轨道车辆转向架联轴节的变位需求计算

傅奎明,李刚,李坤,曲福泉

摘要：联轴节作为连接牵引电机和驱动齿轮箱的关键部件，其设计制造有着很高的要求，其中联轴节的变位能力就是关键设计之一。本文运用图解法及三角函数法，对某轨道车辆转向架在各工况下的牵引电机输出轴和齿轮箱输入轴的径向错位量进行了计算，该错位量即为联轴节所须具备的径向变位能力。同时，又根据牵引电机和驱动齿轮箱的制造安装公差，计算出了联轴节的轴向变位需求。为联轴节提供设计输入条件。

关键词：联轴节，径向变位，轮对提吊，一系簧失效，运营工况，轴向变位

1概述

本文运用图解法和三角函数法，对某轨道车辆转向架联轴节的变位需求进行了图解说明和详细计算，得出了联轴节的径向变位需求和轴向变位需求。计算结果用于联轴节的设计输入条件。

2计算依据

本文以某轨道车辆为计算列，依据牵引电机和驱动齿轮箱的安装接口尺寸，结合转向架轮对提吊工况、转向架轴箱弹簧失效工况（轮对提吊的止挡上部间隙贴死）及正常运营工况等对联轴节的变位需求进行计算。

2.1一系簧垂向位移

该轨道车辆的转向架在各工况下一系弹簧的垂向位移如表1所示。

表1 各工况下一系簧的垂向位移

符号	符号意义	单位	数值	备注
A	轮对提吊止档间隙	mm	25.00	相对空车时
B	（弹簧完全失效）止档间隙	mm	50.00	相对空车时
C	空重车载荷变化引起的挠度	mm	27.00
D	动态挠度	mm	16.15	AW3时载荷
E	动态挠度	mm	12.30	空车时载荷
F	公差和永久变形	mm	3.00
G	弹簧制造误差	mm	4.00

2.2一系簧纵向位移

该轨道车辆转向架构架与轮对间的纵向位移按以下计算结果：

动态位移：±6.00mm；公差累积：±2.00mm；合 计：±8.00mm。

3计算条件及输入参数

转向架联轴节的变位能力在于其能够自动调整牵引电机轴与齿轮箱小齿轴之间的错位，牵引电机轴与齿轮箱小齿轴之间的错位量需根据牵引电机与驱动齿轮箱之间的几何关系进行计算。假设牵引电机轴线、小齿轴轴线及车轴轴线处于同一水平面时，齿轮箱的吊挂安装位置为初始状态（或称水平状态），此时齿轮箱的位置示意如图1所示；图1中，各尺寸参数如下：齿轮箱中心距OP0=352mm，齿轮箱上吊点距车轴轴线的纵向距离AX0=636.5mm，齿轮箱上吊点距车轴轴线的垂向距离AY0=260mm；

图1 齿轮箱水平状态位置示意图

4联轴节径向变位需求计算

4.1计算分析思路

联轴节的径向变位需求计算即电机轴与齿轮箱小齿轮轴之间的错位量计算，包含转向架轮对提吊工况下的静态错位量计算、轴箱弹簧失效工况下的静态错位量计算及运营工况下的动态错位量计算。

转向架空车工况（齿轮传动装置安装的图纸状态）时，齿轮箱吊挂安装的位置示意图如图2所示。

图2 空车状态齿轮箱位置示意图

图2中的各尺寸参数值如下：齿轮箱中心距OP=352mm，齿轮箱下吊点距车轴轴线尺寸OB=545.2mm，齿轮箱上吊点距车轴轴线的纵向距离AX=636.5mm，齿轮箱上吊点距车轴轴线的垂向距离AY=272.5mm，相对于齿轮箱水平状态（齿轮箱上吊点距车轴轴线的纵向距离AX0=636.5mm，齿轮箱上吊点距车轴轴线的垂向距离AY0=260mm；齿轮箱下吊点距车轴轴线尺寸OB0=545.2mm，齿轮箱下吊点距车轴轴线的纵向距离BX0=513.5mm，齿轮箱下吊点距车轴轴线的垂向距离BY0=183.25mm，）绕车轴旋转了α角，齿轮箱小齿轮轴沿垂向的位移为：

……………………………………………………………………………………(1)

式(1)中，转角α的计算如下：

………………………………………………………………………………(2)

在三角形AOB中，根据余弦定理，可知：

……………………………………………………………(3)

在三角形AOB中，可知：

…………………………………………………………………(4)

……………………………………………………………………………(5)

……………………………………………………………………………(6)

同理，在三角形A0OB0中，可知：

………………………………………………………(7)

………………………………………………………………(8)

由以上计算公式，可得转角α的计算公式：

…(9)

将图2中已知的齿轮箱位置尺寸参数代入公式(1)、(5)、(6)和公式(9)，可计算出空车工况下齿轮箱下吊点及齿轮箱小轴的位置尺寸：BX=517.4mm，BY=171.8mm，PY=7.8mm。

4.2提吊工况径向静态变位需求计算

转向架提吊工况时，齿轮箱位置关系示意图如图3所示。

图3 提吊工况齿轮箱位置示意图

图3中，各尺寸的参数值如下：齿轮箱中心距OP=352mm，齿轮箱下吊点距车轴轴线尺寸OB=545.2mm，齿轮箱上吊点距车轴轴线的纵向距离AX=636.5mm，齿轮箱上吊点距车轴轴线的垂向距离

AY=297.5mm，相对于齿轮箱水平状态（齿轮箱上吊点距车轴轴线的纵向距离AX0=636.5mm，齿轮箱上吊点距车轴轴线的垂向距离AY0=260mm；齿轮箱下吊点距车轴轴线尺寸OB0=545.2mm，齿轮箱下吊点距车轴轴线的纵向距离BX0=513.5mm，齿轮箱下吊点距车轴轴线的垂向距离BY0=183.25mm，）绕车轴旋转了α角，齿轮箱小齿轮轴沿垂向的位移为：

………………………………………………………………………………(10)

式(10)中，转角α的计算如下：

……………………………………………………………………………(11)

在三角形AOB中，根据余弦定理，可知：

…………………………………………………………(12)

在三角形AOB中，可知：

…………………………………………………………………(13)

……………………………………………………………………………(14)

……………………………………………………………………………(15)

同理，在三角形A0OB0中，可知：

……………………………………………………(16)

…………………………………………………………… (17)

由以上计算公式，可得转角α的计算公式：

…(18)

将图3中已知的齿轮箱位置尺寸参数代入公式(10)、(14)、(15)和公式(18)，可计算出提吊工况下齿轮箱下吊点及齿轮箱小轴的位置尺寸：BX=524.5mm，BY=148.7mm，PY=23.4mm。

根据以上计算结果，可以计算出电机轴和小齿轮轴之间的垂向错位量为14.1mm，考虑橡胶节点的垂向挠度2mm，转向架构架和轮对之间的纵向累积公差2mm，可计算出提吊工况下电机轴和齿轮箱小齿轮轴的径向静态错位量为16.2mm。故轮对提吊工况下联轴节的径向静态变位需求为16.2mm。

4.3各工况下径向变位需求计算

根据上述几何关系，通过相同的计算方法可以计算出一系簧失效工况下联轴节的径向静态变位需求为16.3mm，运营工况下联轴节的径向动态变位需求为16.8mm。

综上，联轴节的径向变位需求为16.8mm。

5联轴节的轴向变位需求计算

联轴节的轴向变位需求计算，需考虑轴箱弹簧的横向动态位移、轮对安装尺寸公差、电机安装尺寸公差、齿轮箱安装尺寸公差等。各数值详见表2。

表2 联轴节轴向变位计算所需参数

一系弹簧横向动态位移					±8.00		mm
公差	轮对安装公差	±	1.00	mm	±	3.00	mm
	电机安装公差	±	0.50	mm
	电机吊座加工公差	±	1.00	mm
	齿轮箱安装公差	±	0.50	mm
合 计					±	11.00	mm

通过表2，可计算出联轴节的轴向变位需求为±11mm。

6联轴节的综合变位需求

通过上述第2条至第5条的分析计算，可得出该轨道车辆转向架联轴节的综合变位需求为：径向16.8mm，轴向±11mm。

参考文献：

[1]张勋林 轨道车辆鼓形齿联轴节 [J] 轨道交通装备与技术 2019 (6) 62-64

作者简介：傅奎明（1991年）、男、工程师，山东省青岛市，市场营销高级经理，轨道交通车辆检修。

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