（车辆工程专业论文）大功率货运机车牵引电机轴小齿轮支承方式的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 摘要 驱动系统是机车转向架重要组成部分之一，也是转向架开发的技术难点。 随着国内铁路运输向高速、重载方向发展，对货运机车单轴功率提出了更高 的要求，目前已经从1 2 0 0 k w 提高到1 6 0 0 k w 。原来传统的驱动电机小齿轮悬 臂支承结构是否适合大功率、大扭矩的传递，齿轮在传递扭矩的过程中的变 形对齿轮啮合的影响有多大：是否影响扭矩的可靠、安全传递：对轴承寿命 的影响有多大。这些问题都有待于进一步的研究和分析。 而电机端小齿轮支承方式的改变是解决这些问题的有效途径，也是当今 世界在机车大功率驱动装置方面的先进技术。电机端小齿轮的支承方式直接 决定着整个驱动系统的总体结构。按小齿轮的支承方式将驱动系统其分为三 类：小齿轮悬臂支承结构、小齿轮外端支承结构和小齿轮两端支承结构。 本论文针对三种不同小齿轮支承方式，首先对齿轮啮合状态进行了深入 研究和分析。小齿轮的支承方式不同，小齿轮的弯曲变形就不同，同时所受 到的接触应力和弯曲应力也不同，齿轮的磨损和寿命同样会有很大的改变。 通过对三种支承结构的计算以及对接触状态的分析表明：将悬臂支承改为外 端支承和两端支承后，齿轮的受力明显的减小而且在齿面的受力分布也变得 很均匀，这能有效的减小齿面的磨损和延长齿轮的工作寿命。其次论文对轴 承寿命及选型进行了分析。由于齿轮支承方式改变，对轴承的要求也相应改 变，对同样工况下的三种支承轴承的计算结果表明：齿轮的支承越对称，轴 承受力越小，而且寿命越长；同时受力减小还能减小轴承的尺寸，提高轴承 的极限转速。 当驱动系统的各个部件的结构、受力、寿命都改变的时候，整个驱动系 统的传动可靠性也会相应的发生较大改变。通过对三种支承齿轮传动的可靠 度的计算表明：当小齿轮改为两端支承后，传动可靠度有较大的提高，能够 有效的减小齿轮的失效概率和延长驱动系统的寿命。 ， 本论文通过对电机端小齿轮不同支承方式的研究，深入了解不同支承方 式下齿轮啮合状态、轴承选型及寿命和齿轮传动可靠性方面的变化规律。比 较其中的优缺点，将有助于消化吸收这项先进技术，并在国内大功率驱动系 统的开发时提供借鉴，从而推动国内机车车辆行业的技术进步。 关键词：小齿轮；大功率：支承方式；有限元；强度；可靠性 a b s t r a c t d r i v i n gs y s t e m ，o n eo fi m p o r t a n tp a r ti nl o c o m o t i v eb o g i e ，i st h et e c h n i c a l d i f f i c u l t yo fb o g i ee x p l o i t a t i o n a st h ed o m e s t i cr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nt e n dt o d e v e l o ph i g hs p e e da n dh e a v yh a u l ，p r o p o s i n gh i g h e rr e q u i r e m e n to ns i n g l ea x i s p o w e ro ff r e i g h tl o c o m o t i v e n o wt h ep o w e rh a si n c r e a s e dt o1 6 0 0 k wf r o m 1 2 0 0 k w w h e t h e rc a n t i l e v e rs u p p o r ts t r u c t u r e ，t h et r a d i t i o n a ld r i v em o t o r p i n i o n s u p p o r tf o r m ，c a ns u i t a b l ef o rt h et r a n s f e ro fh i g hp o w e ra n dh i g ht o r q u e ，h o w m u c ht h ed e f o r m a t i o no f p i n i o n e f f e c t g e a rm e s h i n gd u r i n gt h e t o r q u c t r a n s f o r m a t i o n ；w h e t h e ri te f f e c tt h er e l i a b i l i t ya n ds a f et r a n s f o r m a t i o no ft o r q u e ； h o wm u c he f f e c ti t b r i n gt ot h el i f e t i m eo fb e a t i n g t h e s ep r o b l e m sa r ew a i t i n g f o rf u r t h e rr e s e a r c ha n da n a l y s i s c h a n g i n gt h es u p p o r tf o r mo fm o t o rp i n i o ni sae f f e c t i v em e t h o dt or e s 0 1 v e t h o s ep r o b l e m s ，a l s oi st h ea d v a n t a g et e c h n i q u ei nd r i v i n gs y s t e mo fh i g hp o w e r l o c o m o t i v e s u p p o r tf o r m so fd r i v ep i n i o nd e c i d et h ew h o l es t r u c t u r eo fd r i y i n g s y s t e md i r e c t l y a c c o r d i n gt ot h es u p p o r tf o r m so fp i n i o n ，c l a s s i f i e d d r i v i n g s y s t e mi n t ot h r e ek i n d s ：c a n t i l e v e rs u p p o r ts t r u c t u r eo fp i n i o n ，o u t e re n ds u p p o n s t r u c t u r eo f p i n i o na n dt w oe n d ss u p p o r ts t r u c t u r eo f p i n i o n i nc o n s i d e r a t i o no ft h r e ed i f f e r e n ts u p p o r tf o r m so fp i n i o n ，f i r s t ，t h i sp a p e r s t u d i e da n da n a l y z e dt h eg e a rm e s h i n gs t a t u s t h ed i f f e r e n c eo fs u p p o r tf o n n so f p i n i o nl e a dt od i f f e r e n c ei nb e n d i n gd e f o r m a t i o no f p i n i o n s ，d ：i f f e r e n c ei nc o n t a c t s t r e s sa n db e n d i n gs t r e s so fp i n i o n s ，g r e a tc h a n g ei nw e a ra n dl i f e t i m eo fp i n i o n s t h er e s u l to fc a l c u l a t e dt h r e e s u p p o r tf o r ms t r u c t u r e sa n da n a l y z e dc o n t a c t s t a t u s e ss h o wt h a tt h ef o r c eo fp i n i o nd e c r e a s e do b v i o u s l ya n df o r c ed i s t r i b u t i o n i nt o o t hs u r f a c eb e c o m eu n i f o r mw h i l ec h a n g et h e s u p p o r tf o r mt oo u t e re n d s u p p o r ta n dt w oe n d ss u p p o r tf r o mc a n t i l e v e rs u p p o r t ，t h i sc a nd e c r e a s ew e a ra n d p r o l o n gt h el i f e t i m eo fg e a re f f e c t i v e l y s e c o n d ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h es e l e c t i o n a n dl i f e t i m eo fb e a r i n g a st h ec h a n g eo fs u p p o r tf o r mo f p i n i o n ，t h er e q u i r e m e n t o fb e a r i n gc h a n g e ，t h er e s u l to fc a l c u l a t e db e a r i n gi nt h r e ed i f f e r e n ts u p p o r tf 0 n n s u n d e rs a m ec o n d i t i o ns h o wt h a tt h es u p p o r to fp i n i o nm o r es y m m e t r i c ，t h ef o r c e o fb e a r i n gg e ts m a l l e r , l i f e t i m eg e tl o n g e r ；a tt h es a m e t i m e ，b e a t i n gs i z ec a nb e d e c r e a s ea n db e a r i n g s s p e e dl i m i tc a nb ai n c r e a s et h r o u g ht h e d e c r e a s i n go f b e a r i n g sf o r c e w h i l et h es t r u c t u r e ，f o r c ea n dl i f e t i m eo fp a n so fd r i v i n gs y s t e mc h a n g i n g ， t h et r a n s f e r r e l i a b i l i t yo fw h o l ed r i v i n gs y s t e mw i l lh a p p e nag r e a tc h a n g e a c c o r d i n g l y t h er e s u l to fc a l c u l a t e dt r a n s f e rr e l i a b i l i t yo fp i n i o n su n d e rt h r e e s u p p o r tf o r m ss h o wt h a tt h et r a n s f e rr e l i a b i l i t yh a v eag r e a ti m p r o v ew h i l ec h a n g e t h ep i m o ni n t ot w oe n d ss u p p o r tf o r m ，t h i si m p r o v e m e n tc a nd e c r e a s et h ef a i l u r e p r o b a b i l i t ya n dp r o l b n gt h el i f e t i m eo fd r i v i n gs y s t e me f f e c t i v e l y t h i sp a p e rs t u d i e dt h ed i f f e r e n ts u p p o r tf o r m so fm o t o rp i n i o n ，u n d e r s t o o d t h ev a r i a t i o no fg e a rm e s h i n gs t a t u s ，b e a r i n g c h o o s ea n dl i f e t i m ea n dr e l i a b i l i t v o fg e a rt r a n s f e r c o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，t h a tw i l lh e l pu st o d i g e s ta n da b s o r bt h ea d v a n t a g et e c h n i q u e ，p r o v i d er e f e r e n c ew h i l ed e v e l o p i n g d o m e s t i ch i 曲p o w e rd r i v i n gs y s t e ma n dp r o m o t et h et e c h n i c a li m p r o v e m e n ti n d o m e s t i cr o l l i n gs t o c ki n d u s t r y k e yw o r d s ：p i n i o n ；h i g h - p o w e r ；s u p p o r tf o r m ；t m i t ee l e m e n t ；s t r e n g t h ；r e l i a b i l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：饧聃荔幂 日期：沙& 9 6 r 弓 指导老师签名：钟当杉 日期：沙略5 ，多 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 对电机轴小齿轮其它支承方式的研究国内还不多，因为国内重 载机车的小齿轮支承方式都采用悬臂支承结构。而电机端小齿轮采 用有别于悬臂支承的方式是当今世界在机车大功率驱动装置方面 的先进技术，本论文通过对电机端小齿轮不同支承方式的研究，深 入了解齿轮啮合状态、轴承选型及寿命和齿轮传动可靠性方面的变 化规律，比较其中的优缺点，将有助于消化吸收这项先进技术，并 在国内大功率驱动系统的开发时提供借鉴，从而推动国内机车车辆 行业的技术进步。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 随着我国国民经济的高速发展，我国的铁路运输正在向高速、重载方向 发展。转向架是机车安全、可靠运行最关键的部件，作为转向架最重要的部 件的驱动装置，更是整个机车的最重要的部件之一。它的作用是是将牵引电 机的扭矩可靠地传递给轮对。由于我国的货运机车的单轴功率都不是很大， 最大的也只有1 2 0 0 k w ，但是现在的整车功率要提高到9 6 0 0 k w ，也就是要将 单轴功率提高到1 6 0 0 k w 。所以，原来传统的驱动电机小齿轮悬臂支承结构 是否适合大功率、大扭矩的传递，齿轮在传递扭矩的过程中的变形对齿轮啮 合的影响有多大；是否影响扭矩的可靠、安全传递；对轴承寿命的影响有多 大，这些问题都有待于进一步的研究和分析。而电机端小齿轮支承方式的改 变是解决这些问题的有效途径，也是当今世界在机车大功率驱动装置方面的 先进技术。 本论文通过对电机端小齿轮不同支承方式的研究，深入了解了不同支承 方式下齿轮啮合状态、轴承选型及寿命和齿轮传动可靠性方面的变化规律， 比较其中的优缺点，将有助于消化吸收这项先进技术，并在国内大功率驱动 系统的开发时提供借鉴，从而推动国内机车车辆行业的技术进步。 1 2 国内外发展现状 重载运输代表了铁路货物运输领域的先进生产力，世界各国重载运输实 践证明，重载运输在提高铁路劳动生产率，降低铁路运输成本，提高铁路运 输经济效益方面发挥着重要作用。我国重载运输发展历经2 0 多年，无论从牵 引质量及重载线路规模均有了很大提高，为保证国家重点物资运输做出了巨 大贡献。2 0 2 0 年前，为适应我国铁路货物运量稳定增长的要求，解决铁路运 输能力不足问题，铁路在建设客运专线的同时，仍将要大力发展重载运输， 并要结合大宗货物流量和流向，统筹规划不同等级重载运输网，以此提高铁 路运输的综合效益，为国民经济持续稳定发展作出更大贡献。 我国于1 9 9 2 年底建成第一条双线重载运煤专线大秦铁路。至2 0 0 5 年底， 大秦线开行1 万吨和2 万吨( 试开行) 列车，京沪线、京哈线等全国铁路六大 繁忙干线普遍开行50 0 0 吨重载列车，部分线路达到55 0 0 - 65 0 0 吨，全国5 0 0 0 吨以上重载线路里程已达1 万多千米，占全国铁路总营业里程的1 5 ， 重载运输在我国已初具规模，其技术水平位居世界重载运输前列。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 美国是世界上重载运输最发达的国家，7 0 咀上铁路线路实现了重载运 输，2 0 0 2 年美国煤炭运输周转量高达34 6 6 亿t m ，年收入高达8 1 8 1 亿美 元。美国一级铁路实施重载运输，运行成本下降了6 5 ，市场份额逐年提高。 澳大利亚重载运输近年来也取得辉煌成绩。2 0 0 1 年6 月2 1 日，澳大利亚b h p 公司在纽曼山至海德兰港的矿石运输铁路线上开行了总长达73 5 3 m 、总重9 9 7 3 4 吨的重载列车，创造了重载运输的世界新纪录。纽曼矿山铁路自1 9 7 3 年 开始采用重载运输技术以来，劳动生产率逐年提高，成本逐年下降，2 0 0 0 年 与1 9 8 0 年相比，燃油消耗下降4 3 ，每百万吨矿石运输所需人力从3 0 人下 降到5 人，机车车辆利用率提高了3 6 。车轮、钢轨寿命提高了3 - 5 倍，重 载运输发挥了重要作用，经济效益十分显著“3 。 从我国电气化铁路的发展历史来看，一开始就选择了国际上公认的先进、 经济的电流制( 即单相交流2 5 k v ，5 0 h z ) ，因此相对许多发达国家而言少走 了许多弯路。我国铁路电力牵引动力就是在这样一个良好的基础上逐渐发展、 壮大起来的。进入2 0 世纪9 0 年代后，随着铁路客运提速、货运重载战略的 实施，电力机车进入大发展时期，以s s 8 、s s 9 型客运电力机车和s s 4 型货 运机车为代表的电力机车，逐步成为中国电气化铁路运输的主力军，基本满 足了铁路运输的需要。1 。现在，我国大连制造的和谐号、株洲的d j 系列机车 成为了我国货运牵引的主力军。但是在大功率机车的牵引驱动装置中小齿轮 的支承方式一直没有做过较大的改进，一直都是采用传动的悬臂支承结构 ( d j 4 、h x - d 1 等) 。 1 9 9 4 年，在德国a e g 公司制造的自己负责和结算的电力机车1 2 8 0 0 1 ( 即 1 2 x 机车) 上，采用了新的牵引电动机支承和传动装置g e a l a l f ( 如图1 1 图1 1 德国g e a l a l f 传动系统 所示) ，转向架固定轴距较短，为2 6 m ：用拉压杆传递牵引力。在大功率机 车上首次实现了小齿轮双侧支承的g e a l a l f 转动装置，大大提高了轴承的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 使用寿命。牵引电动机只在非驱动侧( b 侧) 有轴承支承，驱动侧用盘形联 轴节法兰连接在传动齿轮上。这种设计结构可使齿轮传动的润滑油损耗少。 为保证这种传动装置的发展，在1 2 0 1 1 8 机车上也安装了这种传动装置”1 。随 后这种机构被广泛的用于德国的货运机车上，甚至在高速机车上也有应用。 采用这种装置的机车有1 4 5 、1 4 6 、1 8 5 、1 8 9 型、1 2 x 型等机车上”1 。 这种g e a l a i f 传动装置有一下几个特征：( 1 ) 齿轮啮合力通过牢固的齿 轮箱直接传给转向架构架：( 2 ) 基于径向力、轴的弯曲和圆周速度，小齿轮 采用双侧支承，以保证轴承和齿轮啮合有最佳的工作条件：( 3 ) 通过具有抗 扭刚性的膜式联轴器可方便地将电动机与传动部分组合成一体；( 4 ) 牵引电 动机a 侧的轴承座集成在齿轮箱中。1 。 a b bh e n s c h c l 公司在1 2 0 0 0 4 机车上安装了固定轴距较短的( 用2 6 5 m 替代远1 2 0 型机车的2 8 m ) 和两级齿轮传动( 在i c e l 动车组传动装置基础 上改进的整体集成传动装置j g a ) 的转向架。牵引电动机悬挂在车体中。电 动机小齿轮支承在外侧。1 。 图1 2 电机驱动小齿轮外端支承结构简图 1 9 9 5 年，德国铁路( d b ) 订购1 9 5 台特大功率的1 5 2 型四轴货运机车，由 k r a u s s - m a f f c i 公司生产“。1 5 2 机车是西门子公司e u m s p r i n t e r 机车家族第二代的 首批机车，它是根据第一代机车( 西班牙国家铁路的$ 2 5 2 型机车、葡萄牙国家铁 路的l e 5 6 0 0 型机车及自1 9 9 3 年d b 用于欧洲城际和国内区间运输的1 2 7 0 0 1 机车) 的运行和制造经验的基础上而研制的。因为是用于货运的大功率机车，对牵引电 动机和传动装置提出了更高的经济性要求( 低的成本和运营费用) 和技术要求( 例 如传动装置的油密封性) 。为此开发了一种集成式抱轴传动装置，这种转动装置的 小齿轮和电机成一体，中间没有轴承支承，将轴承移至小齿轮的外边，称为小齿 轮外侧支承。后来西门子公司为丹麦研制了的e g 3 1 0 0 机车也使用了这种模块化的 传动装置，还有奥地利的r h l 0 1 6 1 1 1 6 系列的机车等等”4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 课题的研究内容和关键问题 小齿轮的支承方式决定了驱动系统的整体结构，在驱动系统设计过程中 起着关键性的作用。电机小齿轮支承方式分为三种：悬臂支承，外侧支承和 两端支承。 1 3 1 课题研究内容- 本文的研究内容有以下几点： ( 1 ) 通过对国内外的三种不同支承方式的驱动系统进行深入分析和研 究，结合1 2 0 k m h 大功率货运机车的技术要求，制定出电机齿轮轴的结构尺 寸，设计出三种不同支承方式的电机齿轮轴的总体结构方案和相关结构尺寸。 按照传统的经验公式对齿轮的接触疲劳应力和弯曲疲劳应力进行初步校核。 ( 2 ) 研究电机小齿轮三种不同支承方式对齿轮的啮合状态的影响，揭示 其中的变化规律。 大小齿轮轴线互相平行是扭矩可靠传递的基本条件，但是当扭矩较大的 时候轴线就会产生弯曲，这将影响齿轮的啮合。论文将采用有限元分析软件 a n s y s ，对三种支承方式的齿轮在启动工况情况下，进行接触应力和弯曲应力 分析。通过对齿面的摩擦力、接触状态、滑移量等的计算分析对比，观察齿 轮在各种不同支承下这些状态的变化，从而揭示齿轮啮合状态的变化规律。 ( 3 ) 研究电机轴承在三种不同支承方式下的选型要求和寿命变化规律。 当轴承的支承方式改变以后，必定受力条件会改变。轴承采用两端支承以后 受力会得到改善，使得轴承的尺寸减小，这样不但会提高轴承的极限转速， 同时也相应的提高轴承的寿命。论文将探索分析：在相同的的工况下，支承 方式和轴承寿命之间的相互关系。 ( 4 ) 当驱动系统的各个部件的结构、受力、寿命都改变的时候，整个驱 动系统的传动可靠性也会相应的发生较大改变。通过应力强度干涉理论对三 种支承齿轮传动的接触疲劳强度和齿轮弯曲疲劳强度的可靠度的计算，对齿 轮传动可靠度进行分析，从而揭示三种不同支承方式对驱动系统可靠性的影 响。 1 3 2 课题的关键问题 本课题需要解决的关键问题有： ( 1 ) 对三种不同的支承方式下的齿轮进行齿面接触应力和齿轮弯曲应力 分析，确定结构是否符合强度要求；通过计算分析对比，比较不同的支承方 式下齿轮接触状态的优劣。 ( 2 ) 对三种支承方式的轴承选型进行确定，和对其轴承的寿命进行分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 比较； ( 3 ) 对齿轮传动可靠度进行分析计算，分析各种支承方式对可靠性有多 大的影响。 1 4 课题的可行性研究 我国现有机车普遍采用的都是悬臂支承结构，对另外的外端支承结构和 两端支承结构还是一个新的探索，但是这两种结构在国外的机车上都得到了 可靠的运行，并且被证明了是可靠的。 按照机械设计的原理，在受力分析基础上来看，后两种情况都应该是比 悬臂支承结构的应力要均匀而且要小得多，应该在结构上是可行的。只是说 我国的材料、加工工艺等比国外要差，可能在空间狭小的转向架之间能不能 实现结构的合理布置，成为能否将实现两种结构的最重要的因素。 通过对国外的各种支承结构进行尺寸的大致确定和通过有限元软件 a n s y s 对结构计算和分析得出，在增大功率的情况下，机车驱动系统采用新 的支承方式是可行的。 1 。5 课题的创新性 本课题的创新性包括： 对电机轴小齿轮其它支承方式的研究国内还不多，因为国内重载机车的 小齿轮支承方式都采用悬臂支承结构。而电机端小齿轮采用有别于悬臂支承 的方式是当今世界在机车大功率驱动装置方面的先进技术，本论文通过对电 机端小齿轮不同支承方式的研究，深入了解齿轮啮合状态、轴承选型及寿命 和齿轮传动可靠性方面的变化规律，比较其中的优缺点，将有助于消化吸收 这项先进技术，并在国内大功率驱动系统的开发时提供借鉴，从而推动国内 机车车辆行业的技术进步。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章小齿轮不同支承方式的结构确定 机车电机小齿轮的支承方式，按照支承轴承的布置位置不同，将其划分 为三类：小齿轮悬臂支承、，j 、齿轮外端支承和小齿轮两端支承( 将小齿轮靠 近电机的一端定义为内端，将远离电机的一端定义为外端) 。三种支承方式的 结构如图2 1 图2 3 所示。我国绝大部分机车采用的都是电机小齿轮悬臂支 承方式的驱动系统。 o 口口鼻口。 图2 1 悬臂支承结构 图2 2 外端支承结构图2 3 两端支承结构 我国运行的货运机车的驱动系统普遍采用的都是悬臂支承结构方式， 2 0 0 4 年1 2 月7 日中国南车集团株洲电力机车有限公司和西门子联台体在北 京与铁道部签订的1 8 0 台d j 4 大功率交流传动电力机车就是小齿轮悬臂支承 方式大功率货运机车的典型代表( 图2 4 ) 。 圈2 4d j 4 大功率交流传动电力机车 外端支承结构方式的机车也有很多，主要的代表性机车是西门子有限公 司为丹麦制造的e g 3 1 0 0 电力机车( 图2 5 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 5 丹麦e g 3 1 0 0 电力机车 两端支承结构方式机车在欧洲已经有很久的历史了，代表是西门子为德 国铁路提供的b r l 8 9 四流制电力机车( 图2 6 ) 。 图2 6 德国铁路c a r g o 公司的b r l 8 9 电力机车 2 1 齿轮传动的受力分析 为计算齿轮轮齿强度和设计轴、轴承等轴系零件，都需要对齿轮轮齿受 力进行分析。 本文分析所采用的齿轮采用渐开线标准直齿圆柱齿轮传动。 一对渐开线齿轮啮合，若不计摩擦力，则轮齿间相互作用的法向力f 。的 方向始终沿啮合线。为了计算方便，将法向力f 。在节点p 处分解为两个相互 垂直的分力，即圆周力f 。与径向力f 。，由此得到： ( = 2 t x l d l1 只= 只t a n 乜 c = f c o s al 式中，正为小齿轮传递的名义扭矩，正= 9 5 5 1 0 6 p n ，单位为n m m ；p 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 轮齿传递的名义功率，单位为k w ；1 1 1 为小齿轮转速，单位为r m i n ，d ，为小 齿轮的分度圆直径，单位为m m ，a 为啮合角，对于按标准中心距安装的标准 齿轮，a = 2 0 。 主、从动齿轮上各对应分力大小相等、方向相反。径向力由作用点指向 轮心，圆周力对主动轮与其转向相反，而对从动轮与其转向相同。 受力简图如图2 7 所示 ， ! |钐i 、j 一：一一一：_ “，) ： 、 图2 7 直齿圆柱齿轮受力分析 所选电机的额定扭矩是6 8 5 0n i n l i l ，启动扭矩是9 2 4 0 n m i l l ， 额定工况下： 互- 2 五d l 一2 x6 8 5 0 0 1 5 3 8 9 5 4 3 n 1 c 。c t 柚口一3 2 5 9 1 n 只- 丘i c o s a 一9 5 2 9 0 n i 启动工况下： c - 珥d 1 2 x 9 2 4 0 0 1 5 3 - 1 2 0 7 8 4 n 1 只一互t a n 扣4 3 9 6 2 n e c c o s a * 1 2 8 5 3 6 n i 2 2 渐开线齿轮的尺寸确定 。 2 2 1 齿轮基本参数的确定 1 ) 齿数z 和模数m 的确定 模数是决定齿轮尺寸的一个基本参数。模数越大，齿轮尺寸越大，其承 载能力越大。根据电机转速和计算所需的扭矩和所需要承受的载荷综合考虑， 选取齿轮模数1 1 1 = 9m m 。齿轮齿数( d , 大) 为1 7 1 0 7 。 2 ) 压力角a 的选择 分度圆大小相同的齿轮，如果压力角不同，则基圆大小不同，因而其齿 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 廓线的形状也就不同。考虑齿轮的传递性能及设计、制造的方便，并可互换 使用，在这选择压力角为标准值2 0 。 3 ) 齿顶高系数虻和顶隙系数c 在这里采用规定的标准值：h l = 1 ；c = o 2 5 。 2 2 2 齿轮各部分的尺寸计算 分度圆直径：d l = m z l = 9 1 7 = 1 5 3 m m ；d 2 = m z 2 = 9 1 0 7 = 9 6 3 m m ， 11 中心距： 口一去( 噍+ d 2 ) = 去( 1 5 3 + 9 6 3 ) = 5 5 8 m m ， 二二 齿顶高： 。一五：小= 1 9 = 9 m m ， 齿根高：h ，- ( 虻+ c + 砌= ( 1 + 0 2 5 ) 9 = 1 1 2 5 m m ， 全齿高：h - 。+ h ，= 9 + 1 1 2 5 = 2 0 2 5 r a m ， 齿顶圆直径：d 。1 ；d 1 + 巩= 1 5 3 + 2 9 = 1 7 1 m m ， d 。2 = d 2 + 巩= 9 6 3 + 2 9 = 9 8 1 m m ， 齿根圆直径：d ，1 ，d ，一2 h ，= 1 5 3 2 1 1 2 5 = 1 3 0 5 r a m ， d ，2 ；d 2 2 h ，= 9 6 3 - 2 1 1 2 5 = 9 4 0 5 m m ， 基圆直径：d b 】一d c o s a = 1 5 3 c o s 2 0 。= 1 4 3 7 7 r a m ， d 6 2 一d 2 c o so t = 9 6 3x c o s 2 0 。= 9 0 4 9 2 r a m ， 分度圆齿距：p 一册l - 3 1 4 1 6 9 = 2 8 2 7 r a m ， 分度圆齿厚：s - p 2 = 1 4 1 4 m m ， 分度圆槽宽：e p 2 = 1 4 1 4 m m ， 顶隙：c c 。朋= o 2 5 9 = 2 2 5 m m ， 基圆齿距：p b = 删c o s 口= 3 1 4 1 6 9 c o s 2 0 。= 2 6 5 7 m m ， 节点处齿廓的曲率半径：, o l 。冬s i n 口。1 5 _ 墨，3 s i i l 2 0 = 2 6 1 6 m m ， 二二 办。生口丝。：16 4。68 si n s l n 2 06 46 8 m m 。 p ，l - 二口- 一 =。 。 z2 2 3 齿轮的强度计算及检验 2 3 1 齿轮传动的主要参数 ( 1 ) 模数m 模数选取为m = 9 m m 。 ， ( 2 ) 传动比i 和齿数比u 如上，已选取i = 1 0 7 1 7 = 6 2 9 4 1 ( 3 ) 中心距由上计算出齿轮中心距为5 5 8 m m ，这里参照标准尺寸 g b t 2 8 2 卜1 9 8 1 中的数系，选用a = 5 6 0 m m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 4 ) 齿宽b 和齿宽系数l f ，d齿宽b = 1 6 0 m m ，妒d = b d l ，选取齿宽系数为l 0 4 ， 得到：b = 妒dd 。= 1 0 4 1 5 3 = 1 5 9 1 2 r a m ，圆整取b l = b 2 = 1 6 0 m m 。 2 3 2 材料选择和参数的初步确定 ( 1 ) 齿轮精度的选择 齿轮的精度等级应根据传动的用途、使用条件、传动功率和圆周速度等 因素确定，根据机车的使用状况和条件，再根据国标g b1 0 0 9 5 - - 1 9 8 8 ，将齿 轮的精度确定为5 级。 ( 2 ) 齿轮材料的选择 选择材料时，要从齿轮的工作条件、制造工艺性和经济性等方面考虑。 相对机车齿轮，小齿轮的要求应该是承载能力高，体积小，而且齿面要硬、 齿心要韧。为了提高抗胶合性能，大小齿轮应该采用不同牌号的钢。在这里 小齿轮选用2 0 c r m n t i ，采用渗碳淬火热处理，强度极限为吼= l l o o m p a ，屈 服极限为仉= 8 5 0 m p a ，齿面硬度取平均为5 9 h r c 。大齿轮采用2 0 c r n i ，采用 渗碳淬火热处理，强度极限为吼= 9 3 1 m p a ，屈服极限为q = 7 3 5 m p a ，硬度为 5 8 h r c 。 ( 3 ) 小齿轮扭矩 小齿轮扭矩按照选择的电机提供，电机额定功率为1 6 3 3 k w 。 互。9 5 5 1 0 6 三= 9 5 5 1 0 6 兰堡= 4 4 7 5x 1 0 6n m m 愧 3 4 8 4 3 ( 4 ) 确定重合度系数z e 、y e 重合度瞄8 8 - 3 2 ( 丢+ 去) - 1 8 8 3 2 ( 专+ 击) = 1 6 6 厶厶 1上u 于是得出：z e = ! 手= 4 - 1 6 6 - = o 8 8 3 y e ：o 2 5 + 0 7 5 ：0 2 5 + 0 7 5 = 0 7 0 2 1 6 6 ( 5 ) 确定载荷系数k h 、k f 计算齿面接触应力时k n = k a k v k b k m 计算齿根弯曲应力时k f = k a k v i k f 1 ) 取使用系数k a = 1 5 。因为大齿轮是与轮对同轴的，所以载荷的冲击 比较大。 2 ) 动载系数k v 动载系数k v 是考虑齿轮啮合误差和运转速度等内部因 素引起的附加动载荷影响的系数，定义为 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 ，传递的切向载荷+ 内部附加动载荷 。碡面丽丽西矿一 按照齿轮制造精度和节圆速度选择k v = 1 1 3 ) 齿向载荷分布系数磁齿向载荷分布系数磁是考虑齿轮工作时沿齿 宽方向载荷分布不均对齿面接触应力和齿根弯曲应力影响的系数，其定义为 ，单位齿宽最大载荷 一芦 单位齿宽平均载荷 。影响齿向载荷分布的主要因素有：齿轮在轴上的布置方式、支承刚度、 齿面硬度、齿宽以及齿轮的制造与安装等。 考虑到齿轮在轴上的布置方式( 也就是轴承在轴上的布置位置的不同) 对齿轮齿向载荷分布影响很大。虽说要想确定精确的齿向载荷分布系数有可 能，但是相对比较困难。故这里选择相差比较悬殊一点的参数： 悬臂方式：k i n = 3 3 9 6 ：k f b = 2 8 0 ； 外端方式：k m = 1 5 0 5 ；k f b = 1 4 2 ； 两端方式：k m = 1 3 2 6 ：k f e = i 2 8 。 4 ) 齿间载荷分配系数k a 。、k f 丑齿间载荷分配系数k w 、k f 。是考虑同 时啮合时的各对轮齿之间载荷分配不均的影响系数。影响齿向载荷分布系数 的主要因素有：受载后齿轮变形：齿轮制造误差；齿廓修形；磨合 效果等。 这里选择齿向载荷分布系数k m = k f a = 1 0 。 悬臂支承结构：k h = k a k v k m k n a = 1 5 x 1 1 3 3 9 6 1 0 = 5 6 0 外端支承结构： 两端支承结构： k r = k a k v k 髓k f a = 1 5 1 1 2 8 0 1 0 = 4 6 2 k h = k a k v k t a b k n a = 1 5 1 1 1 5 0 5 1 0 = 2 4 8 k f = k a k v k f b k f , = 1 5 1 1x1 4 2 1 0 = 2 3 4 3 k h = k a 脚k h 水h a = 1 5 x 1 i x l 3 2 6 x 1 0 = 2 1 9 k f = k a k v k f a k v , = 1 5 x 1 1 x 1 2 8 x 1 0 = 2 1 1 2 2 3 3 齿面接触疲劳强度计算 齿面接触疲劳强度的强度条件为： 【】 计算齿面接触疲劳强度的应力公式为：一乙z 日z 。、2 蒯k n ；tu h , 1 - 许用接触应力为【】= 竺絮逝 。胃 ( 1 ) 确定许用接触应力 a h 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 寿命系数z n 寿命系数z n 是考虑档齿轮只要求有限寿命时，其许用接 触应力可以提高的系数。在这里按照齿轮是寿命1 2 0 万公里设计，选择 z n i = i 1 8 ，z n 2 = 1 1 6 。 安全因素s h 选择安全因素时，应当考虑可靠性要求、计算方法和原始 数据的准确程度以及材料和加工制造对零件品质的保障程度等。确定为一般 可靠条件，取s h = 1 o ，取疲劳极限$ h l i m l = 1 6 5 0 m p a ，s 础m 2 = 1 5 0 0 m p a 许用接触应力为【l 】。o h - l i r a _ 1 z n 1 = 1 6 5 0 x1 1 8 1 0 5 = 1 8 5 4 3 m p a ， ) 日 【2 卜o h l i f r a 2 z n 2 = 1 5 0 0x 1 1 6 1 0 5 = 1 6 8 5 7 m p a 。 ) 日 ( 2 ) 计算齿面接触应力口茸 弹性系数z e 选取弹性系数z e 1 9 0 m p a 。 节点区域系数z h 选取节点区域系数z h = 2 5 。 齿面接触疲劳强度的应力为 悬臂支承方式： a x = z r z n z , 1 2 6 k d n ? t u h - ；1 - = 1 9 0 2 5 0 8 8 3 ，2 x 5 6 0 x 4 4 7 5 x 1 0 6 ，c 6 2 9 4 1 + 1 y1 6 0 1 5 3 6 2 9 4 1 = 1 6 5 1 7 m p a 外端支承方式： c r x = z e z h z , 1 f2 鲥k n ? tu h 兰1 = 1 9 0 x 2 s x o 8 8 3 x v2 x 2 1 4 6 0 8 x 4 1 4 5 7 3 5 ：x 1 0 6 ，、6 6 2 9 2 4 9 1 4 + 1 1 两端支承方式： a h = z e z h z t 吨2 k b d h t u u 1 - = 1 9 0 2 5 o 8 8 3 三2 三三号甚妾掣皇j 至呈当芸 = 1 0 3 2 9 m p a 三种支承结构的盯。 f c r 辩】 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 4 齿轮抗弯疲劳强度计算 齿轮弯曲应力强度的强度条件为：听 【听】 计算齿轮抗弯疲劳强度的应力公式为：咋t 等等圪匕 u u 圣玎 ，ry y 许用弯曲应力为【】一竺，上警 ) ， ( 1 ) 确定许用弯曲应力【仃f 】 查表选取齿轮的弯曲疲劳强度极限i i m ，= 7 5 0 m p a o fl i