摘　要：文章介紹了A型地鐵車輛ZMA080型轉向架齒輪箱的設計，著重分析了齒輪箱的結構、潤滑和密封、齒輪設計和軸承布置，并對箱體進行了強度評估。
　　關鍵詞：轉向架；齒輪箱；潤滑；密封；齒輪
　　0　引言
　　齒輪箱作為車輛轉向架驅動系統的重要部件，對整個車輛的運行狀況有著至關重要的影響。針對A型地鐵車輛ZMA080型轉向架驅動系統的結構和性能特點，自主設計適用于該類型轉向架的驅動系統齒輪箱。
　　1　齒輪箱設計
　　1.1技術參數
　　齒輪箱是傳遞電機扭矩不可缺少的部分，主要由齒輪箱體、主動齒輪、從動齒輪、密封件、支承軸承等部件組成。齒輪箱應滿足的技術參數如下^[1]。
　　車輛Z大運行速度/km·h^-1　80
　　軸重/t　16
　　車輛每年運行里程/km　125000
　　電機額定功率/kW　190
　　電機額定轉速/r·min^-1　1800
　　電機Z大轉速/r·min^-1　3481
　　電機啟動轉矩/N·m　1625
　　電機額定轉矩/N·m　1008
　　電機Z大牽引轉矩/N·m　1626
　　電機短路轉矩/N·m　9800
　　傳動比　6.32
　　齒輪中心距/mm　355
　　1.2結構
　　齒輪箱箱體采用鑄造結構，材料為球磨鑄鐵，箱體結構屬于薄壁鑄件，主要壁厚12~16mm，箱體總重175kg。主動齒輪、從動齒輪均采用漸開線斜齒圓柱齒輪，材料符合EN10084—1998《滲碳鋼材交貨技術條件》的要求，表面滲碳處理。
齒輪箱Z大外形尺寸為656mm×1005mm×286mm，為上、下箱體剖分式結構，上、下箱之間通過2個圓柱銷定位，輸出軸軸承座部位4個內六角螺釘連接，其余處8個內六角螺釘連接。注油孔和排油孔上的螺塞端部裝有磁鐵，用來收集油液中的鐵屑；油位可通過油位觀察玻璃進行查看；下箱體上設有觀察孔，拆下觀察蓋后可觀察從動齒輪齒面情況；起吊螺座通過與吊環配合用于箱體的起吊；上箱體上的防脫落臂通過與裝在構架上的安全銷配合在緊急情況下起保護作用，齒輪箱外形圖如圖1所示。 　　1.3潤滑和密封
　　車輛運營時，沖擊、振動、噪聲、漏油和齒輪輪齒失效是齒輪箱比較突出的問題^[2-3]。為了提高齒輪箱的性能，保證箱內各部件的壽命，在設計過程中必須采取可靠的潤滑和密封措施。
　　1.3.1潤滑方式
　　車輛運行過程中，齒輪箱內運動部件處于高速運轉及高溫狀態，采用飛濺式潤滑，潤滑油不僅可以顯著降低摩擦阻力，還可以起到散熱、減小接觸應力、吸收振動、防止銹蝕等作用^[4]。
　　1.3.2油路循環
　　從動齒輪采用浸油式潤滑，其輪齒浸入油中，齒輪轉動將油甩到箱壁上，借以散熱。在上箱體頂部兩側設有兩蓋板，蓋板通過沉頭螺釘固定在箱體上，蓋板和箱體間形成油池（見圖2），飛濺到箱壁上的潤滑油通過頂部的擋油筋板流入到兩油池中。油池中的潤滑油通過油路流到軸承座上，潤滑軸承。軸承座上的潤滑油通過下箱體上的回油孔回到下箱油池中。 　　齒輪轉動時，從動齒輪把潤滑油帶到未浸入油中的主動齒輪的嚙合齒面上實現主動齒輪潤滑。在靠電機側設有與箱體頂部處原理相似的油池和擋油筋板，用于主動齒輪支承軸承潤滑。主動齒輪另一端的軸承由于直接跟小齒輪端面接觸，潤滑油可直接進入軸承，實現軸承潤滑，多余的潤滑油通過油路流回箱內。
　　1.3.3密封
　　齒輪箱應具有良好的密封性，不應有漏油現象，并能避免水分、塵埃及其它雜質進入箱體內部。齒輪箱由靜密封、動密封兩種密封方式確保密封性。
　　1）靜密封：在注油塞和排油塞安裝處都使用了金屬墊圈密封，油位指示器使用了管螺紋密封。外端蓋和箱體的結合處以及箱體的合箱面都是容易滲油的部位，因此在外端蓋和箱體間采用密封圈密封，同時在接觸面上采取密封膠密封。
　　2）動密封：采用非接觸式的迷宮密封，迷宮式密封由動件和靜件組成，兩者互不接觸，中間存在間隙，油封縫隙中填滿潤滑脂，可有效阻止多余潤滑油滲出^[4]。
　　1.4齒輪設計
　　為減小振動，改善輪齒受力狀況，降低噪聲，提高車輛乘坐舒適性，主、從動齒輪均采用斜齒輪傳動。
　　齒輪傳動比u=6.32，為使輪齒不致過小，保證主動齒輪的強度，主動齒輪齒數Z1=19，從動齒輪齒數Z2=120。為適應總體結構條件的限制和增強齒輪強度的需要，主動齒輪采取正變位，從動齒輪采取負變位^[5]。這樣在滿足總體各項要求的條件下，可使從動齒輪質量適當降低，同時使齒輪箱的設計空間增大，有利于齒輪箱箱體及潤滑與密封的結構設計。
　　按ISO6336-5—2003《直齒輪和斜齒輪承載能力的計算》和GB/T3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》規定的方法校核齒輪的承載能力，校核結果如表1和表2所示。以作用于齒輪上的極限載荷為基礎對輪齒進行靜強度分析，要求計算彎曲強度安全系數SF＞1。輪齒失效是齒輪失效的主要形式^[3]，對齒輪輪齒的接觸和彎曲疲勞強度進行校核，要求齒面的計算接觸強度安全系數SH＞1.2，齒根計算彎曲強度安全系數SF＞1.6。 　　計算結果表明，輪齒的靜強度和疲勞強度均符合設計要求。
　　1.5軸承布置
　　齒輪箱通過2個圓錐滾子軸承環抱于車軸，2個圓錐滾子軸承反向對稱布置，可平衡受力狀況，提高支撐剛性。
　　小齒輪兩側通過支承軸承支撐，輪側采用1個圓柱滾子軸承結合1個四點球軸承的組合方式，電機側采用1個相同的圓柱滾子軸承。圓柱滾子軸承可以承受較高轉速和徑向力，四點球軸承用于承受軸向力。
　　軸承的有效壽命應經過計算驗證，在考慮潤滑狀態及遵循指定換油周期的情況下進行計算，計算結果如表3所示。 　　2　齒輪箱箱體強度校核
　　分析齒輪箱箱體在車輛各種運行工況下的應力狀態，利用ANSYS軟件的Work bench模塊進行模擬加載、運算，對齒輪箱箱體靜強度和疲勞強度進行評估。
　　齒輪箱受力計算按以下要求進行：1）在從動齒輪軸承座處施加全約束；2）在吊桿座和主動齒輪軸承座上施加載荷。
　　齒輪箱箱體承受的載荷包括三個部分：一是齒輪傳動時對齒輪箱的作用力；二是驅動裝置在受沖擊時對齒輪箱的作用力；三是電機傳遞扭矩時對齒輪箱的作用力。
　　2.1靜強度校核
　　按照極限工況校核齒輪箱的靜強度，考慮驅動裝置垂向受5g沖擊和電機短路力矩共同作用于齒輪箱時，箱體靜強度能否滿足要求。材料GGG50.3的屈服強度為320MPa，取安全系數為1，則許用應力為320MPa。計算結果見圖3，齒輪箱上Z大應力出現在主動齒輪軸承座上，為172.15MPa，小于材料的許用應力，因此箱體的靜強度滿足要求。 　　2.2疲勞強度校核
　　在只受自重作用、啟動扭矩與垂向3g沖擊共同作用于齒輪箱的情況下，校核齒輪箱箱體疲勞強度。經計算，在疲勞交變載荷作用下產生的Z大應力為39.78MPa。
將各個危險點的平均應力、第1主應力和第3主應力輸入材料的Goodman疲勞曲線圖（見圖4），可知該齒輪箱箱體的動應力范圍均在材料的Goodman疲勞曲線界限之內，因此齒輪箱體的疲勞強度滿足要求。 　　3　結束語
　　設計的A型地鐵車輛ZMA080型轉向架齒輪箱試制后型式試驗表明，設計完全滿足要求。目前，該齒輪箱已經裝于相應地鐵車輛上運用，效果良好。
　　參考文獻：
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