【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第二十七期——时速400km高速动车组转向架齿轮传动系统设计与分析
学生姓名：李曾琦
班 级：车辆2022-05班
指导教师：向果
毕设题目：时速400km高速动车组转向架齿轮传动系统设计与分析
一、概况
1.选题意义
高速动车组转向架齿轮传动系统，即齿轮箱驱动装置，作为高速列车动力传动的关键设备，其主要作用是将驱动电机的转速转化为扭矩，并传递动力至动车组轮对，驱动动车前进。齿轮箱驱动装置对精度和可靠性的要求极高，其工作性能的好坏直接影响到高速动车组运行的速度、可靠性和安全性。因此，高速列车要求齿轮箱驱动装置减速比小、质量轻、使用寿命长、工作可靠。其中，齿轮箱驱动装置采用轻型结构对高速动车组具有重大的意义，是未来齿轮箱的发展方向。由于采用了轻型结构，就必须对齿轮箱的强度进行分析，保证齿轮箱的强度满足要求。
动车组齿轮箱因对齿轮精度、轴承工艺等要求极高，其研发具有相当的技术难度。在行业发展的早期阶段，相关产品和技术主要依赖引进。在此背景下，对高速动车组转向架齿轮传动系统开展仿真与试验分析，有助于深入理解其核心技术原理与设计方法。本研究旨在通过规范的建模与仿真流程，系统掌握高速齿轮传动系统的分析技术。
目前，我国高速动车组列车最高运行时速已经达到350公里，是全球唯一实现高铁时速350公里商业运行的国家。现阶段，我国高速动车组列车齿轮箱均采用国产产品，国铁集团正牵头实施“CR450科技创新工程”，其CR450高速动车组列车运行时速将提升至400公里。随着高铁运行时速不断提升，动车组齿轮箱作为重要传动部件，其面临的接触疲劳、弯曲疲劳、动态载荷及系统可靠性等问题将比350km/h时速下更为严峻。
本选题研究的对象是400km/h高速动车组转向架齿轮传动系统，相比于前人研究的时速350km高速齿轮传动系统，其转速更高、载荷更大，对齿轮传动系统的接触疲劳、弯曲强度、动态特性及可靠性和安全性等核心问题要求更高。通过仿真分析研究，可以验证设计的齿轮传动系统的可靠性，仿真分析数据也可以为齿轮传动系统的结构优化提供指导。
2.任务分解
(1) 资料查询：系统收集国内外关于高速列车转向架齿轮传动系统设计、分析及先进技术的学术文献，重点检索并研读相关领域的高质量外文文献，准确理解其设计理念、分析方法和结论，完成关键文献的翻译与精读整理工作，为后续设计提供理论支撑。
(2) 参数设计：首先，根据电机参数、轮径、牵引/制动特性和目标速度等，完成传动系统总体布局设计。然后，对核心传动比进行分配，完成齿轮副、传动轴、轴承等关键部件的详细参数设计与初步计算，包括斜齿轮副的模数、齿数、螺旋角等几何参数，传动轴的结构尺寸与阶梯设计，轴承的选型与布置等。再对齿轮箱箱体结构进行设计，考虑轻量化、高强度、良好散热与密封性要求，确定其材质、壁厚、加强筋布局、安装接口等。最后，利用SolidWorks软件依据上述设计参数对传动系统整体结构进行三维建模，并完成虚拟装配，形成传动系统整体数字样机。最后，撰写传动系统设计说明书，阐明设计思路、参数选择依据与计算过程。
(3) 强度校核：首先，应用赫兹接触理论，对斜齿轮副进行齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度的理论校核，撰写齿轮强度理论计算报告。然后，利用ANSYS软件建立斜齿轮副的有限元模型，施加实际工况载荷与边界条件，进行静强度仿真分析，获取齿面接触应力分布、齿根弯曲应力集中情况以及关键区域的变形数据，生成包含应力云图、变形云图在内的详细有限元分析报告。最后，依据理论校核与有限元分析的结果，对设计中存在的应力集中或变形过大区域进行识别，并反馈至三维模型进行结构优化与设计改进。
(4) 模态分析：建立包含齿轮、轴颈、轴承等关键部件在内的传动系统整体有限元模型，对系统进行模态分析，其中，轴承用一个可以提供支撑刚度、阻尼参数和位移/力的约束代替。对该集成模型进行模态分析，计算系统在自由状态下的固有频率与相应振型。重点分析可能引起共振的低阶固有频率，并生成清晰的系统各阶模态振型图。
(5) 设计完善：基于强度校核与模态分析的全部反馈结果，对传动系统三维数字样机进行最终的设计修正与细节完善，确保其满足所有性能与可靠性指标。依据完善的模型，绘制符合工程制图标准的全套二维图纸，重点完成传动系统A0总装配图，准确表达各部件装配关系、关键尺寸与技术要求。最后，系统整理全部设计过程数据、计算书、仿真报告，并进行交叉校核，确保设计数据准确、一致。
(6) 设计说明：围绕本课题的完整工作，撰写毕业论文。论文将系统阐述面向时速400公里动车组的齿轮传动系统设计思路、技术路线、详细计算过程、仿真建模方法、分析结果及其讨论。全面总结设计成果，论证所设计方案在静动态强度与动力学稳定性方面是否达到预期目标，归纳设计过程中的创新点、难点及解决方案，并对未来优化方向和应用前景进行展望，形成完整的设计研究闭环。
二、已完成工作
1.文献翻译：在知网及web of science网站中查阅了大量与齿轮传动系统相关的文献资料，完成了外文文献《高速列车齿轮传动及其支承轴承在曲线上的动力学特性分析》的翻译。
图1外文翻译
2.基础参数设计：选择合适的电机，根据牵引电机的额定转速和动车组的轮径、运营速度（400km/h）计算出基础传动比，结合齿轮强度优化，确定齿轮传动比，选择合适的材料，设计出斜齿轮的关键参数，如模数、分度圆压力角、螺旋角、齿宽和中心距等。然后根据设计的齿轮参数，选择合适的轴承，对轴系零件的结构进行了参数设计。最后，将设计说明书整理到了毕业论文的章节中。
表1斜齿轮基本参数
表2高速轴基本参数
3.理论强度校核：对设计的齿轮进行了齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度的理论校核，并完成了齿轮轴的弯扭校核及轴承的寿命计算，经计算可得，斜齿轮、高速轴及轴承的强度均满足要求，校核说明书均整理在毕业论文中。
4.三维模型建立：根据设计的斜齿轮及轴类零件基本参数，确定了齿轮箱箱体的壁厚、肋厚等关键尺寸，利用SolidWorks软件建立了主动齿轮轴、大齿轮、箱体等关键部件及车轴、轴承端盖、垫圈等部件的三维模型。
图2主动齿轮轴三维模型
图3从动齿轮三维模型
图4齿轮箱箱体三维模型
5.整体装配：完成了齿轮传动系统所有零部件的整体装配，合理配置齿轮箱的位置布置，使其符合实际生产装配要求，并制作了爆炸视图。
图5齿轮传动系统装配模型
图6齿轮传动系统装配模型的爆炸视图
6.有限元强度分析：为了降低计算量及计算复杂度，将主动齿轮轴的模型进行了简化，在计算分析时删除了主动齿轮轴上的轮齿、小倒角等特征，将三维模型导入ANSYS Workbench软件中，为模型划分网格。
图7主动齿轮轴的网格模型
根据电机扭矩的不同，可分为最大牵引扭矩工况、额定牵引扭矩工况和短路扭矩工况，得到以下参数表。
表3电机扭矩参数
对主动齿轮轴施加载荷和约束，得到了其在不同电机扭矩工况下正、反转时的应力、变形分布云图。
图11额定牵引扭矩工况下正、反转时的应力分布云图
图12额定牵引扭矩工况下正、反转时的变形分布云图
图13最大牵引扭矩工况下正、反转时的应力分布云图
图14最大牵引扭矩工况下正、反转时的变形分布云图
图15短路扭矩工况下正、反转时的应力分布云图
图16短路扭矩工况下正、反转时的变形分布云图
从计算结果等效应力云图可以看出，三种工况下的最大等效应力都远小于其材料的许用应力，且主动齿轮轴的变形很小，因此主动齿轮轴的结构强度满足安全运用要求。
三、 下一步工作计划
1.优化三维模型细节。
2.加快有限元分析进度，利用ANSYS软件建立齿轮副及箱体有限元模型，完成静强度接触分析，获取应力与变形分布；开展系统模态分析，评估固有频率与振型，规避高速共振风险。
3.按照机械制图国家标准，生成A0总装配图及关键零件图，规范尺寸标注、公差配合、技术要求与装配说明等内容。
4.整理设计资料并撰写毕业论文。系统整合参数计算、结构设计、仿真分析等全部内容，按学院要求撰写毕业论文，完善章节内容、图表格式与参考文献，确保逻辑清晰、内容完整、格式符合要求。
5.完成最终修改并准备答辩材料。根据指导老师意见对设计、图纸及论文进行全面修改完善；梳理设计思路、创新点与核心结论，制作答辩PPT，做好毕业答辩准备。
问题一：你设计的时速400km/h高速动车组齿轮传动系统，相比350km/h等级，在强度与动态特性上做了哪些针对性提升？
回答：相比350km/h等级，本次400km/h设计主要按更高转速与更大载荷重新计算传动比与齿轮参数，选用更优模数、螺旋角与材料，提升承载能力。同时基于赫兹理论严格完成齿面接触疲劳、齿根弯曲疲劳双重校核，并对齿轮轴做弯扭组合强度校核。后续将完成系统模态分析，识别固有频率与振型，避开高速运行共振区间，保障动态稳定性。
问题二：你目前只完成部分静强度仿真，模态分析未开展、二维图纸未绘制，如何保证按期保质完成毕业设计？
回答：我会按以下计划推进，确保按期完成：首先，先优化三维模型细节，统一规范倒角、装配与密封结构，提升模型精度。然后，集中完成ANSYS齿轮副接触分析与整机模态分析，评估共振风险。再严格按照制图标准同步开展A0总装图与关键零件图绘制，规范公差与配合。最后，同步整理计算与仿真数据，分段撰写论文，预留修改时间，确保质量与进度双达标。
通过本次毕业设计中期阶段的工作，我在专业能力、工程思维与科研素养上都得到了全面锻炼，不仅系统掌握了高速动车组转向架齿轮传动系统的总体设计、参数计算、强度校核全流程，能够将机械设计、有限元分析等理论知识切实应用到实际工程问题中，深刻理解了400km/h高速工况对传动系统轻量化、高可靠性的严苛要求，还熟练运用SolidWorks完成三维建模与虚拟装配、借助ANSYS开展静强度仿真分析，学会从工程实际角度处理模型简化、载荷施加、网格划分等细节，充分认识到工程设计必须兼顾精度、成本与可制造性。在文献查阅、外文翻译、参数迭代与仿真调试的过程中，我逐渐养成了严谨规范的科研习惯，面对建模细节不完善、仿真进度滞后、图纸尚未绘制等问题，能够主动梳理瓶颈、制定计划并逐项整改，有效提升了独立解决复杂工程问题的能力，同时也深刻体会到高速列车关键部件设计直接关系行车安全，严谨、细致、负责的工程态度至关重要，在后续的毕业设计工作中，我会继续以高标准完成剩余任务，确保设计可靠、图纸规范、论文完整，交出一份合格的毕业设计成果。