【文章內(nèi)容簡介】 4表22 計算尺寸第3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)行臺架試驗和整車行駛試驗來考核其強(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。[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。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。[8] 橋殼的靜彎曲應(yīng)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(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(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 (3一l)式中：——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； ——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(yuǎn)小于/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(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(計算時還應(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)接采用對焊工藝時，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(qiáng)度計算[1]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(yīng)力，MPa。 挖掘機(jī)以最大牽引力行駛時的橋殼強(qiáng)度計算[1]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、相等，則 (3一4）式中：——挖掘機(jī)滿載靜止于水平地面時給地面的總載荷； ——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 (3—5)式中：——發(fā)動機(jī)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(jī)滿載靜止于水平地面時驅(qū)動橋給地面的載荷，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(shè)計中，當(dāng)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??；對轎車后驅(qū)動橋取=~。對載貨挖掘機(jī)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(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 /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(jī)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(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為 （3—11）該危險斷面處的合成應(yīng)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(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)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)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(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[1]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、相等，則 （314）式中：———挖掘機(jī)滿載靜止于水平地面時給地面的總載荷，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(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，為 （3—16）在設(shè)計時，當(dāng)、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(jī)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(jī)緊急制動時的質(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(jī)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(cè)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(jī)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(cè)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(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為 （3—21）該危險斷面處的合成應(yīng)力為 （322） 挖掘機(jī)受最大側(cè)向力時的橋殼強(qiáng)度計算[1]當(dāng)挖掘機(jī)滿載、高速急轉(zhuǎn)彎時，則會產(chǎn)生一個作用于挖掘機(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，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)動橋的側(cè)滑條件為 (3—23)式中：———驅(qū)動橋所受的側(cè)向力，N； 、———地面給左、右驅(qū)動車輪的側(cè)向反作用力N； ———挖掘機(jī)滿載靜止于水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷，N ———輪胎與地面間的側(cè)向附著系數(shù)，計算時取= 由于挖掘機(jī)產(chǎn)生純粹的側(cè)滑，因此計算時可以認(rèn)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(jī)向右側(cè)滑時的受力簡圖，根據(jù)該圖可求出驅(qū)動橋側(cè)滑時左、右驅(qū)動車輪的支承反力為 （3—24）式中：———挖掘機(jī)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(dāng)/B時，=0, =，即在這種情況下，驅(qū)動橋的全部荷重側(cè)滑