高速动车组用联轴节过盈配合分析

孟永帅+赵永强+王起梁+高雷+王本涛

摘要： 为校核某高速动车组用鼓型齿联轴节的过盈量是否满足设计要求，采用六面体实体单元建立联轴节的有限元模型，对联轴节在不同过盈量配合下的等效应力和传递扭矩进行分析计算。结果表明：在过盈量设计范围内，联轴节能够满足安全和过载保护要求。进行联轴节滑移扭矩试验，验证联轴节过盈量设计的可靠性，从而为动车组用联轴节过盈量的设计和优化提供依据。

关键词： 鼓型齿； 联轴节； 过盈配合； 滑移扭矩； 试验验证； 有限元； 动车组

中图分类号： U260.332 文献标志码： 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

鼓型齒联轴节以其良好的轴线偏移补偿性能以及结构紧凑、承载能力高、使用寿命长、成本低等优点被广泛应用于高速动车组，作为驱动传动系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响整个牵引传动系统的平稳性和可靠性。

过盈连接结构简单、定心性好、承载能力强、抗冲击性能好，是鼓型齿联轴节常用的连接方式。[1]已有文献主要是应用厚壁圆筒理论或LAME方程对联轴节过盈连接进行研究，如许定奇等[2]基于厚壁圆筒理论推导圆柱、圆锥过盈联接的设计计算方法，王正文[3]和史可忠[4]对无键齿式联轴节的过盈量设计进行论述，王冬梅等[5]依照《圆锥过盈配合的计算和选用》对电机中间联轴节的过盈量进行计算，徐俊良等[6]和陶德峰[7]对多层过盈联结的结合压力算法进行理论研究，刘庆[8]对船用液压套筒式联轴器的过盈量范围进行计算。

这些研究发现，厚壁圆筒理论和LAME方程能有效解决外形较为简单的联轴节过盈设计问题。但是，在本文联轴节设计中，由于鼓型齿的外径尺寸变化较大以及需要考虑联轴节过载保护要求（将联轴节的载荷传递能力控制在某一范围内），因此对过盈量的设计提出更高的要求：过盈量既不能过大也不能过小，过大起不到过载保护作用，过小则达不到传递载荷的要求。对于这类结构，传统设计计算方法会导致连接可靠性大大降低。[9]计算机和有限元方法的发展为过盈连接的设计和校核提供一种切实可行的研究方法。本文利用先进的有限元技术对高速动车组鼓型齿联轴节的过盈配合进行模拟，并对其产生的应力以及其载荷传递能力进行分析。

1 鼓型齿联轴节结构

高速动车组用鼓型齿联轴节主要由电机侧鼓型齿、内齿套、齿轮箱侧鼓型齿、挡油圈、过载保护衬套等零件组成（见图1），其中由电机侧鼓型齿、内齿套和齿轮箱侧鼓型齿等组成联轴节载荷传递部件，电机驱动载荷通过电机侧鼓型齿—内齿套—齿轮箱侧鼓型齿传递到驱动齿轮箱上，再经由齿轮传递到车轮上，从而驱动动车组列车前进。

为防止牵引载荷过大对齿轮箱传动部件造成损坏，在电机侧设计衬套作为过载保护装置，保护扭矩范围为7 500～12 000 N·m。当传递载荷超出设计范围时，衬套外配合面发生滑移，从而对齿轮箱起到过载保护的作用。

2 过盈配合有限元分析

鼓型齿联轴节的三维模型见图2。电机轴与中间层衬套之间采用过盈配合，衬套与鼓型齿之间采用间隙配合，在安装时先将衬套放入鼓型齿中，再将鼓型齿和衬套一起与电机轴进行过盈装配。联轴节各零件的配合尺寸见表1。

由表1中的尺寸参数可知：电机轴和衬套之间的最大过盈量为0.280 mm，最小过盈量为0.231 mm，衬套和鼓型齿之间的最大间隙为0.059 mm，最小间隙为0.010 mm。

为降低计算复杂性，对三维模型进行必要的简化。在有限元软件Abaqus中对联轴节各零件模型采用六面体网格C3D8进行划分，建立的有限元计算模型见图3。对衬套与电机轴和鼓型齿配合面建立面对面接触连接，根据经验及有关文献，接触面摩擦因数[10]都取为0.11，同时在接触面之间通过Contact Interference设置定义过盈量或间隙，各零件的材料属性参数见表2。endprint

计算时，对电机轴一端施加位移约束，在两接触面上定义过盈量，同时根据两配合面的过盈量及间隙范围确定4种计算工况，见表3。

在联轴节计算模型中，对表3中的4种计算工况进行有限元计算，对其应力分布进行分析，计算结果见图4～7。

为分析联轴节的载荷传递能力，在有限元模型中对鼓型齿施加轴向角位移，使鼓型齿与衬套发生整体相对滑移，用电机轴的扭转反力对各计算工况下的最大传递扭矩进行分析，结果见表4。从图4～7看出，4种计算工况下，3个零件的应力分布趋势基本一致，电机轴的最大应力区域出现在中心孔内壁处，衬套的最大应力区域出现在法兰一端内孔处，鼓型齿的最大应力区域出现在壁厚较薄一端。

在EN 12663—2010中有关静强度的评定要求为：各部件的应力必须小于或等于其所选材料的许用应力[11]，即

式中：σ为各部件的计算应力；σ为各部件的许用应力（见表2）。

由表4可知：在4种计算工况中，电机轴、鼓型齿、衬套等的最大应力都远小于其材料的许用应力，因此联轴节结构满足上述各计算工况下的静强度要求；从衬套最大传递扭矩来看，在4种计算工况下，联轴节传递的扭矩都在7 500～12 000 N·m范围内，满足衬套设计要求，因此可以确定联轴节过盈量设计满足目标要求。

3 鼓型齿滑移扭矩试验

为验证联轴节的滑移扭矩特性，在联轴节加工完成后，对联轴节进行滑移扭矩试验，见图8。

为精确控制衬套与电机轴、鼓型齿之间的配合， 在生产加工时对零件进行选配，使配合间隙为0.03～0.05 mm。按照联轴节组装文件要求将联轴节在试验台上组装，然后逐渐增加联轴节扭矩，直到联轴节滑移，记录联轴节的滑移扭矩，见表5。

从试验结果可以看出，联轴节的滑移扭矩都在保护扭矩范围内，滑移衬套满足过载保护要求，说明联轴节过盈量的设计合理可靠。

4 结束语

根据鼓型齿联轴节的结构特点及使用要求，采用有限元法对联轴节不同过盈配合下的应力分布和传递扭矩进行模拟分析，结果表明：在过盈量设计范围内，联轴节的应力强度以及传递扭矩载荷都满足设计要求。同时，为验证联轴节的滑移扭矩特性，对联轴节进行滑移扭矩试验，结果也表明联轴节满足过载保护设计要求。

由此可见，有限元法作为一种现代分析方法，可以精确模拟过盈配合的应力分布和载荷传递能力，能够为复杂结构的过盈连接设计提供可靠的分析依据。参考文献：

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