軌道車(chē)輛用傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)選型及應(yīng)用

楊漢文　王敏　邢佳　王琛　李博

【摘 ?要】傳動(dòng)軸作為軌道車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)裝置的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)軸線(xiàn)不在同一條直線(xiàn)上或相對(duì)位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動(dòng)力傳遞，其設(shè)計(jì)選型及總體布置對(duì)于整車(chē)運(yùn)行安全性及平穩(wěn)性至關(guān)重要。本文就軌道車(chē)輛單根傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)選型及安裝布置需要注意項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行分析說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】傳動(dòng)軸;動(dòng)平衡;夾角

引言

傳動(dòng)軸作為軌道車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)裝置的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)軸線(xiàn)不在同一條直線(xiàn)上或相對(duì)位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動(dòng)力傳遞。根據(jù)整車(chē)布置要求的不同，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱、變速箱與齒輪箱、雙軸均帶動(dòng)力的轉(zhuǎn)向架齒輪箱之間動(dòng)力的傳遞。在設(shè)計(jì)選型階段，必須根據(jù)整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，保證傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠，能平穩(wěn)可靠的傳遞扭矩，滿(mǎn)足整車(chē)安裝及動(dòng)力傳遞的要求。此外，軌道車(chē)輛用傳動(dòng)軸主要采用十字軸式萬(wàn)向節(jié)，該萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致傳動(dòng)軸安裝夾角會(huì)產(chǎn)生附加載荷，軸間夾角越大，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的不均勻性越大，產(chǎn)生的附加交變載荷也越大，影響整車(chē)的振動(dòng)噪音及傳動(dòng)件的使用壽命，同時(shí)也會(huì)降低傳動(dòng)效率，所以在傳動(dòng)系統(tǒng)總體布置上應(yīng)盡量減小這些軸間夾角。本文就軌道車(chē)輛傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)選型及安裝布置需要注意項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行分析說(shuō)明。

1.傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)計(jì)算

傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)選型時(shí)必須根據(jù)整車(chē)運(yùn)用工況對(duì)傳動(dòng)軸最大工作扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算并對(duì)制造廠(chǎng)家提出相應(yīng)的要求，從而保證傳動(dòng)軸在整車(chē)動(dòng)力傳遞過(guò)程中安全可靠。此外，為保證傳動(dòng)軸使用過(guò)程中的平穩(wěn)性及安全性，傳動(dòng)軸必須嚴(yán)格要求許用不平衡量，具體內(nèi)容如下：

（1）軌道車(chē)輛用傳動(dòng)軸最大扭矩的計(jì)算一般是根據(jù)輪周啟動(dòng)牽引力進(jìn)行反向計(jì)算，設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)盡量保證傳動(dòng)軸最大工作扭矩Tse2小于傳動(dòng)軸的額定扭矩值，具體計(jì)算公式如下：

Tl = f·r

f = F/n

Tse2 = Tl·K / If·η1

式中：Tl 為車(chē)輪扭矩（N.m）;F 為整車(chē)啟動(dòng)牽引力（N）;f 為輪周啟動(dòng)牽引力（N）;n 為整車(chē)動(dòng)軸總個(gè)數(shù);r 為車(chē)輪半徑（m）;if 為車(chē)軸齒輪箱傳動(dòng)比;η1 為車(chē)軸齒輪箱傳動(dòng)效率;K 為安全系數(shù)。

以上公式中安全系數(shù)K一般取1.5～2.0，軌道工程機(jī)械中K取2.0

（2）傳動(dòng)軸許用不平衡量設(shè)計(jì)要求及計(jì)算方法

傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)選型時(shí)許用不平衡量要求應(yīng)不低于GB 9239中規(guī)定的G40平衡品質(zhì)級(jí)別。

①許用不平衡量按下式進(jìn)行計(jì)算：

Uper =1000·M·G / ω

式中：Uper 為許用不平衡量（g·mm）;M 為傳動(dòng)軸質(zhì)量（kg）;G 為平衡品質(zhì)級(jí)別（mm/s）;ω 為角速度（rad/s）。

②傳動(dòng)軸許用不平衡量亦可用查圖法（見(jiàn)圖1）進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，計(jì)算公式如下：

Uper = eper × M

式中：eper 為許用不平衡度（g·mm/kg或μm）

2.傳動(dòng)軸安裝布置

2.1單根傳動(dòng)軸的總體布置

軌道車(chē)輛用傳動(dòng)軸采用十字軸式萬(wàn)向節(jié)，該結(jié)構(gòu)萬(wàn)向節(jié)為不等速萬(wàn)向節(jié)，為了使輸入軸與輸出軸的角速度一致，常將萬(wàn)向節(jié)成對(duì)使用，在安裝布置時(shí)，傳動(dòng)軸必須滿(mǎn)足以下三個(gè)條件：

（1）傳動(dòng)軸所有軸線(xiàn)在同一平面內(nèi);

（2）傳動(dòng)軸輸入軸與傳動(dòng)軸軸線(xiàn)夾角β1等于輸出軸與傳動(dòng)軸軸線(xiàn)的夾角β2;

（3）傳動(dòng)軸兩端萬(wàn)向節(jié)叉相位相同。

按照上述布置原則，為保證傳動(dòng)軸輸入軸與輸出軸角速度一致，單根傳動(dòng)軸的安裝布置大致可分為以下三類(lèi)，具體布置型式如圖2。

軌道車(chē)輛由于整車(chē)布置的限制，主要采用一型布置及Z型布置。一型布置為理想的布置模式，這種布置型式下傳動(dòng)軸各軸線(xiàn)夾角為零，各軸角速度一致，沒(méi)有附加的徑向力，傳動(dòng)效率最高、運(yùn)轉(zhuǎn)最平穩(wěn)、傳動(dòng)軸零部件的使用壽命最長(zhǎng)。

實(shí)際布置時(shí)，傳動(dòng)軸各軸線(xiàn)間不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定的安裝夾角，本文著重分析Z型布置下傳動(dòng)軸各軸間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

當(dāng)單個(gè)十字軸萬(wàn)向節(jié)主、從動(dòng)軸之間的夾角為β時(shí)，主、從動(dòng)軸存在如下關(guān)系：

tanφ1 =tanφ2cosβ

ω2/ω1 = cosβ/（1-sin2βcos2φ1）

式中φ1為主動(dòng)叉相對(duì)初始位置轉(zhuǎn)過(guò)的角度;φ2為從動(dòng)叉轉(zhuǎn)過(guò)的角度;ω1為主動(dòng)叉角速度;ω2為從動(dòng)叉角速度。初始位置定義為主動(dòng)叉所在平面與主、從動(dòng)軸所在平面重合時(shí)主動(dòng)叉所在的位置。

圖3為不同夾角β情況下主動(dòng)軸與從動(dòng)軸轉(zhuǎn)角差φ1-φ2與主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角φ1之間的關(guān)系，由圖可知，當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角在0°～90°區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，從動(dòng)軸是超前的，即φ2>φ1。此外，轉(zhuǎn)角差在主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角為45°時(shí)達(dá)到最大，隨后逐漸減小，這也就意味著在這個(gè)范圍內(nèi)假設(shè)主動(dòng)軸勻速旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)軸也是先加速后減速。當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角在90°～180°區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，從動(dòng)軸是滯后的，假設(shè)主動(dòng)軸勻速旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)軸則為先減速后加速。

綜上所述，當(dāng)傳動(dòng)軸安裝布置夾角大于零時(shí)，即使采用Z型布置保證傳動(dòng)軸輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速一致，傳動(dòng)軸的中間軸也是不等速旋轉(zhuǎn)的，這必然會(huì)引起在支承位置產(chǎn)生額外的附加載荷及振動(dòng)，一定程度上影響傳動(dòng)軸的傳遞效率、壽命及NVH（噪聲、振動(dòng)及不平順性）。因此，傳動(dòng)系統(tǒng)總體布置上應(yīng)盡量減小這些軸間夾角，軌道車(chē)輛中規(guī)定傳動(dòng)軸的布置應(yīng)盡可能地選用平面夾角，并且軸線(xiàn)夾角應(yīng)不大于8°，空間夾角（定義為傳動(dòng)軸輸入軸與輸出軸既不平行也不相交時(shí)，輸入軸與輸出軸間的夾角）不大于6°。

2.2多根傳動(dòng)軸的總體布置

傳動(dòng)軸橫截面不變的情況下，長(zhǎng)度越長(zhǎng)傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速越低，當(dāng)傳動(dòng)軸的工作轉(zhuǎn)速接近其臨界轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致傳動(dòng)軸振幅急劇增加，從而導(dǎo)致傳動(dòng)軸折斷，因此傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)選型時(shí)因?qū)ζ渑R界轉(zhuǎn)速進(jìn)行驗(yàn)算。

傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

（r/min）

其中，nk為傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速;D為傳動(dòng)軸管外徑;d為傳動(dòng)軸管內(nèi)徑;L為傳動(dòng)軸的兩萬(wàn)向節(jié)中心的距離。

應(yīng)當(dāng)指出，上述計(jì)算公式是在傳動(dòng)軸兩端支承為剛性的假設(shè)條件下推導(dǎo)出來(lái)的。實(shí)際上傳動(dòng)軸兩端支承具有一定的彈性，并非完全剛性，因此臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式是近似的。此外，制造過(guò)程中動(dòng)不平衡質(zhì)量的存在及使用過(guò)程中的磨損都會(huì)使nk下降，因此在設(shè)計(jì)選型時(shí)要求傳動(dòng)軸必須滿(mǎn)足：

nmax<0.7nk

其中，nmax為傳動(dòng)軸的最大輸入轉(zhuǎn)速。

若傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以在總長(zhǎng)度不變的情況下，將傳動(dòng)軸分成幾段，提高臨界轉(zhuǎn)速以滿(mǎn)足要求。

2.3傳動(dòng)軸的安裝緊固

傳動(dòng)軸主要是通過(guò)兩法蘭接觸面的摩擦力實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸連接處扭矩的傳遞，接觸面間必須存在一定的正壓力，因此傳動(dòng)軸緊固螺栓對(duì)防松性能的要求極為嚴(yán)格，軌道工程中傳動(dòng)軸的緊固方式的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下原則：

（1）安裝傳動(dòng)軸法蘭盤(pán)螺栓，螺栓一般應(yīng)選用8.8級(jí)以上的細(xì)牙螺栓，宜選用10.9級(jí)細(xì)牙螺栓，螺栓緊固方式采用螺栓+螺母+墊圈的方式，防松措施應(yīng)盡量避免選用彈簧墊圈，安裝連接時(shí)施加相應(yīng)的緊固力矩，保證結(jié)合面有一定正壓力，并且起到車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中防止螺栓松動(dòng)的作用;

（2）防松措施主要有：a.碟形墊圈（成對(duì)使用，螺栓頭部與螺母?jìng)?cè)各一個(gè)）;

b.洛帝牢防松墊圈（成對(duì)使用，螺栓頭部與螺母?jìng)?cè)各一組）;

3.結(jié)語(yǔ)

傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)選型及安裝布置對(duì)整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要，設(shè)計(jì)選型時(shí)因根據(jù)上述內(nèi)容對(duì)傳動(dòng)軸提出相應(yīng)的要求，確保傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)、安裝、布置合理安全，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的同時(shí)最大程度的保證整車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性及安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]QC/T 29082-92《汽車(chē)傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件》;

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