高铁车轴与齿轮过盈配合计算与分析

0引言

转向架是列车的关键组成部件，负责支撑车体，承受和传递列车运行所需的转矩及载荷，保证列车具有良好的运行品质以及足够的安全可靠性[1]。动力转向架主要由构架、动力设备、弹簧支撑及减振装置、轮对、制动减速装置、轴箱体等组成。齿轮箱是动力转向架的重要组成部分，负责对动力设备提供的转矩降速增扭，并传递给车轴，带动列车运行。齿轮箱的从动齿轮通过过盈配合的方式连接在车轴上。过盈量过小时，其不能为列车前进传递足够的动力；过盈量过大时，导致零件材料局部发生大面积屈服以致零部件破坏。高铁车轴与齿轮的过盈配合选择是典型的非线性接触问题，有限元在处理这类问题上具有明显的优势[2-6]。

该文以某高铁齿轮箱为例，运用经典力学与非线性有限元对车轴齿轮与的过盈配合选择做了计算和分析。

1经典力学分析

在齿轮与车轴的过盈配合中，当需要传递的转矩为T 时，则应保证在此转矩的作用下轮轴不发生滑移[7]。配合面间的径向压强产生的摩擦阻力矩M f，如公式（1）所示。

（1）

式中：i—齿轮箱的传动比。

此时，配合面的径向接触压强P，计算方法见公式（2）

。

（2）式中：K—安全系数；

F a—齿轮承受的轴向力；

d—轮轴配合平均直径；

f—配合面的摩擦系数；

l—过盈配合接触宽度。

以某高铁齿轮箱为例，联轴器最大滑移扭矩为8000Nm，传动比为5.389，齿轮承受的轴向力为50669N，配合平均直径为219mm，配合宽度为120mm，摩擦系数为0.125，安全系数为1.5。经计算，配合面的径向接触压强P≥57.70MPa。

因齿轮的外缘结构不规则，将其假设成型心在同一条直线上的若干圆柱的集合体。其直径与宽度的对应关系如表1所示。

表1齿轮外缘与宽度对应关系/mm

外缘直径241262619262241

宽度1911701119

经计算，齿轮的当量外缘直径d A为335mm。又因车轴内部直径d0为0。根据DIN7190标准[8]，齿轮与轴的直径

高铁车轴与齿轮过盈配合计算与分析

Interference Fit Calculation and Analysis of Axle and Gear in a High-speed Gearbox

高旺GAO Wang;付赟秋FU Yun-qiu;张辙远ZHANG Zhe-yuan

（中车北京南口机械有限公司轨道传动研究所，北京102202）

（Rail Drive Research Institute，CRRC Beijing Nankou Co.，Ltd.，Beijing102202，China）摘要:高铁齿轮箱具有降速增扭的作用，其齿轮与车轴间的过盈配合非常关键。运用DIN7190标准和有限元方法对高铁车轴与齿轮过盈配合进行力学分析计算，得到了在极限配合尺寸下的各部件接触压强与应力分布规律。计算结果表明，该配合设计在足够的安全裕度下保证了动力传递且不发生滑移。该研究为高铁齿轮箱过盈配合的设计提供了一定的理论基础和技术支撑。

Abstract:High-speed gearbox increases torque and decreases velocity,so the interference fit between the gear and axle is very critical.The mechanics analysis and calculation of the interference fit is done according to DIN7190standard and finite element method (FEM),and the distribution law of the contact pressure and stresses under the limit dimension is found.The results indicated that the fit design can transmit the torque without slip under the enough safety coefficient.This study provides a certain theoretical basis and technical support for interference fit determining of high-speed gearbox.

关键词:高铁齿轮箱；过盈配合；接触压强；应力

Key words:high-speed gearbox；interference fit；contact pressure；stress

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作者简介:高旺（1992-），男，河北保定人，硕士，助理工程师，主

要研究方向为轨道交通齿轮箱设计与仿真；付赟秋

（通讯作者）（1984-），男，硕士，工程师，主要研究方向

为轨道交通齿轮箱仿真与可靠性分析。

强度和硬度加强处理。

⑤从应力分布来看，滚筒筒体的应力水平较高，材料充分利用，厚度方面减小的空间不大；侧板的应力水平较低，但考虑到钢丝绳对侧板的轴向挤压力对侧板局部造成的破坏较严重，对侧板厚度的缩减应慎重。

参考文献:

[1]赵怀文，陈智喜.钻井机械[M].北京：石油工业出版社，1995，88-90.

[2]杨厚华.层间过渡时钢绳对滚筒轮缘的挤压力[J].现代机械，2000（1）：73-75.

Internal Combustion Engine &Parts

比为Q A 、Q 1，计算方法见公式（3）、

（4）

。

（3）

（4）（5）（6）

式中：R elA —齿轮材料的屈服强度；R el1—轴材料的屈服强度。公式（5）、（6）证明轴与齿轮均处于材料的弹性范围内。因为实心轴的弹性模量一致，故达到径向接触压强P 所需的相关有效超量ξw 、最小过盈量u w 的计算方法如公式

（7）、

（8）所示。

（7）

（8）

则，最小过盈量为212μm 。根据上述计算选定公差配合，车轴的直径为φ219+0.30

+0.27，齿轮孔径为φ219H6。根据上

述配合计算，此配合产生的最大过盈量为Y max =300μm ；最

小过盈量为241μm >212μm ；由此可知，此配合能承受联轴器传递的最大转矩。

对配合强度计算，其过盈配合应力分布如图1所示。

其应力范围均在材料的屈服极限范围内，满足强度要求。其中，蓝色曲线为切向应力分布，绿色曲线为径向应力分布，红色曲线为等效应力分布。最大等效应力为247.41MPa ，位于齿轮内侧，远小于其屈服强度。图1应力分布曲线

2齿轮与车轴的有限元分析利用有限元分析软件对上述配合选择进行模拟计算。在计算机计算时，模型的复杂程度决定了计算时长。为了计算简便，对零部件做以下处理：①去除零部件倒角与倒圆；②去除车轴两侧多余部分；③对轮齿做了简化处理；

④因其中心对称，对零件进行1/4切分。对模型进行网格划分，本文采用6面体对零部件进行

网格划分。模型被划分成22109个单元，

共有82850个节点。轮轴网格模型如图2所示。

图2轮轴模型网格划分

齿轮的材料为18CrNiMo7-6锻钢，车轴的材料为45锻钢。其材料的物理属性见表2。

表2材料物理属性零件材料屈服强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比

轴齿轮45#18CrNiMo7-63558002062060.3

0.3将轴的一端A 施加固定约束，对轮齿B 处施加载荷。该轮轴配合为过盈配合，在轮轴接触

C 处施加过盈量。两者的摩擦系数选取0.125。施加载荷与过盈量的位置如图

3所示。

图3轮轴模型载荷处理

根据上述输入条件进行模拟仿真计算，可以得到轮轴配合的压强与应力分布。经计算，齿轮在载荷的作用下未发生滑移现象，同时压强与应力均满足要求。齿轮与车轴的接触面压强分布云图如图4所示，其配合面的接触压强分布曲线如图5所示。其接触压强分布与实际情况分布基本一致，该轮轴的最大接触压强为

136.09MPa ；车轴表面两边缘存在应力集中的现象。同时其满足传动所需的最小压强分布。