裝載機(jī)的腰馬功夫——鉸接設(shè)計(jì)淺析

現(xiàn)在的裝載機(jī)通常都是采用折腰轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)，前后車(chē)架通過(guò)鉸銷(xiāo)連接，在工作過(guò)程中鉸銷(xiāo)受到多重作用力，其狀態(tài)和人體的運(yùn)動(dòng)的中樞——腰非常相似，因此也被通俗稱(chēng)為腰軸。鉸接部位設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)整機(jī)工作的穩(wěn)定性有關(guān)鍵性的影響。不要問(wèn)為什么，試試讓你腰使不上勁搬重/物就知道了。
敲黑板劃重點(diǎn)，在討論機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)劣及應(yīng)用時(shí)候

離開(kāi)需求談設(shè)計(jì)，離開(kāi)受力狀態(tài)談結(jié)構(gòu)，都是在耍流氓。折腰轉(zhuǎn)向的裝載機(jī)車(chē)架呈現(xiàn)出兩頭粗中間細(xì)的特征，鉸接銷(xiāo)部位較細(xì)而又需要同時(shí)承受多個(gè)方向的作用力。最通行的結(jié)構(gòu)是三明治式，即前/后車(chē)架上下各有一單一雙鉸接板，上下鉸接銷(xiāo)沿一同心線(xiàn)穿過(guò)鉸接板連接前后車(chē)架。雖然各車(chē)型的銷(xiāo)軸與鉸接板的固定方式、軸承類(lèi)型、軸承定位方式不同，但該部位受力特征相同。
這些力大小方向有別，對(duì)鉸接銷(xiāo)相關(guān)零件磨損的力度也不同，本帖/力圖展示出幾種鉸接結(jié)構(gòu)受外力作用后能否保持穩(wěn)定工作，相應(yīng)的磨損特征，從而對(duì)比出幾類(lèi)鉸接結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。結(jié)構(gòu)確定，加上力量來(lái)觀察。

鉸接銷(xiāo)第一個(gè)作用是傳遞驅(qū)動(dòng)力。裝載機(jī)絕大多數(shù)采用4輪驅(qū)動(dòng)，前后橋各貢獻(xiàn)一半的驅(qū)動(dòng)力，這個(gè)力會(huì)促使兩車(chē)架有相互對(duì)擠的趨勢(shì)(學(xué)術(shù)名應(yīng)力)，而銷(xiāo)軸的安裝狀態(tài)是以?xún)啥酥С性陔p鉸接板的座孔中中部是單鉸接板的傳力點(diǎn)，這種受力狀態(tài)被學(xué)術(shù)定義為剪應(yīng)力。

第二個(gè)作用是在鏟斗鏟掘/運(yùn)輸物料時(shí)，保證前后部車(chē)身連接的可靠性。這兩種工況從整體上存在兩個(gè)杠桿關(guān)糸:以前輪作為支點(diǎn)，前輪接地點(diǎn)以后的車(chē)身重量和長(zhǎng)度平衡前輪接地點(diǎn)以前的鏟斗的鏟掘阻力加上工作裝置的重量；另一個(gè)是以鉸接銷(xiāo)軸為支點(diǎn)，前車(chē)身加物料重料平衡后部車(chē)身的重量。這兩個(gè)杠桿關(guān)糸都有使車(chē)身從鉸接銷(xiāo)位置彎折的趨勢(shì)。細(xì)化上看，上鉸銷(xiāo)處是向兩端分開(kāi)而下鉸接銷(xiāo)處是相互擠壓。但相同之處都有使所有鉸接板發(fā)生彎曲的趨勢(shì)。

由于現(xiàn)在多數(shù)車(chē)型的最大掘起力都能使后車(chē)身抬離地面，此時(shí)鉸接銷(xiāo)處受力最大，約等于自重加上額定重量(此結(jié)論來(lái)自柳工研究院成員發(fā)表公開(kāi)論文)。同時(shí)還有軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的磨擦阻力，只是和其它力相比很小。在裝載機(jī)工作過(guò)程中，鉸接銷(xiāo)處同時(shí)受到這幾個(gè)力的作用。同一種車(chē)型不論采用那種具體的鉸接安裝形式，.承受的力度是不變的。

雖然鋼鐵焊接成的鉸接板很硬，但其實(shí)它在承受超過(guò)其強(qiáng)度的力量時(shí)也會(huì)變形。在鉸接板受到的力當(dāng)中，物料重量或鏟掘阻力使它受到的彎折力矩是會(huì)使它發(fā)生微量彎曲，而且雙鉸接板上下面的銷(xiāo)孔/上下鉸銷(xiāo)因受力大小存在差別，變形量也不同:上端板大于下板，上鉸大于下鉸。需要指出的是，下鉸點(diǎn)離地距離越高，兩鉸點(diǎn)間距越近變形越大，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算鋼板厚度來(lái)保證鉸接板變形后能自己復(fù)原。因?yàn)橄裸q點(diǎn)的變形小，所以一般都是把定位功能放在下鉸點(diǎn)以利于延長(zhǎng)零部件壽命。

從廣泛的實(shí)例來(lái)看，鉸接軸承早期用關(guān)節(jié)軸承/浮置銷(xiāo)軸，現(xiàn)在重載車(chē)型用圓錐滾子軸承。前者壽命明顯沒(méi)有后者長(zhǎng)，根本原因在于關(guān)節(jié)軸承受自身性能限制，承受軸向力比圓錐滾子軸承差。如圖二顯示的那樣，單鉸板在重載時(shí)在平面上會(huì)因?yàn)橄蛏系钠剖逛N(xiāo)軸受到一個(gè)向上提力量，關(guān)節(jié)軸承是以較薄的邊沿而圓錐滾子軸承是以較厚的邊沿來(lái)承受這個(gè)力量，再加之二者的材質(zhì)差異，壽命差距就明顯了。