軌道交通牽引齒輪齒面接觸分析及修形優化

顏 力,張鵬飛,王文健,王澤坤,王宇鵬

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所股份有限公司,江蘇 常州 213000)

0 引言

牽引齒輪傳動系統是軌道交通城軌、地鐵走行部的關鍵部件之一,它是將電機輸出扭矩傳遞給輪對以實現牽引的裝置[1]。

齒輪修形是減少齒面偏載,降低齒輪嚙入和嚙出沖擊的重要技術手段。但目前軌道交通牽引齒輪修形設計大部分還是根據經驗,特別是主、從動齒輪均采用兩端圓錐滾子軸承支撐的城市軌道交通齒輪傳動系統,這種結構常認為齒輪副兩軸線平行度非常好,不易出現嚙合偏載,因此經驗認為該類傳動系統僅需要在主動齒輪上采用齒向鼓形修形即可使齒面接觸均勻。

本文以某軌道交通齒輪傳動系統為例,建立了Romax傳動系統仿真模型,綜合考慮了齒輪輪齒修形、軸系變形、軸承剛度、軸承游隙等因素對齒輪嚙合狀態的影響,通過齒面接觸分析,發現該結構齒輪僅采用鼓形修形存在著偏載現象,并提出了齒輪修形優化方案。通過加載試驗,驗證了采用增加齒向斜度修形優化方案后,齒輪齒面接觸均勻,可避免齒輪偏載。

1 設計輸入

1.1 齒輪傳動系統結構

軌道交通齒輪傳動系統結構主要由主動齒輪、從動齒輪、大小軸承、車軸和箱體等組成[2]。主動齒輪通過小軸承兩端支撐,從動齒輪過盈裝配在車軸上,電機扭矩通過主動齒輪傳遞到從動齒輪,最后由車軸輸出,如圖1所示。

圖1 齒輪傳動系統

1.2 傳動系統參數

軌道交通齒輪采用一級圓柱斜齒輪傳動,啟動扭矩、電機功率、傳動比等傳動系統參數具體如表1所示。

表1 傳動系統參數

1.3 齒輪參數和尺寸

牽引主動齒輪和從動齒輪基本參數和齒輪幾何尺寸如表2和表3所示。

表2 齒輪基本參數

表3 幾何尺寸 mm

2 仿真模型建立

Romax被認為是世界上權威的傳動系統仿真軟件[3],本文按上述結構圖建立了該齒輪傳動系統Romax仿真模型(見圖2)。并在主動齒輪軸頭施加電機輸入扭矩和轉速,車軸為扭矩輸出,車軸輪對處添加剛度軸承約束,齒輪箱吊桿座處施加剛性連接地面。通過Romax仿真軟件可以充分考慮齒輪輪齒修形、軸系變形、軸承剛度、軸承游隙等因素對齒輪嚙合狀態的影響。

圖2 傳動系統仿真模型

齒輪左右齒面的定義如圖3所示。在齒輪修形方面,主動齒輪齒廓采用了齒頂和齒根修形,齒向修形由于主、從動齒輪均為兩端支撐結構,采用了鼓形修形,其中中間鼓形量為10 μm,兩端削邊量為20 μm(見圖4)。從動齒輪不修形,并在模型中導入主、從動齒輪相應修形參數。

圖3 主動齒輪左、右齒面定義

圖4 主動齒輪修形

3 齒面接觸分析

Romax軟件齒面接觸分析是基于赫茲接觸理論模型,斜齒輪的齒面接觸情況可通過齒面嚙合接觸線載荷分析計算。由于在實際嚙合的過程中,斜齒輪的嚙合接觸線是由點變化成線再變化成點的,所以要得到斜齒輪不同嚙合位置時的法向接觸載荷分布,可以用總法向載荷除以總嚙合線的長度,得到在某具體位置嚙合時的接觸線單位法向載荷[4]。

在Romax軟件中分別計算了牽引齒輪在啟動工況和制動工況左、右齒面從嚙入到嚙出整個工作齒面上各個嚙合位置上的單位接觸法向線載荷,并形成接觸線載荷云圖,如圖5～圖8所示。

圖5 啟動工況-右齒面嚙合

圖6 啟動工況-左齒面嚙合

圖7 制動工況-右齒面嚙合

圖8 制動工況-左齒面嚙合

由齒面接觸線載荷云圖可知,啟動和制動工況下該牽引齒輪左齒面和右齒面存在比較嚴重的邊緣接觸,其中右齒面嚙合傳動時接觸偏輪對側,左齒面嚙合傳動時接觸偏電機側,并且左齒面嚙合傳動邊緣接觸更嚴重,其中啟動工況左齒面單位最大接觸線載荷達到1 008.5 N/mm。

圖9～圖10是左右齒面啟動工況的嚙合接觸斑點分布,可見主動齒輪載荷左齒面明顯偏向電機側,右齒面偏向輪對側,紅色高應力區與運營5萬km后的實物失效主動齒輪(見圖11)的接觸偏載剝離的痕跡十分接近。

圖9 左齒面嚙合斑點

圖11 實物齒面接觸痕跡

4 齒輪強度校核

軌道交通牽引齒輪的強度校核計算按照ISO 6336—2006標準,取載荷最大的啟動工況作為計算輸入工況。

計算時考慮齒輪修形及齒輪嚙合錯位引起的齒面偏載分布,因此齒面載荷分布系數KHβ根據嚙合接觸線實際計算值,最終牽引齒輪強度校核計算結果如表4所示,對應表5推薦的最小安全系數,可見牽引主動齒輪的接觸安全系數為小于低可靠度,不能滿足設計要求。

表4 齒輪安全系數

表5 GB/T 3480—1997推薦的最小安全系數

5 齒輪修形設計優化

由上述分析和使用后實物齒輪接觸痕跡可知,該對齒輪在工作中存在著嚙合偏載,原設計齒向對稱鼓形修形不適合該齒輪傳動系統工況,因此須對主動齒輪的齒向修形重新設計優化。

根據左右齒面的偏載情況,在主動齒輪左右齒面增加斜度修形量,斜度修形量為50 μm,齒廓修形不變,優化后的齒向修形如圖12所示。并對優化后的齒輪齒面接觸進行重新計算,結果如圖13～16所示,可見齒面接觸居中,最大接觸線載荷為582.74 N/mm,較優化前下降了42.2%。牽引齒輪強度校核結果如表6所示,其中主動齒輪齒面接觸強度提高到一般可靠度,彎曲安全系數達到了高可靠度,滿足設計要求。

表6 優化后齒輪安全系數

圖12 主動齒輪修形優化圖

圖13 啟動工況-右齒面嚙合

圖14 啟動工況-左齒面嚙合

圖15 制動工況-右齒面嚙合

圖16 制動工況-左齒面嚙合

6 試驗驗證

牽引齒輪齒面接觸狀態試驗驗證需要在加載試驗臺上進行。本次試驗的試驗臺采用電封閉結構(見圖17),通過聯軸節將2套齒輪箱的主動齒輪軸連接,負載電機(發電機)與驅動電機(電動機)分別連接齒輪箱的車軸端,通過調節負載電機和驅動電機轉速及扭矩,即可模擬齒輪傳動系統應用工況,實現對齒輪箱加載試驗。

圖17 加載試驗

將優化齒輪修形后的2臺齒輪箱作為主試和被試齒輪箱裝配到加載試驗臺上,并在主動齒輪左右齒面刷一層刮研紅丹油。按啟動扭矩加載跑合時間360 h后,拆箱檢查齒輪接觸痕跡見圖18,可見齒面兩頭紅油均已跑合干凈,左右齒面接觸均勻,未見偏載痕跡。因此從仿真計算及加載試驗接觸痕跡檢查情況看,優化后的修形設計能明顯改善齒輪嚙合偏載現象。

圖18 優化后齒面接觸痕跡

7 結論

綜上分析,齒輪的齒面接觸分析及強度校核結果表明原牽引齒輪在啟動和制動工況均存在較大的偏載;其中主動齒輪右齒面嚙合傳動時載荷偏輪對側,左齒面嚙合傳動時載荷偏電機側;尤其是左齒面嚙合偏載非常惡劣,計算的齒面接觸安全系數小于最低可靠度,長時間運行會出現點蝕和剝離等齒面疲勞損傷。

牽引齒輪偏載的原因是原牽引齒輪對稱鼓形的修形設計與該傳動系統不匹配。經仿真分析和試驗驗證,通過對主動齒輪增加斜度修形優化可極大改善齒面嚙合接觸狀態,齒面接觸應力顯著下降,提高齒輪強度和安全系數,滿足使用要求。