3.2 挖掘机后桥桥壳设计3.2.1 桥壳类型选择由于轮式挖掘机后桥桥壳是挖掘机上的主要部件，起着支承汽车荷重的作用，并将载荷传给车轮。

作用在驱动车轮上的牵引力、制动力、侧向力和垂向力也是经过桥壳传到车架和车厢上。

因此。

轮式挖掘机桥壳既是承载件又是传力件。

同时它又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置的外壳，而且工作负载高，负荷变化大，行驶路况多变，工作环境恶劣，综合各项因素接合毕业设计要求我决定使用三段可分式桥壳作为设计目标。

3.2.2 桥壳设计及计算1．桥壳设计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7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。

2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汽车的簧上质量，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w g 之差值，即()2G w g -，计算简图如下图所示。

桥壳按静载荷计算时，在其两座之间的弯矩M 为()2G 2w B sM g -=- N ·M 式中：2G ——汽车满载静止与水平路面时驱动桥给地面的载荷，N ；w g ——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.由弯矩图可见，桥壳的危险断面通常在座附近。

通常由于w g 远小于2G /2，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wj σ则为310wj VMW σ=⨯ MPa 式中：M ——见弯矩公式；V W ——危险断面处桥壳的垂向弯曲截面系数。

在不平路面冲击载荷作用下的桥壳强度计算当汽车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wd σ为wd d =k wj σσ MPa式中：dk——动载荷系数，对轿车、客车取1.75，对载荷汽车去2.5，对越野汽车取3.0；wjσ——桥壳在静载荷下的弯曲应力，MPa.2汽车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，仅按汽车作直线行驶的情况进行计算，另从安全系数方向考虑。

下图为汽车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2LZ、2RZ相等，则max1222122gaL RP hG LZZ ZL L⎛⎫===+⎪⎝⎭式中：aG——汽车满载静止于水平地面时给地面的总载荷；gh——汽车质心高度。

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max10maxe g TrT i iPrη=N式中：maxeT——发动机最大转矩，N·M；1gi--变速器I挡传动比；i——驱动桥的主减速比；Tη——传动系的传动效率；rr——驱动车轮的滚动半径，m。

如果忽略T η，整理上式以后得max 022222T Z G =1+222e g gr i i h G m r LG ⎛⎫= ⎪⎝⎭ 式中：2Z 2———地面对一个后驱动车轮的垂向反作用力，N ； 2G ———汽车满载静止于水平地面时驱动桥给地面的载荷，N;g h ———汽车质心高度，m; L ———汽车轴距，m;2m ———汽车加速行驶时的质量转移系数。

由上式可知对后驱动桥：max 022T 1+e g gr i i h m r LG ⎛⎫= ⎪⎝⎭在设计中，当上式的某些参数未给定而无法计算出2m 值时，2m 的值可在下述范围内选取；对轿车后驱动桥取2m =1.2~1.4;对载货汽车后桥驱动桥取2m =1.1~1.3。

此时后驱动桥壳的左右钢板弹簧座之间的垂向弯矩V M 为 22G -22V W B SM m g -⎛⎫= ⎪⎝⎭N ·m 计算参数如下：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max P ，使驱动桥壳也承受着水平方向的弯矩h M ，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驱动转矩相等，故有max 22h P B SM -=N ·m ，计算得到：h M =1259.36N当所装用的差速器使左右驱动车轮的转速不等时，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的max P /2值。

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max T 2e TL Ti T η=N ·m 式中：max T e ———发动机最大转矩，N ·M ；TL i ———传动系的最低挡传动比；T η——传动系的传动效率；计算得到：T=117.99 N ·m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M=∑计算得到：M ∑=1150 N ·m该危险断面处的合成应力σ∑为MW σ∑==∑式中：W ———危险断面处的弯曲截面系数。

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 σ和扭转应力τ分别为V hw V hM M W W σ=+ tT W τ=式中：V M ，h M ————分别为桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩和水平弯矩；V W ，h W ，t W ————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。

桥壳的许用弯曲应力为300~500MPa,许用扭转应力为150~400MPa,可煅铸铁桥壳取最小值，钢板冲压焊接桥壳取大值。

下图给出了汽车以最大牵引力行驶时后驱动桥桥壳的受力分析简图。

5 汽车紧急制动时的桥壳强度计算这时不考虑侧向力。

下图为汽车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2L Z 、2R Z 相等，则2221122g a L Rh G Z Z Z L a L g ⎛⎫===- ⎪⎝⎭式中：a G ———汽车满载静止于水平地面时给地面的总载荷，N ；g h ———汽车质心高度，m;g ———重力加速度，m/2s ；a ———制动减速度，m/2s 。

因g a G a G gϕ=，故制动减速度a 为a g ϕ= 代入上式得22222111=222L 2g a g h G h Z G G G m L ϕϕ⎛⎫⎛⎫'=-=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 式中：ϕ———驱动车轮与路面的附着系数，计算时取ϕ=0.75~0.8；2m '———后驱动桥计算用的汽车紧急制动时的质量转移系数。

由上式可知，对后驱动桥而言，2m '为 211g h m L ϕ⎛⎫'=- ⎪⎝⎭在设计时，当g h 、1L 等参数未给定时，2m '的值可在下述范围内选取:对载货汽车后驱动桥取2m '=0.75~0.95。

在计算轿车等的前驱动桥时，不难求出此时用的汽车紧急制动时的质量转移系数应为111g h m L ϕ⎛⎫'=+ ⎪⎝⎭ 下图为汽车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22G m '/2,尚有切向反力，即地面对驱动车轮的制动力22G m ϕ'/2 。

因此可求得紧急制动时桥壳在两钢板弹簧座之间的垂向弯矩V M 及水平方向的弯矩h M 分别为222V w G B SM m g -⎛⎫'=- ⎪⎝⎭222h G B SM m ϕ-'=式中：m '———汽车制动时的质量转移系数，计算后驱动桥壳时取2m m ''= 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:222r G T m r ϕ'=N ·m 式中：r r ———驱动车轮的滚动半径，m;ϕ———驱动车轮与路面间的附着系数，计算时取ϕ=0.8按上式求得V M 、h M 及T 后，再将它们代入上式可求得紧急制动时桥壳在左、右板簧座附近危险断面处的合成应力σ∑弯曲应力w σ和扭转应力τ。

6 汽车受最大侧向力时的桥壳强度计算当汽车满载、高速急转弯时，则会产生一个作用于汽车质心处的相当大的离心力。

汽车也会由于其他原因而承受侧向力。

当汽车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，汽车处于侧滑的临界状态，侧向力一旦超过侧向附着力，汽车则侧滑。

因此汽车驱动桥的侧滑条件为22L 2R 21·P Y Y G ϕ≥+= 式中：2P ———驱动桥所受的侧向力，N ；2L Y 、2R Y ———地面给左、右驱动车轮的侧向反作用力N ； 2G ———汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷，N 1ϕ———轮胎与地面间的侧向附着系数，计算时取1ϕ=1.1 。

由于汽车产生纯粹的侧滑，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。

下图为汽车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122·1Z =G 2B g L h ϕ⎛⎫- ⎪⎝⎭122·1Z =G 2B g R h ϕ⎛⎫+ ⎪⎝⎭式中：g h ———汽车满载时的质心高度，m;B ———驱动车轮的轮距,m 。

由上式可知，当1·g h ϕ/B 时，2Z L =0, 2Z R =2G ，即在这种情况下，驱动桥的全部荷重由 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，为此应尽量降低汽车的质心高度g h 。

下图为汽车向右侧滑时驱动桥上面的车厢受力平衡图。

由该图可以求出汽车侧滑时钢板弹簧对桥壳的垂向作用力及水平作用力2L T 、2R T 及水平作用力2L q 、2R q 。

钢板弹簧对驱动桥壳的垂向作用力2L T 、2R T 为()22210.5/L g r T G G h r s ϕ''=-- ()22210.5/R g r T G G h r s ϕ''=-- 式中：2G '———汽车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 ；r r '———板簧座上表面离地面的高度，m; S ———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2Z 的作用线两侧。