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20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析【说明书+CAD+PROE】
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编号： 毕业设计 (论文 )外文翻译 （译文） 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 伍荣展 学 号： 1000110131 指导教师单位： 桂林电子科技大学 姓 名： 高成 职 称： 助理研究员 2014 年 05 月 26 日 桂林电子科技大学 第 1页 共 10页 后桥壳疲劳失效的有限元分析预测 H. of a by . 摘 要 对与在试验中，当施加循环垂直应力在后桥壳上，产生了过早的疲劳变形的现象 进行了研究。发现在这些试验中，裂缝主要出现在样品的同一区域。为了确定破坏的原因，建立了完整的后桥壳 型。同时，桥壳的机械性能取决于其材料的拉伸性能。利用这些数据，运用有限元原理进行了应力及疲劳分析。确定了疲劳应变的发生位置以及不发生疲劳应变的最小循环垂直应力。将有限元分析的结果与实验的结果进行对比。设计提出了增强桥壳疲劳寿命的解决方案。 关键字： 后桥壳；应力集中；失效；有限元分析 1 概述 由于具有较高的承载能力，固体车桥通常用于重型商用车辆上 1。固体车桥的结构见图 1。在车辆的使用中，车桥是主要承载部件，由路面不平产生的动态应力进而产生的动态压力导致了车桥产生疲劳破坏。因此，最重要的是进行桥壳抵 抗疲劳破坏的寿命预测。在大规模生产前，有必要对桥壳模型在动态垂直应力作用下进行如图 2所示的装载能力及疲劳寿命的有限元分析。在这些测试中，由液压机构提供的循环垂直载荷施加在样品上，直到样品出现疲劳破坏。根据承载标 准，桥壳必须能承载 N=5对如图 3所示不对称的桥壳模型进行垂直疲劳测试时，在应力达到极限前就有疲劳破坏出现在模型上。因此发现，不出现疲劳破坏的最小循环应力大约为 这些测试中， 裂纹出现在班卓过渡区 2。图 4所示为一早期破坏的例子。 为了找出早期 失效的原因，运用 5业软件建立了一个详细的桥壳三维模型。利用该模型，建立有限元模型。运用 业有限元分析软件工作平台进行应力和疲劳分析。通过拉伸测试的有限元分析获得了桥壳的材料性能，运用业 件进行车辆动力学模拟，获得了桥壳最大载荷。通过这些分析，找到应力集中部位。为了实现疲劳分析，引入疲劳强度修正系数建立了桥壳材料的估计分析获得的结果与垂直疲劳测试实验的结果进行比较。为了阻止早期破坏并获得增大的疲劳寿命，提出了一些解决方案。 桂林电子科技大学 第 2页 共 10页 图 1 商用车后桥壳总成 图 2 桥壳模型乘直疲劳测试 图 3 桥壳 几何形状 桂林电子科技大学 第 3页 共 10页 图 4 测试样品底部的疲劳开裂 图 5 桥壳的完整 2 有限元模型 分析用全尺寸车桥 图 5所示。桥壳本质上由两个相同的薄壁壳组成，薄壁壳的厚度为 沿着后桥壳的中性轴焊接。在前端面，一个用螺栓 固 定了差动齿轮装载器的曾环被焊接在桥壳上用来增强刚度。出于密封性的考虑，将一个圆盖焊接在后端面上。这里，元素 为下垂壁卡钳联接。支撑 代表轮与地面的接触。车桥支撑联接点之间的距离与后轴轮轨之间的距离相等。运用 5桥壳的完整 立分析所需的有限元模型。有限元模型用于图 6所示的压力及疲劳分析。为了建立有限元模型，桥壳按照 行网格划分。 有二次位移的三维实体单元并且适用于进行不规则网格划分。桥壳被定义为拥有 10 个节点，且每个节点拥有 3 个自由度。运用 素建立桥壳各部件之间的联系。焊接表面 的联接关系选择为完整的可靠联接。有限元模型由 779,305个元素和 1,287,354个节点组成。 桂林电子科技大学 第 4页 共 10页 图 6桥壳有限元模型 表 1 表 2 抗拉测试结果 2. 2 桥壳材料 车桥壳是由 的微金属合金管壁经冲压焊接制成的，该管壁的材料为热成型标准钢铁 材料编号 等同于 准 3中 该材料的化学成分是从供应商获得的，具体见表 1 4。未加工的 5。然而，桥壳材料在制造过程中需经过若干道工序，包括退火至 800 50 了将工序对机械性能的影响引入有限元分析并确定加工后材料的精确机械性能，从后桥壳模型中抽取 5个样本并进行拉伸试验。所有的试验均在室温下进行。从后桥壳模型中抽取的 5个样本均在热影响区之外。表 2给出的结果均为 5个样本的最低值，并将这些结果引入有限元模型。将材料定义为显性各向同 向 性材料。 2. 3 负荷条件 有限元分析中的负荷条件是根据垂直疲劳测试中出现早期失效处的支撑区域确定的。测试是在如图 7 所示的可提供 80 吨载荷的装置上进 行的。该装置是由两个具有承载单元的电动液压执行机构和伺服阀组成的，伺服阀安装在连接 A， B 的卡钳处。 示支撑 C， D 间的距离即真实后桥壳的轮距。车桥的模型是根据如图 8 所示的由两个空气弹簧支撑的真实桥壳设计的。因 为载荷施加在牵引臂的偏心轮上，所以弹簧的弹力也产生了弯曲应力，该应力在桥壳上产生了一个额外的弯曲 试样品中的额外弯曲影响由图 7所示的液压驱动装置的偏距 个弹簧的最大设计载荷为 F = 2850力垂直的施加在弹簧底座的点。这导致了在卡钳桂林电子科技大学 第 5页 共 10页 A, B 处产生了静态 反应力 P=4550为路面不平使车身的集中质量产生的垂直加速度导致在每个卡钳处的最大动态载荷大约为 荷变化范围为 182直疲劳测试所得的载荷特性曲线如图 9 所示。有限元分析也考虑到了 最 大动载荷 9100额外弯曲变形 M 所产生的影响。如图 10所示的车桥垂直应力模型是根据参考文献 6设计的。 图 7垂直疲劳 测试原理图 图 8 纵臂的偏心载荷 桂林电子科技大学 第 6页 共 10页 3 有限元分析及结果 有限元分析用于预测应力集中及疲劳寿命较低区域的准确位置。 用装配 尔至强四核处理器的 400工作站借助 平台进行压力分析。图 11 所示为有限元分析所得的等应力分布图。分析结果显示应力集中区域 图 12 中可以看出疲劳失效区域 与 临界区域在同一位置。计算得出的最大分布应力为 是材料屈服应力点的 78. 1%。这说明桥壳在承受 最 大静载荷时符合安全条件。 图 9疲劳测试中的执行机构负荷特性曲线 图 10桥壳的外加负荷及弯矩图 图 11 下壳体上的工作应力分布 桂林电子科技大学 第 7页 共 10页 图 12测试与分析结果比较 由于在使用中后桥壳承受动应力，也需要进行疲劳分析。压力寿命的疲劳极限估计值 s为 s = （ 1） 钢材的强度极限小于 1400， 8。这意味着疲劳强度的周期为 106或更多。为了预测在 105 - 106周期范围内的疲劳寿命，使用参考文献 9中使用简单抗拉测试获得所需数据的方法作出桥壳材料的 s代表理想实验样品的压力疲劳寿命。为了预测机械零件的真实疲劳强度 s， 需要乘上代表各种设计，制造和环境对疲劳强度影响的修正 因 子 10。 Se= （ 2） 式中 数 ka= （ 3） 由于桥壳表面的粗糙度与经过热冲压 工 艺的热轧钢板相似，所以推荐的标准为 a=b=. 564, 外，喷丸工艺作为一种常见的爪于减少零件材料表面残留应力的方法，也 用 于增加热冲压后的桥壳表面的疲劳寿命。文献 9中给出这种方法可增加 70%的疲劳寿命。 因 此，在有限元分析中 为桥壳为非圆形截面，根据横截面深度 0 数 于环境温度 T=0C，所以弯曲和环境 因 数 ， 进而确定负荷系数 。 通过静态有限元 分析，可得出应力集中区分布在班卓及横臂过渡区域。所以， 除 了上述修正 因 数外，疲劳强度修正 因 数 因 此 （ 4） 出于安全考虑， 与 7。由于桥壳的大小及形状的复杂性， 第 8页 共 10页 准文献中查出。另一方面， （ 5 ） 式 中 p9, 12， 88. 7了计算 沿纵轴 Y 的危险横截面 为矩形并适用于纯弯曲理论 6。 0所给出的模型的计算公式为 （ 6） 式中 面系数 27507此计算得出 29现 kt用 过压力寿命决定桥壳材料的疲劳寿命。全部的疲劳分析都是以无限寿命进行的 （ N=106） 。 用有限元分析得到的压力分布图进行疲劳寿命计算。由于载荷具有正弦波动特性 （ 平均应力 m0） ，修正方法如下 9 1n （ 7） 式中， 幅 为 a = （ 8） （ 8） 平均应力 = （ 9） 式中，通过有限元分析得到 100 82体底部的分配系数 n 如图 13 所示。根据疲劳分析结果，估计在周期为 桥壳表面 会发生裂纹开裂，该数值低于预测值为 5处 小值为 0. 93。 在桥壳的内表面， 最 大应力集中 发生 处 计算结果为 意味着，在垂直应力测试中区域 2会在载荷周期 5发生疲劳幵裂。 有限元分析显示在垂直疲劳测试中出现疲劳破坏的区域存在应力集中，该应力集中会导致在 最 小预测周期 5出现过早破坏。此结果 与 垂直疲劳试验中的结构相 同 。增大桥壳的疲劳寿命需减小应力集中。减小应力集中，增大疲劳寿命的最简单的方法是金属壁的厚度。然而，在 外桥壳符合无限寿命周期条件。增加金属笔厚度导致了不必要的重量增加。例如，增加厚度 得桥壳材料在临界区域的疲劳极限提高到了超过 5. 85极限超过了设计的疲劳极限。另一方面，这也意味着提高了汽车非簧载质量 5%的重量。所以这并不是实用的解决方法。作为另一种解决方法，桂林电子科技大学 第 9页 共 10页 可从新设计过渡区域的几何形状。平整的过渡区几何形状可提高疲劳痔命而不增加重量。 此外，加 固 环的形状也对应力集中产生影响。在所研究的该桥壳设计中，加 固 环的厚度为 20了预测加 固 环的影响，在没有加 固 环的情况下又进行了一次有限元分析。在临界区域 28意味着，实用加固 环大约减少了 10%的应力集中。通过增加此部分的厚度，可能会增加硬度。在此设计中，由于动力系统外形的限制，增加的厚度为 5据此加固环的外形变化 进行静态疲劳分析。然而，分析显示疲劳强度的增加均为其自身的，因此桥壳的疲劳寿命不会增加到超过设计最小载荷周期 5因 此，増加加 固 环的厚度可与从新设计过渡区几何形状同时使用。 图 13下壳体安全系数分布 运用有限元分析方法对卡车后桥壳模型的早期疲劳失效进行分析。在分析中，通过模拟垂直疲劳试验过程，预测应力集中区在班卓过渡区域。发生疲劳开裂的区域与分析所得结果相吻合。通过有限元分析可预测破坏发生的位置。 通过稳态和循环张应力确定临界区域。裂缝导致破坏发生在桥壳的应力集中区域。尽管桥壳模型负荷最大垂直载荷静态忍耐条件，分析显示，如果为循环载荷，疲劳破坏可能在预测的最小周期 5限元分析同样可用于估计疲劳失效开始前的周期数。 为了解决该问题，増加金属管壁的厚度 因 为会增加桥壳的重量，所以并不是实 用 的方法。重新设计班卓过渡区和增加加 固 环的厚度，这种符合最小设计准则的途径，也许是增强疲劳寿命的好方法。 桂林电子科技大学 第 10页 共 10页 感谢 这篇论文在土 耳 其伊兹密尔 市 的 帮助下完成。作 者 同时也对来自 . 士和 批评与建议表示感谢。 译文原文出处： H. of a by . 16)2009,:1474 毕业设计（论文） 设计说明书 题 目 20 吨轮式挖掘机 后桥桥壳设计与分析 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 08 级机械 制造 1 班 学 生 指导教师 重 庆 交 通 大 学 2012 年 前 言 2010 年，我国挖掘机行业延续了 2009 年的发展态势 ，在政府加大基建投资、推进城镇化建设等多种政策叠加效应的作用拉动下，实际累计销售总量超过 台，比2009 年增长 2011 年上半年，中国境内 25 家主要挖掘机制造商销售挖掘机 2010 年同期增长 。受国家推动的大规模基建计划和房地产行业投资景气的影响，中国挖掘机市场将会有进一步的增长。未来挖掘机行业前景看好，中西部地区和东北地区随着经济建设的加快和施工项目的增多，对挖掘机的需求量也将逐年增大。但行业中产销量 80%为日、韩、美等外资所占。有据统计，在西方发达国家轮挖需求量约占挖掘机需求总量的 12，有的甚至达到 70 80，应用十分广泛。而我国的轮挖仅为 3左右， 故从世界范围轮挖我国的应用有待挖掘。 轮式挖掘机是铲土运输机械中的机种之一，轮式挖掘机是轮胎行走、周期作业、建筑型的挖掘机。其以行走速度快、能远距离自行转场及可快速更换多种作业装置的机动、灵活、高效的特点，在机场、港口、油田、矿藏、城乡建设、农田水利、快速抢修等物料挖掘、搬移方面得到充分利用。近年来，随着我国经济建设步伐的加快，工程机械特别是轮式挖掘机产品在产量、品种和技术水平上有了一定的发展。从轮式挖掘机长期需求市场分析，估计近几年会有一定的增长，而且主要品种仍会以中、小吨位产品为主。目前，我国生产轮式 挖掘机的企业约在 10家左右，其中有 3家合资公司，如中美合资贵州詹阳机械工业有限公司，不久前他们开发生产的高速行驶轮式挖掘机填补了国内空白。其最新开发的高速行驶轮式挖掘机每小时行驶速度达 54 轮式挖掘机行驶速度的重大突破 。 驱动桥的振动特性不但直接影响着其本身的强度，而且也对整车的舒适性和平顺性有着至关重要的影响。因此，对驱动桥进行模态分析，掌握和改善其振动特性，是设计中的重要方面。另外，模态分析也是进一步的谐响应分析、瞬态动力学分析的前提。 目 录 摘 要 第 1章 绪论 外、国内研究概况 场需求预测 态分析 计的重点与难点 2章 桥 壳的基本参数确定 桥的结构特点及工作 原理 择桥壳 方案设计 3章 具体设计计算 壳的静弯曲应力计算 不平路面冲击载荷作用下的桥壳计算 大牵引力行驶时的桥壳计算 动时的桥壳强度计算 第 4章 进行整体的力学分析 于 e 三维模型分析 于 力分析 挖掘机 静止垂直载荷工况 挖掘机 在不平路面冲击载荷作用下的工况 挖掘机 在 最 大牵引力行驶时的工况 挖掘机 紧急制动时的工况 挖掘机 受最大侧向力时的工况 5章 优化设计 6章 结论与展望 致 谢 考文献 摘要 挖掘机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的机械。由于挖掘机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。挖掘机的后驱动桥是挖掘机的重要部件，负责向外输出动力。驱动桥作为轮式挖掘机底盘传动系统的主要组成部分，处于传动系统 的末 端，传递的转矩较大，其工作性能的好坏直接影响到整机的工作性能。 驱动桥的功用是通过主传动改变转矩旋转轴线的方向，把纵置发动机的转矩传到横置驱动 桥两边的驱动轮上。通过主传动锥齿轮改变传力方向，通过主传动和最终传动将变速箱输出轴的转速降低，转矩增大；通过差速器解决左右差速问题，减小轮胎磨损和转向阻力，从而协助转向。此外驱动桥壳还起承重和传力作用。 后桥桥壳的质量对整车的安全使用及整车性能的影响是非常大的，因而对后桥进行有效的优化设计计算 和有限元分析 是非常必要的。 本文主要分析研究受力情况及稳态分析、模态分析、失稳分析等。 关键词： 挖掘机 ，后驱动桥 ，后桥桥壳 ，有限元分析冉毅： 20 吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 he of it of is an of is it is a of is at of it a on of of is to of of on to of of to s be be to In of a on of of it is to 一二届 机械设计制造 业毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 外、国内研究概况 1）轮式工程机械通常采用全桥驱动，因为轮式机械经常在荒野土路甚至无路的场地行驶 或作业，为了使全部重量都用作附着，从而获得更大的牵引力。 2)驱动桥的速比大，多采用轮边减速，因为即使主传动器采用两级减速也不能达到这样的传动比，而且如果增大主传动器速比，必然造成桥壳尺寸或半轴直径的加大，使机械得离地间歇减小，通过性降低，设置轮边减速器就可以减小主传动装置、差速器齿轮的半轴上传递的扭矩。 主传动器采用螺旋锥齿轮，较直齿和零度圆弧锥齿轮可减少齿数，从而减少桥重量和尺寸，另外由于它属于斜齿传动，因而同时啮合工作的齿数可较多，齿轮的强度大，工作均匀且噪声小。 国外工程机械的 驱动桥已普遍采用限滑差速器（ 嵌式或多片摩擦盘式）、湿式行车制动器等先进技 ， 限滑差速器大大提高了主机的牵引性能，同时减少了轮胎的磨损。而湿式行车制动器则提高了主机的安全性能，简化了维修工作 。 内外轮式挖掘机的 市场需求预测 目前国内轮式挖掘机主要有两大类，一种是可以 360度 回转的轮式挖掘机，采用专用底盘，价位一般比较高，动辄数十万元；另一类是只能有 180度 转角的经济适用型轮式挖掘机，多是在农用小型拖拉机上改装而成。 轮式挖掘机市场发展趋势 360回转轮式挖掘机从国内情 况看，近几年 360。回转轮式挖掘机的市场容量为 600台左右，仅占国内挖掘机销量的 3左右，销售额大约为 国际市场情况看， 2001年前后，全球大中型履带式挖掘机销量约为 型履带式挖掘机销量约为 带式挖掘机合计 式挖掘机销量约为 1万台，轮式挖掘机、履带式挖掘机合计 式挖掘机占挖掘机总量的 5 1。而在近一两年，全球大中型履带式挖掘机销量在 型履带式挖掘机销量在 10万台左右，履带式挖掘机合计 式挖掘机销量约为 式挖掘机、履20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 2 带式挖掘机合计 式挖掘机占总销量的 在部分发达国家，其轮式挖掘机与履带式挖掘机的销量差距不大，德国市场上轮式挖掘机的销量甚至还超过了履带式挖掘机。国际市场上轮式挖掘机所占比重有所上升但上升幅度不大，国内市场的轮式挖掘机市场容量与国际平均水平相比尚有上升空间。国际市场上，在国际市场上，无论是从主要厂家的生产销售情况，还是从轮式挖掘机参加重要的行业展会的情况来看， 1320 60度 。回转轮式挖掘机市场占据主导地位是毋庸质疑的。目前国内市场上 360度 回转轮式 挖掘机多数为合资或进口品牌。合资或进口品牌中，以现代和大宇在轮式挖掘机市场所占份额最大，他们从 1999年在国内挖掘机市场出现高速增长时推出轮式挖掘机，取得了较好的销售业绩，但绝对数量尚低，没有形成规模。目前，大宇轮式挖掘机占其年销量的 2 5左右，现代占 5左右。国内主要厂家，生产销售的轮式挖掘机型号也以 13 206 8 销量与 1 3 20 与国际市场的发展趋势是相吻合的。国内 360度 回转轮式挖掘机市场上的主要品牌。从用户角度考虑 ， 13 16 13 16 方米 左右，合资进口品牌售价在 50万元左右，国产品牌在这一级别上并无价格优势，且质量性能方面均有差距： 68 产、合资及进口品牌售价均在 42万元以上。 180转角轮式挖掘机国内生产厂家众多，但其售价一般都比较低，而工作效率高，能够满足农村市场的一般使用要求，其价格也在农村所能承受的范围之内，因而从问世之初就受到广大农村用户的青睐，近几年年销量一直稳定在 3000台左右。随着经济的发展和城镇化进程的加快，平整土地、沟渠开挖、村村通公路建设、新城镇建设等施工项目增多，这种轮式挖掘机在农村有着广阔的市场。 根据对国内与工程机械相关产业和市场的分析，同时根据国民经济发展总体态势，特别是机械工业和全社会固定资产投资相关发展情况分析，预计“十五”期间，工程机械行业将得到较快发展。据此分析预测， 2005年工程机械需求总值为 760亿元左右。挖掘机行业占工程机械行业产值在 10%总需求量在 75亿元到 90亿元之间。而轮式挖掘机占挖掘机行业产值的 总需求量在 亿元之间。从近几年我国工程机械市场发展趋势来看，我国轮式挖掘机市场远远没有饱和，有一定的发展空间。据工程机械“十五”规划披露，“十五”期间，工程机械行业面临着新的重大发展机遇。 (1) 交通运输 ， 从全国的形势来看，“十五”期间交通建设除重点开发西部地区二 O 一二届 机械设计制造 业毕业设计（论文） 3 外，主要集中在三个方面 :一是建设国际与国内地区间的运输大通道，即南北运输大通道、东西运输大通道、进出关通道、进出西南地区通道、进出西北地区通道、“三西，能源基地煤炭外运通道、国际间运输通道。二是提高快速运输能力，为提高港口码 头、铁路货站的物资搬运效率，增加现代化的搬运设备。三是城市公共交通干道建设，随着城市人口和交通车辆的增加，迫切需要解决交通拥堵现象。道路建设发展，必将带动工程机械需求的增长发展。 (2)水利水电建设水利水电建设是我国“十五”期间经济发展的命脉，投资领域的重点。在水利建设上，从“十五”计划开始至 2020年，重点是对全国七大水系进行综合治理，对湖泊、河道进行清淤、疏浚、退田还湖、加固兴修堤坝。这是一项长期的任务，需要开发的新产品任务很多，具有较大的潜在市场。同时为改变南涝北早的地域经济差别，实施西部大开 发，国家正在规划论证实施东、中、西二条线南水北调的宏伟工程。 态分析 模态分析是对工程结构进行振动分析研究的最先进的现代化方法与手段之一。它可以定义为对结构动态特性的解析分析（有限元分析）和实验分析（实验模态分析），其结构动态特性用模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征向量；而在实验方面，则是测得的系统的极点（固有频率和阻尼）和振型（模态向量） 。 模态分析技术的特点与优点是在对系统做动力学分析时，用模态坐标代替物理学坐标，从而可大大压缩系统分析的自由度数 目，分析精度较高。对于大型复杂的系统，比如 挖掘机 ，可以采用子结构分析方法。它是把复杂的大型结构划分为各子结构，分别对子结构进行有限元分析或实验模态分析，取得子结构的动力模型及其特性参数，再将子结构按照一定方法综合成一整体进行分析，是一种有效缩减自由度的方法。驱动桥的振动特性不但直接影响着其本身的强度，而且也对整车的舒适性和平顺性有着至关重要的影响。因此，对驱动桥进行模态分析，掌握和改善其振动特性，是设计中的重要方面。另外，模态分析也是进一步的谐响应分析、瞬态动力学分析的前提。实验模态分析技术对刚投入使用的驱 动桥进行模态分析，得到了所研究驱动桥的前几阶固有频率和模态振型，并由此进一步指出了使用中可能出现的问题 。 桥壳 的设计褚志刚等通过模态分析方法找到了某 挖掘机 驱动桥的破坏原因。该驱动桥壳在使用中中部区域常出现裂纹，静强度计算表明该桥壳静应力分布合理，破坏区的20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 4 静应力很小。模态分析中桥壳的前九阶频率在路面谱频率范围内，在路面谱的激励下很容易引起垂直方向的共振。进一步的强迫振动分析表明，中部某些部位应力超过了材料的强度极限，动态特性不好，动强度不足是破坏的根本原因。这不但说明模态分析在驱动桥的研究和设计中有着 具体的应用，而且还是必要的。因为传统的设计和分析方法不足以解决 挖掘机 关键部件的动态承载强度问题。对于车辆及发动机中的许多重要零部件的强度、刚度计算问题，传统的方法通常都要对复杂的几何形状、受力状况和约束状态等进行较大的简化，并只能应用一些较为简单的力学公式对简化后的结构进行粗略估算，一般计算结果与世纪情况都有一定的差别。为安全可靠起见，常常要选择过大的安全系数，结果使结构尺寸和体积重量偏大；同时，由于计算粗略，也可能出现某些薄弱环节或结构局部的强度或刚度不能满要求的现象。按照国外的样车、样机进行测绘仿制，或 在测试、使用中发现问题后再对设计方案加以改进，都不能算是真正的解决问题的途径。随着计算机技术的发展而发展起来的有限元方法是一种分析计算复杂结构极为有效的数值计算方法。它先将连续的分析对象剖分成由有限个单元组成的离散组合体，运用力学知识分析每个单元的力学特性，再组集各个单元的特性，组成一个整体结构的控制方程组，通过计算，得到整个构件的应力场和位移场等这种方法的整个计算过程十分规范，主要步骤都可以通过计算机来完成，是一种十分有效的分析方法。由于有限元工程分析旨在确定由作用于集体结构上的外部载荷所引起的应力和应变 ，从而判断集体结构承受各种严重载荷时满足规定强度、刚度要求的能力，因此它除用于静强度校核外，还能作为耐久性分析、损伤容限分析、设计阶段研制试验项目选择、关键部位的确定、材料选择，以及作为强度验证试验中选择载荷情况等的依据。同时，它也是全机或部件传力分析的重要手段。 计的重点与难点 存在的问题： 冲压焊接式桥壳在使用中多次出现了桥壳焊接处脱焊开裂问题，疲劳 性 能差，超载易变形，主减速器齿轮正常啮合受影响，噪声大，降低了驱动桥总成的使用 寿命。 铸造中 可能 由于成分控制不良，导致 桥壳断裂 ； 生产过程质量失控，使得铸件材料组织不良，特别是 高 )严重产品铸后的热处理不当，无法有效地改善铸件的组织和机械性能导致产品材料的机械性能指标中重要的韧性和机械性能导致产品二 O 一二届 机械设计制造 业毕业设计（论文） 5 材料的机械性能指标中重要的韧性 使得产品材料的韧性不足，破断抗力减弱 。 凹凸不平的砂石路面，桥壳在严重超载的情况下，承受超负荷的冲击力而突然断裂；桥壳局部结构单薄，桥壳断裂位置存在着明显的应力集中，结构过渡不够平滑。 4）由于一些材料的焊接性能不良，加之 降低了材料的焊接性能，增加了铸件的成分偏析和热裂、缩孔倾向，也使支架与桥壳的外圆侧面的焊接和焊接后仍按原工艺的加工已不能满足产品的要求，使得在 焊接区域的母材一侧所形成的淬火马氏体组织不能充分焊接区域的母材一侧所形成的淬火马氏体组织不能充分大幅减弱，机械性能进一步恶化在应力的作用下在此区域产生了裂纹源，而破断抗力过低，致使产品 (桥壳 )在此发生脆断失效 制造改进：从桥壳的制造工艺、车桥的减速形式、车轮的制动方式等方面入手，更改桥壳内部尺寸，在不改变桥壳外部轮廓尺寸的前提下，增加桥壳内部断裂部位的壁厚以提高其结构强度； 在不影响整车布置的条件下，对桥壳外部轮廓尺寸进行修改，尽量使桥壳整个长度方向上过渡较为圆滑，保证应力分布趋于合理。同时，对材质和工艺进行了相应的调整 ; 铸造过程中的炉前分析对成分要严格控制，铸后材料成分特别是 回炉重新铸造加工 ;铸件热处理正火的冷却必须均匀，正火后增加高温回火处理 ; 5)支架与桥壳的外圆侧面焊接前必须对桥壳焊接部 位进行预热处理，焊接后及时回火，以消除因焊接对桥壳材料的组织和应力的影响。 驱动桥的振动特性不但直接影响着其本身的强度，而 且也对整车的舒适性和平顺性有着至关重要的影响。因此，对驱动桥进行模态分析，掌握和改善其振动特性，是设计中的重要方面。另外，模态分析也是进一步的谐响应分析、瞬态动力学分析的前提。 桥壳应该结构简单、制造方便，以利于降低成本。其结构还应保证主减速器的拆装、调整、维修和保养方便。 20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 6 第二章 桥壳的基本参数确定 桥的结构特点及工作 原理 桥壳大致可分为可分式、整体式和组合式三种形式。 可分式桥壳：结构简单，制造工艺性好，主减速器支承刚度好。但拆装、调整、维修很不方便，桥 壳的强度和刚度受结构的限制，曾用于轻型 挖掘机 上，现已较少使用。 整体式桥壳 ： 具有强度和刚度较大，主减速器拆装、调整方便等优点。 图 2 2合式桥壳：从动齿轮轴承的支承刚度较好，主减速器的装配、调整比可分式桥 壳 二 O 一二届 机械设计制造 业毕业设计（论文） 7 方便。然而要求有较高的加工精度。常用于轿车、轻型货车中。 驱动桥处于动力传动系的末端。将万向传动装置输入的动力经降速增扭后，改变传动方向，然后分配给左右驱动轮，且允许左右驱动轮以不同转速旋转。增大由传动轴或变速器传来的转矩，并将动力合理 地分配给左、右驱动轮；承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力。如图 2 20吨挖掘机基本参数： 满载时后桥负荷 发动机型号 额定功率(kw/最高行驶速度 驾驶顶部离地高度 20吨 五十铃 22/2000 h 3230动机罩离地高度 桥壳设计的安全系数 长宽高 铲斗容量 m 铲斗挖掘力 620 9455m 151距 距 小离地间隙 部长度 2800 1900 345 2785 轮子规格 层级 轮辋型式 充气外缘 尺寸 最大 负荷 用气压 纹分类代号 标准 轮辋 许用 轮辋 断面宽 外直径 2 30280 5600 450 20吨挖掘机基本参数 动参数和动力参数的计算 轴的型式 普通非断开式驱动桥的半轴，根据其外端的支承型式或受力状况的不同而分为半浮式、 3/4浮式和全浮式三种 。 20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 8 半浮式半轴以靠近外端的轴颈直接支承在置于桥壳外端内孔中的轴承上，而端部则以具有锥面的轴颈及键与车轮轮毂相固定，或以突缘直接与车轮轮盘及制动鼓相联接 )。因此，半浮式半轴除传递转矩外，还要承受车轮传来的弯矩。由此可见，半浮式半轴承受的载荷复杂，但它具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉等优点。用于质量较小、使用条件较好、承载负荷也不大的轿车和轻型载货汽车。 3/4浮式半轴的结构特点是半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套管的部，直接支承着车轮轮毂，而半轴则以其端部与轮毂相固定。由于一个轴承的支承 刚度较差，因此这种半轴除承受全部转矩外，弯矩得由半轴及半轴套管共同承受，即 3/4浮式半轴还得承受部分弯矩，后者的比例大小依轴承的结构型式及其支承刚度、半轴的刚度等因素决定。侧向力引起的弯矩使轴承有歪斜的趋势，这将急剧降低轴承的寿命。可用于轿车和轻型载货汽车，但未得到推广。 全浮式半轴的外端与轮毂相联，而轮毂又由一对轴承支承于桥壳的半轴套管上。多采用一对圆锥滚子轴承支承轮毂，且两轴承的圆锥滚子小端应相向安装并有一定的预紧，调好后由锁紧螺母予以锁紧，很少采用球轴承的结构方案。由于车轮所承受的垂向力、纵向力和侧向 力以及由它们引起的弯矩都经过轮毂、轮毂轴承传给桥壳，故全浮式半轴在理论上只承受转矩而不承受弯矩。但在实际工作中由于加工和装配精度的影响及桥壳与轴承支承刚度的不足等原因，仍可能使全浮式半轴在实际使用条件下承受一定的弯矩，弯曲应力约为 5 70有全浮式半轴的驱动桥的外端结构较复杂，需采用形状复杂且质量及尺寸都较大的轮毂，制造成本较高，故轿车及其他小型汽车不采用这种结构。但由于其工作可靠，故广泛用于轻型以上的各类汽车上。 轴的设计与计算 发动机的功率出来传给液力变矩器，液力变矩器在 将动力传给主离合器，之后传给变速箱，最后到达驱动桥的主动锥齿轮轴。 由已知参数，求得发动机转矩 发动机（ 2 由最高车速为 h=根据车轮直径 1280每转行走 4m，车轮最高转速为 m in/ 二 O 一二届 机械设计制造 业毕业设计（论文） 9 最低传动比 轮最高转速发动机（ 2 全浮式半轴的设计计算 本课题采用带有凸缘的全浮式半轴，其详细的计算校核如下 ， 全浮式半轴计算载荷的确定 ， 全浮式半轴只承受转矩，其计算转矩按下式进行： T= （ 2 式中： 差速器的转矩分配系数，对圆锥行 星齿轮差速器可取 变速器 1挡传动比； 取 i=7.6 主减速比。 已知： 582 4； =算结果： T=582 4 =16587 在设计时，全浮式半轴杆部直径的初步选取可按下式进行： 0333 T（ 2 式中 d 半轴杆部直径， T 半轴的计算转矩， 半轴扭转许用应力， 给定一个安全系数 k=初， 设计取 70轴直径 车轮中线至钢板弹簧座中心距离 两钢板弹簧座中心间的距离 最高速时传动比 主减速比 一档减速比 7050400 2算尺寸 20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 10 第三章 具体 设计计算 选定桥壳的结构型式以后，应对其进行受力分析。选择其断面尺寸，进行强度计算。 挖掘机驱动桥的桥壳是挖掘机上的主要承载构件之一，其形状复杂，而挖掘机的行驶条件如路状况、气候条件及车辆的运动状态等又是千变万化的，因此要精确地计算挖掘机行驶时作用于桥壳各处应力的大小是很困难的。过去我国主要是靠对桥壳样品进行台架试验和整车行驶试验来考核其强度及刚度，有时还采用在桥壳上贴应变片的电测方法，使挖掘机在选定的典型路段上满载行驶，以测定桥壳的应力。这些方法都是在有桥壳样品的情况下才能采用，而且都需要付出 相当大的人力、物力和时间。日本五十铃公司曾采用略去桥壳后盖，将桥壳中部安装主减速器处的凸包简化成规则的环形的简化方法，用弹性力学进行应力和变形计算。弹性力学计算方法本身虽精确，但由于对桥壳的几何形状作了较多的简化，使计算结果受到很大限制。有限单元法是一种现代化的结构计算方法，在一定前提条件下，它可以计算各种机械零件的几乎所有几何部位的应力和应变。在国外， 20 世纪 70 年代前后，这种方法就逐渐为挖掘机零件的强度分析所采用，对挖掘机驱动桥壳的强度分析也不例外，国内、外都曾用它分析过挖掘机驱动桥壳的强度。在通常的情 况下，在设计桥壳时多采用常规设计方法，这时将桥壳看成简支梁并校核某特定断面的最大应力值。例如，日本有的公司对驱动桥壳的设计要求是在 2. 5倍满载时轴负荷的作用下，各断面 (弹份座处、桥壳与半轴套管焊接处、轮毅内轴承根部圈角处 )的应力不应超过屈服极限。我 国通常推荐 :计算时将桥壳复杂的受力状况简化成三种典型的计算工况，它与前述半轴强度计算的三种载荷工况相同，即当车轮承受最大的铅垂力 (当汽军满彝若 手禾平路面，受冲击载荷 )时 ;当车轮承受最大切向力 (当 挖掘机满载并以最大牵引力行驶和紧急制动 )时 ;以及当车轮承受最大侧向 力 (当 挖掘机 满载侧滑 )时。只要在这三种载荷计算工况下桥壳的强度得到保证，就认为该桥壳在 挖掘机 各种行驶条件下是可靠的。 在进行上述三种载荷工况下桥壳的受力分析前，还应先分析一下 挖掘机 满载静止于水平路面时桥壳最简单的受力情况，即进行桥壳的静弯曲应力计算。 二 O 一二届 机械设计制造 业毕业设计（论文） 11 桥壳的设计是一个参数探索的过程，对于一款桥壳的设计首先是参考一款目前已经成熟的桥壳参数，并根据设计目标进行参数修正，将参数修正后的结果进行理论和有限元分析，查看是否满足要求，如不满足，就继续修正参数，直到最终达到设计要求，对于本次设计的目标，参考了某公司 20吨 轮式挖掘机驱动桥的参数，并根据实际需要进行了多次参数修正和分析，最终得到设计模型。 壳的静弯曲应力计算 桥壳犹如一空心横梁，两端经轮毂轴承支承于车轮上，在平板座处桥壳承受 挖掘机的簧上质量，而沿左右轮胎中心线，地面给轮胎以反力2G/2（双胎时则沿双胎之中心），桥壳 则承受此力与车轮重力 2G 计算简图如 图 3 图 3静弯曲应力计算简图 桥壳按静载荷计算时，在其两座之间的弯矩 M 为 5 001025020002102)2 3一 l) 式中：2G 挖掘机 满载静止与水平路面时驱动桥给地面的载荷， N； 车轮（包括轮毂、制动器等）的重力， N； B 驱动车轮轮距， m; s 驱动桥壳上两座中心距离， m. 20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 12 由弯矩图可见，桥壳的危险断面通常在座附近。通常由于，且设计时不易准确预计，当无数据时可以忽略不计。而静弯曲应力为 M p 5 0 0M p 53 (3一 2) 式中： M 见弯矩公式； 危险断面处桥壳的垂向弯曲截面系数。 见表 3 1。 表 3面系数 断面形状 垂向及水平弯曲截面系数 扭转截面系数 5443 10116D 关于桥壳在钢板弹簧座附近的危硷断面的形状甲主要由桥壳的结构型式和制造工艺来定。匆如对于铸造整体式桥壳，笼于采用了铸造工艺所以可将弹簧蜜附近的断面设粉成垂向抗弯强度较好的矩形管状断面 (计算时还应考虑里 边压进的半轴套管 );钢板冲压俘接整体式桥壳，在弹簧座附近多为圆管断面，但当桥壳与半轴套管之间的联接采用闪先对捍工艺时，桥壳危脸断面的形状就可设计成矩形管状二从桥壳的使用强度来看，矩形管狱高度方向为长边 )的比口形管状的要好。 不平路面冲击载荷作用下的桥壳强度计算 当 挖掘机 在不平路面上高速行驶时，桥壳除了承受静力状态下那部分荷载以外，还承受附加的冲击载荷。在这两种载荷总的作用下，桥壳所产生的弯曲应力 （ 3一 3) 式中： 动载荷系数，对轿车、客车取 载荷 挖掘机 去 越野 挖掘机取 桥壳在静载荷下的弯曲应力， 掘机 以最大牵引力行驶时的桥壳强度计算 为了使计算简化，不考虑侧向力，仅按 挖掘机 作直线行驶的情况进行计算，另从安全系数方向 考虑。下图为 挖掘机 以最大牵引力行驶时的受力简图。设地面对后驱动桥左、右车轮的垂向反作用力2 二 O 一二届 机械设计制造 业毕业设计（论文） 13 L hp gm a 一 4） 式中： 挖掘机 满载静止于水平地面时给地面的总载荷； 挖掘机 质心高度。 图 3而作用在左、右驱动车轮上的转矩引起的地面对左、右驱动车轮的最大切向反作用力共为 4a x em a x (3 5) 式中： 发动机最大转矩， N M； 1 挡传动比； 0i 驱动桥的主减速比； T 传动系的传动效率； r 驱动车轮的滚动半径， m 如果忽略T，整理上式以后得 ，并将式 (3人式 (3经整理后得 r L G a x 一 6) 式中： 2 地面对一个后驱动车轮的垂向反作用力， N； 2G 挖掘机 满载静止于水平地面时驱动桥给地面的载荷， N; 挖掘机 质心高度， m; L 挖掘机 轴距， m; 2m 挖掘机 加速行驶时的质量转移系数。 20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 14 由上式可知对后驱动桥： 420m a (3 7） 在设计中，当上式的某些参数未给定而无法计算出2轿车后驱动桥取2m=载货 挖掘机 后桥驱动桥取2m= 此时后驱动桥壳的左右钢板弹簧座之间的垂向弯矩1 5 3 7 22v （ 3 8） 式中 : 2G ， B， s 见式（ 3 1）下的说明。 由于驱动车轮所承受的地面对其作用的最大切向反作用力驱动桥壳也承受着水平方向的弯矩于装用普通圆锥齿轮差速器的驱动桥，由于其左右驱动车轮的驱动转矩相等，故有 3 4 6 a 3 9） 当所装用的差速器使左、右驱动车轮的转矩不等时，应取驱动转矩较大的那个车轮所引起的地面切向反作用力代替上式中的 。 桥壳还承受因驱动桥传递驱动转矩而引起的反作用力矩，这时在两钢板弹簧座间桥壳承受的转矩 78642 Lm a x e (3 10） 式中： 发动机最大转矩， N M； 传动系的最低挡传动比； T 传动系的传动效率； 当桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面为圆管截面时，在该断面处的合成弯矩 M为 22（ 3 11） 该危险断面处的合成应力 为 M 5222 （ 3 12） 式中： W 危险断面处的弯曲截面系数 ，见表 3 2。 二 O 一二届 机械设计制造 业毕业设计（论文） 15 当桥壳在钢板弹簧座附近的危险断面为矩形管装断面时，则在该断面处的弯曲应力w和扭转应力 分别为 （ 3 式中：VM， 分别为桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩和水平弯矩； VW，hW， 分别为桥壳在危险断面处的垂向弯曲截面系数、水品弯 曲 截面系数和扭转截面系数。 见表 3 2。 桥壳的许用弯曲应力为 300500用扭转应力为 150400煅铸铁桥壳取最小值，钢板冲压焊接桥壳取大值。 下图给出了 挖掘机 以最大牵引力行驶时后驱动桥桥壳的受力分析简图。 图 3图 3 动桥桥壳的受力分析简图 掘机 紧急制动时的桥壳强度计算 这时不考虑侧向力。下图为 挖掘机 在紧急制动时的受力简图 20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计与分析 16 图 3 4 挖掘机在紧急制动时的受力简图 设地面对后驱动桥左右车轮的垂向反作用力2 45220221 g （ 3 式中： 挖掘机 满载静止于水平地面时给地面的总载荷， N； 挖掘机 质心高度， m; g 重力加速
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