0 引言

随着我国城市化进程的进一步加快，现有的交通体系已不能满足人们的日常需求，城市轨道交通以其运量大、速度快、安全可靠、准点舒适的优势成为多个城市的主要交通工具，城市轨道交通建设正迎来一个发展的黄金时期。齿轮传动系统是城轨列车牵引系统的重要组成部分，然而，当前城轨列车齿轮传动系统的设计面临不同线路设计要求差异大、型式试验周期长、设计思路经验化等难题，优化齿轮传动系统设计方法对城轨交通建设意义重大[1]。

目前，CAD/CAE 有限元技术在在机械行业多方领域的设计阶段优势明显，是解决上述问题的有效方法[2]。然而，城轨列车具有以下特点：①启停频繁，地铁车辆的多数站点间车程不足5分钟，数值较高的启动转矩在电机输入转矩中占比较高；②高传动比，地铁齿轮箱的传动比多为6左右，对齿轮箱的承载能力提出了很高的要求；③隧道空间要求噪声低，人员的舒适性高。这都对城轨车辆齿轮传动系统的设计与分析方法提出了较高的要求。

本文中针对某现役城轨列车齿轮传动系统，分析该系统的设计输入，设计、运用并验证基于Abaqus 的城轨列车齿轮传动系统齿轮箱体机械强度的有限元计算和评价方法。

1 齿轮传动系统结构简介

该齿轮传动系统由齿轮箱、齿轮、轴承等零部件组成，传动方式为单级渐开线齿轮外啮合传动，其齿轮副参数如表1所示。动力的传递路径为输入电机-主动齿轮轴-从动齿轮-车轴，并辅以轴承、端盖、密封环等附件，实现系统的稳定运作。齿轮箱前端通过带有橡胶关节的吊杆悬挂在转向架构架上，从动齿轮直接过盈连接在车轴上，此为轴悬承载式齿轮箱。齿轮传动系统的详细结构如图1所示。

表1 齿轮副参数Tab.1 Parameters of gear pair主动齿轮轴（右旋）从动齿轮（左旋）5齿轮参数模数/mm齿数螺旋角/（°）22 117 15

图1 齿轮传动系统Fig.1 Gear drive system

2 齿轮传动系统的分析方法

齿轮箱受到的载荷主要来自两部分：一是输入轴通过联轴器传递的来自牵引电机的激励载荷；二是车轴通过轮对传递的来自轨道的激励载荷[3]。其中，电机激励参考齿轮传动系统的设计输入，如表2所示；而轨道激励则参考IEC —2010《机车车辆设备——冲击和振动试验》[4]中对轴装设备各工况的试验条件。

表2 齿轮传动系统的电机激励参数Tab.2 Motor excitation parameters of gear transmission system电机启动转矩/（N·m）电机额定转矩/（N·m）电机短路转矩/（N·m）1 617 1 008 9 800

由上述分析可得，齿轮传动系统分析过程中施加的载荷共分为3种：施加在主动齿轮轴上的输入转矩；施加在整个齿轮传动系统上的重力加速度；施加在整个齿轮传动系统上的振动加速度。

城轨列车齿轮传动装置在任何工况下都应满足载荷需求，在城轨列车运营过程中，齿轮传动系统的运营状态分为两种：常用工况和超常工况[5]。

2.1 常用工况下的计算载荷

车辆正常运行过程主要分为启动、恒速、制动3种工况，其中，启动工况时电机转矩最大，恒速工况时电机转矩最小，其余运行状态的电机转矩介于两者之间。因此，若在启动转矩的作用下，参考IEC —2010 要求（长使用寿命、轴装），对齿轮传动系统添加数值相同、方向不同的惯性冲击加速度时，齿轮箱体上产生的所有应力都能够保证在TJ/JW 065—2015《交流传动机车球墨铸铁齿轮箱体暂行技术条件》[6]要求的对应材料应力允许范围内，则其余各工况下产生的应力都能够满足要求，故选启动状态工况为常用工况。除重力外的常用工况载荷如表3所示。

表3 常用工况载荷Tab.3 Load of common working惯性冲击加速度/（m/s2）工况组合工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7工况8垂向144-144 144-144 144-144 144-144横向129 129 129 129-129-129-129-129纵向64.3 64.3 转矩载荷/（N·m）1 617 1 617 1 617 1 617 1 617 1 617 1 617 1 617

2.2 超常工况下的计算载荷

在电机短路状态下，齿轮箱受到的载荷最大，且该工况为电机异常状态，故选电机短路工况为超常工况。在短路转矩的作用下，参考IEC —2010 要求（严酷等级、轴装），对齿轮传动系统添加数值相同、方向不同的惯性冲击加速度，并使用材料屈服强度对齿轮箱体进行评价。除重力外的超常工况载荷如表4所示。

表4 超常工况载荷Tab.4 Load of abnormal working工况组合惯性冲击加速度/（m/s2）工况1工况2工况3工况4工况5工况6工况7工况8垂向1 000 1 000 1 000 1 000-1 000-1 000-1 000-1 000横向1 000 1 000-1 000-1 000 1 000 1 000-1 000-1 000纵向1 000-1 000 1 000-1 000 1 000-1 000 1 000-1 000转矩载荷/（N·m）9 800 9 800 9 800 9 800 9 800 9 800 9 800 9 800

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