CN1065429A - 电车用驱动齿轮装置 - Google Patents

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Abstract

对于由支承重荷形成的车轴19弯曲,致使大齿 轮24的齿向倾斜采取了解决方法,在第一发明里,为 符合大齿轮24的齿向倾斜,扭歪小齿轮23的齿向, 使两个齿轮的齿向平行地啮合。在第二发明里,为修 正大齿轮24的齿向倾斜,扭歪大齿轮24的齿向,使 之和小齿轮23的齿向平行地啮合。在第三发明里, 为符合大齿轮24的齿向倾斜,和小齿轮23的齿向 平行的啮合,将主电动机21整体倾斜地装在车轴19 和辘车架18上。

Description

本发明有关电车用的驱动齿轮装置,该装置由固定在车轴上的大齿轮和固定在主电动机转轴上的小齿轮构成,小齿轮与大齿轮啮合,传递旋转力。
先有的具备动力的铁道电车是由电力机车、电车、柴油发电机和电动机组成的柴油车等构成。这里说明用于电力机车的驱动齿轮装置。图6表示电力机车的概况,10是电力机车,车体11载于辘车12上,辘车12有车轮13,15是导电弓,16是轨道,17是架设电线。
图7是图6所示辘车12的平面图,18是辘车架,19是车轴,车轴上固定着一对车轮13,由一对轴承20支承辘车架18,21是驱动源-主电动机,小齿轮23固定于转轴22的轴端,24是大齿轮,固定于车轴19上,和小齿轮23啮合,减低转速,传递至车轴19。主电动机21的一边由轴承25悬挂在车轴19上,另一边由安装台26弹性地支承在辘车架18上。
为在电力机车10上装置高输出的主电动机21,如图7所示,必须将其限止在一对车轮13之间的空间里,因此,驱动齿轮装置必须结构简单并且尽量小。因主电动机21直接悬挂在车轴19上,小齿轮23和大齿轮24啮合,所以称此驱动形式为悬挂式。
这里说明作为本发明研究对象的齿轮装置。如图7所示,电力机车10的重量,作用于固定在车轴19上的车轮13上和辘车架18的轴承20上,车轴19因而产生的弯曲如图8所示。在辘车架轴承20的力作用点20a上,有车体11和车架18的重量构成的重荷W作用,车轮13的力作用点13a上产生反作用力,结果车轴19就从无重荷状态下的直线19a弯成曲线19b,固定于车轴19b上的大齿轮24也随车轴19的弯曲线19b而倾斜,轴的中心线24a和辘车架18两边的轴承20之间的直线19a形成倾斜角α。
下面再看固定于主电动机21的转轴22上的小齿轮23。图9(A)表示图7的主电动机21的纵断面图。27是定子,28是固定于转轴22上的转子,29是将转轴22支承于定子27的轴承。图7中主电动机21的旋转力由小齿轮23传递至大齿轮24上,由于主电动机21转向的关系,小齿轮23从大齿轮24所接受的反作用力方向不同。
从负荷侧(小齿轮23这一边)看图9(A)的主电动机21,作顺时针旋转时,转轴22的弯曲方向示于图9(B)。小齿轮23从大齿轮24上接受向下的反作用力P,转轴22从承受作用力之前的直线22a,弯曲成凸形的22b。结果小齿轮23随转轴22的弯曲线22b倾斜,其延长线23a和主电动机21两端的一对轴承29之间的直线22a形成倾斜角β1
再从负荷侧看图9(A)的主电动机21作逆时针旋转时,转轴22的弯曲方向示于图9(C)。小齿轮23的作用与反作用力的方向和图9(B)所示的相反,小齿轮23产生倾斜角β2
图10(A)表示图8的大齿轮24的齿向和图9(B)的小齿轮23的齿向之间相对的倾斜(从负荷侧看主电动机21是顺时针旋转时)。23b表示小齿轮23的啮合齿在节圆上的断面。24b表示大齿轮24的啮合齿在节圆上的断面。α是图8的大齿轮24的倾斜角,β1是图9(B)的小齿轮23的倾斜角,θ1是大齿轮24的齿24b和小齿轮23的齿23b在啮合状态下的相对倾斜角。
图10(B)表示图8的大齿轮24的齿向和图9(C)的小齿轮23的齿向之间,相对的倾斜(从负荷侧看主电动机21是反时针旋转时)。23b、24b、α和图10(A)一样,β2是图9(C)的小齿轮倾斜角,θ2是大齿轮24的齿24b和小齿轮23的齿23b在啮合状态下的相对倾斜角。
由图10(A)、(B)可知,在传递旋转力的同时,相啮合的一对齿轮-小齿轮23和大齿轮24,由于安装它们的轴的刚性,分别产生不同的弯曲角,一般的正齿轮,在齿宽的端点(图10A和A点,图10B的B点)上碰角。这很有损于齿的强度。
对此,一向采用图11所示的方法来解决,即一对小齿轮和大齿轮中,沿着其中一个(一般是小齿轮23)齿轮的齿节圆剖切的断面,做成园弧Rc11(称为鼓形齿),使其啮合点从端点往内侧移去(图中的C点),防止碰角。23C表示小齿轮23的鼓形齿。
先有的齿轮装置,是以一对齿轮的轴在无重荷,无负荷时呈平行状态为前提,如图12所示,小齿轮的齿23C的内面做成鼓形。因此,为满足图10(B)所示的齿轮相对倾斜角较大的θ2(比图10(A)的θ1大),就必须做成鼓形齿,即必须和小倾斜角具有一致的鼓形齿半径Rc11。
一般如图13所示,鼓形齿曲面在接触时,接触点的应力以近似的[数1]的(1)式表示。
[数1]
式中σ:图13中C点的接触应力
P:图13中压鼓形体23d和24d的压力
K:包含图13中鼓形体23d、24d的材料杨氏模数和泊松比的常数
R1:图13中接触点C的鼓形体23d的园筒半径
R2:图13中接触点C的鼓形体24d的园筒形半径
Rc1:图13中接触点C的鼓形体23d的鼓形半径
Rc2:图13中接触点C的鼓形体24d的鼓形半径
设图13和(1)式中的R1为小齿轮23的渐开线齿形的曲率半径,R2为大齿轮24的渐开线齿形的曲率半径,Rc1为小齿轮23的齿面鼓形半径(Rc11),Rc2为大齿轮24的齿面鼓形半径(实际上因不做成鼓形而无限大),P为齿轮的啮合力,σ就是齿轮齿面的接触应力,由(1)式可知,R1、R2、Rc1、Rc2越大,接触应力σ就可减小。
先有齿轮装置的问题是,如图11、图12所示,为满足较大的相对倾斜角θ2,必须决定鼓形半径Rc11,所以鼓形半径Rc11减小,结果接触应力就增大。
本发明的目的为解决此问题,提供减小两个齿轮啮合接触面上产生的应力,提高传递旋转力的电车用驱动齿轮装置。
本发明的齿轮装置,对于由支承重荷致使车轴弯曲而产生的大齿轮倾斜,所采取的解决方法,在第一发明里,是把小齿轮的齿向扭歪,和大齿轮的齿向平行地啮合,在两个齿轮中增大任一个齿轮的齿向鼓形半径。在第二发明里,为修正大齿轮的倾斜,预先扭歪大齿轮的齿向,使之与小齿轮的齿向平行地啮合,在两个齿轮中,增大任一个齿轮齿向的鼓形半径。
在第三发明里,把整个主电动机倾斜,倾斜的角度为大齿轮的倾斜角,再装在车轴和辘车架上,使小齿轮的齿向和大齿轮的齿向平行地啮合,在两个齿轮中,增大任一个齿轮的齿向鼓形半径。
本发明中,第一发明是扭歪小齿轮齿向以符合大齿轮的倾斜角,第二发明是扭歪大齿轮齿向,以符合大齿轮的倾斜角而进行修正。第一、第二发明都是增大小齿轮和大齿轮中任一个齿轮齿向的鼓形半径,使两个齿轮啮合接触面积增大,接触应力减小。在第三发明里,固定于主电动机转轴上的小齿轮倾斜,其倾斜角和大齿轮倾斜角相同,与大齿轮啮合;增大小齿轮和大齿轮中的任一个齿轮齿向的鼓形半径,使两个齿轮的啮合接触面积增大,接触应力减小。
图1  是本发明驱动齿轮装置的一实例之主要部分正面图。
图2  是说明图1中和大齿轮齿向啮合的小齿轮的鼓形齿齿向。
图3  以座标表示应用于图2中小齿轮齿向的鼓形齿曲线。
图4  是比较本发明一实例的齿轮装置和先有齿轮装置,其齿轮齿面接触应力的模似结果的曲线图。
图5  是比较本发明一实例的齿轮装置和先有齿轮装置,其齿轮齿面摩擦温度的模拟结果的曲线图。
图6  是使用本发明的一实例和先有装置的电力机车侧面略图。
图7  是图6的平面略图。
图8  是表示由图7的车体和辘车架的重量致使车轴弯曲的说明图。
图9(A)是图8的主电动机纵断面图,(B)是图(A)的转子在顺时针旋转时小齿轮弯曲方向的说明图,(C)是图(A)的转子在顺时针旋转时小齿轮所受大齿轮的反作用力,致使转轴弯曲的方向的说明图。
图10(A)是图7的主电动机在顺时针旋转时大齿轮和小齿轮啮合的齿向的相对倾斜说明图;(B)是图7的主电动机在逆时针旋转时,大齿轮和小齿轮啮合的齿向的相对倾斜说明图。
图11是和图10(B)相当的图,即为防止先有驱动齿轮装置小齿轮齿向碰角而改成鼓形齿后的情形。
图12是图11的小齿轮鼓形齿齿向的说明图。
图13是大、小鼓形体的接触状态图。
图1是本发明驱动齿轮装置的一实例之主要部分正面图,大齿轮以双点划线表示。大齿轮24和先有装置一样,齿24b的齿向在车轴19完全没有弯曲的状态下,和车轴中心线平行地切齿。图中表示大齿轮24装在辘车架18(参阅图7)上的状态,由车轴19的重量造成弯曲而倾斜的角为α(参阅图8),和大齿轮24的齿向啮合的小齿轮23的齿23C的齿向扭歪,符合大齿轮24的倾斜角α,与之平行。如图2所示,鼓形半径R12比图12所示的先有鼓形半径R11增大,D表示两个齿轮的齿23e和24b的啮合点。
下面说明鼓形半径为何可比先有的大。图3以座标表示鼓形曲线。设垂直的纵轴为Y,横轴为X,鼓形曲线为V,曲率半径为Rc曲线上的任意点为Q(X1、Y1),X轴和Y轴的交点为O,其曲线V的方程式如(2)式所列,其微分方程式为(3)式。
Y=X2/(2Rc)……(2)式中dy/dx<<1
dy/dx=X/Rc……(3)
在任意点Q(X1、Y1)上,和曲线V相接的直线M对X轴的倾斜度i以下列(4.1)式表示。
i=d(y1)/dx=x1/Rc……(4.1)
演化(4.1)式可得(4.2)式。
Rc=X1/i……(4.2)
把它应用于小齿轮23的鼓形齿曲线(图11,图12),则可将Rc换入Rc11,i换入O2,X1换入从Rc11中心线到接触点C的距离L,(4.2)式则成(4.3)式。
Rc11=L/O2……(4.3)
L一定,越缩小O2,则Rc11越增大。为了缩小O2,可预先对小齿轮23的齿向进行切齿,使其对大齿轮24的齿向倾斜α角,(图8,图10(A),图10(B),图1)。
换言之,由于将图10(A)的θ1和图10(B)的θ2平均化,使主电动机21不论顺时针或逆时针旋转时,小齿轮23和大齿轮24的齿面相对倾斜角都相同。
一般,主电动机作顺时针或逆时针旋转时输出的旋转力相同,所以图10(A),图10(B)中的β1和β2的绝对值相同。以β代表β1和β2,则本发明的齿轮组合中,小齿轮23和大齿轮24的齿向的最大相对倾斜角θ和β相等。
图1所示为本发明的一实例,是分别对小齿轮23和大齿轮24进行了切齿的齿向。
本发明的本质在于:为使小齿轮23的齿向符合因车体11和辘车架18的重量造成车轴19弯曲而致使大齿轮24的齿向倾斜,在组装整个车辆时,驱动装置在无负荷状态,两个齿轮齿向要平行。为达此目的,除上述实例外,还有下述的第二及第三实例。
第二实例是,预先将大齿轮24的齿向扭歪α角,使大齿轮24因车轴19的弯曲而形成的齿向倾斜角α得到修正,和小齿轮23的齿向平行地啮合。小齿轮23的齿向和第一实例一样,做成鼓形齿。
第三实例是,为使小齿轮23的啮向符合因车轴19的弯曲而形成的大齿轮24的齿向倾斜角α,将整个主电动机21悬挂在辘车架18和车轴19上。小齿轮23的齿向同第一实例一样,做成鼓形齿。
应用于电力机车上的驱动齿轮装置的第一实例中,因齿面接触应力及啮合摩擦而产生的温度上升,其模拟的结果示于图4及图5。
图4中,σ是齿面接触应力,P是作用于齿面的力,曲线E是先有齿轮装置的结果,曲线F是本发明的一实例-齿轮装置的结果。齿轮齿面的接触应力,本发明比先有装置约降低20%。
图5中,t是齿面摩擦温度,P是作用于齿面的力,曲线G是先有齿轮装置的结果,曲线H是本发明的一实例-齿轮装置的结果。由齿面滑动摩擦产生的局部发热温度,本发明比先有装置约降低40%。
还有,在上述实例中,小齿轮23的齿向做成比先有齿轮齿形半径加大的鼓形齿,但可根据不同情况需要,也可将大齿轮24的齿向做成鼓形齿以替代小齿轮。
如上所述,本发明对于因支承重荷使车轴弯曲以致大齿轮齿向倾斜所采取的解决方法,在第一实例中,将小齿轮齿向扭歪以符合大齿轮齿向的倾斜,并将小齿轮做成鼓形齿,使两个齿轮平行地啮合;在第二实例中,为修正大齿轮齿向的倾斜,扭歪大齿轮齿向,使之和小齿轮齿向平行地啮合;在第三实例中,为符合大齿轮齿向的倾斜,将主电动机整个倾斜地装在车轴和辘车架上;在每个实例中,都在小齿轮和大齿轮中任选一个,将齿向做成鼓形齿,所述,两个齿轮的齿面接触应力降低,旋转力的传递能力提高,由齿面的滑动摩擦而产生的局部发热温度低,齿轮的润滑状态改善,防止了由润滑不良带来的齿面损伤。

Claims (3)

1、一种电车用驱动齿轮装置,它由大齿轮和小齿轮构成,大齿轮固定于支承辘车架的车轴上,小齿轮固定于装在上述辘车架和车轴上的主电动机转轴上,和大齿轮啮合,传递旋转力,其特征在于:为符合因支承重荷使车轴弯曲,并造成的大齿轮齿向倾斜,扭歪小齿轮的齿向,使两个齿轮的齿向平行地啮合,在小齿轮和大齿轮中,将任一个齿轮的齿向做成鼓形齿。
2、一种电车用驱动齿轮装置,它由大齿轮和小齿轮构成,大齿轮固定于支承辘车架的车轴上,小齿轮固定于装在上述辘车架和车轴上的主电动机转轴上,和大齿轮啮合,传递旋转力,其特征在于:为修正因支承重荷使车轴弯曲,并造成的大齿轮齿向倾斜,扭歪大齿轮的齿向,和小齿轮齿向平行地啮合,在小齿轮和大齿轮中,将任一个齿轮的齿向做成鼓形齿。
3、一种电车用驱动齿轮装置,它由大齿轮和小齿轮构成,大齿轮固定于支承辘车架和车轴上,小齿轮固定于装在上述辘车架和车轴上的主电动机转轴上,和大齿轮啮合,传递旋转力,其特征在于:为符合因支承重荷使车轴弯曲,并造成的大齿轮齿向倾斜,使大、小齿轮的齿向平行地啮合,将整个主电动机倾斜地装在车轴和辘车架上,在小齿轮和大齿轮中,将任一个齿轮的齿向做成鼓形齿。
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