裝載機(jī)的腰馬功夫——鉸接設(shè)計淺析

現(xiàn)在的裝載機(jī)通常都是采用折腰轉(zhuǎn)向設(shè)計，前后車架通過鉸銷連接，在工作過程中鉸銷受到多重作用力，其狀態(tài)和人體的運(yùn)動的中樞——腰非常相似，因此也被通俗稱為腰軸。鉸接部位設(shè)計的好壞，對整機(jī)工作的穩(wěn)定性有關(guān)鍵性的影響。不要問為什么，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)用時候

離開需求談設(shè)計，離開受力狀態(tài)談結(jié)構(gòu)，都是在耍流氓。折腰轉(zhuǎn)向的裝載機(jī)車架呈現(xiàn)出兩頭粗中間細(xì)的特征，鉸接銷部位較細(xì)而又需要同時承受多個方向的作用力。最通行的結(jié)構(gòu)是三明治式，即前/后車架上下各有一單一雙鉸接板，上下鉸接銷沿一同心線穿過鉸接板連接前后車架。雖然各車型的銷軸與鉸接板的固定方式、軸承類型、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，對鉸接銷相關(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，從而對比出幾類鉸接結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。結(jié)構(gòu)確定，加上力量來觀察。

鉸接銷第一個作用是傳遞驅(qū)動力。裝載機(jī)絕大多數(shù)采用4輪驅(qū)動，前后橋各貢獻(xiàn)一半的驅(qū)動力，這個力會促使兩車架有相互對擠的趨勢(學(xué)術(shù)名應(yīng)力)，而銷軸的安裝狀態(tài)是以兩端支承在雙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。

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

由于現(xiàn)在多數(shù)車型的最大掘起力都能使后車身抬離地面，此時鉸接銷處受力最大，約等于自重加上額定重量(此結(jié)論來自柳工研究院成員發(fā)表公開論文)。同時還有軸承轉(zhuǎn)動時的磨擦阻力，只是和其它力相比很小。在裝載機(jī)工作過程中，鉸接銷處同時受到這幾個力的作用。同一種車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)它在承受超過其強(qiáng)度的力量時也會變形。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使它發(fā)生微量彎曲，而且雙鉸接板上下面的銷孔/上下鉸銷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)計師在設(shè)計時需要計算鋼板厚度來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)以利于延長零部件壽命。

從廣泛的實(shí)例來看，鉸接軸承早期用關(guān)節(jié)軸承/浮置銷軸，現(xiàn)在重載車型用圓錐滾子軸承。前者壽命明顯沒有后者長，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，單鉸板在重載時在平面上會因?yàn)橄蛏系钠剖逛N軸受到一個向上提力量，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承受這個力量，再加之二者的材質(zhì)差異，壽命差距就明顯了。