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高速列车传动齿轮箱热平衡计算分析.pdf74页
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A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for
Master Degree of Engineering
INVESTIGATION ON THERMO
BALANCE OF TRANSMISSION
GEARBOX IN HIGH SPEED TRAIN
Author ：Huang Zhiyong
Specialty: Mechanical Engineering
Advisor I: Associate Prof. Zhang Wugao
Advisor II: Prof. Zhou Ping
School of Mechanical and Power Engineering
Shanghai Jiao Tong University
Shanghai, P.R.China
May 30, 2007
上海交通大学工程硕士学位论文
高速列车传动齿轮箱的热平衡计算分析
列车高速运行时，传动齿轮箱在热方面的工作环境非常恶劣，本
文针对中国南车集团戚墅堰研究所开发的 300km/h
电动车组传动齿
轮箱进行了热分析研究。首先，研究高速列车传动齿轮箱的发热机理，
分析其内部热源的种类和传热途径，在查阅大量文献的基础上，选取
一套适用于高速列车齿轮箱的热功率损失计算方法，定量评估了各种
损失在齿轮箱热损失中所占的比例，及齿轮箱的各个参数对功率损失
的影响，提出了降低热平衡温度措施，为设计高速列车齿轮箱提供了
参考。然后，建立了高速列车传动齿轮箱的热分析数学模型，使用
软件 Fluent
对高速列车的平衡温度场进行了计算，并与实际测
量数据进行对比，在验证模型有效性的基础上，分析了传动齿轮箱的
温度场分布规律。最后，使用该模型模拟分析了列车运行速度和齿轮
箱浸油深度对齿轮箱平衡温度的影响，并对列车
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重型汽车变速器齿轮的计算仿真分析.pdf72页
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重型汽车变速器齿轮的计算仿真分析
年月独创性声明
本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取
得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或
撰写过的作品成果,也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材
料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意
识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:匆讽
Ⅻ许多月日学位论文版权使用授权书
江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊光盘版电子杂
志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制
手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致,允许论文被查阅和借阅,
同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国学位论文全文数据库》并向社会提
供查询,授权中国学术期刊光盘版电子杂志社将本论文编入《中国优秀博硕士学位论
文全文数据库》并向社会提供查询。论文的公布包括刊登授权江苏大学研究生处办理。
本学位论文属于不保密口。
指导教师签名:
学位论文作者签名:匆?搁
沙年月刁日
沏弓年月日江苏大学硕士学位论文
变速器是汽车传动系统的重要组成部分,主要用来协调发动机转
速和车辆实际行驶速度。齿轮作为汽车变速器的重要机械零件,承载
着汽车传动时的扭矩,工作环境恶劣且易损坏。另外,随着汽车行业
的不断发展,人们对汽车零部件的要求越来越高,因此,变速器齿轮
自身的振动特性分析和优化设计显得尤为重要。
变速器齿轮常见的损坏形式有:接触疲劳引起的齿面点蚀和弯曲
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于车辆最终传动装置设计毕业论文的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：车辆最终传动装置设计毕业论文 .. ..前言1. 行星轮减速器功用和特点每一部汽车上都有行星齿轮,少了它们,汽车就不能自由行走。汽车上的行星齿轮主要用在两个地方,一是驱动桥减速器、二是变速器。行星减速器是指原动机与工作机之间独立封闭式传动装置,用来降低转速并相应地增大转矩。此外,在某些场合,也有用作增速的装置,并称为增速器。行星齿轮传动不仅适用于高速、大功率而且可用于低速、大转矩的机械传动装置上。它可以用作减速、增速和变速传动,运动的合成和分解,以及其特殊的应用中;这些助用对于现代机械传动发展有着重要意义。因此,行星齿轮传动在起重运输、工程机械、冶金矿山、石油化工、建筑机械、轻工纺织、医疗器械、仪器仪表、汽车、船舶、冶金、矿山、电工和航空航天等工业部门均获得了广泛的应用。2. 行星齿轮的发展方向世界各先进工业国,经由工业化、信息化时代,正在进入知识化时代,行星齿轮传动在设计上日趋完善,制造技术不断进步,使行星齿轮传动已达到了较高水平。我国随着改革开放在消化吸收国外先进技术方面也取得了长足的进步。目前行星齿轮传动正向以下几个方向发展:1)、向无级变速行星齿轮传动发展。实现无级变速就是让行星齿轮传动中三个基本构件都转动并传递功率,这只要对原行星机构中固定的构件附加一个传动,就能成为无级变速器。2)、向复合式齿轮传动发展。近年来,国外将蜗杆传动、螺旋齿轮传动、圆锥齿轮传动与行星齿轮传动组合使用,构成复合式行星齿轮箱。其高速级用前述各种定轴类型传动,低速级用行星齿轮传动,这样可适应相交轴间的传动,可实现大传动比和大转矩输出等不同用途,充分利用各类型传动的特点,克服各自的弱点,以适应市场上多样化需求。3)、向少齿差行星齿轮传动方向发展。这类传动主要用于大传动比、.. ..小功率传动。4)、向制造技术的发展方向。采用新型优质钢材,经热处理获得高硬齿面(内齿轮离子渗氮,外齿轮渗碳淬火),精密加工以获高齿轮精密及低粗糙度(内齿轮精插齿达 5~6 级精度,外齿轮经磨齿达 5 级精度,粗糙度nR 0.2~0.4μ m),从而提高承载能力,保证可靠性和使用寿命。5)、向高速大功率及低速大转矩的方向发展。例如年产 300kt 合成氨透平压缩机的行星齿轮增速器,其齿轮圆周速度已达 150m/s;大型水泥磨中所用 80/125 型行星齿轮箱,输出转矩高达 4150kNm。在这类产品的设计与制造中需要继续解决均载、平衡、密封、润滑、零件材料与热处理及高效率、长寿命、可靠性等一系列设计制造技术问题。.. ..第 1 章行星轮减速器的设计1.1 行星轮减速器设计的总体要求为了能达到减速器的工作要求必需满足以下基本要求:1、传动效率高;2、承载能力高,结构紧凑;3、传动平稳,噪声低;4、速比范围大,传动比密宽;5、核心单元模块化,拆装、维修、调整方便等。1.2 行星轮减速器设计方案的确定本次设计的行星齿轮传动用于低速工程车辆的最终传动,行星式最终传动大都采用以采用太阳轮为主件,行星架为从动件,齿圈为固定件的方案。根据工作环境和设计要求,可选用 NGW 型即一对齿轮的外啮合和一对齿轮的内啮合(2Z-X 型)行星传动。1.3 行星轮减速器的设计要求从运动角度分析:行星轮系用来传递运动,就必须实现工作所要求的传动比,因此各轮齿数需要满足的第一个条件——传动比条件。行星轮系是一种共轴式的传动装置。为了保证装在系杆上的行星轮在传动过程中始终与中心轮正确啮合,必须使系杆的转轴与中心轮的轴线重合,这就要求各轮齿数必须满足第二个条件——同心条件。行星轮系中如果只有一个行星轮,则所有载荷将由一对齿轮啮合来承受,功率也由一对齿轮啮合来传递。由于在运动过程中,轮齿的啮合力以及行星轮的离心惯性力都随着行星轮绕中心轮的转动而改变方向,因此轴.. ..上所承受是动载荷。为了提高承载能力和解决动载荷的问题,通常采用若干个均匀分布的行星轮。这样载荷将由多对齿轮来承受,可大大提高承载能力;又因行星轮均匀分布,因此中心轮上作用力的合力为零,系杆上所受的行星轮的离心惯性力也得以平衡,可大大改善受力状况。要求多个行星轮能够均匀地分布在中心轮四周,这就要求各轮齿数必须满足第三个条件——装配条件。均匀分布的行星轮数目越多,每队齿轮承受的载荷就越小,能够传递的功率就越大。因此由上述三个条件确定了各轮齿数和行星轮个数后,还必须进行这方面的校核,这就是各轮齿数需要满足的第四个条件——邻接条件。1.3.1 为了保证低速车辆减速器具有优良的工作性能,对设计提出其它基本要求:(1)、齿轮采用高强度低碳合金钢经渗碳淬火而成, 齿轮硬度达58HRC-64HRC;(2)、齿轮均采用磨齿工艺,精度高,接触好;(3)、在任何行驶条件下均能可靠地传递发动机的最大转矩,并有适当的转矩储备;(4)、应有足够的吸热能力和良好的通风散热效果,以保证工作温度不致过高,延长其使用寿命;(5)、应使传动系避免扭转共振,并具有吸收振动、缓和冲击和减小噪声;(6)、材料的摩擦因数要尽可能小,以保证有稳定的工作性能;(7)、应有足够的强度和良好的动平衡,以保证其工作可靠、寿命长;(8)、结构应简单、紧凑、质量小,制造工艺性好,拆装、维修、调整方便等。1.3.2 设计的主要参数(1)、输入转速 1n (太阳轮轴上的转速) 1n =440 r/(2)、输出转矩 1T (行星架上的转矩) Tx=430 Nm;.. ..(3)、传动比 i=6。1.4 选取行星传动简图根据此设计的要求太阳轮要采用浮动支撑,齿圈固定的方式。故所采取的行星轮的类型为中心轮输入,与行星轮外啮合,行星轮又与内齿全内啮合,行星架输出的传动类型。其传动简图如图 2-1 所示w Tacb图 1-1 行星轮传动简图(a 为太阳轮,b 为齿圈,c 为行星轮)1.5 各齿轮的齿数及行星轮个数的设计配齿计算:由于轮的传动为 2Z-X 型,根据其类型的传动比值和其配齿的计算公式可求得内齿轮和行星轮的齿数 Zb 和 Zc,现考虑该行星齿轮传动的轮廓较小,选取行星轮个数 3k , 首先利用装配关系式求太阳轮的齿数 Za 值。ba xkNZ ai(1-1)式中 N —任意正整数, N 取不同的值,就可得到一系列满足装配条件的Za 值,如表 1-1:表 1-1 齿数和转齿对照表N 14 16 18 20 22 24 26 28 30Za 7 8 9 10 11 12 13 14 15.. ..从表 1-1 中选取 131Z ,作为初选方案。由传动比 ba xi =6 和公式( 1)ba xZ b i Z a
(1-2)故 Zb=5Za=65又可根据公式可求得行星轮的齿数 Zc2Z a Z c Z b
(1-3)故 Zc=25再由公式验算实际传动比1ba xZ biZ a
(1-4)=6其传动比误差满足规定的要求,最终确定齿数:Za=13; Zb=65; Zc=251.6 初步计算齿轮的主要参数齿轮材料和热处理的选择:中心轮和行星轮均采用 20CrMnTi 材料, 经渗碳淬火, 齿面硬度58-62HRC,根据《行星齿轮传动设计》图 6-1 和图 6-2 可取得 limH=500MPa和 limF=340N/2m m ,中心轮 a 和行星轮 c 的加工精度为 7 级,内齿圈 b 采用 42CrMo,调质硬度 217HBS-259HBS,根据《行星齿轮传动设计》图 6-11和图 6-26 可得 l i mH=510N/2m m 和 limF=360 N/2m m ,内齿轮的加工精度为7 级。由已知行星架的输出转矩 Tx=430 N m ,再由公式可得T a =11T xp(1-5)1 14 3 06 67 1 .7T xN m
.. ..按弯曲强度初算公式1 A F F P F a132limK K K YmFTm Kd Z a (1-6)式中 mK ——算式系数;FK ——综合系数;FPK ——计算弯曲强度的行星轮间的载荷分布不均匀系数;Z——齿轮副中小齿轮齿数;limF ——试验齿轮弯曲疲劳极限,单位 2/NFa1Y ——齿形系数;d ——齿宽系数。已知 Za=13 , limF =340N/ 2m m ,取算式系数 Km=12.1,按《行星齿轮传动设计》表 6-6 取使用系数 AK =1.5,再由表 6-5 取综合系数 FK =1.8,取接触强度计算的行星轮间的载荷分布不均匀系数 H pK =1.2,由公式可得FPK =1+1.5( H pK -1)=1.3 (1-7)由《行星齿轮传动设计》图 6-22 查得齿形系数 Fa1Y =2.67由《行星齿轮传动设计》表 6-6 查得齿宽系数 d =0.6,则可得齿轮的模数 m:.5 1.8 1.3 2..260.6 13 340m
取齿轮标准模数 m=4。1.7 啮合参数的计算1、在两个啮合齿轮副 a-c,b-c 中,其两啮合齿轮副的标准中心距 b ca :1( )27 6a ca m Z a Z cm m (1-8)1( ) 8 02b ca m Z b Z c m m
由此可见,两个齿轮副的标准中心距不相等,有 aca & b ca ,因此该行.. ..星齿轮不能满足非变位的通信条件,为了使该行星传动既能满足给定的传动比的要求,又能满足啮合传动的通信条件,既应使各齿轮副的啮合中心距 a 相等,则必须对 2Z-X 行星齿轮进行角度变位,根据两标准中心距中间的关系,现取啮合中心距 a= b ca =80mm 作为齿轮副的公用中心距。已知 Za+Zc=38,Zb-Zc=40,m=4mm, a=80mm,
= 2 0。。按公式计算行星齿轮传动的变位啮合系数,如表 2-2 所示表 1-2 行星传动啮合参数计算项目公式 a-c 齿轮副 b-c 齿轮副中心距变动系数'a aym ay =1 by =0啮合角''o s( co s )aa aa'a ca =02 6 .7 8'b ca =0变为系数和'( )2 tanZX in v in va
acX =1.1776 bcX =0齿顶高变位系数 y x y
ay =0.1776 by =0重合度'1 1'2 2(tan tan )12 (tan tan )aaz a az a a
a =1.5 b =1.82、确定各齿轮的变位系数a-c 齿轮副中:在 a-c 齿轮副中,由于中心轮 a 的齿数 Z a =13&Zmin=17,Za+Zc=38&2Zmin=34,中心距 aca =76mm&a=80mm,由此可知,该齿轮变位的目的是避免小齿轮 a 产生根切,凑合中心距和改善啮合性能,其变位方式采用角度变位的正传动即:.. ..acX = ax + cx &0当齿顶高系数*1ah
,压力角 02 0
时,避免产生根切的最小变位系数Xmin 为Xmin=1 71 7Z a=0.2353中心轮的变位系数可按公式:0 .5 ( )a a c a c aZ c Z ax X X y xZ c Z a
(1-9)=2 5 1 30 .5 1 .1 7 7 6 (1 .1 7 7 6 0 .1 7 7 6 ) 0 .12 5 1 3
=0.5309&Xmin=0.2353故行星轮的变位系数 0.6467c ac aX X X
。b-c 齿轮副中:Zb&Zmin, Zb-Zc=40&2Zmin=34, b ca =a=80mm,由此可知,该齿轮副的变位目的是为了改善啮合性能和修复啮合齿轮副,故其变位采用高度变位,即bcX = 0b cX X
则可得内齿轮的变位系数 0.6467b cX X
。1.8 几何尺寸的计算对于 2Z-X 型行星传动的几何尺寸的计算结果见表 1-2。1.9 装配条件的计算对设计的齿轮副应满足以下条件的计算:1、邻接条件其邻接条件的验算可按公式2 sina cd an p ( acd 为行星轮的直径 a 为中心距) (1-10).. ..110. 02 8 0 sin 1 3 8 .5 6 4 13
即满足邻接条件。2、同心条件aca = b ca (1-11)'co s( ) 8 0co s 2a c a ca cma Z Z
'co s( ) 8 0co s 2b c b cb cma Z Z
即满足同心条件。3、安装条件安装条件的验算可按公式C(常数)= a bZ Zn p(1-12)a bZ Zn p=1 3 6 52 63所以满足安装条件。1.10 结构设计根据 2Z-X 型行星传动的特点,传递功率的大小和转速高低等情况,首先应确定中心轮的结构,因为它的直径比较小,所以中心轮应采用齿轮轴的形式,即将中心轮与输入轴联成一个整体,按行星传动的输入功率或转矩还让转速 n 初步估算输入轴的直径,同时进行轴的结构设计,为了便于轴上零件的安装,通常将轴制成阶梯形式。总之,在满足是哟个要求的情况下,轴的形状和尺寸应力求简单,以便于加工制造。内齿圈 b 固定,采用与外壳体用螺栓固定的方式。行星轮 c 采用带有内孔的的结构,它的齿宽 b 应加大,以便保证该行星轮 c 与中心轮 a 的啮合良好,同时还能保证其与内齿圈 b 想啮合,在每播放器加载中，请稍候...
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