凿岩钻机铰接车架传动轴设计案例探讨

王培郦，刘望，梁凤远，吴佼，张朋，刘涛

（1.徐州徐工基础工程机械有限公司，江苏徐州221004；2.徐工工润建筑科技有限公司，江苏徐州221000）

1 概述

凿岩钻机是针对隧道和井下等工况下凿岩打孔的专用机械设备。传动系统一般采用机械液力传动，即发动机-变速箱-变矩器-传动轴-前后驱动桥-轮辋-轮胎。传动轴是传递扭矩和转速的关键零部件，它的性能关系到整车的稳定性和安全性，所以传动轴的设计十分重要。

2 设计思路

凿岩机械的传动轴设计时，需要考虑传动轴输入扭矩、转速及安装形式等。针对具体车型，设计思路首先根据设计输入的整车参数（重量，最大车速，最大爬坡能力，最小制动距离等）选定发动机型号及功率，然后根据发动机功率曲线及额定最大扭矩和速度，匹配变速箱和桥的速比及轮胎型号，确认整车车架轴距，前后桥距及离地间隙。

在以上初步方案确定情况下，确认传动轴布置形式，安装长度，安装角度，拉伸量，安装角度。然后在详细设计阶段根据整车的布置进行安装位置及角度微调，使其适应整车的布置及设计要求，最后确定传动轴的所有技术参数及关键尺寸。

3 案例分析

以一款单臂凿岩钻机为例，整车重量为21.5吨，最大车速16 km/h，最大爬坡能力15°，设计初定发动机基本参数（最大扭矩330 N·m，最大转速2400 r/min），车桥速比18.6，变速箱最大速比（一档）7.982，变矩器失速变矩比1.841，轮胎12.00R20（滚动半径0.525 m），机械扭矩传输安全系数n=1.1，机械速度传输安全系数n＇=1.3。

传动轴初步设计定为：传动轴输入最大扭矩为：330×7.982×1.841×1.1≈5300 N·m，传动轴输入最大速度为：16×1000÷60÷（2π×0.525）×18.6×1.3≈2000（r/min）。

一般设计时，传动轴距离超过2 m 时候，尽量做两根连接比较好。布置的时候，最好保证第一段为0°，第二段工作角度在7°以内。万向节工作角度一般为22°。

设计初定：车架轴距为3355 mm，前桥轴距到铰接中心距离为1600 mm。后车架内框距离为±170 mm，车架转向角度为±41°。桥轴到安装法兰面距离350 mm。

根据一般传动轴设计原则，图1 中，前传动轴是在前桥和变速箱中间的线段AB段（不能伸缩）；中传动轴是有伸缩梁的传动轴，BC段＋CE段（最大）或者BE段（最小）来确认；后传动轴是变速箱和后桥的线段FG组成。其中点B的位置确认是传动轴设计的关键，它太靠近A点会造成车架转向时中传动轴在BE段的覆盖范围大，或容易出现与车架干涉现象，或容易出现与其它件的干涉现象。所以应该在万向节允许的工作角度和车架布置不干涉（例如铰点附近有限制管道的限位钢管）前提下，尽可能地靠近C点布置。

图1 传动部分布置简图

根据图2、图3 的传动轴结构形式和工作特点及扭矩和转速工作范围等考虑，后传动轴在整车转弯时的长度没有改变，所以可确定FG=237 mm(±10 mm)，关键就是确定点B的位置。根据图3 的传动轴结构和工作形式（万向节1 和万向节2 和中传动轴在整车转弯工作时）存在以下工作关系：

图2 前传动轴结构设计简图

图3 中传动轴的结构设计简图

在万向节工作角度α＝β＝γ，传动轴受力最合理，求出最优解。

具体求解内容：角度α＝β＝γ＝13.66°。根据图1 的求解思路和图4 中尺寸，可以确定点B的位置——根据已经给出的点C，角度41°和半径（2545-1600=945 mm）找出点E，然后根据γ=13.66°找出线段EG，然后再根据图4 的尺寸102 mm 和α＝β=13.66°确定出点B和点F。

图4 中传动轴万向节部分结构尺寸简图

中传动轴的最大尺寸为BF+FE，中传动轴的最小尺寸为BD。确定完中传动轴尺寸，前传动轴尺寸为图1 里面的AD-BD。具体角度和尺寸取整数后，优化计算得结果为：前传AB=870 mm；中传1680 mm（工作范围：最大1700 mm，最小1675 mm；要求厂家做到1630~1730 mm）；后传237 mm（有1 个万向节，理论上可以调整±15 mm）。

图5 后传动轴的结构设计简图

4 实际调整及优化

考虑实际情况和车架干涉情况，重新定义点B 位置，保证

通过计算机CAD 模拟，在α＝β=19.543°，γ=1.913°能够满足实际上产品设计要求，同时也满足传动轴正常工作要求。这种情况下，最终优化后，传动轴的最终设计结果为：前传1047 mm；中传1150 mm（最大1170 mm 最小1070 mm）；后传237 mm （有1 个万向节，理论上可以调整±15 mm）。

图6 传动轴布置最终简图

5 结论

传动轴的设计要根据传动轴实际工作要求（工作最大角度，扭矩、转速及结构形式）为前提条件，同时结合产品开发的其他系统布置位置及整车中心等统筹考虑，选取最合适的方案。注意，最合适的方案不一定是最合理的方案。让各个部件最优化，整个产品最优化才是传动轴最终确定的根本原则。以上是本人在实际工作中的一些心得体会，供同类产品设计时参考。