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自20世紀(jì)中后期以來(lái)，客運(yùn)高速、貨運(yùn)重載己成為鐵路發(fā)展的趨勢(shì)。發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛改進(jìn)機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)，德國(guó)的AEG公司為適應(yīng)高速大功率要求研制了一種整體式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在德國(guó)稱(chēng)為GEALAIF。該結(jié)構(gòu)是由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)而形成的一種全新的傳動(dòng)形式。該結(jié)構(gòu)不僅適用于高速大功率機(jī)車(chē)，也適用于中低速機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)。其代表車(chē)型如：BR101，120，128，145，146機(jī)車(chē)等。從使用效果來(lái)看，這種整體式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)代表著當(dāng)今機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。然而，我國(guó)生產(chǎn)的機(jī)車(chē)車(chē)輛仍采用傳統(tǒng)的傳動(dòng)形式，性能明顯落后，這使我國(guó)鐵路運(yùn)輸難以實(shí)現(xiàn)以高速重載為目標(biāo)的現(xiàn)代化要求，也不利于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。因此充分利用世界機(jī)車(chē)的先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一種適合于我國(guó)國(guó)情的應(yīng)用于高速重載機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)的傳動(dòng)裝置，不僅是我國(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)車(chē)車(chē)輛適應(yīng)世界發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)和前提，而且對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也會(huì)產(chǎn)生積極的影響，下面介紹對(duì)聯(lián)軸節(jié)的有限元分析。
新型機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。由于牽引電機(jī)和牽引齒輪箱的組合，該結(jié)構(gòu)取消了轉(zhuǎn)子軸傳動(dòng)側(cè)軸承蓋板，轉(zhuǎn)子通過(guò)一個(gè)無(wú)維護(hù)的易彎曲的而在圓周方向和半徑方向均為剛性的聯(lián)軸節(jié)支撐在小齒輪軸上，在非傳動(dòng)側(cè)用滾動(dòng)軸承支撐。此時(shí)電機(jī)軸只承受扭矩和自重，不承受由于齒輪嚙合作用所形成的彎矩。與采用懸臂支撐小齒輪的電機(jī)相比，所受力明顯減小。對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)車(chē)牽引電機(jī)，冷卻空氣從電機(jī)的非傳動(dòng)側(cè)輸入，熱的廢氣在電機(jī)的齒輪箱側(cè)排出，故承受大載荷的傳動(dòng)側(cè)軸承還要承受廢氣的熱負(fù)荷。在該傳動(dòng)裝置中，冷卻空氣可以從傳動(dòng)側(cè)引入。這樣小齒輪軸軸承的冷卻得到改善；同時(shí)電機(jī)內(nèi)的空間加大，電機(jī)的冷卻效果也可得到明顯改善，從而可提高電機(jī)功率。
可以看到，該種結(jié)構(gòu)中有一個(gè)關(guān)鍵性零件的設(shè)計(jì)需要首先突破，即彈性聯(lián)軸節(jié)的設(shè)計(jì)。只有在該零件首先確定的情況下才能對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)，所以必須首先對(duì)彈性聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。這里選用有限元法進(jìn)行求解，將ANSYS軟件作為計(jì)算工具，對(duì)彈性聯(lián)軸節(jié)進(jìn)行參數(shù)化的幾何建模、有限元強(qiáng)度分析以及對(duì)彈性聯(lián)軸節(jié)的截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)簡(jiǎn)化方法，單元確定SOLID45，使用ANSYS軟件建立參數(shù)化模型。先產(chǎn)生關(guān)鍵點(diǎn)、線和面，再將面分網(wǎng)，通過(guò)面網(wǎng)格SWEEP即可得到如圖所示模型。一共產(chǎn)生30215個(gè)單元和36936個(gè)節(jié)點(diǎn)。載荷主要有軸承3相對(duì)軸承2的軸線偏移(即位移載荷)、系統(tǒng)的重力、扭矩、離心載荷。節(jié)點(diǎn)載荷及邊界條件見(jiàn)圖。
由于加上了角速度即加上了離心載荷，因此該計(jì)算模型表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)某一時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)模型。通過(guò)ANSYS軟件計(jì)算，可得彈性聯(lián)軸節(jié)的變形云圖和應(yīng)力云圖。由圖可見(jiàn)應(yīng)力集中出現(xiàn)在彈性聯(lián)軸節(jié)的根部即軸肩過(guò)渡圓弧處。
上面是對(duì)彈性聯(lián)軸節(jié)的某時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度計(jì)算，現(xiàn)在來(lái)分析在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任一時(shí)刻的應(yīng)力分布情況。這種應(yīng)力分布情況是在給定的條件下的理想情況，既考慮到軸承3為調(diào)心軸承，整個(gè)轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一個(gè)剛體以及軸承2到彈性盤(pán)的懸臂距離較短，懸臂也可以作為剛體，又考慮到在整個(gè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的每一個(gè)時(shí)刻，系統(tǒng)的應(yīng)力場(chǎng)是一樣分布的，即在任一時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)分布與上面計(jì)算出的應(yīng)力場(chǎng)分布是一樣的。因此每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力呈周期性變化，并且同一圓周上的點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線是一樣的。下面只對(duì)應(yīng)力集中點(diǎn)所在圓周上的節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)時(shí)的每一時(shí)刻的應(yīng)力、應(yīng)變、變形等值的分布進(jìn)行分析。通過(guò)查詢(xún)，知道節(jié)點(diǎn)451(坐標(biāo)為x-0,y-54.02,z-76.855)處的VonMises應(yīng)力為最大值71.637MPa，因此選擇該點(diǎn)所在圓周作為路徑，將應(yīng)力、變形等值映射到該圓形路徑上，可得有關(guān)值的下列圖標(biāo)曲線。圖中橫坐標(biāo)L表示圓形路徑上的點(diǎn)與起始點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)451)的距離，就是弧的長(zhǎng)度。如果將弧長(zhǎng)可以換算成旋轉(zhuǎn)角度，用旋轉(zhuǎn)角度除以角速度就可以得到時(shí)間，則下列圖標(biāo)曲線實(shí)際上就表示節(jié)點(diǎn)451的圖標(biāo)各量與時(shí)間的曲線關(guān)系，同時(shí)還表示節(jié)點(diǎn)451旋轉(zhuǎn)到最高點(diǎn)時(shí)刻整個(gè)圓周上的節(jié)點(diǎn)的有關(guān)量的分布情況。而要得到該圓周上的其他節(jié)點(diǎn)的有關(guān)量與時(shí)間的曲線關(guān)系，只需將下以上是對(duì)彈性聯(lián)軸節(jié)應(yīng)力集中處在運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)強(qiáng)度分析，對(duì)于盤(pán)上的其他各點(diǎn)也可用類(lèi)似的方法求出。
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