自主跨座式單軌動車齒輪箱設計

宋樹亮++朱仕元

摘 要：跨座式單軌交通車輛轉向架是支撐車體的設備，而齒輪箱總成又是單軌列車轉向架上的關鍵部件之一。合理設計單軌齒輪箱結構對轉向架性能具有極其重要的影響。文章主要介紹了我公司與青島四方車輛廠合作研發的跨座式單軌動車齒輪箱的結構設計特點。

關鍵詞：單軌齒輪箱；箱體；潤滑；密封

根據跨座式單軌車輛動力布置形式，單軌齒輪箱分為動車齒輪箱和拖車齒輪箱，動車齒輪箱與拖車齒輪箱主要區別在于是否帶有輸入驅動部件。動車齒輪箱總成將驅動電機輸出的動力，通過減速增矩后傳遞給走行系統，是確保車輛正常行駛的關鍵傳動裝置。受制于單軌轉向架緊湊的布置空間，制動盤和制動卡鉗需設計在齒輪箱上，因此即使是拖車車輛，也帶有拖車齒輪箱。

1 齒輪箱特點概述

跨座式單軌車輛運行的軌道為一條寬為850mm的軌道梁，轉向架為騎跨在軌道上的結構方式，基于這種特點，齒輪箱只能與驅動電機、聯軸節一同布置于轉向架外側布置在軌道左右兩側，且采用全懸掛布置形式。齒輪箱與驅動軸呈垂直布置，這就需要引入一對傘齒輪，將動力方向改變。此布置形式，具有結構簡單、占用空間少、在線維護便利等特點。

此外，跨座式單軌齒輪箱具有正反向行駛概率相等的特點。也就是說，如果車輛以正向行駛時，傘齒輪會因軸向力而產生斥力，反之則兩齒輪會 緊并有導致卡死造成傳動失效的可能。因此，在齒輪箱方案設計時，可通過增加箱體軸承座的支撐剛性、增大軸承的接觸角、加大軸承規格等方法加以解決。在保證傘齒輪嚙合吃色的同時，也需保證齒輪的側隙。

而不同于一般地鐵齒輪箱的運營環境，跨座式單軌車輛車體在轉向架橫向外側設有防護板。這種較密閉的結構空間會影響齒輪箱總成的通風及散熱。因此，只有合理設計齒輪箱內外部結構，才能滿足這樣苛刻的運營環境要求。

2 齒輪箱結構設計

動車單軌齒輪箱總成主要由上下箱體、輸入（傘）齒輪，中間齒，輸出齒輪、7套軸承和潤滑系統、密封系統及附件等組成，各零部件和功能系統之間相輔相成，互相配合，形成了整個齒輪箱系統。

圖1是動車單軌齒輪箱外形圖。

表1是動車單軌齒輪箱主要牽引技術參數。

2.1 箱體設計

齒輪箱箱體除了承受輸出扭矩的反作用力，保證齒輪具有良好的嚙合精度以外，還作為一個密閉空間，為齒輪、軸承提供充分的潤滑渠道。齒輪箱箱體采用水平臥式剖分結構，中分面采用6個M20內六角螺釘將上下箱體緊密結合。輸入軸線與中間軸線呈90°正交布置，中間軸線與輸出軸線互相平行。上箱體通過輸出法蘭面的12個M20的雙頭螺柱及六角頭螺母固定在構架上。

全懸掛安裝形式意味著箱體應具有足夠的剛性，走行輪的持續振動沖擊要求箱體材料應具有充分的沖擊韌性。而球墨鑄鐵EN-GJS-400-18-LT材料完全滿足單軌動車齒輪箱箱體需求。表2是EN-GJS-400-18-LT材料機械性能。

經過ANSYS有限元分析，箱體外表面設有合適的筋板，此設計一方面可以加強箱體的剛度，另一方面便于箱體快速散熱。此外，箱體還具有以下幾個特點：

（1）輸出軸承座采用整體式形式，保證上箱體具有足夠的剛性；（2）上箱體頂部設有輸出大齒輪觀察孔蓋和中間軸視孔蓋，且注油口位于中間軸視孔蓋上，便于在線注油和檢查齒輪箱內部情況；（3）下箱體底部平整，便于齒輪箱裝配和運輸擺放；（4）下箱體設有油位觀察窗和排油堵，呈正交布置，便于注、放油時油位觀察；（5）箱體內部設有合適的刮油板、油道、集油槽及加強筋等，為保證齒輪、軸承有充分的潤滑。

2.2 齒輪設計

齒輪傳動的好壞直接影響著齒輪箱傳動效率、傳動精度，是車輛正常驅動的關鍵因素。動車齒輪箱采用兩級齒輪傳動，第一級為正交螺旋弧齒錐齒輪傳動，第二級為漸開線圓柱斜齒輪傳動。動力輸出是通過漸開線花鍵與驅動軸連接，將輸出軸驅動扭矩傳遞到驅動軸上，驅動走行輪轉動。

螺旋錐齒輪和圓柱斜齒輪材料根據強度計算結果和工藝實際情況，均采用18CrNiMo7-6材質，符合EN10084標準要求。齒廓表面經過滲碳淬火熱處理工藝，齒面硬度達58～64HRC。為了提高齒輪嚙合精度，降低噪聲，齒輪需經過MASTA軟件模擬計算修形量，經磨削修形，齒輪精度達到ISO1328標準的6級精度要求。錐齒輪疲勞強度計算符合ISO10300標準要求，而圓柱斜齒輪疲勞強度計算符合ISO6336標準要求。

2.3 軸承設計

輸入主動錐齒輪軸采用懸臂支撐形式，由兩個圓柱滾子軸承和一個四點球軸承作支撐，此軸承配置結構便于安裝和調試。中間軸采用簡支梁式支撐，兩個圓錐滾子軸承分別布置在兩端。由于制動盤安裝在中間軸上，軸承壽命計算時，需考慮制動扭矩的影響。輸出軸軸承配置形式與中間軸相同。軸承壽命計算符合ISO281標準要求，設計壽命達250萬公里。

2.4 潤滑設計

跨座式單軌車輛具有爬坡能力強、轉彎半徑小等特點，這就意味著單軌動車齒輪箱相對于地鐵齒輪箱來說，齒輪箱的傾角更大，對齒輪箱潤滑和密封要求要更嚴格。因此，齒輪箱內部需設計合適的隔板、油槽和通道，以保證在各種速度、負荷、溫度和氣候條件下，所有的軸承和齒輪都有足夠的潤滑。

動車單軌齒輪箱的齒輪、軸承潤滑均采用飛濺潤滑方式，并使用相同的潤滑油（牌號：75W-90）。下箱體底部設有寬大的油池，中間軸傘齒輪轉動時，將潤滑油攪動，飛濺到箱體壁，潤滑油會順著內壁流入集油槽，經過油道流入軸承位置，提供高速軸和中間軸軸承潤滑。考慮到中間軸系與輸出軸系垂向高度差達275mm，在中間軸系上設有甩油盤。此甩油盤隨著中間軸一起轉動，將油池里的潤滑油拋灑在上箱體內壁上，潤滑油順著油道可充分潤滑輸出軸承。

2.5 散熱設計

受制于相對密閉的車輛空間，齒輪箱只有從自身考慮如何有效解決散熱問題。以下從齒輪箱結構設計、加工工藝等角度，列舉了幾項解決措施：（1）增加箱體表面積，如上箱體增加筋板數量，可增大散熱面積；（2）增加存油量，下箱體設有寬大的油池，可降低潤滑油升溫速率；（3）加大軸承潤滑進、回油孔直徑，做到快進快回，可降低軸承溫度；（4）減少傘齒輪的浸油深度，可降低傘齒輪因攪油而產生的熱量；（5）提高齒輪、箱體加工精度，可降低傳動誤差，提高傳動效率。

綜上，一方面從熱量的源頭，做到少發熱；另一方面從散熱角度，做到快速散熱。

2.6 密封設計

齒輪箱密封性能直接關系到齒輪和軸承能否有效得到潤滑，是齒輪箱正常工作的關鍵要素。齒輪箱密封由箱體、密封環、旋轉軸等組成。通常，動車齒輪箱密封分為接觸式靜密封和非接觸式動密封。

2.6.1 接觸式靜密封

整個傳動齒輪箱內，在密封端蓋-軸承座和軸承座-箱體之間的接觸式靜密封均采用O形橡膠密封圈和515端面厭氧型密封膠雙重密封；上下箱體分箱面處以及其它各處的結合面均采用515端面厭氧型密封膠的密封。該密封方式結構簡單，性能可靠。

2.6.2 非接觸式動密封

對于齒輪箱輸入軸、中間軸及輸出軸等貫通部位的密封，均采用非接觸式機械密封，即采用間隙式機械迷宮密封的雙層密封方式。此密封方式，既可以減小內部油汽壓力和流動性，保證齒輪箱內部油汽不滲漏，同時，還可以保證外部灰塵雜質及水無法進入齒輪箱。

相較于地鐵齒輪箱，單軌齒輪箱距離軌道更近，所以單軌齒輪箱還需考慮潤滑油防乳化，以下列舉了幾條潤滑油防乳化措施：（1）迷宮處：采用非接觸式密封結構，迷宮外側有防水槽及放水孔，以免齒輪箱外側水進入迷宮內側。（2）分箱面：分箱面的加工嚴格按照工藝要求執行，合箱時配合使用合箱專用工裝以及端面厭氧型密封膠進行密封，防止分箱面潤滑油發生滲漏及濕氣滲入。（3）注、排油螺堵處：齒輪箱注、排油螺堵采用磁性油塞，并配合組合密封墊使用，能有效防止潤滑油泄漏及外界水汽進入。（4）油位計處：對油位計上的細牙螺紋進行密封鎖固，并配合組合密封墊使用，防止發生滲漏及外界水汽進入。

3 結束語

文章主要介紹了我公司與青島四方車輛廠合作研發的跨座式單軌動車齒輪箱結構設計特點，符合《GB50458跨座式單軌交通設計規范》設計要求。目前，合作研發的跨座式單軌動車齒輪箱已生產，并已經過各項型式試驗驗證，可完全滿足單軌車輛使用要求，為我國跨座式單軌動車齒輪箱自主設計填補了空白。

參考文獻

[1]劉紹勇.重慶跨座式單軌轉向架[J].現代城市軌道交通，2006（3）：32-33.

[2]仲建華.跨座式單軌交通車輛道岔結構及分析[M].人民交通出版社，2013（3）：35-37.

[3]吳錕.城市軌道交通車輛轉向架綜述[J].鐵道機車車輛工人，2010（6）：3.