城市交通轻轨动车牵引齿轮的设计与制造.pdf

6 1 t 目 产 产 城市交通轻轨动车牵引齿轮的设计与制造 成墅堰机车车辆工 艺研 究所滕 青龙 摘要 对城市交 通轻 轨动 车牵引齿轮的基 本参 数 材 料 以及加 I用 齿轮 滚 刀 和 加 I I 艺 进 行 7 分 析 指 出 切 齿 加 I 的 关 键 是 确 定 精 加 I 留 量 并 强 0 2 o 5 调 轮 齿 修 形 加 I 的 必 要 陆 和 重 要 性 L 上 3 9 主题词轻 轨车辆 1 齿轮 的设计 主 堕 竺 it t 童 L 生 翅 城市交通轻轨 动车的牵引传动通 常采 用 一 级齿 轮减速 传动装 置 传动齿轮 的齿面 硬 度大 3 o o HB 对齿轮的精度 要求也较 高 1 1 基 本参数 的确定 1 1 传动 比及齿轮齿数 设计传动 比时 应注 意主 从动齿轮的齿 数不要具有公约数 其好处是 使主 从动齿轮 的轮齿均匀接触 磨损 同时可改善齿轮副的 啮合精度 降低传动噪声 所选择的齿轮实际 传动 比与理论值允许有一定的偏差 但不能 大 于 1 5 否则应重新选择 传动齿轮的中心距应尽可能满 足设计要 求 在具体 的设计过程 中 可以通过 调整 齿轮 的模数 螺旋 角 变位系数等啮合 参数 来保证 总体要求 1 1 2 模数 齿轮模数是根据齿轮受载情况来定的 受载大 齿轮的模数 也应大 否则 模数就 小 与 铁路 干线用机 车相 比 城 市交通 轻轨 动车的功率不大 运行 的速度不高 只是 起 动 制动频繁 加速时间短 且以承受冲击载 荷为 主 故在设计齿 轮时 齿轮的弯曲强 度安 全 因数应 比接触强度安全因数高 表 1是一组城市交通轻轨动 车牵 引齿 轮 模数的取值情况 裹 1牵引齿 轮的 模数 机 车 种 类 模 数 mm AEC I S 5 AEG 2 S 5 AEG 3 4 5 上悔 地挟 i s 5 上海 地缺 2 6 北京 地缺 8 伊 朝地铁 7 模数具体取值可依据国家标准 但在具 体设计时 由于诸多因素的限制 也可采用非 标准的模数 例如 5 3 mm 这样取值的后果 是齿轮 的机加 工刀具 也只能 用非 标刀具 给 订货和生产带来一定的困难 1 1 3 齿 轮的压力角 齿 轮的压 力角是一 个重要 的参 数 其选 择合适与否将直接影响到齿轮啮合质量 齿 轮端 面重合度 齿顶形 状及 齿轮弯 曲强度等 在选 择齿 轮压力角时应考虑 以下 问题 1 齿轮 的压力角 与齿轮 弯 曲强 度 的关 系 一般而言 增大齿 轮的压力角可 以增加齿 轮 的弯 曲强度 进而 增加 牵引齿 轮的承 载能 力 但增大齿轮的压力角将使齿轮的接触强 度下降 所以应根据城市交通轻轨动车的不 同情 况综合考虑 合理选择牵引齿轮压 力角 机车 车辆 工艺1 9 9 9年第 3期 维普资讯 2 齿轮的齿顶变 尖问题 在选取和计算 齿轮的压力角时 应注意齿轮的齿顶变尖问 题 应与齿轮其他参数 结合起来 考虑 一般 要求 齿顶厚 S a O 2 5 m 法 向模数 对表 面淬硬的齿轮 s n太小 易淬透 容 易发 生齿 顶脆裂 所以要求 S a O 3 5 0 4 m 较理 想 的是 S a 0 4 m 1 2 安全 因数的选 择 齿轮 的最小安全 因数是根据齿轮使用 的 工况按 照标准来选择 的 GB 3 4 8 0 8 3 渐开 线 圆柱 齿轮承 载能力计算 方法 中安 全因数 是根据齿轮的失效概率分档取值的 而 Z B T J 1 7 0 0 6 9 0 高速渐开线圆柱齿轮承载能 力计算 方法 中齿 轮 的弯 曲强度最 小安全 因 数 s 和接触 强度最 小 安全 因数 s 仅规 定了一档 在 GB T 3 4 8 0新标 准中 将齿轮 的 s 和 s m 等效采用国际标准 具体取值 详见表 2 衰 2最 小安全 园数参 考值 使 用 要 求 高可靠虚 较高可靠虚 一 般 可靠度 低可靠度 2 1 6 1 2 5 1 0 一 1 50 1 60 1 25 1 30 1 0O 1 1 0 0 5 根据城市交通轻轨动车的使用特性和牵 引齿轮失效时可能产生的后果 参照上述最 新的齿轮标 准 一般将 牵引 齿轮 的最小安 全 因数 按较 高可靠度 一档选 取 即 S F 1 6 S u m 1 2 5 1 3 0 1 3 材料的选 择 根据热处理方式 的不同 目前我国的机 车齿轮 材料通 常有两 大类 一类是渗碳 淬火 材料 另一类是感应淬火材料 城市交通 轻轨 动车的牵 引齿轮材料也不例外 此外 所选 的 材料还应满足弯曲强度较高的要求 渗 碳 淬 火齿 轮 用 的 是 低 碳 合 金 钢 有 l 2 Cr Ni 3 A 1 5 Cr Ni 6 2 0 Cr M n M o A 2 0 Cr M n T i 2 0 C r 2 Ni 4 A 等 2 0 Cr Mn Mo A 为 常 用 材 料 对 于 性 能 要 求 特 别 高 的 齿 轮 可 选 用 1 2 Cr Ni 3 A 1 5 Cr Ni 6 如果齿轮对心部还有更 高的 要 求 则 可用2 0 Cr 2 Ni 4 A 但 2 0 C r Mn Mo A有利于降低齿轮的制造成本 感 应 淬 火 齿 轮 用 的 是 中碳 合 金 钢 有 4 O Cr 4 2 Cr Mo A 5 0 C r Mo等 其 中 4 2 Cr Mo A 为常用材料 而且热处理性能 稳定 热处理 工 艺也较为成熟 2齿轮 滚刀的设 计 一 般 情况 下 机 车牵 引齿轮 的齿 根 不需 要也 不允许磨 削 这 在机 车 齿轮图纸 上 均有 明确的要求 同样 城 市交通轻 轨动车的牵引 齿轮也应有这样 的要求 不磨 削齿 根的齿轮一般用 凸角 留窘齿轮 滚刀 切 齿 其滚 刀设计 主要难 点在滚 刀 的 凸 台部 分 凸台 部分 的关 键 参 数 有 凸 台高 度 H 凸台角度 0 凸台圆角半径 R 2 1凸台高度 H 凸台高度 又称凸台量 和齿轮的留磨量 有一 定的关系 且 留磨 量需 再增加 一定 的挖 入量 国外 曾有人推 荐 H 约为齿轮单边 留磨 量 的 1 3 5倍 GB 8 0 6 2 1 8 7规定 在模数 为 7 1 0 mm 时 H 为齿 轮 单边 留磨 量 的 1 3 2 倍 根据经验 其他模数也可采用类似 的方法 当齿轮有齿 向修形 时 应根据修形情 况另加考虑 2 2凸台角度 0 在 GB 8 0 6 2 1 8 7中 对 日有具体 规定 常 用的取值范 围是 6 l 3 因为取小值时 齿轮滚刀凸台部分磨损较快 在可能的情况 下 尽量 取大值 2 3凸台圆角半径 R 从理 论上讲 其 要齿轮 的齿根 圆弧半径 达到齿轮设计要求 R应尽可能取大值 以降 低轮齿根部的应力集中 R初值可取为齿轮 模数 的 0 3倍 但最终取值要 和 H d一起 计 算 以验 算切 齿后齿 轮的渐 开线起 始点 半径 是否小于齿轮成 形圆的半径 如果大于齿轮 成 形 圆的半径 则要重新取值 计算 另外 还 需要验算齿根 凸台圆弧 圆心至刀齿 对称线的 机车 车辆 工 艺1 9 9 9年第 3期 维普资讯 距离 其最小值不得小 于 0 否则仍需 重新取 值 计 算 需要特别 说 明的是 这一限制往往 是 R最主要限制因素 在设计滚刀时应予足 够 的重视 3 齿轮加工工艺 城市交通轻轨动车牵引齿轮主要加工过 程如 下 3 1 锻 造 及 正 火 齿坯一 般采取锻 造方法 具体采 用何 种 锻造方 式则 由齿轮 生产批量 决定 这主要 是 考虑 齿轮的生产成本 3 2 齿坯 的超 声波 探伤 根 据 齿轮对 锻件质 量 的要 求 在齿轮 齿 坯粗加工后加入超探工序 控制齿坯的锻造 质量 这在 GB 8 5 3 9 8 7 齿轮 材料及热 处理 质量检验 的一般规定 中有具体规定 可参照 执行 3 3 半精车 对 一些 不重要 的表面 和尺寸 进行加 工 减少后面精加工余量 确保精 加工的精度 且 为后面切 齿加工做准备 3 4切齿加工 齿轮的切齿加工 常 用方法 为滚齿加工 而齿轮齿形 精加 工的 留量是加 工的关键 留 量太小 尺 寸到 限时还可能有 黑皮 导致 产品 不 合格 留量太大 势必要增加 热处理硬 化层 深度 从 而导 致热 处理 生产成本 的增加 而且 增加 了齿形精 加工 的工 作量 提高 齿轮的 机 加工成本 其留量可以按下面几 个方 面考虑 1 模数 模数大 齿形 精加工 留量应大 些 有 资料介 绍 单边 留量 一0 1 1 0 0 1 5 仇n 2 齿轮的结构及热处理控制水平 如 果 结构复杂 薄壁 热处理控制的水平不高 则 变形就会 大 相应 的齿形精加工 留量应大些 3 齿轮的齿 向修形 在齿轮齿形精 加工 后 如果出现了反 凸台 则会加大齿轮齿根部 位 的应力集 中 降低齿轮强 度特别 是弯 曲强 度 为了使齿根部位不 出现 反凸 台 齿轮齿形 精加工 留量应大于齿 向修形 的最大修形量 4 切 齿加工精度 如果切齿加工 精度 不 高 或切齿刀具精 度等级低 则须加 大齿轮 齿 形精加工 留量 3 5热处理 1 渗碳淬火 如果齿轮采用渗碳淬火 则 齿 轮的齿 面硬 度 可 以达 到 6 o 6 3 HRC 实 际上 当齿面硬度达到 6 3 HRC以上 时 齿 轮在磨齿 时就很容 易 出现 磨削 裂纹 这是 磨 齿加工 中最 不希 望出现的 因为磨 削裂纹会 引起 齿轮 的早 期失效 严重 的会 引起 齿 轮损 坏 所 以 最 好将 齿轮 的齿面硬度 控制在 5 8 6 0 HR C 不要超 过 6 2 HRC 渗 碳淬火 齿 轮有部分 表面不 允许渗 碳 常用工 艺是在 渗 碳后 将不要求渗 碳 的表 面 的渗 碳层 剥 去 而 不采 用在不渗碳表 面涂 防渗 荆的方法 这 是 因为涂防渗荆后表面清洗工作很麻烦 而且 防渗效果不稳定 2 感应淬 火 如果 齿轮采 用感应淬火 则 齿 轮 的 齿 面 硬 度 一 般 控 制 在 5 3 6 2 HRC 齿 轮的心部硬度 则根据 齿轮 的材 质不 同 而不 同 对 于模数 小 于 7 mm 的 齿轮 特别 是斜 齿轮 采用单齿感应淬火 应慎重 因为单齿 感应淬火 工装制作 困难 加工调 试过 程 也不 易控 制 故不宜 采用单齿感应淬 火 建议 采用 其他感应淬 火方式 或 者改材料 采用渗 碳淬 火 工 艺 3 6 其他尺 寸 的精 加工 对于以孔为基准的齿轮 在磨齿之前 将 根据图纸要求 对齿轮进行孔 的精加工 其中 有锥孔 直孔加工 锥孔在磨削后要用专用塞 规按 图纸 要求检查 直孔加工除注意尺寸的 要求 外 还 要注意 内孔 出现 锥形误 差时 的锥 形走 向 这 一点对 于用压装 方法组 装 的齿轮 特别重要 3 7 齿形的精加工 1 常规齿形的精加工 城市 交通 轻轨 动 机车车辆工艺1 9 9 9 年第 3 期 维普资讯 车的牵 引齿轮 通常为硬 齿 面齿 轮 齿轮的精 度 在 6级 以上 故齿 轮的齿形都 采用 磨削精 加工 2 轮齿的修 形及加工 对 齿轮 轮齿修形 可 以提高齿 轮 的啮合质量 减少 齿轮 啮合 时 的冲击 降低齿轮运行 噪声 而 且还 可抵 消齿 轮加 工及 安装误 差对齿轮 运行 的影响 提高 齿轮使用寿命 因此 城市交通轻轨动车牵引 齿轮采用轮齿修形技术也是必不可少的 轮 齿的修形 可分 齿形修 形和 齿 向修 形 具体 的修形 计算在 有关 专业书 中均 有介 绍 对于齿向修形 应特别注意轮齿两端须同时 进行修形 J E 接 第 5页 4 结 论 1 车轮因为轮缘磨损而大量报废 碾钢 轮堆焊修复很有必要 2 焊 接性 分析 表明 碾钢轮所用材料有 较严重的玲 热裂倾 向 焊接时应采用焊前预 热 焊后缓 玲等 工艺 措施 加以控制 3 现行 轮缘 堆焊 所选焊 接材料 及工 艺 的工艺 焊接性 尚可 但堆焊 层的抗磨 损和 抗 剥离性能 比母材差得多 即使用焊接性不佳 有待改进 4 轮缘 堆焊 层应具有足 够高 的硬度 和 强 度 轮缘 堆 焊层 与钢 轨 的最 佳 硬 度 比 为 1 2 1 5 必须制订修复规范 限制堆焊修复次 数 国内常 用轮 齿修 形 加工 设备是 磨 齿机 通过 专门设计 的修形 样板来磨削 但 对于大 修形 量 特别是齿 向修形 大于 0 4 Mm 时 国 产设备加 工就 比较 困难 要 用进 1 2 1 设备 例 如 德 国的 HOF LE R公 司 的磨 齿机 加 工精 度 可以达到 4 5级 3 8 齿轮的喷丸 为了减少齿轮特别是齿根对细微裂纹的 敏感度 提高齿轮的疲劳极 限和使 用寿命 应 对齿轮进行喷丸强化处理 齿轮 齿面在喷丸 后 齿面 的粗糙度 将会 比磨 齿后 的 齿面 降低 1 2级 收 稿 日期 1 9 9 9 0 3 2 3 一 一一矿t 一 一 一 一 参考文献 T B 4 5 5 6 5 车辆用轧翻 车轮试生产暂行技术条件 T B 4 5 6 8 7 铁道 车辆用 碾 钢整体 轮技术 条件 GB 8 6 0 1 8 铁 路用碾 钢整悻 车轮 局撮 丰 张文锻 焊接珀垒与垒属捍