CN105927734A - 一种车轴齿轮箱用高低速转换离合操纵机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车轴齿轮箱用高低速转换离合操纵机构，所述车轴齿轮箱包括：一端设置圆柱齿轮，另一端设置锥齿轮的中间轴；所述圆柱齿轮与平行于所述中间轴的输入轴上的圆柱齿轮分别垂直于所述中间轴和所述输入轴轴线，且两所述圆柱齿轮相啮合；所述锥齿轮与垂直于所述中间轴的车轴上的被动锥齿轮啮合；所述离合操纵机构的操纵动力输入部分与所述输入轴连接；所述离合器操纵回转中心的轴向一侧设有所述换挡拨叉、垂直于所述轴线方向上依次设置有自锁结构和所述操纵动力输入部分。本发明提供的技术方案采用成熟的机械连杆结构和离合结构，有限空间内实现了具有自锁功能的离合操纵机构。

Description

一种车轴齿轮箱用高低速转换离合操纵机构

技术领域

本发明涉及铁路作业机车车轴齿轮箱专用高低速转换和低速动力接入领域，具体讲涉及一种车轴齿轮箱用高低速转换离合操纵机构。

背景技术

铁路作业机车实现快速移动和低速稳定运行作业是实现其作业功能的两个必备条件。在技术方案上，通常采用在机车的终传动——车轴齿轮箱的输入部位分别接入高速动力源和低速动力源的方案来实现。在实际运行中，为了保护不在进行动力输入的动力源，需要采用离合操纵机构进行动力源输入中断的切换。高速动力源切换的离合器装置，一般采用变速箱自带的离合装置；而低速动力源切换的离合器装置，则需匹配车轴齿轮箱的实现形式。

车轴齿轮箱作为轨道车传动系统的最后一个总成，位于轨道车两轮对之间的车轴上。车轴齿轮箱主要由上箱体、下箱体、前箱体、锥齿轮和圆柱齿轮等组成，车轴齿轮箱将传递过来的动力改变90°，并将输入扭矩放大、转速降低，驱动轮对，使轨道车行驶。为了匹配合理转速和扭矩，车轴齿轮箱一般采用两级传动，即一级圆柱齿轮传动，一级螺旋锥齿轮传动。在低速动力源切换的离合器布置上，通常把离合器和动力源布置在机车转向架上，然后通过传动轴与车轴齿轮箱连接进行动力传递。为了节约成本、实现轻量化设计，整机提出在车轴齿轮箱上集成低速动力源切换离合器、操纵及自锁装置，但是，由于车轴齿轮箱用于实现该结构的空间十分有限。在有限空间内实现具有自锁功能的离合操纵机构，是改进上述技术的关键。

为满足现有技术的发展，需要一种新的操纵机构实现铁路机车低速动力源切换功能。

发明内容

为满足现有技术的需要，在有限空间实现具有自锁功能的离合操纵机构，本发明提供一种车轴齿轮箱用高低速转换离合操纵机构。

本发明提供的车轴齿轮箱用高低速转换离合操纵机构，所述车轴齿轮箱包括：一端设置圆柱齿轮，另一端设置锥齿轮的中间轴；所述圆柱齿轮与平行于所述中间轴的输入轴上的圆柱齿轮分别垂直于所述中间轴和所述输入轴轴线，且两所述圆柱齿轮相啮合；所述锥齿轮与垂直于所述中间轴的车轴上的被动锥齿轮啮合；所述离合操纵机构的操纵动力输入部分与所述输入轴连接；其改进之处在于，所述离合操纵机构包括花键轴和离合操纵回转中心、换挡拨叉、自锁结构、所述操纵动力输入部分；

所述离合器操纵回转中心的轴向一侧设有所述换挡拨叉、垂直于所述轴线方向上依次设置有自锁结构和所述操纵动力输入部分；

所述换挡拨叉与所述自锁结果相邻设置。

进一步的，所述换挡拨叉包括一端与所述离合器操纵回转中心轴向垂直连接的、另一端与滑块连接的连杆。

进一步的，所述自锁结构包括轴向平行设置的离合操纵回转中心、拉杆中心和转臂中心；连接所述离合操纵回转中心和所述拉杆中心的连杆上设有弹簧。

进一步的，所述操纵动力输入部分包括一端与所述操纵回转中心轴向垂直连接的、另一端与拉杆中心连接的拉杆和与拉杆平行设置的汽缸。

进一步的，所述花键轴包括依次设置在花键轴外侧的轴承、换挡齿套和齿套；所述换挡齿套和所述齿套中间设有端面齿；所述换挡齿套的纵剖面上有凹槽。

进一步的，所述换挡齿套在换挡过程中，通过施加在齿套外部环槽端面的轴向力沿花键轴轴向移动；所述换挡齿套通过端面齿与齿套实现动力接入与分离。

进一步的，所述花键轴为刚性旋转轴；所述花键轴用淬火处理，表面硬度为45-50HRC的钢材料，其由按质量百分数计的下述组份制得：C：0.37～0.44；Si:0.17～0.37；Mn:0.5～0.8；Cr：0.8～1.10；Ni≤0.3；P≤0.035；S≤0.035；Cu≤0.03。

进一步的，所述换挡拨叉用淬火处理且表面强度为38-45HRC的钢材料，其由按质量百分数计的下述组份制得：C：0.32～0.4；Si：0.17～0.37；Mn:0.5～0.8；Cr≤0.25；Ni≤0.25；P≤0.035；S≤0.035；Cu≤0.25。

与最接近的现有技术比，本发明具有以下优异效果：

1、本发明提供的车轴齿轮箱专用高低速转换离合操纵机构采用成熟的机械连杆结构和离合结构，在实现整机功能需求的同时，提高了产品的可靠性和经济性，同时也为整机的轻量化做出了贡献。

2、本发明提供的技术方案采用多连杆滑块机构实现离合器的操纵及自锁，采用矩形花键和端面齿的结构实现动力传递的离合功能，解决在狭小空间中具有自锁功能的离合及操纵实现的难题。

附图说明

图1为本发明中的车轴齿轮箱示意图；

图2为本发明提供的高低速转换离合操纵机构示意图；

图3为本发明提供的离合器动力传递结构示意图；

图4为本发明提供的换挡拨叉动作原理图；

图5为本发明提供的自锁结构原理图；

图6为本发明提供的操纵动力输入原理图；

其中，1-1：车轴齿轮箱；1-2：输入轴；1-3：轴承；1-4：被动圆柱齿轮；1-5：中间轴；1-6：车轴；1-花键轴；2-轴承；3-换挡齿套；4-齿套；5-端面齿；I-离合操纵回转中心；II-操纵动力输入部分；III-换挡拨叉部分；V-自锁结构。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和附图说明，对本发明提供的技术方案作清楚详细的描述。

本发明提供的适用于车轴齿轮箱低速动力源切换具有自锁功能的离合及操纵结构，用小径定心的矩形花键作为离合移动的导轨，确保离合齿部位在离合过程中的同心，为实现可靠离合提供位置保障，采用端面齿及合理的操纵逻辑，实现100％成功操纵离合的功能；采用四连杆滑块和弹簧复位的结构实现离合器自锁功能；采用多连杆滑块和汽缸动力源的结构实现离合器的操纵；通过高低速转换离合操纵机构解决了在狭小空间内离合的自锁、操纵及操纵离合成功性的难题，满足低速动力源操纵切换的需求。

如图1所述的车轴齿轮箱示意图，所述车轴齿轮箱包括：一端设置圆柱齿轮，另一端设置锥齿轮的中间轴1-5；所述圆柱齿轮与平行于所述中间轴的输入轴1-2上的被动圆柱齿轮1-4分别垂直于所述中间轴和所述输入轴轴线，且两所述圆柱齿轮相啮合；所述锥齿轮与垂直于所述中间轴的车轴1-6上的被动锥齿轮啮合；车轴齿轮箱的输入轴由轴承1-3固定于车轴齿轮箱1-1上，所述离合操纵机构的操纵动力输入部分与所述输入轴连接；

如图2所示的高低速转换离合器操纵结构示意图，离合器的操纵实现可分为换挡拨叉部分III、自锁结构V、操纵动力输入部分II和离合操纵回转中心I，其中换挡拨叉部分、自锁结构和操纵动力输入部分通过花键轴1实现动力传递和动作同步，如图3所示的离合器动力传递结构示意图，在动力传递形式上，动力通过花键传递至通过轴承2固定在上箱体的花键轴1；换挡齿套3通过矩形花键获取马达动力，换挡齿套3通过换挡齿套3的端面齿5实现与齿套4的动力接入与分离。

换挡齿套3为换挡过程中的移动部件，在换挡过程中，通过施加在齿套外部环槽端面的轴向力，沿花键轴1轴向移动，实现动力接入和分离。

在结构上，通过矩形花键的小径定心，齿套本身的重心坐标在零件轴线的中点附近，保证在离合操纵过程中重心始终在花键的支撑面上，保证离合操纵过程中平稳可靠移动。

图2所示的高低速转换离合器操纵结构的具体结构为：

(1)换挡拨叉部分；

操纵动力源传递过来的操纵力，通过换挡拨叉和换挡滑块施加到动力传递的齿套上，实现离合器的动力接入和分离功能。

如图4所示的换挡拨叉动作原理图，换挡拨叉采用了连杆滑块机构，采用连杆转轴作为动力源输入，通过滑块实现动力输出。

实施例1中，在离合器操纵中心到滑块中心的距离为100单位数时，换挡拨叉带动滑块及齿套左右移动，滑块左右移动的距离为10和5.5单位数，实现离合器的结合和分离。

此处换挡拨叉阻力主要来源于齿套和花键轴相对滑动摩擦助力，由于齿套和花键套之间采用小间隙配合，通过齿套所受到的重力及齿套和花键轴之间摩擦系数，计算出两者之间的摩擦力，通过离合器操纵中心到滑块中心的距离，计算出摩擦力矩。

(2)自锁结构；

用于实现操纵结构在完成换挡动作后，通过自身的自锁结构，实现换挡后的状态固定不变。

如图5所示的自锁结构原理图，自锁结构采用了四连杆滑块机构，左下连杆连接离合器操纵回转中心和拉杆中心，右上拉杆连接拉杆中心和转臂中心，采用左下连杆作为动力输入，右上连杆为从动杆件，在离合器操纵回转中心和拉杆之间通过滑块连接，在滑块中间通过给定弹簧实现两杆件之间始终存在向外的推力，通过在拉臂处设定左右方向的角度，可以限制离合器结合和分离的距离。

在实施例1中，拉杆中心和转臂中心的距离为40，拉杆中心和离合器操纵回转轴中心的距离为114，由此可以计算自锁结构产生的力矩，在起始位置和终止位置均有自锁作用。

(3)操纵动力输入；

实现操纵动力的引入，改变动力传递形式。

如图6所示的操纵动力输入原理图中，操纵动力输入采用了滑块连杆机构，采用气缸作为动力源输入，通过滑块推动连杆，带动离合器操纵回转中心左右转动，从而实现水平方向的动力转换为连杆的转轴角位移。

在实施例1中，气缸和滑块平行，气缸和离合器操纵回转中心的距离为32，离合器操纵回转中心转过的角度：左边为1.76，右边为3.1944。

本发明提供的技术方案实现高低速转换离合操纵的具体步骤包括；

1)根据经验估算离合器及各操纵部件的动作阻力；

离合器及各操纵部件实现结合分离动作的动作阻力主要来源于齿套和花键套相对滑动摩擦阻力。由齿套的结构模型计算可知，齿套的重量为2.93kg，则其承受的重力为28.7N。齿套和花键套之间采用小间隙配合，且有润滑油存在，两者的摩擦系数为0.1，则在操纵过程中，摩擦阻力为2.87N。

换挡拨叉回转中心到滑块中心的距离为100mm，考虑到换挡时转角比较小，不计转角带来的受力变化，则需要操纵能够实现动作基本起始扭矩约为0.3Nm。

2)根据结构回位及车载工况，确定自锁弹簧力；

自锁结构产生的阻力主要来自自锁弹簧，考虑到换挡时转角比较小，近似采用弹簧力与转角之间的正切值作为平衡阻力计算。

最大转角与拨叉的最大转角相同，换挡拨叉水平方向最大距离为10，换挡拨叉与回转中心的距离为100，其正切值为10/100＝0.1，设定自锁弹簧的弹簧力为：400N。产生自锁两回转中心距离为：114mm。

则，自锁结构产生的阻力扭矩为：4.6Nm。

3)根据操纵阻力和自锁弹簧力的作用，计算操纵气缸所需产生的推力，并根据整车气源的能力选定操纵气缸；

①除了上节计算阻力外，气缸到操纵转轴之间有多个滑动和转动机构，这些机构均会产生助力，而这些阻力随着汽缸作用力的变化而会发生一定的变化。

根据经验，初步估计此部分的阻力扭矩为5Nm。

同时考虑上节计算所得阻力扭矩5Nm，则气缸所需平衡的阻力扭矩为10Nm。

②最小气缸推力计算

气缸推动转轴的中心距离转轴中心为：32mm。

则气缸所需最小扭矩为：10Nm/32mm＝312.5N。

项目中选用的气缸直径为50mm，则气缸受压面积为：1969mm²。

由此可计算气缸启动该操纵结构的最小气压为：312.5/1969＝0.16MPa。

为了保证离合器工作的可靠性，定义操纵动作安全系数为3，则汽缸理论动作气压为0.5MPa。

4)根据动力传递的需求，计算离合器所需的端面齿、花键等技术参数；

根据动力传递的扭矩以及材料的选择，根据国家标准，计算端面齿及花键的强度。

5)根据结构空间完成离合器及操纵部件的结构设计；

6)离合器结合的操纵流程为：低速端给定较低的输入转速(小于100转/分钟，最好低于30转/分钟)，给定结合气压，实现离合结合；

7)在停车或较低转速条件(小于100转/分钟，最好低于30转/分钟)下，只要给定分离气压，均可实现离合器的分离。

本发明采用了特定的离合和操纵结构，解决了在车轴齿轮箱狭小空间内，实现具有自锁功能的离合器操纵功能难题，研究结果达到了满意的效果，并取得了良好的应用效果。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种车轴齿轮箱用高低速转换离合操纵机构，所述车轴齿轮箱包括：一端设置圆柱齿轮，另一端设置锥齿轮的中间轴；所述圆柱齿轮与平行于所述中间轴的输入轴上的圆柱齿轮分别垂直于所述中间轴和所述输入轴轴线，且两所述圆柱齿轮相啮合；所述锥齿轮与垂直于所述中间轴的车轴上的被动锥齿轮啮合；所述离合操纵机构的操纵动力输入部分与所述输入轴连接；其特征在于，所述离合操纵机构包括花键轴和离合操纵回转中心、换挡拨叉、自锁结构、所述操纵动力输入部分；

所述离合器操纵回转中心的轴向一侧设有所述换挡拨叉、垂直于所述轴线方向上依次设置有自锁结构和所述操纵动力输入部分；

所述换挡拨叉与所述自锁结果相邻设置。

2.如权利要求1所述的离合操纵机构，其特征在于，所述换挡拨叉包括一端与所述离合器操纵回转中心轴向垂直连接的、另一端与滑块连接的连杆。

3.如权利要求1所述的离合操纵机构，其特征在于，所述自锁结构包括轴向平行设置的离合操纵回转中心、拉杆中心和转臂中心；连接所述离合操纵回转中心和所述拉杆中心的连杆上设有弹簧。

4.如权利要求1所述的离合操纵机构，其特征在于，所述操纵动力输入部分包括一端与所述操纵回转中心轴向垂直连接的、另一端与拉杆中心连接的拉杆和与拉杆平行设置的汽缸。

5.如权利要求1所述的离合操纵机构，其特征在于，所述花键轴包括依次设置在花键轴外侧的轴承、换挡齿套和齿套；所述换挡齿套和所述齿套中间设有端面齿；所述换挡齿套的纵剖面上有凹槽。

6.如权利要求5所述的离合操纵机构，其特征在于，所述换挡齿套在换挡过程中，通过施加在齿套外部环槽端面的轴向力沿花键轴轴向移动；所述换挡齿套通过端面齿与齿套实现动力接入与分离。

7.如权利要求5所述的离合操纵机构，其特征在于，所述花键轴为刚性旋转轴；所述花键轴用淬火处理，表面硬度为45-50HRC的钢材料，其由按质量百分数计的下述组份制得：C：0.37～0.44；Si:0.17～0.37；Mn:0.5～0.8；Cr：0.8～1.10；Ni≤0.3；P≤0.035；S≤0.035；Cu≤0.03。

8.如权利要求1所述的离合操纵机构，其特征在于，所述换挡拨叉用淬火处理且表面强度为38-45HRC的钢材料，其由按质量百分数计的下述组份制得：C：0.32～0.4；Si：0.17～0.37；Mn:0.5～0.8；Cr≤0.25；Ni≤0.25；P≤0.035；S≤0.035；Cu≤0.25。