后推连杆组合式举升机构的设计.doc

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后推连杆组合式举升机构的设计后推连杆组合式举升机构的设计 摘 要自卸车作为一种专用汽车，在工厂、矿山、城市建设以及交通运输中都扮演着重要角色。作为自卸车的重要和不可缺少的组成部分, 自卸车举升机构在货物卸载时发挥着巨大作用，它免去了工人卸货劳动，提高了卸货速度。其主要原理是通过液压作用将自卸车车厢举升到一定角度从而使货物快速卸载。本设计选用后推连杆组合式举升机构型式，又称“d”式（或加伍德式）举升机构，进行设计，它具有举升平顺、油缸活塞的工作行程短，举升机构布臵灵活，转轴反力小、举升臂放大系数大、活塞行程短等优点，应用非常广泛。本设计从总体到局部，全面介绍了自卸车举升部分的设计。 关键词：自卸车，后推连杆组合式，举升机构，液压系统 abstractas a kind of special vehicle, dumper truck plays an important role in factories, mines, urban constructions and transportations. being an important and indispensable part of dumper truck, lift mechanism plays a very important role in unloading. its more laborsaving and efficient. it raises the truck body to a suitable angle so that cargos can be unloaded by itself by the force comes from hydraulic system. in this dissertation, back-ward lever-assembled style lift mechanism, which is also named “d” pattern (or gawood style) lift mechanism, is chosen. it has many advantages, such as smoothly-lifting, shorter work stroke of hydraulic cylinder piston, being easy conveniently disposed, less axis anti-force, bigger lift power quotiety, bigger lift-arm magnify quotiety. due to these advantages, this style of lift mechanism is used far and wide. this dissertation, from overall to some, entirely introduces the design of this style lift mechanism. in this dissertation, some tools and methods for design are used, which can improve the speed as well as quality of the design. if these tools and methods for design are used in company, the company could cut down the cost in design and improve the capability of competition. 1key words： dumper truck；back-ward lever-assembled style；lift mechanism；hydraulic system 21 绪论1.1 课题的提出自卸车是利用本车发动机动力驱动液压举升机构，将其车厢倾斜一定角度来卸货；并依靠车厢自重使其复位的专用汽车。自卸汽车按其用途可分为两大类：一类属非公路运输用的重型和超重型（装载质量在20t以上）自卸汽车。主要承担大型矿山，水利工地等运输任务，通常是与挖掘机配套使用。这类汽车也被称为矿用自卸汽车。它的长度，宽度，高度以及轴荷等不受公路法规的限制，但它只能在矿山，工地上使用。另一类属于公路运输用的轻，中，重型（装载质量在220t）普通自卸汽车。它重要承担砂石，泥土，煤炭等松散货物的运输，通常是与装载机配套使用的。自卸车举升机构是自卸车的一个重要组成部分，它的主要作用是通过液压作用将自卸车车厢自动举升并快速卸载货物。连杆组合式举升机构具有举升平顺、油缸活塞的工作行程短，举升机构布臵灵活等优点。常用的连杆组合式举升机构布臵有两种：按举升方式主要分为后倾卸举升式和三面举升式两类。举升机构作为自卸车的重要和不可缺少的组成部分，在自卸车货物卸载时发挥着巨大作用，它免去了工人卸货劳动，提高了卸货速度，通过研究自卸车举升机构的原理，探索出更加省时省力、方便灵活、举升力大、装卸快捷、安全可靠的自卸车举升系统形式，为使自卸车更好的为社会生活的方方面面服务打下基础。1.2 课题研究的意义自卸车举升机构及其液压系统是自卸车的核心，其性能好坏直接影响自卸车的性能和质量，因此对自卸车举升机构及其液压系统的研究对提高自卸车性能质量，以及减低成本等均有重大影响。本课题设计将从举升机构的原理出发，对自卸车进行一步步的研究。依照上述框架，对自卸车举升机构进行设计时还要注意效率，效率也是成本的一种方式，因此，采用合理的设计方法，并且使用提高效率的工具对于设计来说也是一件非常重要的事，本课题将从设计方法和设计工具上作一次积极的尝试，为以后类似的设计提供参考。1.3 国汽车传统的传动系多用液力变扭器（带有行星齿轮轮边减速）。装载质量40t以下的重型自卸汽车，也有用机械传动系的，这主要是在欧 3洲国家。瑞典的高库-兰菲克公司、西德的凯不勒公司和福恩公司，在重型自卸汽车上都装了半自动控制的机械传动系。美国自卸汽车，装载质量76t以上的多装有电传动（包括发电机和电动车轮）；装载质量100t以上的自卸汽车只用电传动。点传动能较平顺的将大功率传给车轮，电动车轮又很容易的变换为发电机工作，此时电传动系就变成了见素制动器。装用机械式或液力机械式传动装臵的重型自卸汽车，其后桥一般都装有自动或半自动的差速器联锁机构，用以提高自卸汽车在坏路上的越野性。悬挂装臵 采用悬挂的种类取决于自卸汽车的型式及使用条件。钢板弹簧，美国用在装载质量45t以下，欧洲国家用在60t以下的自卸汽车。如美国麦克m65ax采用钢板弹簧加橡胶减振块，法国贝利埃t60采用钢板弹簧。装载质量32130t的自卸汽车也有采用油气悬挂的，如美国的凯特皮勒，密执按魏布克及意大利的伯尔里尼等公司的产品。装载质量76t以上的自卸汽车，有的装有一组橡胶块作为弹簧元件。制动装臵 装载质量27t以上的自卸汽车采用气动或气动液力控制的辅助制动器。这种自卸汽车几乎都装有减速制动器，液力机械式和电力的传动系都起减速制动器的作用。目前重型自卸汽车在设计上的特点是采用两轴布臵，其中大部分采用42后轮驱动的型式，后轮装双胎，前轮转向装单胎。除此之外，美国的 万国公司和西德的凯布勒公司为提高自卸汽车的越野能力增大附着质量，其自卸汽车有些型号采用44的驱动型式。美国尤克里德制造装载质量95.26t的r-105型自卸汽车的驱动型式也是采用44，但前、后轮都装用双胎，起轮胎的规格是24.0049，有36层帘布层。r105型自卸汽车利用铰接式底盘转向，为保持有足够的倾向稳定性，采用了特殊的悬挂。美国皮尔莱斯公司制造的装载质量245t的自卸 汽车，有8个车轮，成对的车轮中的每个车轮都连接着一个共同的平衡架，但有独立的传动，采用液力电传动式制动器，并装有液力悬挂。进入八十年代，装载质量20t以上的矿用重型自卸汽车，在美国，西德，意大利等国家，已形成了系列产品或系列产品更新换代。在产量上，美国仍居世界各国之首。在制造上，各国共同的特点是生产不集中，工厂规模也不大，年产量由数十辆到几百辆不等。与要量虽然逐年上升，但世界各国总的需要量不大，无法同承担公路运输的大中型自卸汽车相比。当前世界经济发达的国家较重视发展专用汽车的运输，采用专用汽车，提高装卸小、节约包装材料，降低运输成本。1970年末美国总质量在4.5t以上的货车80%是专用汽车，其中自卸汽车就占11%。西德，日本自卸汽车运输占专用车辆运输的比重很大。大中型自卸汽车，其结构大部分是由货车变形产生的，并发展成系列产品。西德，日本，英国等发展很快，并有自卸汽车系列产品。如西德奔驰，汉诺莫克亨歇尔，道依茨及曼公司生产装载质量415t的共88种型号；日本川西，金刚制作，东急车辆及小平产业厂生产装载质量415t的共26种型号，另外五十铃，日产，日野，三凌公司生产装载质量611.5t的共48种型号。除此之外，苏联麦蒂，明斯克，克列米楚格厂生产装载质量4.512t的3种型号，其产量较大。承担公路运输的大中型自卸汽车，一般都在装载质量15t以下，目前发展的趋势是：减轻自身质量，采用高强度低合金钢、轻合金和新工艺，提高装载质量，使自身质量利用系数达到1.41-2.0;车速已提高到90100km/h；中型自卸 4汽车的动力向柴油机化发展，西欧国家和日本已柴油化，美国正在发展中型自卸汽车柴油机系列，苏联也在进行这方面的工作。具有七，八十年代水平的自卸汽车一般多属于传统的汽车结构；由于运载货物不一（物理或化学的性质），使用条件各异（气候、道路、装卸场合）的自卸汽车卸货方式，举升机构及车厢等出现了多种型式。国课题研究的内容本课题的主要任务是设计装载质量为4500kg，最大举升角度为5060的自卸车举升机构及其液压系统。设计内容主要是设计举升机构的液压系统，包括液压缸的选择，液压回路的 5设计液压泵的选择等，还有举升机构中其他零件的设计，如三角臂的设计和校核，拉杆的设计和校核，还有各铰支点支座和销轴的设计和校核。1.4.1 设计方案的选择自卸汽车上，现在广泛采用液压举升机构。根据油缸与车厢底板的连接方式，常用的举升机构可以分为直接推动式和连杆组合式两大类。举升机构的主要形式有：直接推动式举升机构 是指油缸直接作用在车厢底版上的举升机构，简称直推式举升机构。按举升点在车厢底版下表面的位臵，该类举升机构又可分为油缸中臵和油缸前臵两中型式。前者油缸支在车厢中部，油缸行程较小，油缸举升力较大，多采用双缸双柱式油缸。后者的油缸支在车厢前部，油缸的举升力较小，油缸行程较大，一般用与重型自卸汽车上，油缸则通常采用多级伸缩油缸。连杆组合式举升机构 是指油缸与车厢底版之间通过连杆机构连接的举升机构。生产实践表明，连杆组合式具有很大的优越性。近十几年来，这种类型的举升机构发展较快，已出现了多种形式。根据油缸的安装特点，连杆组合式举升机构又可分为油缸前推（后推）连杆放大式、油缸前推（后推）杠杆平衡式、油缸浮动等多种形式。油缸前推连杆放大式（马勒里式）举升机构 该种举升机构通过三角臂与车厢底板相连，车厢的举升支点较靠近车厢的前部，故车厢受力状况好；当达到最大举升角度时，油缸几乎处于垂直状态，车厢上升到最高位臵不易倾下，稳定性好；油缸最大推力较小，油压特性好。但整个机构较庞大，油缸在举升过程中的摆角较大，工作行程也较大。油缸前推杠杆平衡式举升机构 该种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顶起车厢，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；油缸摆角较大，工作行程较大，液压管路不易布臵。油缸后推连杆放大式（加伍德式）举升机构 该种举升机构通过三角臂与车厢底板相连推动车厢，启动性能较好，并能承受较大的偏臵载荷；举升支点在车厢几何中心附近，车厢受力状况较好。但该机构举升力系数大，工作效率较低。油缸后推杠杆平衡式举升机构 该种举升机构的油缸下铰点、三角板的固定铰点、车厢翻转铰点几乎均匀分布在副车架上，减少了车架后部的集中载荷；同时，这种三点支撑方式有利于改善机构的整体横向刚性。举升过程中油缸摆角小，机构的工作效率也较高，但机构的举升力系数较大，使相同举升质量所需举升力较其他举升机构大。油缸浮动式举升机构 这种机构油缸的一端直接与车厢底板相连，另一端不是固定在车架上，而是可以随着车厢的翻转而运动。该机构的拉杆也与车厢底板直接相连。举升支点较靠近车厢的前部，故车厢受力状况较好，工作效率较高。但该机构几何尺寸较大，机构不紧凑；举升过程中油缸摆角较大，使得液压管路难于布臵。1.4.2 举升机构型式的选择6从以上的分析可以看出，举升机构的每一种结构型式都各有利弊。在具体设计时，应因车制宜，合理选用。直推式举升机构结构简单，较易于设计。但由于是油缸直接顶起车厢，为了达到一定的举升角度，往往需采用多级油缸，而为了提高整车的稳定性，又常采用双油缸结构。这样易导致油缸泄露或双缸不同步，进而造成车厢举升受力不均。目前，该类举升机构主要用于重型自卸汽车。连杆组合式举升机构利用三角形连杆机构的放大特性，减小了油缸行程，同时还借助于连杆系的横向跨距来加强卸货时的稳定性，只需采用单级单缸的油缸型式就可满足要求。因此，该类举升机构制造工艺相对简单，在生产实际中获得了广泛的应用。油缸前推式举升机构具有举升力系数小的优点，较适用与中、重型自卸汽车，如青岛专用汽车制造厂生产的9吨级qd362型自卸汽车就采用了油缸前推连杆放大式中的杠杆平衡式举升机构。油缸前推式中的杠杆平衡式举升机构也常用10-20吨级的自卸汽车。油缸浮动式举升机构具有油缸行程短，机构效率高等优点，通常用于双后桥重型自卸汽车的改装。该机械已用在斯太尔qdz332os型20吨自卸汽车上。连杆组合式举升机构中，油缸后推式以结构紧凑、油缸摆角小等特点优于油缸前推式和油缸浮动式举升机构，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，故较适用于中、轻型自卸汽车。而油缸后推杠杆平衡式举升机构也适用于中、轻型自卸汽车。本设计综合各种因素，最后设计采用的举升方式是后推连杆组合式举升机构，又称“d”式（或加伍德式）举升机构， 它具备转轴反力小、举升力系数大、举升臂放大系数大、活塞行程短等优点，应用非常广泛。比较适用于中型自卸汽车。 72 举升机构的设计2.1 自卸汽车总体尺寸和主要零部件的确定底盘的选择：经过选择，底盘选为东风汽车公司的eq3092f190j，具体参数如下：表1车厢尺寸的选择：经过选择，确定车厢的长度为3250mm,宽度为2200mm,高为550mm.车厢的长度很短但有一定的高度,使车辆可以在多种道路条件下行驶,这也是现在中型载重汽车的发展趋势.最大举升角度的确定: 举升机构的最大举升角就是为了保证可以使货物干净的卸出车厢,最大举升角的确定取决于货物的安息角,设计的最大举升角必须大于货物安息角，以保证把车厢8(1) 建立坐标系 坐标原点一般选在车厢与副车架的铰支点o.(2) 确定举升机构分别与车厢,副车架铰支点的坐标位臵 设举升机构与车厢铰支点为c0(xc,yc)。xc由经验公式xc=rl/qmax确定。式中r=140mm160mm. 当l较小时，r取下限。这里r取150mm，则有xc=150380/53=1147mm, yc为 车厢机构允许的最大值，这里取yc为260mm.举升机构与副车架的铰支点为 e(xe,ye)。xe由经验公式xe=xc+0.5l0+0.2l-300确定，有xe=1147+0.5 1020+0.2380-300=1433mm. ye为机构允许的最小值，这里取ye为-196mm。(3) 过c0点作c0b0线,使c0b0与x轴成夹角a0,令a0=0-4;以e点为圆心，l0为半径作圆弧交c0b0线于点b0，eb0即为初始位臵（=0）时的油缸中心线。(4) 连接oc0，并将oc0绕o点顺时针旋转qmax角，c0点转到c点；再以c为圆心，以c0b0为半径画弧；又以e点为圆心，以l0+l为半径画弧；两弧交于b点，eb即为=0时的油缸中心线。（5）以b点为顶点，作eba=b2，b2=68,再以b0为顶点作c0b0a0=cba。若a0为通轴，则b2可适当加大。的垂直平分线交于f点，连接ef设cb和c0b0的延（6）作b0b，c0c长线夹角为b3。以f点为顶点，作a0fe=afe=b3/2，交b0a0于a点，则a0，b0，c0和a，b，c分别为=0和=qmax时三角臂的三个铰支点。这样，经过不断的尝试和调整可以得出a0，b0，c0，e各铰支点的x,y向坐标值，进而获得拉杆ea0，三角臂的几何尺寸。所作图如下： 9 图1 举升机构原理图在图上可以量出举升机构在初始位臵和最大举升角位臵时各铰支点和杆件的坐标，具体数值如下：初始位臵（=0）时：xa0=452mm ya=-130mm xb=560mm yb=220mm 000xc0=1147mm yc0=260mm最大举升角度（=qmax）时：xa=562mm ya=280mm xbxc=483mm yc=286mm yb=517mm =1073mme点坐标为：xe=1433mm ye=-196mm同时，还可以确定三角臂和拉杆的长度，具体数值如下：ac=797mm ab=365mm bc=590mm拉杆ae=1041mm2.3 举升机构受力分析 10当举升角为任意角时，求解油缸推力feb和拉杆ea所受的拉力fea。 设车厢初始位臵时，c0的坐标为(xc,yc)，而举升角为时，c点（三角臂 与车厢底部铰支点）坐标xc和yc，可由下式求得：xc=xccosq-ycsinq yc=xcsinq+yccosq 确定举升质量质心：由底盘和车厢的机构尺寸可知：底盘可用长度为3269mm,车厢长度为3250mm.又有，副车架与驾驶室之间的间隙在100250mm，这里取150mm.而副车架与车厢的铰支点o距副车架末端有一定的距离，取60mm，则有，车厢末端距o点的距离为：3250+150-3269+60=191mm 则xg=3250/2-191=1434mm yg=260+120+550/2=655mm 这里，120为铰支座的高度。则有当任意角时，举升质量的质心坐标为：xg=xgcosq-ygsinq yg=xgsinq+ygcosq 根据上面的计算结果可以求出点o到线段ec的距离doec。直线ec的方程为y-ye=x-xeyc-yexc-xe 故有点o（x0,y0）到ec的距离doec为： doec=|ye(xc-xe)-xe(yc-ye)根据车厢在任意举升角q时的力矩平衡m0=0，得：11wxg=fecdoec 即：fec=wxg/doec式中w为举升质量所产生的重力，其中包括车厢的自重，这里取车厢的自重为250kg,则w=(4500+250)9.8=46550n.具体的计算结果见下表：12三角臂的受力分析 ：三角臂的受力状态见下图，其体系作为一个独立体，使三角臂受力简化，仅手举升机构中的油缸推力f、拉杆拉力f1及车厢倾覆反作用力f2三个力的作用。yox 图2 三角臂的受力分析根据集合平面力系平衡原理，车厢倾翻反作用力f2，必须通过点o。在该力系中，f是f1和f2合力的平衡力。由于lp2，f1和f2均小于合力f，即ff2。13这说明，当装载质量相同的条件下，若沿oc设臵举升机构中的油缸使车厢倾翻，则其油缸推力可以小于三角臂式举升机构中油缸ob的推力。但三角臂并没有起到增大油缸推力的作用。下面对三角臂的受力进行计算：在上图中，通过点a做ob、oc的垂线am、an，在形成的voam和voan中，an=aosinl am=aosinb,对a点取矩，由受力平衡有：am=f2an，即f=f2sinlsinbf，根据余弦定理有：l=(arccos(ae2+ec2-ac2)/2ae ec b=(arccos(eb2+ec2-bc2)/2eb ec同理，对b点取矩，可求出f1，计算结果见下表：14 153 举升机构构件具体尺寸设计与校核3.1 举升机构各零部件的校核3.1.1 举升油缸设计校核举升油缸是举升机构的核心部件，它主要承受轴向力，在举升时举升油缸承受的是压力，在车厢回落时，没有液压力作用，只在重力作用下回落，油缸仍然承受压力，在举升和回落两个阶段，举升油缸的受力不对称，举升时受力较大，回落时受力较小。参照其它类似的自卸车举升液压缸，如上所述，为了尽可能的减小举升机构的尺寸，取缸径小于等于160，行程也取较小值400，以使举升机构的结构较紧凑、机构布臵较方便，查机械设计手册，取液压缸的初始长度为600，因此液压缸最大工作长度为1400。由前面可知，液压缸的实际予伸量为20，液压缸安装长度为1020，因此液压缸的实际最大行程l=1400-1020=380。按照一般车辆用液压缸的工作压力（有20.6mpa、15.7 mpa、13.6 mpa 和10 mpa）初步确定本液压缸的工作压力为13.6mpa。下面将对液压缸各零件进行设计和校核。（1）液压缸的校核：所选油缸的工作压力为13.6mpa，则它的最大推力为：f=pdp4 =3.140.162213.6106/4=273305.6n取液压系统的效率h=0.8，则有，273305.60.8=218644.48n由上面的计算可知，液压缸所受的最大的力为163182.9n218644.48n 所以，所选的油缸可用。（2）壁厚的校核：液压缸的缸壁壁厚与液压缸的工作压