轮式挖掘机的驱动桥壳工艺设计1
前言
驱动桥桥壳是轮式挖掘机的重要零件之一，它处于动力传动系的末端，起着支撑挖掘机载荷的作用，并将载荷传给挖掘机后轮。作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向力和法向力通过桥壳传到悬挂，车架和车厢上。因此桥壳即时承载零件，也是传动部件，同时又是主减速器，差速器，驱动车轮传动装置（如半轴）的外壳 。
在挖掘机工作和行驶过程中，桥壳承受繁重的载荷，设计时必须考虑在动载荷下桥壳有足够的强度和刚度，为了减小汽车的动载荷，提高汽车的行驶平顺性，在保证强度和刚度的前提下应力尽量减小桥壳的自重。同时，还应该尽量设计桥壳结构简单，制造方便以便利于降低成本，其结构也必须能够保证主减速器的拆装，调整、维修和保养方便。在选择桥壳的结构型式时，还应该要考虑到制造条件。 1.1
可分式桥壳
可分式桥壳如图1所示，整个桥壳由一个垂直接合面分为左右两部分，每一部分均由一个铸件壳体和一个压入其外端的半轴套管组成。半轴套管与壳体用铆钉联接。在装配主减速器及差速器后左右两半桥壳是通过在中央接合面处的一圈螺栓联成一个整体。可分式桥壳的特点是桥壳制造工艺简单、主减速器轴承
支承刚度好。但对主减速器的配、调整及维修都很不方便，桥壳三段可分式桥壳是由左、中、 右三段组成。其中央部分(主减速器壳) 和左右两半均为铸件，两侧半壳用螺栓固定在中央壳上。在装配驱动桥时，可先把中央壳与一侧的半壳相联，然后将主减速器及差速器装入，调整好后再装上另一侧的半壳。其特点是将整个桥壳分为三段使制造工艺简单，但整个桥壳装起来后的刚度及强度仍不如整体式桥壳，固定两侧半壳的螺栓也有过拉断的情况，而且维修
主减速器时仍要把整个车桥从车上拆下来。
1.2 整体式桥壳
整体式桥壳的特点是将整个桥壳制成一个整体，桥壳犹如一整体的空心梁，其强度及刚度都比较好。且桥壳与主减速器壳分作两体，主减速器齿轮及差速器均装在独立的主减速壳里，构成单独的总成，调整好以后再由桥壳中部前面装入桥壳内，
并与桥壳用螺栓固定在一
起。使主减速器和差速器的拆装、调整、维修、保养等都十分方便。整体式桥壳按其制造工艺的不同又可分为铸造整体式，钢板冲压焊接式，钢管扩张成形式，和液胀四种制造工艺。
铸造整体式桥壳
(1)铸造整体式桥壳
铸造整体式桥壳可采用球墨铸铁，可锻铸铁或铸钢铸造。法国雷诺公司在球铁中加入1.7%的镍，解决了球墨铸铁低温(一40℃) 冲击值急剧降低的问题，得到了与常温相同的冲击值。为进一步提高铸造整体式桥壳的强度和刚度，铸造整体式桥壳的两端压入较长的无缝钢管作为半轴套管，并用销钉固定，如图2所示，每边半轴套管与桥壳的压配表面共四处，由里向外逐渐加大配合表面的直径，以得到较好的压配效果。钢板弹簧座与桥壳铸成一体，所以在钢板弹簧座附近的桥壳截面可根据强度要求铸成适当形状。桥壳中部前端的平面和安装孔用于主减速器及差速器总成安装，后端平面及孔用于上后盖安装。在重型汽车上，为了进一步提高桥壳的强度和刚度，则将后盖与桥壳铸成一体。某些重型汽车铸造整体式桥壳的主减速器及差速器总成的安装孔位于桥壳中间的上部以方便主减速器与差速器总成的吊装，但这对桥壳的垂向强度与刚度不利。
铸造整体式桥壳的主要优点在于可制成复杂而理想的形状，壁厚能够变化，可得到理想的应力分布，其强度及刚度均较大，工作可靠。但质量大、加工面多，制造工艺复杂。
钢板冲压焊接整体式桥壳
(2)钢板冲压焊接整体式桥壳
如图所示，钢板冲压焊接整体式桥壳是由上、下对焊的一对桥壳主件、四块三角钢板、
加强圈、两个半轴套管、两个突缘、一个后盖以及两个钢板弹簧座等沿它们之间的接缝组焊而成。桥壳主件的上、下两半是一种冲压件。这种桥壳主件的板料为矩形，下料方便且材料的利用率高，但上、下两桥壳主件对焊时需用四块三角钢板补焊到桥壳中部前后两侧的缺口处。也可以采用不需用三角钢板补缺口的结构方案。这时上、下两半桥壳主件的对缝平直，易于实现焊接自动化，桥壳主件在焊缝处的倒角也容易了，但带来下料上的麻烦，板料的利用率也低，冲压工艺也较前一方案复杂。桥壳主件(上、下半壳) 与半轴套管间除了可采用对焊外，亦可采用上、下桥壳主件两侧的半圆形端部紧靠在半轴套管内端的外圆上，除了需沿接缝焊一圈外，尚需塞焊的方法。日本在组合桥壳及半轴套管时，要求这两者之嵌合部分有0.02-0.11mm 的过盈量。焊接桥壳时采用二氧化碳气体保护焊能使焊件热变形小、内应力小、焊缝质量可靠。
钢板冲压焊接整体式桥壳除了具有制造工艺简单、材料利用率高、废品率很低、生产率高以及制造成本低等优点外，还有足够的强度和刚度，特别是其质量小(仅为铸造整体式桥壳的75%左右) ，工作可靠。其主要缺点是桥壳不能做成复杂而理想的断面，壁厚一定。，故难于调整应力分布。由于钢板冲压焊接整体式桥壳的一系列优点，近年来不仅在轿车、客车，轻、中型载货汽车上得到了广泛的应用，而且有些吨位更大的(轴荷在14t 以下的) 汽车也开始采用。 (3)钢管扩张成形整体式桥壳
如图所示，这种桥壳是由中碳(例如35号钢) 无缝钢
管或钢板卷焊钢管扩张成形制成。将钢管中间扩孔两端滚压变细，再加焊突缘及弹簧座等。这种制造工艺的生产效率高，材料的利用率最高，桥壳质量虽小而强度及刚度却比较好，但需要专用扩张成形轧制设备。适合于轿车、轻中型载货汽车的大量生产。
根据本次设计要求为20T 轮式挖掘机，和以上各种综合考虑，选择铸造整体式桥壳。
由力学分析和经验可得危险截面常常发生在副车架连接处，在挖掘机机发挥最大牵引力提升挖斗，满载前行在不平路面作业的时候最容易出现，因此用这二种工况进行设计和计算先确定此截面的尺寸
（1）后桥两轮所受的总反作用力：
M 前轮=0
Z=
2G 4+0. 8G 0-G 4L 1
2L
l —车轮中心线到副车架连接中心的距离（l =460mm）。
G G
—挖掘机机的使用重量 （G 0=196000N）。 —后轮离地时铲斗的垂直载荷
4
G
L
1
4
G =
o
0. 6L
1
L
为挖斗重心到后桥中心的距离，取4000mm ；
L 为轴距取2300mm ，0.5L 为整车重心到后桥中心的距离； 查挖掘机挖斗在满载石头时力最大，最大是约400斤
G
g
1
4
=37910KN
—前桥的自重（g =5886N）
1
M
竖直
= Z⨯l =l
2G 4+0. 8G 0-G 4L 1
2L
=
37910+27468-5886
2
⨯460=13.683 KN.m
22T 挖机相关数据：
（2） 由最大牵引力产生的水平弯矩
M
水平
=
k
l
2
=
4
+02
ϕ*l =
37910+27468
2
N ⨯0. 78⨯460mm =11.729KN.m
ϕ-轮胎与地面的摩擦系数（ϕ=0.78）
其合成弯矩为：
M
弯合
=
M
2竖直
+
M
2水平
=
. 683
2
+11. 729
2
=18.00KN.m
（3）桥壳所受的牵引力引起的反作用扭矩：
M
牵
=
4
+02
ϕ
r k =
37910+27468
2
N ⨯0. 78⨯505mm =12.88KN.m
(此反作用扭矩只是简算，但是偏差不大)
r
k
—驱动轮的滚动半径 (
r
k
=0.505m)
其扭应力为：
τ=M
W
牵扭
W
扭
—桥壳抗扭断面系数 {
W
π
扭
=
16
3
（1-
β
4
）}
桥壳的弯矩和扭矩合成应力为：
σ
≥
合
=
2
+
3τ
2弯合
2
=
M W
2弯合2弯
+
3M W
2扭2扭
≤
[σ]
[]=330MPa）
d
6
1024⨯
2
M
+7684
2
⨯M
2
2扭
π(1-β) [σ]
（β可由查表取0.73，σ
d ≥88.26mm
装载机满运行，紧急制动时。
（1）紧急制动，由地面对轮胎的垂直反作用力作用于桥壳上的垂直弯矩
M
直弯
=
m G
1
z
-
g
1
2
l
G
m
z
—装载机满载时的总重量 (
G
z
=42183N)
1
—紧急制动时，后桥壳上的质量分配系数
m G
1
Z
为制动的时候前桥所承受的重量为
G
F 制
G
G G
F 制
=
G
Z
F
+（
g
Z
aH ）/L (不考虑动载荷)
F
=
L
R
(
L
R
为整车重心到后桥的距离取0.4L)
F
=
Z
R
L
=42183N⨯0.4=16873.2N
a 为制动加速度 a=gϕ=7.65N/Kg H 为整车重心高度取0.65m
G
F 制
=
G
F
+（
g
Z
aH ）/L
=16873.2N+（=27.055KN
421839. 81
⨯7.65⨯0.65）/2.1
g
1
—前桥的自重
M
直弯=
m G
1
z
-
g
1
2
l =
27. 055-5. 886
2
⨯0. 460=4.87KN.m
（2）由制动力
X
=
制
产生的水平面内的弯矩
M
水平
X
制
*L=
z
1
2
ϕ*l =
27. 0552
⨯0.78⨯0.460=4.81KN.m
其合成弯矩为：
M
弯合
=
M
2直弯
+
M
2水平
=
4. 87
2
+
4. 81
2
=6.75 KN.m
桥壳的弯矩应力为：
σ=弯合弯
W
制动扭矩：
M
牵
m 1G =
2
z
ϕ
r k =
27. 0552
⨯0.78⨯0.505=5.33 KN.m
其扭转应力为：
τ=M
W
牵扭
桥壳的弯矩和扭矩合成应力为：
σ
合
=
2
2
+
3τ
2
=
W
2弯合2弯
+
3M W
2扭2扭
≤
[σ]
d
6
1024⨯
≥
2弯合
+768
2
⨯2
2扭
4
π(1-β) [σ]d ≥52.75mm
=58.8mm
综上述：d ≥88.26mm,
考虑其作业情况复杂常常受到冲击载荷，d 取大一些，因此d=110mm, 由β=0.73，可得：d 1=80mm （以上计算参考参考文献[7]）
2.2、其它尺寸的确定
由主减速螺旋齿轮尺寸和最小离地间隙可决定桥包的最大尺寸为φ335mm
由主减速螺旋齿轮尺寸和托架尺寸可决定桥壳的大圆尺寸为φ263mm
桥壳两端外圆与轮边支承轴过盈配合，外圆尺寸为φ80mm ，内圆尺寸为φ42mm 桥壳的总长度根据车架的宽度和整车宽度设计为1140mm 为了保证主传动在中间桥包的中心偏离桥壳中心25mm