（机械工程专业论文）290马力轨道车机械换向分动箱设计.pdf

摘要 摘要 轨道车是一种在铁路线上运行的用于铁路站场牵引 运输铁路物资的 铁路工程车辆 轨道车的装机功率大大低于铁路牵引机车 一般在10 0 0 k w 以下 其传 动系统类似汽车 有机械传动和液力传动之分 其走行为轮轨式 轮对是由 1 根轴和左右钢轮冷压结合而成 中间为车轴齿轮箱 用以将从分动箱传来 的动力传递到轮对上 其换档 换向 离合等操纵类同汽车 而其驾驶 制 动等又和铁路车辆相同 2 9 0 马力轨道车为常见的轨道工程车辆 具有较好的市场前景 但传统 的液力换向传动箱机构复杂 成本偏高 难以满足用户的需求 本设计采 用汽车机械传动箱技术研制机械换向分动箱 以较高的性价比实现轨道车 的传动 设计中针对目前轨道车使用的原 秦岭 铁路轨道车用分动箱及其改 进型普遍存在的噪声大 震动大 中间轴断裂等问题 对原分动箱轴齿轮 强度研究 噪声产生原因进行分析研究 找出问题发生的机理 并确定设 计方向 提高了分动箱使用可靠性 优化了分动箱性能 设计主要解决了差速器在轨道车分动箱上的使用 润滑方式为强迫润 滑从而产生的密封问题 轴齿轮的强度寿命 轴承的强度寿命等问题 关键词 轨道车 机械换向 分动箱 齿轮 设计 大连交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t r a i l w a yc a ri su s e da sr a i l w a ym a c h i n e r ys h o pt od r i v ei nt h er a i l w a ys t a t i o na n d t r a n s p o r tg o o d so nt h er a i l r o a d p o w e ro fr a i l w a yc a ri sm u c hl o w e rt h a nt h et r a c t i o nl o c o m o t i v e n o r m a l l yu n d e r 10 0 0 k w a n di t st r a n s m i s s i o ns y s t e mi ss i m i l a rt o t h ea u t o m o b i l e o n ei sm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o n t h eo t h e ri sh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n i t sr u n n i n gg e a ri sw h e e l r a i lt y p e i t sw h e e l p a i ri sm a d eo fa na x l ew i t ht w ow h e e l sc o l dp r e s s e da te a c he n d a n di nt h em i d d l et h e r ei sa g e a rb o x 析t ht h ef u n c t i o no ft r a n s f e r r i n gt h ep o w e rf r o mt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nb o xt ot h e w h e e lp a i r i t sg e a rc h a n g e d i r e c t i o nc h a n g ea n dc l u t c ha r es i m i l a rt ot h ea u t o m o b i l e b u ti t s r u n n i n ga n db r a k ei st h es a m et ot h er a i l w a yv e h i c l e 2 9 0 h pr a i l w a yc a l i sc o m m o n l ys e e na sr a i l w a ym a c h i n e r ys h o p i th a sab e t t e rm a r k e t f o r e g r o u n d b u tt h ec o n f i g u r a t i o no ft h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cd i r e c t i o nc h a n g et r a n s m i s s i o n b o xi sc o m p l e xa n di t sc o s ti sl i t t l eh i g h s oi tc a n n o ts a t i s f yt h ec u s t o m e r t h i sd e s i g n b a s e d o nm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nb o xt e c h n o l o g yu s e do na u t o m o b i l e d e v e l o p sm e c h a n i c a l d i r e c t i o nc h a n g ep o w e rd i s t r i b u t i o nb o x a n dw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dp r i c er a t e i tr e a l i z e s t h et r a n s m i s s i o no nt h er a i l w a yc a r f o c u so nt h ep r o b l e m ss u c ha sb i gn o i s e b i gv i b r a t i o na n ds h a f tb r e a ke x i s t i n gi nt h e p o w e rd i s t r i b u t i o nb o x e so nt h ep r e s e n tu s eq i n l i n gr a i l w a yc a r t h i sa r t i c l es t u d i e st h es h m g e a ri n t e n s i t yo ft h eo r i g i n a lp o w e rd i s t r i b u t i o nb o x a n a l y z e st h ec a u s eo ft h en o i s e f i n d so u t t h em e c h a n i s mo ft h ep r o b l e mh a p p e n i n g a n di ts e t t l e st h ed e s i g n i n c r e a s e st h er e l i a b i l i t yo f t h ep o w e rd i s t r i b u t i o nb o xa n do p t i m i z e si t sp e r f o r m a n c e t h i sd e s i g ns o l v e st h ep r o b l e m sa sf o l l o w i n g s t h eu s eo fd i f f e r e n t i a lv e l o c i t y c o n t r o l l e ro nt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nb o x t h es e a l i n gp r o b l e mc a u s e db yf o r c e dl u b r i c a t i o n i n t e n s i t yl o n g e v i t yo fs h a f tg e a ra n db e a r i n g e t c k e yw o r d s r a i l w a y 住r m e c h a n i c a lr e v e r s a l t r a n s f e rc 嬲e g e a r d e s i g n i i 大连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太莲塞通太堂 有关保护知识产权及保 留 使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂 本人保证毕业离校后 发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太连塞通太堂 学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档 允许论文被查 阅和借阅 本人授权太蔓銮通太堂可以将学位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 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名 撕 导师签名 日期 多胡年 多月多日 日期 幽妒8 年6 月多日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 物蝴赶毙娃畅黝 电话 通讯地址 幺互辛力巧易透乒代影孵邮编 电专患巍 c 归矗油1 9 茂l 毋 c 伊 坝 占p 1 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作 及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外 论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意 本人完全意识到本声明的法律效力 申请学位论文与资料若有不 实之处 由本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 私可 日期 夕彬年 月乡日 第一章概论 第一章概论 1 1 轨道车简介 轨道车 含拖车 下同 是筑路机械中常见的设备 铁路设备维修 大修 基建等 施工部门执行任务的主要运输工具 轨道车分重型和轻型两种 能由搭乘人员随时撤出线路的 称为轻型轨道车 不能 由搭乘人员随时撤出线路的 称为重型轨道车 轨道车装机功率大大低于铁路牵引机车 一般在1 0 0 0 k w 以下 其传动系统类似汽 车 由机械传动和液力传动之分 其走行部为轮轨式 轮对是由1 根轴和左右钢轮冷压 结合而成 中间为车轴齿轮箱 用以将从换向分动箱传来的动力传递到轮对上 其换档 换向 离合等操纵类同汽车 而其驾驶 制动等又和铁路车辆相同 1 2 筑路机械的发展趋势与特点 从上世纪6 0 年代至今 从最初的纯粹人力筑路 到后来的小型机械尝试性介入 直至现在的大型养路机械大规模应用 中国铁路筑路养路方式的进步 无疑在彰显着铁 路整体水平的提升 也在昭示着轨道车的发展方向 1 2 1 筑路机械的发展趋势 国内外筑路机械的最新发展趋势为 技术革新的状况取决于信息处理 机器人操纵 和人机工程技术的发展 今后在筑路机械制造业中将大量应用微机控制 机械手和机械 人操纵技术 信息以形体和声光形式输入和输出 完成程序操作 实现生产过程的自动 化 并导致机器人技术的智能化 筑路机械制造业的主要发展方向由道路建设工艺的发展和加速建设工程施工的任 务而定 主要有以下方面 1 提高筑路机械产品质量 可靠性 竞争性和人机工程性能 为了提高无故障 周期 寿命和易修性指标 必须有较好的技术保养措施 且这些问题全面经济的解决应 在机械设计和制造阶段中进行 为了研制高效高自动化的多功能机械 必须提高筑路机 械的可靠性 延长其使用寿命 在机械设计和制造方面 随着机械设计与制造自动化不 断发展 国内外c a d c 肛 c a m 一体化软件层出不穷 国外最具典型的就是 p i 的 e n g i n e e r p r o 烈g n e e r 2 0 0 0 i 是p t c 公司为工业产品设计提供完整解决方 案而推出的c a d 系统的最新版本 使用它可以进行造型设计 机械设计 模具设计 加工制造 机构分析 有限元分析 关系数据库管理等 p r o e n g i n e e r 现在有7 0 多 大连交通大学工程硕士学位论文 个模块 为用户提供全套解决方案 p r o e n g i n e e r 通过一种独特的 参数化的以及 面向零件的3 d 实体模型设计制作技术 彻底改变了传统的设计理念 为工程师们提供 了一条革命性的途径 该产品家族由最典型的c a d 产品p r o 厄n g i n e e r 和一系列涵 盖机械设计 制造过程各个方面的特殊应用软件组成 p r o e n g i n e e r 的核心技术是 尺寸驱动参数化的基于特征的实体建模技术 它的主要特点是 在设计过程中 如 果对某一处进行修改 由此所发生的变化能够很快传遍整个设计制造过程 以确保所有 的零件和各个设计环节保持一致和协调 为了便于机械结构的诊断 可以应用有编号的 内装式诊断系统的部件 在仪表控制板上指示出故障的位置和特征 节约了故障寻找和 排除的时间 改进和提高人机工程性能及其竞争能力 广泛采用可调式座椅 易于适应 的操纵系统 在大范围频率和振幅内能有效衰减振动的系统以及驾驶室隔音 防尘 防 气 室内恒温等 驾驶室还应装备有在机械倾翻时保护驾驶员和防止旁物落入驾驶室的 防护装置 采用信号传感器 联锁装置 紧急制动系统 闪光灯和音响信号等 为了提 高机器的竞争能力 应改善机器的艺术造型 售后技术服务组织和配件供应等 新型筑 路机械在技术经济指标方面应超出现有最好的机械 并为专利产品 2 在广泛采用微处理技术和计算机应用成果的基础上 筑路机械实现自动化和 机器人控制的电子化 可提高筑路机械的工作效率 保证工作机构的定位作业 驾驶员 操纵劳动量的减轻 最佳工况作业和远距离操纵等 反馈控制微处理系统可以按工作 过程最佳程序处理传感器的信号 筑路业的远景发展方向是筑路机器人的研制 它能实 现在无人参与下按程序预定的工艺路线进行全方位施工 目前 出现多种有发展前途 的电子设备和系统 例如联合控制系统 它将操纵装置传感器和警告信号以及显示组件 联装在一个箱体中 平整作业用带电子控制系统的激光装置 它可保证机器夜间作业 以提高机器的使用效率 带有语言合成器的装置 用于克服仪表信息处理不快和视觉失 灵而引起的障碍 避免操纵人员视观操纵机器的必要性 3 广泛实现机电液一体化技术 具有电子控制的柴油发动机可以提高筑路机械 生产效率 节约燃油 降低噪声 减少环境污染 今后的主要能源可能是氢气发动机和 燃料电池 机器的电液一体化可保证实现生产率的提高和金属耗量的减小 采用液压传 动 其中包括燃气涡轮发动机驱动的泵式传动 负载换档的液力传动 高效过滤器以 及辅助液压装置具有广阔的发展前景 4 在经济改革和电子化控制生产的条件下 用改善干部培训和重新组织培训机 构的方法提高筑路机械使用效率 传统非自动化操纵机械的生产率 主要取决于驾驶员 的技能和熟练程度 如采用自动化操纵系统可以保证大于9 0 的机械潜在生产率 而与 驾驶员的技能水平无关 2 第一章概论 5 在应用科学技术成果和先进经验的基础上 改善机械施工作业性能 进一步 提高工作机构效率有二个主要改进途径 在与工作介质作用的传统方法上对工作机构进 行改进在应用新节能效应的基础上改进工作机构 第一途径包含一系列问题的解决 其 中包括研制大功率的筑路机械 1 5 0 4 0 0 k w 开发功率为5 3 0 k w 小型筑路机械 这 是由于分散和狭窄地段多种改建施工作业量的增大而提出的 6 进一步发展多用途的筑路机械系统 广泛应用计算机仿真技术和通用化 节 能节材施工以及创立机械化刀具系统等 在仿真设计基础上 可以研制出各种气候条件 下筑路机械系统的最佳结构 规格 尺寸系列和通用的 结构尺寸相似的机械 以保证 生产的专业化和协作化 由于边疆地区筑路工程施工作业量的日益增长 要求发展专用 的机械 主要是在节能节材施工和重复使用废料的基础上开发筑路机械比1 1 2 2 目前国内外筑路机械的发展特点 1 先进工业国制造技术上互相渗透 为了增强竞争能力 一是到别国就地设厂 生产销售 二是购买专利引进先进技术或跨国公司搞技术合作 2 普遍重视安全 舒适及防止公害问题 例如滚翻式安全司机棚的出现 使驾 驶室有隔音 防振的功能 并且装有空调设备 司机的视野开阔 操纵简单 3 广泛应用液压 液力 电子 激光及计算机控制等技术 使现代筑路机械具 有功能齐全 结构合理 易于操作维护等特点 4 重视为用户服务 各国的筑路机械制造厂商已从供人选择的状态转入根据用 户经济利益和具体要求来发展新产品的阶段 5 对产品实行全面质量管理 由以前的检查结果 发展到检查原因 使产品结 构不断完善 功能更加齐全 质量进一步提高 1 2 3 未来铁路的发展 在全路进一步大面积提速 加速客运专线建设和实施跨越式发展的新形势下 现有 大型养路机械化轨道车的品种 数量以及部分机械的作业性能等 相对于铁路运输飞跃 发展 又出现了新的不适应 如六大干线将提速至时速2 0 0 公里 建设客运专线 发展 重载运输等 十一五 是全面落实铁路跨越式发展战略的关键时期 因此在 十一五 期间继续大力发展大型养路机械 对于适应铁路发展就具有明显的迫切性与必要性了 铁路投资是未来五年基建投资最为闪光的一块 有三大特点 一是规模大 将建成 新线近1 7 万k m 相当于 八五 九五 和 十五 总和的1 3 倍 如此规模不仅 在中国铁路史上空前 在世界铁路史上也属罕见 二是标准高 十一五 将建设客运 专线8 0 0 0 k m 技术标准和质量要求非常高 需要解决的技术难题非常多 三是时间紧 3 大连交通大学工程硕士学位论文 中国铁路客运专线建设周期在4 年左右 而欧洲同类铁路的工期一般为5 8 年 要在 如此短的时间建设如此高标准 大工程量的项目 施工的机械化程度需要大幅度提高 对工程机械 包括挖钻机 挖掘机 泵车 装载机 起重机 盾构设备等的需求量将大 幅增加 从而给整个工程机械行业带来强劲需求 轨道车市场需求强劲 十一五 期间 铁道部将继续实施大型养路机械装备规划 将从批量装备和示范 性引进两方面展开 继续扩大对捣固 清筛 钢轨打磨 大修列车 轨道检测 钢轨探 伤等机械设备的装备 为跟踪国际大型养路机械技术进步和发展 对于个别设备进行示 范性引进 重点解决更高效率 更高作业质量 更高检测速度的大型养路机械和检测设 备 以适应客运专线 提速线路 重载线路对养护维修 等速检测的需要 相关部门在大力引进国际一流设备和技术的同时 亦将全力推进大型养路机械国产 化工作 尤其对于批量引进的设备 大部分将努力在较短时间内实现国产化 十一五 期间 第二个大型养路机械制造基地已在规划之中 在 十一五 乃至今后一段时间 我国大型养路机械国产化将形成更强的生产能力 轨道车的发展亦会日新月异 1 3 轨道车传动系统 传动系统是轨道车的重要组成部分 而分动箱又是传动系统的重中之重 与工作系 统相比 传动系统不仅需要传输更大的功率 要求器件具有更高的效率和更长的寿命 还希望在变速调速 差速 改变输出轴旋转方向及反向传输动力等方面具有良好的能力 这也对分动箱提出了更高的要求 为充分利用动力机的功率 使车辆具有高的运输 生产能力 一般要求车辆具有 牛 马特性 即低速时具有高的牵引力 而高速时牵引力可较低 低速高牵引力可使车 辆快速起动和加速运行 高速低牵引力又可避免动力机过载 一般动力机 如柴油机 汽油机 电动机 燃气轮机等 并不具有使车辆运行所需的 牛马特性 因而传动装 置的功用就不仅仅是简单地将动力机的动力传递到走行部分 而主要在于将动力机的特 性转变为适合于车辆运行要求的特性 传动装置发展至今 有三种类型 机械传动 电力传动和液力传动 于是 采用 何种传动方式 如何更好地满足各种工程轨道车机械行走驱动的需要 一直是工程轨道 车的设计者所要面对的课题 尤其是近年来 随着我国铁路 能源等基础设施建设进程 的快速发展 筑路施工和资源开发规模不断扩大 轨道工程机械在市场需求大大增强的 同时 更面临着作业环境更为苛刻 工况条件更为复杂等所带来的挑战 也进一步推动 着对其传动系统的深入研究 j 4 第一章概论 轨道车传动系统主要采用机械传动和液力机械传动两种方式 液力传动用变矩器取 代了机械传动中的离合器 具有分段无级调速能力 它的突出优点是具有接近于双曲线 的输出扭矩 转速特性 配合后置的动力换挡式机械变速器能够自动匹配负荷并防止动 力传动装置过载 变矩器的功率密度很大而负荷应力却较低 但其特性匹配及布局方式 受限制 变矩范围较小 动力制动能力差 不适合用于要求速度稳定的场合 且生产成 本高 难以大范围应用h 1 由于机械传动具有在稳态传动效率高和制造成本低方面的优 势 有着广泛的应用 1 3 1 轨道车传动系统组成 轨道车传动系统一般由变速器 万向传动装置 万向轴 换向分动箱 车轴齿轮 箱等组成 其基本功用是将动力机发出的动力传给轨道车的驱动车轮 产生驱动力 使 轨道车能以一定速度在铁轨上行驶哺1 轨道车传动系统配置简图见图1 1 动力机 变速箱l 换向分动箱 车轴齿轮箱车轴齿轮箱 图1 1 传动系统配置简图 f i g 1 1d i a g r a mo fg e a r b o xs y s t e m 1 3 2 轨道车用分动箱现状和存在问题 从1 9 6 6 年3 月我国第一台轨道车研制成功以来 全国各铁路局 工程局及地方铁 路和路外单位的专用线上布满了轨道车的身影 从最初的g c l 2 0 型 1 6 0 p s 轨道车到 目前发展成从1 6 0 p s 到2 0 0 0 p s 的不同功率档次和具有机械 液力传动 高速 低速大 牵引及高低速兼备 各种轨距等性能特点 能够适应各种环境因素 满足各种工况需求 的多功能的轨道车哺1 大连交通大学工程硕士学位论文 我国轨道车产品工业已形成门类齐全 有一定生产能力和技术水平的生产科研体 系 尤其是近十年来铁路轨道车行业得到国家支持 装备水平有所提高 目前已能生产 品种规格齐全的产品口1 目前国内的轨道车生产厂家主要为襄樊金鹰轨道车辆有限责任 公司和中铁宝工有限责任公司 在轨道车的传动系统中 换向分动箱扮演着十分重要的角色 它的好坏能直接影响 到轨道车使用的舒适性和操控性 目前国内轨道车用换向分动箱是多年前的设计产品 经过多年的运用在使用中暴露 出许多问题 1 换向分动箱噪音大 震动大 目前 国内轨道车使用的机械换向分动箱 均为直齿轮 与轴的连接方式为花键联 结 这就不可避免的产生噪音大 震动大的问题 2 换向分动箱性能低 可靠性差 目前使用的换向分动箱寿命和可靠性较差 机械换向分动箱齿轮寿命低于同类产品 水平 在使用工程中 由于使用工况恶劣 还产生了中间轴断裂等问题 3 产品创新和自我开发能力弱 产品c a d 和c a m 技术应用尚处于低水平阶段 仿真 优化设计应用尚不普遍 尚未建立完整的 适用的有关轴承 齿轮 元件和系统的数据库 产品设计还处在经验 设计和静力学设计阶段 有限元设计 模拟仿真设计和可靠性设计尚未得到广泛采用 1 4 本课题的任务和意义 2 9 0 型轨道车做为常见的轨道工程车辆 一般采用的是2 1 6 k w 左右的柴油发动机 传动方式有机械传动 液力传动等 换向分动箱作为轨道车传动系统的主要组成部分 其可靠性要求较高 同时应考虑 经济性 由于液力换向传动箱结构复杂 成本偏高 难以满足用户的需求 本设计采用 汽车机械传动箱技术研制机械换向分动箱 以较高的性价比 可靠的使用性实现轨道车 的传动 1 5 本设计任务的主要内容 本设计将通过传动装置的全面分析 采用汽车机械传动箱技术研制机械换向分动 箱 以较高的性价比 可靠的使用性实现轨道车的传动 本设计任务的主要内容足设计并研制轨道车用机械换向分动箱以克服现在使用巾 的分动箱存在的噪音大 震动大 中间轴断裂等现象 6 第一章概论 主要设计任务 1 通过试验及计算 优化分动箱轴系设计 2 差速器在轨道车上的应用 3 润滑系统设计 4 改进箱体设计 增加分动箱箱刚性 5 根据用户要求及现分动箱的使用情况 改进箱体刚性 齿轮法兰与轴的联接 方式 润滑管路布置 润滑方式 美化传动箱外观 本章小结 本章主要介绍了轨道车的现状 分析了国内外筑路机械的发展趋势与特点 展望了 铁路的未来发展 特别对轨道车传动系统进行了比较详细的叙述 阐明了换向分动箱对 于轨道车的重要作用 说明换向分动箱的设计思路 明确了本次设计的设计任务 7 大连交通大学t 程硕士学位论文 第二章换向分动箱的设计条件 2 1 换向分动箱的设计原则及参照标准 2 1 1 换向分动箱的设计原则 满足轨道车力n r 组装工艺的基本要求 使传动装置的可靠性及技术性能达到国内先 进水平 采用国内机械设计的先进技术和结构 借鉴现有的轨道车分动箱使用情况和研究成 果 并参照已有产品在轨道车上的使用特点 并符合其有关要求 尽量采用模块化设计 增强基础部件的通用性 互换性 以满足不同的用户的要求 提高产品的通用性 设计贯彻 可靠 使用 经济 等原则 在满足轨道车传动系统的使用性能的要求 下 提高轨道车传动系统的经济性能 降低购置 运行 维护成本 2 1 2 换向分动箱的参照设计标准 g b t 1 0 0 8 2 1 9 9 6 重型轨道车技术条件 g b t 3 4 8 0 1 9 9 7 渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法 g b t 2 8 3 1 9 9 4 圆柱滚子轴承外型尺寸 g b t 2 9 4 19 9 4 三点和四点接触球轴承外型尺寸 g b t 4 6 0 4 1 9 9 3 滚动轴承径向游隙 g b t 6 6 4 3 2 0 0 5 滚动轴承四点接触球轴承轴向游隙 g b t 6 3 9 1 2 0 0 3 滚动轴承额定动载荷和额定寿命 j b 3 2 4 8 1 9 9 1 工矿内燃机车试验方法和检验规则 2 2 轨道车的应用环境及基本参数 2 2 1 工作环境 用途 使用环境温度 连续作业时间 8 重型轨道车 1 7 7 5 2 至8 h 天 第二章换向分动箱的设计条件 2 2 2 轨道车基本参数 整车重量 t 轮径 m m 半磨耗 m m 车轴齿轮箱速比 2 2 3 轨道车动力机参数 最大输出扭矩 n m 转速 r m i n l 额定输出扭矩 n m 转速 r m i n 1 转速 r m i n 1 2 2 4 轨道车变速箱参数 见表2 i 4 0 8 4 0 8 0 5 4 0 0 7 1 6 4 0 1 4 0 0 1 2 2 0 2 1 0 0 表2 1 变速箱参数 t a b l e2 1 p a r a m e t e ro fg e a r b o x 低档区高档区 档位倒低 12345678 速比 1 2 9 91 2 4 28 2 66 0 84 5 33 3 62 4 71 8 11 3 51 2 3 换向分动箱的主要技术参数 标称功率 k w 传动比 最高输入转速 r m i n 1 9 2 1 6 0 9 2 1 0 0 大连交通大学工程硕士学位论文 设计寿命 h 外形尺寸 长 宽 高 m m 本章小结 2 0 0 0 0 8 5 0 x 8 0 0 x 8 9 0 本章说明了换向分动箱的设计原则 参照设计标准 轨道车的应用环境 动力机和 变速箱的主要技术参数 换向分动箱的主要技术参数 1 0 第三章换向分动箱的构造和作用 第三章换向分动箱的构造和作用 在轨道车的传动系统中 换向分动箱有着举足轻重的地位 它将动力机经万向轴传 递来的动力通过输入轴 中间轴 输出轴传递给车轴齿轮箱 并通过车轴齿轮箱分配到 轨道车的驱动轮上 从而驱动轨道车运行口3 分动箱是轨道工程车作业的直接工作部件 因此分动箱的设计对安全可靠性要求极 高 3 1 换向分动箱的构造 分动箱位于轨道车中部 通过安装座固定在轨道车的车架上 分动箱的功率由一端 输入 两端输出 输入法兰通过万向轴与变速箱相联 输出法兰通过万向轴与两车轴齿 轮箱相联 分动箱的箱体为整体式结构 箱体内部有四根轴 输入轴 换向轴 中间轴 输出 轴 输入轴是一根花键轴 它通过万向轴与动力机相连 输入轴上装有外齿离合器 由 拨叉操纵分别与空套在输入轴上的正向齿轮与反向齿轮啮合 实现换向功能 换向轴尾 端装有摆线泵 用以提供润滑油 中间轴尾端预留了液压马达驱动接口 输出轴为两根 半轴 通过差速器连接起来 采用差速器以均衡前后桥的差异 设差速器锁以满足单桥 驱动的要求 换向分动箱结构如图3 1 所示 大连交通大学工程硕士学位论文 234567 图3 1 换向分动箱示意图 f i g 3 1s k e t c hm a po f m e c h a n i c a lr e v e r s a lt r a n s f e rc a s e 卜输入法兰 2 一输入轴 3 一拨叉机构 4 一正向齿轮 5 一外齿离合器 6 一反向齿轮 7 一发电机驱动机 构 8 一润滑油泵 9 一换向轴 1 0 一换向轴齿轮 1 l 一中间轴反向齿轮 1 2 一中间轴 1 3 中间轴正向齿 轮 1 4 一箱体 1 5 一后输出法兰 1 6 一后输出半轴 1 7 一底板 1 8 一差速器 1 9 一输出齿轮 2 0 润滑油槽 2 1 前输出半轴 2 2 前输出法兰 1 2 第三章换向分动箱的构造和作用 3 2 换向分动箱的作用 轨道车动力机所发出的动力靠传动系统经变速箱 换向分动箱传递到驱动车轮 传 动系统具有减速 倒车 中断动力和轴间差速等功能 与动力机配合工作 能保证轨道 车在各种工况条件下的正常行驶 并具有良好的动力性和经济性阳1 轨道车换向分动箱的基本功能就是将动力机发出的动力传给驱动车轮 它的首要任 务就是与轨道车动力机协同工作 以保证轨道车能在不同使用条件下正常行驶 并具有 良好的动力性和燃油经济性 为此 轨道车换向分动箱都具备以下的功能 3 2 1 实现轨道车的起动 我们知道 只有当作用在驱动轮上的牵引力足以克月a p l 界对轨道车的阻力时 轨道 车才能起步和正常行驶 由实验得知 即使轨道车在平直的钢轨上以低速匀速行驶 也 需要克服数值约相当于o 3 轨道车轴重的滚动阻力 为解决这个问题 必须使传动系 统具有减速增距作用 亦即使驱动轮的转速降低为发动机转速的若干分之一 相应地驱 动轮所得到的扭距则增大到动力机扭距的若干倍 此时换向分动箱与变速箱联合起来起 到这个作用 3 2 2 实现轨道车的正反向运行 轨道车在轨道线路上运行 不仅需要正向行驶 而且还经常需要反向行驶 然而 动力机是不能反向旋转的 故与动力机共同工作的换向分动箱必须保证在发动机选择方 向不变的情况下 能够使驱动轮反向旋转 本设计的解决措施是在换向分动箱内加设一 根换向轴 通过操纵拨叉调整套装在输入轴上的外齿离合器 分别与空套在输入轴上的 正向齿轮与反向齿轮啮合 实现换向功能 1 分动箱正向扭矩的传递路线为 输入轴2 一外齿离合器5 一正向齿轮4 一中间轴正向齿轮1 3 一输出齿轮1 9 一差速器 1 8 一前 后输出半轴2 1 1 6 前 后输出法兰2 2 1 5 2 分动箱反向扭矩的传递路线为 输入轴2 一外齿离合器5 一反向齿轮6 一换向轴齿轮1 0 一中间轴反向齿轮1 1 一中间 轴正向齿轮1 3 输出齿轮1 9 差速器1 8 一前 后输出半轴2 1 1 6 一前 后输出法兰2 2 1 5 3 2 3 换向分动箱的空档 动力机只能在无负荷情况下起动 而且启动后的转速必须保持在最低稳定转速上 否则即可能熄火 所以在轨道车起步之前 必须将动力机与车轴齿轮箱之间的传动路线 大连交通大学工程硕士学何论文 切断 以便起动动力机 动力机进入正常怠速运转后 再逐渐地恢复传动系统的传动能 力 即从零开始逐渐对动力机曲轴加载 同时加大节气门开度 以保证动力机不致熄灭 且轨道车能平稳起步 同时 在轨道车长时间停驻时 以及在发动机不停止运转情况下 使轨道车暂时停驻 传动系统应能较长时间中断传动状态 为此 换向分动箱应设有空 挡 即所有各档齿轮都能自动保持在脱离传动位置的档位 当操纵拨叉调整套装在输入轴上的外齿离合器5 处于中间位置时 只与输入轴的矩 形花键套合 因此 输入轴无扭矩输出 成为空档 3 2 4 换向分动箱的差速作用 在分动箱的输出轴上装置具有差速作用的部件 差速器在换向分动箱前 后输出 轴等速转动的情况下 差速器不起作用 由于车轮半径差异 轨面状况不同及轨道车转 弯行驶等原因 差速器将起作用 柴油机的动力经变速箱由换向分动箱输入轴 换向轴 中间轴传入差速器后 直接 驱动差速器壳 再传递到行星齿轮 带动左 右半轴齿轮 进而驱动前 后输出半轴 前 后输出半轴的转速之和等于差速器壳转速的2 倍 差速器对于任意大小的前 后输 出半轴的转速差 均有相对应的行星轮自转速度 可满足轨道车前 后输出半轴的差 速要求 以均衡轨道车前 后轮对之间的转速差异 本章小结 本章介绍了换向分动箱的结构以及换向分动箱在轨道车上的作用 1 4 第四章换向分动箱的性能要求 第四章换向分动箱的性能要求 换向分动箱的功能是将由动力机传来的动力 通过前后两根万向轴分别传给前后车 轴齿轮箱 继而传递给轮对 驱动轨道车前进 因此换向分动箱的设计要可靠 对换向 分动箱性能有着极高的要求 4 1 换向分动箱的操纵性能 4 1 1 静动换档力 换向分动箱装于试验台上 输入轴及输出轴均不转动 分别由空档挂入前进档位及 由前进档位挂入空档 由空档挂入后退档位及由后退档位挂入空档 作用在换向分动箱 输入轴花键滑轨上最大换档力小于1 2 0 0 n 它们的最小换档力大于1 5 n 9 4 1 2 互锁性能 换向分动箱锁止机构应保证按轨道车行驶要求挂档 不乱档 4 1 3 分动箱换档 换向分动箱总成 不包括换档联杆系统 换档应有清晰手感 不允许脱档 4 2 运转噪声 按 换向分动箱台架试验方法 中规定的测试条件 其最大允许噪声声压级为9 1 d b a 1 0 o 4 3 分动箱齿轮疲劳寿命 4 3 1 换向分动箱齿轮疲劳寿命 高档齿轮寿命指标 在输出轴循环次数达4 1 0 5 次后 齿轮不得产生下列缺陷 齿 轮断裂 齿面严重点蚀 任一处点蚀面积超过4 m m 2 深o 5 t u r n 4 3 2 换向分动箱轴承寿命 滚动轴承应符合t b t 2 5 9 1 1 9 9 6 铁路机车滚动轴承订货技术条件 滚动轴承的 设计寿命按t b l 3 8 6 1 9 8 2 液力传动箱技术条件 第2 3 条规定的计算工况 其寿命不 得低于8 0 0 0 h 大连交通大学工程硕 学位论文 4 4 换向分动箱总成静扭强度 总成静扭强度后备系数不小于2 5 4 5 换档机构寿命 在换档1 0 0 0 0 次后 换档机构的零件不得有影响换档性能的损坏 4 6 传动效率 换向分动箱平均传动效率不小于9 3 5 4 7 换向分动箱油路封密性能 在换向分动箱不加油状态 将换向分动箱油路所有通口 打压孔除外 均以堵塞及 密封装置密封 通压缩气2 0 3 0 k p a l o s 内不得有明显渗漏 4 8 温升 换向分动箱运转后产生润滑油热效应 随着时间的推移 换向分动箱表面的温度不 断地上升直至稳定 稳定的条件是在3 个小时内前后温差不超过2 c 此时测得导体表 面的温度为此导体的最终温度 温度的单位为度 上升的温度中超过周围空气的 温度 环境温度 的这一部分温度称为温升 换向分动箱的各部温度的高低还与外界条件有关 温升就是换向分动箱温度比周围 环境温度高出的数值 装车运行中 各工况连续运转 整箱最高温升不大于4 5 c 平衡油温不超过9 5 最高油温不超过1 l o 注 平衡油温指轨道车满载 换向分动箱注入规定油品 油量 轨道车按最高车速 连续行驶 换向分动箱油温达到的稳定值 最高油温指轨道车按规定满载 换向分动箱 注入规定油品 油量 汽车在最恶劣条件下行驶时 换向分动箱的短暂油温值 本章小结 本章主要阐述了换向分动箱设计应满足的功能要求 说明设计思路和设计时考虑的 重点 1 6 第五章换向分动箱主要部件的设计计算 第五章换向分动箱主要部件的设计计算 本设计对换向分动箱的齿轮 轴承 轴 差速器 花键等部件进行了全面的选型设 计并强度校核 对轴与法兰 齿轮的锥度配合进行了设计计算 重点进行了换向分动箱 箱体 润滑系统的设计论证 5 1 齿轮的设计计算 齿轮是换向分动箱的重要零件 设计是以工作可靠 寿命长 振动 噪音低和制造 成本最经济为准则 齿轮的精度在一定程度上影响着换向分动箱的质量n 为保证换向分动箱的平稳 高质 高效的运行 齿轮传动按以下几项进行布置 1 运动准确 要求同一转速范围内传动比的变化尽量小 以保证传递运动准确 2 工作平稳 要求瞬时传动比的变化尽量小 以保证传动平稳 冲击及振动小 噪 声低 3 接触精度 要求在受载下工作齿面能够良好接触 以保证足够的承载能力和使用 寿命 4 要求齿轮副有适当的齿侧间隙 啮合轮齿的非工作面间的间隙 以补偿热变形和贮 存润滑油 n 引 齿轮材质采用2 0 c r l 讧r 1 t i 齿面进行渗碳淬火 表面硬度为h r c 5 6 6 0 5 1 1 齿轮几何计算 1 齿轮几何尺寸计算 1 2 1 1 3 1 按照g b l 3 5 6 1 9 8 7 渐开线圆柱齿轮基准齿形 及g b l 3 5 7 1 9 8 7 渐开线圆柱齿轮 模数 计算公式如下 分度圆直径d 齿顶高h a 齿根高h f 全齿高h 齿顶圆直径d a 齿根圆直径d f 基圆直径d b 式中 d z l 5 1 c o s 8 吃 砝 x 一 少 肌 厅 屹 c 一x n 聊 h h a h f d a d 2 h a d r d 一2 h f d b d c o s qt 1 7 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 大连交通大学工程硕士学位论文 m n 法面模数 r 齿数 q 一分度圆压力角 1 3 一分度圆柱螺旋角 h 一齿顶高系数 c 一径向间隙系数 x n 变位系数 y 一齿顶高变动系数 计算结果见下表5 1 表5 1 传动齿轮的几何计算结果 t a b l e 5 1c a l c u l a t e dg e o m e t r yr e s u l to f g e a r 输入轴输入轴换向轴中间轴中间轴输出轴 名称齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮 齿数4 13 73 83 53 93 7 法面模数6666 6 6 分度圆直径2 5 1 4 9 62 2 6 9 6 02 3 3 0 9 42 1 4 6 9 22 3 9 2 2 82 2 6 9 6 0 齿全高1 3 1 5 11 3 1 5 l 1 3 1 0 8 1 3 1 0 8 1 3 1 5 1 1 3 1 0 8 齿顶圆直径2 6 7 8 7 42 4 3 9 7 42 4 9 6 9 82 3 1 5 2 42 5 5 3 3 02 4 3 4 5 6 齿根圆直径2 4 1 5 7 22 1 7 6 7 22 2 3 4 8 22 0 5 3 0 82 2 9 0 2 82 1 7 2 4 0 基圆直径2 3 5 7 0 72 1 2 7 1 l2 1 8 4 6 02 0 1 2 1 32 2 4 2 0 92 1 2 7 1 1 2 齿轮测量尺寸计算m 3 按照g b l 0 0 9 5 1 9 8 8 渐开线圆柱齿轮精度 计算公式如下 跨测齿数k 后 爿去 公法线长度w nw w a w m n 式中 1 n v 口 z z 二 z n 口月 2 x n 盱伽小 5 z l 5 8 5 9 5 1 0 第五章换向分动箱主要部件的设计计算 固定弦齿高l l c i l w c o s a k 一0 5 z n v j a w 2 x s i n a k 吃吨 詈s m 2 砰吒 固定弦齿厚s 聊 三c 0 s 2 矗s i n 2 公法线平均极限偏差e w e w e c o sqn o 7 2 f s i nqn 齿厚极限偏差e se s s 1 6 最 e s i 2 0 最 式中f r 一齿圈径向跳动公差 知一周节极限偏差 计算结果见下表5 2 表5 2 传动齿轮的齿厚计算结果 t a b l e 5 2c a l c u l a t e dt o o t h t h i c k n e s sr e s u l to fg e a r 5 1 1 5 1 2 5 1 3 5 1 4 5 1 5 5 1 6 5 1 7 输入轴输入轴换向轴中间轴中间轴输出轴 名称齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮齿轮 齿数 4 13 73 83 53 93 7 法面模数666666 跨测齿数 666666 公法线长度 1 0 2 8 2 61 0 2 6 8 61 0 2 6 6 48 4 7 6 11 0 2 5 5 31 0 2 5 3 8 固定旋齿高 6 3 7 86 6 5 86 4 7 26 5 7 36 2 5 66 4 2 5 固定旋齿厚 9 9 5 41 0 1 5 81 0 0 5 41 0 1 2 79 8 6 51 0 0 1 9 5 1 2 齿轮强度校核计算 本计算用g b t 3 4 8 0 1 9 9 7 渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法 计算齿面接触强度 和齿根弯曲强度口5 1 1 齿面接触强度校核 齿面接触疲劳强度计算是为了防止齿间发生疲劳点蚀的一种计算方法 它的实质是 使齿面节线处所产生的最大接触应力小于齿轮的许用接触应力 齿面接触应力的计算公 1 9 大连交通大学r 丁程硕士学位论文 式是以弹性力学中的赫兹公式为依据的 对于渐开线标准直齿圆柱齿轮传动 其齿面接 触应力计算公式为 z n z e z 乙 5 1 8 式中 z b d 广 单对齿啮合系数 f 广分度圆上的切向力 卜工作齿宽 d l 小齿轮分度圆直径 u 齿数比 k a 使用系数 k 广动载系数 k h 接触强度计算的齿间载荷分配系数 k h e 接触强度计算的齿向载荷分布系数 z i 广节点区域系数 z e 弹性系数 z 重合度系数 z e 螺旋角系数 许用应力为 ohlira gn zv zl zr zwah e 二二 二二 一 s 川面 式中 a h l i m 试验齿轮的接触疲劳极限 z i l 润滑剂系数 z v 速度系数 z l 寿命系数 z r 光洁度系数 z 广工作硬化系数 s h l i 广接触疲劳强度的最小安全系数 安全系数为 2 齿根弯曲强度 垒 奠盟互 o h 2 0 5 1 9 5 2 0 第五章换向分动箱主要部件的设计计算 齿根处的弯曲强度最弱 计算时设全部载荷由一对齿承担 且载荷作用于齿顶 将 轮齿看作悬臂梁 其危险截面可用3 0 切线法确定 即作与轮齿对称中心线成3 0 夹 角并与齿根过渡曲线相切的两条直线 连接两切点的截面即为齿根的危险截面 3 如 图5 1 所示 裂纹 图5 1 危险截面位置及应力 f i g 5 1d a n g e rs e c t i o na n ds t r e s s 运用材料力学的方法 可得齿根弯曲强度的计算公式为 f o f l k a