鑿巖鉆機鉸接車架傳動軸設計案例探討

王培酈，劉望，梁鳳遠，吳佼，張朋，劉濤

（1.徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇徐州221004；2.徐工工潤建筑科技有限公司，江蘇徐州221000）

1 概述

鑿巖鉆機是針對隧道和井下等工況下鑿巖打孔的專用機械設備。傳動系統(tǒng)一般采用機械液力傳動，即發(fā)動機-變速箱-變矩器-傳動軸-前后驅動橋-輪輞-輪胎。傳動軸是傳遞扭矩和轉速的關鍵零部件，它的性能關系到整車的穩(wěn)定性和安全性，所以傳動軸的設計十分重要。

2 設計思路

鑿巖機械的傳動軸設計時，需要考慮傳動軸輸入扭矩、轉速及安裝形式等。針對具體車型，設計思路首先根據設計輸入的整車參數（重量，最大車速，最大爬坡能力，最小制動距離等）選定發(fā)動機型號及功率，然后根據發(fā)動機功率曲線及額定最大扭矩和速度，匹配變速箱和橋的速比及輪胎型號，確認整車車架軸距，前后橋距及離地間隙。

在以上初步方案確定情況下，確認傳動軸布置形式，安裝長度，安裝角度，拉伸量，安裝角度。然后在詳細設計階段根據整車的布置進行安裝位置及角度微調，使其適應整車的布置及設計要求，最后確定傳動軸的所有技術參數及關鍵尺寸。

3 案例分析

以一款單臂鑿巖鉆機為例，整車重量為21.5噸，最大車速16 km/h，最大爬坡能力15°，設計初定發(fā)動機基本參數（最大扭矩330 N·m，最大轉速2400 r/min），車橋速比18.6，變速箱最大速比（一檔）7.982，變矩器失速變矩比1.841，輪胎12.00R20（滾動半徑0.525 m），機械扭矩傳輸安全系數n=1.1，機械速度傳輸安全系數n＇=1.3。

傳動軸初步設計定為：傳動軸輸入最大扭矩為：330×7.982×1.841×1.1≈5300 N·m，傳動軸輸入最大速度為：16×1000÷60÷（2π×0.525）×18.6×1.3≈2000（r/min）。

一般設計時，傳動軸距離超過2 m 時候，盡量做兩根連接比較好。布置的時候，最好保證第一段為0°，第二段工作角度在7°以內。萬向節(jié)工作角度一般為22°。

設計初定：車架軸距為3355 mm，前橋軸距到鉸接中心距離為1600 mm。后車架內框距離為±170 mm，車架轉向角度為±41°。橋軸到安裝法蘭面距離350 mm。

根據一般傳動軸設計原則，圖1 中，前傳動軸是在前橋和變速箱中間的線段AB段（不能伸縮）；中傳動軸是有伸縮梁的傳動軸，BC段＋CE段（最大）或者BE段（最?。﹣泶_認；后傳動軸是變速箱和后橋的線段FG組成。其中點B的位置確認是傳動軸設計的關鍵，它太靠近A點會造成車架轉向時中傳動軸在BE段的覆蓋范圍大，或容易出現與車架干涉現象，或容易出現與其它件的干涉現象。所以應該在萬向節(jié)允許的工作角度和車架布置不干涉（例如鉸點附近有限制管道的限位鋼管）前提下，盡可能地靠近C點布置。

圖1 傳動部分布置簡圖

根據圖2、圖3 的傳動軸結構形式和工作特點及扭矩和轉速工作范圍等考慮，后傳動軸在整車轉彎時的長度沒有改變，所以可確定FG=237 mm(±10 mm)，關鍵就是確定點B的位置。根據圖3 的傳動軸結構和工作形式（萬向節(jié)1 和萬向節(jié)2 和中傳動軸在整車轉彎工作時）存在以下工作關系：

圖2 前傳動軸結構設計簡圖

圖3 中傳動軸的結構設計簡圖

在萬向節(jié)工作角度α＝β＝γ，傳動軸受力最合理，求出最優(yōu)解。

具體求解內容：角度α＝β＝γ＝13.66°。根據圖1 的求解思路和圖4 中尺寸，可以確定點B的位置——根據已經給出的點C，角度41°和半徑（2545-1600=945 mm）找出點E，然后根據γ=13.66°找出線段EG，然后再根據圖4 的尺寸102 mm 和α＝β=13.66°確定出點B和點F。

圖4 中傳動軸萬向節(jié)部分結構尺寸簡圖

中傳動軸的最大尺寸為BF+FE，中傳動軸的最小尺寸為BD。確定完中傳動軸尺寸，前傳動軸尺寸為圖1 里面的AD-BD。具體角度和尺寸取整數后，優(yōu)化計算得結果為：前傳AB=870 mm；中傳1680 mm（工作范圍：最大1700 mm，最小1675 mm；要求廠家做到1630~1730 mm）；后傳237 mm（有1 個萬向節(jié)，理論上可以調整±15 mm）。

圖5 后傳動軸的結構設計簡圖

4 實際調整及優(yōu)化

考慮實際情況和車架干涉情況，重新定義點B 位置，保證

通過計算機CAD 模擬，在α＝β=19.543°，γ=1.913°能夠滿足實際上產品設計要求，同時也滿足傳動軸正常工作要求。這種情況下，最終優(yōu)化后，傳動軸的最終設計結果為：前傳1047 mm；中傳1150 mm（最大1170 mm 最小1070 mm）；后傳237 mm （有1 個萬向節(jié)，理論上可以調整±15 mm）。

圖6 傳動軸布置最終簡圖

5 結論

傳動軸的設計要根據傳動軸實際工作要求（工作最大角度，扭矩、轉速及結構形式）為前提條件，同時結合產品開發(fā)的其他系統(tǒng)布置位置及整車中心等統(tǒng)籌考慮，選取最合適的方案。注意，最合適的方案不一定是最合理的方案。讓各個部件最優(yōu)化，整個產品最優(yōu)化才是傳動軸最終確定的根本原則。以上是本人在實際工作中的一些心得體會，供同類產品設計時參考。