某承载式齿轮箱强度分析方法研究

张志显 申俊

摘 要：齿轮箱箱体作为齿轮箱中各零部件的安装基体，其质量和强度对车辆的乘坐舒适性及安全性具有重要影响。本文对齿轮箱体强度分析方法进行了研究，并采用古德曼法进行了疲劳验证，分析了箱体的动态强度满足情况。

关键词：承载式齿轮箱;强度分析;疲劳分析

齿轮箱壳体是车辆的关键零部件之一，减少其质量可有效的降低车辆簧下质量，降低轨道车辆轮轨磨损，提升车辆运行寿命。为保证齿轮箱的正常运行，应在其设计过程中，进行应力分布评估，[1]并用古德曼图对设计箱体进行疲强度分析，以确保所设计箱体能够满足各工况运行之间的切换。

1 承载式齿轮箱箱体结构简介

图中齿轮箱输入端与电机采用刚性连接，输出端齿轮通过螺栓连接动力输出轴。电机通过图1所示位置3、4连接车架，齿轮箱箱体通过1、5分别连接到车架和电机连接臂上。

2 箱体结构受力情况分析

参照TJ/JW 064-2015《交流传动机车铸铝合金齿轮箱体暂行技术条件》架悬式承载齿轮箱体应能承受垂向±3g、横向±1g和纵向±2g的惯性力冲击;同时还应能承受驱动系统持续扭矩作用在齿轮箱体上的力。车辆运转过程中存在启动、持续、高速、短路等工况，其中在短路工况为最恶劣工况，因此应着重分析短路工况作用下齿轮箱的受力情况。因惯性力冲击载荷的不同组合，在短路工况运行时，会出现不同惯性载荷冲击叠加情况，为保证在各种情况下，车辆齿轮箱箱体均能承受相应载荷，排列组合出现8种组合冲击载荷情况。在最惡劣工况下齿轮箱体的应力均应小于材料屈服极限。依据齿轮传动力分析计算方法，可计算出个主从动齿轮所承受的各方向载荷情况。

3 箱体强度分析

采用CATIA建立箱体结构三维模型，导入workbench软件，依据实际运行情况在不失真的情况下对模型进行简化以降低模型计算难度。[3]

3.1 定义材料属性

该结构采用交流传动机车用铸铝合金齿轮箱体材料，力学性能如表1所示：

3.2 建立有限元模型

把用CATIA建立的齿轮箱箱体三维模型导入workbench中进行网格划分。网格类型采用10节点187单元四面体网格和20节点186单元六面体网格，共有1379924个节点，726745个网格。[2]

3.3 模型分析边界条件及载荷情况

依据模型在分析软件中具体位置图依据图1所定义各项位置，加载相应的边界条件。具体加载情况如表2所示：

4 有限元分析结果

4.1 各工况应力情况

分析结果如表3所示，各工况下的最大应力均满足要求。

4.2 疲劳强度分析

在各种组合工况下，承载齿轮箱体所有应力不允许超过图示应力限值实线区域范围，齿轮箱箱体材料的Goodman图区域如图2所示。

编制程序处理节点数据文件，分析结果如图3所示，各个节点都满足古德曼曲线，即表示在正常工况下，各个节点都落在Goodman曲线多边形内部，满足要求。

5 结论

在极端运行工况下，箱体所受最大应力均小于材料屈服极限，保证在静力学条件下，箱体结构能满足相应的使用要求。

依据TJ/JW 064—2015《交流传动机车铸铝合金齿轮箱体暂行技术条件》对承载箱体所规定的Goodman疲劳设计曲线，所设计箱体符合规定的曲线要求，即，箱体设计满足在动载荷作用下的使用要求。

参考文献：

[1]刘建亮，范乃则，田华军，等.基于Workbench高速动车组用驱动齿轮箱箱体强度分析[J].机械传动，2017，41（2）：77-82.

[2]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.7.

[3]张小坤，陈晓峰，殷明贵.基于ANSYS Workbench的变速器箱体轻量化分析[J].机械工程与自动化，2010（5）：57-59.