齿轮箱的强度分析
齿轮箱作为高速列车传递扭矩、驱动车辆行进的关键零部件，其安全稳定性直接影响动车组车辆的运行可靠性。但是由于其结构的复杂性以及其运行条件比较恶劣，齿轮箱系统近年来发生多起失效，如渗油（漏油）、油温过高、轴承点蚀、箱体裂纹等。这些问题严重影响了高速列车的运行安全。
齿轮箱箱体的主要功能系支承和包容各传动零部件正常运行、减振、降噪，如图2-3。高速齿轮箱箱体的特点是承受动载、冲击大、功能集成度高、承受外界激绕、结构复杂紧凑、质量轻、运动副发热量大、温升高，严重影响齿轮及轴承的使用寿命，如何有效处理好上述问题是提高齿轮箱性能及使用寿命的关键。
有限元模型的建立过程不仅要确保能够真实反映承载部件重要的力学性能，保证计算精度，又要适当控制网格数量，节省计算时间和空间。由于本论文研究的齿轮箱箱体结构非对称，对箱体采用四面体实体单元（solid92）进行离散，对小齿轮轴、轮轴、轴承、联轴器等采用六面体实体单元（solid185）进行离散，单元平均大小为10mm，离散时应尽量控制单元各边长度不要相差太大，以免产生单元畸变而影响计算结果的准确性。整个齿轮箱箱体离散成300295个单元，487492个节点，离散模型如图2-6所示，箱体离散模型如图2-7所示。
齿轮箱在传动系统中，既承受牵引和制动工况下的电机扭矩作用，同时，承受了由轮轴传递的线路激扰作用，因此要明确和解耦这些周期载荷和随机载荷的来源、组合及大小。大量试验表明，对齿轮箱箱体受力分析时，应分析出两种载荷，一种是扭矩载荷，另一种是振动载荷。扭矩载荷来源于电机牵引与制动，振动载荷主要来源于轮轨接触的激扰。参照标准EN 13749与动车组线路实测数据，齿轮箱体的疲劳载荷见表2-4。
表2-4 疲劳强度评估载荷情况
Tab.2-4 Assessment of load fatigue strength
载荷组合 | 数值 |
牵引扭矩/N·m | 3100 |
纵向冲击/g | ±6 |
横向冲击/g | ±13 |
表2-4（续）
载荷组合 | 数值 |
垂向冲击/g | ±40 |
边界条件对仿真计算的影响很大，若处理不当将会引起计算结果较大误差，弹性力学问题中，按照边界条件的不同，分为位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件三种情况。
1. 位移边界条件。当边界上的位移为已知时，物体边界点上的位移与给定的位移相等。设给定位移的边界为Su，则在此边界的位移分量有：
式中ux,uy——上沿Su 方向的位移分量。
2. 混合边界条件。混合边界条件，就是在边界上既给出部分面力，又给出部分位移。
3. 应力边界条件。当边界上已知面力时，面力可以用应力分量来表示，故称为应力边界条件。应力边界通常用Se表示。
本文建立齿轮箱箱体时，在不影响应力分布的情况下，对施加的约束进行了适当的简化，分别对轮轴轴肩、吊杆施加约束，如图2-8所示。
在齿轮箱体结构模型上施加各载荷及其组合工况，组合工况作用下箱体整体及局部（最大）的Von Mises应力分布云图如图2-12～图2-16及表2-6所示。
由应力云图可以得知，在超常主要载荷组合工况下构架上最大应力发生于组合工况，最大Von Mises应力值为30.9MPa，位于箱体大小齿轮啮合处。
表2-6 疲劳载荷工况下最大应力位置及其Von Mises应力值
