橡胶金属铰链履带销的优化设计

李 珂， 龚雪莲， 张小强， 耿江波， 高 剑

(北京北方车辆集团有限公司.北京10072)

采用履带推进装置的行动部分可以保证车辆较高的越野能力和大的牵引力，从而提高车辆在破损路面或无路地区的行驶速度.现代高速履带车辆行动部分的质量达到整车总质量的(16～27)%，其中履带的质量实际上占了它的一半(8～10)%.轻型履带车辆的这一质量指标达到整车总质量的15%[1].履带销直径的增加必将带来板体销孔尺寸的增加，导致履带重量的大幅度增加.针对已有车型的履带销故障，结合经验计算公式，探究履带销重量优化的设计思路，期望通过研究履带销3种应力值确定优化设计履带销尺寸的约束函数.

1 履带销3种应力的计算

履带销是由金属销轴及硫化其上的橡胶衬套组成.

根据履带板体结构将双销履带分为单节双板体及单节单板体履带，代表车型及结构见图1～图3.

为方便计算与对比，将现有车型各履带销结构尺寸进行统计，结果见表1.

图1 单节双板体(代表车型有C型车、H型车)

图2 单节单板体(有中联器.代表车型有BMP-3、迪尔履带)

图3 单节单板体(代表车型有E型车、A型车)

车型销轴外径d0/mm销轴内径d1/mm销轴长度l/mm销轴剪切面个数n胶套长度l0/mm胶套挤压后外径d2/mmA型车25.910304221834B型车25.914378425034C型车25.914384425034BMP-32310368425030D型车300—4——E型车15.26230216220.1F型车采用A型车履带25.910304221834F型车采用G型车履带25.910378425034

1.1 履带销轴的剪切应力计算及选取

为保证履带销轴的抗剪强度，履带销的剪切应力τc[1]为：

(1)

Pp=0.65mgφ.

(2)

式中：K为考虑履带销复杂应力状态的系数，K=4/3；A为销的横截面面积，mm2；n为销轴剪切面个数；PP为履带的最大牵引力；m为车辆的总质量；g为重力加速度，取9.8；φ为履带对地面的附着系数，通常取φ=0.8～1.0，此处计算取0.9.

根据式(1)、式(2)计算得出各车型的履带销轴剪切应力，结果见表2.

表2 履带销轴剪切应力

对于没有磨料磨损的橡胶金属铰链的履带销，取许可应力[τc]≤150 MPa[1].

B型车①履带销的剪切应力达到143.49 MPa，在实际使用中履带销的可靠性较低.

F型车采用A型车履带③，在初样车试验过程中，履带销多次断裂.因为剪切面只有两个，导致应力增大，故将履带改为G型车履带后，剪切面增加为4个，剪切应力降低，故障消除.

E型车②履带在初样时，履带销采用38CrSi材料，多次发生断裂，后将外径由15 mm提高到15.2 mm，并将材料更换为42CrMo，虽然其剪切应力达到199.6 MPa,但42CrMo屈服强度提高，后续顺利通过试验.

D型车履带销的计算剪切应力达到148.69 MPa.履带为单节双板体结构，但诱导齿处互相抵住，整块板体的刚度较大，履带销的载荷分布更均匀，也顺利通过试验验证.

通过以上分析，对履带销的许用剪切应力作出如下推断：

1)改变板体刚度可影响履带销的受力均匀性，所以，对于双销双板体中联履带，采用38CrSi材料，许用剪切应力[τc]≤120 MPa.单节单块板体的履带，刚度较大，许用剪切应力[τc]≤150 MPa；

2)更换更高强度材料后，可适当增大许用应力.

如只为满足履带销的许用剪切应力，那么实心履带销是个更好的选择.但橡胶铰链履带，履带销直径过小会增大橡胶衬套的挤压应力，大大影响了橡胶衬套的寿命.故在设计履带销的剪切应力满足要求后，还应根据橡胶衬套的挤压应力和剪切应力校核销轴尺寸.

1.2 橡胶衬套的附加挤压应力

在橡胶衬套内由于张力而产生的挤压应力σr[1]按照式(1)计算.

(3)

式中：Kr为考虑当履带销弯曲时橡胶衬套挤压力的不均匀系数；d0为橡胶衬套的内直径，即履带销外径；∑br为一侧履带板橡胶衬套的总长度.

对于单销式橡胶金属铰链，Kr=1.1～1.3,对于双销式，Kr=1.5～2.0，此处计算取1.75.

橡胶衬套挤压应力计算结果见表3.

表3 橡胶衬套挤压应力

在现有的橡胶金属铰链履带的结构中，橡胶衬套由于张力而产生的附加挤压应力不超过40 MPa.

1.3 橡胶衬套的剪切应力

橡胶衬套的扭转剪切应力与履带的性能有很大的关系.剪切应力过大，履带的角刚度增大，增加行动系统的功率损失；橡胶变软会减小角刚度，但会同时降低履带的纵向刚度，导致履带的节距不稳，影响履带的啮合，故橡胶衬套的扭转剪切应力也应在合理范围内选取.橡胶衬套剪切应力按照式(4)计算.

(4)

式中：d0为橡胶衬套内径，即销轴外径；d2为橡胶衬套压缩后外径，即销耳内径；GⅡ为剪切的弹性模数取决于橡胶的品种以及在压缩时的压缩程度和温度，初步计算时，可按0.8～1.0 MPa选取，此处计算取0.9 MPa；φmax为橡胶的最大扭转角.

根据式(4)计算各车型橡胶衬套的扭转剪切应力，结果见表4.

表4 橡胶衬套扭转剪切应力

现有的用橡胶金属铰链的履带结构的τmax值不超过0.3～0.45 MPa[1]442；最终值不应超过τ=0.7～0.8 MPa[1]446.结合上述车型计算结果可知τmax不超过0.3～0.45 MPa，而且扭转剪切应力与挤压应力共同作用于橡胶衬套.

2 优化计算

应用上述公式及许用应力, 针对用于16.8 t的C型车履带履带销进行优化设计.

选取履带销剪切许用应力[τc]≤130 MPa，根据式(1)、式(2)，计算可得履带销轴截面积约束为A≥235.2 mm2.

选取橡胶衬套挤压许用应力σr≤30 MPa，考虑当履带销弯曲时橡胶衬套挤压力的不均匀系数

Kr=1.75，已知橡胶衬套的总长度∑br=250，根据式(3)，可得销轴直径d0≥22.5 mm.

选取空心销轴外径d0=23 mm，内径d2=14 mm，销轴截面积为261.4 mm2，满足A≥235.2 mm2，橡胶衬套挤压应力σr=29.3 MPa，满足要求.

选取橡胶衬套的剪切弹性模数GⅡ=0.9 MPa，设计胶套厚度hr=4 mm. 根据式(4)，校核计算得橡胶衬套扭转剪切应力为τ=0.48 MPa.优化设计前后，履带销3种应力的对比见表5.

表5 优化前后的应力对比

优化设计后，履带销轴外径由25.9 mm减小至23 mm，销孔内径由34 mm减小至31 mm. 虽然销轴剪切应力及橡胶衬套挤压应力均有增大，但仍处于许用范围内，橡胶金属铰链的几何尺寸整体减小，可实现履带的减重设计.

3 结束语

通过总结工程实践结果并进行比较计算，给出橡胶铰链履带销主要3个应力的许用值.针对实例进行设计计算，优化匹配3个应力值，减少了履带销直径，降低了履带销轴重量，相应减小履带板销孔直径，将履带板的相对尺寸及重量大幅度降低.

在实际工程应用中，应综合考虑平台应用和零部件的通用性，尽量使履带适用车重范围较宽.为减少履带规格种类，建议车重的总体规划应按优先系数法进行划分，使车重吨位分布更合理，例如按R5优先数系划分，基础车重选用10 t级，依次分布为16 t级、25 t级、40 t级.理论上的最优化设计，还应通过试验及台架考核各应力对履带寿命的敏感度，应用先进计算方法，进行3个应力值的自动匹配及优化，求解各种材料的安全系数，寻找吨位级别内最优解.

[1] 尤·帕·沃尔科夫、阿·弗·巴依科夫.履带车辆的设计与计算[M].北京：北京理工大学出版社，1997.