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《外燃 ) 0年期( 8期)国内机车 2 6第4总第3 0 8

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牵引齿轮箱的最新发展趋势一

3 Ok/ 5 m h动车的大功率牵引齿轮箱

【 M.oaf TBs an德】 Hlp l .a mn z e s摘要：当西班牙新的 A E S0 V 13型高速列车投入运行时，马德里一巴塞罗那间铁路干线上的列车最高运行速度将达到 3 0k/。德国 V i ub公司为这种特殊用途列车专门开发了采用圆柱 5 m h ohT ro t

齿轮的 S -8牵引传动装置 (引齿轮箱 ) E30型牵。这种圆柱齿轮牵引传动装置是 IE3型高速列车所 C一用牵引传动装置的进一步发展。对于这种在西班牙运用的未来列车的设计，定牵引齿轮箱要采规

用非常轻的结构，同时噪声也要低。v i u o司开发的 S一 03型牵引齿轮箱实现了上述两 ohTr公 t b E3 . 8项要求。文中介绍了新型牵引齿轮箱的开发理念、计过程和试验纲要。试验包括无负荷试验、设 有负荷试验及冷却试验。 关键词：高速列车动车牵引齿轮箱轻型结构噪声结构设计试验了降低动车总重量及与此有关的节能外，型牵引新

1引言德国高速铁路运输已经有 l年以上的运用经 5验。在此期间， E I高速列车从采用一辆动力头车 C牵引 (力集中 )展到采用多辆自带电动机的动动发车牵引 (动力分散 )有 5%的轮对为动力轮对。, o采用轻型结构和降低噪声的课题对开发机车车辆来说具有越来越大的意义。这涉及到从市郊运输

齿轮箱的开发目标首先是降低轮对的簧下重量。

由于动力传动单元布置在整个动车组下方，因此还提出了牵引齿轮箱在噪声特性方面的另一个开发目标。对于机车或动力头车设计而言，达到高的为列车运行舒适性，引齿轮箱的噪声并没有很重要牵的影响。但对于安装在旅客间下方的牵引齿轮箱 .它却是起直接噪声源的作用，因而可能激起固体噪声。

用机车动车直至高速列车的整个机车动车领域。 除了在车辆制造方面出现的许多以提高舒适性为特征的变化 (设有列车餐厅，低车内噪声，如降 设置空调装置等),外对进一步发展起

决定性作用的，首先是对动力传动技术及其降低重量和降低车内噪声方面提出的高要求。 不仅要降低动车的总重量 (对降低能量消这耗、缩短加速时间和制动时间起决定性作用 )而且，也要降低动力轮对的簧下重量。否则，会引起乘车舒适性的降低，轮轨磨耗的加剧。动力轮对簧下重量的降低亦可改善动车走行部和上部结构的运行动力学性能和机械负荷。 对高速列车技术而言，其牵引齿轮箱 (可对亦称圆柱牵引齿轮箱、车轴或轮对驱动装置、引传牵动装置，以下统称为牵引齿轮箱 )构设计方面提结

作为电动机和车轴之间的传动部件，轮对牵引 传动装置要承担不同的任务。其中主要的任务是要足以承受动车上各种结构部件，牵引电动机、如制动装置或转速传感器频繁变化的扭矩和转速。 为了承受弹簧的位移和冲击，还要求处于力矩链中的牵引齿轮箱在其输入端和输出端设有一系及二系连接装置。 、 在机车动车动力传动系统中，牵引齿轮箱具有

极重要的地位。牵引齿轮箱对动力传动系统的噪声及振动特性具有很大的影响。在结构设计和强度检验时，求其有长的使用寿命和低的维修费要用，已成了人们关注的焦点。这

本文介绍牵引齿轮箱的开发目标是如何实现的以及对牵引齿轮箱提出的要求、选用的设计方所法和试验措施。

出的最明确的要求，就是轻型结构和降低噪声。除

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《外内机车》0年第4总第3期)国燃 26 0期( 8 8围内，振噪声水平降低了 8d ( )激 B A。在此背景下，

2对牵引齿轮箱的要求2 1功率特征参数 (率密度 ) .功

噪声降低 3d ( )即意味着动力学作用力降低一 B A,半。这显然对新牵引齿轮箱的设计提出了挑战。

对动车单位重量驱动功率要求的不断提高反映在各种高速列车所设计的牵引齿轮箱上。图 1示出了 3种典型的牵引齿轮箱—— s 8 . ( E301型用于德国 IET型内燃动车组 )S 8 . (于 C .D,E 302型用德国 IE3型高速列车 ) S 8 . (于西班 C.及 E303型用牙 A ES0型高速列车 ) V .13——功率密度 (位体积单功率 )功率重量 (位重量功率 )

比较。和单的

图2 3种牵引齿轮作用力产生的噪声水平的比较①牵引齿轮作用力噪声水平；②牵引齿轮驱动扭矩8要喜蝤 ∞ .嚣 ∞

i

博 啡

3牵引齿轮箱的设计3 1牵引齿轮箱的方案设计 .

通过对众所周知的牵引齿轮箱设计理念进行2' C

②

比较，识到对新牵引齿轮箱的设计必须走新的道认

图1 3 种牵引齿轮箱功率特征参数值随列车最高速度的变化①功率特征参数；②动车最高速度 (m h;③s o 3牵引 k/) 8 .型齿轮箱；④功率重量 (单位重量功率);⑤S 30 2 E 8 .型牵引齿轮箱；⑥功率密度 (单位体积功率 );⑦ S30 1 E 8 .型牵引齿轮箱。

路。迄今为止，采用铝合金箱体的圆柱齿轮牵引齿轮箱的设计，其齿轮啮合最大螺旋角被限制在一定范围：一方面保持轴承装置设计简单，一方面由于另齿轮轴向力较小，因而对箱体刚度的要求也较小。 当然，要求齿轮产生的噪声较低，只能通过提高齿轮齿面啮合的重叠系数才能达到。对此存在优化的可能性，即可以采用加大牵引齿轮螺旋角的方法。当然，着齿轮螺旋角的增大，要求提高随亦

2 2噪声特性 .

牵引齿轮箱除要求轻的重量和小的结构体积外，还要符合牵引齿轮箱严格的噪声极限值，以使旅客舒适性越来越得以改善。除了要降低激振噪

声水平的绝对值外，还对噪声频谱提出了高的要求。在机车动车声学管理方面，强烈的噪声会造成不可控制的干扰因素。众所周知，种强烈的噪声这是由牵引齿轮箱发出的啸叫声。采用在动车下方安装分散的动力传动装置(动力分散式 )的解决方式，受到将动力传动装置安装在列车端部 (动力集中式)的解决方式的竞争。前者能否达到后者相近的乘车舒适性，这对动力分散式的高速列车在市场上获得成功具有决定性的意义。 图 2示出了 3种牵引齿轮箱在驱动力矩的整个工作范围内其齿轮作用力最高激振噪声水平的比较。对于 S 8 .和 S 8 .牵引齿轮 E 301型 E 302型箱，在其简单的轴承设计基础上可以达到其箱体有相近的作用力。而新的 S 03 E3 .型牵引齿轮箱， 8在整个工作范围内必须有更小的齿轮啮合作用力， 以便能满足

不断提高的要求。特别是在部分负荷范

轴承装置和箱体的刚度。 图 3示出牵引齿轮箱的剖视图，方案设计显其示出了牵引齿轮箱设计理念方面的创新。由于螺旋角的增大导致轴向力的增大，以小齿轮轴设有所一

个附加的四点轴承。根据径向力和轴向力之间的“任务分配”使轴承在具有所要求的使用寿命期，内可以承受全部作用力。

同样，对提高轴向力的要求，引齿轮箱输针牵出端的设计必然与以前经过考验的设计不同。一个重要的技术进步是在这种运用领域内第一次采用了圆锥滚子轴承。众所周知，由于这种轴承有高的圆周速度，而会担心其会发生过热；是只要因但通过相应的润滑装置的设计就可免除这种担心。

在牵引齿轮箱试验时(参见第 4 )利用试验对这节，种功能特性进行了验证。

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《外内机车 2 6国燃》 0年第4总 8期 0期(第3 ) 8

3 l选择加强的箱体再一次利用有限元法进行验算 (图 4右 )。33牵引齿轮箱连接装置 ( . C形卡箍 )设计的要特别注意牵引齿轮箱与转向架连接装置的开

发。这种连接装置可以承受由扭矩传递所产生的全部反作用力。因此，设计思想必须考虑到动力学其作用，例如在主电路短路负载时所传递的作用力。 此外，这种高负荷的部件也必须考虑到减重的要求。然而，由于要承受越来越大的冲击载荷，所

置图 3牵引齿轮箱剖视图①小齿轮轴；②机车动轴。

以必须放弃应用铝合金材料。因此，在所选定的载

荷情况下，助自动的拓朴学优化，到了有利的借得重量分布的 C形连接装置 ( C形卡箍 )。这项研究

的出发点是要确定可供使用的最大体积及一个不受干涉的空间。其相应的体积示于图 5。在优化计算中的第一次迭代计算后，连接装该

置体积模型中只存在不大的材料应力，并且也降低了相应有限元的弹性。在最后的迭代计算步骤中， 要反复进行这个过程。对于这种计算的破坏标准

(判据)是部件在保持刚度的条件下达到实际选定，的目标重量。图 5中部所示的中间结果是经过 l 5

3 2牵引齿轮箱箱体结构的设计 .

牵引齿轮箱

箱体的造型设计是以在齿轮啮合力的作用下对箱体的轴向刚度和小的扭曲变形的特殊要求为根据的。此外，由于小齿轮轴产生轴向力呈点状传递，以特别注意要有一个良好的传递所特性。最后，对在扭矩作用下箱体的变形必须有可靠的评估，要相应地考虑齿轮齿面的拓朴学设 并计。所以，今为止牵引齿轮箱的箱体设计方案对迄于新牵引齿轮箱都是不适用的。选择采用倾斜布

步计算后优化的结果。保持弹性的部件图显示，相对于初始的设计，体积减小了 6%以上。再经修其 o整后的结构，成为一个功能良好、于制造的设就适计，并应用有限元法加以确认。图 5的右图清楚地示出了拓朴学优化的结构与最后设计的几何形状

的相似性。除了初始重量减轻 3%￣, o b还使可传递的支承力提高 7%。 5

4试验方案由于今天机车车辆的开发时间普遍较短，机在车车辆投入运行之前，件制造商对其产品要安排部尽可能多的试验。采用这种方式，在早期就可以避免与新部件开发相关的许多风险。当然，于机车对

置的分箱面的箱体结构形式，形成了在有关减重和加强安装刚度之间最佳可能的折衷方案。 为了确保这种设计理念的实现，首先对未加强的箱体在以齿轮作用力加载的情况下进行有限元计算 ( 4。将所求得的位移和应力集中作为图左)箱体造型设计的根据。最终决定性的一步是对所

车辆仍然要求进行鉴定。 Vi ub公司对其所有新开发的牵引 ohT ro t齿轮箱，则上都要按照内容广泛的试验大原纲进行全面的型式试验。在此，主要是要确

定在无负荷工况和有负荷工况下牵引齿轮箱的特性。由于特殊的运用条件及采用铝

合金箱体，所以还要对牵引齿轮箱做附加的低温试验。 4 1空负荷试验 .图 4未加强和已加强的牵引齿轮箱箱体的有限元计算的结构模型

空负荷试验的任务是要保证牵引齿轮

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《国外内燃机， 2 6 ) o年第4总第3期) o期( 8 8引齿轮箱的热源基本上与负荷影响无关，所

f t r s erc l eri￣ g e hes gu j

⑨

Ds n e￣

以在负荷下运转同样也可作为温

度状态的一

种评价。试验时，必须在不借助外部冷却

器的条件下尽可能保持试验温度极限值。 这样，就保证了牵引齿轮箱在今后的运用中 有足够的温度储备。齿轮箱的空负荷试验要在以后运行工

况的整个转速范围内进行。由于用于高速列车运输，以特别对该牵引齿轮箱在最高所转速时的性能进行了长时间的试验。为了验证齿轮箱的密封性，必须考虑到动车组还在弯道上运行时的横向加速度以及横向冲击时油面的波动溢出。为此，牵引齿轮箱将安装在专门的试验台上在倾斜状态下做运图 5 c形连接装置的优化步骤 ①初始的草幽设计；②优化后的结构；③适于制造的设计；④定位部位；⑤设计部位；⑥修改后的设计。

转试验 ( 6。因而，以模拟在横向加速图 )可度作用下齿轮箱中润滑油位的变化。最重

箱在各种不同的运用条件下的密封性，并保证牵引齿轮箱的所有部件都能得到适当的润滑。为牵因

要的试验准则是确定在牵引齿轮箱规定部位的温度变化以及在最大倾斜位置时迷宫密封装置的密封性。 4 2负荷试验 .

齿轮箱负荷运转试验主要用以检验齿轮副和轴承装置的承载能力以及检查齿轮齿面接触区域的状态。为此，可变的牵引齿轮箱的转速下，在既

要试验负荷恒定点的运转工况，也要试验具有变化的牵引扭矩及制动扭矩的循环运转工况。图 7示出了用于负荷试验的试验台的结构。为了尽可能地接近实际的运行工况，被试牵引齿轮箱上安装在

图 6牵引齿轮箱在倾斜状态下的无负荷试验

图 7在负荷试验台上的牵引齿轮箱

图 8准备好进行低温试验的牵引齿轮箱

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《外内机车 2 6第4总 8期)国燃 ) 0年期(第3 0 8了车轴和 C形卡箍。 4 3低温试验 . . . .为了验证在极低温度下牵引齿轮箱的

3 3

1 3 O

。

运行状态，进行了专门的低温试验。为此，, 1 0将牵引齿轮箱冷却到一2￣以下， 0C紧接着进室…

行运转试验。试验的目的是验证规定的发鼍热过程，至牵引齿轮箱达到工作温度。为至∞直 此，使牵引齿轮箱在几分

钟内加速到最高要 8 0

转速，并在这个工况点稳定运转。图 8出示 的是试验起动前的牵引齿轮箱。

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5结语对噪声和重量具有很高要求的牵引齿

图 9新型牵引齿轮箱所达到的声功率值

轮箱的开发、设计和生产，要具有渊博的需知识，别是要具有车轴牵引齿轮箱的经验。V i 特 oh t Tro司成功地利用现有的 S 8 u公 b E 30型牵引齿轮箱，达到甚至超过了对新型牵引齿轮箱所提出的要求。使高速动车组能成功地运行的基础，是对新开发的牵引齿轮箱进行了大量的无负荷运转试验和有负荷运转试验。但是，最后还要通过在动车上进行的试验及第一批批量生产的动车的现场运行提供最重要的试验数据，以证实这种牵引齿轮箱的创新设计。

最后应当指出，前述设计结构的牵引齿轮箱的

声功率值甚至比德国工程师协会 V I 1规范所 D 5 29规定的值还要低( 9。图 ) 在此要再一次指出，车动车用牵引齿轮箱曾机被误认为是一种很简单的技术，是今天对它提出但了更高的开发要求 .必须有相当数量的有经验的工程师才能实现。

译自( T )05 N42 1 26 E a 20,,— 0> O 0译者韩才元校者吴平

巴西 MR S铁路向 G E公司购买新机车巴西 MR oii SLg ta铁路向美国 G sc E公司订购了干线上严格的限界。首批 2 0台机车将在 20 06年

2台 Ds 0 a 9型新造货运内燃机车， h这是一家前巴西联邦铁路公司首次选择购买新机车。M S铁路 R还保留了另外 3 0台机车的优先购买权，后者将必须进行修改以适应在里约热内卢一贝洛奥里藏特

交付，另外 3 0台机车有可能在 20 07或 20年交 08付。如果两批机车全部成交，总交易额预汁为 J亿美元。

陈新译自 I《砌》20,N l,6 05 o0

捷克研制出 84 94型内燃动车组 1/ 1捷克 Pr N v u pr司为捷克铁路研制 as oaSm ck公 的首列 8494型部分低地板双节式内燃动车组 1/ 1下线。虽然该型内燃动车组是在 8000型轨道

1/ 1汽车基础上研制的，车辆的约 8%部分是新的。但 0 该型动车组的最大速度为 9 m h如果下一步它 0k/,的运行取得成功的话，克铁路最多将购买 10捷 3

列，总价额达 2亿捷克朗， 0而每年的交付量将达到4 0列。

苏明译自( ala aet l￣ fn1 20, ( i yGzt n maoa) 05 R w e i№ l 2。 7 7 5