某型鉸接式自卸車中間支撐軸設(shè)計(jì)與分析

孟祥偉，張國仙，劉玉川，蔡中義

（江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州221004）

0 引言

鉸接式自卸車是采礦業(yè)和各行業(yè)大規(guī)模建設(shè)中一種通用性很強(qiáng)的土石方運(yùn)輸機(jī)械。它最大的特點(diǎn)就是通過鉸接體將前車部分與后車部分連接起來，前車部分可以在水平面內(nèi)相對(duì)于后車部分向左或向右回轉(zhuǎn)成45°角；前后車體都可以在垂直于公共縱軸的平面內(nèi)繞公共縱軸作獨(dú)立的無限制轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。鉸接式自卸車結(jié)構(gòu)的特殊性使它完全消除了作用在車架上的扭轉(zhuǎn)載荷，提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠性，因此它能適應(yīng)惡劣的氣候、極差的地形，具有較高的可用性。

1 中間支撐的布置

鉸接式自卸車的驅(qū)動(dòng)形式主要包括4×4，6×4，6×6幾種，其中最常見的是6×6.動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出至變速箱，再經(jīng)分動(dòng)箱分別向前后兩個(gè)方向輸出到驅(qū)動(dòng)橋。現(xiàn)在通常采用的是貫通式中橋，讓動(dòng)力在中橋里分為兩路，一路驅(qū)動(dòng)中橋，另一路傳遞到后橋。

動(dòng)力由分動(dòng)箱傳遞到中橋時(shí)，由于距離較長，為了提高傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速、避免共振、考慮整車總體布置及前后車體轉(zhuǎn)向上的需要，將傳動(dòng)軸分段。當(dāng)傳動(dòng)軸分段時(shí)，需加設(shè)中間支承[2]。中間支承通常安裝在鉸接體上，以補(bǔ)償傳動(dòng)軸軸向和角度方向的安裝誤差以及車輛行駛過程中由于分動(dòng)箱竄動(dòng)或車架等變形所引起的位移。圖1為典型6×6傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖。

圖16 ×6傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖

2 中間支撐設(shè)計(jì)

中間支撐的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中凸緣叉3與傳動(dòng)軸（未示出）相連。由于與凸緣叉3相連的傳動(dòng)軸滑動(dòng)花鍵伸縮所引起的軸向力并不是太大，所以本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)深溝球軸承6，且該軸承被端蓋1、凸緣叉3、中間支撐軸9牢靠地固定在鉸接體8（中間支撐殼體）上。這種中間支承不能傳遞大的軸向力，它主要承受傳遞動(dòng)力過程中所受的周向扭力，以及傳動(dòng)軸不平衡、偏心、萬向節(jié)上的附加彎矩等因素引起的徑向力。同時(shí)，端蓋1、骨架油封5和7、凸緣叉3、鉸接體8、中間支撐軸9共同組成了一個(gè)閉合空間，可以儲(chǔ)存大量的潤滑脂，對(duì)深溝球軸承6進(jìn)行很好的潤滑。

圖2 中間支撐簡圖

中間支撐軸9采用優(yōu)質(zhì)合金鋼42CrMo，該材料具有高強(qiáng)度和韌性，淬透性也較好，無明顯的回火脆性，調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性良好，非常適合制造剛度和強(qiáng)度要求較高的軸類零件。具體熱處理為整體調(diào)質(zhì)220～260 HB，花鍵表面高頻淬火45～50 HRC.

本設(shè)計(jì)增強(qiáng)了中間支撐的徑向剛度，提高了中間支撐的性能，密封、防松、調(diào)隙功能較好，降低了加工精度，且裝配易于實(shí)現(xiàn)。

3 中間支撐軸受扭分析

3.1 扭矩計(jì)算

中間支撐軸的主要作用是把分動(dòng)箱的運(yùn)動(dòng)傳遞到驅(qū)動(dòng)橋，使驅(qū)動(dòng)橋獲得規(guī)定的轉(zhuǎn)速和方向，主要承受傳遞動(dòng)力的過程中所受的周向扭力[3]，因此中間支撐軸的強(qiáng)度校核主要為受扭強(qiáng)度校核。

由圖3可知，變速箱在掛低檔且剛剛啟動(dòng)時(shí)所輸出的力矩最大，為15 815.3 N·m.而傳往中間支撐軸的力矩還要經(jīng)過分動(dòng)箱的降速增扭與分扭作用。分動(dòng)箱有高低兩檔，速比分別為1.05、1.643；其前后輸出軸的分扭比為2.214，則啟動(dòng)瞬時(shí)中間支撐軸瞬時(shí)所受的最大扭矩為：

圖3 變速箱輸出扭矩曲線

3.2 模型建立與載荷施加

為了方便有限元分析，在建模過程中對(duì)中間支撐軸進(jìn)行了簡化，主要包括花鍵槽按最大直徑處理，忽略退刀槽、倒角等局部特征[4]。由圖2可知，凸緣叉3通過花鍵與中間支撐軸9配合在一起傳遞扭矩。因此，在施加載荷時(shí)，可以完全約束中間支撐軸一端的花鍵圓柱面，然后在另一端花鍵圓柱面施加17899.74 N·m扭矩。

3.3 結(jié)果分析

通過計(jì)算，得到中間支撐軸的應(yīng)力與變形云圖，分別如圖4、圖5所示。

圖4 中間支撐軸應(yīng)力云圖

圖5 中間支撐軸變形云圖

由圖4可知，中間支撐軸應(yīng)力最大處位于花鍵段與軸承安裝段相銜接的軸徑最細(xì)處，與實(shí)際受力情況相符合，其值為617 MPa.該軸采用優(yōu)質(zhì)合金鋼42CrMo，熱處理后，σb=1 080 MPa，σs=930 MPa，中間支撐軸的最大應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度相比較小，有一定安全系數(shù)，因此強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。由圖5可知，中間支撐軸變形最大處位于施加扭力一端，最大變形量為1.02 mm，相對(duì)整個(gè)中間支撐軸來說其變形量較小，對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

4 中間支撐軸模態(tài)分析

對(duì)于軸類結(jié)構(gòu)，實(shí)際使用過程中激振力是以動(dòng)載荷的形式作用于結(jié)構(gòu)上的。在中間支撐結(jié)構(gòu)中，中間支撐軸的運(yùn)動(dòng)速度非常快，為了保證軸的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，應(yīng)該在保證具有一定靜剛度要求的基礎(chǔ)上，還要考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，使結(jié)構(gòu)在受一定幅值的周期性激振力作用下，受迫振動(dòng)振幅較小[4]。因此應(yīng)對(duì)中間支撐軸進(jìn)行模態(tài)分析，了解中間支撐軸的動(dòng)態(tài)性能。

在典型的模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束。如果在某個(gè)自由度處指定了一個(gè)非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束替代在該自由度處的設(shè)置。除位移約束之外的其他載荷將被忽略。本文在對(duì)中間支撐軸進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將軸承看作剛性約束，中間支承軸相當(dāng)于一個(gè)簡支梁，其約束方法按照簡支梁處理[5]。對(duì)有限元模型的一個(gè)軸承支撐面進(jìn)行全約束，另一個(gè)支撐面施加X和Y方向的約束，允許中間支撐軸有Z方向的移動(dòng)。

通過對(duì)中間支撐軸的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到中間支撐軸的前六階模態(tài)分析結(jié)果，見表1和圖6.

表1 中間支撐軸的固有頻率

圖6 中間支撐軸的前六階振型

其中中間支承軸的臨界轉(zhuǎn)速為：

n=60f

式中：f為頻率，Hz.

由表1可見，中間支承軸的前二階固有頻率較低，對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速也較低，但是臨界轉(zhuǎn)速仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際使用過程中間支撐軸的額定轉(zhuǎn)速。因此，中間支撐軸的高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)發(fā)生共振，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能不會(huì)產(chǎn)生太大影響。

5 應(yīng)用實(shí)踐

我司研發(fā)的鉸接式自卸車產(chǎn)品已經(jīng)批量投放國內(nèi)及東南亞某國市場(chǎng)，具有性能優(yōu)異，性價(jià)比高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使我司成為國內(nèi)首家鉸接式自卸車研發(fā)成功并批量推向市場(chǎng)的企業(yè)。筆者重點(diǎn)對(duì)中間支撐軸的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了跟蹤。目前中間支撐軸工作狀況良好，未接到強(qiáng)度或剛度不足造成客戶抱怨或其他市場(chǎng)問題反饋。產(chǎn)品東南亞現(xiàn)場(chǎng)工作圖如圖7所示。

圖7 產(chǎn)品東南亞現(xiàn)場(chǎng)工作圖

6 結(jié)束語

本文介紹了中間支撐在鉸接式自卸車傳動(dòng)系統(tǒng)中的布置及功能，并對(duì)中間支撐進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)使用有限元方法對(duì)中間支撐軸進(jìn)行了受扭分析和模態(tài)分析。實(shí)踐證明，該中間支撐軸設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度和剛度都滿足了要求，為鉸接式自卸車的中間支撐設(shè)計(jì)提供了新思路。