大学机械原理课程设计高位自卸汽车设计计算说明书

1 大学机械原理课程设计高位自卸汽车 设计计算说明书 计要求及原始数据 （ 1）设计要求： 具有一般自卸汽车的功能。 能将满载货物的车厢在比较水平的状态下平稳地举升到一定高度，最大升程表 1。 为方便卸货，要求车厢在举升过程中逐步后移，车厢处于最大升程位置时，其后移量 a 见表 1。为保证车厢的稳定性，其最大后移量 得超过 在举升过程中可在任意高度停留卸货。 在车厢倾斜卸货时，后厢门随之联动打开；卸 货完毕，车厢恢复水平状态，后厢门也随之可靠关闭，后厢门和车厢的相对位置见图 2。 举升和翻转机构的安装空间不超过车厢底部与大梁间的空间，后厢门打开机构的安装面不超过车厢侧面。 结构尽量紧凑、简单、可靠，具有良好的动力传递性能。 （ 2）原始数据： 表 1始数据 方案号 车厢尺寸 L W H L( W( H(A (W (A 4000 2000 640 1800 380 5000 300 500 B 3900 2000 640 1850 350 4800 300 500 C 3900 1800 630 1900 320 4500 280 470 D 3800 1800 630 1950 300 4200 280 470 E 3700 1800 620 2000 280 4000 250 450 F 3600 1800 610 2050 250 3900 250 450 2 2 设计方案的评价及选择 升机构 计要求： 1能将满载货物的车厢在比较水平的状态下平稳地举升 到一定高度，最大升程 表 1。 2为方便卸货，要求车厢在举升过程中逐步后移，车厢处于最大升程位置时，其后移量 a 见表 1。为保证车厢的稳定性，其最大后移量 得超过 3在举升过程中可在任意高度停留卸货。 计方案 方案 1：平行四边形举升机构 图 2行四边形举升机构 如上图所示机构， 成一平行四边形，杆 液压油缸的带动下绕 C 轴转动，从而完成车厢的举升和下降。 优点： 结构简单，易于加工、安装和维修； 能够保证车厢在举升和下降过程中 保持水平，稳定性好； 液压油缸较小的推程能够完成车厢较大的上移量。 缺点： 车厢上移时，其后移量很大。为了保证车厢举升到最大高度时，其最大后移量不超过设计要求，需将杆 得很长，甚至大大超过了车厢的长度，在工程实际中不能实现。 方案 2： L 型举升机构 图 2 型举升机构 3 工作原理： 如上图所示车厢举升机构， L 形杆 端与铰链 B 相联（铰链 B 通过竖直杆固定在车架上），一端与车厢底部的铰链 E 相联，同时其上绞接一液压油缸 2，液压油缸另一端与车厢底部的铰链相联。 举升时，液压油缸 1 伸长 ，推动 L 形杆 铰链 B 逆时针转过角度 ，使 E 端上升；与此同时，液压缸 2 也联动工作，使车厢也转过角度 ，从而使车厢在上升过程中保持水平。 随着 的转动， E 点后移，同时带动车厢后移，当 E 点与 B 点等高时，后移量达到最大。 优点 ： 该机构充分利用了车厢前面的空间，使车厢底部的机构变得简单； 该机构克服了方案一中后移量过大的缺点，机构的尺寸也较小。 缺点： 该机构最大的缺点在于车厢全部重量均有 L 形杆 担，由于 长，所以 到很大的扭矩作用。这就对 L 形杆的强度提出很高要求，同时也限 制了车厢的装载量。 液压缸 1 和液压缸 2 需要联动工作才能保证车厢的水平，使控制机构复杂。 液压油缸的推程较大。 方案 3：剪式举升机构 图 2式举升机构 工作原理： 如上图所示，该举升机构是由长度相等的两杆 此铰接于 E 点； 的 A 端和与水平的活塞杆铰接，并可在滑槽内移动； 的 B 端与车厢底部为滑动铰接。 当活塞 F 右移时，车厢上升，同时向后移动；活塞 F 左移时，车厢下降，同时向前移动。 下面具体分析车厢的后移原理： 4 设 E=a， E=b，举升前 1升后 2有 上移量： )s s 21 b) c os(2a c c - 2a c )c ( c 移量与 a， b 的差值有关，故采用此种布置形式时，铰接点 E 不能为两杆的中点。 采用此种布置时，会使 距离较小，影 响了车厢工作时的稳定性，特别是在车厢翻转卸货时，这种影响尤为显著。 为了消除这种影响，可将 E 取为两杆的中点，同时，为了使车厢在上移时能够逐渐后移，需要将 C 点换成滑动铰接，而 D 点换成固定铰接。 如下图所示： 图 2式举升机构 最好用作图法将极限为之画出来。 此时，由于 E 为两杆的中点，故在车厢上移过程中， A 与 D， B 与 C 始终在一条直线上；同时由于 A 点向后移动，故车厢上的 D 点也随之后移，于是整个车厢就向后移动。 设 D l ，举升前 1升后 2有 上移量： )s s )c c 该举升机构的优点是： 结构简单，紧凑； 5 能够很好的协调车厢上移量与后移量之间的关系，满足工作要求； 机构的受力情况较好。 缺点： 液压缸水平布置时，在举升初始阶段，传动角很小，不利于工作。 根据以 上缺点，可以将液压缸改为竖直布置的形式，如下图： 图 2液压缸竖直布置后，可以很好地解决传动角过小的问题，但不难想象，这样布置使液压缸的推程需要很大，不易实现。 案确定 为了解决以上矛盾，可以采用以下多级举升机构： 图 2级举升机构 如上图所示， 杆长相等的四杆， 接与中点 G， H； A， F 为滑动铰接。 该方案较好地解决了以上方案液压缸推程要求很大的缺点，同时，由于原设计中安装液压缸处空间变得较小，故将液压 缸布置在机构的中间部位。 转机构 计要求 （ 1）利用连杆机构实现车厢的翻转，其安装空间不能超过车厢底部与大梁间的空间。 （ 2）结构尽量紧凑，可靠，具有良好的动力传递性能。 计方案 6 翻转机构是自卸汽车的关键部分，其性能直接影响车辆的性能。为此，我们设计了多种方案，比较各自的优缺点。 方案 1：单缸直推式 该机构示意图如下图： 图 2缸直推式 该机构的优点是简单紧凑。采用单缸时，容易实现三面倾斜。另外，若油缸垂直下置时，油缸的推力可全部作为车厢的举升力，因而所需 的油缸功率较小。 其缺点为该机构横向强度差，而且由于其油缸行程较大。 方案 2：油缸前推连杆式 如下图所示： 图 2缸前推连杆式 该机构的优点是横向刚度较好，举升时转动圆滑，三脚架推动车厢举升时，车厢倾翻轴支架的水平反力比较小，车架底部的受力也比较均匀。 其缺点是油缸在车厢翻转过程中摆动角度稍微大了一些，带来一定的不方便。 方案 3： Z 字形举升机构 7 图 2Z 字形举升机构 这个机构是有曲柄摇杆机构联想到的翻转机构，这个机构中油缸是提供动力的作用，油缸的的行程变小，在油缸匀速推进时 ，车厢的翻转不匀速，可以方便卸货。 案确定 根据以上各种方案的优劣点，综合分析后，选用方案 3。 厢门打开机构 计要求： （ 1）在车厢倾斜卸货时，后厢门随之联动打开 （ 2）卸货完毕，车厢恢复水平状态，后厢门也随之可靠关闭 （ 3）后厢门打开机构的安装面不超过车厢侧面 其中，后箱门和车厢的相对位置如下： 计方案选择： 方案 1： 控制开合式机构。 8 图 2制开合式厢门打开机构 该机构通过控制杆控制厢门上面的铰实现厢门的开合。把控制杆和车厢翻转控制机构恰 当的联系在一起时，可以精确的实现翻转和厢门打开的联动控制。但是这个机构的安装困难，这种结构或者类似结构安装在车厢侧面比较合适，杆在转动的同时还要在移动副中进行滑动，所以，如果稍微有个地方润滑不好的话，就很有可能造成机构的自锁，使得后车厢门不能正常的打开。 方案 2： 自开式厢门打开机构 图 2开式厢门打开机构 机构分析： 因为厢门和车厢翻转的角度相同，所以厢门在打开和关闭的时候都处于竖直状态，因此考虑利用厢门的重力使之自由打开。在要卸货的时候打开锁住厢门的机构，厢门可以随车厢的翻转自由打开。当卸 货完毕的时候，在使用锁止机构把厢门锁死，实现厢门可靠的关闭。该机构设计简单，容易想到。可以利用车厢底部空间，方便安装。但是车门的开闭是自由的，不能精确实现车门打开角度与翻转角度之间的函数关系。 综合上面的分析，我们选取第二中方案作为最后的设计方案。 9 3 各工艺动作的配合及运动循环图 升机构 图 3升机构 转机构 图 3转机构 厢门打开机构 10 图 3厢门打开机构 4 各运动构件的尺寸计算 方案选择 根据以上各机构方案设计与比较，最 后确定各机构方案如下： 升机构 下面对该方案进行具体尺寸设计： 根据设计要求，举升机构需要满足： 车厢尺寸 L( W( H(A(W(L1(Hd(3900 1800 630 1900 320 4500 280 470 如图 3 C=E= l ，初始位置 0达最大升程时1 由几何关系可得： )s s 1m a x （ 3 1 . 2 a)c c o s 10 l （ 3 为了使整个举升机构不超过车厢底部安装空间，需满足 H 0 (30 （ 3 取 450l，联立 (333 (3得 用 程得到结果， 其中程序为 ： x y l; l,x,y=2*l*(y*80)x*80)l*(x*80)y*80)20,2*l*x*80) ,6. 7 9,l 11 图 3升机构简图 欲使液压杆受力最小， 根据图示机构得到：当举升到最大高度时，液压杆应垂直杆 由图解法知： 当举升到最大高度时，所以 N= 翻转机构 如图 3示，为使杆 为了受力状态良好， D 点安排在车厢的重心附近，取 900，假设最大翻转角度为 60，当翻转到最大角度时， 点共线，为最佳效果，且设此时 垂直位置，则 E/2=900，设水平时 直距离为 450 设 AB=x， BD=y。 于是有 : 60s （ 4 22222 ) （ 4 且 （ 4 其中 0081 A,E 点之间的垂直距离 450 ， B，D 之间的垂直距离， ,取为 150， A,D 之间的水平距离， A,B 之间的垂直距离，为 300 用 程计算得到结果，其中 序为 x y; x,y=(y2)+900)2+(4502,x+), x), y), 解得 x=1460 ， y=549 460， 49， 800 根据图解计算，取 00， 直距离为 300，则 000 12 整体布局 如上图所示，为了便于举升机构和翻转机构的安装，在车厢和车架之间增加一凹形托板在凹形拖板的两侧安装举升机构（即在车厢两侧对称安装一对所选定的举升机构），在凹形拖板的凹形槽内安装翻转机构。这样，举升机构和翻转机构互相独立，并且可以并行利用车厢底部的空间，使结构紧凑。后厢门打开机构安装在车厢的两侧。 构总成 将以上选定的各机构组合后，得到如下最终机构简图： 5 运动分析和运动仿真 利用 行仿真并导出图像，其仿真结果如下图所示： 假设举升时液压缸的速度恒定为 10mm/s 13 5 1 举升时车厢的速度图像 升时车厢的加速度图像 14 升时车厢的水平方向位移图像 升时车厢的竖直位移图像 15 翻转时假设候液压缸的速度图像恒定为 100mm/s 5 5 翻转时车厢的速