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高速列车传动齿轮齿廓修形及箱体优化设计

黄琦  
【摘要】:齿轮传动系统应用于工业和生活的各个领域,是机械传动方式中的重要传动方式之一。在铁路领域,随着高铁的高速发展,列车速度的提高对其中的齿轮传动的平稳性的要求很高,对齿轮的强度要求和其寿命要求严格。我国的高铁有一定的自主研发技术,然而面对高速工作条件,如何进行精确的齿轮修设计,提高高铁齿轮的传动精度,提高承载能力、减小齿面接触力和延长寿命成为高铁领域难点之一,而高铁齿轮箱在高速工况下工作,对结构的疲劳强度要求严格,所以对高铁齿轮箱的结构优化的意义同样重大。本文结合大连理工大学和南车戚墅堰所合作申请的国家支撑计划,提出一套针对高铁斜齿轮的齿廓修形设计方法,通过理论和仿真相结合方法进行齿廓修形参数计算,用动态仿真软件DYNA对设计结果进行验算认证,证明本设计的精准性和科学性,最后对高铁齿轮箱进行结构优化设计,对高铁齿轮和箱体的设计制造意义较大。具体内容如下: 首先对斜齿轮进行模型建立和接触有限元分析,计算了斜齿轮的安全系数,并验证齿轮的在四中工况下的接触强度安全系数和弯曲安全系数都达到高可靠度要求,根据分析需要对齿轮进行修形。介绍了齿轮啮合冲击的原因和齿廓修形三要素的概念,利用理论和有限元相结合的方法计算出启动工况下齿廓修缘量,以及修形长度和修形曲线起始圆半径,并通过MATALAB软件设计出齿廓修形曲线。根据修形曲线在UG中建立了修形齿轮模型。并用ANSYS/LS-DYNA有限元工具对修形齿轮进行啮合动态仿真,分析齿廓修形三要素对齿面接触力的影响。得出了二次和正弦曲线修形的齿面接触力大小和啮入啮出冲击较小,修形效果较好;当齿顶修形量为0.027mm,顶修形长度为3.5mm时,最大接触力为6865N,比未修形齿轮减小30.0%;并通过计算得到主被动轮齿顶同时修形方式效果差于主动轮齿顶和齿根同时修形方式。这对高铁动车组传动齿轮箱设计有一定的意义。 最后通过对整体齿轮箱进行动力学分析,得到齿轮箱的十阶振型和固有频率,以及在各阶固有频率下齿轮箱各零件的变形,并进一步对齿轮箱外壳进行动力学分析,通过分析结果对齿轮箱外壳进行结构改进设计,最后对改进后的结构进行动力学分析,结果表明变形量比改进前的模型减少,证明了优化方案的科学性。


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