一種城軌列車齒式聯軸節結構設計與試驗研究

何鵬輝 李富強 賀世忠 陶功安 程相勛 張祥儒 趙玉凱

（1 鄭州機械研究所有限公司， 河南 鄭州 450000）

（2 中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東 青島 266111）

（3 中車株洲電力機車有限公司， 湖南 株洲 412001）

（4 鄭州地鐵集團有限公司， 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轉矩，推動車輛前進。在轉向架中，該部件屬于關鍵件。地鐵齒輪箱一般為一級平行軸漸開線圓柱齒輪結構[1]。齒輪箱前端通過吊桿懸掛在轉向架構架上，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軸節與驅動電機主軸相連，并通過圓柱滾子軸承和四點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，通過電機驅動主動齒輪，主、從動齒輪的嚙合將動力傳遞到車軸上，驅動車輛行駛。

由于驅動電機與地鐵齒輪箱在連接時以及在地鐵列車運行過程中，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的使用壽命和運行的可靠性。為了解決此問題，本文中介紹了一種具有可偏轉的齒式聯軸節[2-5]。該齒式聯軸節不僅具有補償各種空間位移的能力，而且具有結構緊湊、傳遞運動準確、性能可靠等優點。

1 齒式聯軸節設計

1.1 聯軸節結構設計

為了滿足驅動電機與齒輪箱之間同軸度差異的列車運行要求，本文中設計的城軌列車聯軸節為齒式聯軸節結構，由兩套半聯軸節組成，其左右部分結構形式一樣。半聯軸節由外齒輪、內齒圈、波紋管和附件組成；兩半聯軸節之間使用絞制螺栓連接，其內部結構如圖1所示。轉矩由電機軸傳遞給與之過盈連接的左外齒輪，經相嚙合的內、外齒傳遞給內齒圈，再由內、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矩傳入齒輪箱，完成轉矩的傳遞。

圖1 聯軸節結構示意圖Fig.1 Structural diagram of coupling

為了解決驅動電機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，在聯軸節結構設計過程中，外齒輪采用了鼓形設計，鼓形齒輪的齒頂在內齒圈內部可進行一定角度的靈活偏轉，鼓形齒輪的內孔與電機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 聯軸節齒部參數設計

齒式聯軸節的齒輪是通過一個齒部呈鼓形的外齒輪和一個內齒圈嚙合完成動力傳遞，而齒部參數的設計依據的是電機功率及轉速，即聯軸節需要傳遞的轉矩大小等任務書的參數要求。城軌列車車輛的運行工況如表1所示。

表1 車輛運行工況Tab.1 Vehicle operating conditions

根據機械設計手冊和齒輪計算開發軟件[6-7]，初步設計了一組齒輪參數，如圖2和表2所示。

圖2 聯軸節齒輪設計軟件Fig.2 Coupling gear design software

表2 聯軸節齒部基本參數Tab.2 Basic parameters of coupling teeth

1.3 聯軸節密封結構設計

聯軸節的內部潤滑采用的是稀油潤滑。為了保證密封結構的安全可靠，在方案設計中，每半聯軸節都是通過螺釘將波紋管組件兩端的法蘭和內齒圈、外齒輪進行連接，從而在聯軸節內部形成一個密閉的空腔，并且在聯軸節空腔的兩個端面均設置有O型密封圈，保證潤滑油不會外泄。

在車輛工作過程中，聯軸節的外齒輪和內齒圈相對位置會發生變化，波紋管兩端法蘭跟隨外齒輪、內齒圈相對運動，中間彈性部分通過拉伸、壓縮及彎曲變形來補償相對位置變化，保證了聯軸節內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生拉伸、壓縮及扭轉變形。

圖3 波紋管組件連接Fig.3 Bellows assembly connection

在聯軸節工作過程中，波紋管組件是不承載傳遞轉矩的，其承受的主要是拉伸、壓縮、彎曲的高頻交變載荷。

1.4 聯軸節齒部側隙計算

在齒式聯軸節工作過程中，其外齒輪與內齒圈存在相互的擺動，其嚙合齒部位也相應發生變化，主要體現為軸間傾角的變化。為此，在進行齒部結構設計時，將外齒輪設計為鼓形齒。

當軸線有角位移Δα時，鼓形齒與內齒圈產生相對位移，鼓形齒上各點將在Δα=0°時的位置上產生位移，該位移量在內齒圈法線上的投影稱為鼓形齒的法向位移量[8-9]。

聯軸節每轉1周，任一鼓形齒上各點的法向位移量也隨位置角而變化。

任意一對內外齒的左右齒面間的最小法向側隙JLmin、JRmin應同時能滿足鼓形齒左右齒面的最大法向位移量，近似計算公式為

聯軸節的最小理論法向側隙Jnmin為JLmin和JRmin之和，即

式中，符號及數值如表3所示。

表3 最小法向側隙計算參數Tab.3 Minimum normal backlash calculation parameters

把數值代入式（2）計算得出：動態偏轉時Jnmin=1.09 mm；靜態偏轉時Jnmin=1.49 mm。

1.5 聯軸節運動空間分析

聯軸節在列車轉向架上處于靜態和動態時，其空間位置需滿足表4所示要求。

表4 聯軸節位移變位需求Tab.4 Translocation and displacement demand of coupling mm

經模擬分析，靜態聯軸節極限位置如圖4 所示，動態聯軸節極限位置如圖5所示。

圖4 靜態聯軸節極限位置Fig.4 Limit position of static coupling

圖5 動態聯軸節極限位置Fig.5 Limit position of dynamic coupling

由式（1）、式（2）可以得知，聯軸節在靜態和動態時，外齒輪、內齒圈及附件間無干涉、無碰撞，且最大偏轉角為5.05°，小于聯軸節的最大可變角度為6.2°。所以，聯軸節在空間及性能上均滿足轉向架的變位使用要求。

2 聯軸節強度有限元分析

2.1 強度有限元分析

通過Ansys計算軟件，建立聯軸節三維模型。約束條件是創建旋轉鉸接，外齒圈施加轉矩，內齒圈允許一個小角度的旋轉。邊界條件如圖6所示。

圖6 邊界條件Fig.6 Boundary conditions

為了驗證聯軸節強度的可靠性，選取電機的啟動工況、額定工況、短路工況，分別對聯軸節進行有限元分析。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齒圈為例的有限元分析應力計算云圖分別如圖7～圖10 所示。3 種工況下的外齒輪及內齒圈有限元應力計算結果如表6 所示。從表6 中可以看出，外齒輪及內齒圈的應力值與輸入轉矩呈線性關系。

圖7 啟動工況下外齒輪應力云圖Fig.7 Stress cloud diagram of external gears under starting condition

圖8 額定工況下外齒輪應力云圖Fig.8 Stress cloud diagram of external gears under rated working condition

圖9 啟動工況下內齒圈應力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of ring gears under starting condition

圖10 額定工況下內齒圈應力云圖Fig.10 Stress cloud diagram of ring gears under rated working condition

表6 有限元應力計算結果Tab.6 Calculation results of finite element stressMPa

2.2 齒輪強度軟件計算分析

采用ZGCAD 齒輪強度計算軟件，依據車輛運行載荷，選取熱處理工藝為氮化工藝，對聯軸節齒部強度進行計算分析。計算過程及結果分別如圖11、表7所示。

圖11 聯軸節齒部強度計算過程Fig.11 Strength calculation process of coupling teeth

表7 各工況下齒輪接觸強度、彎曲強度計算結果Tab.7 Calculation results of gear contact strength and bending strength under various working conditions

結果表明，通過上述兩種方法對齒輪的強度計算，所選取的齒部參數滿足車輛運行工況的使用要求。

3 聯軸節樣機試驗

為了驗證所設計的聯軸節的各項性能參數指標，制造了聯軸節樣機。依據車輛運行工況進行了聯軸節的周期性循環試驗。

3.1 聯軸節試驗外部環境

為保障試驗設備與驅動齒輪箱連接的可靠性，電機和聯軸器齒輪的同軸度徑向跳動精度不大于0.03 mm；測試設備及傳感器的靈敏度滿足試驗要求；環境溫度為-40 ℃～40 ℃，相對濕度小于等于90%，風速小于等于5 m/s；試驗設備連接可靠、布局合理。

3.2 聯軸節試驗布局

聯軸節的試驗測試系統主要包括：驅動電機、變速箱、傳感器、主試聯軸節、可移動試驗臺、被試聯軸節、傳感器、變速箱和加載電機。該試驗系統可同時測試兩套聯軸節，在其中間設置有可移動式試驗臺，該試驗臺可實現徑向位移及軸向位移的動態變化，以滿足聯軸節模擬實際路況的要求。聯軸節的試驗布局如圖12所示。

圖12 聯軸節試驗臺布局Fig.12 Coupling test bench layout

圖13所示為聯軸節內齒圈及外齒輪的實物照片。

圖13 聯軸節內齒圈及外齒輪樣件Fig.13 Coupling ring gear and external gear samples

3.3 聯軸節試驗方案

具體實施方案為：設定聯軸節動態軸向位移為±10 mm，動態頻率為2 Hz；徑向位移為16.9 mm，動態頻率為1 Hz。軸向和徑向位移變位疊加。周期性循環試驗來源于車輛工況，包括超負荷（轉矩過載和速度過載）試驗[10-12]。周期性循環試驗參數如表8所示。

表8 周期性運轉試驗步驟Tab.8 Periodic operation test steps

3.4 聯軸節試驗結果

在試驗過程中，兩件參與試驗的聯軸節在模擬實際工況下，運轉正常，各密封處、結合處無滲漏油現象，各連接件、緊固件無松動；聯軸節無異常聲音，表面最高溫度為82°，試驗效果良好。

4 結論

在齒式聯軸節樣機結構設計過程中，對其進行了三維建模和仿真分析；為驗證結構設計的合理性和可行性，制造樣機進行了試驗驗證。結果表明，設計的齒式聯軸節結構合理，能夠滿足城軌列車運行工況的要求；形成了一套較為完整有效的聯軸節設計及試驗方法，為其他領域聯軸節的設計提供了一種切實可行的思路。