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1、兰州交通大学毕业设计（论文）毕业论文机车驱动系统的设计及其运动分析摘 要机车驱动系统的设计及其运动分析是机车转向架设计及机车动力学研究的重要组成部分；同时，由于机车驱动系统的驱动电机等主要部件都布置在机车底部，工作条件恶劣，在输出动力的同时，将承受轮轨的强大冲击。随着铁路机车运行速度的不断提高，驱动系统的工作条件不断恶化，振动不断加剧，对驱动系统性能及机车运行性能的不利影响也愈加明显。为了保证列车高速运行时的高可靠性和绝对安全，必须对机车驱动系统进行更全面和深入的分析研究。目前架悬式轮对空心轴驱动机构运用于我国多种机车。因此，本文主要研究架悬式轮对空心轴驱动机构。在掌握三维参数化造型的基础之上
2、，运用SolidWorks三维设计软件，对架悬式轮对空心轴机构的主要零件进行了仿真设计，并对其进行了虚拟装配。完成的装配体就是论文研究的主要模型。运用虚拟样机技术，对架悬式轮对空心轴机构进行了运动仿真分析。通过对该机构的建模，掌握了该驱动机构的结构；通过对该机构的运动仿真分析，掌握了轮对空心轴机构的原理，了解了该机构的运动特性。关键词：机车，驱动系统，架悬，空心轴AbstractThe structural design and dynamics of the driving system have become an important part of the bogie design an
3、d locomotive dynamics. Further more, the main parts of the driving system are installed at the bottom of the locomotive, they will sustain the powerful strike of the rail/wheel force while they export power. So the operating conditions of the driving system are very servere, and the conditions will
4、get worse and the vibration of the driving system will deteriorate with the increase of the railway vehicle speed. All these will have a negative impact on the dynamic performance of the driving system and the locomotive. In order to ensure the reliability and safety of the locomotive, it is necessa
5、ry and important to make an intensive study on the dynamics of the driving system. Currently, bogie-mounted suspension of Wheelset Quill Shaft drive mechanism used in many of Chinas locomotive. Therefore ,this paper mainly on Wheelset Quill Shaft drive system.On the master 3D parametric modeling bas
6、is, the wheel suspension on the frame of the main parts of the hollow shaft body simulation were designed by using three-dimensional design software Solidworks, and finally assembled all of the parts. The completion of the assembly is the main model . Making a motion simulation for wheelset quill sh
7、aft and bogie mounted suspension mechanism by using virtual prototyping technology .By modeling the institution, grasps the structure of the drive mechanism; through motion simulation analysis of the institution, masters the principle wheel hollow shaft institutions and understands the motion charac
8、teristics of the institution. Key words:Locomotive,Driving System,Bogie-mounted motor,Wheelset Quill ShaftIII目 录1 绪 论11.1 引言11.2 国内外研究现状21.3 论文研究的主要工作32SolidWorks软件及虚拟样机技术的介绍52.1 SolidWorks基础52.1.1 SolidWorks简介52.1.2 SolidWorks 术语72.2 虚拟样机技术93 架悬式轮对空心轴机构主要零件的造型及装配103.1 主要零件的设计过程103.1.1 车轮和车轴的设计103.1
9、.2 空心轴的设计123.1.3 齿轮箱的设计143.2 架悬式轮对空心轴机构的虚拟装配143.2.1 虚拟装配设计方法143.2.2 架悬式轮对空心轴机构的装配153.3 小结184 架悬式轮对空心轴机构的原理及其运动特性194.1 架悬式轮对空心轴机构的原理及结构194.1.1 架悬式轮对空心轴机构的主要元件194.1.2 轮对空心轴机构的原理204.2 架悬式轮对空心轴机构的运动特性204.3 小结24总 结26致 谢27参考文献28281 绪 论1.1 引言铁路运输具有占地省、运能大、节约资源、大气污染比较小、噪音小、安全性能好、比较准时、全天候运输等优点。所以，铁路运输行业一直在我国
10、的社会经济生活中都占有着重要的地位。转向架是机车的重要零部件之一，而机车的驱动系统则一般是直接安装在转向架上，对保证列车运行安全、改善走行的质量、降低轮轨摩擦动力作用、提高乘客的舒适度、降低噪声及污染等都有着极为重要的作用。随着机车运行速度的不断提高，速度的提高，对机车及转向架提出了更高的要求，尤其是在速度比较高的情况下，既要保证能够拥有良好的运行品质，又要能够保证有足够的运行的安全性。这就给转向架的设计、制造和试验过程带来了很大的难度。驱动系统又是机车提速的保障，所以伴随着机车的提速，驱动系统的研发相对而言就特别重要。驱动机构的作用是将传动装置（如齿轮装置）输出的功率传递给轮对。对于电力牵引
11、传动的机车，其驱动装置主要包括牵引电动机、牵引电机悬挂装置和减速齿轮箱等构成。传动装置的作用就是实现电机到轮轴功率和转矩传递的一种装置。电传动的机车驱动机构是一种减速设备、用来将高功率、小扭矩的牵引电动机来带动驱动阻力比较大的机车动轴。通常我们把牵引电动机在机车上的安装称为电机悬挂。其方式一般分为轴悬式、架悬式、体悬式三大类。论文主要探讨架悬式机车的轮对空心轴系统。架悬式牵引电动机通过吊臂全部悬挂在转向架的构架上面，适用于准高速列车，也用于重载货运机车上。电机架悬式主要的特点是牵引电动机固定安装在转向架的构架上，因而牵引电动机的质量属于簧上部分。架悬式的驱动机构主要包括电机空心轴驱动机构和轮对
12、空心轴驱动机构两种方式。电机空心轴的电枢轴是做成空心的，目的是为了增加扭轴的长度，这样就可以适应电动机轮对之间的所有方向的位移，最后由扭轴与电枢空心轴间的间隙得以补偿。电机空心轴驱动系统的弹性联轴器则是安装在空心的电枢轴和小齿轮之间。轮对空心轴驱动机构运用两级弹性双侧六连杆机构的模式，通过牵引电机架悬得以减轻簧下重量，这样就以满足机车在高速运行状态时对动力性能的需求。轮对与电动机就可以得到两级弹性的隔离，因此这种机构具有良好的动力学性能。轮对空心轴的单级弹性传动系统的弹性联轴器安装于空心轴与轮对之间，内空心轴包在车轴的外面，大齿轮直接固定安装在空心轴上；轮对空心轴的双级弹性传动系统则是增加了一
13、个弹性联轴器的单元：一个弹性联轴器联结大齿轮轮心与空心轴端部，另一个弹性联轴器置于空心轴的另一端与车轮轮心之间。其缺点是结构比较复杂。轮对空心轴传动机构主要应用于架悬式机车，德国ICE等体悬/半体悬式机车也有采用。按照驱动系统中关节联轴器的固定位置，可以将轮对空心轴传动系统大致可以分为三类:轮对空心轴一级弹性传动系统（图l-1（a）；轮对空心轴二级弹性传动系统（图1-1（b）；电机空心轴传动系统（图1-1（c）。 图1-1 空心轴传动系统的分类例如SS8型电力机车，就采用架悬式轮对空心轴驱动机构，有六组相同的轮对电机组装，每一台都逆置组装2组。轮对电机组装主要由牵引电动机、主动小齿轮、驱动装置
14、、齿轮箱以及轮对组成。其中轮对是由车轴、主车轮装配在一起、车轮、空心轴套、从动齿轮的装配、传动盘、空心轴、连杆销、连杆和橡胶关节等组成、牵引电机是通过止口定位，通过螺栓与空心轴套相连接，空心轴套是通过支座、螺栓和齿轮箱链接，组成一个刚性闭式框架结构。空心轴套上有两排短圆柱的滚动轴承支撑从动齿轮轮心。传动装置采用的是一级直齿齿轮传动，把牵引电动机输出轴的转矩，通过从动齿轮传递到空心轴，再通过主动车轮传递到轮对。1.2 国内外研究现状我国自1994年12月22 日在广州到深圳的路线上正式开通了160 km/h 的准高速列车之后，又在 1997 年 2004 年间进行了五次铁路旅客列车的大提速，这就
15、促使我国铁路旅客列车的运行速度在一个比较大范围内提高到140160km/h。我国自主开发研制的最先设计用于DF9和DF11 型内燃机车，之后又推广应用到SS7D、SS7E 、SS8、 SS9 型电力机车以及其它各类型机车上的电机架悬轮对空心轴式双级六连杆驱动机构的技术，在旅客列车提速的牵引机车上发挥了极为巨大的作用，对我国铁路事业作出了巨大的贡献。同时，经过对这许多年的提速运用、维护以及保养和检修的经验积累，可以说我们已完全掌握了这套 160 km/h 速度等级的电机架悬轮对空心轴式驱动技术的运用。我们可以将其称为我国第一代轮对空心轴式电机架悬驱动机构装置。我国第一代的轮对空心轴式电动机架悬驱
16、动装置基本上也是模仿德国生产的 E120 机车驱动装置的结构。结合我国的具体国情，自主开发研制的完全拥有自主知识产权而且基本符合国际上目前电动机架悬技术发展趋势的一套崭新的结构。得益于它当年选型的准确，进而使得我国机车悬挂方式在电动机架悬技术这一领域内的发展少走了许多弯路，并极大地缩短了我国在该领域内与国外先进技术的差距。但是鉴于我国铁路运量巨大、机车轴重较大、材料的工艺基础性能差等特点，要让我国第一代的电机架悬驱轮对空心轴式动装置能满200 km/h 速度的运用要求是不可能完成的。我国有好多个型号的机车转向架都采用了架悬式轮对空心轴传动的驱动系统，对这种驱动系统有比较好的技术和经验的积累，而
17、且经过设计的优化，架悬式轮对空心轴机构传动的机车也完全可以满足200km/h等级的使用要求。技术比较先进的发展 200 km/h 速度等级机车最早最多的是欧洲的发达国家，这些国家基本上都是在模仿德国 E120 机车驱动机构的经典结构架悬式轮对空心轴机构六连杆牵引传动方式的基础上，发展出能适用于200 km/h 速度等级运用要求的多种新型轮对空心轴式电机架悬驱动机构。比如：法国Alstom 公司研制的 BB36000 型电力机车（最大速度可以达到 220 km/h）具有轮盘制动的新型电机架悬式轮对空心轴四连杆驱动机构；原先Adtranz 公司提供给意大利的 E464 型电力机车（最大速度可以达到
18、 160 km/h）和供给德国公司研制的101型电力机车（最大速度可以达到 220 km/h）具有单空心轴轴盘制动的新一代电机架悬轮对空心轴式六连杆驱动装置；Siemens 公司设计研发的1016/1116型电力机车（最大速度可以达到230 km/h）采用制动轴及轴盘制动的新型电机架悬轮对空心轴式六连杆驱动装置等。1.3 论文研究的主要工作前文主要介绍了驱动系统的介绍以及研究现状的陈述，尤其是架悬式轮对空心轴驱动系统的描述，明确了本论文主要研究对象就是驱动系统，更详细点说就是架悬式的轮对空心轴驱动系统。目前这一驱动系统是我国准高速机车及动车组采用的系统，它为我国铁路大提速的基石。随着动车组技术
19、的日益成熟，空心轴万向机构的运用，铁路发展迎来了高峰期，增加了其与航空运输的竞争能力。空心轴万向机构由空心轴、传动盘、连杆、球形机构等关节组成。空心轴减轻了簧下质量，有利于速度的提升。因此，研究架悬式轮对空心轴的结构及运动特性对我国铁路事业的发展还是有巨大的作用的。本论文首先是通过对已有架悬式轮对空心轴驱动系统的结构、运动特性的了解，通过SolidWorks等三维软件对其造型，在此基础上完成轮对空心轴驱动系统的仿真装配。再利用虚拟样机技术，对轮对空心轴的运动特性加以分析，加深对机车驱动系统的理解和掌握，尤其是对架悬式轮对空心轴驱动系统的理解，为其优化提供一定的依据。论文主要章节如下：（1）介绍
20、SolidWorks软件，了解该软件的零件造型功能的运用方法，仿真装配的设计原则等。通过SolidWorks自带的插件SolidWorks Motion进行虚拟样机技术的学习，熟练掌握，为后文分析轮对空心轴驱动系统参数打好基础。（2）在基本掌握三维参数化造型的基础上，借助SolidWorks三维软件，完成对架悬式轮对空心轴驱动系统各主要零件的造型。需要造型的主要零件有车轮、车轴、内空心轴、传动盘、外空心轴、大小齿轮、齿轮箱以及牵引电动机等。运用合理的装配设计，对已经造型好的架悬式轮对空心轴的各零件进行虚拟装配。（3）通过已掌握的虚拟样机技术，完成架悬式轮对空心轴机构的运动仿真分析，探讨影响轮对
21、空心轴机构的参数，掌握架悬式轮对空心轴机构的原理，分析其运动特性，进而对该机构的优化提供一定依据。2 SolidWorks软件及虚拟样机技术的介绍2.1 SolidWorks基础2.1.1 SolidWorks简介1）SolidWorks发展历程SolidWorks公司是专们从事于工程分析、三维机械设计、产品数据管理软件开发以及营销的跨国大型公司。其研发的软件产品SolidWorks自从1995年问世以后，凭借其优异的性能、创新性和易用性等优点极大提高了机械工程师的设计和工作效率。SolidWorks在与同类软件产品的竞争过程中已经确立了它的市场地位，成为三维机械设计软件的标准软件。Solid
22、Works在全球拥有超过30万用户，现在已发展到最新的SolidWorks2014版本。自从1996年以后，SolidWorks公司已为成千上万千家中国企业的产品研发提供了极为完整的信息化解决方案和优质服务。2）SolidWorks的功能介绍SolidWorks软件包含了零件的建模、装配体设计、工程图的绘制、高级的有限元分析软件，机构运动学及动力学分析软件Motinworks，产品数据质量管理软件Smarteam以及数控操作加工等软件的无缝集成。SolidWorks还优先设计了创了自上而下的全相关设计思路，并凭借其高效运行的装配设计步骤使之成为了实作技术。下面介绍各种功能的操作步骤：造零件的过
23、程：先选平面、绘制形状、选定位置、标好尺寸、造型特征、完成零件。装机械的过程：先插地基、设制布局、添加零件、选定对象、设好配合、装配机械。出图样的过程：设定格式、选好视图、标定位置、标注尺寸、添加注解、绘出图样。3）SolidWorks的用户界面SolidWorks软件是一个依赖在参数化实体建模基础之上的设计工具，该软件运用了windows图形用户界面模式，方便使用，易学易会。其界面组成显示如下图所下。1）菜单栏 菜单栏几乎包括所有SolidWorks的命令。菜单及菜单选项可凭借活动的文档类型种类和工作流程顺序自定义来使用。默认的情况下，菜单栏是隐蔽的。要想显示菜单栏，将鼠标移到SolidWo
24、rks徽标上或单击打开它。2）Command Manager 命令管理器按钮运用Command Manager左侧下方的一些选项卡可以用来更改所显示的命令，这些选项卡运用取代了早期版本当中的控制区域按钮。单击Command Manager命令下面的选项卡时，它将更新用来显示该工具栏内容。比如，如果单击草图选项卡的时候，草图工具栏就可以出现。3）Command Manager 设计树 SolidWorks软件在Command Manager 设计树的窗口中显示建造模型的特征和结构。Command Manager设计树不但可以显示特征创建的先后顺序，而且还可以使设计者很容易地得到所有与该特征相关的
25、消息。设计者可以用Command Manage 设计树编辑和选择草图、特征、工程视图以及构造几何线。 菜单栏 Command Manager 命令 前导导视窗工具 任务窗格Feature Manager 设计树 图2-1 SolidWorks 2012用户界面4）前视图工具该工具提供了操纵视图所需要的所有普通工具。5）任务窗格SolidWorks的“任务窗格”类似windows当中的菜单，包含了三个面板，分别是“SolidWorks资源”、“设计库”以及“文件夹资源管理器”。通过已有面板访问现有的几何体，就可以在界面当中直接打开/关闭及从默认点拖动。6）工具栏工具栏的好处就是可以使用户快速得到
26、最常用的命令。可以根据需要设计者自己定义工具栏中的按钮、来达到移动工具栏的位置或重新排列工具栏的目的。由于Command Manager 包含当前已被选定文档的最常用的工具，工具栏默认状态为关闭。2.1.2 SolidWorks 术语 SolidWorks能够建立全相关的三维模型。在设计的过程中，实体之间是能够存在或者不可以存在约束关系的；同时，也可以利用自动的或者用户自定义的约束关系来实现设计者的思想意图的。1）实体建模所谓实体建模就是在计算机中运用基本元素来绘制机械零件完整的几何模型。实体构造模型是CAD辅助系统中所运用的最完整的几何模型。包含了完整描述该模型的边以及表面所必须含有的所有线
27、框和表面几何信息。除了几何信息以外，同时它还包括了把这些几何体联系到一起的拓扑信息。例如一个拓扑的信息是：哪些面相交于哪条边即曲线。2）基于特征将一些具有代表型的几何形状可以定义为特征，并将其所有尺寸参数存为可调节尺寸参数，进而通过拉伸形成实体，在此基础上进行更为复杂的几何形体的建模和造型。所谓的特征造型就是指依次生成各种特征并将其组合在一起形成所需零件的一种方法。例如装配体就是由许多独立的零件组成的一样，SolidWorks 中的零件模型是由许多独立的元素构成的，这样的元素被称为特征。进行零件造型或装配体建模时，SolidWorks软件使用智能化界面、易于理解的几何体模型（如凸台、扫描、切除
28、、放样、孔、筋、圆角、倒角、拔模等）建立特征，特征建立以后就可以直接应用到零件中。 图2-2 特征举例例如，如下图所示的零件。这个零件就可以看成是由几个不同的特征组合而成，一些是用添加材料的方法，如圆柱形的凸台和盲孔。如图所示的这些特征与它们在Feature Manager 设计树列表中的一一对应关系。尺寸驱动是用于创建特征的尺寸关系可以被记录并被存在于模型当中。通过修改尺寸数值来驱动几何形状的变化；这样之后尺寸标注就不再只是“注释”，而是驱动模型用的“参数”了，这不仅可以使模型充分体现了设计人员的设计意图，而且还能够快速的修改出错的模型。4）约束全约束是指将形状和尺寸联合起来统一考虑，通过尺
29、寸的约束来实现对几何体形状好大小的控制。SolidWorks 支持的约束有很多，如平行、水平、垂直、同轴心、竖直和重合这样的几何关系。此外，还可以借助方程式来建立参数与参数之间的数学关系。通过使用约束关系和方程式的方式，设计者可以保证在设计的过程中实现和维持比如 “通孔”或者“等半径”之类的设计者意图。5）全相关SolidWorks 模型和它的工程图以及参与它的装配体都是全相关的。模型的修改会自动的反映到与模型相关的工程图以及装配体当中。同样，对工程图和装配体的修改也都会自动反映到模型中。 2.2 虚拟样机技术虚拟样机技术是一种近年来发展起来的产品开发技术，它是在建造实体的样机之前，通过建立机
30、械系统的数字化模型，也就是指虚拟样机，就可以进行仿真分析了，并能够通过图形的方式来显示出该系统在真实工作条件下的运动特性，辅助修改的措施还可以用来优化设计方案。该技术包含有多体系的运动学、动力学建模理论及其实现方法，是在先进的建模技术、信息管理技术、多领域仿真技术、虚拟现实技术和交互式用户界面技术等的基础之上的一门综合性应用新技术。其关键理论就是多体系的运动学原理和动力学建的模理论以及其技术的实现方法。国外虚拟样机相关技术软件的研制要比国内软件成功一些，目前影响比较大的有美国MSC公司旗下的ADAMS，CADSI研制的DADS；德国航天局推出的SMPACK 等软件。3 架悬式轮对空心轴机构主要
31、零件的造型及装配3.1 主要零件的设计过程3.1.1 车轮和车轴的设计 车轮和车轴的造型主要是通过旋转和拉伸来实现的，这样造型的好处就是方便快捷，出现错误时便于修改。其造型主要过程如下：1）车轴的建模：单击“开始”“程序”“SolidWorks”，在弹出的“新建SolidWorks文件”对话框中，选中零件选项，单击“确定”按钮，进入SolidWorks“零件”造型界面。然后保存新建的文件，设置文件名为车轴，最后单击“确定”按钮即可完成保存设置。2）轴身建模选择前视基准面。单击和按钮后，单击草图工具栏上的“圆”按钮，指针变为绘圆形态。将指针移到草图原点，单击并移动指针，再次单击即可完成圆的绘制，
32、完成初步草图的绘制。然后单击“智能尺寸”半径标注为165mm。在Command Manager中单击“特征”和“拉伸凸台/基体”按钮，在“拉伸”对话框中设置长度为228mm。由于车轴的主要部位都是通过拉伸造型的，所以重复以上草图尺寸标注拉伸的操作过程，就可以完成轮坐、防尘板、轴颈的造型，。然后在Command Manager 中单击“特征”和“圆角”按钮，选择轴颈和防尘板坐交线，在“圆角”对话框中设置圆角半径为20mm。同理为防尘板坐和轮坐倒圆角。接着在Command Manager中单击“特征”和“倒角”按钮，为中轴颈端面边线倒角。完成这些步骤后就可以完成整个车轴的造型。其零件图如下： 图3
33、-1 车轴 3）车轮的设计车轴的造型主要是通过拉伸的形式来实现的，但是车轮的造型过程中采用了旋转建模的方法。绘制车轮的难点之处在于踏面的画法。通过借鉴朱喜锋老师主编的机车总体结构及设计一书中介绍的我国机车磨耗型踏面（JM形）的草图绘制方法，绘制出车轮踏面。先以原点O绘制一半径为500mm的圆，与轴向距离为33的直线交予Ov。接着以Ov为圆心，绘制一半径为550mm和半径为720mm的圆，圆心为O2。其与距离轴线为26mm的直线交于圆心，以此圆心，绘制半径为220mmd的圆，与半径为500mm的圆相交，取相交的一部分，剪掉剩余的。然后在相交的圆的一端绘制斜度为1：8的斜线。绘制一半径为12mm和
34、8mm的圆。半径为8mm的圆与距离水平线为12的一直线交于一点，以该点为圆心，绘制以半径为20mm的圆，与半径为12mm的圆内切。在该切点绘制一半径为14mm的圆，与半径为500mm的圆交于一点。最后以该点为圆心绘制半径为14mm的圆连接左右两段，完成车轮踏面的绘制。绘制完踏面之后，需要绘制旋转轴线，设置为114mm。接着在Command Manager中单击“特征”和“旋转凸台基体” 按钮，完成车轮的造型。其零件图如下：图3-2 车轮3.1.2 空心轴的设计由图1-1（b）可知轮对空心轴中的“空心轴”三字的含义。牵引电机与空心轴套（外空心轴）通过螺栓紧固在一起，并牵引电机侧的两个短吊臂和空心
35、轴套侧的一个长吊臂将牵引电机完全悬挂在构架的横梁和端梁上。大齿轮由滚动轴承支撑在空心轴套上，在空心轴套内又贯穿一根空心轴（内空心轴），而车轴置于空心轴中。内空心轴的一端通过传动盘，弹性元件与大齿轮相连，另一端也通过连接盘，弹性元件与轮对相连。所以，架悬式轮对空心轴包括内空心轴和外空心轴。下面介绍内外空心轴的零件造型过程。 1）传动盘及内空心轴的建模先绘制大致草图，然后拉伸，形成传动盘的外廓。然后用拉伸切除的特征，形成6个直径为100mmd的圆孔。接着插入基准面，再绘制直径为253mm圆的草图，然后拉伸切除。传动盘的一侧应该是平面，这样便于和空心轴装配，即方便绘制固定传动盘和空心轴的螺栓孔（由于
36、尺寸结构的限制，齿轮侧的传动盘与空心轴组焊为一体）。传动盘的零件图如下： 图3-3 传动盘由于结构尺寸的限制，内空心轴靠近齿轮侧的传动盘与空心轴组焊在一起。故内空心轴的造型是在传动盘的基础上拉伸而来的。内空心轴非传动盘一侧需要绘制6个铰制销钉和6个螺栓来固定与车轮安装的传动盘。因此在非传动盘侧需要通过拉伸切除的方法绘制安装台。内空心轴的实体造型如下：图3-4 内空心轴 2）外空心轴的建模先绘制草图。绘制两个直径分别为370mm和330mm的同心圆，然后拉伸，按照这种操作在绘制三段阶梯状的圆柱凸台，完成外空心轴基本外廓图。然后运用特征里面的“基准面”按钮，插入三个等间距的基准面，绘制加强板。然后
37、绘制连接牵引电机的凸台，凸台上需要绘制螺栓孔，最后绘制连接吊臂的凸台，完成外空心轴的造型。其零件图如下： 图3-5 外空心轴3.1.3 齿轮箱的设计齿轮箱由上下箱体构成，形状基本一致。这里就只对下箱体的造型过程介绍一下。单击草图绘制按钮，首先绘制一个长1400mm长500mm的矩形，然后拉伸成矩形块。再给矩形块的边角线到个合适的圆角。单击特征命令中的“抽壳”按钮，完成齿轮箱的大致造型。按照大小齿轮和外空心轴的尺寸会出圆孔草图，再拉伸切除。可以对齿轮箱的箱体边线加一些圆角，美化一下。完成这些以后就可以绘制漏油口和齿轮箱与电机的安装板。以下是齿轮箱的零件图： 图3-6 齿轮箱架悬式轮的空心轴主要零
38、件有：轮对、内空心轴、外空心轴、齿轮箱、大小齿轮、连杆以及牵引电机等。以上造型过程表达了主要零件的造型，由于牵引电机以及吊臂的外形对本论文影响不大，故造型的过程中没有详细的给出。完成主要零件的造型之后就可以装配了。3.2 架悬式轮对空心轴机构的虚拟装配3.2.1 虚拟装配设计方法 1）自下而上的设计方法 自下而上的设计方法是一种总结归纳的设计方法。在装配建模造型之前，首先要独立设计所有的零部件模型，然后将零部件按照顺序插入装配体，再根据零件实际的配合关系，将其装配在一起。与自上而下设计方法比较，它们的相互关系和装配行为更为的简单。使用这种设计法，能让设计者更专注于单个零件的设计建模。2）自上而
39、下的设计方法 自上而下的设计方法是一种演绎的设计方法。这种方法从装配体中开始了设计工作，首先对产品进行整体的分析，然后分解单独的零部件，再按照顺序依次将部件分解成更小的零部件，直到分解成最底层的零部件为止。自上而下的设计次序一般都是先设置草图，然后定义零部件的位置和基准面等，最后参考这些定义的方法来设计零件，即生成组装零件后才可以添加加工的特征。自上而下设计方法特点在于机器所完成的功能的方法。轮对空心轴的装配是在借鉴以上两种方法的基础上装配的。3.2.2 架悬式轮对空心轴机构的装配1）新建一个装配体，然后单击插入零部件命令按钮，再单击浏览按钮，找到车轴和车轮将其插入到装配体中。单击移动零部件按
40、钮中的旋转零部件命令按钮，调整车轮位置，便于配合。单击配合按钮，选择车轮与车轴同轴心完成一个自由度的配合。然后选择车轮轮毂面和轮坐面重合，完成车轮和车轴的配合。2）按照（1）步骤的命令操作，插入内空心轴。单击配合按钮，选择车轴与内空心轴同心，然后选择车轮与内空心轴的距离为55mm，这样就完成了齿轮侧空心轴的装配，车轮侧的内空心轴是通过螺栓和销钉将其与传动盘固定在一起的，这里需要将传动盘插进来。插进来之后选择传动盘与车轴同轴心，完成两个自由度的限制，在通过选择螺栓连接的孔将两者配合起来，最后选择传动盘端面和内空心轴的端面重合，完成了内空心轴的配合，其装配体如下图所示： 图3-7 装配体（一） 3
41、）继续按照上一步的操作步骤，插入外空心轴零件。外空心轴是安装在齿轮侧的，先将外空心轴与车轴同轴心，调整好顺序，再将外空心轴端面与内空心轴端面重合，完成车轴、车轮、内空心轴和外空心轴的配合。完成这一步骤后，就需要将滚动轴承和大齿轮装配进来。先插入两个滚动轴承，用旋转零部件按钮和移动零部件按钮，将其移动到便于装配的位置。然后选择滚动轴承与外空心轴同心，移动轴承，接着选择滚动轴承的端面与外空心轴的安装轴承的安装台端面重合即可。另外的滚动轴承，也是同样的方法，先是选择轴承与外空心轴同轴心，然后选择两轴承端面重合即可。轴承装配完之后就插入大齿轮。大齿轮的一端是和传动盘配合的，故插入之后先要调制其到合适位
42、置。单击配合之后，选择同轴心，单击大齿轮的圆孔和轴承的圆周面，完成同轴心。选择重合命令按钮，单击大齿轮非连接传动盘的一面的端面与滚动轴承的一侧重合。由于轴承只限制了三个自由度，还需要一个压盖来避免滚动轴承的侧滑。插入压盖零部件，适当调整位置，使其便于配合。选择同轴心命令，使压盖和轴承同轴心，然后将压盖压到轴承上即可。其装配图如下：图3-8 装配体（二） 4）完成车轮、车轴、内空心轴、外空心轴、滚动轴承、压盖及大齿轮的装配之后，就可以完成六连杆机构的装配。先配合车轮侧的六连杆，连杆上有两个连接孔，一个是通过销钉与传动盘连接在一起，一个则是由橡胶关节与车轮连接在一起的。插入连杆零件，先选择同轴心命
43、令，单击连接传动盘的连杆孔和传动盘上的连接孔，然后选择连接车轮的连杆孔与车轮上的孔配合。接着就需要插入销钉和橡胶关节，选择各自应该连接的地方，单击配合命令，选择同轴心，完成第一步的配合。第二部单击重合命令，选择销钉和橡胶关节的端面与连杆的端面配合。重复刚才的操作，再完成一组这样的配合。接着就可以用阵列的命令来完成剩下的配合。单击圆周零部件阵列命令，选择销钉、橡胶关节和传动盘，选择个数为三，圆周方向为传动盘端面，单击确定就可以完成这一步骤。齿轮侧六连杆的装配方法与车轮侧基本相同，区别在于橡胶关节连接的对象由车轮换成了大齿轮，操作方法类似，关键在于熟练掌握装配时对圆周阵列的运用。其装配图如下： 图
44、3-9 装配体（三） 5）在上面步骤的基础上，插入下齿轮箱零件。齿箱上有三个孔，选择与外空心轴半径相同的孔和外空心轴同轴心配合，单击齿轮箱端面和外空心轴的凸台端面重合配合。将与小齿轮过盈配合的电动机也插入到装配体中。首先应该让小齿轮和齿轮箱配合，重复大齿轮和齿轮箱配合的步骤，完成小齿轮和齿轮箱的配合。电动机还需要和外空心轴通过螺栓固定安装配合在一起，适当旋转外空心轴，选择对应的螺栓孔，使其能够同轴心配合。然后选择重合命令，完成电动机和外空心轴的配合。完成以上操作之后，轮对空心轴的装配过程就已经完成了，配合的过程中最主要的就是不要过定义。其最终装配体如下图所示：图3-9 装配体（四）3.3 小结
45、本章主要是运用SolidWorks三维设计软件，对架悬式轮对空心轴驱动机构零部进行造型，然后将其装配起来。通过这一过程熟悉了架悬式轮对空心轴机构的结构，掌握了架悬式轮对空心轴机构的原理。最后运用虚拟样机技术，对架悬式轮对空心轴驱动机构的装配体进行了运动仿真分析，掌握了驱动装置的传力方式。架悬式轮对空心轴这一驱动机构是我国目前准高速及高速动车组机车运用的主要驱动机构，通过对其模型的建模以及运动仿真分析，能够很好的掌握轮对空心机构的原理、结构以及运动特性。4 架悬式轮对空心轴机构的原理及其运动特性4.1 架悬式轮对空心轴机构的原理及结构4.1.1 架悬式轮对空心轴机构的主要元件架悬式轮对空心轴机构
46、最大的特点是大齿轮是通过滚动轴承固定在空心轴套上的，而空心轴套是安装在牵引电机的机体上的。在外空心轴套内还有一根内空心轴，车轴是置于内空心轴中的。内空心轴的一侧是通过连接盘、弹性元件以及大齿轮连接在一起的，另一侧是通过弹性元件、连接盘和轮对连接在一起的。牵引电机的扭矩是由大齿轮经过弹性元件和空心轴，在经过另一侧 的弹性元件传递给主车轮，然后在传递给次车轮的。我们将这种驱动机构的形式，称为两级弹性或双空心轴的架悬式驱动机构。架悬式轮对空心轴机构中空心轴两端的弹性元件一般设计为弹性六连杆机构，一边与大齿轮相连，一边与车轮相连，通过这种方式来传递扭矩和保证机构具有良好的动力学好运动学性能。架悬式轮对
47、空心轴两级弹性驱动机构的好处是能够减轻簧下重量，轮对与电动机能够得到两级弹性隔离，因此该机构具有良好的动力学性能；双侧弹性六连杆机构具有径向刚度比较大的特点，这种优点就可以保证内空心轴相对于轮对能够同轴心旋转，这样就避免了空心轴（弹性元件）与车轴产生偏心时会产生的离心力会产生对弹性元件的附加应力以及对轮对轮重的变化。架悬式轮对空心轴机构的缺点是结构复杂。SS8型电力机车，就采用架悬式轮对空心轴驱动机构，有六组相同的轮对电机组装，每一台都逆置组装2组。轮对电机组装主要由牵引电动机、主动小齿轮、驱动装置、齿轮箱以及轮对组成。其中轮对是由车轴、主车轮装配在一起、车轮、空心轴套、从动齿轮的装配、传动盘、空心轴、连杆销、连杆和橡胶关节等组成、牵引电机是通过止口定位，通过螺栓与空心轴套相连接，空心轴套是通过支座、螺栓和齿轮箱链接，组成一个刚性闭式框架结构。空心轴套上有两排短圆柱的滚动轴承支撑从