120Km/h重型轨道车车轴齿轮箱选型设计与制造
王勇涛1
（南车洛阳机车有限公司, 洛阳 河南 471002）
摘 要：二级车轴齿轮箱由一对锥齿轮及一对圆柱齿轮构成，先锥齿轮后圆柱齿轮和先圆柱齿轮后锥齿轮均能将万向轴的功率经过90°的改变传递给机车轮对。从车轴齿轮箱结构、锥齿轮转速、锥齿轮扭矩、系统传动的平稳性等方面阐述了120Km/h重型轨道车轴齿轮箱的选型。指出先圆柱齿轮后锥齿轮型车轴齿轮箱是120Km/h重型轨道车更好的选择，并介绍了该型车轴齿轮箱的设计。
关键词：锥齿轮 平稳性 转速 设计 选型
中图分类号： 文献标识码：
the type selection design and manufacture of the optimal
configuration of wheelset of the 120Km/h heavy-duty vehicle
Wang Yong Tao
（CSR Luoyang Locomotive Cop. Ltd. ,luoyang henan china,471002 china）
Abstract: A second-level wheelset gear box is consisted of a pair of bevel gears at first
level and a pair of cylindrical gears at second level or vice versa, that is, first level is cylindrical
gears and then second level bevel gears, which transmit the power from cardan shaft's through a
change of 90° to the wheel of locomotive. The structure design of wheelset for the 120Km/h
heavy-duty vehicle is formulated in this article from the aspects of the structure of gear box body,
1 王勇涛（1983.10--），男，河南濮阳人，助理工程师 calculation method of rotational speed and transfer torque of bevel gears, system transmission's
stability and so on. And pointed out that the optimal configuration of wheelset of the 120Km/h
heavy-duty vehicle is that cylindrical gears is at first level and then bevel gear at second level and
introduced the consideration in design of this wheelset gear box's.
key word: Bevel gear Stability Rotational speed Design Type selection
1.前言
随着我国铁路《中长期铁路网规划》的逐步实施，高速、重载已成为我国铁路发展的主要特点。运输条件的变化加剧了轨道结构形式的变化，使线路运输和维修的矛盾愈加突出，因此只有开发研制适合于牵引的高速重型轨道车，才能缩短天窗时间并保证线路维修作业的需求，提高线路维修质量和施工效率。
在综合分析铁路发展的相关政策、市场产品结构和本公司的实际情况，我们决定研制120km/h高速重型轨道车，车轴齿轮箱选型及设计也随之提上议程。
先圆柱齿轮后圆锥齿轮型二级车轴齿轮箱和先圆锥齿轮后圆柱齿轮型二级车轴齿轮箱均能将液力传动箱输出扭矩经过90°改变传递给机车轮对，这两种结构的车轴齿轮箱在机车上都有采用。
先锥齿轮后圆柱齿轮型二级车轴齿轮箱锥齿轮转速高，扭矩较小，可以有效地提高锥齿轮的使用寿命。此外，该型车轴齿轮箱还可以有效地减小锥齿轮受到来自车轮与钢轨的冲击的影响。该型车轴齿轮箱结构成熟、可靠，在NY6、NY7型液力传动内燃机车中运用情况良好，性能稳定。
先圆柱齿轮后圆锥齿轮型二级车轴齿轮箱锥齿轮转速低，扭矩较大，因此锥齿轮的加工精度和齿面粗糙度要求较低，在锥齿轮工艺质量得不到保证的情况下，仍能有良好的传动平稳性。该型车轴齿轮箱在北京型内燃机车中应用已久，反应良好。
2008年底，先圆柱齿轮后圆锥齿轮型车轴齿轮箱的设计方案通过评审，2009年4月完成了该型车轴齿轮箱的设计。下面对该型车抽齿轮箱的选型及设计作以介绍。 2.先圆锥齿轮后圆柱齿轮型车轴齿轮箱和先圆柱齿轮后圆锥齿轮型车轴齿轮箱结构性能比较
2.1.1先圆锥齿轮后圆柱齿轮型车轴齿轮箱
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先圆锥齿轮后圆柱齿轮型车轴齿轮箱示意图
1——轮对； 2——车轴齿轮箱； 3——液力传动箱
先圆锥齿轮后圆柱齿轮型车轴齿轮箱将液力传动箱输出扭矩经过万向轴输入车轴齿轮箱第一轴，第一轴锥齿轮与第二轴锥齿轮啮合，将第一轴功率经过90°改变传递给第二轴，第二轴直齿轮与第三轴直齿轮啮合，将第二轴功率传递给第三轴，即传递给轮对驱动轴，从而驱动轮对运转。
2.1.2先圆柱齿轮后圆锥齿轮型车轴齿轮箱
123 先圆柱齿轮后圆锥齿轮型车轴齿轮箱示意图
1——轮对； 2——车轴齿轮箱； 3——液力传动箱
先圆柱齿轮后圆锥齿轮型车轴齿轮箱将液力传动箱输出扭矩经过万向轴输入车轴齿轮箱第一轴，第一轴圆柱齿轮与第二轴圆柱齿轮啮合，将第一轴功率传递给第二轴，第二轴圆锥齿轮与第三轴圆锥齿轮啮合，将第二轴功率经过90°改变传递给第三轴，即传递给轮对驱动轴，从而驱动轮对运转。
2.2结构比较
先圆柱齿轮后锥齿轮车轴齿轮箱锥齿轮直接落座于轮对车轴上，锥齿轮会直接受到车轮与钢轨的冲击影响；而先锥齿轮后圆柱齿轮车轴齿轮箱锥齿轮落座于与液力传动箱输出端连接的轴上，这样就可以减小锥齿轮受到车轮与钢轨冲击的影响。由于锥齿轮对工作条件比较敏感，因此，从结构上来说先锥齿轮后圆柱齿轮型车轴齿轮箱较优。
2.3性能比较
圆柱齿轮用于平行轴传动，齿轮啮合与退出时沿着齿宽同时进行，容易产生冲击，振动和噪音，因此圆柱齿轮一般用在传动负荷不大与稳定性要求不高的机械中，（一般模数都不超过4）。120Km/h重型轨道车主要用于铁道维护，牵引载荷较小，两种车轴齿轮箱都可以满足要求。
按照选型液力传动箱输出转速与重型轨道车速度得出：车轴齿轮箱的减速比大致为3.0，在60Km/h、90Km/h、120Km/h运行过程中，圆锥齿轮的转速：
先圆柱齿轮后锥齿轮
第三轴锥齿轮转速380rpm568rpm758rpm液力传动箱输出转速1102rpm1650rpm2200rpm重型轨道车速度60Km/h90Km/h120Km/h先锥齿轮后圆柱齿轮
液力传动箱输出转速1102rpm1650rpm2200rpm重型轨道车速度60Km/h90Km/h120Km/h第一轴锥齿轮转速1102rpm1650rpm2200rpm
由上表可知，当重型轨道车运行速度达到120Km/h时，先锥齿轮后圆柱齿轮第一轴锥齿轮转速达到了2200rpm，因此锥齿轮的加工精度和齿面粗糙度要求都非常高，结合所处环境的加工能力，这些都难以得到保证，锥齿轮加工质量得不到保证，就会影响传动的平稳性，带来较大的附加载荷。一方面损害锥齿轮，减少锥齿轮的使用寿命，另一方面也影响了机车性能。
2.4 小结
（1）从实现作用上比较，先圆柱齿轮后锥齿轮型车轴齿轮箱和先锥齿轮后圆柱齿轮型车轴齿轮箱均能将液力传动箱的功率经过90°改变传递给机车车轴。
（2）从结构上来讲，先锥齿轮后圆柱齿轮型车轴齿轮箱能够更好地减少锥齿轮受到的冲击，提高锥齿轮使用寿命。
（3）从性能上比较，先锥齿轮后圆柱齿轮型车轴齿轮箱由于锥齿轮转速高，锥齿轮加工精度和齿面粗糙度要求高，在加工质量无法达到的情况下，会影响传动的平稳性，产生附加载荷，极大的损坏齿轮。因此，先圆柱齿轮后锥齿轮型车轴齿轮箱较优。
综上所述，先圆柱齿轮后锥齿轮更适合本次120Km/h重型轨道车的设计。
3.先圆柱齿轮后锥齿轮型车轴齿轮箱设计
（1）第一轴设计：
14567231——法兰； 2——轴； 3——滚动轴承; 4——齿轮； 5——滚动轴承;6——端盖； 7——压盖。
轴承选配,内圈与轴过盈 0.03～0.05；轴承外圈与箱体的间隙小于0.005,过盈小于0.01，轴与油封配合过盈不小于0.015. 轴承选用加热组装,加热温度不大于120℃.法兰与直齿轮都采用油压压装，法兰通过联轴节与万向轴一端连接，作为纽带将液力传动箱的输出功率通过万向轴传递给轴；此轴上的直齿轮与第二轴上的直齿轮啮合，又将第一轴上的功率传递给第二轴，从而驱动第二轴转动。
（2）第二轴设计：
21345671——垫； 2——轴承; 3——螺旋伞齿轮；4——轴； 5——轴承； 6——轴承;
7——法兰。
轴承选配时，轴承内圈与轴的过盈为0.02～0.05,轴承外圈与孔的过盈及间隙均小于0.015。轴承选用加热组装，加热温度不大于120℃。直齿轮、螺旋伞齿轮与法兰采用油压压装，第一轴直齿轮分度圆直径Φ238.103mm，第二轴直齿轮分度圆直径Φ418.719mm，减速比i=418.719/238.103≈1.759；第二轴螺旋伞齿轮与第三轴螺旋伞齿轮啮合，将第二轴部分功率传递给第三轴，驱动第三轴转动；第二轴法兰通过联轴节与万向轴连接，又将第二轴部分功率传递给一级车轴齿轮箱。
（3）第三轴设计： 1234165 1——轴承； 2——螺旋伞齿轮； 3——轴； 4——油泵齿轮； 5——轴承; 6——紧圈。
轴承内圈与轴的过盈0.03～0.06，轴承外圈与孔配合的间隙0.01～过盈0.03；轴承选用加热组装，加热温度不大于120°C；螺旋伞齿轮选用加热组装，加热温度不超过180°C，然后进行不小于75t反压试验。第二轴螺旋伞齿轮分度圆直径Φ312mm，第三轴分度圆直径Φ516mm，减速比i=516/312≈1.65,第三轴即为机车驱动轴，直接驱动机车行走。
（4）润滑系统设计
润滑系统设计思路：
8---------------------------圆锥齿轮副9----------------------------油泵齿轮副1经下箱油路.节流堵12------------车轴32140轴承7经下箱油路.中箱油路.上箱油路-----------圆柱齿轮副6经下箱油路.中箱油路.上箱油路--------一轴32222轴承5经下箱油路.中箱油路------一轴32222轴承.176222轴承4经下箱油路.堵12---------------二轴32616轴承3经下箱油路-----------二轴32226轴承.176226轴承2经下箱油路-----------车轴32140轴承.176140轴承油底壳管路齿轮泵滤清器润滑系统油浴润滑: