驱动桥壳的焊接方案及设计

HEATS

【论文摘要】通过对轮式装载机驱动桥壳几种焊接结构和工节特点对比分析，介绍了驱动桥受力状况应力分布和计算，探讨了零部件的合理设计，从而确定驱动桥壳的最优设计方案。

    驱动桥是轮式装载机传动系统的重要部件之一，而桥壳又是组成驱桥最关键的零件。

    1 早期的驱动桥壳结构

    早期的装载机驱运输动桥结构如图1所示。桥壳5和支承轴2通过螺栓连接，同时桥壳法兰还为连接板，安装行车制动器。桥壳和支承轴因较大的法兰盘而使其重量大、加工量大、因而加工成本高。桥壳铸件在法兰与圆截面的交接处，因为壁厚不均匀，使得金属液冷却固化速度不一致，两端大法尘阻碍壳体的自由收缩，帮在圆角过度处易形成铸造缺陷，从而极大地影响桥壳的强度。使用过程中，有从该处断裂的实例。受结构及使用限制，铸造缺陷无法从根本上解决，造成质量不稳定。因此，根据零件的合理设计原则，对具有横截面尺寸突变或形状复杂的构件，应设法改用简单的组合或焊接。

6 W4 e6 Z# S0 M! r; a& g/ u) {; p

3 Q: `4 {" @/ p: d

1.轮边减不速器2.支承轴3.制动器4.制动器连板
5.桥壳6.主传动总成

- u' E1 _3 Y8 R& O2 j; B: |' C; c

    2 焊接方案及工艺特点

' F( ]. H' T% a; q' ^9 V

    用焊接的方式把桥壳，支承轴，制动器连接板2a、b同一类第一、第二方案；图2c为第二类，以制动器连接板为孔，桥壳、支承轴为轴的焊接形式；图2d为第三类，以桥壳为轴，支承轴为孔的焊接形式。

1.桥壳  2.支承轴  3.制动器连接板 
(a)第一方案  (b)第二方案  (c)第三方案  (d)第四方案

     第一方案、第二方案均以桥壳为孔，支承轴为轴，配合定位后用角焊缝或U形焊缝焊接，制动器连接板以角焊缝焊于桥壳上。该方案简化了我厂早期驱动桥壳复杂笨重的结构，使铸锻件结构简单，易浇铸，易加工，成本低。轴、孔之间用紧配合定位，改善了单纯由焊缝承受力矩的受力状况。这两种方案的区别在于轴，孔之间焊缝的焊接形成。前者为角焊缝焊接形式，加工工艺简单；后者为U形坡口焊缝形式，其坡口焊接有足够的叠合面，焊接牢固，且熔深大，熔敷效率高。焊接处面积较小，可避免热量过多流失，保证焊接质量。其焊缝的承载能力较角焊缝增大冼多。从焊接工艺分析，第一方案较第二方案更合理。故其余方案中轴、孔之间焊接均采用U形坡口。

9 L2 Q& M2 r/ }% h" u. j. m- r8 C

    第三方案（图2c）是桥壳、支承轴均为轴，分别与制动器连接板用U形坡口。轴、孔之间用紧配合。该方案轴、孔之间紧配合。用热装配的方法装配时，制动器连接板的体积小，易加热，便于装配。但与此同时驱动桥桥壳的精度取决于三个零件，必然使累积误差增大。要获得同样的精度，势必要提高零件的加工精度。承载焊缝两条，连接三个零件，加工复杂，成本高，受力状况不好，承载能力减弱。对制动器连接板与桥之间的焊缝不利。

% T" m( R# c p9 I1 [: B) h

   第四方案（图2d）以支承轴为孔，桥壳为轴，U形焊缝连接，制动盘以角焊缝焊于支承轴上。该方案具有第一方案的优点，又无第三方案结构和工艺上的弊病，是一咱较为理想的方案。

1 c. w0 j: I$ O$ q, F9 B7 d* E3 _

   由此可见，第一、第四种为优选方案。

* e. V, D" K! o5 X2 W

    3 驱动桥受力状况与应力分布

5 a0 l, P$ F- w; q) D+ @" j6 [

   驱动桥受力状况简图及弯矩图见图3。

/ Q3 w/ y: ?0 e: {4 L

 

   由受力简图呆以看出，从轮胎中心到安装座与车架连接处，其合成应力是逐步增大的。
所以，根据其受力特点，也要求桥壳截面的模数随之增大。

9 c( t5 U( V/ W, e) A4 y9 Y* {

   第一方案（图2a）中，焊缝左右侧均为圆环截面，设左侧为A—A截面，右侧面为B—B截面。

' v' e+ Y" k0 Z0 r' F4 S

   截面模数W=(π(D4-d4))/32D,因直径D1=D2，d1WB，合成应力δ=M/W，焊缝左右侧WA≈WB，故δA<δB。

   从图3弯矩图也可以扑看出其合成应力δA<δB。

1 s, x x( ^" X. q4 s

   由此可看出，截面模数随着合成应力的逐步增大而变小，其截面面积的变化与桥壳受力变化及合成应力并不相符。强度负荷的薄弱环节之一，即危险截面是桥壳B截面。根据ZL50C装载机具体数据，按装载机以最大水增力铲掘，翻斗受阻后，后轮离开地面工况较恶劣，经计算驱动桥桥壳危险截面B截面的合成应力为：δA=182N/mm2。

% v0 k0 W# x- C

   第四方案（图2d）中，焊缝左侧为圆环截面，设左侧面为A—A截面，直径D1，d1，截面模数W=(π(D4-d4))/32D。

   焊缝右侧为圆环截面逐步过渡成椭圆形截面，椭圆形环截面呈放射形逐步增大，设右侧面为B—B截面，以圆环截央与左侧比较，因直径D1=D2，d1WB，合成应力δ=M/W，焊缝左右侧WA≈WB，故δA<δB。

   从图3弯矩图也可以看出其合成应力δA<δB。

4 W' S4 B$ F j

   由此可以看出，其截面积的变化与桥壳受力变化及合成应力的逐步增大，其截面积的变化与桥壳受力变化及合成应力特点相符。强度负荷的薄弱环节为，由桥壳受力变化及合成应力特点相符。强度负荷的薄弱环节为，由桥壳移到锻件支承轴截面A—A上，用上面同样工况和同样数据计算得支承A—A截面有合成应力为δA=169.62N/mm2。

   与第一方案比较，同样是危险截面而其合成应力却较小，故安全系数大。

   综上所述，两种方案比较，第四种方案的结构设计符合桥轴的受力特点，其截面面积随着合成应力的逐步提高而加大，且焊缝左右侧直径较第一方案的直径要大，强度会相应介高，安全系数较高，故第四方案为优选方案。