高位自卸汽车.doc

第 1 页 共 18 页 某某大学 机械原理课程设计机械原理课程设计 设计计算设计计算说明说明书书 设计题目 设计题目 高位自卸汽车 学院名称 学院名称 专业班级 专业班级 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 指导教师 指导教师 20122012 年年 0606 月月 第 2 页 共 18 页 目目 录录 1 1 设计任务设计任务 3 3 1 11 1 设计题目设计题目 3 3 1 21 2 设计要求及原始数据设计要求及原始数据 3 3 2 2 设计方案的评价及选择设计方案的评价及选择 4 4 3 3 各工艺动作的配合及运动循环图各工艺动作的配合及运动循环图 11 11 4 4 各运动构件的尺寸计算各运动构件的尺寸计算 12 12 5 5 运动分析和运动仿真运动分析和运动仿真 14 14 6 6 设计小结设计小结 18 18 参考文献参考文献 18 18 第 3 页 共 18 页 1 1 设计任务设计任务 1 11 1 设计题目设计题目 高位自卸汽车 1 21 2 设计要求设计要求及原始数据及原始数据 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 Smax见表 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 amax不得超过 1 2a 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 1 原始数据 方案号车厢尺寸 L W H L mm W mm H mm Smax mm A mm W kg L1 mm Hd mm A4000 2000 64018003805000300500 B3900 2000 64018503504800300500 C3900 1800 63019003204500280470 D3800 1800 63019503004200280470 E3700 1800 62020002804000250450 F3600 1800 61020502503900250450 第 4 页 共 18 页 2 2 设计方案的评价及选择设计方案的评价及选择 2 12 1举升机构举升机构 2 1 1 设计要求 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 Smax见表 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 amax不得超过 1 2a 3 在举升过程中可在任意高度停留卸货 2 1 2 设计方案 方案 1 平行四边形举升机构 图 2 1 平行四边形举升机构 如上图所示机构 CBEF 形成一平行四边形 杆 BC 在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 BC EF 做得很长 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 2 L 型举升机构 第 5 页 共 18 页 工作原理 如上图所示车厢举升机构 L 形杆 BDE 一端与铰链 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 BCD 绕铰链 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 BCD 杆的转动 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 BCD 承担 由于 DE 很长 所以 BCD 受到很大的扭矩作用 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 3 剪式举升机构 工作原理 如上图所示 该举升机构是由长度相等的两杆 AC 和 BD 彼此铰接于 E 点 AC 杆 的 A 端和与水平的活塞杆铰接 并可在滑槽内移动 BD 杆的 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 第 6 页 共 18 页 设 AE BE a CE DE b 举升前 举升后 则有 1 CAB 2 CAB 上移量 sin sin 21 baS 后移量 b cos a 2acos cos 2acos 2211 baa 化简后得 cos b cos a 21 a 可见 后移量与 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 CD 的距离较小 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 4 剪式举升机构 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 AC BD 举升前 举升后 则有 l 1 CAB 2 CAB 上移量 sin sin 21 lS 后移量 cos cos 21 la 该举升机构的优点是 结构简单 紧凑 第 7 页 共 18 页 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 5 将液压缸竖直布置后 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 2 1 3 方案确定 为了解决以上矛盾 可以采用以下多级举升机构 图 2 5 多级举升机构 如上图所示 AD BC CF DE 为杆长相等的四杆 AD 与 BC CF 与 DE 铰接 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 2 2 2 翻转机构翻转机构 2 2 1 设计要求 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 第 8 页 共 18 页 2 2 2 设计方案 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 6 单缸直推式 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 7 油缸前推连杆式 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 第 9 页 共 18 页 图 2 8 Z 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 2 2 3 方案确定 根据以上各种方案的优劣点 综合分析后 选用方案 3 2 3 3 后厢门打开机构后厢门打开机构 2 3 1 设计要求 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 2 3 2 设计方案选择 方案 1 控制开合式机构 第 10 页 共 18 页 图 2 9 控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 10 自开式厢门打开机构 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 第 11 页 共 18 页 3 3各工艺动作的配合及运动循环图各工艺动作的配合及运动循环图 3 13 1 举升机构举升机构 图 3 1 举升机构 3 23 2 翻转机构翻转机构 图 3 2 翻转机构 3 33 3 后厢门打开机构后厢门打开机构 第 12 页 共 18 页 图 3 3 后厢门打开机构 4 4 各运动构件的尺寸计算各运动构件的尺寸计算 4 14 1 方案选择方案选择 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 4 1 1 举升机构 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 mm W mm H mm Smax mm A mm W kg L1 mm Hd mm 3900 1800 63019003204500280470 如图 3 1 设 AD BC CF DE 初始位置 到达最大升程时l 0 HAB 1 HAB 由几何关系可得 3 1 sin sin2 01 max l S 3 2 1 2a cos cos 10 l 为了使整个举升机构不超过车厢底部安装空间 需满足 3 3 Hd l 0 sin2 3 4 Ll 0 cos 取 联立 3 1 3 2 3 3 与 3 4 解得 450sin2 1 l 用 matlab 编程得到结果 其中程序为 syms x y l l x y solve 2 l sin y pi 180 sin x pi 180 1900 l cos x pi 180 cos y pi 180 1 2 320 2 l sin x pi 180 450 3 37 6 7 9 1936 10 l 第 13 页 共 18 页 图 3 4 举升机构简图 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 CF 由图解法知 当举升到最大高度时 所以 CM DN 549 7 4 1 2 翻转机构 如图 3 2 所示 为使杆为了受力状态良好 D 点安排在车厢的重心附近 取 DE 1900 假设最大翻转角度为 60 当翻转到最大角度时 ABD 三点共线 为最佳 效果 且设此时 ABD 在垂直位置 则 AE DE 2 900 设水平时 AE 垂直距离为 450 设 AB x BD y 于是有 4 1 AEDE LLyx 60sin 4 2 2 2 2 2 2 Ly xLL ABADBD 且 4 3 BD L AB L AE L 其中 为 A E 点之间的垂直距离 450 为0081 DE L AE L AE L BD L B D 之间的垂直距离 取为 150 为 A D 之间的水平距离 为 A B 之 AD L AB L 间的垂直距离 为 300 用 matlab 编程计算得到结果 其中 matlab 程序为 syms x y x y solve sqrt y 2 150 2 900 2 450 150 2 x 2 x y 1800 sin pi 3 450 eval x eval y 解得 x 1460 y 549 AB 1460 BD 549 DE 1800 第 14 页 共 18 页 根据图解计算 取 AC 400 AC 垂直距离为 300 则 AF 1000 4 24 2 整体布局整体布局 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 4 34 3 机构总成机构总成 将以上选