（车辆工程专业论文）350kmh高速动车组用鼓形齿联轴器的研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 高速动车组的驱动技术是动车组研究的重点之一，而其关键部件联轴器 是驱动技术方案的决定性因素，也是设计的难点。结合0 5 年度教育部创新团 队科研项目( 现代轨道车辆及其相关技术) ，本论文对三种典型的国外高速动 车组使用的联轴器技术进行了分析比较，提出了国内3 5 0 k m h 高速动车组驱 动系统采用鼓形齿联轴器的解决方案。 鼓形齿联轴器应用于日本e 2 1 0 0 0 型动车组，具有体积小、质量轻、容 易加工制造和易拆装、维护等一系列的优点。 论文针对鼓形齿联轴器的关键技术难点鼓形齿的齿面形状及齿面接触状 态进行了研究，结合对联轴器运动学、力学和结构方面的分析，提出一种适 用于3 5 0 k m h 高速动车组转向架的鼓形齿联轴器设计方案。首先，论文参考 e 2 - 1 0 0 0 动车组用鼓形齿联轴器相关资料以及齿轮手册中齿轮联轴器的 相关内容，给出了鼓形齿联轴器的结构形式及尺寸参数，为联轴器结构尺寸 的确定提供了思路和方法。其次，对联轴器进行了运动学和力学方面的分析， 结果表明：联轴器的结构尺寸满足运行工况要求；合理地控制其输入输出轴 的跳动能提高其传动效率。与此同时，在结构及力学分析的基础上，考虑到 参数化建模具有方便修改模型、节约设计时间等优点，论文采用了 a n s y s a p d l 语言对其模型进行了参数化建模，并完成强度分析，结果表明所 设计联轴器的强度满足许用要求。参数化建模为复杂结构的建模提供了一个 新的思路和方法。最后，鼓形齿的外形较为特殊，加工制造有一定的难度。 本文结合国内当前的机械加工水平，对其材料选取、加工制造、润滑及密封 等问题进行了探讨。 引进消化吸收再创新是提高自主创新能力的重要途径。通过对日本 e 2 1 0 0 0 型动车组鼓形齿联轴器技术的消化吸收，将有助于掌握这项关键技 术，为3 5 0 k m h 高速动车组用鼓形齿联轴器的开发与研究提供帮助，同时为 高速动车组的研制起到一定的推动作用。 关键词：高速动车组；鼓形齿联轴器；运动学；力学；强度 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t d r i v i n gt e c h n i q u eo f h i g hs p e e de m u i sa l w a y so n eo f t h ei m p o r t a n c eo f e m u r e s e a m h a st h ee m uk e yc o m p o n e n t , c o u p l i n gi st h ed e c i s i v ef a c t o ro fd r i v i n g t e c h n o l o g ys c h e m ea n dt h en o d u so fd e s i g n c o m b i n a t i n gw i t ht h es c i e n t i f i c r e s e a r c hp r o j e c to f m i n i s t r yo f e d u c a t i o na n di n n o v a t i o nt e a mo f 2 0 0 5 m o d e f nr a i l v e h i c l ea n dc o r r e l a t e dt e c h n o l o g y , t h ep a p e rc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e st h ec o u p l i n g t e c h n o l o g yo ft h r e ek i n d so ft y p i c a lf o r e i g nh i g hs p e = e de m u ，a n dp r o v i d e st h e s o l u t i o ns c h e m eo fu s i n gc r o w ng e a rc o u p h n gi nd r i v i n gs y s t e mo fd o m e s t i c 3 5 0 k m hh i g hs p e e de m u t h ec l o w ng e a rc o u p l i n gu s e di ne 2 1 0 0 0e m uh a ss e r i e so fa d v a n t a g e ss u c h a sl i t t l ev o l u m e ，l i g h t e rw e i g h t , e a s i e rt om a c h i n e ，m a n u f a c t u r e ，d i s m a n t l ea n d m a i n t a i ne t c t h ep a p e rc a l t y st h r o u g hs t u d yo nt h ek e yt e c h n o l o g yn o d u si n c l u d i n gf i g u r e a n dc o n t a c ts t a t u so fg e a rs u r f a c e , a n dp r o v i d e sak i n do fd e s i g ns c h e m eo fc r o w n g e a rc o u p l i n gb e i n gt h es a m ew i t h3 5 0 k m hh i g hs p e e de m ub o g i e ，c o m b i n e d w i t ha n a l y s i so f k i n e m a t i c s , m e c h a n i c sa n ds t r u c t u r eo f c o u p l i n g a tf i r s t ，t h ep a p e r p r o v i d e st h es t r u c t u r es t y l ea n dd i m e n s i o np a r a m e t e ro f t h ec o u p l i n ga c c o r d i n g t o c o r r e l a t i v em a t e r i a la n dt h ec o n t e n ta b o u tg e a rc o u p l i n gi ng e a rh a n d b o o k , a n da n e wt h i n k i n ga n dm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fc o u p l i n gs t r u c t u r ed i m e n s i o n s e c o n d l y , t h ep a p e rm a a l y z e si t sk i n e m a t i c sa n dm e c h a n i c s ，t h r o u g hw h i c h , w ec a l l d r a wac o n c l u s i o nt h a tt h es t r u c t u r ed i m a l s i o no ft h ec o u p l i n gm e e 协r u n n i n g c o n d i t i o nr e q u i r e m e n t ；r e a s o n a b l yc o n t r o l l i n gt h eb o u n c eo ft h ei n p u ta n do u t p u t a x i sc a ni n c r e a s ei t st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y a tt h es a m et i m e ，b a s e d0 1 1s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c sa n a l y s i s ，t h ep a p e rm a k e sap a r a m e t r i cm o d e l i n go ft h ec o u p l i n g b a s e do na n s y s a p d ll a n g u a g ea c c o r d i n gt ot h ea d v a n t a g e so fp a r a m e t r i c m o d e l i n g ，s u c h 鹤c o n v e n i e n t l ym o d i f y i n gm o d e l ，s a v i n gd e s i g nt i m ee t c ，a n d a c c o m p l i s h e s i t s s t r e n g t ha n a l y s i s a s a r e s u l t ，t h ec o u p l i n gs t r e n g t hm e e t s p e r m i s s i b l er e q u i r e m e n t p a r a m e t r i cm o d e l i n gp r o v i d e san e wt h i n k i n ga n dm e t h o d f o rc o m p l i c a t e ds t r u c t u r em o d e l i n g f i n a l l y , t h es h a p eo fc r o w ng e a ri sr e l a t i v e l y s p e c i a l ，s oi t sp r o c e s s i n ga n dm a n u f a c t u r i n gh a sac e r t a i nd i f f i c u l t y c o m b i n e dw i t h d o m e s t i cm e c h a n i c a l p r o c e s s i n g l e v e l ，t h ep a p e r d i s c u s s e si t sm a t e r i a l s e l e c t i o n ，m a n u f a c t u r i n g ，l u b r i c a t i o na n ds e a l i n g e t c 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 i m p o r t i n g ，d i g e s t i n g , a b s o r b i n ga n di n n o v a t i n gi sa ni m p o r t a n tw a yt oi m p r o v e t h ea b i l i t yo fi n d e p e n d e n ti n n o v a t i o n t h r o u g hd i g e s t i n ga n da b s o r b i n gt h e t e c h n o l o g yo f t h ee l o w ng e a rc o u p l i n gu s e di ne 2 1 0 0 0e m uo f j a p a n , w h i c hw i l l m a k ef o rm a s t e r i n gt h ek e yt e c h n o l o g y , i tw o u l d p r o v i d eh e 岫f o rt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ec r o w ng e a rc o u p l i n gu s e di n3 5 0 k m hh i g hs p e e de m u a sw e l l 勰p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n g t h ed e v e l o p m e n to f b i g hs p e e de m i1 k e yw o r d s ：h i g hs p e e de m u ，c l o w ng e a rc o u p l i n g , k i n c m a f i c s , m e c h a n i c s ，s t r e n g t h 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 不保密区使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：镑姆涛 日期：j 8 1 8 指导老师签名： 醐：q 。 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： 1 通过对日本新干线e 2 1 0 0 0 型动车组用鼓形齿联轴器的分 析和研究，提出一种国内3 5 0 k m h 高速动车组驱动系统用新型联 轴器设计方案。 2 对联轴器的技术难点一鼓形齿的齿面形状及齿面接触状态 进行研究；对其应用于高速转向架后有关运动学和动力学方面的 问题进行分析；并利用a n s y s 软件对其进行了a p d l 语言参数化 建模以及强度校核，为以后的研究和开发工作提供了依据。 声明人：张海涛 2 0 0 7 年1 2 月3 0 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章前言 1 1 课题的研究意义 本课题是西南交通大学牵引动力国家重点实验室0 5 年度教育部创新团 队科研项目( 现代轨道车辆及其相关技术) 的重要组成部分。课题的主要工 作是对3 5 0 k m h 高速动车组用的转向架驱动部分关键部件挠性浮动齿式联 轴器( 即鼓形齿联轴器) 进行研究。 作为转向架驱动部分的关键部件，鼓形齿联轴器的作用是将牵引电机的 扭矩有效地传递到齿轮箱中，并且能适应牵引电机输出轴与齿轮箱的输入轴 之间产生的较大轴向、径向与角向跳动的复杂工作环境。鼓形齿联轴器的开 发成功对于研制3 5 0 k m h 高速动车组转向架必将是一个巨大的推动。 1 2 国内外现状分析”1 国内外许多学者都对鼓形齿联轴器进行了较广泛的研究矧。1 9 9 4 年，易 传云埘等建立了非共轭齿面鼓形齿联轴器的内外齿面方程，根据非共扼齿面 的啮合条件进行了啮合状态的计算分析，得出了若干运动学分析的结论。1 9 9 4 年，彭福华嘲等解决了3 自由度共扼滚切鼓形齿轮齿面有关理论及计算问题， 对鼓形齿轮实际齿面的形成进行了系统的分析，通过计算和实验验证，揭示 了齿坯不同摇摆运动次数、滚刀垂直进给量对鼓形齿轮左、右齿面包络形成 的规律。1 9 9 4 年，孙春一“”结合鼓形轮齿的结构特点，应用弹性流体动力润 滑理论对鼓形齿齿轮联轴器的齿面润滑状态进行了分析，并讨论了影响齿面 润滑状态的各种因素及提出了防止齿面磨损的措施。1 9 9 6 年，张瑞乾n 1 1 提出 了靠模滚齿工艺加工鼓形齿轮的一种新方法，它的出发点是保证鼓形齿轮理 论齿面上的两个对称的参考点。根据这个要求设计滚齿靠模，可做到加工出 的鼓形齿面对称性较好，从而使鼓形齿联轴器具有较优良的传动性能。1 9 9 7 年，李月潭“”建立了渐开线鼓形齿齿廓方程，并由此方程推导出鼓形齿联轴 器的齿面接触点位置、齿侧间隙和综合曲率半径的计算式。1 9 9 7 年，钟刚“” 通过对太钢热连轧厂f 3 f 6 精轧机组主传动上的大摆角鼓形齿联轴器在制造 中所需侧隙值的设计论证，为国内制造此种特型联轴器提供了理论依据。1 9 9 7 年，曹玉莲“”对重型刮板输送机用鼓形齿联轴器的主要参数及其相互关系做 了分析，并进行了强度校核。所述设计方法在实践中获得了良好效益，为同 类型联轴器的设计提供了新的依据。1 9 9 8 年，肖来元“”应用三维弹性边界元 方法对一鼓形齿联轴器的多齿接触问题进行了数值计算分析，然后在专用试 验台架上作了相关实测研究。通过理论与实验研究，得到并验证了该鼓形齿 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 联轴器在传递额定载荷的条件下，一啮合区内其实际接触齿对数的数值；并 为该领域的深入研究和弹性啮合原理的创立提供了一定基础。1 9 9 8 年，梁以 德“”用弹性流体动力润滑理论研究、分析鼓形齿联轴器齿面磨损的原因，探 讨减少或避免磨损的措施。1 9 9 8 年，蒋德胜1 分析了大型轧制设备中使用的 鼓形齿联接轴的结构和特点，研究其接轴力能参数和几何参数的计算方法以 及有关材料选择及润滑、密封等问题。1 9 9 9 年，彭书志“”研究了齿轮联轴器 这一空间啮合问题。当角位移为某一定值或在一定范围内变动时可对齿轮联 轴器中的鼓形齿外齿形进行计算机辅助优化设计，可得到满足共扼状态的优 化设计的外齿套，这对于改善齿轮联轴器传动中啮合状态、使用寿命有较大 意义。2 0 0 1 年，刘洪清“”提出了介绍渐开线圆柱齿轮鼓形齿齿形和齿向误差 的测量，及其用设计齿形、齿向曲线图，对被测量渐开线圆柱齿轮鼓形齿齿 形和齿向误差的实际形状和位置误差进行评定的方法。2 0 0 2 年，丁元兴1 运 用计算机技术分析鼓形齿联轴器过渡曲线干涉，用经济、合理的工艺方法插 制出有根径要求的内齿轮。2 0 0 2 年，王新红2 ”根据鼓形直齿圆柱齿轮的结构 特点，介绍了在铣床上加工鼓形直齿圆柱齿轮的工作原理，即利用铣床上回 转工作台的回转运动( 进给运动) 和分度头分齿运动的合成，在立式铣床上 加工齿轮联轴上的鼓形齿，同时阐述了工装刀具安装与调整、工件装夹、切 削参数选择、工件检测等工艺过程，创建了鼓形直齿圆柱齿轮的铣齿工艺。 2 0 0 3 年，王青云针对鼓形齿常用切削方法中存在的不足，提出了一种在数 控机床上用展成法加工鼓形齿的新方法，并对加工过程进行了啮合分析，得 出用数控机床只要改变程序便可加工任意齿数的齿轮，并可达到预期精度的 结论。2 0 0 5 年，重庆大学机械传动国家重点实验室谭莉莉以v i s u a lf o r t r a n 作为工具，开发齿轮联轴器有限元弹性接触分析前处理程序，自动生成齿轮 联轴器轮齿的计算模型及输入数据，并采用该程序与i d e a s 软件结合分析的 方式对联轴器不同工况下的接触应力进行了分析，为齿轮联轴器的强度分析 提供了一种新的方法。 因为该种联轴器具有良好的动力传递功能、较强的抗干扰性，所以在冶 金机械、重型、矿山机械、起重、运输机械等都有广泛的应用。在铁路行业， 国内外也均有应用。日本新干线的3 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系及e 2 动车组，日 本部分城市地铁和市郊电动车组等均采用鼓形齿联轴器。德黑兰地铁1 、2 号线也采用该种类型的联轴器。目前，国内的铁路车辆除了昆明春城号动车 组和铁道部研究项目一高速动力分散电动车组应用外，其余主要应用在地铁 车辆上，广州地铁1 、2 号线、北京地铁旧型号车辆、北京地铁仿日车辆、天 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 津地铁车辆以及大连7 0 低地板面轻轨车等。因为我国高速动车组的预研 工作才刚刚开始，所以对于该种联轴器应用于3 5 0 k m h 高速动车组的可行性 还有待进一步的研究和探讨。 1 3 课题的研究内容与关键问题 本课题的研究目标：对联轴器的关键技术难点鼓形齿的齿面形状及齿面 接触状态进行研究，结合对联轴器运动学、力学以及结构方面的分析，提出 一种适合于3 5 0 k m h 高速动车组转向架用联轴器一鼓形齿联轴器的设计方 案。 1 3 1 课题的研究内容 研究内容主要包括： 1 对联轴器关键部位鼓形齿的齿面形状进行分析，制定出联轴器的尺 寸参数，并给出二维和三维图形； 2 对该联轴器进行运动学和力学方面的分析； 3 利用a n s y s a p d l 语言对联轴器的外齿套和内齿圈进行参数化建模， 并利用a n s y s 软件对联轴器的齿面接触强度和齿根弯曲强度进行校核； 4 对联轴器的加工制造、润滑与密封进行探讨。 1 3 2 课题的关键问题 课题需要解决的关键问题主要有： 1 联轴器的运动学和力学的分析与研究，检验其是否能满足功能要求； 2 对联轴器进行a 1 髑y s 建模，因为考虑到鼓形齿外形的特殊性，决定 采用a n s y s 参数化建模语言- a p d l 语言，对联轴器的关键部件外齿套和 内齿圈进行参数化建模； 3 利用a n s y s 软件对联轴器关键部件进行有限元分析，校核其是否满 足材料的许用要求。 1 4 课题的解决方法及其可行性研究 当前，我国引进的日本新干线e 2 1 0 0 0 型动车组就应用了该种形式的联 轴器。所以可以通过对e 2 1 0 0 0 型动车组所采用的联轴器进行分析和研究， 结合中国目前的技术现状和加工制造水平，设计出符合要求的联轴器。 1 4 1 课题的解决方法 本课题所采取的技术路线是：通过对e 2 1 0 0 0 型动车组相关资料的消化、 吸收，首先确定联轴器的结构形式以及相关的几何尺寸；其次，对联轴器进 行运动学和力学的分析与研究，检验其是否能满足功能要求；再次，利用 a n s y s ，a p d l 语言对其进行参数化建模，并通过a n s y s 软件对该联轴器进 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 行强度校核；最后，对该联轴器进行国产化方面的讨论。 1 4 2 课题的可行性研究 目前，动车组根据动力的分布形式可分为动力分散和动力集中两种模式。 相比而言，动力分散电动车组具有牵引与制动粘着性能好、启动加速快和功 率储备、且动力轴的轴重轻、单轴牵引电机和传动装置功率小等优点。所以， 现在动车组采用动力分散形式所占的比例较高。动力分散型动车组的牵引电 机一般都采用架悬方式布置驱动机构，采用体悬和抱轴方式极少。 日本新干线e 2 1 0 0 0 型动车组即是动力分散型、驱动电机架悬式的动车 组( 见图1 1 ) 。牵引电机悬挂在构架的横梁上，齿轮箱一端抱轴、一端通过 l 轮对；2 齿轮箱；3 鼓形齿联轴器； 4 构架；5 牵引电机 图1 - 1 鼓形齿联轴器驱动装置工作原理 吊杆吊挂在构架上，电机与齿轮箱之间通过鼓形齿联轴器联接。鼓形齿联轴 器的外齿轴套可在内齿外套内轴向浮动，在电机轴伸和小齿轮轴伸间留有间 隙，以适应电机和车轴闻相对的横向变位。因采用的是鼓形齿，外齿轴套可在 内齿外套内转动偏角，以补偿电机轴线和车轴轴线间的相对偏角变位。两轴 间径向变位补偿，也是通过内外齿套间转动偏角来实现。 鼓形齿联轴器( 见图1 - 2 ) 属于刚挠性联轴器，具有结构紧凑、回转半径 小、承载能力强、较大的变位补偿能力及成本低等优点。国内目前的鼓形齿 联轴器产品采用的鼓形齿加工设备为进1 2 1 数控加工中心。最大偏角口。，可 达5 0 。鼓形齿联轴器变位补偿能力：轴向士8 r a m ，径向士1 7 1 5 m m ( 等效作用 长度2 0 0 r a m ) ，角向士5 。以上参数针对e 2 动车组用鼓形齿联轴器足够满足， 所以理论上这种联轴器是能够实现的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 输 巍 i 内齿圈；2 外齿套 图1 - 2 鼓形齿联轴器结构图 1 5 课题的创新性 本课题的创新性包括： 1 通过对日本新干线e 2 1 0 0 0 型动车组用鼓形齿联轴器的分析和研究， 提出一种国内3 5 0 k m h 高速动车组驱动系统用新型联轴器设计方案。 2 对联轴器的技术难点一鼓形齿的齿面形状及齿面接触状态进行研究； 对其应用于高速转向架后有关运动学和动力学方面的问题进行分析；并利用 a n s y s 软件对其进行了a p d l 语言参数化建模以及强度校核，为以后的研 究和开发工作提供了依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 前言 第2 章鼓形齿联轴器结构方案确定 本章将通过介绍现有联轴器的种类及其特点，并通过对比分析，阐述在 3 5 0 k m h 高速动车组转向架中采用鼓形齿联轴器的选型理由。根据鼓形齿联 轴器现有的相关资料，本章也将给出该种类型联轴器结构及其关键部位的分 析，并给出用于3 5 0 k m h 高速动车组转向架的鼓形齿联轴器尺寸参数、结构 简图以及采用a n s y s a p d l 语言建立的三维图形。 2 1 联轴器基础 联轴器是用来联接两轴使其一同旋转，以传递扭矩和运动的一种机械装 置；但有时可以作为一种安全装置用以防止被联接机件承受过大的载荷，起 到过载保护的作用；有时还可以作为一种特殊的调速装置。 2 1 1 联轴器的种类及特点 1 联轴器的种类 联轴器的型式很多，至今尚无标准的分类方法，一般可将联轴器分为三 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。这类联轴器只有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。 特殊联轴器一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表2 1 。 2 联轴器的特点 ( 1 ) 普通联轴器 刚性固定式联轴器 这类联轴器具有构造简单，成本低等优点。但当两轴对中不好时，联轴 器的工作情况将恶化，会产生附加载荷，同时还会对机器产生影响，如出现 机器振动、轴承过热和磨损等问题。为了减轻轴弯曲对联轴器的影响，应使 联轴器和轴承尽量靠近。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 卜一 i 徽罴= 器、 j 一弹性一i 一非金属弹簧式一弹簧圆柱销联轴器、尼龙柱销联轴器、轮胎联轴器等 l 一安全一销钉安全联轴器、扭矩限制型联轴器等 【一特殊一液力联轴器、粉末联轴器等 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 安全联轴器和摩擦式安全联轴器。 销钉式安全联轴器 销钉式安全联轴器是一种最简单的安全联轴器，在过载时，联接元件销 钉被剪断，从而使传动中断，起到安全保护的作用。销钉用经过淬火的钢制 成，以避免由于塑性变形而延长切断的时间。这种安全联轴器的优点是结构 简单，缺点是销钉被切断时冲击较大。另外，更换销钉必须停止机器，使用 不方便，只能用于过载可能性不大的传动。 摩擦式安全联轴器 通过接合元件工作面间的摩擦力来传递扭矩，摩擦力是依靠螺母的锁紧 力来保证的。在正常工况下，摩擦力产生的力矩大于所需传递的扭矩，当过 载时，摩擦片间发生滑动，而使从动轴停止转动，起到安全保护作用。 ( 3 ) 特殊联轴器 粉末联轴器 粉末联轴器采用金属粉末作为传送动力的媒质。粉末联轴器属于安全联 轴器中的一种。原动机的轴插入粉末联轴器的中心部位，并用键与外壳固定 在一起，外壳内放有金属粉末，从动轴上装有金属片。当原动机还未运转时， 粉末只是以自由状态静止于外壳里。原动机起动时，外壳里的粉末受到离心 力的作用飞向壳壁，粉末和外壳、金属片紧密接触，在接触面上产生摩擦力， 从而把原动机轴的扭矩，通过外壳、金属粉末和金属片传给从动轴。当所传 递的扭矩超过一定的数值时，金属片与粉末间发生打滑现象，中断扭矩的传 递而起到安全保护的作用。 液力联轴器 液力联轴器是电机与工作机构之间的转动部件，使用它可实现平稳的启 动，提高了电机起动能力，可使设备在负载下启动。装有液力联轴器，使用 遥控装置以低速启动时，即使钢绳处在锯切缝中，也可消除和减缓来自电机 和工作机构的冲击和振动，提高机器的使用寿命。 2 1 2 鼓形齿联轴器的选用 联轴器的选用主要从两方面来考虑：一是从结构特点上考虑；另外从适 用性方面考虑，也就是既从联轴器本身的结构特点上考虑选用的理由，也从 应用场合的使用要求上考虑选用该种联轴器的理由。 1 从结构特点考虑 通过上一节的分析，不难看出，对于机车转向架运行中需要承受的重载 以及适应大的横向、径向和角向三种位移工况的联轴器类型只有刚性可移式 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 联轴器。刚性可移式联轴器包含齿轮联轴器、十字滑块联轴器、链条联轴器、 n z 挠性爪型联轴器、万向联轴器等。 1 ) 齿轮联轴器：其外齿轴套的齿顶加工成半径为r 的球面，球面的中心 线在齿轮轴线上，其齿侧间隙较一般齿轮大，所以允许两轴有适当的角位移 a a 和径向位移缈。如图所示。如采用鼓形齿时，比采用直线齿可允许较大 的相对角位移，并改善了齿的接触条件，提高了联轴器传递扭矩的能力。 2 ) 十字滑块联轴器：由两个带径向通槽的半联轴器和一个原盘形中间滑 块组成。中间滑块两侧面上有相互垂直的凸榫，分别潜在两个半联轴器的通 槽中，联轴器通过中间滑块传递扭矩。当两轴线有径向位移时，滑块可在通 槽内滑动。为了减少滑动面的摩擦和磨损，需注入润滑油。十字滑块联轴器 径向尺寸小、结构简单、价格便宜，但耐冲击性差，易磨损，而且当轴的转 速相当高时，中间滑块的离心力能达到很大的数值，因此这类联轴器主要用 于轴线径向位移较大、无冲击，传递扭矩大而转速不高的机器。 3 ) n z 挠性爪型联轴器：这种联轴器在结构上和十字滑块联轴器相似， 不同之处是中间滑块为方块形，通常用夹布胶木或尼龙制成。其主要特点是 重量轻、惯性力小。由于中间滑块的强度较低，故这种联轴器适用于扭矩不 大，转速较高又无急剧冲击的机器轴上。尼龙滑块虽传递扭矩小，但其耐磨 性好，更适宜于高速，并且不需润滑。 4 ) 链条联轴器：其包括两种形式：单排链链条联轴器和双排链链条联轴 器，前者用单排套筒滚子链或齿形链联接一对链轮，后者采用双排套筒滚子 链联接一对链轮。这种联轴器结构简单，工作可靠，重量轻，容易拆卸，维 护方便。由于链条刚性较大，故其吸收冲击和振动的性能差。这种联轴器可 用于高温、潮湿、多尘条件下工作的机泵轴的联接。允许两轴有较大的综合 位移。允许正反转，但不宜用于启动频繁、正反转变化多的机器轴或立轴的 联接。 5 ) 万向联轴器：万向联轴器又称铰链联轴器，它主要由两个叉形零件、 一个十字形零件及轴销等组成。两叉形零件平面彼此相交成9 0 。万向联轴 器结构紧凑，维护方便，主要用于两相交轴间的联接，所联接两轴的轴线夹 角可达4 0 。一4 5 。从动轴转速的波动与轴线间的夹角有关，夹角越大，转速 的波动也越大。因此单个万向联轴器不宜用于转速高、两轴轴线夹角大的联 接。为了消除从动轴速度的波动，以保证主动轴和从动轴同步回转，可采用 双联同步万向联轴器。 根据各种类型刚性可移式联轴器的特点和性能分析比较，不难看出齿轮 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 联轴器最适合于高速、重载、扰动较大的场合。而且，随着制造和加工水平 的提高，在齿轮联轴器的基础上又开发出了齿式联轴器。由于合理地改进了 结构，提高了齿轮制造精度和联轴器的动平衡精度，使齿式联轴器能适用于 高速旋转机械的传动。齿式联轴器的主要优点是承载能力大、工作可靠、平 稳、安装精度的要求不高，允许两轴中心线有较大的综合位移。 2 从适用性方面考虑 法国t g v 、德国i c e 和日本e 2 1 0 0 0 是当前国际上运行的速度在3 0 0 k m h 左右比较典型的三种高速动车组。对于我国实现3 5 0 k m h 的高速动车组，均 具有较高的参考价值。 目前，动车组根据动力的分布形式可分为动力分散和动力集中两种模式。 法国t g v 和德国i c e 的早期车型，均采用动力集中式的转向架。但后来两 国考虑到动力集中式存在轴重大、电机质量和转动惯量大、粘着利用率小等 一系列缺点，都转而研制动力分散式动车组。只有日本从设计之初，就采用 了动力分散的驱动方式。纵观各个国家高速动车组的发展，不难看出，动力 分散式动车组是未来3 5 0 k m h 高速动车组的发展趋势。 从结构方面考虑，动力分散式转向架，动力平均分配，减少了单个转向 架的功率，因此可采用传递转矩相对较小的联轴器。这样既减少了设计空间， 同时也节约了成本。 法国t g v 动车转向架( 图2 - 1 ) 采用了三爪万向轴联轴器，是基于电机 体悬，位移和跳动相对较大等因素。虽然能实现3 5 0 k m h 的高速，但是该联 轴器设计精度高，难于制造。 图2 - l 法国t g v 动力转向架 德国的i c e 动车转向架( 图2 - 2 ) 采用的是六连杆空心轴联轴器，这种 机构传递的转矩大，但本身的结构复杂。其是否能实现3 5 0 k m h 的高速还没 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 有被论证过，所以这种结构形式有待进一步探讨。 图2 - 2 德国i c e 动力转向架 日本的e 2 1 0 0 0 型动车组动车转向架( 图2 3 ) 采用鼓形齿联轴器，其优 点是结构简单，成本低。虽然传递的转矩不大，但对动力分散式动车组足够 满足使用要求。对于3 5 0 k m h 的高速，只要材料选用合理，应该也能满足。 图2 3 日本e 2 1 0 0 0 动车转向架 综上所述，可以通过对e 2 1 0 0 0 型动车组所采用的联轴器进行分析和研 究，结合国内当前的技术现状和加工制造水平，设计出符合要求的3 5 0 k n g h 高速动车组用鼓形齿联轴器。 2 2 鼓形齿联轴器结构分析 鼓形齿联轴器一般由两个鼓形外齿套与一对直齿内齿圈等零件组成。联 轴器通过外齿套的鼓形外齿与内齿圈的内齿相啮合来传递转矩。外齿套的齿 做成鼓形，以便于联轴器的摆动和跳动。内齿圈齿则是普通的标准渐开线内 啮合直齿圆柱齿轮的内齿。鼓形齿齿面与直齿标准渐开线齿面接合，有利于 联轴器外齿套与内齿圈的轴向伸缩。 2 2 1 鼓形齿联轴器齿形分析 联轴器外齿套上的齿，沿节圆线剖开后的齿截面上，齿廓为曲线( 图2 - 4 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 4 鼓形齿齿截面 在工作圆切面内，齿廓曲线是椭圆或双曲线，其上每点的曲率半径是变 化的。为了简化计算，假设在齿宽中截面上的齿廓曲线各点的曲率半径相同， 可用一个圆弧来代替椭圆或双曲线。计算用的圆弧应通过齿廓曲线上的三点 a 、b 、c 。a 点位于中截面上，b 、c 两点分别位于两端。将该圆弧半径胄，定 义为该齿廓曲线的曲率半径，见图2 - 5 。 图2 - 5 齿啮合平面及工作圆切面 目前，在设计和应用鼓形齿时，其最简单及合理的方法为靠模曲线是圆 弧的一段。用与端截面平行的截面依次切出，每截面上的节圆半径是变化的。 含轴截面上切出的节圆线是圆弧的一段，此圆称之为位移圆，其半径为位移 圆半径r ，圆心m 。，见图2 - 6 。 通过齿长中间对称截面来研究齿全长上的整个曲面形状，见图2 6 。包含 中问平面的齿啮合线且垂直于中间平面的内啮合线且垂直于中间平面的平面 称为齿啮合平面a - a ，此面的各几何量加脚注号e 。过啮合点与工作圆相切 且垂直于中间平面的平面称为工作圆切面b b ，此平面的各几何量加脚注号 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 形燃 、i 可 j 泸一 图2 6 齿啮合平面及工作圆切面图 2 2 2 鼓形齿联轴器啮合分析 因为联轴器在工作过程中其外齿套与内齿圈存在相互的摆动和跳动，因 此其啮合部位也相应发生变化。这种变化主要体现在轴间倾角的变化。如果 轴间倾角的变化值为口。，则其取值范围为o 。1 5 。本文主要讨论轴问无 倾角和轴间有倾角两情况下的轮齿啮合状态。 1 轴间无倾角 当轴线相对角位移为0 。时，外齿套与内齿圈的啮合与普通的内啮合齿轮 啮合状态一样。啮合部位均位于分度圆与齿宽中心线的交点附近。但因为运 行工况中多振动与跳动，所以这种工况较为少见。图2 7 标示出了轴间倾角 卜ha a 图2 - 7 轴间倾角为0 。时轮齿位置示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 为0 。时的轮齿位置。 图2 8 所示的为倾角0 。时，外齿套与内齿圈的轮齿啮合示意图。图中显 示的是从0 。至u 1 8 06 位置齿的啮合情况，1 8 0 。到3 6 0 。的啮合状况与之相同，所 以不再阐述。图中国为圆周方向角度。 毳 l 毳 i 毳 l 蓼 i 藿 i 毳 l 囊 i 荔 叩 m 臣 甲 用几m 山山l l山 - - - - ijiii l l山 ji 0 3 0 。 6 0 9 0 1 2 0 l 1 8 0 - o 图2 8 轴间倾角为0 。时轮齿啮合示意图 2 轴间有倾角嘲 当轴线有相对角位移口。时( 如图2 - 9 所示) ，鼓形齿联轴器每转一圈， a 图2 - 9 轴间倾角为a 臌时轮齿位置示意图 外齿轴套的齿和内齿圈的齿之间就有相对运动，将齿沿啮合圆周展开，即得 各齿之间相对位置图，见图2 1 0 。 齿的运动可看成是两种运动的组合，一种是摆动运动，即齿上各点沿齿 长方向的运动；另一种是翻转运动，即齿上各点绕齿中心的回转运动。 由图2 - 9 、2 - 1 0 可知，在m 角为0 。及1 8 0 。时，摆动最大，翻转最小，此 时摆动量为“；而当角为9 0 。及2 7 0 。时，摆动趋于零而翻转量最大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 一l o 轴间倾角为口珊时轮齿啮合示意图 联轴器每转一圈，任意一对齿都要按图2 - 9 的规律，依次通过每个位置， 除纯摆动和纯翻动位置外，其余中间位置是摆动和翻转两种运动组合而成的 复合运动。 2 3 鼓形齿联轴器几何尺寸确定 2 3 1 基本参数的确定哺1 1 齿数和模数 齿轮的模数由轮齿弯曲强度所决定。模数越大，齿根厚度越大，轮齿的 弯曲强度越高。对于传递一定力矩的鼓形齿联轴器，标准中规定了其外部尺 寸，即确定了齿轮的径向和轴向尺寸。由鼓形齿联轴器重合度分析可知，分 度圆直径一定时，减小模数，增加齿数，可以提高重合度，因此，应在满足 弯曲强度条件下，选用较小的模数。齿数应取为偶数，因为从啮合分析可知， 啮合的受力状态是关于原点对称的，齿数为偶数有利于受力的平衡。另外， 对于内齿轮，还要求齿顶圆直径大于基圆直径，即 m z - 2 h d m + 2 x r m z c o s a 解得： z 型：二型 l c o s a 当矗：= 1 ，a = 2 0 。，x ，= 0 时， z _ = 一= 3 3 2 1 一c o s 2 0 。 取z 3 4 。 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 当h ：= 0 8 ，a = 2 0 。，= 0 时， z 生坠一：2 6 5 l c o s 2 0 0 取z 2 8 。 若采用正变位齿轮，其齿数可小于上述值。 根据分度圆尺寸以及上述齿数和模数的选择规范，本文选择模数t t l t = 3 ， 齿数选择为偶数且z = 5 4 。 2 齿高系数 齿高系数增大，重合度也增大，但齿高系数的增大对重合度增大的影响 程度较小。从齿面接触线形态看，增加齿高有利于提高接触强度。齿高增加， 齿面滑动系数增加。因此总的来看不宜增加齿高系数来增加重合度。 在鼓形齿联轴器中，外齿轮齿顶高系数为矗：。，齿根高系数为 j j l 五= 虻。+ c ： 式中，c ：径向间隙系数。 内齿轮齿顶高系数为i l 二2 ，其齿根高系数为 矗；：= 砭+ c 2 + ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式中，c ：径向间隙系数；且| j l ；：= 艺。 在我国现行产品中有h 1 = l 、| i ；1 = 1 2 5 、 ：= o 8 、 ；：= l 和 j j l 二= o 8 、碥= 1 0 5 、 ：2 = 0 8 、】 l ；：= o 8 两种。本文所设计联轴器的齿高系 数选择产品中常用的第一组参数。 3 压力角 分度圆压力角对轮齿曲率、齿根和齿顶厚度及法线方向均有影响，因而 也对啮合时的诱导法曲率、齿面滑动率、重合度、齿面作用力及轮齿接触应 力和弯曲应力有影响。增大压力角，诱导法曲率减小，接触强度提高；齿根 厚度增大，弯曲强度提高；齿面滑动率减小，改善了磨损；重合度减小，但 相对减小量不大；法向力增大。考虑到市场上要能方便地购买到齿轮刀具， 我国目前一般采用口= 2 0 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 4 变位系数 鼓形齿联轴器是等齿数的交错轴内外齿轮传动，因此只能采用等径向变 位( 即x ，) 。采用正的径向变位与增大压力角有类似的影响，但采用径向变 位比改变压力角在加工上更容易实现，因为改变压力角需要专用的刀具。采 用切向变位可以改变内外齿轮的齿厚，但不影响其啮合特性。鼓形齿联轴器 的啮合侧隙就是采用切向变位来保证的。 5 齿宽系数 齿宽系数影响轮齿的齿根弯曲强度和齿面接触强度，齿宽系数越大，这 两项强度值越大。齿宽系数影响重合度，在齿宽系数小于一定值范围时，其 值的增大对重合度增加影响较大，而在大于这个一定值时，其值的增大对重 合度增加影响变小。对于圆弧鼓度曲线的鼓形齿联轴器，齿宽还是确定鼓度 圆半径和侧隙的参数，齿宽越大，鼓度圆半径越大，所需的侧隙也越大。因 此，在齿根弯曲强度和齿面接触强度足够的条件下应以有较大的重合度来确 定齿宽，不应盲目增加齿宽，以免使结构尺寸不必要地增加。一般取齿宽系 数y 。= 8 1 4 。最小齿宽应由允许的齿根应力来确定，还要考虑由轴间倾角 引起的着力点沿齿宽位