大型装载机是一种国际通用的土方机械,装载机湿式驱动桥是大型装载机的重要部件,也是大型装载机整机性能的重要组成部分。大型装载机整机体型较大,结构紧凑,因此,装载机湿式驱动桥结构也较为复杂、紧凑,整机零部件如发动机、驾驶室、动臂、液压缸、覆盖件等都以驱动桥作为承重基础。因此,大型装载机湿式驱动桥的结构是否合理,强度是否满足作业工况,是整个装载机设计考虑的重点。
湿式驱动桥是一个结构复杂、零部件众多的机械结构,主要由主传动器、差速器、湿式制动器、半轴和桥壳等部件构成。以最大输出扭矩为1850N.m的发动机为动力来源,根据装载机设计流程逆向推算,获得各部件结构尺寸,根据各部件尺寸,去除与结构受力无关的尺寸,在Pro/E中建立的桥壳主体结构简化模型。
在垂直载荷、水平牵引工况下,装载机在水平路面上行驶,地面对左右驱动轮产生垂直方向作用力。当在斜坡或牵引车辆上行驶时,地面对驱动轮产生切向作用力。在垂直载荷、制动工况下,当装载机紧急制动时,地面对左右驱动轮既产生垂直方向作用力又产生制动力,根据制动器额定制动力矩来计算其最大制动力矩。
根据装载机整机质量等参数,求得各载荷2F2=2F1=357.7 kN,单轮边F3=15.76 kN,整桥总制动力矩M1=122 kN.m。对桥壳模型采用shell63单元进行自由划分,划分单位设置为10mm,得到了桥壳主体结构的有限元分析网格模型,共有14258个节点、14230个单元。
根据驱动桥的结构尺寸,在中心对称相距2058mm的阶梯轴圆柱面上施加约束,将其作为固定位置面进行约束。根据上述两种不同载荷状况下的受力值按位置不同分别加载,得到两种工况下桥壳变形及应力云图。分析变形图和应力云图,可以得到两种工况下桥壳的变形情况以及应力分布状况。
虽然桥壳受力产生的应力值低于材料屈服强度,但桥壳在各部件连接处有应力集中,特别是桥壳体和端轴连接处应力集中最大,直接导致加载后桥壳位移变形增大。为了降低应力极限点处的应力大小,可在端轴连接处采用过渡曲面连接的方式来改善桥壳整体结构受力状况。
分析上述工况下的应力应变云图,可以得出结论:桥壳主体在典型工况下的变形均较小,最大应力均有较大的安全余量,可去除应力较小区域的部分材料,减轻桥壳质量,实现桥壳主体结构的初步优化设计。在此基础上对桥壳三维模型增加连接过渡曲面,对阶梯轴进行倒角处理,对末端轴的结构进行优化,加大受力较大倒角处的倒角半径,使桥壳结构更加合理,改进后的驱动桥桥壳三维模型。
以动力公司最大发动机输出扭矩为计算原始数据,逆行推算出湿式驱动桥各部件的尺寸,设计出大型装载机湿式驱动桥,并以湿式驱动桥桥壳主体部分为研究对象,对其两种典型工况进行分析,掌握了大型装载机湿式驱动桥桥壳部件的位移和应力分布规律,根据分析结果对桥壳结构进行初步优化,可为同类型产品结构设计提供参考。
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