一种轴箱内置式转向架用齿轮箱的研制及试验验证

许涛涛 张 晶 关云辉

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

国内外动车组、地铁列车驱动系统主要包括电机、鼓形齿联轴节、齿轮箱三部分组成[1]。车轴轴箱布置于车轮外侧，齿轮箱采用轴悬方式与转向架连接。此种驱动及齿轮箱悬挂方式主要存在以下缺点：空间尺寸大，一系簧下质量大，轮轨振动冲击对齿轮箱部件危害大，车辆舒适性差，能耗高。

为解决上述缺点，国内某轨道交通车辆厂提出了轴箱内置式转向架[2]，而该型转向架主要对齿轮箱结构及其悬挂方式提出了全新要求，本文将主要介绍该齿轮箱的设计制造及试验验证过程。

1 齿轮传动系统结构和功能

如图1所示，齿轮箱输入轴电机通过刚性磨盘式联轴节连接，齿轮箱通过V型橡胶堆悬挂于转向架下部；齿轮箱二级从动齿轮通过过盈配合安装于空心轴上；空心轴通过端面齿与安装在车轴上的输出端楔形橡胶联轴节连接，从而将电机的动力传递给了车轴，驱动车辆前进。

1—牵引电机；2—车轮；3—齿轮箱；4—输出端橡胶堆联轴节；5—车轴；6—轴箱。

齿轮箱通过输入端的V型橡胶堆实现了与转向架的柔性连接，输出端的楔形橡胶联轴节实现了与车轴的柔性连接，从而降低了振动冲击对齿轮箱的影响。

齿轮箱与电机通过刚性磨盘式联轴节连接，实现了驱动装置横向尺寸小的要求。

2 齿轮箱技术方案

2.1 总体布置方案

根据转向架接口及驱动参数的要求，齿轮箱采用二级圆柱斜齿平行轴传动形式，主要由箱体、输入轴组成、中间轴组成、输出轴组成、吊挂组成、润滑系统、密封系统等组成。

V型橡胶堆吊挂装置采用预压缩方式安装在箱体上，实现与转向架连接及驱动系统各方向位移及角度变化补偿的作用。

齿轮箱各轴系通过轴承支撑于箱体上，根据各轴系受力形式、传动的扭矩及受到的振动冲击大小，确定合适的轴承布置形式及轴承规格。

齿轮箱内轴承和齿轮均采用飞溅润滑方式，箱体内壁整体铸造有集油槽，箱体及轴承座设置有进油及回油通道，可以将润滑油导入到各轴承；考虑到输入轴与输出轴中心距较大，为保证各部位轴承的充分润滑，合理布置中间轴位置，保证一级从动齿轮和二级从动齿轮均可起到搅油作用。

齿轮箱输入轴、输出轴内外部贯通部位采用间隙式机械迷宫密封方式，合箱面、轴承座与箱体结合面采用密封胶及O型圈接触式密封方式，两种密封方式有效满足了齿轮箱在各工况下的密封要求。

2.2 箱体

综合考虑各工况下箱体强度、铸造及机加工工艺性等因素，箱体采用QT450-10材质铁铸造而成，考虑齿轮箱与电机、转向架的特殊连接形式，齿轮箱采用左右垂直分箱形式。箱体整体结构采用仿圆形设计，有利于箱体整体强度及齿轮箱内部润滑效果。

2.3 齿轮

由于列车启停频繁，加减速度快，齿轮需承受较大的冲击，因此齿轮均采用优质低碳合金钢，轮齿表面进行渗碳淬火处理。为提高牵引齿轮的传动质量和可靠性，降低初始啮合动载荷、减小偏载、降低噪声，对齿轮进行修形处理。

2.4 端面齿

齿轮箱空心轴与输出端楔形橡胶联轴节通过端面齿配合进行动力传递，工作时端面齿既要保证承受传递扭矩、振动冲击等载荷，还要保证两侧端面齿配合精度。端面齿采用60°齿形角，齿根、齿顶均有一定倾角，两侧端面齿通过圆周方向布置的螺栓进行轴向预紧，可以保证工作时齿面的配合精度。

由于端面齿需传递较大的扭矩，因此采用中碳合金钢进行调质处理，其屈服强度大于750 MPa。

3 计算校核

3.1 箱体强度

3.1.1箱体静强度计算

为保证箱体在极端工况下各部位强度，选取短路扭矩工况，并考虑输入、输出端冲击振动的作用，进行了箱体静强度计算。

通过建立有限元仿真模型及仿真计算分析，齿轮箱在极端工况下的最大应力出现在V形橡胶堆吊挂安装座处，最大应力为178 MPa，小于材料屈服强度310 MPa，满足使用要求。

3.1.2箱体模态计算

为分析齿轮箱运转下的动态特性，需要考虑齿轮箱额定转速下的特征频率，即确定齿轮箱输入轴、中间轴、输出轴的转频及齿轮啮合频率特点。用仿真分析软件进行分析计算，得到箱体的前10阶自由模态参数如表1所示。

表1 箱体前10阶模态参数

由表1可知，箱体最低阶固有频率为516 Hz。本齿轮箱输入轴额定转速为1 900 r/min，此时输入轴转频为31.7 Hz，中间轴转频为15.5 Hz，输出轴转频为6.4 Hz；一级齿轮啮合频率为792.5 Hz，二级齿轮啮合频率为358.4 Hz。对比分析可以看出，啮合频率和各传动轴转频均远离齿轮箱箱体前10阶固有频率，齿轮箱额定转速下正常运转时不会发生共振。

3.2 齿轮强度校核

齿轮为齿轮箱主要承载部件之一，齿轮强度计算采用ISO 6336—2006标准中的方法B，分别在启动、额定、高速工况下对齿轮强度、静强度、胶合承载能力进行计算，结果表明在启动、额定、高速工况下齿轮的接触安全系数和弯曲安全系数均达到了GB/T 3480—1997规定的较高可靠度要求，齿轮胶合承载能力安全系数达到了GB/T 6413—2003规定的高可靠度要求，满足设计要求。

3.3 端面齿强度校核

为保证端面在极端工况下的强度，选取短路扭矩工况，并考虑输出端冲击振动及螺栓预紧力的作用进行端面齿静强度计算。

通过建立有限元仿真模型及仿真计算分析，端面齿在极端工况下最大应力出现在齿面靠近齿顶部位，最大应力为53 MPa，满足设计要求。

4 试验验证

首套齿轮箱在试制完成后，需通过综合试验台模拟齿轮箱在实际线路各工况下的运行情况，验证齿轮箱在各工况下的温升、润滑、密封、振动、噪音等性能。

型式试验主要试验项点如表2所示。

表2 齿轮箱型式试验项点

经过对齿轮箱的综合试验验证，各项试验指标达到设计要求。其中额定扭矩加载工况下的温升曲线如图2所示。

图2 齿轮箱疲劳试验温度曲线

通过型式试验验证，齿轮箱各轴承部位温度均小于90 ℃；声压级检测噪音最高为88.3 dB；各轴承部位振动值最高为3.5 mm/s。齿轮箱在各工况下温升、振动、密封、噪音等性能良好，满足设计要求。

5 结束语

本文论述了一种适用于轨道交通轴箱内置式转向架用齿轮箱的结构特点，基于新型转向架的接口要求进行齿轮箱的研发，并通过计算分析、试验验证，成功完成齿轮箱的试制及试验验证，试验结果表明：齿轮箱温度、密封、振动、噪音等各项性能良好，满足设计和使用要求。

该齿轮箱的成功研制，突破了国内轨道交通车辆轴箱内置式转向架用齿轮箱设计研发的空白，为后续轴箱内置式转向架用齿轮箱的研制及应用打下了坚实的基础。