（车辆工程专业论文）大功率机车弹性联轴器及圆弧端齿联结技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 大功率机车驱动技术是机车转向架研究的重点之一，而其关键部件联轴器 是驱动装置的决定性因素，也是设计的难点。随着我国铁路向着高速，重载的 方向大力推进。在高速、重载大功率的工况下，对联轴器提出了更高的要求， 要求联轴器在及其有限的空间内实现高转速运转和大扭矩的传递。 根据h x d i b 机车驱动系统的结构和尺寸，采用有限元软件a n s y s ，建立 圆弧端齿弹性联轴器轴体的有限元模型，对圆弧端齿弹性联轴器进行强度和刚 度分析，包括轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度、径向刚度以及轴体的静强度。 并以弯曲刚度为目标函数，对联轴器轴体进行参数优化。 考虑弹性联轴器在工作中发生1 弧分的弯曲变形，分析机车驱动系统在弹 性联轴器发生弯曲变形时，附加弯矩对驱动系统轴承载荷的影响，分析弹性联 轴器轴体优化前、后，轴承载荷的增载率。 分析弯曲工况下动不平衡精度等级对圆弧端齿齿形应力的影响。分析比较 弹性联轴器轴体优化前、后各动不平衡精度等级对驱动系统轴承载荷的影响， 从而选定合理经济的动不平衡精度等级。本文同时分析了弯曲工况下动不平衡 精度等级对圆弧端齿的应力影响。 本文分析了圆弧端齿弹性联轴器的工作原理以及圆弧端齿齿形成形原理和 结构参数设计，对弧齿端齿盘进行几何参数设计，并根据联轴器的运行工况， 分析了弧齿端齿盘的受力状况以及弧齿端齿盘的强度分析。并同时对相同参数、 相同工况下的直齿端齿盘的强度进行分析，通过比较，得出弧齿端齿盘的性 能优越性。 分析圆弧端齿联轴器的加工工艺以及焊接工艺进行分析。得出端齿圆弧半 径的设计规律和齿形形成的有效方法。 本文通过对圆弧端齿弹性联轴器的结构及性能分析以及机车驱动系统的性 能分析，能有效地掌握机车驱动系统中的圆弧形端齿弹性联轴器的结构特性、 设计机理和制造方法，为圆弧端齿弹性联轴器在大功率机车驱动系统中的应用 提供分析依据。 关键词：圆弧端齿盘；联轴器；机车驱动系统；轴承载荷；加工工艺； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s tr a c t h i g h p o w e rl o c o m o t i v ed r i v et e c h n o l o g y i st h e r e s e a r c he m p h a s i so ft h e l o c o m o t i v eb o g i e ，a n dt h ec o u p l i n g ，t h ek e yp a r t sf o rt h eh i g h - p o w e rl o c o m o t i v e d r i v et e c h n o l o g y , i st h ed e c i s i v ef a c t o rf o rt h ed r i v i n gd e v i c ea n dt h ed e s i g n d i f f i c u l t i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s er a i l w a yt o w a r dh i g h - s p e e da n dh e a v y h a u l ，t h el o c o m o t i v ed r i v es y s t e mp r o p o s e sh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ec o u p l i n g i n i h eh i g h s p e e da n dh e a v yh a u lw o r k i n gc o n d i t i o n ，t h el o c o m o t i v ed r i v es y s t e m r e q u i r e st h ec o u p l i n gc a l lr e a l i z eh i g hs p e e dr o t a t i o na n dh i g ht o r q u et r a n s m i s s i o ni n t h el i m i t e ds p a c e i nt h ep a p e r , w ew i l le s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ea r ct o o t hf l e x i b l e c o u p l i n gb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eb a s e do nt h es t r u c t u r ea n d s i z e so fh x d 1bd r i v e s y s t e m w ew i l lc a r r yo u ts t r e n g t ha n a l y s i sa n ds t i f f n e s sa n a l y s i s ，i n c l u d i n g a x i a l s t i f f n e s s ，b e n d i n gs t i f f n e s s ，t o r s i n a ls t i f f n e s s ，r a d i a ls t i f f n e s s ，a n ds t a t i cs t r e n g t ho f t h ec o u p l i n g w ea l s oc a r r yo u tp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nw i t ht h eb e n d i n gs t i f f n e s sa s o b j e c t i v ef u n c t i o na i m i n ga tc o u p l i n g t h el o c o m o t i v ed r i v es y s t e mw i l lb es u b je c t e da d d i t i o n a lm o m e n tb e c a u s et h e f l e x i b l ec o u p l i n gb e n d sd u r i n go p e r a t i o n t h ep a p e rw i l ls t u d yo nt h ea f f e c to ft h e a d d i t i o n a lm o m e n tt ot h eb e a r i n gl o a d ，a n dr e s e a r c ht h el o a d - i n c r e a s i n gr a t ep r e a n d p o s tt h ec o u p l i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n t h ep a p e rw i l la n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ed y n a m i ci m b a l a n c ep r e c i s s i o ng r a d e o nt h ep r o f i l es t r e s su n d e rb e n d i n gc o n d i t i o n i no r d e rt os e l e c te c o n o m i c a ld y n a m i c i m b a l a n c ep r e c i s s i o ng r a d e ，t h ep a p e rw i l la n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ed y n a m i c i m b a l a n c ep r e c i s s i o ng r a d eo nb e a r i n gl o a dp r - a n dp o s tt h ec o u p l i n gp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n t h ep a p e rw i l la n a l y z et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ea r ct o o t hf l e x i b l ec o u p l i n g ， p r o f i l ef o r m i n gp r i n c i p l eo f t h ea r ce n d - t o o t h ，c a r r yo nt h es t r u c t u r ed e s i g nt oc h ea r c e n d t o o t h u s e dt h em o d e lo ft h ea r ce n d t o o t h ，i tw i l lr e s e a r c ht h el o a dc o d i t i o no f t h ea lee n d t o o t ha n ds t r e n g t ha n a l y s i s i tw i l lc a r r yo nt h es t r e n g t ha n a l y s i st ot h e s t r a i g h te n d t o o t hu n d e rt h es a m ep a r a m e t e r s t h es a n l ew o r k i n gc o n d i t i o nb a s e do n t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h ec o u p l i n g ，a n do b t a i nt h ep e r f o r m a n c es u p e r i o r i t yo ft h e a r ce n d t o o t ht h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1il 页 t h e p a p e rw i l la n a l y z et h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dw e l d i n gt e c h n o l o g yo ft h e a r ct o o t hf l e x i b l ec o u p l i n g ，a n do b t a i nt h ed e s i g nr u l eo ft h ea r ct o o t hr a d i u sa n dt h e e f f e c t i v em e t h o do ft h ep r o f i l ef o r m i n g t h r o u g ht h es t r u c t u r ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h ea r ct o o t hf l e x i b l ec o u p l i n g a n dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h el o c o m o t i v ed r i v es y s t e m ，w ec a l lm a s t e rt h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g nm e c h a n i s m ，a n dm a n u f a c t u r i n gm e t h o d ，a n d p r o v i d e s o m ec e r t a i nr e f e r e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h ea r ct o o t hf l e x i b l ec o u p l i n go nt h e s u p e r p o w e rl o c o m o t i v ed r i v es y s t e m k e y w o r d s ：t h ea r ce n d t o o t hp l a t e ；c o u p l i n g ；l o c o m o t i v ed r i v es y s t e m ；b e a r i n gl o a d ； p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y 西南交通大学曲南交通大宇 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 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：务必明 日期：切叩胗少 指导老师签名：猛钇字 日期：_ 州c f 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己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： ( 1 ) 通过分析比较圆弧端齿和直齿的在正常工况和弯曲工 况下的性能特点，得出圆弧端齿结构的优越性能。 ( 2 ) 对弧形端齿的齿形参数和加工方法进行研究，得出端 齿圆弧半径的设计规律和齿形形成的有效方法。 ( 3 ) 对h x d l b 驱动系统弹性联轴器的轴体结构进行参数优 化，给出优化后的各项弹性参数和经济的动不平衡精度等级，使驱 动系统的主动轴支承轴承附加载荷得到有效改善； ( 4 ) 通过分析比较联轴器轴体优化前、后，动不平衡精度 等级对端齿性能和轴承载荷的影响，得出动不平衡精度精度等级 对机车驱动系统性能的影响规律。 学位论文作者签名：痊也舰 日期：川件 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 j - - - 。一 1 1 月i j 舌 联轴器是联接两轴或轴和回转件，在传递运动和动力过程中一同回转而不 脱开的一种装置。此外，联轴器还能具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振以及 安全防护功能。 按照联轴器的性能分类，联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联 轴器或称为固定式联轴器，这种联轴器虽然不具有补偿功能，但有结构简单、 制造容易、不需要维护、成本低等特点；挠性联轴器中又分为无弹性挠性联轴 器和带弹性元件挠性联轴器，前一类只具有补偿两轴相对位移的能力，后一类 除具有补偿性能外，还具有缓冲和减振作用，但在传递转矩的能力上，因受弹 性元件的强度限制，一般不及无弹性元件联轴器。 联轴器是机车驱动装置的关键部件，随着铁路机车车辆运行速度的提高， 对联轴器的结构及性能提出了更高的要求。自二十世纪六十年代中期以来，国 际上机车动车的运行速度大幅度提高，干线货运机车的构造速度为1 2 0 1 6 0 k m h ，干线客运机车的构造速度为1 6 0 - - - - 2 5 0 k m h ，高速动车组的构造速度 为2 0 0 , - 一3 0 0 k m h ，个别型号动车已达3 5 0 k m h 。为满足高速运行的经济指标， 机车动车的功率也不断增大。三相异步交流电机在机车上的应用获得成功，使 每台牵引电动机的功率由7 0 0 , - 8 0 0 k w 增大到1 2 0 0 - - - 1 6 0 0 k w 。单电机转向架问 世后，组合传动的牵引电动机，其功率就更大了，如法国c c 2 1 0 0 0 型电力机车， 其牵引电动机的小时功率达3 0 0 0 k w 。可见，传动装置为适应机车动车的需要而 向高速、大功率发展成为必然的趋势。 近几年，我国轨道交通发展迅速，加快了机车车辆技术的发展。我国铁路 客运已实现六次大提速，时速1 6 0 k m h 以上的线路延展里程达到1 4 万公里， 时速2 0 0 k m h 以上的线路延展里程达6 0 0 3 公里。重载运输得到全面发展，大秦 线路大量开行1 万吨和2 万吨重载组合列车，将实现年运量3 o 亿吨。 由此可以看出，随着铁路向着高速，重载的方向大力推进，大功率机车驱 动技术是机车转向架研究的重点之一，为了满足铁路发展的需要，机车驱动装 置必须满足高转速、大扭矩、大功率的性能要求，而其关键部件联轴器是驱动 装置的决定性因素，也是设计的难点。 在大功率机车的驱动系统中，联轴器将电机的驱动力矩传递给主动齿轮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 联轴器与主动齿轮轴之间依靠端齿传递力矩。在高速、重载大功率的工况下， 对联轴器提出了更高的要求。要求联轴器在及其有限的空间内实现高转速运转 和大扭矩的传递。 为了解决上述问题，现代交流大功率机车的驱动系统普遍采用将电机和齿 轮箱合成的整体驱动系统，其联轴器采用膜片式弹性联轴器，如h x d l b 、 h x d 3 b 等机车。联轴器的端齿齿形分布通常采用三种方式：十字型端齿，径向 端齿，圆弧端齿，三种方式的齿形断面均为梯形。 在当前实际应用过程中，圆弧端齿主要有两种形式，一种是每对啮合的圆 弧端齿盘分为凸齿元件和凹齿元件，另一种圆弧端齿是各圆弧端齿沿径向方向 齿廓线的方向相同。后一种圆滑端齿相对于前一种，具有结构简单，制造方便 等优点，可以采用成形杯形砂轮一次同时加工两相邻齿面，能够较大的提高圆 弧端齿的制造加工效率。 圆弧端齿相对于其它几种齿形端面，则主要具有以下优点： 高刚性，当齿与齿啮合时，轮齿间接触面是相当均匀连续的，而且齿盘有 多少轮齿便有多少对齿接触面，接触面积大，因此齿盘就能承受较高的载荷而 具有很高的刚性。 自动对心，由于端面弧齿盘的轮齿齿形由外向内沿其弧度均匀缩小，且轮 齿以端齿盘的中心轴对称。在各齿向心力的作用下，两端齿盘实现精确自动对 心。 此外，圆弧端齿弹性联轴器较前两种齿形具有结构紧凑、啮合精度高、传 递力矩大，并便于设计、制造、安装等一系列优点。 因此，圆弧端齿弹性联轴器应用于我国引进的和谐号大功率机车转向架的 驱动系统中。为有效地消化吸收驱动系统中圆弧形端齿弹性联轴器的结构特性， 需进行深入研究其设计机理和制造技术。 1 2 圆弧端齿弹性联轴器在当前国外发展状况 圆弧端齿弹性联轴器是飞机、船舶等装备的重要部件，圆弧端齿盘最早由 美国格利森公司设计，当初主要在高工作温度、高转速、高负载运行环境下的 联轴器使用，被大量应用于航空机械涡轮引擎传动主轴，主要用途为组装及固 定涡轮机各级转子。例如在e j 2 0 0 发动机、r b l9 9 发动机、瑞达6 0 0 发动机结 构设计中，均采用圆弧端齿弹性联轴器。 圆弧端齿盘是由美国格里森公司所发展，最初主要用于飞机引擎传动轴的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 联接。随着圆弧端齿弹性联轴器的广泛应用，国外对圆弧端齿进行了广泛的研 究。圆弧端齿盘是由美国格里森公司( 1 9 4 5 ，1 9 7 3 ，1 9 7 9 ，1 9 8 2 ，1 9 9 5 ) 所发 展的，最初主要用于飞机引擎传动轴的连接，1 9 8 2 年g a r r e t tt u r b i n ee n g i n e 公 司对圆弧端齿弹性联轴器的特点及维护进行了研究。1 9 7 9 年格里森公司对圆弧 端齿弹性联轴器的安装进行研究，d a v i d s o n ，j k w i l c o x ，l e ( 1 9 7 6 ) 对如何减小圆 弧端齿弹性联轴器的装配过程中的跳动进行了研究，d e m i n ，a i ( 1 9 7 8 ) 对圆弧端 齿弹性联轴器的计算和设计进行研究，s h a z e m 、m t s u t s u m i 与y i t o ( 1 9 8 5 ) 提出圆弧端齿联轴器应用于车床刀架旋转台的研究，以实验法测量和探讨在承 受三向外力时，不同齿数所产生的应力和应变的情况。p i s a n i ，sr 和r e n c i sj j ( 2 0 0 0 ) 应用有限元软件对圆弧端齿弹性联轴器的性能进行分析。而且 t m h y d e ，a a b e c k e r 与j w t a y l o r ( 2 0 0 0 ) 提出以对圆弧端齿弹性联轴器的进行 三维有限元分析，研究飞机引擎上联轴器使用的端面弧齿盘在叶片断裂飞出时 的应力情形。o r c h a r d 研究利用坐标测量机对圆弧端齿进行检测。 1 3圆弧端齿齿联轴器在国内发展状况 基于圆弧端齿在高速、大功率传动中的优点，圆弧端齿弹性联轴器在国内 最先应用于飞机、轮船等大功率设备的发动机上面。我国很早就从美国 g l e a s o n 公司引进了型号为g l e a s o n l 2 0 型机床，专门用来对圆弧端齿弹性 联轴器的圆弧端齿进行加工。随着加工工艺及制造水平的逐渐提高和制造成本 的降低，圆弧端齿弹性联轴器在高速、重载行业得到了推广，例如在梁门式起 重机中，在电机的输出轴和减速器的输入轴之间采用圆弧端齿弹性联轴器，有 效的避免原带制动轮弹性柱销联轴器连接时弹性圈及柱销的损坏。在钢铁行业， 如武钢酸洗连轧主动传动太钢1 5 4 9 m m 热连轧f 3 主传动、f 2 电机端传动，冷 轧八辊轧机主传动鞍钢1 5 0 0 m m 冷轧传动轴莱钢1 7 0 0 m m 热连轧精轧机主传动 等都采用圆弧端齿弹性联轴器。而随着铁路的发展，在我国引进的h x d l b 、 h x d 3 b 机车驱动装置中，也采用端齿弹性联轴器。 随着圆弧端齿应用的逐渐广泛，国内对圆弧端齿及圆弧端齿弹性联轴器进 行了越来越多的研究。我国在2 0 0 6 年制定了圆弧端齿的航空工业标准h b 7 8 0 8 2 0 0 6 。在国内针对圆弧端齿盘的研究有刘清海( 1 9 9 0 ) 对圆弧端齿的磨削 工艺进行研究分析。尹泽勇、欧圆霞、李彦、杨德辉等人( 1 9 9 3 ，1 9 9 4 ) 提出 圆弧端齿弹性联轴器刚度及其对转子动力特性的影响研究。邱垂元( 1 9 9 6 ) 针 对各种分度与旋转机构的功能介绍。江树动( 1 9 9 8 ) 针对圆弧端齿弹性联轴器的齿 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 形设计参数加以叙述，推导齿形轮廓方程式，分析圆弧端齿弹性联轴器的齿印 痕。沈大维( 1 9 9 9 ) 利用圆弧端齿弹性联轴器曲面几何性质，求其齿面接触位置及 齿印形态。林政连( 2 0 0 0 ) 针对圆弧端齿弹性联轴器加工误差及分度定位精度作研 究，探讨圆弧端齿弹性联轴器的几何外形与分度特性。徐伟( 2 0 0 7 ) 对圆弧端 齿盘的定位及其加工进行了研究。吴鸿雁、李剑锋等对圆弧端齿弹性联轴器提 出基于齿面磨削成形原理并利用a u t o c a d 平台及v b a 编程开发凸、凹齿盘的 加工仿真软件。而且很多工厂及高等院校都在基于现有工艺制造水平的前提下， 对圆弧端齿的齿面设计及加工工艺进行了深入的研究。 1 4论文的主要内容 ( 1 ) 圆弧端齿结构设计，分析圆弧端齿齿形成形原理及齿形和参数设计； 通过分析圆弧端齿的几何设计及磨削加工的基本原理，给出圆弧端齿的几何 设计方法，并对圆弧端齿盘磨削加工过程中需要考虑的参数调整和相应磨削砂 轮的参数设计进行设计计算，分析圆弧端齿齿形成形原理及齿形和参数设计； ( 2 ) 采用a p d l 语言建立圆弧端齿盘的有限元模型，并对齿形参数进行优 化设计，同时对相同工况和参数下的直齿端齿盘进行有限元分析。通过分析比 较，得出圆弧端齿盘的优越性； ( 3 ) 圆弧端齿的成形方法进行分析： 圆弧端齿的加工采用成型磨削，端齿齿面的几何形状及性质与砂轮磨削几何 参数，砂轮与齿盘坯的相对位置存在密切联系，圆弧端齿的质量直接关系到其 运行特性、承载能力和使用寿命。通过对圆弧端齿成形方法分析，为圆弧端齿 在现有技术条件下的制造提供参考。 ( 4 )弹性联轴器工作原理及刚度参数研究及动不平衡精度等级分析，对 圆弧端齿联轴器进行刚度( 轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度、径向刚度) 参数 分析，分析驱动系统轴承受力； ( 5 ) 弹性联轴器强度，对弧形端面齿静强度、动强度及疲劳强度分析； ( 6 ) 弹性联轴器结构参数优化； 采用a p d l 参数化语言建立联轴器轴体的有限元模型。通过以联轴器轴体 的弯曲刚度作为目标函数，对联轴器轴体参数进行优化，使联轴器轴体在满足 强度要求的前提下，降低其弯曲刚度。当联轴器轴体发生弯曲时，减小附加载 荷对驱动系统轴承的受力影响，从而降低机车驱动轴承载荷。 ( 7 ) 弹性联轴器焊接工艺分析； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 与其它联轴器两半联轴体的连接方式不同，圆弧端齿弹性联轴器两半轴体 采用等离子焊接技术，将两半轴体焊接为一体。本文将对圆弧端齿弹性联轴器 的等离子焊接工艺进行初步分析，确定等离子焊接工艺的主要参数和焊接的基 本工艺要求。 ( 8 ) 端齿联结轴向预紧力分析； 联轴器在工作中，端齿齿面在传递扭矩时，会产生轴向分力，从而使啮合 的端齿有分离的趋势。为了保证端齿在啮合过程中不发生分离，联轴器采用螺 栓预紧方式，在两端齿之间施加一定大小的预紧力，从而保证端齿的正常啮合。 预紧力过大，则会增大圆弧端齿的齿根应力，降低端齿的使用寿命；预紧力过 小，则无法保证圆弧端齿的正常啮合，端齿在啮合过程中会分离。因此，必须 对圆弧端齿联结轴向预紧力进行分析，确定合适的预紧力大小，保证端齿的正 常啮合。 1 5论文的关键问题 本论文需要解决的关键问题主要有： ( 1 )圆弧端齿结构方案和参数设计； ( 2 ) 对圆弧端齿进行参数优化，分析端齿接触应力和齿根应力分布状态， 确定最优圆弧端齿的齿形结构，并与同参数的直齿端齿进行性能比较，得出圆 弧端齿的优越性能； ( 3 ) 分析圆弧端齿的齿形成形原理，为圆弧端齿齿形制造提供分析依据； ( 4 ) 采用a n s y s 参数化建模语言一a p d l 语言，建立参数化联轴器轴体 模型，对轴体参数优化，以改善驱动系统轴承的受力状态。 1 6拟采取的研究方案 结合大功率机车驱动系统运行工况及结构特点，通过分析圆弧端齿的几何 设计及磨削加工的基本原理，对圆弧端齿进行总体结构设计，对圆弧端齿的几 何结构设计。并根据机车驱动动系统的运行工况和圆弧端齿的结构特点，对圆 弧端齿进行受力分析，即分析圆弧端齿盘在传递扭矩t 时的受力状态，计算单 齿面上的齿面轴向力、齿面周向力及齿面法向力，对圆弧端齿进行强度校核。 并通过受力分析，确定圆弧端齿在传递扭矩时所需的预紧力的大小。采用a p d l 语言建立圆弧端齿的有限元模型，确定圆弧端齿的计算工况和边界条件，对圆 弧端齿的结构性能进行分析。同时对圆弧端齿通过参数优化，得出圆弧端齿的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 各参数( 如弧齿半径等参数) 对圆弧端齿性能影响的规律，同时得到最佳齿形 结构。对相同工况和参数下的直齿端齿盘进行有限元分析，通过分析比较，得 出圆弧端齿结构性能优越性。 通过对圆弧端齿齿形成形原理及加工机床主要运动关系分析，制定圆弧端 齿加工工艺流程，为圆弧端齿在现有技术条件下的制造、维修和保养提供现实 参考。 采用有限元软件a n s y s 对圆弧端齿弹性联轴器的性能进行分析，分析圆 弧端齿弹性联轴器在各种运行工况下联轴器的强度和刚度( 弯曲刚度、径向刚 度、轴向刚度、扭转刚度) 。并以弯曲刚度为目标函数，联轴器的最大v o nm i s e s 应力作为状态变量，考虑到联轴器的安装空间特点以及驱动系统的结构，选取 联轴器的一部分参数为设计变量，对联轴器的轴体进行参数优化，确立联轴器 的最佳参数指标。结合h x d l b 机车驱动系统的结构特特点，对驱动系统的轴 承受力进行分析，通过对联轴器的轴体进行参数优化，从而降低驱动系统的轴 承受力，改善轴承的运行工况，提高轴承的使用寿命。 根据圆弧端齿弹性联轴器的实际运行工况和结构特点，对圆弧端齿弹性联轴 器动不平衡分析，并分析圆弧端齿弹性联轴器轴体的等离子焊接工艺，根据相 关标准和焊接手册，确定等离子焊接的主要焊接参数。 1 7课题的创新性 ( 1 )通过分析比较圆弧端齿和直齿的在正常工况和弯曲工况下的性能特 点，得出圆弧端齿结构的优越性能。 ( 2 )对弧形端齿的齿形参数和加工方法进行研究，得出端齿圆弧半径的 设计规律和齿形形成的有效方法。 ( 3 ) 对h x d l b 驱动系统弹性联轴器的轴体结构进行参数优化，给出优 化后的各项弹性参数和经济的动不平衡精度等级，使驱动系统的主动轴支承轴承 附加载荷得到有效改善； ( 4 ) 通过分析比较联轴器轴体优化前、后，动不平衡精度等级对端齿性 能和轴承载荷的影响，得出动不平衡精度精度等级对机车驱动系统性能的影响 规律。 ( 5 ) 采用圆弧端齿连接代替h x d l b 驱动系统弹性联轴器的直齿径向端齿 连接，有效地降低端齿的接触强度和齿根弯曲刚度，提高端齿的承载能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章圆弧端齿弹性联轴器结构方案设计 2 1 机车驱动机构简介 21 1 机车驱动系统概述 机车驱动装置的作用是将牵引电机的功率传递给轮对。机车驱动装置是一 种减速装置，通过速比变化，用来驱动低转速、大阻力矩的机车动轴。 根据牵引电动机和减速箱在转向架上的安装方式的不同，驱动机构主要有 轴悬式和架悬式两种。而轴悬式又有刚性和弹性之分。 刚性轴悬式驱动机构特点是电机轴输出端与主动齿轮相连，输出端轴承置 于电机和主动齿轮之间，主动齿轮再将电机输出扭矩传至从动齿轮，最后传到 轮对上转化为牵引力。齿轮箱采用水平分布，主动齿轮啮合力仅由电机输出端 轴承承担。如东风4 b 型、东风4 d 型内燃机车分别采用滑动抱轴承、滚动抱轴 承轴悬驱动系统，此类型驱动机构结构简单、检修容易、拆装方便，在不起吊 车体的情况下，牵引电动机可以在落轮坑内卸下，各轮对的牵引电动机可以互 换互装。刚性轴悬式指牵引电机的一端由两个抱轴轴承刚性的支承在车轴的抱 轴轴颈上，另一端弹性地悬挂在构架上，最大缺点是电动机的部分重量是死重 量，它增大了对线路的动作用力。剐性轴悬式驱动机构如下图2 - i 所示： 图2 1刚性轴悬式驱动机构 弹性轴悬式驱动机构的结构是电动机一端经弹性吊挂于构架上，另一端经 弹性装置支撑于轮心上。弹性轴悬式与刚性轴悬式的区别，在于前者的电动机 在轮对上是弹性支悬的，它能够改善对线路的动作用力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 轴悬式驱动机构主动齿轮安装呈悬臂式、主动齿轮轴承置外端式和主动齿 轮轴承置主动齿轮两端式，分别如图2 1 、图2 - 2 和2 - 3 所示： 图2 2主动齿轮轴承外端式轴悬驱动 翻2 3主动齿轮轴承两端式轴悬驱动 架悬式驱动机构主要特点是将牵引电动机固装在转向架构架上，因而牵引 电动机属于簧上质量。牵引电动机与轮对之间需用能适应各向相对运动的联轴 器作为中间联结装置并传递扭矩。鞋轴器在结构上可以采用弹性元件( 弹簧或 橡胶块) ，也可以采用具有橡胶金属衬套的连杆关节机构。它广泛应用于世界各 国的高速机车和动车上，也应用与重型货运机车上。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 选择架悬式驱动机构时，一般情况下，应满足下列基本要求乃1 ： ( 1 ) 保证尽可能小的簧下质量，以获得良好的动力学特性，减少对线路及 走行部的动力作用。 ( 2 ) 具有完善的运动学特性，以保证驱动机构在振动和曲线运行所引起的 动载荷及附加应力尽可能小。 ( 3 ) 在运用中，对轮重的增减载变化要小。 ( 4 ) 保证驱动机构在运用中不仅具有高度的可靠性和耐久性，而且检修方 便。 2 1 2 机车驱动系统联轴器概述 联轴器是联接两轴或轴和回转件，在传递运动和动力过程中一同回转而不 脱开的一种装置。此外，联轴器还具有补偿两轴相对位移、缓冲和减振以及安 全防护功能。机车驱动系统联轴器是机车转向架驱动系统的重要组成部分，它 将牵引电机轴和齿轮轴联接在一起，从而实现将牵引电机的扭矩通过传动部分 传递到轮对。驱动系统中的联轴器主要所起的基本作用为： ( 1 ) 同心轴间力矩传递； ( 2 ) 适应轴肩间的径向、轴向、及偏角三向变位； ( 3 ) 提供驱动轴系必要的弹性，以降低传动噪声； 为驱动装置总成的装配提供便利。 2 2 联轴器的分类 联轴器的型式很多，至今尚无标准的分类方法，一般可将联轴器分成三类： 普通联轴器它可分为刚性联轴器和弹性联轴器两种，刚性联轴器又可分 为固定式和可移式的，而弹性联轴器可分为金属弹性元件的和非金属弹性元件 的两种。这类联轴器只是在被联接的机器停机时，用拆卸方法才能将两轴分开。 安全联轴器当所传递的扭矩超过限定值时，其中的联接件被折断、分离 或打滑，使传动中断或限制扭矩的传递，保护机器的重要机件不受损坏。 特殊联轴器用非机械方式直接联接的联轴器，如用液力传动、气压传动 或电磁操纵的联轴器。 联轴器的主要型式及分类见下图2 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 普通 f 固定式一凸缘联轴器、夹壳联轴器、套筒联轴器等 刚性 可移式一十字滑块联轴器、链条联轴器、 im 7 挠性爪型联轴器、万向联轴器等 弹性 金属弹簧式一盘绕弹簧联轴器、托马斯联轴器、 簧片联轴器等 非金属弹簧式一弹性圈柱销联轴器、尼龙柱销联轴器、 轮胎联轴器等 安全一销钉安全联轴器、扭矩限制型联轴器等 特殊一液力联轴器、粉末联轴器等 图2 - 4联轴器的分类 2 3 圆弧端齿弹性联轴器的选用 在设计和选择联轴器时，应根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、 两轴相对位移、缓冲吸振以及装拆、维修更换易损元件等综合分析来确定。具 体应当考虑一下几点4 1 ： ( 1 )原动机和工作机的机械特性。原动机的类型不同，其输出功率和减 速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的。而各种工作机的载荷性质差异 更大，有的平稳，有的冲击甚至强烈冲击或振动。这些是联轴器设计和选择的 首要依据，对于载荷平稳的，则选用刚性联轴器，否则宜选用弹性联轴器。 ( 2 ) 联轴器的运转情况。对于联接轴系的质量大、转动质量大，又经常起 动、变速或反转的，则应考虑选用能承受较大瞬时过载，并能缓冲吸振的弹性 联轴器。 ( 3 ) 工作机的转速。对于需高速运转的两轴联结，应考虑选择联轴器的结 构具有高平衡精度特性，以消除离心力而产生的振动和噪声。 ( 4 ) 联轴器的对中和对中保持程度，保持良好的对中是联轴器正常运转的 前提。 ( 5 ) 联轴器的结构及工作特性，联轴器的外形尺寸、安装、拆卸所需的空 间大小和难易程度以及对维护的要求等都应与联接机组的具体配置位置和要求 想适应。 ( 6 ) 联轴器的制造、安装、维护的成本，在满足使用要求的前提下，应使 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 选择的联轴器成本低，不需维护以降低经常费用。 本文在进行圆弧端齿弹性联轴器总体方案设计时，在综合考虑以上几点的 条件下，还主要考虑以下两点：一是从结构特点来考虑；另外从适用性方面来 考虑。 2 3 1结构特点分析 在大功率机车驱动系统中，由于大的驱动力矩和结构空间的限制，常采用 弹性端齿连接的联轴器。 联轴器的端齿齿形分布通常采用三种方式：十字型端齿，径向直齿端齿， 圆弧端齿，三种方式的齿形断面均为梯形。 相对于其它几种齿形端面，圆弧端齿主要具有以下优点： 高刚性，当凹齿与凸齿啮合在一起时，轮齿间接触面是相当均匀连续，而 且齿盘有多少对轮齿便有多少对齿接触面，接触面积大，因此齿盘就能承受较 高的载荷而且具有很高的刚性。 自动对心，由于端面弧齿盘的轮齿齿形由外向内沿其弧度均匀缩小，且轮 齿以端齿盘的中心轴对称。在各齿向心力的作用下，两端齿盘实现精确自动对 心。 此外，圆弧端齿弹性联轴器较前两种齿形具有结构紧凑、啮合精度高、传 递力矩大，并便于设计、制造、安装等一系列优点。 采用圆弧端齿弹性联轴器的两个半轴体采用等离子焊接成一体，联轴器的 端齿盘采用圆弧端齿盘，弹性联轴器端齿盘( 端齿盘1 ) 和齿轮轴端齿盘( 端齿 盘2 ) 的齿形曲率半径相等，且各齿沿圆周均匀分部，均布精度高，这样端齿盘 1 和端齿盘2 就可以紧密的配合。端齿盘l 和端齿盘2 通常要求能互相着色的齿 数要达到9 0 ，着色面积占工作面积的7 5 ，以保证各个齿在传递扭矩时，可 以均匀受力。 2 3 2 适用性分析 圆弧端齿弹性联轴器最早应用于飞机发动机，其高速、大功率的优点在飞 机发动机的应用过程中很好的体现出来。相对于铁路行业，飞机发动机中的圆 弧端齿弹性联轴器转速更高、功率更大，因此其运行工况更加恶劣。由此可以 看出，圆弧端齿弹性联轴器能够很好的满足高速、重载、大功率的运行要求， 能够满足当前铁路运输中机车驱动系统对联轴器的性能要求。 在当前我国引进的铁路机车驱动系统中，直齿端齿弹性联轴器应用于由西门 子引进的h x d l b 机车驱动系统中，h x d l b 驱动系统如上图2 3 所示，圆弧端齿 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 弹性联轴器应用于h x d 3 b 的机车驱动系统中。 2 4 本章小结 本章介绍了机车驱动系统的特点以及大功率机车驱动系统对联轴器的性能 要求。通过分析圆弧端齿弹性联轴器的结构和性能特点，从而得出圆弧端齿弹 性联轴器在适应高转速、大功率方面的性能优越性。同时对圆弧端齿弹性联轴 器的总体结构方案进行了初步设计，分析圆弧端齿弹性联轴器的结构特点和适 用性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章圆弧端齿弹性联轴器轴体结构及性能分析 圆弧端齿弹性联轴器将电机轴和主动齿轮轴联接成一体，联轴器与电机轴 采用过盈配合联接，与主动齿轮轴通过端齿盘联接。本章将对圆弧端齿弹性联 轴器的静强度进行分析，并通过a p d l 参数化建模，以圆弧端齿联轴器刚度参 数为目标函数，对弹性联轴器轴体进行参数优化，分析比较优化前后驱动系统 轴承受力，同时分析轴体优化前、后，动不平衡对轴承载荷及端齿应力的影响。 3 1 优化设计的基本概念 有限元分析过程中几乎所有的设计量，如厚度、长度、半径等几何尺寸、 材料特性、载荷位置、与大小等都可以用标量参数表示，只要改变这些变量参 数的附值就能获得不同设计方案的分析过程。a n s y s 基于有限元分析的优化设 计技术就是在满足设计要求的条件下搜索最优化设计方案。在工程中，经常需 要使重量、面积、体积、应力、费用等达到最小化，同时必须保证材料在需用 工作范围内工作，结构的强度和刚度也必须达到足够的安全标准，以及结构不 会发生失稳，振动幅值、速度或加速度等动力响应指标不能超过需用范围等， 即最优设计方案就是一个满足所有设计要求的最经济、高效率的可行设计方案。 基于参数化有限元分析过程的设计优化包含下列基本要素。 ( 1 )设计变量( d v s ) ：设计过程中需要不断调整赋值的设计变量参数。 每个设计变量可能有上下限，用于规定设计变量的取值范围。常见的设计变量 有结构某部分的宽度、高度等几何尺寸。 ( 2 ) 状态变量( s v s ) ：设计要求满足的约束条件变量参数，是设计的因 变量，是设计变量的函数。状态变量也可能会有上下限，也可能只有上限或只 有下限。常见的状态变量有如应力不能超过需用应力、变形不能超过规定大小、 振幅限带4 。 ( 3 ) 目标函数( o b j e c t i v ef u n c t i o n ) ：设计中极小化的变量参数，必须是 设计变量的函数，及改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在a n s y s 优化程序中，只能设定一个目标函数。常见的目标变量有如重量、费用、应力、 变量等，或者某种导出结果，如方差最小、平均值最小。 ( 4 ) 优化设计方法即优化设计工具：a n s y s 提供了两种优化方法，即零 阶方法与一阶方法。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以有效地处理大多 数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 于精确的优化分析。 基于a p d l 的优化设计方法采用a n s y s 的批处理方法进行优化设计，其 主要分析过程如下。 ( 1 ) 利用a p d l 的技术和a n s y s 的命令创建参数化分析文件，利用优 化循环分析文件，除包括整个根系过程外还必须满足一下条件。 在前处理器p r e p 7 中建立参数化模型。 在求解器s o l u t i o n 中求解 在后处理器p o s t l p o s t 2 6 中提取并指定状态变量和目标函数。 ( 2 ) 进入优化设计器o p t ，执行优化设计分析过程。 指定分析文件。 ( 参声明优化变量，包括设计变量、状态变量和目标函数。 选择优化工具或优化方法。 ( d 指定优化循环控制方式。 ( d 进行优化分析。 查看设计程序结果。 3 2 圆弧端齿联轴器刚度分析 3 2 1 采用a p d l 语言建立联轴节有限元模型 本文采用a p d l 语言进行对联轴节进行参数化建模，并对联轴节进行强度 及刚度分析计算。根据联轴节的相关图纸及尺寸，在a n s y s 中建立联轴节的 实体模型，为便于扭矩及弯矩的施加，避免加载点局部应力集中，在建模时基 于加载等效的前提下，建立了如图1 所示的a 面与b 面之间的过渡体，在过渡 体a 面上施加扭矩及弯矩，这与在b 面上施加扭矩及弯矩是等效的。模型采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 s o