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在铁道部技术引进的四种动车组中,只有CRH5型动车组驱动系统采用体悬式结构,运营初期驱动系统暴露的故障比较多,主要表现在万向轴及其连接的齿轮箱小齿轮轴和牵引电机输出轴上。万向轴长1945mm,布置于车体和转向架间,因故障脱落后将导致车体"撑杆跳",严重影响动车组的安全运营。本文以CRH5型动车驱动系统万向轴为研究对象,从驱动系统的布置、万向轴运动特性、万向轴结构和制造等方面分析了万向轴失效的机理,提出了驱动系统和万向轴的结构优化方案,经实际线路测试、数据对比分析,验证了驱动系统的优化方案和新结构万向轴是可行的,主要内容如下:(1)统计和梳理了 CRH5型动车组驱动系统、万向轴在运用和检修中发生的典型故障,建立了驱动系统故障树,采用故障模式影响及危害性分析(FMECA)法重点分析了万向轴的典型故障。(2)研究双十字轴式万向轴运动特性,分析万向轴Z-W型布置时的附加力矩、附加载荷及轴的波动率,建立了 CRH5型动车驱动系统运动分析简图,计算万向轴空间运行姿态极限位置及相应位置时附加力矩和附加惯性力矩。(3)采用SIMPACK多体系统仿真软件,考虑齿轮箱组成及牵引电机的悬挂结构,建立带有万向轴驱动系统的CRH5型动车组车辆动力学模型,考虑万向轴驱动系统与车辆振动系统的耦合,分析驱动系统对动车组非线性稳定性的影响;分析列车在直线和曲线工况下万向轴回转力矩、角速度及角加速度、牵引电机的位移及加速度;分析驱动系统振动频率的变化和转动惯量变化对驱动系统动力学性能的影响。经动力学对比得知:驱动系统传动比由2,5改为2.22,降低系统转速,可使万向轴附加力矩、转角加速度降低8%-11.2%;驱动系统布置角度由4.41°降为2.91°,可使万向轴附加力矩、转角加速度降低2%-3%。(4)利用ANSYS软件建立CRH5型动车驱动系统的刚柔耦合模态分析模型,通过齿轮箱和牵引电机的响应分析确定万向轴的一阶弯曲频率为89.34Hz,万向轴对应的临界转速为5360rpm;对万向轴驱动系统进行台架测试,万向轴在系统中的自振频率为74Hz,对应的临界转速为4440rpm;采用传统公式计算得到的万向轴临界转速为5610rpm。对比分析可知:万向轴在驱动系统中临界转速为有限元分析法计算临界转速的82%左右,为传统公式计算临界转速的79%。(5)通过对万向轴本身结构研究得出其失效的主要影响因素:1)万向轴的动不平衡限值,通过试验证明减小动不平衡值,万向轴两端的振动幅值降低,可减小万向轴失效概率;2)滚针轴承是万向轴的薄弱环节,在结构设计时应考虑轴承衬套和滚针的接触压应力变化;3)万向轴在设计和制造时应重视润滑与密封的设计。(6)采用多目标函数优化法,确定了 CRH5型动车组万向轴驱动系统优化方案:1)优化万向轴驱动系统布置角度,由4.41°改为2.91°;2)优化万向轴驱动系统传动比,由2.5改为2.22;3)优化驱动系统悬挂件刚度;4)采用新结构万向轴,经线路测试数据对比和万向轴分解检查分析,验证万向轴驱动系统优化方案切实可行。