20噸輪式挖掘機(jī)后橋橋殼設(shè)計(jì)與分析【說(shuō)明書+CAD+PROE】,說(shuō)明書+CAD+PROE,20噸輪式挖掘機(jī)后橋橋殼設(shè)計(jì)與分析【說(shuō)明書+CAD+PROE】,20,輪式,挖掘機(jī),后橋,設(shè)計(jì),分析,說(shuō)明書,仿單,cad,proe 編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯 （譯文） 院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 伍榮展 學(xué) 號(hào)： 1000110131 指導(dǎo)教師單位： 桂林電子科技大學(xué) 姓 名： 高成 職 稱： 助理研究員 2014 年 05 月 26 日  桂林電子科技大學(xué) 后橋殼疲勞失效的有限元分析預(yù)測(cè) M.M. Topac, H. Gunal, N.S. Kuralay. Fatigue failure prediction of a rear axle housing prototype by using finite element analysis[J]. Engineering Failure Analysis， 摘 要 對(duì)與在試驗(yàn)中，當(dāng)施加循環(huán)垂直應(yīng)力在后橋殼上，產(chǎn)生了過(guò)早的疲勞變形的現(xiàn)象 進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在這些試驗(yàn)中，裂縫主要出現(xiàn)在樣品的同一區(qū)域。為了確定破壞的原因，建立了完整的后橋殼CAD模型。同時(shí)，橋殼的機(jī)械性能取決于其材料的拉伸性能。利用這些數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限元原理進(jìn)行了應(yīng)力及疲勞分析。確定了疲勞應(yīng)變的發(fā)生位置以及不發(fā)生疲勞應(yīng)變的最小循環(huán)垂直應(yīng)力。將有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。設(shè)計(jì)提出了增強(qiáng)橋殼疲勞壽命的解決方案。 關(guān)鍵字：后橋殼；應(yīng)力集中；失效；有限元分析 1 概述 由于具有較高的承載能力，固體車橋通常用于重型商用車輛上[1]。固體車橋的結(jié)構(gòu)見圖1。在車輛的使用中，車橋是主要承載部件，由路面不平產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力導(dǎo)致了車橋產(chǎn)生疲勞破壞。因此，最重要的是進(jìn)行橋殼抵抗疲勞破壞的壽命預(yù)測(cè)。在大規(guī)模生產(chǎn)前，有必要對(duì)橋殼模型在動(dòng)態(tài)垂直應(yīng)力作用下進(jìn)行如圖2所示的裝載能力及疲勞壽命的有限元分析。在這些測(cè)試中，由液壓機(jī)構(gòu)提供的循環(huán)垂直載荷施加在樣品上，直到樣品出現(xiàn)疲勞破壞。根據(jù)承載標(biāo) 準(zhǔn)，橋殼必須能承載N=5X105循環(huán)應(yīng)力而不出現(xiàn)疲勞破壞。在對(duì)如圖3所示不對(duì)稱的橋殼模型進(jìn)行垂直疲勞測(cè)試時(shí)，在應(yīng)力達(dá)到極限前就有疲勞破壞出現(xiàn)在模型上。因此發(fā)現(xiàn)，不出現(xiàn)疲勞破壞的最小循環(huán)應(yīng)力大約為3.7X105。在這些測(cè)試中， 裂紋出現(xiàn)在班卓過(guò)渡區(qū)E1和E2。圖4所示為一早期破壞的例子。 為了找出早期失效的原因，運(yùn)用CATIA V5R15商業(yè)軟件建立了一個(gè)詳細(xì)的橋殼三維模型。利用該模型，建立有限元模型。運(yùn)用ANSYS V11.0商業(yè)有限元分析軟件工作平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)力和疲勞分析。通過(guò)拉伸測(cè)試的有限元分析獲得了橋殼的材料性能，運(yùn)用RecurDyn商業(yè)CAE軟件進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)模擬，獲得了橋殼最大載荷。通過(guò)這些分析，找到應(yīng)力集中部位。為了實(shí)現(xiàn)疲勞分析，引入疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)建立了橋殼材料的估計(jì)S-N曲線。將分析獲得的結(jié)果與垂直疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較。為了阻止早期破壞并獲得增大的疲勞壽命，提出了一些解決方案。 圖1 商用車后橋殼總成 圖2 橋殼模型乘直疲勞測(cè)試 圖3 橋殼幾何形狀 圖4 測(cè)試樣品底部的疲勞開裂 圖5 橋殼的完整CAD模型 2 有限元模型 2.1 CAD和有限元模型 分析用全尺寸車橋CAD模型如上圖5所示。橋殼本質(zhì)上由兩個(gè)相同的薄壁殼組成，薄壁殼的厚度為9.5mm并沿著后橋殼的中性軸焊接。在前端面，一個(gè)用螺栓固定了差動(dòng)齒輪裝載器的曾環(huán)被焊接在橋殼上用來(lái)增強(qiáng)剛度。出于密封性的考慮，將一個(gè)圓蓋焊接在后端面上。這里，元素A和B為下垂壁卡鉗聯(lián)接。支撐C和D代表輪與地面的接觸。車橋支撐聯(lián)接點(diǎn)之間的距離與后軸輪軌之間的距離相等。運(yùn)用 CATIA V5R15建立橋殼三維模型。將橋殼的完整CAD模型導(dǎo)入ANSYS V11.0工作平臺(tái)前置處理界面，建立分析所需的有限元模型。有限元模型用于圖6所示的壓力及疲勞分析。為了建立有限元模型，橋殼按照SOLID187進(jìn)行網(wǎng)格劃分。S0LID187具有二次位移的三維實(shí)體單元并且適用于進(jìn)行不規(guī)則網(wǎng)格劃分。橋殼被定義為擁有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有3個(gè)自由度。運(yùn)用CONTA174和TARGE170元素建立橋殼各部件之間的聯(lián)系。焊接表面的聯(lián)接關(guān)系選擇為完整的可靠聯(lián)接。有限元模型由779,305個(gè)元素和1,287,354個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。 圖6橋殼有限元模型 表1 S450N的化學(xué)特性（Wt%） 表2 抗拉測(cè)試結(jié)果 2. 2 橋殼材料 車橋殼是由9.5mm厚的微金屬合金管壁經(jīng)沖壓焊接制成的，該管壁的材料為熱成型標(biāo)準(zhǔn)鋼鐵S460N （材料編號(hào)1.8901，等同于ISO標(biāo)準(zhǔn)[3]中E460）。該材料的化學(xué)成分是從供應(yīng)商獲得的，具體見表1 [4]。未加工的S460N的機(jī)械性能見參考文獻(xiàn)[5]。然而，橋殼材料在制造過(guò)程中需經(jīng)過(guò)若干道工序，包括退火至800°C和750°C熱沖壓。為了將工序?qū)C(jī)械性能的影響引入有限元分析并確定加工后材料的精確機(jī)械性能，從后橋殼模型中抽取5個(gè)樣本并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。所有的試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。從后橋殼模型中抽取的5個(gè)樣本均在熱影響區(qū)之外。表2給出的結(jié)果均為5個(gè)樣本的最低值，并將這些結(jié)果引入有限元模型。將材料定義為顯性各向同向性材料。 2. 3 負(fù)荷條件 有限元分析中的負(fù)荷條件是根據(jù)垂直疲勞測(cè)試中出現(xiàn)早期失效處的支撐區(qū)域確定的。測(cè)試是在如圖7所示的可提供80噸載荷的裝置上進(jìn)行的。該裝置是由兩個(gè)具有承載單元的電動(dòng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服閥組成的，伺服閥安裝在連接A，B的卡鉗處。TS表示兩個(gè)卡鉗間的距離，T因表示支撐C，D間的距離即真實(shí)后橋殼的輪距。車橋的模型是根據(jù)如圖8所示的由兩個(gè)空氣彈簧支撐的真實(shí)橋殼設(shè)計(jì)的。因 為載荷施加在牽引臂的偏心輪上，所以彈簧的彈力也產(chǎn)生了彎曲應(yīng)力，該應(yīng)力在橋殼上產(chǎn)生了一個(gè)額外的彎曲AM。測(cè)試樣品中的額外彎曲影響由圖7所示的液壓驅(qū)動(dòng)裝置的偏距c提供。每個(gè)彈簧的最大設(shè)計(jì)載荷為F = 2850kg。應(yīng)力垂直的施加在彈簧底座的點(diǎn)。這導(dǎo)致了在卡鉗A, B處產(chǎn)生了靜態(tài)反應(yīng)力P=4550kg。因?yàn)槁访娌黄绞管嚿淼募匈|(zhì)量產(chǎn)生的垂直加速度導(dǎo)致在每個(gè)卡鉗處的最大動(dòng)態(tài)載荷大約為P的兩倍。由ReoirDyn商業(yè)CAE軟件進(jìn)行的計(jì)算機(jī)路面模擬所得的載 荷變化范圍為182-9I00kg。垂直疲勞測(cè)試所得的載荷特性曲線如圖9所示。有限元分析也考慮到了最大動(dòng)載荷9100kg沿額外彎曲變形△M所產(chǎn)生的影響。如圖10所示的車橋垂直應(yīng)力模型是根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的。 圖7垂直疲勞測(cè)試原理圖 圖8 縱臂的偏心載荷 3 有限元分析及結(jié)果 有限元分析用于預(yù)測(cè)應(yīng)力集中及疲勞壽命較低區(qū)域的準(zhǔn)確位置。P和△M施加在圖10所示的卡鉗連接處。運(yùn)用裝配1.86GHz因特爾至強(qiáng)四核處理器的HPx因8400工作站借助ANSYS V11.0工作平臺(tái)進(jìn)行壓力分析。圖11所示為有限元分析所得的等應(yīng)力分布圖。分析結(jié)果顯示應(yīng)力集中區(qū)域F1、F2分布在橋殼承載區(qū)域底部的過(guò)渡區(qū)。從圖12中可以看出疲勞失效區(qū)域與臨界區(qū)域在同一位置。計(jì)算得出的最大分布應(yīng)力為 σmax=388.7Mpa；是材料屈服應(yīng)力點(diǎn)的78. 1%。這說(shuō)明橋殼在承受最大靜載荷時(shí)符合安全條件。 圖9疲勞測(cè)試中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)荷特性曲線 圖10橋殼的外加負(fù)荷及彎矩圖 圖11 下殼體上的工作應(yīng)力分布 圖12測(cè)試與分析結(jié)果比較 4.疲勞壽命預(yù)測(cè) 由于在使用中后橋殼承受動(dòng)應(yīng)力，也需要進(jìn)行疲勞分析。壓力壽命的疲勞極限估計(jì)值se‘為 se‘=0.504·Sut （1） 鋼材的強(qiáng)度極限小于1400MPa[7，8]。這意味著疲勞強(qiáng)度的周期為106或更多。為了預(yù)測(cè)在105 - 106周期范圍內(nèi)的疲勞壽命，使用參考文獻(xiàn)[9]中使用簡(jiǎn)單抗拉測(cè)試獲得所需數(shù)據(jù)的方法作出橋殼材料的S-N曲線。 se‘代表理想實(shí)驗(yàn)樣品的壓力疲勞壽命。為了預(yù)測(cè)機(jī)械零件的真實(shí)疲勞強(qiáng)度se‘， 需要乘上代表各種設(shè)計(jì)，制造和環(huán)境對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的修正因子[10]。Se為 Se=kakbkckdkese‘ （2） 式中ka為根據(jù)下式得出的表面拋亮度得到的表面因數(shù) ka=aSutb （3） 由于橋殼表面的粗糙度與經(jīng)過(guò)熱沖壓工藝的熱軋鋼板相似，所以推薦的標(biāo)準(zhǔn)為 a=57.7和b=-0.718[7].經(jīng)計(jì)算得出ka=0. 564, Sut=629.9MPa。另外，噴丸工藝作為一種常見的爪于減少零件材料表面殘留應(yīng)力的方法，也用于增加熱沖壓后的橋殼表面的疲勞壽命。文獻(xiàn)[9]中給出這種方法可增加70%的疲勞壽命。因此，在有限元分析中ka的取值為0.959。因?yàn)闃驓榉菆A形截面，根據(jù)橫截面深度h遠(yuǎn)大于50mm假定尺寸因數(shù)kb為0.75。由于環(huán)境溫度T=0-250°C，所以彎曲和環(huán)境因數(shù) kd=1，進(jìn)而確定負(fù)荷系數(shù)kc=1。 通過(guò)靜態(tài)有限元分析，可得出應(yīng)力集中區(qū)分布在班卓及橫臂過(guò)渡區(qū)域。所以，除了上述修正因數(shù)外，疲勞強(qiáng)度修正因數(shù)ke必須引入分析，ke可通過(guò)與應(yīng)力集中系數(shù)kf有關(guān)的應(yīng)力集中系數(shù)kt得到。因此ke的計(jì)算式為 ke=1/kf （4） 出于安全考慮，kf假設(shè)與kt相等[7]。由于橋殼的大小及形狀的復(fù)雜性，kt無(wú)法從標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)中查出。另一方面，kt被定義為 Kt=σpeak/σnominal （ 5 ） 式中σpeak為凹口處得峰值應(yīng)力，σnominal不出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)的常應(yīng)力p[9, 12]，σpeak的使用數(shù)值可從σmax=388. 7MPa時(shí)的靜有限元分析中得出。為了計(jì)算σnominal將后橋殼簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)支梁，其沿縱軸Y的危險(xiǎn)橫截面X1X1都為矩形并適用于純彎曲理論[6]。 σnominal按圖10所給出的模型的計(jì)算公式為 σnominal=M/Z （6） 式中M為彎曲力矩，Z為危險(xiǎn)橫截面的斷面系數(shù)。M的取值為41.9xl06Nmm。斷面系數(shù)Z取值為127507mm3。因此計(jì)算得出σnominal為329MPa。發(fā)現(xiàn)kt≈kf=1.181，ke=0.846。運(yùn)用ANSYS V11.0工作平臺(tái)定義S-N曲線中標(biāo)繪的修正因數(shù)。通過(guò)壓力壽命決定橋殼材料的疲勞壽命。全部的疲勞分析都是以無(wú)限壽命進(jìn)行的（N=106）。 用有限元分析得到的壓力分布圖進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。由于載荷具有正弦波動(dòng)特性 （平均應(yīng)力σm>0），修正方法如下[9] σaSe+σmut=1n （7） 式中，n表示安全系數(shù)。振幅σa為 σa=σmax×σmin2 （8） （8）平均應(yīng)力am可表示為 σm=σmax+σmin2 （9） 式中，通過(guò)有限元分析得到σmax為最大值9100kg，σmin匹配的最小值為182kg。殼體底部的分配系數(shù)n如圖13所示。根據(jù)疲勞分析結(jié)果，估計(jì)在周期為ca3.6X105時(shí)，橋殼表面F1區(qū)域會(huì)發(fā)生裂紋開裂，該數(shù)值低于預(yù)測(cè)值為5x105周期的最小疲勞壽命。此處n的最小值為0. 93。在橋殼的內(nèi)表面，最大應(yīng)力集中發(fā)生處F2區(qū)域的n值最小，計(jì)算結(jié)果為0.767。這意味著，在垂直應(yīng)力測(cè)試中區(qū)域F1和F2會(huì)在載荷周期5X105 前發(fā)生疲勞幵裂。 5.結(jié)構(gòu)及討論 有限元分析顯示在垂直疲勞測(cè)試中出現(xiàn)疲勞破壞的區(qū)域存在應(yīng)力集中，該應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致在最小預(yù)測(cè)周期5X105前出現(xiàn)過(guò)早破壞。此結(jié)果與垂直疲勞試驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)相同。增大橋殼的疲勞壽命需減小應(yīng)力集中。減小應(yīng)力集中，增大疲勞壽命的最簡(jiǎn)單的方法是金屬壁的厚度。然而，在F1F2區(qū)域外橋殼符合無(wú)限壽命周期條件。增加金屬筆厚度導(dǎo)致了不必要的重量增加。例如，增加厚度0.5mm，使得橋殼材料在臨界區(qū)域的疲勞極限提高到了超過(guò)5. 85X105周期，此極限超過(guò)了設(shè)計(jì)的疲勞極限。另一方面，這也意味著提高了汽車非簧載質(zhì)量5%的重量。所以這并不是實(shí)用的解決方法。作為另一種解決方法，可從新設(shè)計(jì)過(guò)渡區(qū)域的幾何形狀。平整的過(guò)渡區(qū)幾何形狀可提高疲勞痔命而不增加重量。 此外，加固環(huán)的形狀也對(duì)應(yīng)力集中產(chǎn)生影響。在所研究的該橋殼設(shè)計(jì)中，加固環(huán)的厚度為20mm。為了預(yù)測(cè)加固環(huán)的影響，在沒(méi)有加固環(huán)的情況下又進(jìn)行了一次有限元分析。在臨界區(qū)域F2處的最大分布應(yīng)力為428MPa。這意味著，實(shí)用加固環(huán)大約減少了10%的應(yīng)力集中。通過(guò)增加此部分的厚度，可能會(huì)增加硬度。在此設(shè)計(jì)中，由于動(dòng)力系統(tǒng)外形的限制，增加的厚度為5mm。根據(jù)此加固環(huán)的外形變化 進(jìn)行靜態(tài)疲勞分析。然而，分析顯示疲勞強(qiáng)度的增加均為其自身的，因此橋殼的疲勞壽命不會(huì)增加到超過(guò)設(shè)計(jì)最小載荷周期5X105倍的程度。因此，増加加固環(huán)的厚度可與從新設(shè)計(jì)過(guò)渡區(qū)幾何形狀同時(shí)使用。 圖13下殼體安全系數(shù)分布 6.總結(jié) 運(yùn)用有限元分析方法對(duì)卡車后橋殼模型的早期疲勞失效進(jìn)行分析。在分析中，通過(guò)模擬垂直疲勞試驗(yàn)過(guò)程，預(yù)測(cè)應(yīng)力集中區(qū)在班卓過(guò)渡區(qū)域。發(fā)生疲勞開裂的區(qū)域與分析所得結(jié)果相吻合。通過(guò)有限元分析可預(yù)測(cè)破壞發(fā)生的位置。 通過(guò)穩(wěn)態(tài)和循環(huán)張應(yīng)力確定臨界區(qū)域。裂縫導(dǎo)致破壞發(fā)生在橋殼的應(yīng)力集中區(qū)域。盡管橋殼模型負(fù)荷最大垂直載荷靜態(tài)忍耐條件，分析顯示，如果為循環(huán)載荷，疲勞破壞可能在預(yù)測(cè)的最小周期5X105前發(fā)生。有限元分析同樣可用于估計(jì)疲勞失效開始前的周期數(shù)。 為了解決該問(wèn)題，増加金屬管壁的厚度因?yàn)闀?huì)增加橋殼的重量，所以并不是實(shí)用的方法。重新設(shè)計(jì)班卓過(guò)渡區(qū)和增加加固環(huán)的厚度，這種符合最小設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的途徑，也許是增強(qiáng)疲勞壽命的好方法。 感謝 這篇論文在土耳其伊茲密爾市的Ege Endustri ve Ticaret A.S.的幫助下完成。作者同時(shí)也對(duì)來(lái)自Dokuz Eylul大學(xué)的E. Cmar Yeni博士和Pamukkale大學(xué)的Cemal Meran博士的批評(píng)與建議表示感謝。 譯文原文出處：M.M. Topac, H. Gunal, N.S. Kuralay. Fatigue failure prediction of a rear axle housing prototype by using finite element analysis[J]. Engineering Failure Analysis，(16)2009,:1474-1482. 第10頁(yè) 共10頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 題 目 20噸輪式挖掘機(jī) 后橋橋殼設(shè)計(jì)與分析 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 08級(jí)機(jī)械制造1班 學(xué) 生 指導(dǎo)教師 重慶交通大學(xué) 2012 年 前　言 2010年，我國(guó)挖掘機(jī)行業(yè)延續(xù)了2009年的發(fā)展態(tài)勢(shì)，在政府加大基建投資、推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè)等多種政策疊加效應(yīng)的作用拉動(dòng)下，實(shí)際累計(jì)銷售總量超過(guò)16.5萬(wàn)臺(tái)，比2009年增長(zhǎng)74.5%。2011年上半年，中國(guó)境內(nèi)25家主要挖掘機(jī)制造商銷售挖掘機(jī)12.8萬(wàn)臺(tái)，比2010年同期增長(zhǎng)31.98%，。受國(guó)家推動(dòng)的大規(guī)?；ㄓ?jì)劃和房地產(chǎn)行業(yè)投資景氣的影響，中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)將會(huì)有進(jìn)一步的增長(zhǎng)。未來(lái)挖掘機(jī)行業(yè)前景看好，中西部地區(qū)和東北地區(qū)隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的加快和施工項(xiàng)目的增多，對(duì)挖掘機(jī)的需求量也將逐年增大。但行業(yè)中產(chǎn)銷量80%為日、韓、美等外資所占。有據(jù)統(tǒng)計(jì)，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家輪挖需求量約占挖掘機(jī)需求總量的12％，有的甚至達(dá)到70—80％，應(yīng)用十分廣泛。而我國(guó)的輪挖僅為3％左右，故從世界范圍輪挖我國(guó)的應(yīng)用有待挖掘。 輪式挖掘機(jī)是鏟土運(yùn)輸機(jī)械中的機(jī)種之一，輪式挖掘機(jī)是輪胎行走、周期作業(yè)、建筑型的挖掘機(jī)。其以行走速度快、能遠(yuǎn)距離自行轉(zhuǎn)場(chǎng)及可快速更換多種作業(yè)裝置的機(jī)動(dòng)、靈活、高效的特點(diǎn)，在機(jī)場(chǎng)、港口、油田、礦藏、城鄉(xiāng)建設(shè)、農(nóng)田水利、快速搶修等物料挖掘、搬移方面得到充分利用。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，工程機(jī)械特別是輪式挖掘機(jī)產(chǎn)品在產(chǎn)量、品種和技術(shù)水平上有了一定的發(fā)展。從輪式挖掘機(jī)長(zhǎng)期需求市場(chǎng)分析，估計(jì)近幾年會(huì)有一定的增長(zhǎng)，而且主要品種仍會(huì)以中、小噸位產(chǎn)品為主。目前，我國(guó)生產(chǎn)輪式挖掘機(jī)的企業(yè)約在10家左右，其中有3家合資公司，如中美合資貴州詹陽(yáng)機(jī)械工業(yè)有限公司，不久前他們開發(fā)生產(chǎn)的高速行駛輪式挖掘機(jī)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。其最新開發(fā)的高速行駛輪式挖掘機(jī)每小時(shí)行駛速度達(dá)54 km，實(shí)輪式挖掘機(jī)行駛速度的重大突破。 驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)特性不但直接影響著其本身的強(qiáng)度，而且也對(duì)整車的舒適性和平順性有著至關(guān)重要的影響。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行模態(tài)分析，掌握和改善其振動(dòng)特性，是設(shè)計(jì)中的重要方面。另外，模態(tài)分析也是進(jìn)一步的諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的前提。 目　錄 摘 要----------------------------------------------------------------- Abstract--------------------------------------------------------------- 第1章 緒論 1.1 國(guó)外、國(guó)內(nèi)研究概況----------------------------------------------1 1.2 市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)----------------------------------------------------1 1.3 模態(tài)分析--------------------------------------------------------3 1.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)------------------------------------------------4 第2章 橋殼的基本參數(shù)確定 2.1 后橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理----------------------------------------6 2.2 選擇橋殼方案設(shè)計(jì)------------------------------------------------7 第3章 具體設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算--------------------------------------------11 3.2 在不平路面沖擊載荷作用下的橋殼計(jì)算------------------------------12 3.3 最大牽引力行駛時(shí)的橋殼計(jì)算--------------------------------------12 3.4 制動(dòng)時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算--------------------------------------------15 3.5受最大側(cè)向力時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算------------------------------------18 第4章 進(jìn)行整體的力學(xué)分析 4.1 基于por/e三維模型分析------------------------------------------24 4.2 基于mchanicica受力分析-----------------------------------------25 4.2.1 挖掘機(jī)靜止垂直載荷工況--------------------------------------26 4.2.2 挖掘機(jī)在不平路面沖擊載荷作用下的工況------------------------28 4.2.3 挖掘機(jī)在最大牽引力行駛時(shí)的工況------------------------------30 4.2.4 挖掘機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)的工況--------------------------------------32 4.2.5 挖掘機(jī)受最大側(cè)向力時(shí)的工況----------------------------------34 第5章 優(yōu)化設(shè)計(jì)--------------------------------------------------------37 第6章 結(jié)論與展望------------------------------------------------------47 致 謝-------------------------------------------------------------------48 參考文獻(xiàn)----------------------------------------------------------------49 摘要 挖掘機(jī)是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設(shè)工程的機(jī)械。由于挖掘機(jī)具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此它成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機(jī)種之一。挖掘機(jī)的后驅(qū)動(dòng)橋是挖掘機(jī)的重要部件，負(fù)責(zé)向外輸出動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)橋作為輪式挖掘機(jī)底盤傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部分，處于傳動(dòng)系統(tǒng)的末端，傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，其工作性能的好壞直接影響到整機(jī)的工作性能。 驅(qū)動(dòng)橋的功用是通過(guò)主傳動(dòng)改變轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)軸線的方向，把縱置發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳到橫置驅(qū)動(dòng)橋兩邊的驅(qū)動(dòng)輪上。通過(guò)主傳動(dòng)錐齒輪改變傳力方向，通過(guò)主傳動(dòng)和最終傳動(dòng)將變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩增大；通過(guò)差速器解決左右差速問(wèn)題，減小輪胎磨損和轉(zhuǎn)向阻力，從而協(xié)助轉(zhuǎn)向。此外驅(qū)動(dòng)橋殼還起承重和傳力作用。后橋橋殼的質(zhì)量對(duì)整車的安全使用及整車性能的影響是非常大的，因而對(duì)后橋進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元分析是非常必要的。本文主要分析研究受力情況及穩(wěn)態(tài)分析、模態(tài)分析、失穩(wěn)分析等。 關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)，后驅(qū)動(dòng)橋，后橋橋殼，有限元分析 冉毅：20噸輪式挖掘機(jī)后橋橋殼設(shè)計(jì)與分析 ABSTRACT The excavator is widely used for highway, railway, constructions, water and electricity, ports, mining and other engineering construction machinery. Because of high working speed, high efficiency and convenient operation ofthe excavator,therefore it becomes one of the main engineering machinery which are used for construction conditions.The drive axle is an important part of the is excavator,and it is responsible for the power output.As a key component of the wheel excavators’ chassis transmission system,the drive axle is at the end of the drive system, and it transmits bigger torque.Their performance has a direct influence on the performance of the work. The function of the drive axle is to change the direction of the axis of rotation torque through the main drive, and transmits the torque on the longitudinal buy engine to both sides of the drive wheels. Through the main transmission,the bevel gear change the direction of the force.Through the main transmission and final drive to the gearbox,the output shaft’s speed will be reduced,and the torque will be increased.With the differential problem being solved, the tire wear and resistance will be reduced and help to veer. In addition,the driving axle shell can bear the weight and transmit the force.The quality of the rear axle shell has a great influence on the safety of the complete vehicle bridge and the performance of the vehicle,therefore it is very necessary to make effective optimized design calculation and finite element analysis for for the driving axle. This paper mainly deals with the stress and steady-state analysis,modal analysis and instability analysis, etc. Keywords: excavator, driving axle after, rear axle shell bridge, and the finite element analysis Ⅱ 二O一二屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第1章 緒論 1.1國(guó)外、國(guó)內(nèi)研究概況 1）輪式工程機(jī)械通常采用全橋驅(qū)動(dòng)，因?yàn)檩喪綑C(jī)械經(jīng)常在荒野土路甚至無(wú)路的場(chǎng)地行駛或作業(yè)，為了使全部重量都用作附著，從而獲得更大的牽引力。 2)驅(qū)動(dòng)橋的速比大，多采用輪邊減速，因?yàn)榧词怪鱾鲃?dòng)器采用兩級(jí)減速也不能達(dá)到這樣的傳動(dòng)比，而且如果增大主傳動(dòng)器速比，必然造成橋殼尺寸或半軸直徑的加大，使機(jī)械得離地間歇減小，通過(guò)性降低，設(shè)置輪邊減速器就可以減小主傳動(dòng)裝置、差速器齒輪的半軸上傳遞的扭矩。 主傳動(dòng)器采用螺旋錐齒輪，較直齒和零度圓弧錐齒輪可減少齒數(shù)，從而減少橋重量和尺寸，另外由于它屬于斜齒傳動(dòng)，因而同時(shí)嚙合工作的齒數(shù)可較多，齒輪的強(qiáng)度大，工作均勻且噪聲小。 國(guó)外工程機(jī)械的驅(qū)動(dòng)橋已普遍采用限滑差速器（No-spin牙嵌式或多片摩擦盤式）、濕式行車制動(dòng)器等先進(jìn)技，限滑差速器大大提高了主機(jī)的牽引性能，同時(shí)減少了輪胎的磨損。而濕式行車制動(dòng)器則提高了主機(jī)的安全性能，簡(jiǎn)化了維修工作。 1.2 國(guó)內(nèi)外輪式挖掘機(jī)的市場(chǎng)需求預(yù)測(cè) 目前國(guó)內(nèi)輪式挖掘機(jī)主要有兩大類，一種是可以360度回轉(zhuǎn)的輪式挖掘機(jī)，采用專用底盤，價(jià)位一般比較高，動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)元；另一類是只能有180度轉(zhuǎn)角的經(jīng)濟(jì)適用型輪式挖掘機(jī)，多是在農(nóng)用小型拖拉機(jī)上改裝而成。 輪式挖掘機(jī)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)360回轉(zhuǎn)輪式挖掘機(jī)從國(guó)內(nèi)情況看，近幾年360?；剞D(zhuǎn)輪式挖掘機(jī)的市場(chǎng)容量為600臺(tái)左右，僅占國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)銷量的3％左右，銷售額大約為3.5億元。從國(guó)際市場(chǎng)情況看，2001年前后，全球大中型履帶式挖掘機(jī)銷量約為9.1萬(wàn)臺(tái)，小型履帶式挖掘機(jī)銷量約為9.6萬(wàn)臺(tái)，履帶式挖掘機(jī)合計(jì)18.7萬(wàn)臺(tái)，輪式挖掘機(jī)銷量約為1萬(wàn)臺(tái)，輪式挖掘機(jī)、履帶式挖掘機(jī)合計(jì)19.7萬(wàn)臺(tái)，輪式挖掘機(jī)占挖掘機(jī)總量的5．1％。而在近一兩年，全球大中型履帶式挖掘機(jī)銷量在9.5萬(wàn)臺(tái)左右，小型履帶式挖掘機(jī)銷量在10萬(wàn)臺(tái)左右，履帶式挖掘機(jī)合計(jì)9.5萬(wàn)臺(tái)，輪式挖掘機(jī)銷量約為1.2萬(wàn)臺(tái)，輪式挖掘機(jī)、履帶式挖掘機(jī)合計(jì)20.7萬(wàn)臺(tái)，輪式挖掘機(jī)占總銷量的5.8％。在部分發(fā)達(dá)國(guó)家，其輪式挖掘機(jī)與履帶式挖掘機(jī)的銷量差距不大，德國(guó)市場(chǎng)上輪式挖掘機(jī)的銷量甚至還超過(guò)了履帶式挖掘機(jī)。國(guó)際市場(chǎng)上輪式挖掘機(jī)所占比重有所上升但上升幅度不大，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的輪式挖掘機(jī)市場(chǎng)容量與國(guó)際平均水平相比尚有上升空間。國(guó)際市場(chǎng)上，在國(guó)際市場(chǎng)上，無(wú)論是從主要廠家的生產(chǎn)銷售情況，還是從輪式挖掘機(jī)參加重要的行業(yè)展會(huì)的情況來(lái)看，13～20 t級(jí)輪式挖掘機(jī)在整個(gè)360度?；剞D(zhuǎn)輪式挖掘機(jī)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位是毋庸質(zhì)疑的。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上360度回轉(zhuǎn)輪式挖掘機(jī)多數(shù)為合資或進(jìn)口品牌。合資或進(jìn)口品牌中，以現(xiàn)代和大宇在輪式挖掘機(jī)市場(chǎng)所占份額最大，他們從1999年在國(guó)內(nèi)挖掘機(jī)市場(chǎng)出現(xiàn)高速增長(zhǎng)時(shí)推出輪式挖掘機(jī)，取得了較好的銷售業(yè)績(jī)，但絕對(duì)數(shù)量尚低，沒(méi)有形成規(guī)模。目前，大宇輪式挖掘機(jī)占其年銷量的2．5％左右，現(xiàn)代占5％左右。國(guó)內(nèi)主要廠家，生產(chǎn)銷售的輪式挖掘機(jī)型號(hào)也以13～20t級(jí)產(chǎn)品為主，6～8 t級(jí)輪式挖掘機(jī)產(chǎn)品雖有生產(chǎn)，但銷量與1 3～20 tA的輪式挖掘機(jī)相比有很大差距。這與國(guó)際市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是相吻合的。國(guó)內(nèi)360度回轉(zhuǎn)輪式挖掘機(jī)市場(chǎng)上的主要品牌。從用戶角度考慮，13—16 t級(jí)的輪式挖掘機(jī)有著比較好的經(jīng)濟(jì)性：13～16 t級(jí)輪式挖掘機(jī)斗容在0.5～0.6 立方米左右，合資進(jìn)口品牌售價(jià)在50萬(wàn)元左右，國(guó)產(chǎn)品牌在這一級(jí)別上并無(wú)價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且質(zhì)量性能方面均有差距：6～8 t級(jí)輪式挖掘機(jī)斗容僅為0.25～O.35左右，國(guó)產(chǎn)、合資及進(jìn)口品牌售價(jià)均在42萬(wàn)元以上。 180轉(zhuǎn)角輪式挖掘機(jī)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家眾多，但其售價(jià)一般都比較低，而工作效率高，能夠滿足農(nóng)村市場(chǎng)的一般使用要求，其價(jià)格也在農(nóng)村所能承受的范圍之內(nèi)，因而從問(wèn)世之初就受到廣大農(nóng)村用戶的青睞，近幾年年銷量一直穩(wěn)定在3000臺(tái)左右。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，平整土地、溝渠開挖、村村通公路建設(shè)、新城鎮(zhèn)建設(shè)等施工項(xiàng)目增多，這種輪式挖掘機(jī)在農(nóng)村有著廣闊的市場(chǎng)。 根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)與工程機(jī)械相關(guān)產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)的分析，同時(shí)根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體態(tài)勢(shì)，特別是機(jī)械工業(yè)和全社會(huì)固定資產(chǎn)投資相關(guān)發(fā)展情況分析，預(yù)計(jì)“十五”期間，工程機(jī)械行業(yè)將得到較快發(fā)展。據(jù)此分析預(yù)測(cè)，2005年工程機(jī)械需求總值為760億元左右。挖掘機(jī)行業(yè)占工程機(jī)械行業(yè)產(chǎn)值在10%--12%，總需求量在75億元到90億元之間。而輪式挖掘機(jī)占挖掘機(jī)行業(yè)產(chǎn)值的2.5%--4.5%，總需求量在1.8億元到4億元之間。從近幾年我國(guó)工程機(jī)械市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，我國(guó)輪式挖掘機(jī)市場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有飽和，有一定的發(fā)展空間。據(jù)工程機(jī)械“十五”規(guī)劃披露，“十五”期間，工程機(jī)械行業(yè)面臨著新的重大發(fā)展機(jī)遇。 (1) 交通運(yùn)輸，從全國(guó)的形勢(shì)來(lái)看，“十五”期間交通建設(shè)除重點(diǎn)開發(fā)西部地區(qū)外，主要集中在三個(gè)方面:一是建設(shè)國(guó)際與國(guó)內(nèi)地區(qū)間的運(yùn)輸大通道，即南北運(yùn)輸大通道、東西運(yùn)輸大通道、進(jìn)出關(guān)通道、進(jìn)出西南地區(qū)通道、進(jìn)出西北地區(qū)通道、“三西，能源基地煤炭外運(yùn)通道、國(guó)際間運(yùn)輸通道。二是提高快速運(yùn)輸能力，為提高港口碼頭、鐵路貨站的物資搬運(yùn)效率，增加現(xiàn)代化的搬運(yùn)設(shè)備。三是城市公共交通干道建設(shè)，隨著城市人口和交通車輛的增加，迫切需要解決交通擁堵現(xiàn)象。道路建設(shè)發(fā)展，必將帶動(dòng)工程機(jī)械需求的增長(zhǎng)發(fā)展。 (2)水利水電建設(shè)水利水電建設(shè)是我國(guó)“十五”期間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，投資領(lǐng)域的重點(diǎn)。在水利建設(shè)上，從“十五”計(jì)劃開始至2020年，重點(diǎn)是對(duì)全國(guó)七大水系進(jìn)行綜合治理，對(duì)湖泊、河道進(jìn)行清淤、疏浚、退田還湖、加固興修堤壩。這是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)，需要開發(fā)的新產(chǎn)品任務(wù)很多，具有較大的潛在市場(chǎng)。同時(shí)為改變南澇北早的地域經(jīng)濟(jì)差別，實(shí)施西部大開發(fā)，國(guó)家正在規(guī)劃論證實(shí)施東、中、西二條線南水北調(diào)的宏偉工程。 1.3 模態(tài)分析 模態(tài)分析是對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析研究的最先進(jìn)的現(xiàn)代化方法與手段之一。它可以定義為對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的解析分析（有限元分析）和實(shí)驗(yàn)分析（實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析），其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來(lái)表征。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的特征值和特征向量；而在實(shí)驗(yàn)方面，則是測(cè)得的系統(tǒng)的極點(diǎn)（固有頻率和阻尼）和振型（模態(tài)向量）。模態(tài)分析技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)是在對(duì)系統(tǒng)做動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，用模態(tài)坐標(biāo)代替物理學(xué)坐標(biāo)，從而可大大壓縮系統(tǒng)分析的自由度數(shù)目，分析精度較高。對(duì)于大型復(fù)雜的系統(tǒng)，比如挖掘機(jī)，可以采用子結(jié)構(gòu)分析方法。它是把復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)劃分為各子結(jié)構(gòu)，分別對(duì)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析或?qū)嶒?yàn)?zāi)B(tài)分析，取得子結(jié)構(gòu)的動(dòng)力模型及其特性參數(shù)，再將子結(jié)構(gòu)按照一定方法綜合成一整體進(jìn)行分析，是一種有效縮減自由度的方法。驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)特性不但直接影響著其本身的強(qiáng)度，而且也對(duì)整車的舒適性和平順性有著至關(guān)重要的影響。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行模態(tài)分析，掌握和改善其振動(dòng)特性，是設(shè)計(jì)中的重要方面。另外，模態(tài)分析也是進(jìn)一步的諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的前提。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)對(duì)剛投入使用的驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行模態(tài)分析，得到了所研究驅(qū)動(dòng)橋的前幾階固有頻率和模態(tài)振型，并由此進(jìn)一步指出了使用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。 橋殼的設(shè)計(jì)褚志剛等通過(guò)模態(tài)分析方法找到了某挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的破壞原因。該驅(qū)動(dòng)橋殼在使用中中部區(qū)域常出現(xiàn)裂紋，靜強(qiáng)度計(jì)算表明該橋殼靜應(yīng)力分布合理，破壞區(qū)的靜應(yīng)力很小。模態(tài)分析中橋殼的前九階頻率在路面譜頻率范圍內(nèi)，在路面譜的激勵(lì)下很容易引起垂直方向的共振。進(jìn)一步的強(qiáng)迫振動(dòng)分析表明，中部某些部位應(yīng)力超過(guò)了材料的強(qiáng)度極限，動(dòng)態(tài)特性不好，動(dòng)強(qiáng)度不足是破壞的根本原因。這不但說(shuō)明模態(tài)分析在驅(qū)動(dòng)橋的研究和設(shè)計(jì)中有著具體的應(yīng)用，而且還是必要的。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法不足以解決挖掘機(jī)關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)承載強(qiáng)度問(wèn)題。對(duì)于車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)中的許多重要零部件的強(qiáng)度、剛度計(jì)算問(wèn)題，傳統(tǒng)的方法通常都要對(duì)復(fù)雜的幾何形狀、受力狀況和約束狀態(tài)等進(jìn)行較大的簡(jiǎn)化，并只能應(yīng)用一些較為簡(jiǎn)單的力學(xué)公式對(duì)簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行粗略估算，一般計(jì)算結(jié)果與世紀(jì)情況都有一定的差別。為安全可靠起見，常常要選擇過(guò)大的安全系數(shù)，結(jié)果使結(jié)構(gòu)尺寸和體積重量偏大；同時(shí)，由于計(jì)算粗略，也可能出現(xiàn)某些薄弱環(huán)節(jié)或結(jié)構(gòu)局部的強(qiáng)度或剛度不能滿要求的現(xiàn)象。按照國(guó)外的樣車、樣機(jī)進(jìn)行測(cè)繪仿制，或在測(cè)試、使用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后再對(duì)設(shè)計(jì)方案加以改進(jìn)，都不能算是真正的解決問(wèn)題的途徑。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的有限元方法是一種分析計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)極為有效的數(shù)值計(jì)算方法。它先將連續(xù)的分析對(duì)象剖分成由有限個(gè)單元組成的離散組合體，運(yùn)用力學(xué)知識(shí)分析每個(gè)單元的力學(xué)特性，再組集各個(gè)單元的特性，組成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的控制方程組，通過(guò)計(jì)算，得到整個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)等這種方法的整個(gè)計(jì)算過(guò)程十分規(guī)范，主要步驟都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成，是一種十分有效的分析方法。由于有限元工程分析旨在確定由作用于集體結(jié)構(gòu)上的外部載荷所引起的應(yīng)力和應(yīng)變，從而判斷集體結(jié)構(gòu)承受各種嚴(yán)重載荷時(shí)滿足規(guī)定強(qiáng)度、剛度要求的能力，因此它除用于靜強(qiáng)度校核外，還能作為耐久性分析、損傷容限分析、設(shè)計(jì)階段研制試驗(yàn)項(xiàng)目選擇、關(guān)鍵部位的確定、材料選擇，以及作為強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)中選擇載荷情況等的依據(jù)。同時(shí)，它也是全機(jī)或部件傳力分析的重要手段。 1.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn) 存在的問(wèn)題： 沖壓焊接式橋殼在使用中多次出現(xiàn)了橋殼焊接處脫焊開裂問(wèn)題，疲勞性能差，超載易變形，主減速器齒輪正常嚙合受影響，噪聲大，降低了驅(qū)動(dòng)橋總成的使用壽命。 鑄造中可能由于成分控制不良，導(dǎo)致橋殼斷裂；生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量失控，使得鑄件材料組織不良，特別是Cr、Mn超差(高)嚴(yán)重．產(chǎn)品鑄后的熱處理不當(dāng)，無(wú)法有效地改善鑄件的組織和機(jī)械性能．導(dǎo)致產(chǎn)品材料的機(jī)械性能指標(biāo)中重要的韌性和機(jī)械性能．導(dǎo)致產(chǎn)品材料的機(jī)械性能指標(biāo)中重要的韌性 使得產(chǎn)品材料的韌性不足，破斷抗力減弱。 凹凸不平的砂石路面，橋殼在嚴(yán)重超載的情況下，承受超負(fù)荷的沖擊力而突然斷裂；橋殼局部結(jié)構(gòu)單薄，橋殼斷裂位置存在著明顯的應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)過(guò)渡不夠平滑。 4）由于一些材料的焊接性能不良，加之Cr、Mn的含量超高，更降低了材料的焊接性能，增加了鑄件的成分偏析和熱裂、縮孔傾向，也使支架與橋殼的外圓側(cè)面的焊接和焊接后仍按原工藝的加工已不能滿足產(chǎn)品的要求，使得在 焊接區(qū)域的母材一側(cè)所形成的淬火馬氏體組織不能充分焊接區(qū)域的母材一側(cè)所形成的淬火馬氏體組織不能充分大幅減弱，機(jī)械性能進(jìn)一步惡化．在應(yīng)力的作用下在此區(qū)域產(chǎn)生了裂紋源，而破斷抗力過(guò)低，致使產(chǎn)品(橋殼)在此發(fā)生脆斷失效 制造改進(jìn)：從橋殼的制造工藝、車橋的減速形式、車輪的制動(dòng)方式等方面入手，更改橋殼內(nèi)部尺寸，在不改變橋殼外部輪廓尺寸的前提下，增加橋殼內(nèi)部斷裂部位的壁厚以提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； 在不影響整車布置的條件下，對(duì)橋殼外部輪廓尺寸進(jìn)行修改，盡量使橋殼整個(gè)長(zhǎng)度方向上過(guò)渡較為圓滑，保證應(yīng)力分布趨于合理。同時(shí)，對(duì)材質(zhì)和工藝進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整; 鑄造過(guò)程中的爐前分析對(duì)成分要嚴(yán)格控制，鑄后材料成分特別是Cr，Mn含量不合格的不得流轉(zhuǎn)，需回爐重新鑄造加工;鑄件熱處理正火的冷卻必須均勻，正火后增加高溫回火處理; 5)支架與橋殼的外圓側(cè)面焊接前必須對(duì)橋殼焊接部 位進(jìn)行預(yù)熱處理，焊接后及時(shí)回火，以消除因焊接對(duì)橋殼材料的組織和應(yīng)力的影響。 驅(qū)動(dòng)橋的振動(dòng)特性不但直接影響著其本身的強(qiáng)度，而且也對(duì)整車的舒適性和平順性有著至關(guān)重要的影響。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行模態(tài)分析，掌握和改善其振動(dòng)特性，是設(shè)計(jì)中的重要方面。另外，模態(tài)分析也是進(jìn)一步的諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析的前提。 橋殼應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，以利于降低成本。其結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證主減速器的拆裝、調(diào)整、維修和保養(yǎng)方便。 第二章 橋殼的基本參數(shù)確定 2.1 后橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理 橋殼大致可分為可分式、整體式和組合式三種形式。 可分式橋殼：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝性好，主減速器支承剛度好。但拆裝、調(diào)整、維修很不方便，橋殼的強(qiáng)度和剛度受結(jié)構(gòu)的限制，曾用于輕型挖掘機(jī)上，現(xiàn)已較少使用。 整體式橋殼：具有強(qiáng)度和剛度較大，主減速器拆裝、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。 圖2-1 圖2-2 組合式橋殼：從動(dòng)齒輪軸承的支承剛度較好，主減速器的裝配、調(diào)整比可分式橋殼 方便。然而要求有較高的加工精度。常用于轎車、輕型貨車中。 驅(qū)動(dòng)橋處于動(dòng)力傳動(dòng)系的末端。將萬(wàn)向傳動(dòng)裝置輸入的動(dòng)力經(jīng)降速增扭后，改變傳動(dòng)方向，然后分配給左右驅(qū)動(dòng)輪，且允許左右驅(qū)動(dòng)輪以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。增大由傳動(dòng)軸或變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，并將動(dòng)力合理地分配給左、右驅(qū)動(dòng)輪；承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力。如圖2-2。 20噸挖掘機(jī)基本參數(shù)： 滿載時(shí)后橋負(fù)荷 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) 額定功率(kw/rpm) 最高行駛速度 駕駛頂部離地高度 20噸 五十鈴ISUZU AI-4HK1X 122/2000 27.5km/h 3230mm 發(fā)動(dòng)機(jī)罩離地高度 橋殼設(shè)計(jì)的安全系數(shù) 長(zhǎng)×寬×高 鏟斗容量m3 鏟斗挖掘力kN 2620mm 4 9455x2530x3240 0.91 m3 151kN 軸距mm 輪距mm 最小離地間隙mm 尾部長(zhǎng)度mm 2800 1900 345 2785 輪子規(guī)格 層級(jí) 輪輞型式 充氣外緣 尺寸 最大 負(fù)荷 kg 使用氣壓 kpa 花紋分類代號(hào) 標(biāo)準(zhǔn) 輪輞 許用 輪輞 斷面寬 外直徑 13.00-24TG 12 8.00TG 10.00VA 330mm 1280 5600 450 E-2/L-2 表2-1 20噸挖掘機(jī)基本參數(shù) 2.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算 2.2.1 半軸的型式 普通非斷開式驅(qū)動(dòng)橋的半軸，根據(jù)其外端的支承型式或受力狀況的不同而分為半浮式、3/4浮式和全浮式三種。 半浮式半軸以靠近外端的軸頸直接支承在置于橋殼外端內(nèi)孔中的軸承上，而端部則以具有錐面的軸頸及鍵與車輪輪轂相固定，或以突緣直接與車輪輪盤及制動(dòng)鼓相聯(lián)接)。因此，半浮式半軸除傳遞轉(zhuǎn)矩外，還要承受車輪傳來(lái)的彎矩。由此可見，半浮式半軸承受的載荷復(fù)雜，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、尺寸緊湊、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)。用于質(zhì)量較小、使用條件較好、承載負(fù)荷也不大的轎車和輕型載貨汽車。 3/4浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是半軸外端僅有一個(gè)軸承并裝在驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的部，直接支承著車輪輪轂，而半軸則以其端部與輪轂相固定。由于一個(gè)軸承的支承剛度較差，因此這種半軸除承受全部轉(zhuǎn)矩外，彎矩得由半軸及半軸套管共同承受，即3/4浮式半軸還得承受部分彎矩，后者的比例大小依軸承的結(jié)構(gòu)型式及其支承剛度、半軸的剛度等因素決定。側(cè)向力引起的彎矩使軸承有歪斜的趨勢(shì)，這將急劇降低軸承的壽命?？捎糜谵I車和輕型載貨汽車，但未得到推廣。 全浮式半軸的外端與輪轂相聯(lián)，而輪轂又由一對(duì)軸承支承于橋殼的半軸套管上。多采用一對(duì)圓錐滾子軸承支承輪轂，且兩軸承的圓錐滾子小端應(yīng)相向安裝并有一定的預(yù)緊，調(diào)好后由鎖緊螺母予以鎖緊，很少采用球軸承的結(jié)構(gòu)方案。由于車輪所承受的垂向力、縱向力和側(cè)向力以及由它們引起的彎矩都經(jīng)過(guò)輪轂、輪轂軸承傳給橋殼，故全浮式半軸在理論上只承受轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩。但在實(shí)際工作中由于加工和裝配精度的影響及橋殼與軸承支承剛度的不足等原因，仍可能使全浮式半軸在實(shí)際使用條件下承受一定的彎矩，彎曲應(yīng)力約為5～70MPa。具有全浮式半軸的驅(qū)動(dòng)橋的外端結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需采用形狀復(fù)雜且質(zhì)量及尺寸都較大的輪轂，制造成本較高，故轎車及其他小型汽車不采用這種結(jié)構(gòu)。但由于其工作可靠，故廣泛用于輕型以上的各類汽車上。 2.2.1半軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率出來(lái)傳給液力變矩器，液力變矩器在將動(dòng)力傳給主離合器，之后傳給變速箱，最后到達(dá)驅(qū)動(dòng)橋的主動(dòng)錐齒輪軸。 由已知參數(shù)，求得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 （2-1） 由最高車速為27.5km/h=458.3m/min，則根據(jù)車輪直徑1280mm知每轉(zhuǎn)行走4m，車輪最高轉(zhuǎn)速為 最低傳動(dòng)比 （2-2） 全浮式半軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 本課題采用帶有凸緣的全浮式半軸，其詳細(xì)的計(jì)算校核如下，全浮式半軸計(jì)算載荷的確定，全浮式半軸只承受轉(zhuǎn)矩，其計(jì)算轉(zhuǎn)矩按下式進(jìn)行： T=ξTemaxig1i0 （2-3） 式中：ξ——差速器的轉(zhuǎn)矩分配系數(shù)，對(duì)圓錐行星齒輪差速器可?。?.6； ig1——變速器1擋傳動(dòng)比；取i=7.6 i0——主減速比。 已知：Temax＝582Nm；ig1＝7.6； i0＝4；=0.6 計(jì)算結(jié)果：T=0.6×582×7.6×4 =16587 在設(shè)計(jì)時(shí)，全浮式半軸桿部直徑的初步選取可按下式進(jìn)行： （2-4） 式中d——半軸桿部直徑，mm； T——半軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Nrn； []——半軸扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力，MPa。 給定一個(gè)安全系數(shù) k=1.5,，設(shè)計(jì)取70mm 半軸直徑 車輪中線至鋼板彈簧座中心距離 兩鋼板彈簧座中心間的距離 最高速時(shí)傳動(dòng)比 主減速比 一檔減速比 70mm 250mm 1400mm 17.4 4 7.6 表2-2 計(jì)算尺寸 第3章 具體設(shè)計(jì)計(jì)算 選定橋殼的結(jié)構(gòu)型式以后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行受力分析。選擇其斷面尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的橋殼是挖掘機(jī)上的主要承載構(gòu)件之一，其形狀復(fù)雜，而挖掘機(jī)的行駛條件如路狀況、氣候條件及車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等又是千變?nèi)f化的，因此要精確地計(jì)算挖掘機(jī)行駛時(shí)作用于橋殼各處應(yīng)力的大小是很困難的。過(guò)去我國(guó)主要是靠對(duì)橋殼樣品進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和整車行駛試驗(yàn)來(lái)考核其強(qiáng)度及剛度，有時(shí)還采用在橋殼上貼應(yīng)變片的電測(cè)方法，使挖掘機(jī)在選定的典型路段上滿載行駛，以測(cè)定橋殼的應(yīng)力。這些方法都是在有橋殼樣品的情況下才能采用，而且都需要付出相當(dāng)大的人力、物力和時(shí)間。日本五十鈴公司曾采用略去橋殼后蓋，將橋殼中部安裝主減速器處的凸包簡(jiǎn)化成規(guī)則的環(huán)形的簡(jiǎn)化方法，用彈性力學(xué)進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算。彈性力學(xué)計(jì)算方法本身雖精確，但由于對(duì)橋殼的幾何形狀作了較多的簡(jiǎn)化，使計(jì)算結(jié)果受到很大限制。有限單元法是一種現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，在一定前提條件下，它可以計(jì)算各種機(jī)械零件的幾乎所有幾何部位的應(yīng)力和應(yīng)變。在國(guó)外，20世紀(jì)70年代前后，這種方法就逐漸為挖掘機(jī)零件的強(qiáng)度分析所采用，對(duì)挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度分析也不例外，國(guó)內(nèi)、外都曾用它分析過(guò)挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼的強(qiáng)度。在通常的情況下，在設(shè)計(jì)橋殼時(shí)多采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，這時(shí)將橋殼看成簡(jiǎn)支梁并校核某特定斷面的最大應(yīng)力值。例如，日本有的公司對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的設(shè)計(jì)要求是在2. 5倍滿載時(shí)軸負(fù)荷的作用下，各斷面(彈份座處、橋殼與半軸套管焊接處、輪毅內(nèi)軸承根部圈角處)的應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)屈服極限。我國(guó)通常推薦:計(jì)算時(shí)將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡(jiǎn)化成三種典型的計(jì)算工況，它與前述半軸強(qiáng)度計(jì)算的三種載荷工況相同，即當(dāng)車輪承受最大的鉛垂力(當(dāng)汽軍滿彝若}手禾平路面，受沖擊載荷)時(shí);當(dāng)車輪承受最大切向力(當(dāng)挖掘機(jī)滿載并以最大牽引力行駛和緊急制動(dòng))時(shí);以及當(dāng)車輪承受最大側(cè)向力(當(dāng)挖掘機(jī)滿載側(cè)滑)時(shí)。只要在這三種載荷計(jì)算工況下橋殼的強(qiáng)度得到保證，就認(rèn)為該橋殼在挖掘機(jī)各種行駛條件下是可靠的。 在進(jìn)行上述三種載荷工況下橋殼的受力分析前，還應(yīng)先分析一下挖掘機(jī)滿載靜止于水平路面時(shí)橋殼最簡(jiǎn)單的受力情況，即進(jìn)行橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算。 橋殼的設(shè)計(jì)是一個(gè)參數(shù)探索的過(guò)程，對(duì)于一款橋殼的設(shè)計(jì)首先是參考一款目前已經(jīng)成熟的橋殼參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)修正，將參數(shù)修正后的結(jié)果進(jìn)行理論和有限元分析，查看是否滿足要求，如不滿足，就繼續(xù)修正參數(shù)，直到最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)于本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)，參考了某公司20噸輪式挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行了多次參數(shù)修正和分析，最終得到設(shè)計(jì)模型。 3.1 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算 橋殼猶如一空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支承于車輪上，在平板座處橋殼承受挖掘機(jī)的簧上質(zhì)量，而沿左右輪胎中心線，地面給輪胎以反力/2（雙胎時(shí)則沿雙胎之中心），橋殼則承受此力與車輪重力之差值，即，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3-1所示。 圖3-1橋殼靜彎曲應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖 橋殼按靜載荷計(jì)算時(shí)，在其兩座之間的彎矩M為 (3一l) 式中：——挖掘機(jī)滿載靜止與水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，N； ——車輪（包括輪轂、制動(dòng)器等）的重力，N； ——驅(qū)動(dòng)車輪輪距，m; ——驅(qū)動(dòng)橋殼上兩座中心距離，m. 由彎矩圖可見，橋殼的危險(xiǎn)斷面通常在座附近。通常由于遠(yuǎn)小于/2，且設(shè)計(jì)時(shí)不易準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)可以忽略不計(jì)。而靜彎曲應(yīng)力則為 (3一2) 式中：——見彎矩公式； ——危險(xiǎn)斷面處橋殼的垂向彎曲截面系數(shù)。 見表3—1。 表3-1 截面系數(shù) 斷面形狀 垂向及水平彎曲截面系數(shù) 扭轉(zhuǎn)截面系數(shù) 圓 關(guān)于橋殼在鋼板彈簧座附近的危鹼斷面的形狀甲主要由橋殼的結(jié)構(gòu)型式和制造工藝來(lái)定。匆如對(duì)于鑄造整體式橋殼，籠于采用了鑄造工藝‘所以可將彈簧蜜附近的斷面設(shè)粉成垂向抗彎強(qiáng)度較好的矩形管狀斷面(計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮里邊壓進(jìn)的半軸套管);鋼板沖壓俘接整體式橋殼，在彈簧座附近多為圓管斷面，但當(dāng)橋殼與半軸套管之間的聯(lián)接采用閃先對(duì)捍工藝時(shí)，橋殼危臉斷面的形狀就可設(shè)計(jì)成矩形管狀二從橋殼的使用強(qiáng)度來(lái)看，矩形管獄‘高度方向?yàn)殚L(zhǎng)邊)的比口形管狀的要好。 3.2 在不平路面沖擊載荷作用下的橋殼強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)挖掘機(jī)在不平路面上高速行駛時(shí)，橋殼除了承受靜力狀態(tài)下那部分荷載以外，還承受附加的沖擊載荷。在這兩種載荷總的作用下，橋殼所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力為 MPa （3一3) 式中：——?jiǎng)虞d荷系數(shù)，對(duì)轎車、客車取1.75，對(duì)載荷挖掘機(jī)去2.5，對(duì)越野挖掘機(jī)取3.0； ——橋殼在靜載荷下的彎曲應(yīng)力，MPa. 3.3 挖掘機(jī)以最大牽引力行駛時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算 為了使計(jì)算簡(jiǎn)化，不考慮側(cè)向力，僅按挖掘機(jī)作直線行駛的情況進(jìn)行計(jì)算，另從安全系數(shù)方向考慮。下圖為挖掘機(jī)以最大牽引力行駛時(shí)的受力簡(jiǎn)圖。設(shè)地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋左、右車輪的垂向反作用力、相等，則 (3一4） 式中：——挖掘機(jī)滿載靜止于水平地面時(shí)給地面的總載荷； ——挖掘機(jī)質(zhì)心高度。 圖3-2 而作用在左、右驅(qū)動(dòng)車輪上的轉(zhuǎn)矩引起的地面對(duì)左、右驅(qū)動(dòng)車輪的最大切向反作用力共為 (3—5) 式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·M； --變速器擋傳動(dòng)比； ——驅(qū)動(dòng)橋的主減速比； ——傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率； ——驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑，m 如果忽略，整理上式以后得，并將式(3-5)代人式(3-4)，經(jīng)整理后得 (3一6) 式中：———地面對(duì)一個(gè)后驅(qū)動(dòng)車輪的垂向反作用力，N； ———挖掘機(jī)滿載靜止于水平地面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，N; ———挖掘機(jī)質(zhì)心高度，m; ———挖掘機(jī)軸距，m; ———挖掘機(jī)加速行駛時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。 由上式可知對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋： (3—7） 在設(shè)計(jì)中，當(dāng)上式的某些參數(shù)未給定而無(wú)法計(jì)算出值時(shí)，的值可在下述范圍內(nèi)選??；對(duì)轎車后驅(qū)動(dòng)橋取=1.2~1.4;對(duì)載貨挖掘機(jī)后橋驅(qū)動(dòng)橋取=1.1~1.3。 此時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋殼的左右鋼板彈簧座之間的垂向彎矩為 （3—8） 式中:，，B，s——見式（3—1）下的說(shuō)明。 由于驅(qū)動(dòng)車輪所承受的地面對(duì)其作用的最大切向反作用力，使驅(qū)動(dòng)橋殼也承受著水平方向的彎矩，對(duì)于裝用普通圓錐齒輪差速器的驅(qū)動(dòng)橋，由于其左右驅(qū)動(dòng)車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相等，故有 （3—9） 當(dāng)所裝用的差速器使左、右驅(qū)動(dòng)車輪的轉(zhuǎn)矩不等時(shí)，應(yīng)取驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的那個(gè)車輪所引起的地面切向反作用力代替上式中的 /2值。 橋殼還承受因驅(qū)動(dòng)橋傳遞驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩而引起的反作用力矩，這時(shí)在兩鋼板彈簧座間橋殼承受的轉(zhuǎn)矩T為 (3—10） 式中：———發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·M； ———傳動(dòng)系的最低擋傳動(dòng)比； ——傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率； 當(dāng)橋殼在鋼板彈簧座附近的危險(xiǎn)斷面為圓管截面時(shí)，在該斷面處的合成彎矩為 （3—11） 該危險(xiǎn)斷面處的合成應(yīng)力為 （3—12） 式中：W———危險(xiǎn)斷面處的彎曲截面系數(shù)，見表3—2。 當(dāng)橋殼在鋼板彈簧座附近的危險(xiǎn)斷面為矩形管裝斷面時(shí)，則在該斷面處的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分別為 （3-13） 式中：，——分別為橋殼在兩鋼板彈簧座之間的垂向彎矩和水平彎矩； ，，——分別為橋殼在危險(xiǎn)斷面處的垂向彎曲截面系數(shù)、水品彎曲截面系數(shù)和扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)。見表3—2。 橋殼的許用彎曲應(yīng)力為300~500MPa,許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為150~400MPa,可煅鑄鐵橋殼取最小值，鋼板沖壓焊接橋殼取大值。 下圖給出了挖掘機(jī)以最大牽引力行駛時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋橋殼的受力分析簡(jiǎn)圖。 圖3-11給出了挖掘機(jī)以最大牽引力行駛時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋橋殼的受力分析簡(jiǎn)圖 圖3-3 驅(qū)動(dòng)橋橋殼的受力分析簡(jiǎn)圖 3.4 挖掘機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算 這時(shí)不考慮側(cè)向力。下圖為挖掘機(jī)在緊急制動(dòng)時(shí)的受力簡(jiǎn)圖 圖3—4 挖掘機(jī)在緊急制動(dòng)時(shí)的受力簡(jiǎn)圖 設(shè)地面對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋左右車輪的垂向反作用力、相等，則 （3-14） 式中：———挖掘機(jī)滿載靜止于水平地面時(shí)給地面的總載荷，N； ———挖掘機(jī)質(zhì)心高度，m; ———重力加速度，m/； ———制動(dòng)減速度，m/。 因，故制動(dòng)減速度a為 代入上式得 （3—15） 式中：———驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取=0.75~0.8； ———后驅(qū)動(dòng)橋計(jì)算用的挖掘機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。 由上式可知，對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋而言，為 （3—16） 在設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)、等參數(shù)未給定時(shí)，的值可在下述范圍內(nèi)選取:對(duì)載貨挖掘機(jī)后驅(qū)動(dòng)橋取=0.75~0.95。此時(shí)取0.8 在計(jì)算轎車等的前驅(qū)動(dòng)橋時(shí)，不難求出此時(shí)用的挖掘機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)應(yīng)為 （3—17） 下圖為挖掘機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋殼的受力分析簡(jiǎn)圖。此時(shí)作用在左、右驅(qū)動(dòng)車輪上除有垂向反力/2,尚有切向反力，即地面對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪的制動(dòng)力/2 。因此可求得緊急制動(dòng)時(shí)橋殼在兩鋼板彈簧座之間的垂向彎矩及水平方向的彎矩分別為 （3—18） （3—19） 式中：———挖掘機(jī)制動(dòng)時(shí)的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，計(jì)算后驅(qū)動(dòng)橋殼時(shí)取 橋殼在兩鋼板彈簧座的外側(cè)部分處同時(shí)還承受制動(dòng)力所引起的轉(zhuǎn)矩T，對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋: 圖3—5挖掘機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)后驅(qū)動(dòng)橋橋殼的受力分析簡(jiǎn)圖 橋殼在兩鋼板彈簧座的外側(cè)部分處同時(shí)還承受制動(dòng)力所引起的轉(zhuǎn)矩T，對(duì)后驅(qū)動(dòng)橋： (3-20) 式中：———驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑，m; ———驅(qū)動(dòng)車輪與路面間的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取=0.8 當(dāng)橋殼在鋼板彈簧座附近的危險(xiǎn)斷面為圓管截面時(shí)，在該斷面處的合成彎矩為 （3—21） 該危險(xiǎn)斷面處的合成應(yīng)力為 （3-22） 3.5 挖掘機(jī)受最大側(cè)向力時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)挖掘機(jī)滿載、高速急轉(zhuǎn)彎時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)作用于挖掘機(jī)質(zhì)心處的相當(dāng)大的離心力。挖掘機(jī)也會(huì)由于其他原因而承受側(cè)向力。當(dāng)挖掘機(jī)所承受的側(cè)向力達(dá)到地面給r輪胎的側(cè)向反作用力的最大值即側(cè)向附著力時(shí)，挖掘機(jī)處于側(cè)滑的臨界狀態(tài)，側(cè)向力一旦超過(guò)側(cè)向附著力，挖掘機(jī)則側(cè)滑。因此挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的側(cè)滑條件為 (3—23) 式中：———驅(qū)動(dòng)橋所受的側(cè)向力，N； 、———地面給左、右驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)向反作用力N； ———挖掘機(jī)滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，N ———輪胎與地面間的側(cè)向附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取=1.1 由于挖掘機(jī)產(chǎn)生純粹的側(cè)滑，因此計(jì)算時(shí)可以認(rèn)為地面給輪胎的切向反作用力(例如驅(qū)動(dòng)力或制動(dòng)力)為零。 下圖為挖掘機(jī)向右側(cè)滑時(shí)的受力簡(jiǎn)圖，根據(jù)該圖可求出驅(qū)動(dòng)橋側(cè)滑時(shí)左、右驅(qū)動(dòng)車輪的支承反力為 （3—24） 式中：———挖掘機(jī)滿載時(shí)的質(zhì)心高度，m; ———驅(qū)動(dòng)車輪的輪距,m。 由上式可知，當(dāng)/B時(shí)，=0, =，即在這種情況下，驅(qū)動(dòng)橋的全部荷重側(cè)滑方向一側(cè)的驅(qū)動(dòng)車輪承擔(dān)，這種極端情況對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的強(qiáng)度極為不利，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免這種情況產(chǎn)生，為此應(yīng)盡量降低挖掘機(jī)的質(zhì)心高度。 圖3—6 挖掘機(jī)向右側(cè)滑時(shí)的受力簡(jiǎn)圖 下圖為挖掘機(jī)向右側(cè)滑時(shí)驅(qū)動(dòng)橋上面的車廂受力平衡圖。由該圖可以求出挖掘機(jī)側(cè)滑時(shí)鋼板彈簧對(duì)橋殼的垂向作用力及水平作用力、及水平作用力、。 鋼板彈簧對(duì)驅(qū)動(dòng)橋殼的垂向作用力、為 圖3-7 （3—25） 式中：———挖掘機(jī)滿載時(shí)車廂通過(guò)鋼板彈簧作用在驅(qū)動(dòng)橋上的垂向總載荷，N； ———板簧座上表面離地面的高度，m; S———兩板簧座中心間的距離,m 。 當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋采用全浮式半軸時(shí)，在橋殼兩端的半軸套管上，各裝有一對(duì)輪毅軸承，即輪毅的內(nèi)軸承和外軸承。這些軸承通常都采用圓錐滾子式。它們布置在車輪垂向反作用力的作用線兩側(cè)。通常內(nèi)軸承比外軸承離車輪中心線(即的作用線)更近些。側(cè)滑時(shí)，內(nèi)、外輪毅軸承對(duì)輪毅的徑向支承力、，如下圖所示，可根據(jù)一個(gè)車輪的受力平衡求出。 圖3-8 對(duì)于與側(cè)滑方向相同一側(cè)(即轉(zhuǎn)彎時(shí)的外側(cè))車輪，上圖的右側(cè)車輪來(lái)說(shuō)，輪毅內(nèi)、外軸承的徑向支承力為 （3—26） （3—27） 對(duì)于與側(cè)滑方向相反一側(cè)(即轉(zhuǎn)彎時(shí)的內(nèi)側(cè))的車輪，例如對(duì)上圖的左側(cè)車輪來(lái)說(shuō)，輪毅內(nèi)、外軸承的徑向支承力為 （3—28） （3—29） 上式中：———車輪滾動(dòng)半徑，m; a,b, ,,———見上圖，其中地面給左、右驅(qū)動(dòng)車輪的側(cè)向反作用力、可由下式獲得： N N （3—30） 將由式求得的、、、值代入式，即可求出軸承對(duì)輪毅的徑向支承力，這樣也就求出了輪毅軸承對(duì)半軸套管的徑向支承反力(與上述、力大小相等方向相反)。根據(jù)這些力及橋殼在鋼板彈簧座處的垂向力、，可繪出橋殼在挖掘機(jī)側(cè)滑時(shí)的垂向受力彎矩圖，下圖所示。 圖3-9 挖掘機(jī)向右側(cè)滑時(shí)驅(qū)動(dòng)橋橋殼所受的垂向力及垂向彎矩 如前所述，當(dāng)時(shí)，由上式可知，即與側(cè)滑方向相反一側(cè)或內(nèi)側(cè)車輪的支承反力等于零，此時(shí)彎矩圖如圖3-9(b)所示。 由式(3-22)一式(3-25)可知，挖掘機(jī)側(cè)滑時(shí)所引起的輪毅軸承的徑向力、、、與輪毅內(nèi)、外軸承支承中心間的距離（a + b）有關(guān)，且此中心距愈大，則由側(cè)滑所引起的軸承徑向力愈小。另外，如果（a + b）值足夠大也會(huì)增大車輪的支承剛度。否則，如果將兩軸承之間的距離縮小到使兩軸承相碰時(shí)，則車輪的支承剛度會(huì)變差，而接近于3/4浮式半軸時(shí)的情況。當(dāng)然（a + b）的值過(guò)大也會(huì)引起輪毅的寬度及質(zhì)量加大而造成布置上的困難。在載貨挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)中，常取，而地面給車輪的垂向支承反力的作用線一般在內(nèi)、外軸承之間，并靠近內(nèi)軸承，因?yàn)槌３⑤喴銉?nèi)軸承選得比外軸承大些，所示內(nèi)軸承的承載能力較大，但也有的將內(nèi)、外軸承選成一樣。一輪毅軸承受力最大的情況發(fā)生在挖掘機(jī)側(cè)滑時(shí)，所以輪軸(即半軸套管)也是在挖掘機(jī)滿載側(cè)滑時(shí)承受最大的彎矩及應(yīng)力。 由圖3-9可知，輪軸即半軸套管的危險(xiǎn)斷面位于輪毅內(nèi)軸承的內(nèi)端A-A處 (圖3-8)，該處的垂向彎矩為 (3—31) 式中：———輪毅內(nèi)軸承支承中心至該軸承內(nèi)端支承面間的距離。 如果忽略不計(jì)，并將上式經(jīng)整理后得 (3—32） 式中:、、、B—見式(6—21)下說(shuō)明； 、a—見式(3-26)下說(shuō)明。 彎曲應(yīng)力Mpa為 (3一33) 剪切應(yīng)力Mpa為 （3—34） 式中：d、D—計(jì)算斷面的內(nèi)、外徑。 合成應(yīng)力MPa為 （3—35） 輪軸(半軸套管)處的應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)490MPae 當(dāng)輪毅的內(nèi)、外軸承的安裝軸徑有明顯差別時(shí)，如圖3-16所示，B-B斷面也可能成為危險(xiǎn)斷面，該處的彎矩為 （3—36） 或 （3—37） 同樣需計(jì)算出B-B斷面處的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力。 我國(guó)長(zhǎng)春第一挖掘機(jī)制造廠等單位，曾對(duì)一些挖掘機(jī)的后驅(qū)動(dòng)橋橋殼進(jìn)行了靜強(qiáng)度和剛妙試驗(yàn)·試驗(yàn)時(shí)橋殼的受力位置盡量與在實(shí)車上時(shí)的受力位置一致，即橋殼兩端分別幣`.形塊支承于車輪中線處，而用相等的兩個(gè)垂向力作用于左、右板簧座上。試驗(yàn)時(shí)主減速器殼及橋殼后蓋均裝到橋殼上，部分試驗(yàn)結(jié)果如表3-3所示。從該表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，橋殼的極限靜強(qiáng)度一般是挖掘機(jī)滿載時(shí)該橋額定負(fù)荷的3. 2~12倍·試驗(yàn)結(jié)果表明鑄造整體式橋殼和鋼板沖壓焊接整體式橋殼的強(qiáng)度