华东交通大学肖乾教授团队：考虑齿间滑动影响的高速列车传动齿轮动态接触特性分析丨JME文章推荐

Original 肖乾，陈道云等机械工程学报 2022-06-29

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随着八纵八横高铁线路的建成，投入运营的高速列车数量日渐增加，列车的运行安全品质对人们出行的影响至关重要。齿轮作为高速列车动力转向架驱动系统的重要组成之一，是将牵引动力从电机传递至轮对的关键部件，对列车运行品质及安全性有较大的影响。因此，开展摩擦因数对齿轮动态接触特性影响的研究具有重要意义。

通过高铁齿轮油摩擦学特性相关研究发现，传动齿轮轮齿间的摩擦因数与载荷、速度和齿轮油等因素密切相关。结合已有实验研究得到的部分摩擦因数经验公式考虑了滑差、速度、载荷、润滑油粘度等因素，且适用于弹流润滑的齿轮接触。考虑到齿面摩擦在低速范围内产生的影响更大，且有限元法能够反映齿轮啮合过程中接触应力的真实状态，为进一步分析考虑轮齿滑差影响的变摩擦因数对斜齿轮副接触应力、应变等动态接触特性产生的影响，华东交通大学肖乾教授团队在《机械工程学报》2021年第10期发表了《考虑齿间滑动影响的高速列车传动齿轮动态接触特性分析》一文，团队以CRH3型动车组传动齿轮为研究对象，采用有限元法仿真研究无摩擦、常摩擦因数以及考虑轮齿滑差的变摩擦因数在低速重载时对齿轮接触特性的影响。

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引用本文

肖乾, 王丹红, 陈道云, 朱海燕. 考虑齿间滑动影响的高速列车传动齿轮动态接触特性分析[J].机械工程学报, 2021,57(10): 87-94.

XIAOQian, WANG Danhong, CHEN Daoyun, ZHU Haiyan. Analysis of Dynamic ContactCharacteristics of High-speed Train Transmission Gear Considering the Influenceof Sliding between the Teeth[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021,57(10): 87-94

试验方法

文中采用ABAQUS/Standard提供的隐式直接积分法对不同摩擦工况下的传动齿轮接触特性进行仿真分析。本文只取8对齿进行研究，选择C3D8R单元对模型进行离散化处理，且仅对齿轮接触区附近网格细化，最小的网格单元尺寸约为0.6 mm；利用库伦摩擦和罚函数法定义齿面接触摩擦关系，其中摩擦属性分别设置成无摩擦、基于罚函数接触的常摩擦数值以及考虑滑差影响的EHL模型。考虑到摩擦在低速重载条件下对高速列车传动齿轮的影响更严重，在仿真时给主动轮（小齿轮）施加小转速4rad/s，从动轮（大齿轮）施加与启动转矩等效的负载转矩7472.7 Nm，分别将主、从动齿轮的内圈与轴线建立运动耦合约束，对参考点施加边界条件及载荷以模拟齿轮传动。为避免突然加载带来的冲击，在0.01 s内均采用平滑曲线完成过渡加载。

结果

通过仿真结果分析可知，所研究的不同工况下传动齿轮的啮合齿数变化规律一致，啮合齿数规律变化。考虑滑差影响的齿轮接触表面啮合节点摩擦因数不一致，这对齿轮接触合力、接触斑面积、Mises、接触应力最大值及其分布影响很小，但对横\纵向摩擦剪应力分布影响比较显著，常摩擦因数下的应力分布除纯滚动节点处外其余接触区域分布比较均匀，而考虑滑差影响的摩擦因数由于各啮合点处的摩擦因数不一致，导致靠近纯滚动区的摩擦剪应力值较小。高速列车传动齿轮在啮合过程中，考虑滑差影响的齿面摩擦力波动更平缓，但均值较常摩擦增加了40%；齿轮接触状态和摩擦剪应力分布比采用常摩擦得到的结果更贴合实际。常摩擦因数数值的增加对应力分布影响不大，但会使得接触面应力值相应增加，进而加剧系统的周期性振动。

结论

(1) 与常摩擦因数相比，考虑轮齿间滑差影响的摩擦力整体波动更平缓，且摩擦力最大值不会产生明显突变。摩擦的存在会加剧摩擦力的周期性波动，但对于接触合力的波动增幅不明显，且一定程度上的摩擦力有阻尼的作用，可减少齿轮动态啮合力。

(2) 从接触状态分析发现采用滑差相关的时变摩擦模型在齿根和齿顶位置的滑动比节圆附近更明显，更真实的反映了轮齿表面接触状态。

(3) 轮齿滑差对最大Mises应力、最大接触应力值及分布影响不大，对接触面整体剪应力分布影响显著。当只对最大应力值及其对应的接触部位分析时，为简化计算，可采用常摩擦因数进行分析。常摩擦因数大小对接触表面接触应力、摩擦剪应力等应力分布影响不大，但随着摩擦因数的增大，应力值相应增加，使得齿轮副接触表面更容易产生疲劳损伤。对于需要长期运行的高速列车传动齿轮而言，在实际中应尽量将摩擦因数控制在0.1以内。

前景与应用

通过分析考虑滑差影响的高速列车传动齿轮接触特性，对后续研究高铁传动系统的疲劳和优化有一定的参考价值。

不同摩擦工况和不同时刻的齿轮接触状态

不同啮合位置的轮齿Von-Mises 应力分布

不同摩擦工况下横向摩擦剪应力云图

主创简介

肖乾，男，博士，博士生导师，二级教授，机电与车辆工程学院院长。近五年来，主持国家自然科学基金面向项目等3项、江西省自然科学基金重点项目等省部级项目近10项。企业横向课题等近20项，项目经费1000余万元，同时，作为主研参与国家863计划项目、国家自然科学基金项目、铁道部科技项目等各类项目多项。在Applied Surface Science、铁道学报、中国铁道科学、西南交通大学学报等国内外刊物发表学术论文60余篇，其中SCI/EI检索近40篇。相关科研成果获江西省科技进步一等奖、茅以升铁道科学技术奖、全国詹天佑铁道科学技术奖、江西省青年科技创新项目奖、第五届江西省高校科技成果二等奖。获批专利近20余项，其中3项在企业成功实现转化。

陈道云（1988-），男，博士，华东交通大学讲师，机电与车辆工程学院学科办主任，研究方向为结构疲劳与断裂，主持江西省自然科学基金、江西省教育厅项目、校企横向课题多项，参与多项国家级及省部级纵向、横向课题项目，以第一作者身份发表SCI、EI检索论文10余篇，2项成果获2020年度国家铁路局铁路重大科技创新成果入库。

团队研究方向

轨道车辆运行品质分析与评价；轨道车辆运维装备研究与开发；CAX/VR/AR。

编辑：金程校对：张彤

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