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齿轮箱的基本结构与数学模型分析概述

齿轮箱是城轨车辆机械设备的常见的连接环节和动力传动装置，其工作原理

是转动轴带动齿轮箱内的扇形齿轮，并垂直地向另一个轴传送力矩，简单地说,

可以表示为一个大的齿轮带动小的齿轮转动或小的齿轮带动大的齿轮转动。齿轮

箱可以进行动力分配，同时，它也可以作为一个驱动装置，将发动机的实际转数

转化为所需转数并且改变扭矩的。

齿轮箱具有很多型，按照不同的分标）隹可分为以下几种：根据传统的齿

轮轮形的分方式，齿轮箱可分为圆柱齿轮齿轮箱、行星齿轮齿轮箱、蜗杆齿轮

箱和它们互相组合起来的齿轮箱;根据齿轮箱转动时的布置形式又包括展开式齿

轮箱、分流式齿轮箱、同轴式齿轮箱和混合式齿轮箱U1］。其中双极圆柱齿轮箱，

蜗杆齿轮箱，行星齿轮齿轮箱分别如图2-1,2-2,2-3所示。

图2-1双极圆柱齿轮箱

图2-2蜗杆齿轮箱

图2-3行星齿轮齿轮箱

1.1城轨车辆齿轮箱的基本结构与组成

齿轮箱是一种动力传递结构，一般情况下包含齿轮、车由、滚动轴承和箱体等

机械部件。

1.1.1齿轮

大多数情况下，一个传动副包括两个齿轮，所有平面内的旋转都可以通过它

传递。其能够将旋转改为直线上的移动或者把平动改为旋转，能够按照不变的角

速度传动也能改变角速度比。平面传动和空间传动是最普遍的形式。平面齿轮传

动又有两种型,即为内啮合和外啮合。齿轮传动的传输精度稳定，使用年限长，

这些优势在现代技术中都得到广泛应用U2］。

1.1.2轴

轴是齿轮箱的一个重要组成部分。齿轮箱中作旋转部分的部件如齿轮，带轮

等，只有安装在轴上才可以进行回转运动。轴主要具备两个作用：保持零件在轴

上且位置不变；将动力传递下去。根据轴承的状态可以分为三：运行中同时承

受弯矩和扭矩的叫做旋转轴。主轴用于支撑回转部分的零件，其只承受有弯矩,

承受不了扭矩；能承受扭矩，但不能承受弯矩或承受非常小的弯矩被称为传动轴。

取决于轴线几何形状，轴又可以分为直轴和曲轴。齿轮箱中的轴通常是转轴。

1.1.3滚动轴承

滚动轴承是标）隹化的齿轮箱组件。当在不同的工作条件下运行时，对滚动轴

承有不一样的要求，因此滚动轴承有许多规格和型号。有内环，外圈，滚动元件

和保持架的四个基础部件。内环一般固定轴上，并随轴旋转。外环一般固定于

轴7孰座的小洞里。内环和外环同时含带有槽的股道，滚动元件可以在其上运动。

由于采用了保持架，轴承中的滚动元件可以均匀地布置在相等的间隔上。

1.1.4箱体

箱体是齿轮箱的一个重要组成部分。它能承受负荷传递来的作用力与齿轮传

动带来的反作用力。对于来自各个方向上的反作用力，包括反作用力的值的大小,

轴承支架和机座要对应）隹确的结构和壁厚，并增加所需的加强筋结构。

1.2齿轮箱的简化振动模型

齿轮箱的振动大部分情况下是繁琐的非线性振动，而非线性振动模型的建立

是有一定难度的。因此，在对齿轮箱故障进行分析研究时，一般都会把齿轮箱以

及它的传递过程做一定程度的简化，如图2-4所示。

图2-4齿轮啮合简化模型

按照振动理论原理，它的动力学方程如式(2-1)所示3］：

Mx+Cx+k(t)x=F(t)(2-1)

其中x表示齿轮在啮合线方向上的相对位移的大力\；C表示齿轮的啮合阻尼;k(t)

表示啮合刚度；M表示的是当量质量；尸。)是动载荷。

1.3齿轮啮合调制机理分析

齿轮故障会有振动冲击，并导致各种各样的调制现象和边频带。关于齿轮故

障的有效信息往往被包含在调制边频带中。齿轮箱故障诊断的评判标)隹就是出现

不同调制故障时其振动特点的鉴别程度以及边频带特征的辨认清晰度。综上所述,

发现齿轮箱调制现象并对其分析处理是齿轮箱故障诊断有意义的任务之一。

1.3.1啮合频率及其各次谐波

齿轮双齿啮合于节线两端的一位置发生,在轮齿顶点和轮齿根部两个区域结

束，准确的位置是根据重合系数决定的。所以，啮合状态下，每个齿轮的负荷分

布会伴有不同的刚性指标。