橡膠金屬鉸鏈履帶銷的優(yōu)化設(shè)計

李 珂， 龔雪蓮， 張小強， 耿江波， 高 劍

(北京北方車輛集團有限公司.北京10072)

采用履帶推進裝置的行動部分可以保證車輛較高的越野能力和大的牽引力，從而提高車輛在破損路面或無路地區(qū)的行駛速度.現(xiàn)代高速履帶車輛行動部分的質(zhì)量達到整車總質(zhì)量的(16～27)%，其中履帶的質(zhì)量實際上占了它的一半(8～10)%.輕型履帶車輛的這一質(zhì)量指標達到整車總質(zhì)量的15%[1].履帶銷直徑的增加必將帶來板體銷孔尺寸的增加，導致履帶重量的大幅度增加.針對已有車型的履帶銷故障，結(jié)合經(jīng)驗計算公式，探究履帶銷重量優(yōu)化的設(shè)計思路，期望通過研究履帶銷3種應(yīng)力值確定優(yōu)化設(shè)計履帶銷尺寸的約束函數(shù).

1 履帶銷3種應(yīng)力的計算

履帶銷是由金屬銷軸及硫化其上的橡膠襯套組成.

根據(jù)履帶板體結(jié)構(gòu)將雙銷履帶分為單節(jié)雙板體及單節(jié)單板體履帶，代表車型及結(jié)構(gòu)見圖1～圖3.

為方便計算與對比，將現(xiàn)有車型各履帶銷結(jié)構(gòu)尺寸進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1.

圖1 單節(jié)雙板體(代表車型有C型車、H型車)

圖2 單節(jié)單板體(有中聯(lián)器.代表車型有BMP-3、迪爾履帶)

圖3 單節(jié)單板體(代表車型有E型車、A型車)

車型銷軸外徑d0/mm銷軸內(nèi)徑d1/mm銷軸長度l/mm銷軸剪切面?zhèn)€數(shù)n膠套長度l0/mm膠套擠壓后外徑d2/mmA型車25.910304221834B型車25.914378425034C型車25.914384425034BMP-32310368425030D型車300—4——E型車15.26230216220.1F型車采用A型車履帶25.910304221834F型車采用G型車履帶25.910378425034

1.1 履帶銷軸的剪切應(yīng)力計算及選取

為保證履帶銷軸的抗剪強度，履帶銷的剪切應(yīng)力τc[1]為：

(1)

Pp=0.65mgφ.

(2)

式中：K為考慮履帶銷復雜應(yīng)力狀態(tài)的系數(shù)，K=4/3；A為銷的橫截面面積，mm2；n為銷軸剪切面?zhèn)€數(shù)；PP為履帶的最大牽引力；m為車輛的總質(zhì)量；g為重力加速度，取9.8；φ為履帶對地面的附著系數(shù)，通常取φ=0.8～1.0，此處計算取0.9.

根據(jù)式(1)、式(2)計算得出各車型的履帶銷軸剪切應(yīng)力，結(jié)果見表2.

表2 履帶銷軸剪切應(yīng)力

對于沒有磨料磨損的橡膠金屬鉸鏈的履帶銷，取許可應(yīng)力[τc]≤150 MPa[1].

B型車①履帶銷的剪切應(yīng)力達到143.49 MPa，在實際使用中履帶銷的可靠性較低.

F型車采用A型車履帶③，在初樣車試驗過程中，履帶銷多次斷裂.因為剪切面只有兩個，導致應(yīng)力增大，故將履帶改為G型車履帶后，剪切面增加為4個，剪切應(yīng)力降低，故障消除.

E型車②履帶在初樣時，履帶銷采用38CrSi材料，多次發(fā)生斷裂，后將外徑由15 mm提高到15.2 mm，并將材料更換為42CrMo，雖然其剪切應(yīng)力達到199.6 MPa,但42CrMo屈服強度提高，后續(xù)順利通過試驗.

D型車履帶銷的計算剪切應(yīng)力達到148.69 MPa.履帶為單節(jié)雙板體結(jié)構(gòu)，但誘導齒處互相抵住，整塊板體的剛度較大，履帶銷的載荷分布更均勻，也順利通過試驗驗證.

通過以上分析，對履帶銷的許用剪切應(yīng)力作出如下推斷：

1)改變板體剛度可影響履帶銷的受力均勻性，所以，對于雙銷雙板體中聯(lián)履帶，采用38CrSi材料，許用剪切應(yīng)力[τc]≤120 MPa.單節(jié)單塊板體的履帶，剛度較大，許用剪切應(yīng)力[τc]≤150 MPa；

2)更換更高強度材料后，可適當增大許用應(yīng)力.

如只為滿足履帶銷的許用剪切應(yīng)力，那么實心履帶銷是個更好的選擇.但橡膠鉸鏈履帶，履帶銷直徑過小會增大橡膠襯套的擠壓應(yīng)力，大大影響了橡膠襯套的壽命.故在設(shè)計履帶銷的剪切應(yīng)力滿足要求后，還應(yīng)根據(jù)橡膠襯套的擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力校核銷軸尺寸.

1.2 橡膠襯套的附加擠壓應(yīng)力

在橡膠襯套內(nèi)由于張力而產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力σr[1]按照式(1)計算.

(3)

式中：Kr為考慮當履帶銷彎曲時橡膠襯套擠壓力的不均勻系數(shù)；d0為橡膠襯套的內(nèi)直徑，即履帶銷外徑；∑br為一側(cè)履帶板橡膠襯套的總長度.

對于單銷式橡膠金屬鉸鏈，Kr=1.1～1.3,對于雙銷式，Kr=1.5～2.0，此處計算取1.75.

橡膠襯套擠壓應(yīng)力計算結(jié)果見表3.

表3 橡膠襯套擠壓應(yīng)力

在現(xiàn)有的橡膠金屬鉸鏈履帶的結(jié)構(gòu)中，橡膠襯套由于張力而產(chǎn)生的附加擠壓應(yīng)力不超過40 MPa.

1.3 橡膠襯套的剪切應(yīng)力

橡膠襯套的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力與履帶的性能有很大的關(guān)系.剪切應(yīng)力過大，履帶的角剛度增大，增加行動系統(tǒng)的功率損失；橡膠變軟會減小角剛度，但會同時降低履帶的縱向剛度，導致履帶的節(jié)距不穩(wěn)，影響履帶的嚙合，故橡膠襯套的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力也應(yīng)在合理范圍內(nèi)選取.橡膠襯套剪切應(yīng)力按照式(4)計算.

(4)

式中：d0為橡膠襯套內(nèi)徑，即銷軸外徑；d2為橡膠襯套壓縮后外徑，即銷耳內(nèi)徑；GⅡ為剪切的彈性模數(shù)取決于橡膠的品種以及在壓縮時的壓縮程度和溫度，初步計算時，可按0.8～1.0 MPa選取，此處計算取0.9 MPa；φmax為橡膠的最大扭轉(zhuǎn)角.

根據(jù)式(4)計算各車型橡膠襯套的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，結(jié)果見表4.

表4 橡膠襯套扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力

現(xiàn)有的用橡膠金屬鉸鏈的履帶結(jié)構(gòu)的τmax值不超過0.3～0.45 MPa[1]442；最終值不應(yīng)超過τ=0.7～0.8 MPa[1]446.結(jié)合上述車型計算結(jié)果可知τmax不超過0.3～0.45 MPa，而且扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力與擠壓應(yīng)力共同作用于橡膠襯套.

2 優(yōu)化計算

應(yīng)用上述公式及許用應(yīng)力, 針對用于16.8 t的C型車履帶履帶銷進行優(yōu)化設(shè)計.

選取履帶銷剪切許用應(yīng)力[τc]≤130 MPa，根據(jù)式(1)、式(2)，計算可得履帶銷軸截面積約束為A≥235.2 mm2.

選取橡膠襯套擠壓許用應(yīng)力σr≤30 MPa，考慮當履帶銷彎曲時橡膠襯套擠壓力的不均勻系數(shù)

Kr=1.75，已知橡膠襯套的總長度∑br=250，根據(jù)式(3)，可得銷軸直徑d0≥22.5 mm.

選取空心銷軸外徑d0=23 mm，內(nèi)徑d2=14 mm，銷軸截面積為261.4 mm2，滿足A≥235.2 mm2，橡膠襯套擠壓應(yīng)力σr=29.3 MPa，滿足要求.

選取橡膠襯套的剪切彈性模數(shù)GⅡ=0.9 MPa，設(shè)計膠套厚度hr=4 mm. 根據(jù)式(4)，校核計算得橡膠襯套扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力為τ=0.48 MPa.優(yōu)化設(shè)計前后，履帶銷3種應(yīng)力的對比見表5.

表5 優(yōu)化前后的應(yīng)力對比

優(yōu)化設(shè)計后，履帶銷軸外徑由25.9 mm減小至23 mm，銷孔內(nèi)徑由34 mm減小至31 mm. 雖然銷軸剪切應(yīng)力及橡膠襯套擠壓應(yīng)力均有增大，但仍處于許用范圍內(nèi)，橡膠金屬鉸鏈的幾何尺寸整體減小，可實現(xiàn)履帶的減重設(shè)計.

3 結(jié)束語

通過總結(jié)工程實踐結(jié)果并進行比較計算，給出橡膠鉸鏈履帶銷主要3個應(yīng)力的許用值.針對實例進行設(shè)計計算，優(yōu)化匹配3個應(yīng)力值，減少了履帶銷直徑，降低了履帶銷軸重量，相應(yīng)減小履帶板銷孔直徑，將履帶板的相對尺寸及重量大幅度降低.

在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮平臺應(yīng)用和零部件的通用性，盡量使履帶適用車重范圍較寬.為減少履帶規(guī)格種類，建議車重的總體規(guī)劃應(yīng)按優(yōu)先系數(shù)法進行劃分，使車重噸位分布更合理，例如按R5優(yōu)先數(shù)系劃分，基礎(chǔ)車重選用10 t級，依次分布為16 t級、25 t級、40 t級.理論上的最優(yōu)化設(shè)計，還應(yīng)通過試驗及臺架考核各應(yīng)力對履帶壽命的敏感度，應(yīng)用先進計算方法，進行3個應(yīng)力值的自動匹配及優(yōu)化，求解各種材料的安全系數(shù)，尋找噸位級別內(nèi)最優(yōu)解.

[1] 尤·帕·沃爾科夫、阿·弗·巴依科夫.履帶車輛的設(shè)計與計算[M].北京：北京理工大學出版社，1997.