐配合：GB T 12360-2005[S].北京：中國標準出版社，2005.

[5] 鈕海彥.國內外機道車輛鼓形齒式聯軸節對比分析[J].機車車輛工藝，2009（2）：44-46.