自主跨座式单轨动车齿轮箱设计

宋树亮++朱仕元

摘 要：跨座式单轨交通车辆转向架是支撑车体的设备，而齿轮箱总成又是单轨列车转向架上的关键部件之一。合理设计单轨齿轮箱结构对转向架性能具有极其重要的影响。文章主要介绍了我公司与青岛四方车辆厂合作研发的跨座式单轨动车齿轮箱的结构设计特点。

关键词：单轨齿轮箱；箱体；润滑；密封

根据跨座式单轨车辆动力布置形式，单轨齿轮箱分为动车齿轮箱和拖车齿轮箱，动车齿轮箱与拖车齿轮箱主要区别在于是否带有输入驱动部件。动车齿轮箱总成将驱动电机输出的动力，通过减速增矩后传递给走行系统，是确保车辆正常行驶的关键传动装置。受制于单轨转向架紧凑的布置空间，制动盘和制动卡钳需设计在齿轮箱上，因此即使是拖车车辆，也带有拖车齿轮箱。

1 齿轮箱特点概述

跨座式单轨车辆运行的轨道为一条宽为850mm的轨道梁，转向架为骑跨在轨道上的结构方式，基于这种特点，齿轮箱只能与驱动电机、联轴节一同布置于转向架外侧布置在轨道左右两侧，且采用全悬挂布置形式。齿轮箱与驱动轴呈垂直布置，这就需要引入一对伞齿轮，将动力方向改变。此布置形式，具有结构简单、占用空间少、在线维护便利等特点。

此外，跨座式单轨齿轮箱具有正反向行驶概率相等的特点。也就是说，如果车辆以正向行驶时，伞齿轮会因轴向力而产生斥力，反之则两齿轮会 紧并有导致卡死造成传动失效的可能。因此，在齿轮箱方案设计时，可通过增加箱体轴承座的支撑刚性、增大轴承的接触角、加大轴承规格等方法加以解决。在保证伞齿轮啮合吃色的同时，也需保证齿轮的侧隙。

而不同于一般地铁齿轮箱的运营环境，跨座式单轨车辆车体在转向架横向外侧设有防护板。这种较密闭的结构空间会影响齿轮箱总成的通风及散热。因此，只有合理设计齿轮箱內外部结构，才能满足这样苛刻的运营环境要求。

2 齿轮箱结构设计

动车单轨齿轮箱总成主要由上下箱体、输入（伞）齿轮，中间齿，输出齿轮、7套轴承和润滑系统、密封系统及附件等组成，各零部件和功能系统之间相辅相成，互相配合，形成了整个齿轮箱系统。

图1是动车单轨齿轮箱外形图。

表1是动车单轨齿轮箱主要牵引技术参数。

2.1 箱体设计

齿轮箱箱体除了承受输出扭矩的反作用力，保证齿轮具有良好的啮合精度以外，还作为一个密闭空间，为齿轮、轴承提供充分的润滑渠道。齿轮箱箱体采用水平卧式剖分结构，中分面采用6个M20内六角螺钉将上下箱体紧密结合。输入轴线与中间轴线呈90°正交布置，中间轴线与输出轴线互相平行。上箱体通过输出法兰面的12个M20的双头螺柱及六角头螺母固定在构架上。

全悬挂安装形式意味着箱体应具有足够的刚性，走行轮的持续振动冲击要求箱体材料应具有充分的冲击韧性。而球墨铸铁EN-GJS-400-18-LT材料完全满足单轨动车齿轮箱箱体需求。表2是EN-GJS-400-18-LT材料机械性能。

经过ANSYS有限元分析，箱体外表面设有合适的筋板，此设计一方面可以加强箱体的刚度，另一方面便于箱体快速散热。此外，箱体还具有以下几个特点：

（1）输出轴承座采用整体式形式，保证上箱体具有足够的刚性；（2）上箱体顶部设有输出大齿轮观察孔盖和中间轴视孔盖，且注油口位于中间轴视孔盖上，便于在线注油和检查齿轮箱内部情况；（3）下箱体底部平整，便于齿轮箱装配和运输摆放；（4）下箱体设有油位观察窗和排油堵，呈正交布置，便于注、放油时油位观察；（5）箱体内部设有合适的刮油板、油道、集油槽及加强筋等，为保证齿轮、轴承有充分的润滑。

2.2 齿轮设计

齿轮传动的好坏直接影响着齿轮箱传动效率、传动精度，是车辆正常驱动的关键因素。动车齿轮箱采用两级齿轮传动，第一级为正交螺旋弧齿锥齿轮传动，第二级为渐开线圆柱斜齿轮传动。动力输出是通过渐开线花键与驱动轴连接，将输出轴驱动扭矩传递到驱动轴上，驱动走行轮转动。

螺旋锥齿轮和圆柱斜齿轮材料根据强度计算结果和工艺实际情况，均采用18CrNiMo7-6材质，符合EN10084标准要求。齿廓表面经过渗碳淬火热处理工艺，齿面硬度达58～64HRC。为了提高齿轮啮合精度，降低噪声，齿轮需经过MASTA软件模拟计算修形量，经磨削修形，齿轮精度达到ISO1328标准的6级精度要求。锥齿轮疲劳强度计算符合ISO10300标准要求，而圆柱斜齿轮疲劳强度计算符合ISO6336标准要求。

2.3 轴承设计

输入主动锥齿轮轴采用悬臂支撑形式，由两个圆柱滚子轴承和一个四点球轴承作支撑，此轴承配置结构便于安装和调试。中间轴采用简支梁式支撑，两个圆锥滚子轴承分别布置在两端。由于制动盘安装在中间轴上，轴承寿命计算时，需考虑制动扭矩的影响。输出轴轴承配置形式与中间轴相同。轴承寿命计算符合ISO281标准要求，设计寿命达250万公里。

2.4 润滑设计

跨座式单轨车辆具有爬坡能力强、转弯半径小等特点，这就意味着单轨动车齿轮箱相对于地铁齿轮箱来说，齿轮箱的倾角更大，对齿轮箱润滑和密封要求要更严格。因此，齿轮箱内部需设计合适的隔板、油槽和通道，以保证在各种速度、负荷、温度和气候条件下，所有的轴承和齿轮都有足够的润滑。

动车单轨齿轮箱的齿轮、轴承润滑均采用飞溅润滑方式，并使用相同的润滑油（牌号：75W-90）。下箱体底部设有宽大的油池，中间轴伞齿轮转动时，将润滑油搅动，飞溅到箱体壁，润滑油会顺着内壁流入集油槽，经过油道流入轴承位置，提供高速轴和中间轴轴承润滑。考虑到中间轴系与输出轴系垂向高度差达275mm，在中间轴系上设有甩油盘。此甩油盘随着中间轴一起转动，将油池里的润滑油抛洒在上箱体内壁上，润滑油顺着油道可充分润滑输出轴承。

2.5 散热设计

受制于相对密闭的车辆空间，齿轮箱只有从自身考虑如何有效解决散热问题。以下从齿轮箱结构设计、加工工艺等角度，列举了几项解决措施：（1）增加箱体表面积，如上箱体增加筋板数量，可增大散热面积；（2）增加存油量，下箱体设有宽大的油池，可降低润滑油升温速率；（3）加大轴承润滑进、回油孔直径，做到快进快回，可降低轴承温度；（4）减少伞齿轮的浸油深度，可降低伞齿轮因搅油而产生的热量；（5）提高齿轮、箱体加工精度，可降低传动误差，提高传动效率。

综上，一方面从热量的源头，做到少发热；另一方面从散热角度，做到快速散热。

2.6 密封设计

齿轮箱密封性能直接关系到齿轮和轴承能否有效得到润滑，是齿轮箱正常工作的关键要素。齿轮箱密封由箱体、密封环、旋转轴等组成。通常，动车齿轮箱密封分为接触式静密封和非接触式动密封。

2.6.1 接触式静密封

整个传动齿轮箱内，在密封端盖-轴承座和轴承座-箱体之间的接触式静密封均采用O形橡胶密封圈和515端面厌氧型密封胶双重密封；上下箱体分箱面处以及其它各处的结合面均采用515端面厌氧型密封胶的密封。该密封方式结构简单，性能可靠。

2.6.2 非接触式动密封

对于齿轮箱输入轴、中间轴及输出轴等贯通部位的密封，均采用非接触式机械密封，即采用间隙式机械迷宫密封的双层密封方式。此密封方式，既可以减小内部油汽压力和流动性，保证齿轮箱内部油汽不渗漏，同时，还可以保证外部灰尘杂质及水无法进入齿轮箱。

相较于地铁齿轮箱，单轨齿轮箱距离轨道更近，所以單轨齿轮箱还需考虑润滑油防乳化，以下列举了几条润滑油防乳化措施：（1）迷宫处：采用非接触式密封结构，迷宫外侧有防水槽及放水孔，以免齿轮箱外侧水进入迷宫内侧。（2）分箱面：分箱面的加工严格按照工艺要求执行，合箱时配合使用合箱专用工装以及端面厌氧型密封胶进行密封，防止分箱面润滑油发生渗漏及湿气渗入。（3）注、排油螺堵处：齿轮箱注、排油螺堵采用磁性油塞，并配合组合密封垫使用，能有效防止润滑油泄漏及外界水汽进入。（4）油位计处：对油位计上的细牙螺纹进行密封锁固，并配合组合密封垫使用，防止发生渗漏及外界水汽进入。

3 结束语

文章主要介绍了我公司与青岛四方车辆厂合作研发的跨座式单轨动车齿轮箱结构设计特点，符合《GB50458跨座式单轨交通设计规范》设计要求。目前，合作研发的跨座式单轨动车齿轮箱已生产，并已经过各项型式试验验证，可完全满足单轨车辆使用要求，为我国跨座式单轨动车齿轮箱自主设计填补了空白。

参考文献

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