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自20世紀中后期以來，客運高速、貨運重載己成為鐵路發(fā)展的趨勢。發(fā)達國家紛紛改進機車傳動系統(tǒng)，德國的AEG公司為適應高速大功率要求研制了一種整體式傳動結構，在德國稱為GEALAIF。該結構是由傳統(tǒng)結構改進而形成的一種全新的傳動形式。該結構不僅適用于高速大功率機車，也適用于中低速機車和動車。其代表車型如：BR101，120，128，145，146機車等。從使用效果來看，這種整體式傳動結構代表著當今機車傳動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。然而，我國生產(chǎn)的機車車輛仍采用傳統(tǒng)的傳動形式，性能明顯落后，這使我國鐵路運輸難以實現(xiàn)以高速重載為目標的現(xiàn)代化要求，也不利于我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。因此充分利用世界機車的先進技術，開發(fā)一種適合于我國國情的應用于高速重載機車和動車的傳動裝置，不僅是我國國產(chǎn)機車車輛適應世界發(fā)展趨勢的基礎和前提，而且對我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展也會產(chǎn)生積極的影響，下面介紹對聯(lián)軸節(jié)的有限元分析。
新型機車傳動系統(tǒng)的基本結構如圖所示。由于牽引電機和牽引齒輪箱的組合，該結構取消了轉子軸傳動側軸承蓋板，轉子通過一個無維護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，在非傳動側用滾動軸承支撐。此時電機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相比，所受力明顯減小。對于傳統(tǒng)機車牽引電機，冷卻空氣從電機的非傳動側輸入，熱的廢氣在電機的齒輪箱側排出，故承受大載荷的傳動側軸承還要承受廢氣的熱負荷。在該傳動裝置中，冷卻空氣可以從傳動側引入。這樣小齒輪軸軸承的冷卻得到改善；同時電機內(nèi)的空間加大，電機的冷卻效果也可得到明顯改善，從而可提高電機功率。
可以看到，該種結構中有一個關鍵性零件的設計需要首先突破，即彈性聯(lián)軸節(jié)的設計。只有在該零件首先確定的情況下才能對該項目進行進一步的研發(fā)，所以必須首先對彈性聯(lián)軸節(jié)進行分析和設計。這里選用有限元法進行求解，將ANSYS軟件作為計算工具，對彈性聯(lián)軸節(jié)進行參數(shù)化的幾何建模、有限元強度分析以及對彈性聯(lián)軸節(jié)的截面形狀進行優(yōu)化設計。通過簡化方法，單元確定SOLID45，使用ANSYS軟件建立參數(shù)化模型。先產(chǎn)生關鍵點、線和面，再將面分網(wǎng)，通過面網(wǎng)格SWEEP即可得到如圖所示模型。一共產(chǎn)生30215個單元和36936個節(jié)點。載荷主要有軸承3相對軸承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)點載荷及邊界條件見圖。
由于加上了角速度即加上了離心載荷，因此該計算模型表示系統(tǒng)運行時某一時刻的穩(wěn)態(tài)模型。通過ANSYS軟件計算，可得彈性聯(lián)軸節(jié)的變形云圖和應力云圖。由圖可見應力集中出現(xiàn)在彈性聯(lián)軸節(jié)的根部即軸肩過渡圓弧處。
上面是對彈性聯(lián)軸節(jié)的某時刻的穩(wěn)態(tài)強度計算，現(xiàn)在來分析在運動過程中任一時刻的應力分布情況。這種應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，整個轉子相當于一個剛體以及軸承2到彈性盤的懸臂距離較短，懸臂也可以作為剛體，又考慮到在整個系統(tǒng)旋轉的每一個時刻，系統(tǒng)的應力場是一樣分布的，即在任一時刻的應力場分布與上面計算出的應力場分布是一樣的。因此每一個節(jié)點的應力呈周期性變化，并且同一圓周上的點的應力變化曲線是一樣的。下面只對應力集中點所在圓周上的節(jié)點在運動時的每一時刻的應力、應變、變形等值的分布進行分析。通過查詢，知道節(jié)點451(坐標為x-0,y-54.02,z-76.855)處的VonMises應力為最大值71.637MPa，因此選擇該點所在圓周作為路徑，將應力、變形等值映射到該圓形路徑上，可得有關值的下列圖標曲線。圖中橫坐標L表示圓形路徑上的點與起始點(節(jié)點451)的距離，就是弧的長度。如果將弧長可以換算成旋轉角度，用旋轉角度除以角速度就可以得到時間，則下列圖標曲線實際上就表示節(jié)點451的圖標各量與時間的曲線關系，同時還表示節(jié)點451旋轉到最高點時刻整個圓周上的節(jié)點的有關量的分布情況。而要得到該圓周上的其他節(jié)點的有關量與時間的曲線關系，只需將下以上是對彈性聯(lián)軸節(jié)應力集中處在運動時的動強度分析，對于盤上的其他各點也可用類似的方法求出。
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