螺栓设计老张：我所理解的《轨道交通车辆关键零部件设计导则》

导读：进入二十一世纪，随着中国国力的提高，轨道交通也迎来了高速发展的黄金时期。无论是地铁、机车、客车还是被称为国之重器的高铁，都是国家整体工业实力和科技进步的代表。

然而高铁整车系统复杂、子部件装配层级众多，暂不论电气、液压及气压系统，仅机械零部件，其设计研发工作就非常浩繁。为了普及西方的先进的科技知识和设计经验，本人作为一名轨道交通行业的机械设计研发人员，不计工拙，根据自己的知识和理解、所学和所悟，将陆续发布系列关于轨道交通车辆设计导则的文章和视频教程，以飨读者。

本系列共30讲，其中车辆结构1讲，受力分析2讲，联轴器2讲，齿轮箱10讲，拉杆1讲，轮对2讲，轴箱3讲，实验2讲，应力评价德国标准FKM导则8讲。我将独家发布在仿真秀官网和APP，欢迎机械工程师关注，目前就可以试看。还有我原创的《德国螺栓VDI 2230 详解与实例解析16讲》已完结。

一、列车编组优劣分析

首先，高速动车组主要是指动力分散型配置方式的列车编组。因为每节车之间通过车钩首尾相连，而每节车通过二系悬挂安装在数个转向架之上。每个转向架又通过一系悬挂安装在两根车轴所在的轴箱之上，如此形成一整列车的配置。传统的火车无论客车还是机车一般都是驱动动力源集中置于火车头所在的转向架上，其它车厢没有动力，只是拖车，这种配置称为动力集中式布置。

这种布置的弱点是：

列车启动或加速时刻，越靠近车头的车钩等设备负载越大，因而各节列车的零部件利用率不等而且较低，且无法快速启停和加减速。这种编组方式是制约车辆无法提速的根本原因。

进入二十一世纪，随着铁路的电气化改造，驱动电机小型化和控制技术的发展，实现了火车的驱动电机分散布置于于各个转向架上，通过控制系统协调各驱动电机的输出参数，这种布置方式称为动力分散式布置。动力分散式布置使得列车高速运行和快速启停成为可能。

为了优化整列车的性能，其根据带动力车厢的数量与拖车数量的比例配置不同的编组方式。下图1为传统动力集中行列车与动力分散型列车（动车）的编组对比示意图。

图1 动力集中与动力分散

具体区别是：动力车车轴被电机通过传动系统驱动，此轴上的车轮受到的轨道给它的作用力与车体行进方向相同，动力车车轴转向架结构如下图2所示。拖车车轴上不存在驱动电机和驱动系统，其车轮受到的轨道给它的作用力与列车运行方向相反，其结构如下图和图3所示。

图2 动力车转向架

图3 拖车转向架

二、创作轨道交通行业课的初衷

我们以动力车为例，其机械系统是由数个子系统组成，包括车体、转向架、轮对、驱动系统、轴箱、车钩、制动、减震装置等，其中，整车的受力、轮对部分的过盈、驱动齿轮箱的设计、鼓形齿联轴器（联接电机与齿轮箱）的难点、拉杆或C型支架（联接齿轮箱与转向架）是我原创《轨道交通车辆关键零部件设计导则》课程的讲解重点，涉及到的知识点有：

• 高等动力学
• 过盈压配DIN7190的应用
• 齿轮传动知识
• 迷宫密封设计
• 润滑设计

• FKM的应用等知识点

• 第一，不求面面俱到，但是将关键的知识点纳入其中；

• 第二，理论与实际相结合，将理论上的标准原理规范应用到具体的设计工作当中；

• 第三，我们取其精华加以提炼，争取让学员用最短的时间学习到最多和最实用的知识，做到学以致用。

三、高速列车齿轮箱的设计

首先我们从齿轮箱的设计开始，因为齿轮箱是联系驱动电机输入轴、车轴轮对以及转向架的核心。高铁齿轮箱和地铁齿轮箱的结构大同小异，主流的方案都是一级平行轴减速，如下图4所示。这样方案的好处就是：既然减速比是固定的，零件越少，发生故障的可能性越小。尤其是旋转零件，如轴承，一般是故障源。一级平行轴方案可以保证昂贵且易损的轴承使用量最少。

图4 高铁齿轮箱简图

但是，有时候地铁驱动齿轮箱也会选择两级平行轴的方案。两级传动的优点是，每一级的齿轮都不至于太大或太小，即大、小齿轮尺寸差距有限。而决定整体齿轮箱外形轮廓尺寸的是大齿轮的齿顶圆，而两级平行轴的方案能够使齿轮箱整体尺寸变小。尤其对于轨道交通齿轮箱，由于上文提到的一系悬挂和二系悬挂的存在，离地间隙越大（即图4中的SH），越安全。因此，有时候地铁齿轮箱也会选择两级传动的方案。

另外，对于高铁齿轮箱受力来说，其载荷主要来源是轮对。轮对的载荷又是来源于车的负载、轮轨之间的滑动摩擦、轮毂之间的滚动摩擦、轨道的倾角、轨道的转弯半径、轮轨之间的不平滑、风速、涵洞等。