100%低地板轻轨车齿轮传动系统的技术研究

摘 要：低地板轻轨车是一种新型、快捷、低碳的城市轨道交通方式，它的转向架有别于传统转向架，因此对齿轮传动系统有了新的要求。本文介绍了正在研究中的一种100%低地板轻轨车齿轮传动系统的设计方案、性能、计算等。

关键词：100%低地板轻轨车；齿轮传动系统；设计方案；性能；计算

文献标识码：【A】

引言

低地板轻轨车是一种新型、快捷、低碳的城市轨道交通方式，它具有开放式的低站台，方便出行。它的线路造价相对地铁便宜，容易铺设，覆盖面更广，特别适合中小城市及大城市中人口密度相对低的区域。

100%低地板轻轨车在欧洲多个城市已得到了广泛的应用，国内市场处于起步阶段，目前只在天津、上海等部分城市有应用。根据国家政策规划，低地板车辆将会有广阔的市场前景。

目前国内多个厂商开始进行低地板轻轨车的研制，但是齿轮箱等关键零部件仍然依赖于进口，因此对低地板轻轨车齿轮传动系统进行技术研究，可以为将来的国产化以及研发同类产品做好技术储备，具有良好的经济效益和社会效益。

1 100%低地板转向架简介

低地板轻轨车要求车辆地板距轨面高度在300-350mm之间，这就要求其转向架必须区别于传统转向架，主要表现为取消了传统车轴，由结构各异的轴桥替代，解除了左右车轮的转动耦合，由传统轮对改变为独立轮对，使传动和制动部件必须布置在车轮外侧，每个车轮单独传动或者制动，同其他有轨车辆一样，低地板轻轨车也必须承受载荷、形成导向力以及可靠传递动力和制动力。这种转向架的布置形式见图1。

图1 一种100%低地板转向架布置图示

2 齿轮传动系统的设计方案

针对以上转向架的接口布置和技术要求，低地板轻轨车齿轮传动系统需经伞齿轮副、垂直轴方向驱动，将电机输出的扭矩传递到车轮，从而驱动车轮前进（图1）。因此，本齿轮传动系统设计为由上下箱体、伞齿轮传动、密封系统、支撑装置、润滑系统、联轴器等几大部件组成。齿轮传动系统模型及布置见图2和图3。

图2 齿轮传动系统模型图

图3 齿轮传动系统布置图

2.1 齿轮箱箱体

齿轮箱箱体由上下箱体组成。箱体前部设置与电机的安装法兰，同时预留安装联轴节和输入齿轮轴的接口和空间（图2），设置通气器和吊挂装置（图2）。下箱体设置加油栓座、排油孔、油位观察窗（图2）。上下箱体同时设置安装从动齿轮和输出联轴节的空间，设置集油板和回油孔，实现润滑功能；箱体输入端和输出端分别设置轴承支撑装置和密封装置，实现密封的功能。齿轮箱箱体采球墨铸铁QT450-10，其主要机械性能如下表1。

表1 齿轮箱箱体单铸试样的力学性能

2.2 牵引齿轮

由于100%低地板城轨车转向架的特殊布置，牵引齿轮副选择是垂直轴传递的克林贝尔格式准双曲面齿轮，选用18CrNiMo7-6（EN10084）作为主、从动齿轮的材料。齿轮采用渗碳淬火工艺， 主、从动齿轮表面硬度58～62HRC，心部硬度30～45HRC。

齿轮的各种基本参数见下表2。

2.3支撑系统

齿轮箱支撑系统主要是指齿轮箱的轴承及其轴承座。

箱体轴承是传动齿轮箱的一个关键部件，本齿轮箱中轴承包括支撑与上箱体输入轴上的两个小轴承和支撑于上下箱体间的两个输出端的大轴承。两个小轴承的安装方式为背对背，大轴承的安装方式为：面对面，且贯通部位的轴承其内圈均采用双向定位，外圈均采用单向定位。轴向游隙通过轴承座与箱体间的调整块来保证。

2.4 密封系统与润滑系统

设计的齿轮箱密封系统分为：接触式密封和非接触式密封。上下箱体分箱面处以及其它各处的接触密封均采用密封胶的方式密封。对于齿轮箱中输入轴贯通部位和输出箱体端面的密封，设计为非接触式密封，即采用间隙密封和机械迷宫密封的联合密封方式。

本齿轮箱中轴承和齿轮均采用润滑油的飞溅润滑。齿轮箱箱体底部设有油池存储润滑油。箱体内部焊接集油板，并开回油孔，小轴承座上设有集油槽和回油孔，大密封盖上设有回油孔，并设置导油装置，用于齿轮啮合部位的润滑；齿轮飞溅的润滑油经箱体的集油板和轴承座上集油槽流入轴承内部润滑轴承（图4）。

图4 润滑方式布置图示

3 计算校核

3.1箱体校核

设计完成后，对箱体进行静强度有限元计算，分析箱体的强度和变形。齿轮箱有限元模型及边界条件见图5。

图5 齿轮箱有限元模型及边界条件

在计算时，齿轮箱上下箱体间及箱体和轴承座、轴承端盖间的连接处理为刚性连接。根据齿轮箱运行工况，对箱体与电机的连接面约束其全部自由度，对箱体与吊杆的连接面约束其吊杆方向的自由度（见图3）。根据齿轮箱工作状况，将其静强度计算分为三种计算工况，分别是电机持续运行工况、电机制动工况、电机短路工况。经过计算，将载荷及边界条件作用于轴承座和箱体，得到了不同工况下正反转时箱体、轴承座的应力和位移，从结果来看，完全满足强度安全要求，位移变形也非常小。下图6为持续运行时箱体静强度计算结果（正转）。

箱体von mises应力云图

轴承座、轴承端盖等von mises应力云图

箱体位移云图

轴承座、轴承端盖等位移云图

图6 持续运行时箱体静强度计算结果（正转）

同样，经过校核，轴承寿命和齿轮强度也远远满足设计要求，证实该方案是合理、可行的。

4. 结束语

文章简要论述了一种100%低地板齿轮传动系统的结构与特点，分析了其中关键零部件技术特性与材料，提出了齿轮的设计工艺参数，并且对箱体等进行了计算校核，证实了本方案设计的可行性，为下一步试制工作以及为进一步自主创新研发类似产品，打下了良好的技术基础。■

参考文献

[1] 王渤洪. 现代低地板轨道车辆创新走行部[A]. 机车电传动，2009.2.