摘  要： 文章介绍了A 型地铁车辆 ZMA080 型转向架齿轮箱的设计，着重分析了齿轮箱的结构、润滑和密封、齿轮设计和轴承布置，并对箱体进行了强度评估。

关键词： 转向架； 齿轮箱； 润滑； 密封； 齿轮

 

      齿轮箱作为车辆转向架驱动系统的重要部件，对整个车辆的运行状况有着至关重要的影响。 针对 A 型地铁车辆ZMA080 型转向架驱动系统的结构和性能特点，自主设计适用于该类型转向架的驱动系统齿轮箱。

 

      齿轮箱是传递电机扭矩不可缺少的部分， 主要由齿轮箱体、主动齿轮、从动齿轮、密封件、支承轴承等部件组成。 齿轮箱应满足的技术参数如下^[1]。

      车辆最大运行速度/km·h^-1                         80

      轴重/t                                                  16

      车辆每年运行里程/km                      125 000

      电机额定功率/kW                                  190

      电机额定转速/r·min^-1                           1 800

      电机最大转速/r·min^-1                           3 481

      电机启动转矩/N·m                              1 625

      电机额定转矩/N·m                              1 008

      电机最大牵引转矩/N·m                        1 626

      电机短路转矩/N·m                              9 800

      传动比                                                6.32

      齿轮中心距/mm                                    355

      齿轮箱箱体采用铸造结构，材料为球磨铸铁，箱体结构属于薄壁铸件， 主要壁厚 12~16 mm， 箱体总重175 kg。 主动齿轮、从动齿轮均采用渐开线斜齿圆柱齿轮，材料符合 EN 10084—1998《渗碳钢材交货技术条件》的要求，表面渗碳处理。

      齿轮箱最大外形尺寸为656 mm×1 005 mm×286 mm，为上、下箱体剖分式结构，上、下箱之间通过 2 个圆柱销定位，输出轴轴承座部位 4 个内六角螺钉连接，其余处 8个内六角螺钉连接。注油孔和排油孔上的螺塞端部装有磁铁，用来收集油液中的铁屑；油位可通过油位观察玻璃进行查看；下箱体上设有观察孔，拆下观察盖后可观察从动齿轮齿面情况；起吊螺座通过与吊环配合用于箱体的起吊； 上箱体上的防脱落臂通过与装在构架上的安全销配合在紧急情况下起保护作用， 齿轮箱外形图如图1 所示。

      车辆运营时，冲击、振动、噪声、漏油和齿轮轮齿失效是齿轮箱比较突出的问题^[2-3]。 为了提高齿轮箱的性能，保证箱内各部件的寿命，在设计过程中必须采取可靠的润滑和密封措施。

      车辆运行过程中， 齿轮箱内运动部件处于高速运转及高温状态，采用飞溅式润滑，润滑油不仅可以显著降低摩擦阻力，还可以起到散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用^[4]。

      从动齿轮采用浸油式润滑，其轮齿浸入油中，齿轮转动将油甩到箱壁上，借以散热。在上箱体顶部两侧设有两盖板，盖板通过沉头螺钉固定在箱体上，盖板和箱体间形成油池（见图 2），飞溅到箱壁上的润滑油通过顶部的挡油筋板流入到两油池中。 油池中的润滑油通过油路流到轴承座上，润滑轴承。轴承座上的润滑油通过下箱体上的回油孔回到下箱油池中。

      齿轮转动时，从动齿轮把润滑油带到未浸入油中的主动齿轮的啮合齿面上实现主动齿轮润滑。在靠电机侧设有与箱体顶部处原理相似的油池和挡油筋板，用于主动齿轮支承轴承润滑。主动齿轮另一端的轴承由于直接跟小齿轮端面接触，润滑油可直接进入轴承，实现轴承润滑，多余的润滑油通过油路流回箱内。

      齿轮箱应具有良好的密封性，不应有漏油现象，并能避免水分、尘埃及其它杂质进入箱体内部。齿轮箱由静密封、动密封两种密封方式确保密封性。

      1）静密封 ：在注油塞和排油塞安装处都使用了金属垫圈密封，油位指示器使用了管螺纹密封。外端盖和箱体的结合处以及箱体的合箱面都是容易渗油的部位，因此在外端盖和箱体间采用密封圈密封，同时在接触面上采取密封胶密封。

      2）动密封：采用非接触式的迷宫密封，迷宫式密封由动件和静件组成，两者互不接触，中间存在间隙，油封缝隙中填满润滑脂，可有效阻止多余润滑油渗出^[4]。

      为减小振动，改善轮齿受力状况，降低噪声，提高车辆乘坐舒适性，主、从动齿轮均采用斜齿轮传动。

      齿轮传动比u=6.32，为使轮齿不致过小，保证主动齿轮的强度，主动齿轮齿数 Z₁=19，从动齿轮齿数 Z₂=120。为适应总体结构条件的限制和增强齿轮强度的需要，主动齿轮采取正变位，从动齿轮采取负变位^[5]。这样在满足总体各项要求的条件下， 可使从动齿轮质量适当降低，同时使齿轮箱的设计空间增大，有利于齿轮箱箱体及润滑与密封的结构设计。

      按ISO 6336-5—2003《直齿轮和斜齿轮承载能力的计算》和 GB/T 3480—1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》规定的方法校核齿轮的承载能力，校核结果如表1 和表 2 所示。 以作用于齿轮上的极限载荷为基础对轮齿进行静强度分析， 要求计算弯曲强度安全系数 S_F＞1。 轮齿失效是齿轮失效的主要形式^[3]，对齿轮轮齿的接触和弯曲疲劳强度进行校核，要求齿面的计算接触强度安全系数S_H＞1.2，齿根计算弯曲强度安全系数 S_F＞1.6。

      计算结果表明， 轮齿的静强度和疲劳强度均符合设计要求。

      齿轮箱通过2 个圆锥滚子轴承环抱于车轴，2 个圆锥滚子轴承反向对称布置，可平衡受力状况，提高支撑刚性。

      小齿轮两侧通过支承轴承支撑，轮侧采用1 个圆柱滚子轴承结合1 个四点球轴承的组合方式， 电机侧采用1 个相同的圆柱滚子轴承。 圆柱滚子轴承可以承受较高转速和径向力，四点球轴承用于承受轴向力。

      轴承的有效寿命应经过计算验证， 在考虑润滑状态及遵循指定换油周期的情况下进行计算， 计算结果如表3 所示。

      分析齿轮箱箱体在车辆各种运行工况下的应力状态， 利用 ANSYS 软件的 Workbench 模块进行模拟加载、运算，对齿轮箱箱体静强度和疲劳强度进行评估。

      齿轮箱受力计算按以下要求进行：1）在从动齿轮轴承座处施加全约束；2）在吊杆座和主动齿轮轴承座上施加载荷。

      齿轮箱箱体承受的载荷包括三个部分： 一是齿轮传动时对齿轮箱的作用力； 二是驱动装置在受冲击时对齿轮箱的作用力； 三是电机传递扭矩时对齿轮箱的作用力。

      按照极限工况校核齿轮箱的静强度， 考虑驱动装置垂向受5g 冲击和电机短路力矩共同作用于齿轮箱时， 箱体静强度能否满足要求。 材料 GGG50.3 的屈服强度为320 MPa， 取安全系数为 1， 则许用应力为320 MPa。 计算结果见图 3， 齿轮箱上最大应力出现在主动齿轮轴承座上，为172.15 MPa， 小于材料的许用应力，因此箱体的静强度满足要求。

      在只受自重作用、启动扭矩与垂向3g 冲击共同作用于齿轮箱的情况下，校核齿轮箱箱体疲劳强度。经计算，在疲劳交变载荷作用下产生的最大应力为39.78 MPa。

      将各个危险点的平均应力、 第 1 主应力和第 3 主应力输入材料的Goodman 疲劳曲线图（见图 4），可知该齿轮箱箱体的动应力范围均在材料的Goodman 疲劳曲线界限之内，因此齿轮箱体的疲劳强度满足要求。

      设计的A 型地铁车辆 ZMA080 型转向架齿轮箱试制后型式试验表明，设计完全满足要求。 目前，该齿轮箱已经装于相应地铁车辆上运用，效果良好。

 

[1] 陈喜红，陶功安，陈国胜，等. A 型地铁车辆 ZMA080 型转向架的全[1] 面国产化研制[J]. 电力机车与城轨车辆，2007（1）.

[2] 廖志伟，王飞宽，胡继彬. SS4B 型机车齿轮箱结构分析与改进[J]. 电[1] 力机车与城轨车辆，2010（5）.

[3] 邹家生，许 峰，卢 龙. 齿轮表面改性技术研究现状[J]. 江苏科技[1] 大学学报：自然科学版，2009（2）.

[4] 崔东岩，邵慧明，金 辉. 机车牵引齿轮润滑现状及发展趋势[J]. 润[1] 滑油，2008（2）.

[5] 王知行，刘廷荣. 机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2008.

[6] EN 10084—1998，渗碳钢材交货技术条件[S].

[7] ISO 6336-5—2003，直齿轮和斜齿轮承载能力的计算[S].

[8] GB/T 3480—1997，渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法[S].