汽車起重機(jī)傳動軸的輕量化設(shè)計(jì)

（安徽柳工起重機(jī)有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

在保證性能、安全性和節(jié)約成本的前提下，實(shí)現(xiàn)零部件的輕量化，是發(fā)展趨勢之一。根據(jù)輕量化的設(shè)計(jì)理念，汽車起重機(jī)的傳動軸也需分析研究，制定出切實(shí)可行的輕量化實(shí)施方案。傳動軸的功用為可靠的傳遞動力，每臺汽車起重機(jī)一般具有3 根傳動軸，如圖1 所示。大噸位多橋汽車起重機(jī)每臺所需的傳動軸數(shù)量多達(dá)十幾根。

圖1 汽車起重機(jī)傳動軸布置圖

2 輕量化設(shè)計(jì)方案

通常，汽車起重機(jī)傳動軸普遍采用十字軸式萬向節(jié)傳動軸，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)，汽車起重機(jī)傳動軸由法蘭盤、萬向節(jié)、伸縮花鍵（或中間支承）以及軸管組成，如圖2 所示；法蘭盤、萬向節(jié)、伸縮花鍵、中間支承零部件基本已實(shí)現(xiàn)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化，不易進(jìn)行較大的改進(jìn)，本文以某三軸汽車起重機(jī)為研究對象，通過改變軸管的截面積和材質(zhì)，實(shí)現(xiàn)汽車起重機(jī)傳動軸的輕量化設(shè)計(jì)。

改進(jìn)前、后傳動軸軸管參數(shù)如表1 所示。

圖2 傳動軸結(jié)構(gòu)示意圖

表1 改進(jìn)前、后傳動軸軸管參數(shù)

由表1 可見，更傳動軸軸管改截面積和材質(zhì)，3根傳動軸總共可降低質(zhì)量8.6kg，原傳動軸Ⅰ、傳動軸Ⅱ、傳動軸Ⅲ的質(zhì)量分別為35kg、43kg、28kg，改進(jìn)后可輕量化約8.1%，降重效果較明顯。

3 設(shè)計(jì)分析

傳動軸軸管截面變化后，實(shí)現(xiàn)了傳動軸輕量化設(shè)計(jì)的目的，但是需分析校核改進(jìn)后的傳動軸在性能、成本等方面是否改善，否則輕量化設(shè)計(jì)失去了價(jià)值。在傳動軸布置不變的條件下，評價(jià)傳動軸的指標(biāo)為傳動軸的軸管的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速以及軸管的焊接的焊縫性能；成本的變化主要是軸管原材料的變化。

3.1 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核

因傳動軸功用為動力的傳遞，軸管的受力主要為扭轉(zhuǎn)載荷，由材料力學(xué)知識有

式中τmax——軸管的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；

Tmax——傳動軸的額定傳遞扭矩；傳動軸Ⅰ、傳動軸Ⅱ、傳動軸Ⅲ的傳遞扭矩分別為18 000Nm、18 000Nm、12 000Nm；

Wt——軸管抗扭截面系數(shù)；

Dc——軸管的外徑；

dc——軸管的內(nèi)徑。

軸管強(qiáng)度安全系數(shù)n=τmax/[τ]。

其中：[τ]為材料的許用剪切應(yīng)力，[τ]=（0.6～0.8）σs，取系數(shù)為0.7；σs為材料的屈服極限，軸管CZ460、700QZ 材料的屈服極限分別為460MPa、690MPa。

帶入數(shù)據(jù)得到，改進(jìn)前、后工作過程中傳動軸Ⅰ、傳動軸Ⅱ、傳動軸Ⅲ的剪切應(yīng)力和安全系數(shù)見表2。軸管壁厚減薄，更改為高強(qiáng)度材質(zhì)的軸管，扭轉(zhuǎn)的強(qiáng)度可以加強(qiáng)。

表2 改進(jìn)前、后軸管強(qiáng)度參數(shù)

3.2 臨界轉(zhuǎn)速校核

式中nk——傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速；

Lc——傳動軸的支撐長度。

帶入數(shù)據(jù)，得到改進(jìn)前的傳動軸Ⅰ、傳動軸Ⅱ、傳動軸Ⅲ臨界轉(zhuǎn)速見表3。

在傳動軸長度、軸管外徑一定時(shí)，軸管的壁厚越薄，傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速越高，傳動軸能在更高速下平穩(wěn)運(yùn)行；反之，軸管越厚，傳動軸自重大，更容易在低轉(zhuǎn)速達(dá)到傳動軸彎曲固有頻率，臨界轉(zhuǎn)速更低。

表3 改進(jìn)前、后臨界轉(zhuǎn)速

3.3 焊縫校核

傳動軸的軸管通過焊接的方式連接萬向節(jié)叉與突元或者萬向節(jié)叉與花鍵套。焊縫的剪切應(yīng)力為

式中τh——焊縫的剪切應(yīng)力；

F——焊縫處的切向力；

k——焊縫的高度，改進(jìn)前傳動軸Ⅰ、傳動軸Ⅱ、傳動軸Ⅲ焊縫高度分別為7mm、7mm、6mm；改進(jìn)后焊縫高度分別為5mm、5mm、4mm；

nh——焊縫的安全系數(shù)；

[τ′]——焊縫的許用剪切應(yīng)力。

改進(jìn)前、后焊縫強(qiáng)度參數(shù)如表4 所示。可見，焊縫高度變小了，但是選用高強(qiáng)度軸管配合的焊絲可以保證焊縫的強(qiáng)度，并得到在一定程度上加強(qiáng)。

表4 改進(jìn)前、后焊縫強(qiáng)度參數(shù)

3.4 成本分析

改進(jìn)后的軸管價(jià)格分析如表5 所示。可見通過改變軸管的厚度，每臺汽車起重機(jī)可以節(jié)約成本33.63 元，按年產(chǎn)3 000 臺汽車起重機(jī)計(jì)算，軸管規(guī)格變化，可節(jié)約成本約10 萬元/年。

表5 軸管價(jià)格分析

4 結(jié)語

通過減小傳動軸軸管的壁厚，并采用高強(qiáng)度材質(zhì)，在保證性能的前提下，可實(shí)現(xiàn)傳動軸輕量化設(shè)計(jì)的目的，降低成本，具有一定實(shí)用價(jià)值。