導軌電車轉向驅動橋的設計及試驗驗證

（中車四方車輛有限公司,山東 青島 266111）

0 引言

導軌電車是介于城市公共汽車與城市有軌電車之間的一種中低運量軌道交通系統，一般適用于中小城市內部、城市與市郊之間、城市新區或開發區內部、旅游景區等區域的快速公交運輸線路。它具有引導城市發展方向、緩解城市交通擁堵的作用，同時與火車站、地鐵、輕軌等城市軌道交通網連接，以建立不同運量等級的軌道交通系統，完善城市綜合交通運輸體系，彌補城市最后一公里的軌道交通運輸需求。

本文主要介紹了一種適用于單軌導向的導軌電車的轉向驅動橋的設計及試驗驗證。轉向驅動橋是位于傳動系末端能改變來自牽引電機的轉速和轉矩，傳遞導向機構施加的轉向力矩，驅使導軌電車沿固定線路運行的執行單元[1]。

1 導軌電車參數要求

導軌電車采用兩動兩拖的四編組形式，電車的動力分布于兩端，可雙向行駛，采用膠輪驅動、承載，單軌鋼輪導向的結構形式。該車增加一套導向機構代替傳統意義上的方向盤，驅使車輛沿鋼軌行駛。電車主要設計參數見表1。

表1 導軌電車參數

2 轉向驅動橋主要組成部分及設計

轉向驅動橋下部通過中心銷與導向機構相連，兩者之間可以相互轉動，當導向機構沿鋼軌行駛時，通過兩個橫向連桿推動轉向驅動橋的左右轉向節，實現轉向驅動橋產生轉角，及實現車輛的轉彎。轉向驅動橋上部通過空氣彈簧與車體連接，中部設有抗側滾扭桿和牽引拉桿。詳細布置見圖1。

圖1 轉向驅動橋與導軌電車的連接布置

轉向驅動橋主要由橋殼總成、主減速器總成、輪邊減速器總成、驅動半軸總成、制動器總成等組成，見圖2。

圖2 轉向驅動橋

2.1 橋殼總成

橋殼總成由鋼板Q460C焊接而成，焊接執行標準EN15085。橋殼總成作為轉向驅動橋的主要承載部件，其強度需要滿足一定的校核及試驗驗證[2]。

2.1.1 設計計算

（1）輸入數據計算：導軌電車軸重11 t，轉向驅動橋設計承載能力12 t，取安全系數2.5，故橋殼每個支撐點受力為12×1 000×10×2.5/2= 150 000 N；輪胎到主銷軸中心距離0.221 m，主銷軸線距離0.282 5 m，輪胎有效半徑0.54 m，制動力矩17 000 N.m。

①輪胎支承力在左上主銷孔產生的作用力

F左上X=－150 000×0.221÷0.282 5=－117 345.14（N）

②在左下主銷孔產生的作用力

F左下X=150 000×0.221÷0.282 5 =117 345.14（N）

③輪胎支承力在左下主銷孔下端面產生的作用力

F左下Y=150 000（N）

④制動力在左上主銷孔產生的作用力

F左上Z=17 000÷0.282 5－ 17 000÷0.54=28 696（N）

⑤制動力在左下主銷孔產生的作用力

F左下Z=-（17 000÷0.282 5+17 000÷0.54）=-91 658（N）

右側受力與左側相同。

（2）強度計算。橋殼進行有限元計算，固定橋殼與支撐架安裝面，分別于主銷軸處施加垂向力和制動力，計算結果見圖3。

橋殼總成最大應力點應力值為435 MPa，小于屈服強度460 MPa，滿足設計要求。

圖3 橋殼總成強度計算結果

2.1.2 試驗驗證

橋殼總成進行強度計算后還需要進行必要的臺架試驗驗證：橋殼垂直彎曲剛性和垂直彎曲靜強度試驗和橋殼垂直彎曲疲勞試驗。試驗設備見圖4。試驗方法參照QC/T533《汽車驅動橋臺架試驗方法》。

圖4 橋殼總成臺架試驗

（1）橋殼垂直彎曲剛性試驗評價指標：滿載軸荷時每米輪距最大變形不超過1.5 mm。橋殼總成經臺架測試其剛度滿足要求，具體試驗數據見表2。

表2 橋殼垂直彎曲剛度試驗數據

（2）橋殼垂直彎曲靜強度試驗評價指標：驅動橋橋殼垂直彎曲失效（斷裂或嚴重塑性變形）后備系數Kn＞6。

式中：Kn----橋殼垂直彎曲失效后備系數；

pn----橋殼垂直彎曲失效載荷，N；

p----滿載軸荷，120 000 N。

橋殼總成垂直彎曲靜強度試驗數據見表3，后備系數均大于6，滿足設計要求。

表3 橋殼垂直彎曲靜強度試驗數據

橋殼垂直彎曲疲勞試驗數據遵循對數正態分布（或韋布爾分布），取其中值疲勞壽命不低于80萬次，試驗樣品中最低壽命不得低于50萬次。經試驗驗證中值98.6萬次高于80萬次；最低91.6萬次，高于50萬次，滿足設計要求。

表4 橋殼垂直彎曲疲勞試驗結果

2.2 主減速器總成和輪邊減速器總成

2.2.1 組成部分

主減速器總成主要包括盆齒輪和錐齒輪、差速器。主減速器的主要作用：

（1）改變動力傳輸方向，將動力由沿縱軸轉動改變為沿橫軸轉動；

（2）提供一級減速比，起到降速增扭的功效；

（3）差速器的存在可以適應左右車輪的不同步。

輪邊減速器總成采用行星差速器結構，由太陽輪、內齒圈、行星輪、行星支架等組成。其主要作用：提供二級減速，進一步降速增扭。

2.2.2 傳動比計算

導軌電車根據與牽引電機匹配，轉向驅動橋需要11.3的傳動比。選定主減速器盆齒輪齒數35，錐齒輪齒數13；輪邊輪邊減速器太陽輪齒數20，齒圈齒數64。傳動原理圖見圖5，傳動比校對如下：

主減速比：i主=Z盆/Z錐＝35/13＝2.692 3。

輪邊減速比：i輪=Z內/Z太+1＝ 64/20+1＝ 4.2。

總減速比：i總=i主×i輪＝2.692 3×4.2＝11.307 7。

綜上，選定各齒輪齒數產生的傳動比為11.307 7，與導軌電車對轉向驅動橋傳動比11.3的要求接近，能夠滿足要求。

圖5 傳動原理圖

2.2.3 齒輪強度及精度

齒輪強度：按照《GB 10062錐齒輪承載能力計算方法》進行校驗，計算接觸應力977 MPa＜許用接觸應力1 266 MPa，計算齒根應力470 MPa＜許用齒根應力777 MPa，強度滿足要求。

由于導軌電車是雙向行駛，主減速器的盆齒輪和錐齒輪雙面進行磨齒，精度要求7級。

2.2.4 試驗驗證

齒輪疲勞強度需進行必要的臺架試驗，齒輪疲勞強度試驗見圖6。齒輪疲勞壽命評價指標：試驗數據遵循對數正態分布（或韋布爾分布），取其中值疲勞壽命不低于50萬次，試驗樣品中最低壽命不低于30萬次。

圖6 齒輪半軸疲勞強度試驗

齒輪靜扭強度試驗于轉向驅動橋總成中進行，見圖7。轉向驅動橋總成靜扭強度后備系數KK＞1.8。

KK=MK/MP

式中：KK----靜扭強度后備系數；

MK----靜扭斷裂扭矩，N. m；

MP----試驗計算扭矩，2 200 N. m。

圖7 齒輪半軸靜扭強度試驗

2.3 驅動半軸總成

2.3.1 計算

驅動半軸材質50CrVA，屈服強度1 127 MPa，輸入額定扭矩 Mn=2 200×2.692 3÷2=2 961.53（N. m）。

半軸計算應力344.3 MPa＜屈服強度1 127 MPa，見圖8，安全系數3.3＞1.8，滿足設計要求。

2.3.2 試驗驗證

驅動半軸扭轉疲勞試驗于圖6試驗臺進行，疲勞壽命指標：B50≥30萬次，B10≥20萬次。

半軸靜扭靜強度與齒輪靜扭強度試驗同時完成，見圖7。

圖8 半軸強度計算

2.4 制動器熱容量計算

制動器同時需要滿足QC/T479《貨車、客車制動器臺架試驗方法》和QC/T239《貨車、客車制動器性能要求》。

將整車動能平均分配到各制動器上，則制動時單個制動器產生的熱能：

L1= M*Va2/2/8

=（10 650+11 885+11 550+10 850）*Va2/2/8

=2 808.438Va2

與制動盤相連的受熱金屬件（卡鉗和支架）總質量為mh=30.5 kg，球鐵比熱容ch=510 J/（kgK）；22.5吋制動盤質量 md=34.7 kg，灰鐵比熱容cd=510 J/（kgK）。

（ md*cd+ mh*ch）*Δ t=（34.7*510+30.5*510）*Δ t

=33 252Δ t=2 808.438Va2

Δ t=2 808.438Va2÷33 252=5.87℃

一次由Va=30 km/h到完全停車的強烈制動，升溫Δ t不超過15℃，滿足要求。

3 結論

本文主要介紹了導軌電車轉向驅動橋的設計及試驗驗證，確保導軌電車能夠平穩可靠地運行，同時為后期類似部件的設計試驗提供參考依據。