CAE技术在高分子材料齿轮箱设计中的应用

王凤等

摘要： 为解决机车齿轮箱裂纹和漏油等故障，设计全新的满足使用要求的高分子材料齿轮箱.借助模态和模流仿真技术，分析齿轮箱的动态结构和成型过程，重点研究齿轮箱固有特性、成型工艺性和翘曲变形等，找出设计结构强度薄弱部位、成型困难部位和变形严重影响的装配部位.结果可以为齿轮箱的改进设计提供参考.

关键词： 机车； 齿轮箱； 高分子材料； 动态结构； 成型过程； 模态； 模流

中图分类号： TQ320；U260文献标志码： B

Abstract： To solve the problems of gear box crack and leakage of locomotive， a new polymer material gear box is designed to meet the usage requirements. By the simulation technology on mode and mold molding， the dynamical structure and forming process are analyzed for the gear box， the natural characteristics， forming technology and warp deformation are emphatically studied to find out the weak part of structural strength， the hardest forming part and the assembly part affected by serious deformation. The results can provide reference for the improvement of gear box design.

Key words： locomotive； gear box； polymer material； dynamical structure； forming process； modal analysis； mold flow

引言

在正常工作状态下，机车齿轮箱运行环境恶劣，需承受轨道不平顺引起的高频振动和冲击载荷以及齿轮啮合引起的异常振动等，这些因素可能引起齿轮箱裂纹和腐蚀漏油等一系列故障.[1]为彻底解决齿轮箱问题，提出采用高分子材料齿轮箱代替金属齿轮箱的设想，设计一款全新的满足性能要求的齿轮箱.与金属齿轮箱相比，高分子材料齿轮箱具有许多显著优点：高分子材料比金属材料密度小，因此采用高分子材料齿轮箱可以大幅减轻齿轮箱质量，实现轻量化目的，减少因振动引起的断裂现象发生；高分子材料齿轮箱采用成熟的注塑成型工艺，可以实现一次成型，从而规避金属焊接结构缺陷，减少因焊接缺陷引起的裂纹；高分子材料本身性能优异，在硬度、刚度和耐腐蚀性等方面优于金属材料.[2]

CAE技术在降低设计开发成本、缩短产品开发周期和提高产品质量等方面发挥着重要的作用.伴随企业自主开发能力的提升，CAE技术的应用将更加广泛和直接.模态和模流仿真技术分别是针对产品动态特性和成型工艺特性进行分析的CAE技术，本文借助这2种技术对设计的新型高分子齿轮箱进行分析，为齿轮箱的改进设计提供参考.

1新材料齿轮箱几何结构

某机车齿轮箱为薄壁钢板焊接结构，材质为Q235A.改进后的新材料齿轮箱采用PA6+GF50（尼龙6+50%长玻纤）.尼龙材料以其优良的耐高温、耐油、耐化学腐蚀和高拉伸强度等性能，越来越受到青睐，改性尼龙产品以其更加优越的性能，在一些特殊领域的应用日益广泛.[3]

新设计的高分子材料齿轮箱整体壁厚为4 mm，上下箱对接部位为6 mm，安装孔处壁厚为10 mm.为满足齿轮箱使用性能要求，挡油环安装部位和油液观察窗采用PU发泡条与轴承静态密封.上箱体设计有吊耳和呼吸孔，组合形成呼吸空腔，同时起方便吊装的作用；下箱设计有加油口和卸油口.高分子材料齿轮箱几何结构见图1.

3模流仿真

模流仿真技术是针对高分子材料成型过程的计算机仿真分析技术.借助该技术可以预测产品成型过程中的缺陷.本文重点研究高分子材料齿轮箱工艺成型性和翘曲变形程度，预测产品成型困难部位和变形严重影响装配的部位，为产品结构优化设计提供改进意见.

结论

（1）相比于原金属材料齿轮箱，高分子材料齿轮箱在一体成型和轻量化方面具有显著优势，具有一定的应用价值.

（2）通过模态仿真分析计算得知，高分子材料齿轮箱振动强烈部位出现在挡油环安装部位和加油口处，在结构改进设计过程中应加强刚度薄弱环节，进行刚度的合理布置和平衡，尽可能提高齿轮箱的总体刚度，以提高齿轮箱模态频率、降低振动响应.

（3）通过模流仿真分析计算得知，高分子材料齿轮箱成型工艺性良好，不会出现短射现象，但翘曲变形严重，影响上下箱的安装效果.翘曲严重部位主要出现在加油口处，结构改进设计过程中应在满足产品使用效能的前提下对该部位做适当的补强.

（4）用模态仿真分析技术和模流仿真分析技术分别分析产品的结构和成型过程，借助CAE分析技术可大大缩短产品开发周期，规避开发风险.

参考文献：

[1]廖志伟， 王飞宽， 胡继彬. SS4B型机车齿轮箱结构分析与改进[J]. 电力机车与城轨车辆， 2010， 3（5）： 3335.

LIAO Zhiwei， WANG Feikuan， HU Jinbin. Structure analyses and improvements of gearbox on type SS4B locomotive[J]. Electr Locomotives & Mass Transit Vechicles， 2010， 3（5）： 3335.

[2]李光耀. 汽车内饰件设计与制造工艺[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010： 14.

[3]张甲敏， 连照勋. 玻璃纤维增强尼龙的注射成型工艺改进[J]. 工程塑料应用， 2010， 38（5）： 4244.

ZHANG Jiamin， LIAN Zhaoxun. Improving of injection molding technology for glass fiber reinforced Nylon[J]. Eng Plastics Application， 2010， 38（5）： 4244.

[4]程耀东. 机械振动学[M]. 杭州： 浙江大学出版社， 1999： 4142.

[5]LEE J M. A study on the dynamic modeling of structures with bolted and bearing joints[J]. CIRP Annals： Manufacturing Technol， 1988， 37（1）： 343346.

[6]傅志方， 华宏生. 模态分析理论与应用[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2000： 6162.

[7]薛延华， 王志广， 邵滨， 等. 齿轮箱箱体结构对其振动模态的影响研究[J]. 机械传动， 2008， 32（6）： 107108.

XUE Yanhua， WANG Zhiguang， SHAO Bin， et al. Study on vibration modal of different gearbox structure[J]. Mech Transmission， 2008， 32（6）： 107108.

[8]范江东， 潘宏侠. 齿轮箱箱体的有限元模态与试验模态分析[J]. 煤矿机械， 2010， 31（5）： 9293.

FAN Jiangdong， PAN Hongxia. Finite element modality and test modality analysis of gearboxbox[J]. Coal Mine Machinery， 2010， 31（5）： 9293.

[9]林雪妹， 童水光， 童小红， 等. 大型船用齿轮箱的模态分析及结构优化[J]. 机械设计与制造， 2011（11）： 175177.

LIN Xuemei， TONG Shuiguang， TONG Xiaohong， et al. Modal analysis and structural optimization of heavy duty marine gearbox[J]. Machinery Des & Manufacture， 2011（11）： 175177.

[10]JAY S. Moldflow设计指南[M]. 傅建，译. 成都： 四川大学出版社， 2010.（编辑武晓英）

[2]李光耀. 汽车内饰件设计与制造工艺[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010： 14.

[3]张甲敏， 连照勋. 玻璃纤维增强尼龙的注射成型工艺改进[J]. 工程塑料应用， 2010， 38（5）： 4244.

ZHANG Jiamin， LIAN Zhaoxun. Improving of injection molding technology for glass fiber reinforced Nylon[J]. Eng Plastics Application， 2010， 38（5）： 4244.

[4]程耀东. 机械振动学[M]. 杭州： 浙江大学出版社， 1999： 4142.

[5]LEE J M. A study on the dynamic modeling of structures with bolted and bearing joints[J]. CIRP Annals： Manufacturing Technol， 1988， 37（1）： 343346.

[6]傅志方， 华宏生. 模态分析理论与应用[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2000： 6162.

[7]薛延华， 王志广， 邵滨， 等. 齿轮箱箱体结构对其振动模态的影响研究[J]. 机械传动， 2008， 32（6）： 107108.

XUE Yanhua， WANG Zhiguang， SHAO Bin， et al. Study on vibration modal of different gearbox structure[J]. Mech Transmission， 2008， 32（6）： 107108.

[8]范江东， 潘宏侠. 齿轮箱箱体的有限元模态与试验模态分析[J]. 煤矿机械， 2010， 31（5）： 9293.

FAN Jiangdong， PAN Hongxia. Finite element modality and test modality analysis of gearboxbox[J]. Coal Mine Machinery， 2010， 31（5）： 9293.

[9]林雪妹， 童水光， 童小红， 等. 大型船用齿轮箱的模态分析及结构优化[J]. 机械设计与制造， 2011（11）： 175177.

LIN Xuemei， TONG Shuiguang， TONG Xiaohong， et al. Modal analysis and structural optimization of heavy duty marine gearbox[J]. Machinery Des & Manufacture， 2011（11）： 175177.

[10]JAY S. Moldflow设计指南[M]. 傅建，译. 成都： 四川大学出版社， 2010.（编辑武晓英）

[2]李光耀. 汽车内饰件设计与制造工艺[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010： 14.

[3]张甲敏， 连照勋. 玻璃纤维增强尼龙的注射成型工艺改进[J]. 工程塑料应用， 2010， 38（5）： 4244.

ZHANG Jiamin， LIAN Zhaoxun. Improving of injection molding technology for glass fiber reinforced Nylon[J]. Eng Plastics Application， 2010， 38（5）： 4244.

[4]程耀东. 机械振动学[M]. 杭州： 浙江大学出版社， 1999： 4142.

[5]LEE J M. A study on the dynamic modeling of structures with bolted and bearing joints[J]. CIRP Annals： Manufacturing Technol， 1988， 37（1）： 343346.

[6]傅志方， 华宏生. 模态分析理论与应用[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 2000： 6162.

[7]薛延华， 王志广， 邵滨， 等. 齿轮箱箱体结构对其振动模态的影响研究[J]. 机械传动， 2008， 32（6）： 107108.

XUE Yanhua， WANG Zhiguang， SHAO Bin， et al. Study on vibration modal of different gearbox structure[J]. Mech Transmission， 2008， 32（6）： 107108.

[8]范江东， 潘宏侠. 齿轮箱箱体的有限元模态与试验模态分析[J]. 煤矿机械， 2010， 31（5）： 9293.

FAN Jiangdong， PAN Hongxia. Finite element modality and test modality analysis of gearboxbox[J]. Coal Mine Machinery， 2010， 31（5）： 9293.

[9]林雪妹， 童水光， 童小红， 等. 大型船用齿轮箱的模态分析及结构优化[J]. 机械设计与制造， 2011（11）： 175177.

LIN Xuemei， TONG Shuiguang， TONG Xiaohong， et al. Modal analysis and structural optimization of heavy duty marine gearbox[J]. Machinery Des & Manufacture， 2011（11）： 175177.

[10]JAY S. Moldflow设计指南[M]. 傅建，译. 成都： 四川大学出版社， 2010.（编辑武晓英）