高速動車組用聯(lián)軸節(jié)過盈配合分析

孟永帥+趙永強+王起梁+高雷+王本濤

摘要： 為校核某高速動車組用鼓型齒聯(lián)軸節(jié)的過盈量是否滿足設(shè)計要求，采用六面體實體單元建立聯(lián)軸節(jié)的有限元模型，對聯(lián)軸節(jié)在不同過盈量配合下的等效應(yīng)力和傳遞扭矩進行分析計算。結(jié)果表明：在過盈量設(shè)計范圍內(nèi)，聯(lián)軸節(jié)能夠滿足安全和過載保護要求。進行聯(lián)軸節(jié)滑移扭矩試驗，驗證聯(lián)軸節(jié)過盈量設(shè)計的可靠性，從而為動車組用聯(lián)軸節(jié)過盈量的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 鼓型齒； 聯(lián)軸節(jié)； 過盈配合； 滑移扭矩； 試驗驗證； 有限元； 動車組

中圖分類號： U260.332 文獻標志碼： B

Interference fit analysis of coupling for high-speed EMU

MENG Yongshuai， ZHAO Yongqiang， WANG Qiliang， GAO Lei， WANG Bentao

（CRRC Qishuyan Institute Co.， Ltd.， Changzhou 213011， Jiangsu， China）

Abstract： To check whether or not the interference of drum gear coupling for EMU meets the design requirements， the finite element model of the coupling is built using hexahedral solid element， equivalent stress and transmission torque in different amounts of interference fit are calculated and analyzed. The results show that the coupling can meet the requirements of safety and overload protection in the range of interference. A slip torque test is performed and the reliability of the interference design of the coupling is verified. It can provides a reference for the interference design and optimization of the EMU coupling.

Key words： drum gear； coupling； interference fit； slip torque； test verification； finite element； EMU

0 引 言

鼓型齒聯(lián)軸節(jié)以其良好的軸線偏移補償性能以及結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力高、使用壽命長、成本低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于高速動車組，作為驅(qū)動傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的好壞直接影響整個牽引傳動系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性。

過盈連接結(jié)構(gòu)簡單、定心性好、承載能力強、抗沖擊性能好，是鼓型齒聯(lián)軸節(jié)常用的連接方式。[1]已有文獻主要是應(yīng)用厚壁圓筒理論或LAME方程對聯(lián)軸節(jié)過盈連接進行研究，如許定奇等[2]基于厚壁圓筒理論推導(dǎo)圓柱、圓錐過盈聯(lián)接的設(shè)計計算方法，王正文[3]和史可忠[4]對無鍵齒式聯(lián)軸節(jié)的過盈量設(shè)計進行論述，王冬梅等[5]依照《圓錐過盈配合的計算和選用》對電機中間聯(lián)軸節(jié)的過盈量進行計算，徐俊良等[6]和陶德峰[7]對多層過盈聯(lián)結(jié)的結(jié)合壓力算法進行理論研究，劉慶[8]對船用液壓套筒式聯(lián)軸器的過盈量范圍進行計算。

這些研究發(fā)現(xiàn)，厚壁圓筒理論和LAME方程能有效解決外形較為簡單的聯(lián)軸節(jié)過盈設(shè)計問題。但是，在本文聯(lián)軸節(jié)設(shè)計中，由于鼓型齒的外徑尺寸變化較大以及需要考慮聯(lián)軸節(jié)過載保護要求（將聯(lián)軸節(jié)的載荷傳遞能力控制在某一范圍內(nèi)），因此對過盈量的設(shè)計提出更高的要求：過盈量既不能過大也不能過小，過大起不到過載保護作用，過小則達不到傳遞載荷的要求。對于這類結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)設(shè)計計算方法會導(dǎo)致連接可靠性大大降低。[9]計算機和有限元方法的發(fā)展為過盈連接的設(shè)計和校核提供一種切實可行的研究方法。本文利用先進的有限元技術(shù)對高速動車組鼓型齒聯(lián)軸節(jié)的過盈配合進行模擬，并對其產(chǎn)生的應(yīng)力以及其載荷傳遞能力進行分析。

1 鼓型齒聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)

高速動車組用鼓型齒聯(lián)軸節(jié)主要由電機側(cè)鼓型齒、內(nèi)齒套、齒輪箱側(cè)鼓型齒、擋油圈、過載保護襯套等零件組成（見圖1），其中由電機側(cè)鼓型齒、內(nèi)齒套和齒輪箱側(cè)鼓型齒等組成聯(lián)軸節(jié)載荷傳遞部件，電機驅(qū)動載荷通過電機側(cè)鼓型齒—內(nèi)齒套—齒輪箱側(cè)鼓型齒傳遞到驅(qū)動齒輪箱上，再經(jīng)由齒輪傳遞到車輪上，從而驅(qū)動動車組列車前進。

為防止牽引載荷過大對齒輪箱傳動部件造成損壞，在電機側(cè)設(shè)計襯套作為過載保護裝置，保護扭矩范圍為7 500～12 000 N·m。當(dāng)傳遞載荷超出設(shè)計范圍時，襯套外配合面發(fā)生滑移，從而對齒輪箱起到過載保護的作用。

2 過盈配合有限元分析

鼓型齒聯(lián)軸節(jié)的三維模型見圖2。電機軸與中間層襯套之間采用過盈配合，襯套與鼓型齒之間采用間隙配合，在安裝時先將襯套放入鼓型齒中，再將鼓型齒和襯套一起與電機軸進行過盈裝配。聯(lián)軸節(jié)各零件的配合尺寸見表1。

由表1中的尺寸參數(shù)可知：電機軸和襯套之間的最大過盈量為0.280 mm，最小過盈量為0.231 mm，襯套和鼓型齒之間的最大間隙為0.059 mm，最小間隙為0.010 mm。

為降低計算復(fù)雜性，對三維模型進行必要的簡化。在有限元軟件Abaqus中對聯(lián)軸節(jié)各零件模型采用六面體網(wǎng)格C3D8進行劃分，建立的有限元計算模型見圖3。對襯套與電機軸和鼓型齒配合面建立面對面接觸連接，根據(jù)經(jīng)驗及有關(guān)文獻，接觸面摩擦因數(shù)[10]都取為0.11，同時在接觸面之間通過Contact Interference設(shè)置定義過盈量或間隙，各零件的材料屬性參數(shù)見表2。endprint

計算時，對電機軸一端施加位移約束，在兩接觸面上定義過盈量，同時根據(jù)兩配合面的過盈量及間隙范圍確定4種計算工況，見表3。

在聯(lián)軸節(jié)計算模型中，對表3中的4種計算工況進行有限元計算，對其應(yīng)力分布進行分析，計算結(jié)果見圖4～7。

為分析聯(lián)軸節(jié)的載荷傳遞能力，在有限元模型中對鼓型齒施加軸向角位移，使鼓型齒與襯套發(fā)生整體相對滑移，用電機軸的扭轉(zhuǎn)反力對各計算工況下的最大傳遞扭矩進行分析，結(jié)果見表4。從圖4～7看出，4種計算工況下，3個零件的應(yīng)力分布趨勢基本一致，電機軸的最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在中心孔內(nèi)壁處，襯套的最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在法蘭一端內(nèi)孔處，鼓型齒的最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在壁厚較薄一端。

在EN 12663—2010中有關(guān)靜強度的評定要求為：各部件的應(yīng)力必須小于或等于其所選材料的許用應(yīng)力[11]，即

式中：σ為各部件的計算應(yīng)力；σ為各部件的許用應(yīng)力（見表2）。

由表4可知：在4種計算工況中，電機軸、鼓型齒、襯套等的最大應(yīng)力都遠小于其材料的許用應(yīng)力，因此聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)滿足上述各計算工況下的靜強度要求；從襯套最大傳遞扭矩來看，在4種計算工況下，聯(lián)軸節(jié)傳遞的扭矩都在7 500～12 000 N·m范圍內(nèi)，滿足襯套設(shè)計要求，因此可以確定聯(lián)軸節(jié)過盈量設(shè)計滿足目標要求。

3 鼓型齒滑移扭矩試驗

為驗證聯(lián)軸節(jié)的滑移扭矩特性，在聯(lián)軸節(jié)加工完成后，對聯(lián)軸節(jié)進行滑移扭矩試驗，見圖8。

為精確控制襯套與電機軸、鼓型齒之間的配合， 在生產(chǎn)加工時對零件進行選配，使配合間隙為0.03～0.05 mm。按照聯(lián)軸節(jié)組裝文件要求將聯(lián)軸節(jié)在試驗臺上組裝，然后逐漸增加聯(lián)軸節(jié)扭矩，直到聯(lián)軸節(jié)滑移，記錄聯(lián)軸節(jié)的滑移扭矩，見表5。

從試驗結(jié)果可以看出，聯(lián)軸節(jié)的滑移扭矩都在保護扭矩范圍內(nèi)，滑移襯套滿足過載保護要求，說明聯(lián)軸節(jié)過盈量的設(shè)計合理可靠。

4 結(jié)束語

根據(jù)鼓型齒聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)特點及使用要求，采用有限元法對聯(lián)軸節(jié)不同過盈配合下的應(yīng)力分布和傳遞扭矩進行模擬分析，結(jié)果表明：在過盈量設(shè)計范圍內(nèi)，聯(lián)軸節(jié)的應(yīng)力強度以及傳遞扭矩載荷都滿足設(shè)計要求。同時，為驗證聯(lián)軸節(jié)的滑移扭矩特性，對聯(lián)軸節(jié)進行滑移扭矩試驗，結(jié)果也表明聯(lián)軸節(jié)滿足過載保護設(shè)計要求。

由此可見，有限元法作為一種現(xiàn)代分析方法，可以精確模擬過盈配合的應(yīng)力分布和載荷傳遞能力，能夠為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的過盈連接設(shè)計提供可靠的分析依據(jù)。參考文獻：

[1] 成曉杰. 基于Abaqus的套筒過盈配合有限元接觸分析[J]. 機械工程師， 2012（2）： 79-80.

CHENG X J. Finite element contact analysis of interference fit of sleeve based on Abaqus[J]. Mechanical Engineer， 2012（2）： 79-80.

[2] 許定奇， 孫榮文. 過盈聯(lián)結(jié)的設(shè)計、計算與裝拆[M]. 北京： 中國計量出版社， 1992： 113-127.

[3] 王正文. 無鍵過盈齒式聯(lián)軸節(jié)傳遞扭矩核算及應(yīng)用[J]. 齊魯石油化工， 2012， 40（1）： 71-73.

WANG Z W. Calculation and application of torque transmission in interference gear coupling without keys[J]. Qilu Petrochemical Technology， 2012， 40（1）： 71-73.

[4] 史可忠. 無鍵齒式聯(lián)軸器的安全過盈量核算及裝配控制[J]. 機械研究與應(yīng)用， 2011（5）： 133-135.

SHI K Z. Accounting of safe amount of interference and assembly control of keyless gear couplings[J]. Mechanical Research & Application，2011（5）： 133-135.

[5] 王冬梅， 朱利湘. 電機中間聯(lián)軸節(jié)設(shè)計的計算與實例[J]. 電力機車與城軌車輛， 2012， 35（5）： 63-67.

WANG D M， ZHU L X. Design calculations and examples of the motor middle coupling[J]. Electric Locomotives & Mass Transit Vehicles， 2012， 35（5）： 63-67.

[6] 徐俊良， 王建梅， 寧可， 等. N層過盈聯(lián)接結(jié)合壓力算法研究[J]. 工程設(shè)計學(xué)報， 2017， 24（1）： 83-88.

XU J L， WANG J M， NING K， et al. Research on algorithm of coupling pressure of N-layer interference fit[J]. Chinese Journal of Engineering Design， 2017， 24（1）： 83-88.

[7] 陶德峰. 多層圓筒過盈連接設(shè)計方法及試驗研究[D]. 太原： 太原科技大學(xué)， 2013.

[8] 劉慶. 船用液壓套筒式聯(lián)軸器壓入量的計算[J]. 造船技術(shù)， 1997（12）： 14-17.

LIU Q. Calculation of the pressure of marine hydraulic sleeve coupling[J]. Marine Technology， 1997（12）： 14-17.

[9] 周娟利. 基于有限元法的過盈配合應(yīng)力分析[J]. 機械設(shè)計與制造工程， 2016， 45（8）： 22-26. DOI： 10.3969/j.issn.2095-509X.2016.08.005.

ZHOU J L. Stress analysis on the interference connection based on finite element method[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering， 2016， 45（8）： 22-26. DOI： 10.3969/j.issn.2095-509X.2016.08.005.

[10] 李毅. 基于Abaqus的過盈配合有限元數(shù)值仿真[J]. 制造業(yè)自動化， 2012， 34（8）： 148-150. DOI： 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.4（x）.44.

LI Y. Interference fit finite element numerical simulation based on Abaqus[J]. Manufacturing Automation， 2012， 34（8）： 148-150. DOI： 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.4（x）.44.

[11] 李婭娜， 張宇婷， 韓肖. 某地鐵車體靜強度分析及試驗驗證[J]. 計算機輔助工程， 2016， 25（2）： 14-18. DOI： 10.13340/j.cae.2016.02.003.

LI Y N， ZHANG Y T， HAN X. Static strength analysis and test verification of subway car body[J]. Computer Aided Engineering， 2016， 25（2）： 14-18. DOI： 10.13340/j.cae.2016.02.003.endprint