铁道部在“九五”期间动员全路科技力量开展300km/h高速动车的预研。高速转向架是高速列车的关键技术之一，而三爪球销式万向轴是高速转向架传动装置的一个关键部件。国外高速转向架的传动装置主要有两种方案：①牵引电机安装在车体上成为簧上质量，并为适应轮对的上下左右运动，在车轴上套一个空心轴，电机先驱动空心轴，再由空心轴驱动轮对。这种结构的驱动机构比较复杂。德国的ICE高速列车采用这种结构。②牵引电动机安装在车体上，并通过特殊设计的万向轴将动力传送到车轴齿轮上，驱动轮对转动。这种万向轴能在高转速大扭矩下，可任意方向运动以适应轮对的跳动和摇摆，并能自由伸缩以适应在弯道上转向架相对车体转动时产生的位移。这种结构的传动路线简单明了，但设计及制造难度很大，法国TGV列车采用了这种结构。下面对万向轴结构进行详细的强度分析。
      根据300km/h的车速要求，万向轴的最高转速为2500r/min，传递最大扭矩为9.3kN/m，传递功率为1000kW，最大伸缩量为±120mm。三爪球销式万向轴的结构如图所示。两头是十字头刚性异步万向节(Z形布置以取得同步效果)。这部分是传统结构。中间伸缩部分传统上采用花键。但在高速转向架中，因传递扭矩大、伸缩量大，故花键已不能胜任。为此采用三爪球销形式，用三圆弧槽代替花键槽，用带球面滚针轴承的三爪插入圆弧槽以代替花键。三爪体则用花键固定在从动轴上。伸缩运动由滚针轴承承担，故摩擦力大大减小。耐磨合金轴套既作密封用也作为从动轴的一个支点。中间轴粗而短，能适应高速转动。这种结构比较简单，但工艺要求高，制造难度大。
      有限元分析的力学模型为两个圆柱实体与一个带有内花键的圆柱空心壳体垂直相贯。考虑到万向轴结构的对称性，可取整个结构的三分之一来进行有限元数值分析。由于四面体等参元精度较差，又不能很好处理弯曲边界以及使相应的空间元素分割比较困难等缺点，带内花键的圆柱空心壳体和圆柱实体均采用6结点和8结点的块型等参元进行结构离散。圆柱实体部分若采用在圆截面上呈辐射状的三维实体元来划分，将造成和圆柱空心壳体及内花键的衔接困难，使模型变得复杂。
      本模型在两圆柱实体的圆形截面内部用矩形网格划分，边缘采用三角形或四边形网格。对应力分布较复杂的圆柱实体部分单元划分细密，而对较厚的带内花键的外壳部分单元划分较粗。边界条件确定如下：由于圆柱空心壳体通过花键与从动轴相联接，因而对内花键受挤压面上的结点施加全约束;因假设滚针上的力沿其轴线是均布的，则可认为沿圆柱实体轴向的结点载荷值都相等；在圆周方向，把滚针作用在单元上的外载荷等效到该单元的结点上成为等效结点载荷。有关计算参数见表。计算采用Algor软件中的程序。由300km/h高速动车的牵引特性得到：每个三爪万向轴传递的平均扭矩为3.93kN/m，最大传递扭矩为9.3kN/m。
      除在起动及低速运行时万向轴传递的扭矩大于平均扭矩外，在正常的工况下，万向轴传递的扭矩一般不超过平均扭矩。在设计中，计算扭矩取平均扭矩的3倍(11.8kN/m，即最大扭矩的1.27倍)。为简化计算，可认为：三个滚针轴承载荷相等；滚针受力沿其轴向是均布的；轴承外圈沿圆周方向的作用力按分布于约23个滚针上。根据计算所得各结点的应力值和位移值，作出单元的应力分布图和位移分布图为225.2MPa，位于195#单元的304#结点(即圆柱实体与带内花键的三爪空心外壳相贯线上的一个结点)。该结点位于圆柱实体的受压侧，与最大结点力(p0)在同一平面上。在图中用黑色表示最大应力。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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