架悬式100%低地板轻轨车辆齿轮传动系统的技术研究

刘 莹 魏世晨 仇文凡 周 骥 司卫卫

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

0 概述

齿轮箱架悬式100%低地板轻轨车是一种新型的、应用广泛的轻轨车辆，其齿轮箱完全悬挂于构架上，可有效降低簧下质量，减少因轮对冲击引起的附加载荷，使车辆运行更加平稳，同时便于维护和检修。齿轮传动系统作为转向架的核心部件，起到传递扭矩和转速的作用，其性能好坏直接影响车辆的整体性能，同时低地板车辆通常在城市开放路面运行，经常遇到积水路段，要求齿轮箱还要具备一定的密封防水性能[1]。

1 结构功能简介

架悬式100%低地板轻轨车采用带轴轮对式转向架，齿轮箱和电机纵向布置在转向架外侧，输入与输出呈90°交角，因此齿轮传动系统需采用含螺伞齿轮的传动形式[2]。齿轮箱箱体通过法兰与电机壳体刚性连接，并由3个环形节点(齿轮箱侧1个，电机侧2个)吊装在构架上；法兰腔内部，牵引电机轴输出的转矩、转速经膜片联轴节传递至齿轮箱输入轴，再经过一级螺伞齿轮副和二级圆柱斜齿轮副传递至齿轮箱空心轴，空心轴上设置端面齿结构，与橡胶联轴节上对应的端齿部位啮合，橡胶联轴节的另一端，设置端齿与车轴连接，从电机轴到齿轮箱输入、输出轴，形成完整的传动链，再传递到车轴，从而驱动轮对前进，如图1所示。

1—电机；2—齿轮箱；3—弹性节点；4—车轮；5—橡胶联轴节。 图1 齿轮传动系统驱动功能示意图

2 技术总体方案

齿轮传动系统采用“一级螺伞齿轮+二级圆柱齿轮斜齿轮+端面齿啮合”传动的形式，如图2所示，该齿轮箱可采用斜分箱结构，亦可采用垂直分箱形式。

齿轮箱外部由上箱体、下箱体、联轴节、吊挂节点、油标、端盖等组成(见图3)，其内部包含两级齿轮传动结构，并由轴承支撑在箱体上。

图2 齿轮箱传动示意图

图3 齿轮箱外形结构图

齿轮箱采用飞溅润滑的方式，一级和二级从动齿轮部分浸在箱体油池中，在运行中将箱体底部的油搅起，飞溅到集油槽，将润滑油引导至轴承部位，从而润滑轴承。

采用机械迷宫密封和接触密封相结合的方式。

结合低地板线路常遇积水路段的工况，若外部雨水进入齿轮箱，极易引起润滑油乳化，为了避免这种故障，齿轮箱在机械迷宫密封的基础上，同时采用V型橡胶圈的接触密封，V型圈内圈套在轴上，靠橡胶体的内在张力固定，随轴旋转，在垂直方向压紧接触面起到静密封的作用，可以防止水和外部污染物进入齿轮箱内部。

V型圈选用丁腈橡胶材料，具备良好的耐高低温、耐老化、摩擦小、耐磨性好、压缩性好等性能。

密封结构简易示意图如图4所示。

图4 带V型圈密封结构示意图

3 仿真计算

3.1 箱体铸造工艺性计算

箱体选用低温球墨铸铁材料QT400-18L，具备良好铸造性能和机械性能。

箱体采用双层浇注工艺，保证铸件两侧充型均匀(见图5)，浇注口处设置补缩冒口以增强铸件的致密性。采用Magma仿真分析，表明其充型过程无紊流、卷气，关键部位补缩良好。

图5 上箱体充型过程模拟

经过工艺模拟可知，箱体铸造过程中金属液充型平稳，温度变化稳定，铸件成形性良好，能有效保证铸造质量。

3.2 箱体强度计算

在有限元软件中对齿轮箱吊挂位置约束相应的自由度，轴承载荷施加到轴承安装位置，冲击载荷通过施加惯性力实现。

在启动工况和短路工况下，扭矩分别为981 N·m和3 400 N·m，将轴承载荷及转向架纵向(X轴)、横向(Y轴)、垂向(Z轴)的冲击加速度载荷进行组合，考虑正转和反转总计16种工况，分别用来计算箱体疲劳强度和静强度。以扭矩为981 N·m为例，举例疲劳工况计算如表1所示。

表1 启动冲击组合载荷计算工况表(正转)

在静强度各计算工况中，齿轮箱箱体的最大Mises应力为187.15 MPa，小于箱体材料的屈服极限240 MPa，疲劳特性中，取箱体表面粗糙度Ra=50 um，铸造质量检查考虑为非破坏性探伤，总安全系数fD=1.563，根据FKM标准评价，齿轮箱箱体的最大静强度利用度为91.97%，最大疲劳强度利用度为97.63%，均小于1，计算结果满足使用要求，如图6所示。

图6 疲劳强度利用度云图(局部)

3.3 结合面密封性计算

根据设计和工艺要求，对齿轮箱上的螺栓拧紧处施加预紧力，通过仿真计算校核螺栓预紧结合面的密封特性，如图7所示。

图7 装配状态下螺栓结合面压强云图(端盖)

螺栓结合面密封性的结算结果，各结合面均未出现接触压强贯穿为零的区域，密封情况良好。

3.4 齿轮计算

根据《ISO 6336直齿轮和斜齿轮承载能力的计算》标准，对齿轮进行强度、静强度和校核承载能力进行计算。结果表明：启动工况、额定工况、高速工况以及短路工况下，齿轮的接触安全系数SH及弯曲安全系数SF均高于1.3。对比《GB/Z 6413.2—2003圆柱齿轮、锥齿轮和准双曲面齿轮 胶合承载能力计算方法》中推荐的最小安全系数,可见主从动齿轮的强度达到较高可靠度以上，满足设计要求。

4 试验验证

齿轮传动系统各零部件加工完成后进行组装，并进行例行试验和型式试验，以检验齿轮箱的温升、润滑、密封等整体性能(见图8)。同时进行淋水试验(见图9)，在跑合试验中，从低速到最高转速，以8 L/min的淋水量，对齿轮箱的迷宫部位和接触密封部位进行淋水测试,以检验齿轮箱的密封防水性能。

图8 试验中轴承部位浸油示意图

图9 齿轮箱淋水试验示意图

型式试验过程中，额定工况内部轴承温度不超过95 ℃，润滑油温度不超过85 ℃，齿轮箱密封状态良好，无异常振动和噪声，淋水试验结束后，齿轮箱润滑油含水量约0.07%，防水效果优良，齿轮箱整体性能稳定。

5 结束语

本文论述了一种架悬式100%低地板齿轮传动系统的结构与特点，介绍了其总体技术方案，对箱体、齿轮等关键零部件进行了仿真校核计算，从设计和工艺方面论证了该方案的可行性；齿轮箱组装后进行型式试验，通过加载试验和淋水试验等，验证了齿轮箱的温升性能和密封性能等，该类型齿轮箱已经在低地板线路运行，在运行过程中，齿轮箱整体性能良好，稳定可靠。