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1、 . 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 設(shè)計(jì)說明書 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)制造與其自動(dòng)化 49 / 60 前　言 2010年，我國挖掘機(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16.5萬臺(tái)，比2009年增長(zhǎng)74.5%。2011年上半年，中國境25家主要挖掘機(jī)制造商銷售挖掘機(jī)12.8萬臺(tái)，比2010年同期增長(zhǎng)31.98%，。受國家推動(dòng)的大規(guī)?；ㄓ?jì)劃和房地產(chǎn)行業(yè)投資

2、景氣的影響，中國挖掘機(jī)市場(chǎng)將會(huì)有進(jìn)一步的增長(zhǎng)。未來挖掘機(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、、美等外資所占。有據(jù)統(tǒng)計(jì)，在西方發(fā)達(dá)國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。而我國的輪挖僅為3％左右，故從世界圍輪挖我國的應(yīng)用有待挖掘。[16 ] 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)與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

3、物料挖掘、搬移方面得到充分利用。近年來，隨著我國經(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，如中美合資詹陽機(jī)械工業(yè)，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

4、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。[8、11] 目　錄 摘 要---------------------------------------------------------------------- Abstract------------------------------------------------------------------- 第1章 緒論 1.1 國外、國研究概況--------------------------------------------------1 1.2 國外車橋

5、的現(xiàn)狀與市場(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)與工作原理--------------------------------------------6 2.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算---------------

6、-----------------------------7 2.2.1半軸的型式------------------------------------------------------7 2.2.2半軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算------------------------------------------------8 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 橋殼在不平路面沖擊載荷作用下的橋殼計(jì)算-----------------------------12 3.3

7、 挖掘機(jī)以最大牽引力行駛時(shí)的橋殼計(jì)算---------------------------------12 3.4 挖掘機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)的橋殼強(qiáng)度計(jì)算-------------------------------------15 3.5 挖掘機(jī)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初步建模分析---------------------------------------------24 4.2 基于pro/e的mchan

8、icica模塊對(duì)改進(jìn)后三維模型分析--------------------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

9、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---------------------------------------------------------------46 致 ----------------------------------------------------------------------47 參考文獻(xiàn)----------------------------

10、---------------------------------------49 摘要 挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋是傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要的部件，其結(jié)構(gòu)形式、性能好壞直接影響到整車的行駛和動(dòng)力性能。驅(qū)動(dòng)橋殼承受載荷大，而傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算方法又存在無法獲得驅(qū)動(dòng)橋總體應(yīng)力分布的缺陷。本論文采用傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算方法、三維實(shí)體建模方法、有限元方法，強(qiáng)度分析方法等對(duì)驅(qū)動(dòng)橋做了詳細(xì)的研究工作。 采用三維CAD 軟件 proe 建立了汽車驅(qū)動(dòng)橋橋殼的三維幾何模型，然后結(jié)合后轎有限元模型和材料屬

11、性利用 mchanicica 軟件進(jìn)行滿載最大垂直載荷、最大制動(dòng)力、最大牽引力和最大側(cè)向力四種典型工況下的強(qiáng)度分析，以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)橋殼在極限工況下的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)果表明設(shè)計(jì)符合要求。通過線性靜態(tài)分析獲得了4種工況下橋殼的變形與應(yīng)力分布情況，并依據(jù)仿真分析結(jié)果提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，改進(jìn)后的橋殼質(zhì)量有所降低、性能有所提升并且具有良好的抗振性。壽命達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，為驅(qū)動(dòng)橋的強(qiáng)度評(píng)價(jià)與疲勞壽命估算提供了相關(guān)數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)，后驅(qū)動(dòng)橋，后橋橋殼，有限元分析 ABSTRACT The drive axle is a vital important component

12、to excavator, because its structure constituent and property have much direct effect on kinematics and dynamic performance of excavator. The drive axle bears large load, while the traditional mechanics technologies unable to obtain the defect of stress that distributed the overall the transaxle.In t

13、his paper, detail description is given for the structure constitute and working characteristic of drive axle, and traditional mechanics calculation technologies,three-dimensional entity's modeling method, finite element method, etc, are adopted. The finite element analysis research background of s

14、trength and modal on automobile driving axle housing structural was introduced. The three dimensional geometry model of automobile driving axle housing was established by using the three dimensional CAD software proe，Then in combination with Finite Element(FE)models，Using mchanicica software, intens

15、ity analysis is made under four typical working conditions, full vertical load, maximumbraking force, maximumtraction force and maximumlateral force, to verify the structural deformation and the stress distribution lawof the drive axle housing under extreme working conditions and the result shows th

16、at the design can meet the requirements.The deformation and stress of the axle housing under four working conditions were obtained by linear static analysis. Moreover, some program about structural improvement based on analysis results were proposed. Comparing with former axle housing, the new one w

17、as lighter and has better properties，its fatigue life meeting national standard and hasthe good vibration-proof.The related data can be provided for the driving axle intensity appraisal and the fatigue life estimate. Keywords: excavator, driving axle after, rear axle shell bridge, and the finite

18、element analysis 第一章 緒論 1.1國外、國研究概況 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。[3、15] 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

19、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] 1.2 國外車橋的現(xiàn)狀與市場(chǎng)需求預(yù)測(cè) 無論從重要程度來講，還是從價(jià)格來看，車橋都是商用車上僅次于發(fā)動(dòng)機(jī)和車身（駕駛室）的三大核心總成之一。過去，國商用車整車企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略是車身必須自制，發(fā)動(dòng)機(jī)立足或爭(zhēng)取自制，而車橋則一般采用社會(huì)資源。然而，隨著近年商用車市場(chǎng)，特別是

20、中、重型卡車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，為了在核心總成上不受制于人，國一汽、東風(fēng)和中國重汽等主要商用車企業(yè)要么投巨資、重兵布局發(fā)展自己的車橋業(yè)務(wù)；要么積極主動(dòng)與有關(guān)大型車橋生產(chǎn)企業(yè)建立長(zhǎng)期戰(zhàn)略聯(lián)盟，以確保自己穩(wěn)定的零部件供應(yīng)。 表1 2010年度商用車車橋七強(qiáng)企業(yè)產(chǎn)量和銷售收入 排名 企業(yè)名稱 輕型橋（萬根） 中重型橋（萬根） 銷售收入（億元） 企業(yè)員工數(shù)（人） 人均銷售收入（萬元） 1 東風(fēng)德納車橋 5.1 36.6 33.78 6800 49.7 2 一汽解放汽車車橋分公司 28 26 2900 89.7 3 中國重汽橋箱 23.8 37

21、.1 3100 119.7 4 漢德車橋 20.9 31 2800 110.7 5 安凱福田曙光車橋 14.6 12.68 610 207.8 6 一汽汽車改裝廠 12.5 11 1500 73.3 7 青特眾力車橋 12.3 13 2300 56.5 目前面臨的主要挑戰(zhàn)：（1）外資公司的威脅，隨著普利適優(yōu)迪車橋、美國車橋國際控股等在中國的紛紛落戶，在我國車橋行業(yè)，外資公司由合資到獨(dú)資的逐漸滲入也在加快進(jìn)程；（2）研發(fā)投入不夠，國的車橋企業(yè)對(duì)研發(fā)的投入普遍較少，其主要原因有以下三點(diǎn)：第一，由于對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)力度不夠，使得車

22、橋行業(yè)抄襲成風(fēng)。第二，封閉的集團(tuán)車橋市場(chǎng)使得企業(yè)缺乏研發(fā)投入的動(dòng)力。只有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)才是推動(dòng)企業(yè)前進(jìn)的唯一因素，而商用車整車企業(yè)對(duì)于車橋資源的封閉自守，使得車橋企業(yè)缺乏憂患意識(shí)、目光短淺，因此不愿意在研發(fā)上給予投入。第三，大多數(shù)車橋企業(yè)缺乏技術(shù)積淀和研發(fā)人才的儲(chǔ)備，沒有能力投入研發(fā)；（3）生產(chǎn)的工藝水平與制造質(zhì)量普遍不高。由于工藝水平與制造質(zhì)量不高，尤其是細(xì)節(jié)重視不夠，從而造成產(chǎn)品水平與國外企業(yè)差距很大。這種差距主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）加工設(shè)備多為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，工藝流程長(zhǎng)，制造控制能力與生產(chǎn)力低；2）檢測(cè)與分析技術(shù)落后；3）出現(xiàn)“漏油、漏氣”的現(xiàn)象較多；4）齒輪噪音高、早期失效普遍；5）制動(dòng)器質(zhì)量缺

23、陷較多。 國重型車橋產(chǎn)品現(xiàn)狀與發(fā)展的趨勢(shì)（1）結(jié)構(gòu)趨勢(shì)：?jiǎn)渭?jí)減速；（2）技術(shù)趨勢(shì)：輕量化、低噪聲；總之，重型車橋總成的整體性能正在向更舒適、更安全方向發(fā)展。比如ABS防抱死裝置、集中潤滑和中央充放氣系統(tǒng)、空氣懸掛、自動(dòng)間隙調(diào)整臂以與膜片式制動(dòng)氣室等都開始應(yīng)用在車橋總成上。 1.3 模態(tài)分析 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

24、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)的問題。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）。 橋殼的設(shè)計(jì)通過模態(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)分析中橋殼的前幾階頻率在路面譜頻率圍，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)力超過了材料

25、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)度問題。對(duì)于車輛與發(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。按照國外的樣車、樣機(jī)進(jìn)行測(cè)

26、繪仿制，或在測(cè)試、使用中發(fā)現(xiàn)問題后再對(duì)設(shè)計(jì)方案加以改進(jìn)，都不能算是真正的解決問題的途徑。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，以與作為強(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。[8、11] 1.4 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn) 對(duì)40Cr材料存在的問題： 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題，疲勞性能差，超載易變

27、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)過渡不夠平滑。 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

28、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，而破斷抗力過低，致使產(chǎn)品(橋殼)在此發(fā)生脆斷失效[4、8] 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，更改橋殼部尺寸，在不改變橋殼外部輪廓尺寸的前提下，增加橋殼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

29、殼整個(gè)長(zhǎng)度方向上過渡較為圓滑，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。 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，焊接后與時(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。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。[7、9] 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)與工作原理 橋殼大致可分為可分

30、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[1] 圖2-2[1] 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。[1、2] 驅(qū)動(dòng)橋處于動(dòng)力傳動(dòng)系的末端。將萬向傳動(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

31、傳動(dòng)軸或變速器傳來的轉(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

32、 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

33、殼外端孔中的軸承上，而端部則以具有錐面的軸頸與鍵與車輪輪轂相固定，或以突緣直接與車輪輪盤與制動(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，彎矩得由半軸與半軸套管共同承受，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

34、式與其支承剛度、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。可用于轎車和輕型載貨汽車，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)向力以與由它們引起的彎矩都經(jīng)過輪轂、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與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

35、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)量與尺寸都較大的輪轂，制造成本較高，故轎車與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。本課題選擇全浮式半軸。[1、2、9] 2.2.1半軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算[1、2] 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率出來傳給液力變矩器，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

36、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)

37、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64mm 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 64mm 250mm 1400mm 17.4 4 7.6 表2-2 計(jì)算尺寸 第三章 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

38、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、氣候條件與車輛的運(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。過去我國主要是靠對(duì)橋殼樣品進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和整車行駛試驗(yàn)來考核其強(qiáng)度與剛度，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

39、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。[12]在國外，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、外都曾用它分析過挖掘機(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、輪毅軸承根部圈角處)的應(yīng)力

40、不應(yīng)超過屈服極限。我國通常推薦: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)算的三種載荷工況一樣，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);以與當(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)探索的過程，對(duì)于一款橋殼的設(shè)計(jì)首先是參考一

41、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、5、8] 3.1 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計(jì)算[1] 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

42、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 垂向與水平彎曲截面系數(shù) 扭轉(zhuǎn)截面系數(shù) 圓

43、 關(guān)于橋殼在鋼板彈簧座附近的危鹼斷面的形狀主要由橋殼的結(jié)構(gòu)型式和制造工藝來定。比如對(duì)于鑄造整體式橋殼，由于采用了鑄造工藝，所以可將彈簧蜜附近的斷面設(shè)置成垂向抗彎強(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)接采用對(duì)焊工藝時(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)度來看，矩形管高度方向?yàn)殚L(zhǎng)邊的比圓口形管狀的要好。 3.2 在不平路面沖擊載荷作用下的橋殼強(qiáng)度計(jì)算[1] 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

44、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[1] 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； —

45、—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，

46、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)未給定而無法計(jì)算出值時(shí)，的值可在下述圍選取；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

47、 （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

48、———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

49、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[1] 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；

50、 ———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)，的值可在下述圍選取: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

51、在兩鋼板彈簧座之間的垂向彎矩與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

52、 （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[1] 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

53、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

54、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)橋殼的垂向作用力與水平作用力、與水平作用力、。 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，即輪毅的軸承和外軸承。這些軸承通常都采用圓

55、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)，、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)滑方向一樣一側(cè)(即轉(zhuǎn)彎時(shí)的外側(cè))車輪，上圖的右側(cè)車輪來說，輪毅、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)的側(cè))的車輪，例如對(duì)上圖的左側(cè)車輪來說，輪毅、外軸承的徑向支承力為

56、 （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)這些力與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

57、挖掘機(jī)向右側(cè)滑時(shí)驅(qū)動(dòng)橋橋殼所受的垂向力與垂向彎矩 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、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）的值過大也會(huì)引起輪毅的寬度與質(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

58、取，而地面給車輪的垂向支承反力的作用線一般在、外軸承之間，并靠近軸承，因?yàn)槌３⑤喴爿S承選得比外軸承大些，所示軸承的承載能力較大，但也有的將、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)承受最大的彎矩與應(yīng)力。 由圖3-9可知，輪軸即半軸套管的危險(xiǎn)斷面位于輪毅軸承的端A-A處 (圖3-8)，該處的垂向彎矩為 (3—31) 式中：———輪毅軸承支承中心至該軸承端支承面間的距離。 如果忽略不計(jì)，并將上式經(jīng)整理后得 (3—32) 式

59、中:、、、B—見式(6—21)下說明； 、a—見式(3-26)下說明。 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、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490MPae 當(dāng)輪毅的、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

60、 （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)主減速器殼與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

61、板沖壓焊接整體式橋殼的強(qiáng)度和剛度比可分式橋殼的強(qiáng)度和剛度要好;從試驗(yàn)的橋殼的破壞情況來看，可分式橋殼大都在中間鑄造殼體與鋼管聯(lián)接處開裂鉚釘被剪斷，有的鋼管被拉出。可鍛鑄鐵的整體式橋殼是在半軸套管里端附近橋殼上破裂。由此可見，無縫鋼管的強(qiáng)度比較高相對(duì)薄弱的地方是在橋殼中間鑄件應(yīng)力集中的地方。 設(shè)計(jì)橋殼時(shí)，應(yīng)充分考慮挖掘機(jī)的使用條件，根據(jù)挖掘機(jī)的類型與使用條件，合理地選擇橋殼的結(jié)構(gòu)型式、材料與安全系數(shù)。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，橋殼的安全系數(shù)宜選為n=4~10。 關(guān)于橋殼材料，鑄造整體式、可分式與組合式橋殼的鑄件多采用可鍛鑄鐵(KT350-10 , KT3 70-12)、球墨鑄鐵(QT400-18

62、)、鑄鋼((ZG45，多用于重型挖掘機(jī)的橋殼鑄件);對(duì)于鋼板沖壓焊接整體式橋殼，多采用16Mn, 09SiV, 35或40中碳鋼板(化學(xué)成分控制為0.37%的碳和不大0.03%的硫)。半軸套管多采用40Cr,40MnB等中碳合金鋼或45中碳鋼的無縫鋼管或鍛件。 第四章 進(jìn)行整體的力學(xué)分析 4.1基于pro/e初步建模分析 基于proe板塊mechanica為減小問題規(guī)模， 在保證計(jì)算精度的前提下，對(duì)橋殼模型做了如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：①忽略螺紋與各功能孔（潤滑油加注孔、放油孔等），因?yàn)槠湟滓鹁W(wǎng)格畸變且對(duì)結(jié)構(gòu)性能

63、影響很小；②以直角代替鑄造圓角，既有利于簡(jiǎn)化建模，也有利于有限元模型建立過程中提取中截面；軸肩處的圓弧不能省略，因?yàn)榇颂幙赡苷菓?yīng)力集中的地方；比如略去連接座上的螺栓孔、加油口、放油口，設(shè)半軸套管和驅(qū)動(dòng)橋殼是一體的，不是裝配的。 最初草圖模態(tài)分析: 圖4-1 失穩(wěn)分析： 圖4-2 有圖可以看出橋殼中間太薄，并且在彈簧座處有應(yīng)力集中。需要改進(jìn)，采用加大主減速器處橋殼厚度和在中段過渡圓弧處增加加強(qiáng)板相結(jié)合的方案，對(duì)后橋殼做改進(jìn)設(shè)計(jì)。 4.2基于pro/e的mchanicica模塊對(duì)改進(jìn)后三維模型分析 4.2.1橋殼三維模型圖： 圖4-3 簡(jiǎn)

64、化后圖與幾種受力圖： 圖4-4 圖4-5 圖4-6 對(duì)于靜力學(xué)分析的最大鉛垂力和最大切向力兩種工況, 約束加在每側(cè)車輪中線附近, 模擬兩端簡(jiǎn)支支承。最大側(cè)向力工況時(shí), 約束加在側(cè)翻一側(cè)的車輪中線附近,支承為固定支承。上述的約束處理會(huì)使安裝輪轂軸承附近的應(yīng)力與實(shí)際情況有差別, 但不會(huì)影響橋殼其它部位的應(yīng)力分布。 4.2.1 挖掘機(jī)靜止垂直載荷工況 由《挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》QC/T 533——1999 標(biāo)準(zhǔn)可知：驅(qū)動(dòng)橋殼滿載軸荷時(shí)每米輪距最大變形量不超過1.5mm。 橋殼中部曲線的位移曲線（下圖）: 圖4-7 圖4-8

65、表4-1 滿載軸荷（N） 輪距（m） 分析最大變形量（mm） 每米輪距 最大變形量（mm） 是否合格 （≤1.5mm） 200000 1.9 1.3 0.68 是 圖4-9 在車輪處曲線應(yīng)力圖（如下），曲線上最大應(yīng)力為160Mpa。 圖4-10 表4-2 名稱 材料 參照標(biāo)準(zhǔn) 屈服極限 （Mpa）≥ 有限元分析應(yīng)力結(jié)果（Mpa） 是否 合格 橋殼 ZG40Cr /T6402-1992 345 195 是 中間部位應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，說明中間區(qū)域殼壁厚還可以減薄，以減小重量。 4.2.2

66、挖掘機(jī)在不平路面沖擊載荷作用下的工況 由《挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》QC/T 533——1999 標(biāo)準(zhǔn)可知：驅(qū)動(dòng)橋殼滿載軸荷時(shí)每米輪距最大變形量不超過1.5mm 圖4-11 圖4-12 表4-3 滿載 軸荷（N） 施加載荷（N） 動(dòng)載:3.0 輪距（m） 分析最大 變形量/3.0（mm） 每米輪距最大變形量（mm） 是否合格 （≤1.5mm） 200000 600000 1.9 1.73 0.91 合格 圖4-13 圖4-14 表4-4 名稱 材料 參照標(biāo)準(zhǔn) 屈服極限（Mpa）≥ 有限元分析應(yīng)力結(jié)果（Mpa） 是否 合格 橋殼 ZG40Cr 調(diào)質(zhì) /T6402-1992 500 223.9 是 在沖擊荷載作用下, 其最大應(yīng)力值為224MPa,發(fā)生在鋼板彈簧座附近。大部分部位的應(yīng)力值在24- 48MPa 之間, 應(yīng)力集中部位的應(yīng)力值大約在120MPa 左右。 4.2.3 挖掘機(jī)在最大牽引力行駛時(shí)的工況 由《挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》QC/T