【文章內(nèi)容簡介】 mm 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 最高速時傳動比 主減速比 一檔減速比 70mm 250mm 1400mm 4 表 22 計算尺寸 20噸輪式挖掘機(jī)后橋橋殼設(shè)計與分析 10 第三章 具體設(shè)計計算 選定橋殼的結(jié)構(gòu)型式以后，應(yīng)對其進(jìn)行受力分析。選擇其斷面尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度計算。 挖掘機(jī)驅(qū)動橋的橋殼是挖掘機(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)動狀態(tài)等又是千變?nèi)f化的，因此要精確地計算挖掘機(jī)行駛時作用于橋殼各處應(yīng)力的大小是很困難的。過去我國主要是靠對橋殼樣品進(jìn)行臺架試驗(yàn)和整車行駛試驗(yàn)來考核其強(qiáng)度及剛度，有時還采用在橋殼上貼應(yīng)變片的電測方法，使挖掘機(jī)在選定的典型路段上滿載行駛，以測定橋殼的應(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化成規(guī)則的環(huán)形的簡化方法，用彈性力學(xué)進(jìn)行應(yīng)力和變形計算。彈性力學(xué)計算方法本身雖精確，但由于對橋殼的幾何形狀作了較多的簡化，使計算結(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)計算方法，在一定前提條件下，它可以計算各種機(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，對挖掘機(jī)驅(qū)動橋殼的強(qiáng)度分析也不例 外，國內(nèi)、外都曾用它分析過挖掘機(jī)驅(qū)動橋殼的強(qiáng)度。在通常的情況下，在設(shè)計橋殼時多采用常規(guī)設(shè)計方法，這時將橋殼看成簡支梁并校核某特定斷面的最大應(yīng)力值。例如，日本有的公司對驅(qū)動橋殼的設(shè)計要求是在 2. 5倍滿載時軸負(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)超過屈服極限。我國通常推薦 :計算時將橋殼復(fù)雜的受力狀況簡化成三種典型的計算工況，它與前述半軸強(qiáng)度計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 。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 )時 。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。只要在這三種載荷計算工況下橋殼的強(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橋殼最簡單的受力情況，即進(jìn)行橋殼的靜彎曲應(yīng)力計算。 二 O一二屆計算機(jī)輔助設(shè)計與制造畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 橋殼的設(shè)計是一個參數(shù)探索的過程，對于一款橋殼的設(shè)計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)計要求，對于本次設(shè)計的目標(biāo)，參考了某公司 20噸輪式挖掘機(jī)驅(qū)動橋的參數(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)計模型。 橋殼的靜彎曲應(yīng)力計算 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 2G /2（雙胎時則沿雙胎之中心），橋殼 則承受此力與車輪重力 wg 之差值，即 ? ?2G wg? ，計算簡圖如圖 31 所示。 圖 31橋殼靜彎曲應(yīng)力計算簡圖 橋殼按靜載荷計算時，在其兩座之間的彎矩 M 為 mN125001025020212102)2GM 352 ???????????? ????? sBgw（ (3 一 l) 式中： 2G —— 挖掘機(jī)滿載靜止與水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷， N； wg —— 車輪（包括輪轂、制動器等）的重力， N； B —— 驅(qū)動車輪輪距， m。 s —— 驅(qū)動橋殼上兩座中心距離， m. 20噸輪式挖掘機(jī)后橋橋殼設(shè)計與分析 12 由彎矩圖可見，橋殼的危險斷面通常在座附近。通常由于 wg 遠(yuǎn)小于 2G /2，且設(shè)計時不易準(zhǔn)確預(yù)計，當(dāng)無數(shù)據(jù)時可以忽略不計。而靜彎曲應(yīng)力 wj? 則為 M pa10WM 353vwj ??????? (3 一 2) 式中： M —— 見彎矩公式； VW —— 危險斷面處橋殼的垂向彎曲截面系數(shù)。 見表 3— 1。 表 31 截面系數(shù) 斷面形狀 垂向及水平彎曲截面系數(shù) hW vW 扭轉(zhuǎn)截面系數(shù) tW 圓 55443443140100132140132D???????????? ??????????? ? ?? Dd 5443 10116D ????????? ? Dd? 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)型式和制造工藝來定。匆如對于鑄造整體式橋殼，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 (計算時還應(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)接采用閃先對捍工藝時，橋殼危臉斷面的形狀就可設(shè)計成矩形管狀二從橋殼的使用強(qiáng)度來看，矩形管獄‘高度方向?yàn)殚L邊 )的比口形管狀的要好。 在不平路面沖擊載荷作用下的橋殼強(qiáng)度計算 當(dāng)挖掘機(jī)在不平路面上高速行駛時，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 wd? 為 8 wjdwd ???? ?? MPa （ 3 一 3) 式中： dk —— 動載荷系數(shù)，對轎車、客車取 ，對載荷挖掘機(jī)去 ，對越野挖掘機(jī)取 ； wj? —— 橋殼在靜載荷下的彎曲應(yīng)力， MPa. 挖掘機(jī)以最大牽引力行駛時的橋殼強(qiáng)度計算 為了使計算簡化，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的受力簡圖。設(shè)地面對后驅(qū)動橋左、右車輪的垂向反作用力 2LZ 、 2RZ 相等，則 二 O一二屆計算機(jī)輔助設(shè)計與制造畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 ???????? ???? Lhp gma x1a22R2L L LG212ZZZ (3一 4） 式中： aG —— 挖掘機(jī)滿載靜止 于水平地面時給地面的總載荷； gh —— 挖掘機(jī)質(zhì)心高度。 圖 32 而作用在左、右驅(qū)動車輪上的轉(zhuǎn)矩引起的地面對左、右驅(qū)動車輪的最大切向反作用力共為 4rT0gIrT0gIm a x em a x riinp9550riiTP ????????? ?? (3— 5) 式中： maxeT —— 發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩， N M； 1gi 變速器 ? 擋傳動比； 0i —— 驅(qū)動橋的主減速比； T? —— 傳動系的傳動效率； r —— 驅(qū)動車輪的滾動半徑， m 如果忽略 T? ，整理上式以后得 ，并將式 (35)代人式 (34)，經(jīng)整理后得 ???????? ?? rL G hiiT12G2Z g0gIm a x e22 (3 一 6) 式中： 2Z2 ——— 地面對一個后驅(qū)動車輪的垂向反作用力， N； 2G ——— 挖掘機(jī)滿載靜止于水平地面時驅(qū)動橋給地面的載荷， N。 gh ——— 挖掘機(jī)質(zhì)心高度， m。 L ——— 挖掘機(jī)軸距， m。 2m ——— 挖掘機(jī)加速行駛時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。 20噸輪式挖掘機(jī)后橋橋殼設(shè)計與分析 14 由上式可知對后驅(qū)動橋： 5 420m a x2 ?? ???????????? ?? LGr hiiTrggIe (3— 7） 在設(shè)計中，當(dāng)上式的某些參數(shù)未給定而無法計算出 2m 值時， 2m 的值可在下述范圍內(nèi)選??；對轎車后驅(qū)動橋 取 2m =~。對載貨挖掘機(jī)后橋驅(qū)動橋取 2m =~。 此時后驅(qū)動橋殼的左右鋼板彈簧座之間的垂向彎矩 VM 為 522v ??????????? ?? sBg wmN? （ 3— 8） 式中 : 2G ， wg ， B， s—— 見式（ 3— 1）下的說明。 由于驅(qū)動車輪所承受的地面對其作用的最大切向反作用力 maxP ，使驅(qū)動橋殼也承受著水平方向的彎矩 hM ，對于裝用普通圓錐齒輪差速器的驅(qū)動橋，由于其左右驅(qū)動車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩相等，故有 mNs ??????? 4m a xh （ 3— 9） 當(dāng)所裝用的差速器使左、右驅(qū)動車輪的轉(zhuǎn)矩不等時，應(yīng)取驅(qū)動轉(zhuǎn)矩較大的那個車輪所引起的地面切向反作用力代替上式中的 maxP /2 值。 橋殼還承受因驅(qū)動橋傳遞驅(qū)動轉(zhuǎn)矩而引起的反作用力矩，這時在兩鋼板彈簧座間橋殼承受的轉(zhuǎn)矩 T 為 mNT ????? 78642 TLm a x e ? (3— 10） 式中： maxTe ——— 發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩， N M； TLi ——— 傳動系的最低擋傳動比； T? —— 傳動系的傳動效率； 當(dāng)橋殼在鋼板彈簧座附近的危險斷面為圓管截面時，在該斷面處的合成彎矩 M?為 7 6 1 2TMMM 22h2V ?????? （ 3— 11） 該危險斷面處的合成應(yīng)力 ?? 為 M pa8810102 35222 ???????? ?? W TMMWM hv? （ 3— 12） 式中： W——— 危險斷面處的彎曲截面系數(shù)，見表 3— 2。 二 O一二屆計算機(jī)輔助設(shè)計與制造畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 當(dāng)橋殼在鋼板彈簧座附近的危險斷面為矩形管裝斷面時，則在該斷面處的彎曲應(yīng)力w? 和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 ? 分別為 Vhw MMWW? ?? tTW?? （ 313） 式中： VM ， hM —— 分別為橋殼在兩鋼板彈簧座之間的垂向彎矩 和水平彎矩； VW ， hW ， tW —— 分別為橋殼在危險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后驅(qū)動橋橋殼的受力分析簡圖。 圖 311 給出了挖掘機(jī)以最 大牽引力行駛時后驅(qū)動橋橋殼的受力分析簡圖 圖 33 驅(qū)動橋橋殼的受力分析簡圖 挖掘機(jī)緊急制動時的橋殼強(qiáng)度計算 這時不考慮側(cè)向力。下圖為挖掘機(jī)在緊急制動時的受力簡圖 20噸輪式挖掘機(jī)后橋橋殼設(shè)計與分析 16 圖 3— 4 挖掘機(jī)在緊急制動時的受力簡圖 設(shè)地面對后驅(qū)動橋左右車輪的垂向反作用力 2LZ 、 2RZ 相等，則 4522R2L 10221LLG212ZZZ ???????? ?????????????? ???? agh g （ 314） 式中： aG ——— 挖掘機(jī)滿載靜止于水平地面時給地面的總載荷， N； gh ——— 挖掘機(jī)質(zhì)心高度， m。 g ——— 重力加速 度， m/2s ； a ——— 制動減速度， m/2s 。 因 gaG aGg ??，故制動減速度 a 為 ag?? 代入上式得 39。221222 212G212Z mGLhGLGh gag ????????? ?????????? ???? （ 3— 15） 式中： ? ——— 驅(qū)動車輪與路面的附著系數(shù)，計算時取 ? =~； 2m? ——— 后驅(qū)動橋計算用的挖掘機(jī)緊急制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。 由上式可知，對后驅(qū)動橋而言， 2m? 為 ???????? ??139。2 1m Lhg?