《简述一种适用于城轨车辆的新型弹性联轴器》
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摘 要 弹性联轴器是被应用于城轨交通列车上,是列车传动系统中重要的功能部件,连接于牵引电机与齿轮箱之间,负责传递电机扭矩到齿轮箱,同时补偿传递过程中产生的轴向及径向位移.目前城轨车辆上配套使用的联轴器主要为鼓形齿式联轴器,该类型联轴器全部由国外供应商提供.从国内的市场发展来看,从很多方面受制于进口产品;而且鼓形齿联轴器存在一定的缺陷.因此针对现有鼓形齿联轴器存在的问题,研制设计一种新型结构的弹性联轴器,使其解决噪音大、成本高,并且拥有缓冲减振和免维护的特点;从而打破国外技术垄断,实现联轴器完全自主化的知识产权.
关键词 弹性联轴器;鼓形齿联轴器;弹性件;纤维线绳;变形原理;缓冲减振
1国内外铁路联轴器研究发展现状
目前我国联轴器的分类按类别分为：刚性联轴器、挠性联轴器、安全联轴器.其各种联轴器在传动系统中的功能和作用不尽相同,但共同的基本功能为连接两轴、传递转矩和转速.国外对鼓形齿联轴器的研究工作开展较早,该联轴器属于刚性联轴器.1950年研发使用至今,加工工艺精良,整体设计趋于完善.目前投入使用的鼓形齿式联轴器多为标准系列化产品,且具有较大可调整摆角、密封可靠等优点,润滑处理采用新型高级润滑油;具有齿向三段圆弧设计及内外齿的小侧隙设计、噪音小、位移量大、使用寿命长等特点,鼓形齿式联轴器在欧洲、美国、日本等工业发达国家及地区研究发展已相当成熟[1].
在铁路行业,国外较早投入应用鼓形齿式联轴器.性能优良的鼓形齿联轴器对于设计方法、生产加工、检测技术等具有更高的要求,且需要不断完善和提高,目前国内轨道交通使用的主要品牌：德国的Flender鼓形齿联轴器,日本的日本住友金属、日本三菱电机的鼓形齿联轴器,德国KWD的鼓形齿联轴器,布鲁塞尔的ESCO鼓形齿联轴器.上述公司生产的鼓形齿式联轴器都具有较高可靠性,设计合理,工艺成熟,应用广泛.
国内市场上的铁路车辆源于国外技术的引进、技术转让、消化、吸收,因此也沿用了其原有的形式.即同国外选用相同的厂家,采用进口产品.如高铁、动车、地铁、有轨电车等车辆也均采用鼓形齿式联轴器,约占比90%以上.甚至原有的膜片式的联轴器都在逐步被替换.目前生产的轨道车辆联轴器主要有三种形式,一种是日本住友金属日本三菱电机的设计,采用的是橡胶结构的动密封;第二种是Flender和ESCO的设计,采用的是橡胶与金属环结构的动密封;第三种是KWD的设计,采用的是波纹管的静密封.但目前国产轨道车辆使用以上结构的鼓形齿联轴器具有一些短板,例如：振动噪音大,维护保养困难,成本较高以及近些年出现的漏油事故等问题.
2新型弹性联轴器的设计与分析
2.1 弹性联轴器
根据目前城轨车辆提出的综合要求,联轴器除连接两轴、传递转矩或转速之外,还要求具有补偿两轴相对偏移、减振、缓冲、提高传动效率、提高传动精度、降低噪声、节能、改善传动系统工作性能,并要求联轴器结构简单、工艺性好、可靠性高、便于制造、低、维护方便、装拆容易等.针对这些特点专门研究设计了一款新型弹性联轴器（如图1）,在城轨车辆上替代国外鼓形齿联轴器,实现轨道交通车辆联轴器的国产化目标[2].
该弹性联轴器采用橡胶体作为补偿偏移的功能件,创新利用纤维线圈为骨架来传递扭矩,实现免维护、噪音小、成本低、不污染环境的要求,满足高速、重载、大变位的运行环境,也实现联轴器技术的完全自主化研制.该新型弹性联轴器整体上分为两个部分,一半联轴器通过锥轴压装的方式安装在电机输出轴上,另一半联轴器通过锥轴压装的方式安装在齿轮箱输入轴上（图2）,两半联轴器通过中间法兰用螺栓连接.
2.2 弹性件的设计与分析
弹性件用的是正六边形的对称结构（如图3）.采用六个金属挡边套筒和六个尼龙线圈组合成正六边形的弹性骨架（如图4）,然后在骨架包裹天然橡膠而成.
弹性件变形的原理：由下图5可知,弹性件的1、3、5三个点与一侧的电机法兰（或齿轮箱法兰）固定连接,而2、4、6三个点与另一侧的中间法兰固定连接.假定本图纸平面由Y轴和Z轴构成,X轴则是垂直于纸面的方向.这6个点在X、Y、Z方向都有自由度,那么1、3、5三点确定的平面（红色三角平面）与2、4、6三点确定的平面（黑色三角平面）能在X轴方向发生相对位移,即轴向位移;也能在Y轴和Z轴构成的平面内发生相对位移,即径向位移.
缓冲减震的设计原理：缓冲是指在旋转扭矩方向的缓冲,由于弹性件骨架是由纤维线圈组成.纤维线圈具有很强的拉伸能力,因此在扭矩加载时,纤维线圈承受的拉力是缓慢累加上去的.从而使得列车在启动和制动时的扭矩不会突然增加,相比使用鼓形齿这种刚性联轴器乘客的舒适度会有大幅度提升.减振是因为弹性件在X、Y、Z方向承受冲击载荷时,橡胶具有弹性减震的效果[3].
2.3 弹性纤维线绳的材料
纤维线绳作为弹性件的骨架材料必须具备一定的物理机械性能,需要具备耐冲击、抗疲劳、高强度、密度小以及良好的尺寸稳定性,目前工业上广泛应用的尼龙6为基材的纤维复合线绳,具有以下几种突出性能：①很高的机械强度,韧性好,有较高的抗拉、抗压强度.②耐疲劳性能突出,制件经多次反复拉伸仍能保持原有机械强度.③耐腐蚀,十分耐碱和大多数盐液,还耐弱酸、机油、汽油,耐芳烃类化合物和一般溶剂,对芳香族化合物呈惰性.能抵御汽油、油、脂肪、酒精、弱堿等的侵蚀和有很好的抗老化能力.④优良的电气性能.电绝缘性好,尼龙的体积电阻很高,耐击穿电压高,在干燥环境下,可作为绝缘材料,即使在高湿环境下仍具有较好的电绝缘性.⑤耐磨、耐热、尺寸稳定性好;⑥与橡胶弹性体有良好的黏合性;经过反复测试后,最终选择尼龙6作为纤维骨架的材料.
2.4 弹性纤维线绳的浸胶和绕线工艺
由于线绳与橡胶材料的不同极性,其本身很难结合牢固,为保证线绳在橡胶内部的稳定性,预先需要在线绳表面涂覆一层胶液;通过研发的全自动纤维线绳涂胶设备（如图6）.利用该设备可以在线绳表面均匀涂覆一层胶液,在橡胶硫化过程中可以与橡胶牢固地结合在一起,提供很高的抽出粘合力.
纖维线圈的工艺是通过特种自动绕线设备绕制而成,采用滚珠丝杆作为机械传动系统,配合气动系统、变频调速系统及交流伺服系统,由工业用可编程控制器综合控制,自动完成整个线圈的绕制过程.所绕制的线圈排列整齐、紧密.通过磁粉张力器,使线绳绕制时张力均匀保证了线圈工作时受力均匀[4].
2.5 金属件的设计
整个新型弹性联轴器主要有三大金属结构件（如图7）：齿轮箱侧法兰-1,电机侧法兰-2,中间法兰-3;三大金属结构都采用的是正三边形的对称结构.材质选择的是42CrMo合金结构钢,选择这种材料的优点：①调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击载荷的能力;②由于轨道交通车辆有在低温环境下使用的需要,而42CrMo具有很不错的低温冲击韧性.
齿轮箱侧法兰和电机侧法兰的一端都是通过锥度过盈与轴连接,另一端是三个Φ20孔与金属套筒-4形成过盈配合.三大金属件与橡胶弹性件的连接都是通过三个M14的六角螺栓与其紧固的.而M14的螺栓与金属套筒-4是间隙配合,所以螺栓只起到连接作用,不承受圆周方向的弯矩,而是由金属套筒-4来承受.这样设计的优点：①防止螺栓变形,导致弹性件的安装、拆卸困难;②由于M14螺栓与金属套筒-4是间隙配合就不会承受变形过程中的交变应力,从而防止螺栓松动失效[5].
3结束语
对比于目前城轨车辆上一直采用的鼓形齿联轴器,该新型弹性联轴器解决了噪音大、成本高等问题,并具有缓冲减振和免维护的特点;并且各项设计指标均符合轨道交通车辆用联轴器的要求.相信该弹性联轴器能很好的应用于轨道交通市场,并为联轴器的国产化提供一分力量.
参考文献
[1] 文斌.联轴器设计选用手册[M].北京：机械工业出版社,2008：59.
[2] 石明友.高速列车联轴器开发与研究[D].镇江：江苏科技大学,2012.
[3] 鼓形齿式联轴器的选用及计算：JBZQ 4381-2006[S].北京：中国标准出版社,2006.
[4] 产品几何量技术规范 圆锥配合：GB T 12360-2005[S].北京：中国标准出版社,2005.
[5] 钮海彦.国内外机道车辆鼓形齿式联轴节对比分析[J].机车车辆工艺,2009（2）：44-46.
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联轴器和弹性引用文献:
[1] 联轴器和弹性论文参考文献范文 联轴器和弹性相关硕士学位论文范文5000字
[2] 联轴器和数码本科毕业论文范文 关于联轴器和数码类毕业论文开题报告范文2000字
[3] 联轴器和数码论文范例 联轴器和数码类硕士论文范文2000字
