李 珂， 龔雪蓮， 張小強(qiáng)， 耿江波， 高 劍

(北京北方車輛集團(tuán)有限公司.北京10072)

采用履帶推進(jìn)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(dá)到整車總質(zhì)量的(16～27)%，其中履帶的質(zhì)量實(shí)際上占了它的一半(8～10)%.輕型履帶車輛的這一質(zhì)量指標(biāo)達(dá)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(dǎo)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(yàn)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(jìn)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(qiáng)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(fù)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(dá)到143.49 MPa，在實(shí)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(yàn)過程中，履帶銷多次斷裂.因?yàn)榧羟忻嬷挥袃蓚€，導(dǎo)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(dá)到199.6 MPa,但42CrMo屈服強(qiáng)度提高，后續(xù)順利通過試驗(yàn).

D型車履帶銷的計算剪切應(yīng)力達(dá)到148.69 MPa.履帶為單節(jié)雙板體結(jié)構(gòu)，但誘導(dǎo)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(yàn)驗(yàn)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(qiáng)度材料后，可適當(dāng)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(shí)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(dāng)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(dǎo)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?yàn)榧羟械膹椥阅?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(jìn)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(dāng)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(shí)現(xiàn)履帶的減重設(shè)計.

3 結(jié)束語

通過總結(jié)工程實(shí)踐結(jié)果并進(jìn)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(shí)例進(jìn)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(shí)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(jìn)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(yàn)及臺架考核各應(yīng)力對履帶壽命的敏感度，應(yīng)用先進(jìn)計算方法，進(jìn)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(xué)出版社，1997.