張志顯 申俊

摘 要：齒輪箱箱體作為齒輪箱中各零部件的安裝基體，其質(zhì)量和強(qiáng)度對(duì)車輛的乘坐舒適性及安全性具有重要影響。本文對(duì)齒輪箱體強(qiáng)度分析方法進(jìn)行了研究，并采用古德曼法進(jìn)行了疲勞驗(yàn)證，分析了箱體的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度滿足情況。

關(guān)鍵詞：承載式齒輪箱;強(qiáng)度分析;疲勞分析

齒輪箱殼體是車輛的關(guān)鍵零部件之一，減少其質(zhì)量可有效的降低車輛簧下質(zhì)量，降低軌道車輛輪軌磨損，提升車輛運(yùn)行壽命。為保證齒輪箱的正常運(yùn)行，應(yīng)在其設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行應(yīng)力分布評(píng)估，[1]并用古德曼圖對(duì)設(shè)計(jì)箱體進(jìn)行疲強(qiáng)度分析，以確保所設(shè)計(jì)箱體能夠滿足各工況運(yùn)行之間的切換。

1 承載式齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖中齒輪箱輸入端與電機(jī)采用剛性連接，輸出端齒輪通過螺栓連接動(dòng)力輸出軸。電機(jī)通過圖1所示位置3、4連接車架，齒輪箱箱體通過1、5分別連接到車架和電機(jī)連接臂上。

2 箱體結(jié)構(gòu)受力情況分析

參照TJ/JW 064-2015《交流傳動(dòng)機(jī)車鑄鋁合金齒輪箱體暫行技術(shù)條件》架懸式承載齒輪箱體應(yīng)能承受垂向±3g、橫向±1g和縱向±2g的慣性力沖擊;同時(shí)還應(yīng)能承受驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)扭矩作用在齒輪箱體上的力。車輛運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在啟動(dòng)、持續(xù)、高速、短路等工況，其中在短路工況為最惡劣工況，因此應(yīng)著重分析短路工況作用下齒輪箱的受力情況。因慣性力沖擊載荷的不同組合，在短路工況運(yùn)行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同慣性載荷沖擊疊加情況，為保證在各種情況下，車輛齒輪箱箱體均能承受相應(yīng)載荷，排列組合出現(xiàn)8種組合沖擊載荷情況。在最惡劣工況下齒輪箱體的應(yīng)力均應(yīng)小于材料屈服極限。依據(jù)齒輪傳動(dòng)力分析計(jì)算方法，可計(jì)算出個(gè)主從動(dòng)齒輪所承受的各方向載荷情況。

3 箱體強(qiáng)度分析

采用CATIA建立箱體結(jié)構(gòu)三維模型，導(dǎo)入workbench軟件，依據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況在不失真的情況下對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化以降低模型計(jì)算難度。[3]

3.1 定義材料屬性

該結(jié)構(gòu)采用交流傳動(dòng)機(jī)車用鑄鋁合金齒輪箱體材料，力學(xué)性能如表1所示：

3.2 建立有限元模型

把用CATIA建立的齒輪箱箱體三維模型導(dǎo)入workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型采用10節(jié)點(diǎn)187單元四面體網(wǎng)格和20節(jié)點(diǎn)186單元六面體網(wǎng)格，共有1379924個(gè)節(jié)點(diǎn)，726745個(gè)網(wǎng)格。[2]

3.3 模型分析邊界條件及載荷情況

依據(jù)模型在分析軟件中具體位置圖依據(jù)圖1所定義各項(xiàng)位置，加載相應(yīng)的邊界條件。具體加載情況如表2所示：

4 有限元分析結(jié)果

4.1 各工況應(yīng)力情況

分析結(jié)果如表3所示，各工況下的最大應(yīng)力均滿足要求。

4.2 疲勞強(qiáng)度分析

在各種組合工況下，承載齒輪箱體所有應(yīng)力不允許超過圖示應(yīng)力限值實(shí)線區(qū)域范圍，齒輪箱箱體材料的Goodman圖區(qū)域如圖2所示。

編制程序處理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，分析結(jié)果如圖3所示，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都滿足古德曼曲線，即表示在正常工況下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都落在Goodman曲線多邊形內(nèi)部，滿足要求。

5 結(jié)論

在極端運(yùn)行工況下，箱體所受最大應(yīng)力均小于材料屈服極限，保證在靜力學(xué)條件下，箱體結(jié)構(gòu)能滿足相應(yīng)的使用要求。

依據(jù)TJ/JW 064—2015《交流傳動(dòng)機(jī)車鑄鋁合金齒輪箱體暫行技術(shù)條件》對(duì)承載箱體所規(guī)定的Goodman疲勞設(shè)計(jì)曲線，所設(shè)計(jì)箱體符合規(guī)定的曲線要求，即，箱體設(shè)計(jì)滿足在動(dòng)載荷作用下的使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建亮，范乃則，田華軍，等.基于Workbench高速動(dòng)車組用驅(qū)動(dòng)齒輪箱箱體強(qiáng)度分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2017，41（2）：77-82.

[2]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.7.

[3]張小坤，陳曉峰，殷明貴.基于ANSYS Workbench的變速器箱體輕量化分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（5）：57-59.