装载机的腰马功夫——铰接设计浅析

现在的装载机通常都是采用折腰转向设计，前后车架通过铰销连接，在工作过程中铰销受到多重作用力，其状态和人体的运动的中枢——腰非常相似，因此也被通俗称为腰轴。铰接部位设计的好坏，对整机工作的稳定性有关键性的影响。不要问为什么，试试让你腰使不上劲搬重/物就知道了。
敲黑板划重点，在讨论机械结构优劣及应用时候

离开需求谈设计，离开受力状态谈结构，都是在耍流氓。折腰转向的装载机车架呈现出两头粗中间细的特征，铰接销部位较细而又需要同时承受多个方向的作用力。最通行的结构是三明治式，即前/后车架上下各有一单一双铰接板，上下铰接销沿一同心线穿过铰接板连接前后车架。虽然各车型的销轴与铰接板的固定方式、轴承类型、轴承定位方式不同，但该部位受力特征相同。
这些力大小方向有别，对铰接销相关零件磨损的力度也不同，本帖/力图展示出几种铰接结构受外力作用后能否保持稳定工作，相应的磨损特征，从而对比出几类铰接结构的优劣。结构确定，加上力量来观察。

铰接销第一个作用是传递驱动力。装载机绝大多数采用4轮驱动，前后桥各贡献一半的驱动力，这个力会促使两车架有相互对挤的趋势(学术名应力)，而销轴的安装状态是以两端支承在双铰接板的座孔中中部是单铰接板的传力点，这种受力状态被学术定义为剪应力。

第二个作用是在铲斗铲掘/运输物料时，保证前后部车身连接的可靠性。这两种工况从整体上存在两个杠杆关糸:以前轮作为支点，前轮接地点以后的车身重量和长度平衡前轮接地点以前的铲斗的铲掘阻力加上工作装置的重量；另一个是以铰接销轴为支点，前车身加物料重料平衡后部车身的重量。这两个杠杆关糸都有使车身从铰接销位置弯折的趋势。细化上看，上铰销处是向两端分开而下铰接销处是相互挤压。但相同之处都有使所有铰接板发生弯曲的趋势。

由于现在多数车型的最大掘起力都能使后车身抬离地面，此时铰接销处受力最大，约等于自重加上额定重量(此结论来自柳工研究院成员发表公开论文)。同时还有轴承转动时的磨擦阻力，只是和其它力相比很小。在装载机工作过程中，铰接销处同时受到这几个力的作用。同一种车型不论采用那种具体的铰接安装形式，.承受的力度是不变的。

虽然钢铁焊接成的铰接板很硬，但其实它在承受超过其强度的力量时也会变形。在铰接板受到的力当中，物料重量或铲掘阻力使它受到的弯折力矩是会使它发生微量弯曲，而且双铰接板上下面的销孔/上下铰销因受力大小存在差别，变形量也不同:上端板大于下板，上铰大于下铰。需要指出的是，下铰点离地距离越高，两铰点间距越近变形越大，设计师在设计时需要计算钢板厚度来保证铰接板变形后能自己复原。因为下铰点的变形小，所以一般都是把定位功能放在下铰点以利于延长零部件寿命。

从广泛的实例来看，铰接轴承早期用关节轴承/浮置销轴，现在重载车型用圆锥滚子轴承。前者寿命明显没有后者长，根本原因在于关节轴承受自身性能限制，承受轴向力比圆锥滚子轴承差。如图二显示的那样，单铰板在重载时在平面上会因为向上的偏移使销轴受到一个向上提力量，关节轴承是以较薄的边沿而圆锥滚子轴承是以较厚的边沿来承受这个力量，再加之二者的材质差异，寿命差距就明显了。