【文章內(nèi)容簡介】 4表22 計算尺寸第3章 具體設計計算 選定橋殼的結構型式以后，應對其進行受力分析。選擇其斷面尺寸，進行強度計算。挖掘機驅(qū)動橋的橋殼是挖掘機上的主要承載構件之一，其形狀復雜，而挖掘機的行駛條件如路狀況、氣候條件及車輛的運動狀態(tài)等又是千變?nèi)f化的，因此要精確地計算挖掘機行駛時作用于橋殼各處應力的大小是很困難的。過去我國主要是靠對橋殼樣品進行臺架試驗和整車行駛試驗來考核其強度及剛度，有時還采用在橋殼上貼應變片的電測方法，使挖掘機在選定的典型路段上滿載行駛，以測定橋殼的應力。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，用彈性力學進行應力和變形計算。彈性力學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，使計算結果受到很大限制。有限單元法是一種現(xiàn)代化的結構計算方法，在一定前提條件下，它可以計算各種機械零件的幾乎所有幾何部位的應力和應變。[12]在國外，20世紀70年代前后，這種方法就逐漸為挖掘機零件的強度分析所采用，對挖掘機驅(qū)動橋殼的強度分析也不例外，國內(nèi)、外都曾用它分析過挖掘機驅(qū)動橋殼的強度。在通常的情況下，在設計橋殼時多采用常規(guī)設計方法，這時將橋殼看成簡支梁并校核某特定斷面的最大應力值。例如，日本有的公司對驅(qū)動橋殼的設計要求是在2. 5倍滿載時軸負荷的作用下，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)的應力不應超過屈服極限。我國通常推薦:計算時將橋殼復雜的受力狀況簡化成三種典型的計算工況，它與前述半軸強度計算的三種載荷工況相同，即當車輪承受最大的鉛垂力(當汽軍滿彝若}手禾平路面，受沖擊載荷)時。當車輪承受最大切向力(當挖掘機滿載并以最大牽引力行駛和緊急制動)時。以及當車輪承受最大側向力(當挖掘機滿載側滑)時。只要在這三種載荷計算工況下橋殼的強度得到保證，就認為該橋殼在挖掘機各種行駛條件下是可靠的。在進行上述三種載荷工況下橋殼的受力分析前，還應先分析一下挖掘機滿載靜止于水平路面時橋殼最簡單的受力情況，即進行橋殼的靜彎曲應力計算。橋殼的設計是一個參數(shù)探索的過程，對于一款橋殼的設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)設計目標進行參數(shù)修正，將參數(shù)修正后的結果進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)，直到最終達到設計要求，對于本次設計的目標，參考了某公司20噸輪式挖掘機驅(qū)動橋的參數(shù)，并根據(jù)實際需要進行了多次參數(shù)修正和分析，最終得到設計模型。[8] 橋殼的靜彎曲應力計算[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（雙胎時則沿雙胎之中心），橋殼則承受此力與車輪重力之差值，即，計算簡圖如圖31所示。圖31橋殼靜彎曲應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 (3一l)式中：——挖掘機滿載靜止與水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷，N； ——車輪（包括輪轂、制動器等）的重力，N； ——驅(qū)動車輪輪距，m。 ——驅(qū)動橋殼上兩座中心距離，m.由彎矩圖可見，橋殼的危險斷面通常在座附近。通常由于遠小于/2，且設計時不易準確預計，當無數(shù)據(jù)時可以忽略不計。而靜彎曲應力則為 (3一2)式中：——見彎矩公式； ——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) 扭轉(zhuǎn)截面系數(shù) 圓關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構型式和制造工藝來定。比如對于鑄造整體式橋殼，由于采用了鑄造工藝，所以可將彈簧蜜附近的斷面設置成垂向抗彎強度較好的矩形管狀斷面(計算時還應考慮里邊壓進的半軸套管)；鋼板沖壓體式橋殼，在彈簧座附近多為圓管斷面，但當橋殼與半軸套管之間的聯(lián)接采用對焊工藝時，橋殼危臉斷面的形狀就可設計成矩形管狀，二從橋殼的使用強度來看，矩形管高度方向為長邊的比圓口形管狀的要好。 在不平路面沖擊載荷作用下的橋殼強度計算[1]當挖掘機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)生的彎曲應力為 MPa （3一3)式中：——動載荷系數(shù)，對轎車、，；——橋殼在靜載荷下的彎曲應力，MPa。 挖掘機以最大牽引力行駛時的橋殼強度計算[1]為了使計算簡化，不考慮側向力，僅按挖掘機作直線行駛的情況進行計算，另從安全系數(shù)方向考慮。下圖為挖掘機以最大牽引力行駛時的受力簡圖。設地面對后驅(qū)動橋左、右車輪的垂向反作用力、相等，則 (3一4）式中：——挖掘機滿載靜止于水平地面時給地面的總載荷； ——挖掘機質(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 (3—5)式中：——發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，NM； 變速器擋傳動比； ——驅(qū)動橋的主減速比； ——傳動系的傳動效率； ——驅(qū)動車輪的滾動半徑，m如果忽略，整理上式以后得，并將式(35)代人式(34)，經(jīng)整理后得 (3一6)式中：———地面對一個后驅(qū)動車輪的垂向反作用力，N； ———挖掘機滿載靜止于水平地面時驅(qū)動橋給地面的載荷，N。 ———挖掘機質(zhì)心高度，m。 ———挖掘機軸距，m。 ———挖掘機加速行駛時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。由上式可知對后驅(qū)動橋： (3—7） 在設計中，當上式的某些參數(shù)未給定而無法計算出值時，的值可在下述范圍內(nèi)選取；對轎車后驅(qū)動橋取=~。對載貨挖掘機后橋驅(qū)動橋取=~。此時后驅(qū)動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)動車輪所承受的地面對其作用的最大切向反作用力，使驅(qū)動橋殼也承受著水平方向的彎矩，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 （3—9） 當所裝用的差速器使左、右驅(qū)動車輪的轉(zhuǎn)矩不等時，應取驅(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 /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 (3—10）式中：———發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，NM； ———傳動系的最低擋傳動比； ——傳動系的傳動效率；當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為 （3—11）該危險斷面處的合成應力為 （3—12）式中：W———危險斷面處的彎曲截面系數(shù)，見表3—2。當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力和扭轉(zhuǎn)應力分別為 （313） 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。 橋殼的許用彎曲應力為300~500MPa,許用扭轉(zhuǎn)應力為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 挖掘機緊急制動時的橋殼強度計算[1]這時不考慮側向力。下圖為挖掘機在緊急制動時的受力簡圖圖3—4 挖掘機在緊急制動時的受力簡圖設地面對后驅(qū)動橋左右車輪的垂向反作用力、相等，則 （314）式中：———挖掘機滿載靜止于水平地面時給地面的總載荷，N； ———挖掘機質(zhì)心高度，m。 ———重力加速度，m/； ———制動減速度，m/。 因，故制動減速度a為 代入上式得 （3—15）式中：———驅(qū)動車輪與路面的附著系數(shù)，計算時取=~； ———后驅(qū)動橋計算用的挖掘機緊急制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)。由上式可知，對后驅(qū)動橋而言，為 （3—16）在設計時，當、等參數(shù)未給定時，的值可在下述范圍內(nèi)選取:對載貨挖掘機后驅(qū)動橋取=~。在計算轎車等的前驅(qū)動橋時，不難求出此時用的挖掘機緊急制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)應為 （3—17）下圖為挖掘機緊急制動時后驅(qū)動橋殼的受力分析簡圖。此時作用在左、右驅(qū)動車輪上除有垂向反力/2,尚有切向反力，即地面對驅(qū)動車輪的制動力/2 。因此可求得緊急制動時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：———挖掘機制動時的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，計算后驅(qū)動橋殼時取橋殼在兩鋼板彈簧座的外側部分處同時還承受制動力所引起的轉(zhuǎn)矩T，對后驅(qū)動橋: 圖3—5挖掘機緊急制動時后驅(qū)動橋橋殼的受力分析簡圖橋殼在兩鋼板彈簧座的外側部分處同時還承受制動力所引起的轉(zhuǎn)矩T，對后驅(qū)動橋： (320)式中：———驅(qū)動車輪的滾動半徑，m。 ———驅(qū)動車輪與路面間的附著系數(shù)，計算時取=當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為 （3—21）該危險斷面處的合成應力為 （322） 挖掘機受最大側向力時的橋殼強度計算[1]當挖掘機滿載、高速急轉(zhuǎn)彎時，則會產(chǎn)生一個作用于挖掘機質(zhì)心處的相當大的離心力。挖掘機也會由于其他原因而承受側向力。當挖掘機所承受的側向力達到地面給r輪胎的側向反作用力的最大值即側向附著力時，挖掘機處于側滑的臨界狀態(tài)，側向力一旦超過側向附著力，挖掘機則側滑。因此挖掘機驅(qū)動橋的側滑條件為 (3—23)式中：———驅(qū)動橋所受的側向力，N； 、———地面給左、右驅(qū)動車輪的側向反作用力N； ———挖掘機滿載靜止于水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷，N ———輪胎與地面間的側向附著系數(shù)，計算時取= 由于挖掘機產(chǎn)生純粹的側滑，因此計算時可以認為地面給輪胎的切向反作用力(例如驅(qū)動力或制動力)為零。下圖為挖掘機向右側滑時的受力簡圖，根據(jù)該圖可求出驅(qū)動橋側滑時左、右驅(qū)動車輪的支承反力為 （3—24）式中：———挖掘機滿載時的質(zhì)心高度，m。 ———驅(qū)動車輪的輪距,m。 由上式可知，當/B時，=0, =，即在這種情況下，驅(qū)動橋的全部荷重側滑