（光学工程专业论文）基于cosmos的重型自卸车举升机构虚拟样机的动力学分析.pdf

摘要 虚拟样机技术被越来越多地运用到汽车行业，虚拟样机技术不仅可以大大简 化机械产品的设计开发过程，还可以大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开 发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统性能，获得最优化和创新的 产品设计。 国内对于虚拟样机在自卸车举升机构设计方面的研究刚刚起步，还处于初级 阶段，很多国内厂家还过度依赖经验设计，缺乏创新性，而且对产品的可靠性缺 乏比较科学的把握。 首先，本文对举升机构的各种形式及其结构组成和工作原理进行了分析和比 较，在确定了采用的举升机构形式后，对举升机构进行了设计，确定了机构的几 何参数。随后对举升机构进行了静力学分析，并进行了相关参数的校核，然后对 所设计的举升机构进行了理论干涉检查。 然后运用s 0 1 i d w o r k s 2 0 1 0 对举升机构进行了虚拟样机的建模，并且运用其自 带的无缝插件c o s m o s m o t i o n 对举升机构的运动学特性进行了p 分析，得到关键部 位的相关参数，准确掌握该机构的运动特性。同时，也对其进行了动力学分析， 得到关键部位的相关受力情况。 最后，运用软件自带的有限元分析模块c o s m o s w o r k s 对举升机构关键部位进 行了应力应变分析，可以直观地观察受力部位的应力大小及变形大小的分布情况， 并对关键受力部位进行强度和刚度校核。结合有限元分析结果，对三角板进行了 结构优化分析。 关键词：c o s m o s ；自卸车；举升机构：虚拟样机；动力学分析 a b s 嗽c t w i t ht 1 1 er i s e d e v e l o p m e n to fn l ec a dt e c h j l i c a l s1 e v e l ，v i r t u a lp r o t o t y p e t e c l l n o l o g yi sm o r ea n dm o r e 印p l i e dt 0m ea u t 0 砌u 嘟a n dd e s i 乳v i n u a lp r o t o 帅e t e c h n o l o g yc a l ln o to l l l yg r e a t l y 肌出em e c h 觚i c a lp r o d u c td e s i g na n dd e v e l o p m e n t p r o c e s ss i m p l i f i e d ，b u ta l s oc a ng r e a t l ys h o r t e nm ed e v e l o p m e mc y c l e ，鲈e a t l y r e d u c i n gt 1 1 ep r o d u c t se x p e i l s e s 锄dc o s t ，a l i do 晰o u s l yi m p r o v em e p r o d u c tq u a l 咄 i m p r 0 v ep r o d u c t ss y s t e mp e r f o 珊a n c e ，a n dg a i no p t i m i z a t i o n 如di i m o v a t i o n o f p r o d u c td e s i g n d o m e s t i cf o rv i n u a lp r o t o 帅ei ni 【w l po fl i r i n gm e c h a n i s md e s i g nh a sj u s t s t 甜e d ，s t i l la tt h ep r i m a r ys t a g e ，m 锄yd o m e s t i cm a n u f a c t l j r e ra i s or e l y i n gt o om u c h o ne x p e r i e n c ed e s i g n ，l a c ko fi 胁o v a t i o n ，b u ta l s ol a c ko fs c i e n c ef o rt 1 1 er e l i a b i l i t ) ，o f p r o d u c t s f i r s to fa 1 1 ，t h ep 印e ro nt h ev 撕o u sf 1 0 咖so fl i 矗i n gm e c h a 伍s ma 1 1 di t ss t m c t u r e a n dw o r k i n gp r i n c i p i eo fi t t h e nu s es o l i d w o r k s 2 0lot om a k et h em o d e l i n go fl i n i n gm e c h a i l i s mo fm e v i m l a lp r o t o 锣p e ，a i l du s ei t so w ns e 锄l e s sc o s m o s m o t i o np l u g 证f o r 吐l el i r i n g m e c h a l l i s mk i n e m a t i cc h 撒c t 嘶s t i c sa f ea n a l y z e d ，g e tt l l ek e yp a no fm e 雎锄e t e r s ， a c c l l r a t e l ym a s t e r i n gt h ei n s t i t u t i o n so ft h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a tm es 撇et i m e m a k es o m ed y n 锄i c sa 1 1 a l y s i s ，a 1 1 dg e tt l l ek e yp a n so fm er e l a t e dm o d e l f i n a l l y ，u s i n gt l l es o f m a r ew i t h o u t 仕l ef i m t ee l e m e n ta i l a l y s i sc o s m o s w b r l 【s m o d u l eo fl i 矗i i l gm e c h a 王l i s mo fk e yp a r t so f 1 es 仃e s sa n ds t r 面n a i l a l y s i sc a i lb e i n m i t i v eo b s e r v a t i o ns n e s sd e f b 肌a t i o na 1 1 ds t r e s sp a i r t so fm es i z ed i s 仃i b u t i o i l c a nb e v e r yi n t u i t i v et ok e yp a n so fm es 骶s si n t c n s 时s t i 肺e s sc h e c k 吨c o m b 硫d 谢t l l f i i l i t ee l e m e n tm e 也o d ，s a 巧i a o b a l lt ot l l es 们j c t u r eo p t i m i z a t i o n s ： c o s m o s ；d 啪pt m c k ；1 湎n gm e c h a i l i s m ；v i r t u a lp r o t 0 咖e ；e t i c a n a l y s i s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外研究现状和发展动态 二十世纪七八十年代，一些经济实力发达的国家的专用车保有量已经达到货 车保有量的5 0 左右，现在甚至已经发展到8 0 ，而我们国家现在还达不到4 0 。 自从我们国家加入w t o 以来，国内的汽车厂家除了拥有更多的机遇以外还面临着 来自发达国家汽车行业很大的挑战，其中自卸车是汽车工业中的不可缺少的重要 组成，其发展难免也会受到一定程度的影响。随着经济的蓬勃发展和基础建设的 投资不断加大，因此专用车的需求量非常之大，可以预见专用车的发展逐渐驶入 “快车道。作为专用车辆品种之一的自卸车将获得迅速的发展与普及，至今其保 有量大约占专用汽车的2 5 ，且日趋完善，成为系列化多品种的产品。 在国内有关汽车的项目基本上都是轿车为主，因为很多企业认为轿车才是支 撑企业的王牌。但是在国外很多汽车制造业发达国家，轿车只占市场的3 0 ，相 反，他们会大力发展商用车，因为商用车的附加值远高于轿车。国外的自卸车研 究起步早，依靠其发达的经济及其科学技术的支持，研究手段和技术都比较成熟。 而相对于国外，我们的起步晚，技术积累不够，瓶颈比较多，每年我们花高昂的 价格进口大量的高级消防车、高架路清扫车、电视卫星转播车、抢险照明车，也 包括一些重型自卸车。随着国家对基础建设的大力投资，自卸车的需求量也因此 越来越大，市场前景和经济效益一片大好u 。 国内虽然在这方面的研究起步较晚，但在巨大的市场需求与经济效益刺激下， 现在国内对自卸车及其举升机构的研究也逐渐发展起来。2 0 0 0 年青岛建筑工程学 院的胡彩旗、张泰、刘聚德建立了举升机构的数学模型，编制程序，对自卸汽车 后推式举升机构的运动进行动态仿真，准确地掌握举升机构各构件运动参数变化 的全过程，有利于对举升机构进行动态设计，从而提高产品性能。2 0 0 3 年王承在 武汉市科技型中小企业技术创新基金项目汽车及其零部件快速设计系统中对 基于虚拟样机技术的自卸汽车举升机构设计基本规范进行研究。研究了如何与专 业c a d 软件无缝传递数据，为产品优化设计创造条件并探讨了虚拟样机技术与有 限元技术之间的联合应用。2 0 0 9 年内蒙古工业大学的李宝华采用了虚拟样机技术 对自卸车举升机构进行了参数优化设计，研究参数优化建模的内容，并介绍了参 数优化建模实现的方法以及步骤，对举升机构进行优化设计。2 0 1 0 年武汉理工大 第一章绪论 学的朱晓霞研究了机构优化设计方法，并运用a d a m s 软件建立了自卸车举升机构 的虚拟样机模型，通过对样机模型进行仿真和分析来评价举升机构的性能，最后 对举升机构的关键位置点进行优化设计。对三角板进行拓扑结构优化，实现三角 板的轻量化设计。建立了自卸车的整车模型，研究在考虑车辆自激振动情况下的 液压液压缸推力的变化，并对悬架参数进行优化设计，以减小举升力的波动。 很多国家都非常重视在自卸车上使用比较前沿的技术手段，旨在在缩短设计 周期的前提下，进一步提升自卸车的设计质量和性能。随着使用范围的不断扩大 和用户不断高涨的要求，自卸汽车正面向多品种、系列化、小批量的方向发展， 并普遍使用了c a d 技术，以提高设计质量和缩短研制周期乜1 。针对传统设计的不 足，已有不少院校和研究所对自卸机构进行探讨研究，其中比较典型的代表有武 汉理工大学、北京科技大学、木卫自卸车技术公司的研究，其中主要的一个研究 方向是编制计算机程序，开发出一套适合自卸车设计的c a d 系统。如9 0 年代后期， 木卫公司研发的一套举升机构计算分析系统软件、武汉理工大学研发的一套自卸 车快速设计c a d 系统。而另外一个研究方向是随着c a d 技术的迅速发展，很多自 卸车举升机构的研究都集中在虚拟样机仿真优化分析，而这些都是基于一些专业 的商业软件上。对于采用商业软件进行虚拟仿真设计的方法，大多采用一些三维 建模软件如p r o e 、u g 、c a t i a 或者s o l i d w o r k s 等来建立模型，将零件模型与分 析模型进行转化，通过a n s y s 或其他f e a 软件进行有限元分析。虚拟仿真技术对 产品研发或者技术改进具有成本低，周期短，可靠性高等优点，故现在越来越多 的汽车企业包括自卸车生产企业都逐渐采用了这种有效的分析方法。 1 2 研究的目的及意义 如今，随着经济的快速发展，各种类型的自卸车需求量迅速增长，并且已经 超越货车的销量，排在了第一位。其中很重要的原因就是固定资产投资的快速膨 胀，数量巨大的基础建设项目使得自卸车市场蓬勃发展；自卸车的种类越来越多， 不仅能够满足施工作业的需求，同时还可以向运输市场发展；其中牵引汽车保持 了快速的发展，如今已经是远距离公路运输中的主要车型。 我国自卸汽车的设计水平和国外相比还有一定的差距，有些企业甚至还停留 在手工设计的水平上，而手工设计显然还存在着很多缺陷，所以需要加大技术创 新的投入，从而适应社会的步伐和时代的节奏。计算机辅助设计( c a d ) 的发展为此 提供了有利的条件，优化设计软件及计算机图形学与设计人员丰富的实践经验的 完美结合，使通过虚拟样机对自卸车举升机构进行设计分析成为现实，这种设计 方法带来的巨大经济效益也将是显而易见的。 第一章绪论 如今，c a d 技术已经在汽车工业中得到了非常广泛的应用，c a d 技术的应用水 平是一个国家汽车工业发展水平的重要指标。汽车产业一直都是一个国家的交税 大户，在中国也不例外。c a d 技术在企业中的成功应用，不仅带来了企业技术上 的创新，同时带动了企业经营、管理模式的变革。因此，它对我国传统产业的改 造、新技术的兴起，以及汽车工业提高国际竞争力等方面，起到了巨大的推动作 用。计算机辅助设计与传统作图试验法相比，其特点是口们： ( 1 ) 设计中可以进行参数的反馈，可以进行多参数的调整，提高了设计效率； ( 2 ) 计算机辅助设计的运算速度很快，而且逻辑判断能力强，因此可以对不 同方案的设计计算进行比较，从而得到最优设计结果。 本论文在对自卸车举升机构的设计初期，使用三维设计软件建立其虚拟样机 模型，然后进行干涉检查、运动学和动力学仿真分析，并对该举升机构的使用性 能进行分析和评价。这种设计方法不但可以提高开发速度和减少设计错误，而且 容易使产品生产设计达到系列化的目的。本文研究的设计方法对自卸车产品的研 发具有一定的实际应用价值。 1 3 研究的内容 论文研究的主要工作内容： ( 1 ) 对自卸车举升系统进行结构设计。 ( 2 ) 对自卸车的举升机构进行静力学分析及其理论干涉分析。 ( 3 ) 利用s 0 1 i d w o r k s 对举升机构进行三维建模，并利用其标准插件 c o s m o s m o t i o n 对举升机构进行运动学分析。 ( 4 ) 运用s o l i d w o r k s 自带插件c o s m o s m o t i o n 对自卸车的举升机构进行动力学 分析。 ( 5 ) 利用s o l i d w o r k s 中的标准插件c o s m o s w o r k s ，对举升机构中的关键部件 进行有限元分析，并进行结构优化。 第二章自卸车举升系统的结构设计 第二章自卸车举升系统的结构设计 2 1 自卸车概述 自卸车是利用车辆发动机来驱动液压举升机构，将车厢举升至一定倾斜度， 货物依靠重力进行卸货，车厢通过自身重力恢复初始位置的专用汽车。自卸车有 两大类：一是用于非公路运输的装载质量在二十吨以上的重型和超重型自卸汽车。 主要用在大型矿山工地、水利工地等场合中，通常是与挖掘机配套使用。由于使 用在特殊场地，因此这类自卸车的长度、宽度、高度以及轴荷等不在公路法规的 限制范围内，这类自卸车也叫作矿用自卸汽车。另一种是用于公路运输的装载质 量在2 2 0 吨的轻、中、重型普通自卸车。这类自卸车主要承担砂石、泥土、煤炭 等松散货物的运输工作，一般情况下都是与装载机配套使用的。而有些自卸汽车 是针对特殊情况的用途而设计的，所以又叫做专用自卸车。比如摆板式自装卸汽 车、自装卸垃圾汽车等瞄1 。 自卸车大多数都是在货车底盘的基础上设计的。一般由液压举升机构、动力 传动装置、底盘、副车架和货箱等部分组成。其中，自卸车的举升装置由下面3 个部分组成1 ： ( 1 ) 举升机构：由货箱、副车架、铰链轴以及举升杠杆机构等组成。 ( 2 ) 液压传动系统：由取力器、传动轴、油泵、管路系统、举升液压缸以及分 配阀等组成。 ( 3 ) 附件系统：由安全撑杆、举升限位装置、后厢板自动启闭装置、货箱下落 导向板、以及副车架连接装置等组成。 一般自卸汽车的装载质量呢分为：轻型自卸汽车f 绣 1 5 力、中型自卸汽车 ( 3 5 呢 8 ，) ；按运载货物倾卸方向分为：后倾式、侧 倾式、三面倾式和底卸式自卸汽车；按车厢栏板结构分为：栏板一面开启式、栏 板三面开启式和簸箕式( 即无后栏板) 自卸汽车。图2 1 为普通自卸汽车的结构组 成7 l 。 第一- 章 自卸车举升系统的结构设汁 5 1 液压倾卸操纵机构 4 拉板 7 安全支架 1 0 备胎 1 3 副车巢 2 三角板 5 一一车箱 8 储油箱 1 1 挡泥板 图2 1 普通自卸汽车的结构组成 3 油缸 6 翻转轴支座 9 油泵 1 2 锁启机构 f i 9 2 1o r d i n a r yd u m pt r u c k ss t r u e t u r e 2 2 举升机构的形式及其比较 在当今的自卸汽车上，液压举升机构被广泛采用。举升机构是自卸车的核心 部分，也是一辆自卸车性能好坏的最重要的指标。根据液压缸与车厢底板的连接 方式，举升机构的型式目前国内常见的有直推式和连杆组合式两大类 8 】。 表2 1 直推式与连杆组合式举升机构的综合比较 t a b l e 2 1t r a n s d u c t i v ea n dc o n n e c t i n gr o dc o m b i n e d t y p e1 i f t i n gm e c h a n is mo f c o m p r e h e nsiv ec o m p a ris o n 类别项目直推式杆系倾卸式 结构布置简便，易于布置比较复杂 系统质量较小较大 建造高度较低较高 油缸加工工艺多级缸，加工精度高，工单级缸，制造简便，工艺性好 艺性差 油压特性较差较好 系统密封 生密封环节多，易渗漏，密密封环节少，不易渗漏，密封 封性差。 生好 工作寿命磨损大，易损坏，工作寿不易磨损，工作寿命长 命短 制造成本较高较低 系统倾卸稳定 生较差较好 系统耐冲性较好较差 瓣 第二章自卸车举升系统的结构设计 2 2 1 直推式举升机构 直推式举升机构的举升液压缸直接作用在车厢底板上，由液压缸直接推动车 厢举升倾卸。根据举升点的位置不同，直推式举升机构可分为液压缸前置( 图 2 2 a ) 和液压缸中置( 图2 2 b ) 2 种类型。液压缸前置的液压缸作用在车厢前部， 举升力小，液压缸行程大，通常用在重型自卸汽车上。液压缸中置的液压缸作用 在车厢中部，举升力大，液压缸行程小，多采用双缸双柱式液压缸。由液压缸形 式的不同分为单级液压缸直推式和多级液压缸直推式；根据液压缸数量的不同又 可分为单液压缸直推式和双液压缸直推式。直推式举升机构的结构相对简单、举 升效率高，工艺简单，成本相对低一些，安装位置所需空间小，因此比较紧凑。 在同等装载质量的条件下，直推式举升机构的液压缸推力小于连杆组合式。 图2 2 壹推式举升机构 f i 9 2 2t r a n s d u c t i v e1 i f t i n gm e c h a n i s m 2 2 2 连杆组合式举升机构 连杆组合式举升机构的液压缸通过连杆作用在车厢底板上。在实际生产使用 中，连杆组合式举升机构表现出很多的的优点。近年来，随着国内基础建设的不 断投入，自卸车迎来了发展的黄金时期，因此这种类型的举升机构的发展也相对 较快，并且已经出现了多种不同的型式。根据液压缸的安装特点，常用的连杆组 合式举升机构有：液压缸前推连杆式、液压缸后推连杆式、液压缸浮动连杆式、 液压缸俯冲连杆式、液压缸后推杠杆式、液压缸前推杠杆式砷3 。 连杆式举升机构主要是利用连杆系通过液压缸将车厢推到一定的倾卸角度从 而将车厢里的货物卸干净：采用单级活塞式结构的液压缸可以降低液压缸的制造 成本：另外一个重要的特点就是，单级液压缸布置简单，初始位置接近于水平； 与此同时，由于连杆系存在一定横向跨距，所以车厢举升时候的横向稳定性可以 有所提高。但是，由于连杆式举升机构的液压缸的水平推力，因此在液压缸与车 架和车厢连接处会产生较大的应力。 第二章自卸车举升系统的结构设计 2 2 2 1 液压缸前推连杆放大式举升机构 如图2 3 所示，液压缸前推连杆放大式( 马勒里式) 举升机构是通过三角板与 车厢底板相连，三角板的一端作为举升点作用在车厢底板的前部，因此车厢的受 力状况相对较好；当车厢举升到最高位置时，举升角达到最大值，液压缸摆角比 较大，此时液压缸与车架夹角接近9 0 。，稳定性好；举升过程中，液压缸的最大 推力相对较小，油压特性也比较好，设计得当的话，甚至接近于理想油压特性， 然而整个机构布置起来比较麻烦，液压缸的工作行程也较大。 图2 3 液压缸前推连杆放大式举升机构 f i 9 2 3o i lc y l i n d e rp u s hb e f o r ec o n n e c t i n gr o dt y p ee l e v a t o rm e c h a n i s m a m p l i f i c a t i o n 2 2 2 2 液压缸前推杠杆平衡式举升机构 如图2 4 所示，液压缸前推杠杆平衡式举升机构通过拉杆与车厢底板相连， 举升支点较靠近车厢的前部，故车厢受力状况较好；初始时拉杆几乎是垂直项起 车厢，因此机构启动性能好。但该机构三角形连杆的几何尺寸较大，结构不紧凑； 液压缸摆角较大，工作行程较大，液压管路不易布置。 图2 4 液压缸前推杠杆平衡式举升机构 f i 9 2 4b e f o r eo i lc y l i n d e rp u s h1 e v e r1 i f t i n gm e c h a n i s m 2 2 2 3 液压缸后推连杆放大式举升机构 如图2 5 所示，液压缸后推连杆放大式举升机构是通过三角板与车底板相连 推动车厢，启动性能较好，并能承受较大的偏置载荷；举升点作用在车厢几何中 心附近，因此车厢的受力状况比较好。但是该举升机构的举升力系数较大，工作 效率也相对较低。 第二章自卸车举升系统的结构设计 图2 5 液压缸后推连杆放大式举升机构 f i 9 2 50 i lc y l i n d e rb a c k w a r dp u s hc o n n e c t i n gr o da m p l i f i c a t i o nt y p ee l e v a t o r m e c h a n is m 2 2 2 4 液压缸后推杠杆平衡式举升机构 如图2 6 所示，液压缸后推杠杆平衡式举升机构的液压缸下铰接点、三角板 的固定铰接点、车厢翻转中心铰接点均匀分布在副车架上，所以车架后部的集中 载荷减少了很多，并且这种布置可以提高举升机构的横向刚性。该举升机构的液 压缸摆角小，工作效率也相对较高，然而该机构的举升力系数较大，因此举升过 程中需要的举升力也比较大。 图2 6 液压缸后推杠杆平衡式举升机构 f i 9 2 6o i lc y l i n d e rb a c k w a r dp u s h1 e v e r1 i f t i n gm e c h a n i s m 3 2 2 5 液压缸浮动式举升机构 如图2 7 所示，液压缸浮动式举升机构液压缸的一端直接与车厢底板相连， 而另一端则是随着车厢的翻转而运动。这种举升机构的拉杆也与车厢底板直接相 连，举升点作用在车厢的前部，所以车厢的受力状况良好，工作效率也相对较高。 其缺点是机构几何尺寸大，结构不紧凑，不易布置；举升过程中液压缸摆角较大， 因此液压管路布置起来比较麻烦。 图2 7 液压缸浮动式举升机构 f i 9 2 70 i 1c y l i n d e rf l o a tt y p ee l e v a t o rm e c h a n i s m 第二章自卸车举升系统的结构设计 表2 2 各种自卸汽车举升机构特性 t a b l e 2 2a 11k i n d so fa u t o m o b i1 es e l f d is c h a r g i n gm e c h a n is mp r o p e r t i e s 鳍柯型式车翟举倒 性能特征 结构示意圈 前量 斯太尔1 2 9 l 2 8 0 k 3 8 卡玛斯一5 5 l l 卜1 直 簟 结构鼙套，举升效率高工 缸 斯太尔9 9 1 2 0 0 k 3 8 推后置饭发5 0 l k 艺简单，成本较俄采用单 缸时横向刖度不足采用 n c a 3 o 寥节伸缸时密封性精差 式 q d 3 5 l 双缸 e q 3 4 0 马勒里举升臂式油五十铃t d 5 0 a l c q d 举升力系数小省力、 长、 油压特性好，油缸摆角 缸前推连杵组台式)q d 3 6 2 大活塞行程精大 加伍藩举升蕾式( 油 五十铃t d 5 0 a d转轴反力小举升力景 呀 缸后推连杆组合式) q d 3 5 2教大举升臂较大活 h f 3 5 2 横 塞行程短 连 盘 油缸前推杠杆组合 崖 举升力小构件受力改 奄b 杆 s x 3 6 0 譬 善，油缸拯角大式 雀 组 嚣 举升力适中。结构紧 蕊 凑但布置集中后部 车厢底板受力火 油缸后推杠杆组台 盖 油缸进出油管活动范 专 合 日产p t i ，8 1 s d 式 式 油缸擅动连杆组合 y z 一3 0 0 式圈大，油瞥长 杵幕结构橙衡造价 螽 俯冲式东急7 3 型低但油缸必须增大窖 量 连杆组合式举升机构中，液压缸后推式以结构紧凑、液压缸摆角小等特点优 于液压缸前推式和液压缸浮动式举升机构，而举升力较大的缺点则可通过减小举 升质量得到一定程度的弥补，故较适合用于中、轻型自卸汽车。该类举升机构中 的另一种型式液压缸后推杠杆平衡式举升机构也适合用于中、轻型自卸汽车。 2 3 举升机构形式的确定 通过前面的分析比较，可见： a 直推式举升机构主要用于重型自卸汽车。 b 液压缸前推式举升机构主要用于中、重型自卸汽车。 c 液压缸后推式举升机构主要用于中、轻型自卸汽车。 d 液压缸浮动式举升机构主要用于重型自卸汽车。 举升机构是自卸汽车的重要装置，它直接关系到自卸汽车的结构与举升性能。 因此，在选择自卸车的举升机构时应综合考虑车辆用途、经济效益、举升效率、 机构布置等等方面，合理的选择举升机构，可以极大的提升自卸车的工作性能， 以便能够更好地达到设计的要求。从上述的分析来看，连杆复合式举升机构具有 横向刚度好、举升转动圆滑平顺的共性，其中加伍德举升板式举升机构多用于中 型车，t 式举升机构由于举升力系数低、易于减小举升过程最大举升力，从而得 第二章自卸车举升系统的结构设计 到理想的油压特性，并使车厢底架、副车架及支承装置的受力情况得到改善，而 且举升机构结构成熟紧凑、造价低、设计简单、举升效率好、整车的举升稳定性 高，故本论文选用t 式三角板放大式举升机构为该重型自卸车的举升机构。 2 4 最大举升角、举升降落时间的确定 自卸车的最大举升角，是指车厢举升到最高位置，此时的车厢平面与车架平 面之间的夹角。不同货物的安息角不同，因此根据装载货物的不同，白卸车最大 举升角也略有差别，安息角越小，说明货物的堆积角度越小，货物颗粒之间的摩 擦力也越小，如表2 3 所示，货物的安息角一般为3 5 。到5 0 。之间n 。 根据货物倾卸的条件，装载货物的安息角要小于自卸车的最大举升角口一才 能顺利将货物倾卸干净。但举升角不能过大，因为倾斜角过大会导致倾卸货物时 的稳定性不好，甚至会导致车厢复位困难。与此同时，为防止货物倾卸时车厢后 端与车架纵梁后端产生运动干涉，因此，当车厢举升到最高位置时，车厢后端栏 板与地面之间要留有一段距离。本车为重型自卸车，为了使该车型的使用范围更 广，能够装卸大部分货物，因此该重型自卸车的最大举升角p m 。x 设计为5 0 。 表2 3 常见货物的安息角 t a b l e 2 3c o m m o ng o o d sw i t ha n g l eo fa n n 物料煤焦炭铁矿石细砂 安息角 2 7 。4 5 。5 0 o 4 0 。4 5 。3 0 。4 5 。 物料粗砂石灰石粘土水泥 安息角 5 0 04 0 。4 5 。5 0 。4 0 。5 0 。 车厢的举升时间是指车厢满载货物时，从车厢举升初始位置至车厢举升到最 大举升角的时间，按照设计，举升时间取为1 3 5 s 。车厢降落时间是指车厢卸完 货物后，开始下降至完全降落到车架上的时间，按照设计取1 0 3 s 。 2 5 本车型的主要尺寸和主要技术参数【1 1 】 图2 8 整车外型 f i 9 2 8v e h i c l ea p p e a r a n c e 第二章自卸车举升系统的结构设计 1 l 表2 4 主要技术参数 t 出l e2 4t h em a i nt e c h m c a lp a r 锄e t e r s 项目参数 总长7 4 3 0 唧 汽车外形总宽2 4 8 0 衄 总高3 2 2 0 舳 车厢容积m 3 1 2 5 8 最大总质量k g 2 0 9 0 0 整车整备质量k g 9 8 0 0 最大装载质量k g 1 l l o o 车厢举升时间s 1 3 车厢降落时间s 1 0 3 车厢后倾角度。 5 0 。 轴距n u n 3 5 0 0 + 1 3 0 0 前轮轮距n u n 1 9 4 0 中后桥轮距舳 1 8 6 0 2 6 举升机构几何尺寸的确定 t 式三角板放大式举升机构设计示意图如图2 9 所示，主要构件包括液压缸 e c 。、拉杆d b 。以及三角板氏b 。c 。，o 点是车厢与车架副梁的翻转铰接点。举升机构运 行时，液压油流往液压缸e c 。，液压缸的活塞随之伸长，车厢转动并随之升高，三 角板a 。b 。c 。和拉杆d b 。也一起升高。车厢绕翻转铰接点o 倾翻，货物倾卸完毕以后， 车厢依靠自身重量恢复到初始状态。为了保证举升机构结构的紧凑性以及各个构 件之间不会发生运动干涉，因此，尽量使举升机构在初始位置占用的空间小一些。 由初选各构件之间铰接点的位置和各构件的几何尺寸，用a u t o c a d 作图，如图2 9 所示。 图2 9 机构设计示意图 f i g2 9m e c h a n is md e s i g ns c h e m e s 第二章自卸车举升系统的结构设计 2 6 1 确定车厢与车架副梁翻转铰支点o 的位置 现在已知车架副梁高2 0 5 咖，长4 5 0 5 衄，按照设计经验，翻转铰支点o 应尽可 能接近车架大梁的尾端，因此取水平方向离车架副梁尾端1 4 6 咖、垂直方向离车架 副梁下方向1 1 8 m m 处作为翻转铰支点0 的位置，为了便于后面的设计计算，把翻转 铰支点o 作为坐标原点( 0 ，o ) 。其中，x 轴始于o 点并平行于车架副梁的平面，指 向自卸车的车头。 2 6 2 确定车厢处于初始位置时，三角板与车厢的铰支点a o 的位置 设a 。的坐标为( x 0 ，y 。) ，根据经验公式可得 一老 d 其中：l 为液压缸的最大有效工作行程，9 。瓠为车厢最大举升角，r 为经验系 数。 根据之前的分析，这里l = 7 8 0 m ，9 m 。= 5 0 。，取r = 1 7 5 【1 2 】，则： ) ( o = ! z ! 兰z 坠2 7 3 0 哪 。一矿一z 。j u m 1 为了尽可能高效地利用车厢底部空间，a 。的位置在y 方向应尽量靠近车厢底 面，以便降低液压缸下支点沉入车架副梁中的高度。确定三角板与车厢的铰支点 a 。距车厢底板的距离为8 3 舳，已知车厢底板纵梁的高为1 8 0 m ，因此a 。点坐标为 ( 2 7 3 0 ，1 8 4 ) 。 2 6 3 确定液压缸与车架副梁铰支点e 的位置 因为液压缸的尺寸比较大，也为了开始举升时液压缸的工作压力较低，所以 液压缸初始位置要有一定的倾斜角，且e 点的y 坐标y 。由结构允许的最小值来决定， 取y e = 一6 0 舳。据经验公式求得e 点x 轴坐标为： x e = x 。一o 5 l 0 0 2 l + 4 0 0 = 2 3 4 7 ( m ) 贝0 e 点坐标为( 2 3 4 7 ，一6 0 ) 。 2 6 4 车厢处于初始位置时，a 。c o 的长度和三角板端点c 。的坐标 c 。点是三角板与液压缸的连接点。为了充分利用车厢底板以下的空间，车厢 处于初始位置时，c 。点的位置要尽可能接近车厢底板，这样可以降低液压缸下支 点e 沉入车架副梁中的高度，空间得以有效利用。令c 。点垂直方向在a 。点下1 4 7 m m 。 为了确保车厢复位时能完全放平，车厢处于初始位置时，液压缸的安装长度要稍 第二章自卸车举升系统的结构设计 1 3 微大于液压缸的最小长度1 5 m m 左右【1 3 】。根据结构特点及安排，水平方向c 。在a 。点 前7 9 0 m m ，则c 。点坐标为( 3 5 1 0 ，3 8 ) ，a c = 凡c 。= 8 0 0 姗。 2 6 5 车厢在初始位置时，拉杆d b 。与三角板凡b 。c o 的铰接点b 。的坐标 连接o 凡，并将o a 。绕0 点顺时针旋转5 0 度到彳点。以彳为圆心，以凡c 。为半径 画弧，再以e 为圆心，以1 1 6 5 + 7 8 0 1 0 = 1 9 3 5 姗为半径画弧，两弧相交于f 点，连 接彬和彳f ，作角么删= 5 。；又以c o 为顶点，c o b 。为边，作“g 磊= f ， 根据结构允许尺寸，取c = g 磊= 2 6 0 咖。连接凡b 。、彳，调整后的a b = 氏b o _ 9 5 0 唧， b c = b o c 。= 2 6 0 m m ，使a b 、b c 为整数，由此确定b 。点的坐标为( 3 5 9 5 ，一2 1 1 ) 。a b c 和 彳f 为车厢处于初始状态和车厢处于最大举升角状态时三角架所处的位置。 2 6 6 确定拉杆与车架副梁铰接点d 的坐标和拉杆的长度l d b 0 d 点为线段磊的垂直平分线交y = y 。线的交点，根据结构特点及安排，y 。2 5 2 为连杆与车架副梁铰支点d 的y 轴坐标。为了使d b 0 为整数，需要微调铰接点d 点的位置，最后确定铰接点d 的坐标为( 2 1 4 7 ，5 2 ) 。由d 点和b o 的坐标可以得 到拉杆d b 。的长度l 咖= 1 4 7 0 咖。 2 7 本章小结 本章对比了不同举升机构的形式及其优缺点，根据实际需要，确定了t 式三 角架放大式举升机构为重型自卸车的举升机构。根据重型自卸车的用途和货物的 安息角，确定了举升机构的最大举升角、举升降落的时间。由车型的主要尺寸、 质量参数以及总体布置情况对举升机构进行几何尺寸的设计，最后用作图法确定 了各铰支点的位置及各构件的几何尺寸，为接下来的虚拟样机的建立与动力学仿 真分析工作做好了充分的准备。 1 4第三章自卸车举升机构的静力学分析 第三章自卸车举升机构的静力学分析 对举升机构进行静力学分析的主要目的是要分析任意举升角日时举升机构各 构件之间的受力情况以及构件的最大受力，为液压系统参数的确定和构件截面尺 寸的计算提供依据。 举升机构动力性的一个重要指标就是举升力系数： 石= ( 3 1 ) 式中：一液压缸的最大举升力 g 一满载时，车厢质量和倾卸货物质量的总和 举升力系数k 值越小，自卸车举升机构的性能越好【1 4 1 【1 5 】。k 值的大小是随着举 升角的变化而变化的。举升机构在初始位置时，货箱满载，阻力最大，所以此时 液压缸的推力是最大的，故只需对初始位置时的举升机构各构件进行静力学分析。 3 1 举升机构各关键点的坐标计算 现在，确定a 、b 、c 、g 、f 的坐标及d d 眦、d 舭d 棚、d 脚的数值，图3 1 为 举升机构坐标分析简图。 图3 。l 举升机构坐标分析简图 f i 9 3 1c o o r d i n a t et h el i f t i n gm e c h a n i s ma n a l y s i sd i a g r a m 由上一章分析可知，在初始位置时，三角板a 。、b 0 、c 。点及车厢满载时的重 心g 。的坐标值如下： x o = 2 7 3 0 m m ，y a o _ 18 4 姗 x b o = 3 5 9 5 m m ，y b o 一2 l l 咖 x c o = 3 5lo 衄，y c o = 3 8 啪 ) ( g o = 16 6 4 姗，y 矛8 7 9 姗 在初始位置时，拉杆b 。d 和液压缸c 。e 的交点f 。的坐标( x f o ，x f 0 ) 可以通过 以下方程求解【1 6 】： z q 二z 生2 ：z2 = z 生qi z ，o z 曰o zd z 占o l( 3 2 ) z q 二z q ：互二z ql xf 、一xc 、xexc 、 代入具体数据，可得x f 0 = 2 6 3 5 1 m m ，y ，。一3 6 4 舳 在初始位置时，有计算公式： 点o 至直线f 。a o 的距离为d 。f ： y 叼心勘| ) 一x 高一x f l a 1 ) 一y o 点b 0 至液压缸e c 。的距离d 嗽： 包嬲= 点b 。至直线a 。f 0 的距离d 晰： 尸= 点a 。至液压缸e c 。的距离d 眦： 巩e f 点a 。至拉杆b 。d 的距离d 叩： 将具体数据代入式( 3 3 ) 式( 3 7 ) 可得： d o f a = 2 4 2 9 4 m m d b e c = 2 5 4 2 m m d b a f = 9 4 9 8 m m d a e c = 21 1 6 5 m m d a b d = 2 3 4 m m ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 第三章 自卸车举升机构的静力学分析 3 2 举升机构的静力学分析 以车厢为研究对象，图3 2 为举升机构力学分析图。 由力矩平衡方程： 图3 2 举升机构力学分析图 y 膨，：o 一 7 ( 3 8 ) 口嘞一忍拗= o( 3 9 ) 2 鲁 将具体数据代入式( 3 1 0 ) 可得： f f a = 8 8 8 9 2 6 9n 以三角板为研究对象，图3 3 为举升机构力学分析图。 由力矩平衡方程： 得： 图3 - 3 举升机构力学分析图 y 版：o 工一 口 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 第三章自卸车举升机构的静力学分析 9 孵一易尸= o 因为f m 和艮是一对大小相等，方向相反的作用力，即= 易 结合式( 3 1 2 ) ，液压缸受到的最大举升力为： 2 笼孑 代入具体数据到式( 3 13 ) ，得f e c = 2 0 5 4 0 6 8n 又由彬= o 可得： ，一9 嬲= o1 8 d x d 是b d t 疑x u 骶2 u 则拉杆受到的最大拉力为： ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) = 冬笋 1 5 ) 代入具体数据到式( 3 1 5 ) ，得f b d = 2 5 7 2 6 6 2 n 将g = 1 2 9 7 5 2 n 代入式( 3 1 ) ，可求得举升力系数k = 1 5 8 。 3 3 拉杆强度校核 拉杆是一个二力杆件，车厢对拉杆的作用力对称分布在二力杆上，所以每根 拉杆受到的最大拉力： 磊= 孚= 半翊8 6 3 3 ，n 已知拉杆的横截面面积为a = 1 2 8 0 m m ，拉杆的材质为q 2 3 5 ，查阅手册可知： 仃，= 2 3 0 1 0 6 删所2 因为盯：刀冬，其中n 为安全系数，这里取为2 ，可知： 彳 粤嘲嚣筹划岫泓胁2彳 1 2 8 0 1 0 _ o 可见d 仃，所以拉杆的强度在安全范围内。 第三章自卸车举升机构的静力学分析 3 4 系统压力校核 根据最大举升力满足： 跏等州n ) 式中：7 7 液压缸的机械效率： 液压缸缸径。 得d 必须满足： 厝 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 液压缸在举升机构倾卸过程中的最大举升力疡= 2 0 5 4 0 6 8 n ，根据经验，初 选液压缸最高工作压力p = 1 6 m p a ，取叩= o 8 ，则由式( 3 1 7 ) 得1 4 3 嬲。又知 l = 7 8 0 咖，查标准，最后确定选用重型自卸车专用液压缸h g e 1 8 0 x 7 8 0 ，其主要参 数为：缸径d = 1 8 0 衄，液压缸杆径= 8 0 衄，液压缸行程l = 7 8 0 咖。 一般情况下，举升时间不超过2 0 s ，初选举升时间为1 3 s 。液压缸工作容积为： 侮升嘲等硼。华圳斟叫。6 耐铂啪砒 液压泵的额定流量夕导，其中，辞升为举升时间；q ，为容积效率。 ，举升叩f 代入具体数据( 其中7 7 ，取o 8 ) 得： p 旦塑：1 6 5 4 1 础j 液压泵转速满足公式：生 其中：以为发动机的额定转速；，为传动比，取为2 0 0 0 r m i n ，= 1 3 6 1 则：型：1 4 6 9 5 ，m i n 选取液压泵额定转速= 2 0 0 0 尸m i n ，则液压泵排量 旦6 0 堕坐6 0 ：4 9 6 础， 。 定 2 0 0 0 依据以上参数，选择齿轮油泵c b t e 5 6 3 ，其主要参数如下： 公称排量：q = 6 3m l r 第三章 自卸车举升机构的静力学分析 额定压力：p = 1 6m p a 公称转速：刀额= 2 0 0 0 厂m i n 系统的最大压力为： 鼻。，= 望 ( 3 1 8 ) 删彳” 7 已知：，= 2 0 5 4 0 6 8n ，叼= 0 8 ，d = 1 8 0 m m 叱瓢= 葡= 1 0 - 1 删删冉1 0 1 舰 可见，油泵额定压力1 6 m p a