毕业论文-20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计

河南机电高等专科学校设计说明书论文题目20吨轮式挖掘机后桥桥壳设计系部机械工程系专业机械设计制造及其自动化班级机计122班学生姓名学号指导教师2015年4月20日前言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165万台，比2009年增长745。2011年上半年，中国境内25家主要挖掘机制造商销售挖掘机128万台，比2010年同期增长3198，。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7080，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54KM，实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。目录第1章绪论11国外、国内研究概况112市场需求预测113模态分析314设计的重点与难点4第2章桥壳的基本参数确定21后桥的结构特点及工作原理622选择桥壳方案设计7第3章具体设计计算31桥壳的静弯曲应力计算1132在不平路面冲击载荷作用下的桥壳计算1233最大牵引力行驶时的桥壳计算1234制动时的桥壳强度计算1535受最大侧向力时的桥壳强度计算18第4章进行整体的力学分析41基于POR/E三维模型分析2442基于MCHANICICA受力分析25421挖掘机静止垂直载荷工况26422挖掘机在不平路面冲击载荷作用下的工况28423挖掘机在最大牵引力行驶时的工况30424挖掘机紧急制动时的工况32425挖掘机受最大侧向力时的工况34第5章优化设计37第6章结论与展望47致谢48参考文献49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ABSTRACTTHEEXCAVATORISWIDELYUSEDFORHIGHWAY,RAILWAY,CONSTRUCTIONS,WATERANDELECTRICITY,PORTS,MININGANDOTHERENGINEERINGCONSTRUCTIONMACHINERYBECAUSEOFHIGHWORKINGSPEED,HIGHEFFICIENCYANDCONVENIENTOPERATIONOFTHEEXCAVATOR,THEREFOREITBECOMESONEOFTHEMAINENGINEERINGMACHINERYWHICHAREUSEDFORCONSTRUCTIONCONDITIONSTHEDRIVEAXLEISANIMPORTANTPARTOFTHEISEXCAVATOR,ANDITISRESPONSIBLEFORTHEPOWEROUTPUTASAKEYCOMPONENTOFTHEWHEELEXCAVATORSCHASSISTRANSMISSIONSYSTEM,THEDRIVEAXLEISATTHEENDOFTHEDRIVESYSTEM,ANDITTRANSMITSBIGGERTORQUETHEIRPERFORMANCEHASADIRECTINFLUENCEONTHEPERFORMANCEOFTHEWORKTHEFUNCTIONOFTHEDRIVEAXLEISTOCHANGETHEDIRECTIONOFTHEAXISOFROTATIONTORQUETHROUGHTHEMAINDRIVE,ANDTRANSMITSTHETORQUEONTHELONGITUDINALBUYENGINETOBOTHSIDESOFTHEDRIVEWHEELSTHROUGHTHEMAINTRANSMISSION,THEBEVELGEARCHANGETHEDIRECTIONOFTHEFORCETHROUGHTHEMAINTRANSMISSIONANDFINALDRIVETOTHEGEARBOX,THEOUTPUTSHAFTSSPEEDWILLBEREDUCED,ANDTHETORQUEWILLBEINCREASEDWITHTHEDIFFERENTIALPROBLEMBEINGSOLVED,THETIREWEARANDRESISTANCEWILLBEREDUCEDANDHELPTOVEERINADDITION,THEDRIVINGAXLESHELLCANBEARTHEWEIGHTANDTRANSMITTHEFORCETHEQUALITYOFTHEREARAXLESHELLHASAGREATINFLUENCEONTHESAFETYOFTHECOMPLETEVEHICLEBRIDGEANDTHEPERFORMANCEOFTHEVEHICLE,THEREFOREITISVERYNECESSARYTOMAKEEFFECTIVEOPTIMIZEDDESIGNCALCULATIONANDFINITEELEMENTANALYSISFORFORTHEDRIVINGAXLETHISPAPERMAINLYDEALSWITHTHESTRESSANDSTEADYSTATEANALYSIS,MODALANALYSISANDINSTABILITYANALYSIS,ETCKEYWORDSEXCAVATOR,DRIVINGAXLEAFTER,REARAXLESHELLBRIDGE,ANDTHEFINITEELEMENTANALYSIS第1章绪论11国外、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（NOSPIN牙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。12国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35亿元。从国际市场情况看，2001年前后，全球大中型履带式挖掘机销量约为91万台，小型履带式挖掘机销量约为96万台，履带式挖掘机合计187万台，轮式挖掘机销量约为1万台，轮式挖掘机、履带式挖掘机合计197万台，轮式挖掘机占挖掘机总量的51。而在近一两年，全球大中型履带式挖掘机销量在95万台左右，小型履带式挖掘机销量在10万台左右，履带式挖掘机合计95万台，轮式挖掘机销量约为12万台，轮式挖掘机、履带式挖掘机合计207万台，轮式挖掘机占总销量的58。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，1320T级轮式挖掘机在整个360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25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1320T级产品为主，68T级轮式挖掘机产品虽有生产，但销量与1320TA的轮式挖掘机相比有很大差距。这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，1316T级的轮式挖掘机有着比较好的经济性1316T级轮式挖掘机斗容在0506立方米左右，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68T级轮式挖掘机斗容仅为025O35左右，国产、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1012，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2545，总需求量在18亿元到4亿元之间。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。13模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。14设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CR、MN超差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CR、MN的含量超高，更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CR，MN含量不合格的不得流转，需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。第二章桥壳的基本参数确定21后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21图22组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22。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/RPM最高行驶速度驾驶顶部离地高度20吨五十铃ISUZUAI4HK1X122/2000275KM/H3230MM发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KN2620MM49455X2530X3240091M151KN轴距MM轮距MM最小离地间隙MM尾部长度MM280019003452785轮辋型式充气外缘尺寸轮子规格层级标准轮辋许用轮辋断面宽外直径最大负荷KG使用气压KPA花纹分类代号130024TG12800TG1000VA330MM12805600450E2/L2表2120吨挖掘机基本参数22运动参数和动力参数的计算221半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。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570MPA。具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。221半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（21）MN658201295NP0T发动机由最高车速为275KM/H4583M/MIN，则根据车轮直径1280MM知每转行走4M，车轮最高转速为MI/R438最低传动比（22）417520NI轮最高转速发动机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TTEMAXIG1I0（23）式中差速器的转矩分配系数，对圆锥行星齿轮差速器可取06；IG1变速器1挡传动比；取I76I0主减速比。已知TEMAX582NM；IG176；I04；06计算结果T0658276416587在设计时，全浮式半轴杆部直径的初步选取可按下式进行（24）M4310258052182051960D3333T式中D半轴杆部直径，MM；T半轴的计算转矩，NRN；半轴扭转许用应力，MPA。给定一个安全系数K15,，设计取70MM64351DK初半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70MM250MM1400MM174476表22计算尺寸第3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25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。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。31桥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/2（双胎时则沿双胎之中心），G桥壳则承受此力与车轮重力之差值，即，计算简图如图31所示。WG2WG图31桥壳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3一LMN12502502102GM35SBGW（式中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；W驱动车轮轮距，MB驱动桥壳上两座中心距离，MS由弯矩图可见，桥壳的危险断面通常在座附近。通常由于远小于/2，且设计时WGG不易准确预计，当无数据时可以忽略不计。而静弯曲应力则为J3一2MPA5621025MPA10W33VWJ式中见弯矩公式；危险断面处桥壳的垂向弯曲截面系数。V见表31。表31截面系数断面形状垂向及水平弯曲截面系数HWV扭转截面系数TW圆554343102910DD5431016DD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。32在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为WDMPA（3一35187623KWJD式中动载荷系数，对轿车、客车取175，对载荷挖掘机去25，对越野挖掘机D取30；桥壳在静载荷下的弯曲应力，MPAWJ33挖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、相等，则2LZR3一4）LHPGMAX1A2R2LGZ式中挖掘机满载静止于水平地面时给地面的总载荷；AG挖掘机质心高度。GH图32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354RT0GIRT0GIMAXEAX10726402195INP95IP式中发动机最大转矩，NM；AE变速器挡传动比；1GI驱动桥的主减速比；0传动系的传动效率；T驱动车轮的滚动半径，MR如果忽略，整理上式以后得，并将式35代人式34，经整理后得T3一6RLGHIT12ZG0IMAXE式中地面对一个后驱动车轮的垂向反作用力，N；2挖掘机满载静止于水平地面时驱动桥给地面的载荷，N2G挖掘机质心高度，MGH挖掘机轴距，ML挖掘机加速行驶时的质量转移系数。2M由上式可知对后驱动桥37）231601721M5420AX2LGRHITGIE在设计中，当上式的某些参数未给定而无法计算出值时，的值可在下述范围内M2选取；对轿车后驱动桥取1214对载货挖掘机后桥驱动桥取1113。2此时后驱动桥壳的左右钢板弹簧座之间的垂向弯矩为VM（38）1537201MM52VSBGWN式中，B，S见式（31）下的说明。2G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，使驱动桥壳也承受MAXP着水平方向的弯矩，对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H驱动转矩相等，故有（39）NS34602541072PMMAXH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/2值。MAXP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T为310）NT786425ILMAXE式中发动机最大转矩，NM；MAXE传动系的最低挡传动比；TLI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为M（311）MN6172TM2H2V该危险断面处的合成应力为（312）MPA810267352WHV式中W危险断面处的弯曲截面系数，见表32。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和扭转应力分别为W（313）VHWMWTTW式中，分别为桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩和水平弯矩；VMH，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T系数和扭转截面系数。见表32。桥壳的许用弯曲应力为300500MPA,许用扭转应力为150400MPA,可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311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33驱动桥桥壳的受力分析简图34挖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图34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、相等，则2LZR（314）452R2L10738018021LG1ZAGH式中挖掘机满载静止于水平地面时给地面的总载荷，N；A挖掘机质心高度，MGH重力加速度，M/；2S制动减速度，M/。因，故制动减速度A为GAGAG代入上式得（315）212221ZMGLHLGHGAG式中驱动车轮与路面的附着系数，计算时取07508；后驱动桥计算用的挖掘机紧急制动时的质量转移系数。2M由上式可知，对后驱动桥而言，为2M（316）12LHG在设计时，当、等参数未给定时，的值可在下述范围内选取对载货挖掘机G2后驱动桥取075095。此时取082M在计算轿车等的前驱动桥时，不难求出此时用的挖掘机紧急制动时的质量转移系数应为（317）21M1LHG下图为挖掘机紧急制动时后驱动桥壳的受力分析简图。此时作用在左、右驱动车轮上除有垂向反力/2,尚有切向反力，即地面对驱动车轮的制动力/2。因此可求2G2GM得紧急制动时桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩及水平方向的弯矩分别为VMHM（318）N10692580210BGMM35W2V）S（319）4H式中挖掘机制动时的质量转移系数，计算后驱动桥壳时取2M桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分处同时还承受制动力所引起的转矩T，对后驱动桥图35挖掘机紧急制动时后驱动桥桥壳的受力分析简图桥壳在两钢板弹簧座的外侧部分处同时还承受制动力所引起的转矩T，对后驱动桥320MN10526408210T452RMG式中驱动车轮的滚动半径，MR驱动车轮与路面间的附着系数，计算时取08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为M（321）MN247TM2HV该危险断面处的合成应力为（322）PA7123024752WHV35挖掘机受最大侧向力时的桥壳强度计算当挖掘机满载、高速急转弯时，则会产生一个作用于挖掘机质心处的相当大的离心力。挖掘机也会由于其他原因而承受侧向力。当挖掘机所承受的侧向力达到地面给R轮胎的侧向反作用力的最大值即侧向附着力时，挖掘机处于侧滑的临界状态，侧向力一旦超过侧向附着力，挖掘机则侧滑。因此挖掘机驱动桥的侧滑条件为323N10GYP52R2L式中驱动桥所受的侧向力，N；2P、地面给左、右驱动车轮的侧向反作用力N；LYR挖掘机满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷，N2G轮胎与地面间的侧向附着系数，计算时取1111由于挖掘机产生纯粹的侧滑，因此计算时可以认为地面给轮胎的切向反作用力例如驱动力或制动力为零。下图为挖掘机向右侧滑时的受力简图，根据该图可求出驱动桥侧滑时左、右驱动车轮的支承反力为（324）BHG12LGZBHG12RGZ式中挖掘机满载时的质心高度，MGH驱动车轮的轮距,M。B由上式可知，当/B时，0,，即在这种情况下，驱动桥的全部荷1GH2L2R重侧滑方向一侧的驱动车轮承担，这种极端情况对驱动桥的强度极为不利，因此设计时应避免这种情况产生，为此应尽量降低挖掘机的质心高度。GH图36挖掘机向右侧滑时的受力简图下图为挖掘机向右侧滑时驱动桥上面的车厢受力平衡图。由该图可以求出挖掘机侧滑时钢板弹簧对桥壳的垂向作用力及水平作用力、及水平作用力、。2LTR2LQR钢板弹簧对驱动桥壳的垂向作用力、为2L图37（325）SRHGG/50T122LSRHGG/50T122R式中挖掘机满载时车厢通过钢板弹簧作用在驱动桥上的垂向总载荷，N；板簧座上表面离地面的高度，MRS两板簧座中心间的距离,M。当驱动桥采用全浮式半轴时，在桥壳两端的半轴套管上，各装有一对轮毅轴承，即轮毅的内轴承和外轴承。这些轴承通常都采用圆锥滚子式。它们布置在车轮垂向反作用力的作用线两侧。通常内轴承比外轴承离车轮中心线即的作用线更近些。侧滑时，2Z2Z内、外轮毅轴承对轮毅的径向支承力、，如下图所示，可根据一个车轮的受力平衡1S2求出。图38对于与侧滑方向相同一侧即转弯时的外侧车轮，上图的右侧车轮来说，轮毅内、外轴承的径向支承力为（326）2R2RR1RZBAYS（327）R2对于与侧滑方向相反一侧即转弯时的内侧的车轮，例如对上图的左侧车轮来说，轮毅内、外轴承的径向支承力为（328）2L2LR1LZBAYS（329）R2上式中车轮滚动半径，MRA,B,见上图，其中地面给左、右驱动车轮的侧向反作用力2LYZ2R、可由下式获得2LYRN2L2120N（330）RRZ1将由式求得的、值代入式，即可求出轴承对轮毅的径向支承力，2LZ2LY这样也就求出了轮毅轴承对半轴套管的径向支承反力与上述、力大小相等方向相反。1S2根据这些力及桥壳在钢板弹簧座处的垂向力、，可绘出桥壳在挖掘机侧滑时的垂2LTR向受力弯矩图，下图所示。图39挖掘机向右侧滑时驱动桥桥壳所受的垂向力及垂向弯矩如前所述，当时，由上式可知，即与侧滑方向相反一侧或内侧车105BGH20LZ轮的支承反力等于零，此时弯矩图如图39B所示。由式322一式325可知，挖掘机侧滑时所引起的轮毅轴承的径向力、1LS2、与轮毅内、外轴承支承中心间的距离（AB）有关，且此中心距愈大，则由侧1RS2滑所引起的轴承径向力愈小。另外，如果（AB）值足够大也会增大车轮的支承刚度。否则，如果将两轴承之间的距离缩小到使两轴承相碰时，则车轮的支承刚度会变差，而接近于3/4浮式半轴时的情况。当然（AB）的值过大也会引起轮毅的宽度及质量加大而造成布置上的困难。在载货挖掘机的设计中，常取，而地面给车轮的2/4RRSAB垂向支承反力的作用线一般在内、外轴承之间，并靠近内轴承，因为常常将轮毅内轴承选得比外轴承大些，所示内轴承的承载能力较大，但也有的将内、外轴承选成一样。一轮毅轴承受力最大的情况发生在挖掘机侧滑时，所以轮轴即半轴套管也是在挖掘机满载侧滑时承受最大的弯矩及应力。由图39可知，轮轴即半轴套管的危险断面位于轮毅内轴承的内端AA处图38，该处的垂向弯矩为AM331LSR12RABASM（式中轮毅内轴承支承中心至该轴承内端支承面间的距离。L如果忽略不计，并将上式经整理后得L332）AR1G22RABH50GBA）（式中、B见式621下说明；2G1GH、A见式326下说明。R弯曲应力MPA为AW3一33343A102DMD（剪切应力MPA为A（334）2R4SD式中D、D计算断面的内、外径。合成应力MPA为A（335）2A2W3轮轴半轴套管处的应力不应超过490MPAE当轮毅的内、外轴承的安装轴径有明显差别时，如图316所示，BB断面也可能成为危险断面，该处的弯矩为（336）ARBHGBACG122RB50SM或（337）A同样需计算出BB断面处的弯曲应力和剪切应力。我国长春第一挖掘机制造厂等单位，曾对一些挖掘机的后驱动桥桥壳进行了静强度和刚妙试验试验时桥壳的受力位置尽量与在实车上时的受力位置一致，即桥壳两端分别币形块支承于车轮中线处，而用相等的两个垂向力作用于左、右板簧座上。试验时主减速器壳及桥壳后盖均装到桥壳上，部分试验结果如表33所示。从该表的试验数据可以看出，桥壳的极限静强度一般是挖掘机满载时该桥额定负荷的3212倍试验结果表明铸造整体式桥壳和钢板冲压焊接整体式桥壳的强度和刚度比可分式桥壳的强度和刚度要好从试验的桥壳的破坏情况来看，可分式桥壳大都在中间铸造壳体与钢管联接处开裂铆钉被剪断，有的钢管被拉出。可锻铸铁的整体式桥壳是在半轴套管里端附近桥壳上破裂。由此可见，无缝钢管的强度比较高相对薄弱的地方是在桥壳中间铸件应力集中的地方。设计桥壳时，应充分考虑挖掘机的使用条件，根据挖掘机的类型及使用条件，合理地选择桥壳的结构型式、材料及安全系数。由上述试验结果可知，桥壳的安全系数宜选为N410。关于桥壳材料，铸造整体式、可分式及组合式桥壳的铸件多采用可锻铸铁KT35010,KT37012、球墨铸铁QT40018、铸钢ZG45，多用于重型挖掘机的桥壳铸件对于钢板冲压焊接整体式桥壳，多采用16MN,09SIV,35或40中碳钢板化学成分控制为037的碳和不大003的硫。半轴套管多采用40CR,40MNB等中碳合金钢或45中碳钢的无缝钢管或锻件。第4章进行整体的力学分析41基于PRO/E初步建模分析基于PROE板块MECHANICA为减小问题规模，在保证计算精度的前提下，对桥壳模型做了如下简化和假设忽略螺纹及各功能孔（润滑油加注孔、放油孔等），因为其易引起网格畸变且对结构性能影响很小；以直角代替铸造圆角，既有利于简化建模，也有利于有限元模型建立过程中提取中截面；轴肩处的圆弧不能省略，因为此处可能正是应力集中的地方；比如略去连接座上的螺栓孔、加油口、放油口，设半轴套管和驱动桥壳是一体的，不是装配的。最初草图模态分析图41失稳分析图42有图可以看出桥壳中间太薄，并且在弹簧座处有应力集中。需要改进，采用加大主减速器处桥壳厚度和在中段过渡圆弧处增加加强板相结合的方案，对后桥壳做改进设计。42基于PRO/E改进后三维模型分析421桥壳三维模型图图43简化后图及几种受力图图44图45图46对于静力学分析的最大铅垂力和最大切向力两种工况,约束加在每侧车轮中线附近,模拟两端简支支承。最大侧向力工况时,约束加在侧翻一侧的车轮中线附近,支承为固定支承。上述的约束处理会使安装轮毂轴承附近的应力与实际情况有差别,但不会影响桥壳其它部位的应力分布。421挖掘机静止垂直载荷工况由挖掘机驱动桥台架试验方法QC/T5331999标准可知驱动桥壳满载轴荷时每米轮距最大变形量不超过15MM。桥壳中部曲线的位移曲线（下图）图47图48表41满载轴荷（N）轮距（M）分析最大变形量（MM）每米轮距最大变形量（MM）是否合格（15MM）2000001913068是图49在车轮处曲线应力图（如下），曲线上最大应力为160MPA。图410表42名称材料参照标准屈服极限EHR（MPA）有限元分析应力结果（MPA）是否合格桥壳ZG40CRJB/T64021992345195是中间部位应力远小于许用应力，说明中间区域壳壁厚还可以减薄，以减小重量。422挖掘机在不平路面冲击载荷作用下的工况由挖掘机驱动桥台架试验方法QC/T5331999标准可知驱动桥壳满载轴荷时每米轮距最大变形量不超过15MM图411图412表43满载轴荷（N）施加载荷（N）动载30轮距（M）分析最大变形量/30（MM）每米轮距最大变形量（MM）是否合格（15MM）20000060000019173091合格图413图414表44名称材料参照标准屈服极限（MPA）EHR有限元分析应力结果（MPA）是否合格桥壳ZG40CR调质JB/T640219925002239是在冲击荷载作用下,其最大应力值为224MPA,发生在钢板弹簧座附近。大部分部位的应力值在2448MPA之间,应力集中部位的应力值大约在120MPA左右。423挖掘机在最大牵引力行驶时的工况由挖掘机驱动桥台架试验方法QC/T5331999标准可知驱动桥壳满载轴荷时每米轮距最大变形量不超过15MM，桥壳的有限元分析小结图415图416表45满载轴荷（N）施加载荷V面施加载荷H面轮距（M）分析最大变形量/30（MM）每米轮距最大变形量（MM）是否合格（15MM）2000002000002770019115106合格图417弹簧座处曲线应力变化图（如下）图418表46名称材料参照标准屈服极限（MPA）EHR有限元分析应力结果（MPA）是否合格桥壳ZG40CR调质JB/T640219