CL01-032@HGC3110自卸汽车改装设计
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机械毕业设计车辆工程
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CL01-032@HGC3110自卸汽车改装设计,机械毕业设计车辆工程
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1 第 1章 绪 论 1.1 课题的提出 自卸车又称翻斗车，它是利用发动机动力驱动液压举升机构，将车厢倾斜一定角度从而达到自动卸货的目的，并依靠货箱自重使其复位的专用汽车。按不同的用途自卸车可分为两大类：一类是非公路运输用的重型和超重型自卸汽车。这种自卸汽车主要应用于大型矿山、水利工地等场所，运输的货物通常是由与其配套的挖掘机械来完成装载的。这类汽车也称为矿用自卸汽车。这类自卸车辆在长度、宽度、高度以及轴荷等方面不受公路法规的限制，但同时它也只能在矿山、工地上使用，而不得用于公路运输。另一类是公路运输用的轻 、中、重型（装载质量在 210t）普通自卸车。这种自卸车主要承担着泥土、砂石、煤炭等松散货物的运输工作，它通常也是与装载机械配套使用的。 普通自卸车辆有多种分类方法，按运输货物倾卸方向分为：后倾式、侧倾式、三面倾式和底卸式自卸汽车；按货箱栏板结构分为：栏板一面开启式、栏板三面开启式和簸箕式（即无后栏板式）汽车：按装载质量 me 分为：轻型自卸汽车（ me 8t）。 普通自卸车是随着我国经济的不断发展，上世纪 80 年代末发展起来的自卸运输车辆，其装载重量在 4.5t-9t 之间。国家和地方均出台专门的法规对普通车尺寸、排放、车速等各方面性能进行规范，从而促进了普通自卸车的健康发展。自 2001 年 11月 10 日起，中国正式成为 WTO 成员国，国内市场逐渐开放。同时，我国亦确立了以扩大内需为主的经济政策，实施西部大开发战略，加大对基建项目的投资力度，农林牧渔、采矿、水利、军工、环保、商业运输、交通、通讯、金融、机场、电力、城市建设和石油开采等行业均快速发展，使各种类型的专用车需求量大增。在广大城乡的沙场、矿山、工地及般的土木工程等的运输作业中的自卸车以其灵活机动、价格低廉的优点得到了广泛的应用。 1.2课题来源及研究意义 当今汽车工业面临的主要挑战是买方市 场的形成和产品更新换代速度的日益加快。汽车产品开发的一个主要手段就是变型设计，即以现有产品为基础，保持其基本nts 2 结构和功能不变，对其局部结构、尺寸或配置进行一定范围内的变动和调整，以此快速形成适应市场需求的新产品。 自动倾卸汽车是以发动机为动力，经过变速器的取力机构和液压倾卸装置，进行车厢自动倾卸，从而实现自动卸货的一种车辆。因其短途卸载方便，动力性、机动性均较好，与装载机，带式输送机，吊车等其它吊装机具配合使生产效率明显提高，被广泛应用于建设工地、矿山、港口、码头等，用来搬运岩石，废土，煤，沙子等物资。自卸汽 车包括两大类：铰接式自卸汽车和刚性自卸汽车。刚性自卸汽车按传动方式又可分为液力机械传动自卸汽车和电力机械传动自卸汽车两种。 自卸汽车具有高度机动性和卸货机械化等优点，通常与铲式转载机、挖掘机或皮带运输机等配套使用，实现装卸机械化，从而可以大大缩短装卸时间，提高运输效率并可以节省劳动力，减轻劳动强度。随着汽车制造业的发展，自卸汽车不断采用新材料、新工艺，提高其质量利用系数，具有较大的速度范围和较高的传动效率，控制与操纵更完善，更方便。 随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，城市内部垃圾、建筑材料也迅猛增长。 自卸汽车由于减轻了装卸工作量、提高了工作效率、车厢可以密闭等原因，越来越被广大用户所接受，市场容量也越来越大。该自卸车既能适应城市间运输，也要适应城市内部车流量的的特点。通过该设计，可以综合训练学生所学知识，为将来工作打下良好基础。 本课题在满足设计要求下，对矿用自卸车的车厢和举升机构进行合理的选择和设计，并为进一步研究整车的计算机辅助设计提供经验，进而提高自卸汽车产品的设计质量和设计效率。同时，也希望能为推广虚拟样机等先进 CAD 技术的应用，以及为提高我国专用汽车的设计水平进行一些有益的探索。 1.3 自卸车国内外研究概况 1.3.1国内研究发展概况 我国在机械设计中采用最优化技术的历史很短，但其发展速度却是十分惊人的。无论在机构综合、通用零部件设计，还是各种专业机械的设计都有最优化技术应用的成果。 在计划经济向市场经济转换初期，由于汽车领域不象航天等领域受到重视，国内大多数轻型矿用自卸车生产企业在举升机构的设计过程中一直沿用着经验类比的方法设，即传统的 “类比作图试凑法 ”，这种传统的设计方法主要是凭借设计者的经验，参nts 3 照相同或类似的较 为成熟的设计方案，辅以必要的分析计算，确定一个初始的设计方案，并通过估算，初步确定有关参数；然后对初定方案进行必要的分析及校核计算；如果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改，设计参数的调整，并再一次进行分析及校核计算，如此多次反复，直到获得相对合适的设计方案为止。显然，这种工作方法工作量大、效率低，而且设计出的举升机构往往存在许多不合理的因素，影响矿用自卸车举升性能的提高，并严重阻碍着矿用自卸车产品的系列化。 随着市场经济的深入发展和市场竟争的激烈，一些研究机构、工程车改装厂在举升机构的设计中采用 了这种方法，并取得了一定的优化成果。优化设计作为一种新的设计方法具有综合的本质，它能够把过去的设计开发经验加以总结，寻找出更优的结构。优化技术将越来越得到更为广泛的应用。 目前，我国改装车市场最大销售量约 25 万辆左右，改装量最大的除了客车外，主要有厢式车、罐式车、自卸车等主要车型。但是总体来看，这些专用车均存在技术附加值低、工艺较落后等问题。从品种来看，我国改装车品种较少，仅有 400 多个品种。那么，未来改装车市场到底是什么市场呢？肯定地说，应该向多品种、高、精、尖方向发展。这种发展方向除了我国公路条件改善外 ，还和我国公路货物运输市场息息相关。目前，我国公路货运市场的主体依然是以个体户为主，公路货运甚至还谈不上物流管理，具有运输成本高、随意性大、服务没有保证等特点。随着我国加入世界贸易组织，这种格局将要逐步被打破。我国汽车工业保护期只有五年，但是公路货运市场却可以向外资开放。跨国物流公司正虎视眈眈盯着中国公路货运这块大市场。这场战斗谁是赢者，不言自明。集团化货运市场对卡车的个性化要求将越来越高，同时需求数量也将越来越大。可以毫不夸张地说，未来的卡车发展方向将是专用车。美国等发达国家专用车市场十分巨大，专用车具有 品种多、技术含金量高等特点。就专用车品种而言，美国就有 5000 多个品种，甚至很多专用车已经被 E(electron )化，装有电脑、卫星导航等系统。确切地说，我国专用车市场最终是向多品种、高精尖的方向发展。尤其是随着我国公路运输主体的逐渐变化，将加快产品结构的变化和技术的升级。我国自卸汽车生产始于上世纪 60 年代初，经过 40 多年的发展，尤其是在上世纪80 年代以后通过技贸结合与合作生产方式，从国外引进若干先进的自卸汽车制造技术，并在此基础上形成以若 干大型汽车制造厂为主体的机械传动式自卸汽车生产企业集团。公路用自卸汽车的装载质量从 2 20t、矿用自卸汽车装载质量从 20 154t 以基本形成完整的自卸汽车系列，为我国自卸汽车的腾飞打下了坚实的基础。当然除普通自卸汽车以外，专用自卸汽车的生产也得到了一定的发展，尤其是新世纪以来，随着我国社会经济和交通环境的改善，各行业对专用汽车尤其是工程系列专用汽车的需 nts 4 求越来越大。专用汽车将跟更加注重行业化、专用化、系列化。 1.3.2 国外研究发展概况 国外自卸汽车生产始于上世纪 30 年代，比我国早 30 多年在其后 70 多年的 发展过程中，其结构不断改进，整车性能已有很大提高。为提高自卸汽车的科技含量，追求高附加值，各国更是不断采用先进技术，其主要表现以下几个方面：全面提高自卸汽车内在质量和使用性能；在制造加工方面，自卸汽车朝着底盘生产专业化、零部件生产专业化、工艺专业化和辅助生产专业化方向发展；广泛采用计算机辅助设计，以提高设计的质量和缩短设计研制的周期；在材料配置上，将更多地采用高强度铝合金、不锈钢、工程塑料和聚合材料等。目前，自卸汽车以形成自己独特的结构与车型系列。目前 , 各大自卸汽车生产企业生产的自卸车尾钩锁紧机构多数为拉 杆式尾钩锁紧机构、链条式尾钩锁紧机构、液压手动控制式尾钩锁紧机构等 , 这些机构各有特点 , 在运输自卸车中被广泛使用。国内使用的自卸车车箱大部分使用 16Mn 制造而成。其特点是钢板厚 , 车箱沉重 , 截面一般呈方形 , 边板和底板有很多的加强筋。 16Mn 的屈服强度较低 , 硬度较小 , 且冲击性能较差。这些特性决定了不适合用于制造轻量化的车箱。在欧美 , 很多车箱 都使用 Haordx (耐磨钢板材料 ), 与传统的方形车箱有着很大的区别 , 其特点是横截面呈 U 形或半弧形 , 而且车箱边板和底板几乎没有使用加强筋。 Hardox 是瑞典钢铁集团生产的一种耐磨钢板 , 具有较高的屈服强度 , 是 16Mn 的三倍以上 , 并且具有较高的硬度和冲击韧性。在设计装载量 相同的情况下 , 用 Haordx钢板制造的车箱与 16Mn 用制造的车箱相比 , 板材厚度更薄 , 且不需要加强筋。据国外的一些厂家反馈 , 车箱使用 Haordx 钢板后 , 重量能减少 , 甚至更多。 随着计算机技术的发展和应用， 50 年代发展起来的以线性规划和非线性规划为主要内容的新的数学分支一数学规划 被应用于解决工程设计问题，形成了工程设计的新理论和新方法，即工程优化设计理论与方法。特别从 60 年代以来，最优化技术发展迅速，而且得到了广泛的应用。在汽车工业发达的欧、美、日等国家，汽车优化设计理论和方法已应用于汽车诸多领域的很多环节，从汽车发动机、底盘、车身等主要总成的优化到整车动力传动系统的匹配，优化设计使他们的汽车工业保持了世界领先地位。 汽车工业的发展是经济社会发展的必然，而经济社会的发展，又对汽车的使用功能不断提出新的要求，使汽车在社会商品 、信息、人员三种流通中起着重要的作用。汽车的经济效益不只在于 汽车生产的本身，而是更集中体现在汽车使用和流通的全过程。经济的发展对汽车运输工具在各种功能和性能方面要求越来越高，对运输服务的品质以及运输服务的多元化、个性化要求越来越强，从而推动着专用车的迅速发展。nts 5 从某种意义上讲，基本车型只能简单的满足数量上的要求，而专用汽车才能更好地满足用户的使用要求，更有效地发挥汽车的经济效益。经济社会的发展，把汽车运输工具推向专业化。只有专用汽车，才能更好地适应客货运输现代化、多样化和个性化的要求，满足特定条件下的各种专项作业的需求，更有效地发挥汽车在运输结构中的作用，建设资源节约 型和环境友好型社会。 1.4 研究的内容 随着自卸车变得越来越重要，则有关它的设计领域也变得日益重要起来。它的总体设计程序与载货车基本相近。本人进行一系列的市场调研和同类车型资料的收集，摸清了产品主要技术经济指标，了解有关设计标准法规等。在此基础上拟定设计原则，协调使用、制造与经济三方面矛盾，处理好产品技术先进性与工艺继承性、零部件通用化程度以及生产成本的辩证关系，然后进入具体技术设计阶段。针对上述问题和课题的研究需要，本文的主要工作是自卸汽车车厢和举升机构系统的设计研究。具体工作如下： 1、举升机 构设计 用机构动力学的知识对油缸前推连杆组合式自卸汽车的举升机构进行设计计算，并对举升机构液压系统的设计步骤进行了说明。对举升液压缸、液压油泵、换向阀等液压元件计算和选取进行了详细的阐述。 2、车厢的设计 参考同类车型的车厢的尺寸参数，确定其上长宽高。并对车厢后拦板开合机构的形式的选择，而且要进行设计与分析。 3.、液压系统设计 自卸车车采用的液压泵、液压缸、液压阀等液压系统元件均为高度标准化、系列化、通用化且由专业化液压元件厂集中生产供应。因此在自卸车车改装设计中只需要进行液压元件选型计算 。其主要内容包括液压缸直径与行程、液压泵工作压力、流量、功率以及油箱容积与内径等。 nts 6 第 2章 自卸车总体设计及方案选择 2.1质量参数的确定 额定装载质量是自卸汽车的基本使用性能参数之一。目前，中、长距离公路运输趋向使用重型自卸汽车，以便提高运输效率、降低运输成本，额定装载质量一般为9 19t；而承担市区或市郊短途运输的自卸汽车额定装载质量为 4.5 9t。同时，还应考虑到厂家的额定装载质量的合理分级，以利于产品系列化、部件通用化和零件标准化。此外，额定装载质量还必须与选用的二类货车底盘允许的最大总质 量相适应。 改装部分质量主要包括：车厢质量、副车架质量、液压系统质量、举升机构质量以及其他改装部件的质量。改装部分质量既可通过计算、称重求得，也可以根据同类产品提供的数据进行估算。 自卸汽车整车整备质量是指装备齐全、加够油料、液压油和冷却液的空车质量。它一般是二类底盘整备质量与改装部分质量的总合，是自卸汽车总体设计的重要设计参数之一。 整备质量0m： 选取 5000kg； 装载质量em： 选取 5500kg； 驾驶员质量rm： 65kg/人，额定载员 3 人， 3 6 5 1 9 5k g k g； 自卸汽车总质量是指装备齐全，包括驾驶员，并按规定装满货物的质量。其值可按下式确定。 0a e rm m m m （ 2.1） 则： 0a e rm m m m =5000+5500+195=10695kg 2.2总体方案设计 该自卸汽车是选择 ELKPCA 4291123 型自卸车底盘，利用该车发动机动力驱动液压举升机构取力器 -传动轴 -液压泵 -举升油缸，将车厢举升到一定角度卸货，并依靠车厢自重使其复位的专用汽车。该车最大装载质量为 5.5t， 是适用于公路运输的中型自nts 7 卸汽车。倾卸机构采用油缸前推式举升机构。该自卸汽车主要由货箱、副梁、液压举升机构、液压系统等部件组成，主要技术参数见表 2.1。 表 2.1整车参数 汽车外形尺寸（ 高宽长 ） 287222807045 最大装载质量em5500kg 整备质量0m5000kg 轴距 L 4250mm 轮距（前 后） 18011740 前悬 FL 1330 后悬 RL 2260 接近角 1 18 离去角 2 24 货箱尺寸 152822805200 倾斜时间（举升 落下） 15s13s 最大举升角 50 总质量 11000kg 最高车速（ kmh） 81.3 最小转弯半径（ m） 7.8 最大爬坡度 (%) 78 百公里油耗（ L/100km） 24.3 2.3举升车厢形式的选择 车厢是用于装载和倾卸货物。它一般是由前栏板、左右侧栏板，图 2.1 为典型的底板横剖面呈矩形的后倾式车厢结构。为避免装载时物料下落碰坏驾驶室顶孟，通常车厢前栏板加做向上前方延伸的防护挡板。车厢底板固定在车厢底架之上孟，车厢的侧栏板、前后栏板外侧面通常布置有加强筋。 车厢结机构型式按用途不同大概可分为：普通矩形车厢和铲斗车厢。 普通矩形车厢用于散装货物运输。它的要求要比矿用自卸车车厢要低 ， 其后板装有自动开合机构，保证 货物顺利卸出。普通矩形车厢板厚为：前板 4 6，边板 4 nts 8 8，后板 5 8， 底板 6 12。比如：程力牌自卸车普通矩形车厢标准配置板厚为：前 4 边 4 底 8 后 5。 1-车厢总成； 2-后栏板； 3、 4-铰链座； 5-车厢铰支座； 6-侧栏板； 7-防护挡板； 8-底板 图 2.1 车厢结构图 铲斗车厢则适用于大石块等粒度较大货物的运输。考虑到货物的冲击和碰幢，铲斗车厢的设计 形状较复杂，用料较厚。比如：程力牌自卸车矿用铲斗车厢标准配置板厚为：前 6 边 6 底 10，而且有些车型在底板上焊接一些角钢，以增加车厢的刚度和抗冲击能力。 图 2.2 普通矩形车厢 nts 9 图 2.3 铲斗车厢 车厢对自卸汽车的质量利用系数影响很大，对其使用寿命也有一定的影响。因此，自卸车的车厢是自卸车的重要部分。目前，国内外自卸车车厢都是用钢制成的，从质量分配来看，车厢质量大约占自卸车整备质量的 14。综合上述，车厢采用普通车厢。 2.4 车厢的选材 1、车厢选材原则 工程材料的一般选用原则：具有良好的使用性能，优良的工艺性及合理的经济性。对于自卸汽车车厢应考虑以下性能： （ 1）使用性能 :使用性能是选材考虑的主要问题。 （ 2）工艺性能 :材料加工的工艺流程要适合批量生产。 （ 3）经济性能 :选择材料的经济性是当前注意的问题。 2、车厢钢板选材 在遵循满足使用性能要求，较好工艺性和较好经济性的前提下，车厢选用选用Q235 工程用钢材。 2.5 车厢的设计规范及尺寸确定 将全金属焊接车厢设计成等刚度体车厢是自卸汽车设计的重点，但是很难既能保证高强度 又能保证轻量化。就整车而言，可以看成由车轮、前轴、后桥壳、悬架、车架、车厢及其橡胶缓冲块等不同刚度单元组合而成的弹性体，受力时，将按照各自的刚度产生各自的变形，其变形量与刚度成反比，吸收的能量与刚度成正比。车厢刚度，无论是弯曲刚度还是扭转刚度，都会增加车架的相应刚度，两者的刚度是相辅相成、互相补偿的。当汽车前后左右车轮处于高差较大的路面，车架扭曲较大时，车厢应该有一定的扭转随动性。如果车相的扭转刚度过大，当车架扭转到一定程度时，车nts 10 厢前支承缓冲块相应的一侧压到极限位置，车厢纵梁的另一侧可能离开缓冲块，车厢前端 的一大部分重量转移到一侧的车架纵梁上，纵梁可能超载损坏。如果车厢扭转刚度过小，能与车架扭转随动，当车架产生较大扭曲时，车厢可能因变形过大而早期损坏。 全金属焊接等刚度车厢设计的规范化的定量的设计计算方法并不是很完善，根据一些经验，可以知道一些设汁规范和经验数据： 车厢底板和侧梁断面应小些，布置应密集，这样易于形成等刚度。自卸汽车的车架断面系数也应比同级吨位的货车车架大一倍， 5t 自卸汽车的车厢底板厚度应不小于6mm。 1、车厢外部尺寸参数 参考同类车型的车厢的尺寸，可确定自卸车的车厢的尺寸。 表 2.2车厢的整 体尺寸 车厢长度 5200mm 车厢宽度 2280mm 车厢高度 1530mm 车厢前后板厚度 5mm 车厢底板厚度 6mm 车厢栏板厚度 150mm 车厢栏板高度 1528mm 挡板钢板厚度 6mm 挡板肋宽度 100mm 挡板肋厚度 50mm 2、 车厢内部尺寸参数 车厢内部长宽各为车厢的长宽相应减掉厢板钢板和车厢加强肋的厚度，高度减去钢板厚度，即有车厢内层的长，宽，高为： 车厢长度： 4500mm 车厢宽度： 2280mm 车厢高 度： 900mm 即有，车厢的有效体积为： V 9.028.25.4 =9.234 3m 车厢质量 kgm 1144 车厢底梁的强度校核 nts 11 1 6 4 1 5 0 0 022 LFM maxmaxmax yIMz maxyIW zz则有 zWMmaxmax对于矩形面 62bhWz 47.427max Q235 的抗拉强度在 375-460，符合强度要求。 2.6车厢锁止机构的选择与设计 自卸汽车改装对车厢后拦板开合机构设计要求如下： 在车厢倾斜卸货时，举升机构升至一定高度后，后厢板在重力的作用下自行打开，货物开始倾卸。卸货完毕，车厢恢复水平状态，车厢复位。1-车厢； 2-后板挂锁总成； 3-后厢板； 4-锁钩； 5-扭转弹簧； 6-锁钩轴； 7-锁钩下销； 8-转轴； 9-销轴； 10-支承架； 11-调节螺母； 12-拉杆 图 2.4 后厢板示意图 如图所示为车厢板锁启机构。该机构的主要特点是靠车厢举升机构的摆差来锁启车厢板。它主要由锁钩 4 扭转弹簧 5 拉杆 11 等组成。转轴 8 中间穿有拉杆 12，转轴nts 12 8 两端与支承架 10 铰接，以满足拉杆 12 以转轴为圆心转动。支承架的下端通过销轴9 固定在副车架上，车厢 1 可以绕该轴转动，而支承架相对于车架来说是不动的。锁钩 4 固定在车厢底架上，了绕其锁钩轴 6 转动。扭转弹簧 5 力图使锁钩逆时针转动，使之紧紧地锁在车厢板 3。 当 自卸汽车车厢举升时，由于锁轴和转轴通过支承架固定在副车架上，车厢以销轴 9 为圆心，以为半径转动。与此同时 ， 拉杆以转轴 8 为圆心，以为半径转动。随着车厢举升角度的增大，和轨迹的差就也相应的增大，由拉杆拉动锁钩下销 7 左移，克服扭转弹簧的弹力， 迫使锁钩开启，打开车厢板，使车厢中的货物卸下。随着车厢的降落 ,与轨迹的距离逐渐缩小，直至两轨迹相交，扭转弹簧使锁钩锁住车厢板。而且从图中可以看出，若车厢再继续逆时针转动，与轨迹间则产生负间隙，使调节螺母11 左移而离开转轴 8 一定的距离。 2.7本章小结 本章主要确定自卸汽车整车 参数及对自卸汽车车厢进行了选型计算。整车参数将会对自卸车的车厢设计起到至关重要的作用，质量参数会对自卸车的举升机构和液压系统的设计有这决定性的作用。整车参数和质量参数选择是自卸车的设计的主要依据，因此，它们是设计的重点。车厢的设计主要对自卸车车厢的形式选择、材料的选择；对车厢和其底板、拦板等主要尺寸的确定；对车厢后拦板开合机构设计和分析；通过以上结构设计和力学分析，该自卸车车厢的强度和厢后拦板开合机构均符合要求。 nts 13 第 3章 自卸车液压举升机构的设计 3.1 液压举升机构应满足的性能 对于液压举升机构考虑到工作环境、工作性质及工作内容等的要求，在设计过程中应满足以下功能 ： 1、较强的免维护性 自卸车主要应用场所是沙场、矿山、工地等，这些场所沙尘肆虐，工作环境恶劣，自卸机构的维护条件较差，甚至有时根本谈不上什么维护。因此需要自卸机构在设计时就要考虑到铰支点和油缸的免维护性。 2、良好的动力性 举升机构作为矿用自卸车卸料时的动力来源，为保证卸料顺利完成，要求其必须具有良好的动力性能。自卸车由于其特定的使用环境和用户群体决定了它经常处于超载状态，这就要求举升机构要具有一定的过 载系数。 3、平稳性 要求举升机构在倾卸货物时具有较好的平稳性，不得有较大的动力冲击，降低冲击力对机构各部件的损伤概率，保证机构的使用寿命。 4、卸料性 矿用自卸车顾名思义就是省却了人力卸料之苦，通过特定的机构使用液压力自动卸料。因此，自卸车举升机构应达到的卸料目标是：在较短的时间内使货箱举升一定的角度，即举升机构将货箱举升到最大举升角所需的时间（对此国家规定了时间限值）；货箱被举升机构举升到最大转角时，货物应顺利地倾卸完毕（即最大举升角达到货物的安息角）。 5、紧凑性 矿用自卸车多数是大吨位的工程 运输车辆，其装载工具多为大型装载机械。为了装载方便，矿用自卸车的货箱布置位置一般较低，同时又要考虑到矿用自卸车的工作环境，应使其具有较好的通过性（即离地间隙受限），因此，自卸车的举升机构布置空间就受到很大的限制，这就要求机构具有较好的紧凑性，占用较少的空间。 6、 协调性 液压举升机构实际上是一种演化的四连杆机构，在外力作用下，各部件能沿自己 nts 14 的铰支点按设计者的意图顺利转动，不得出现传动角小于许用传动角的情况，更不能有死点位置的存在。 目前大多数企业一直沿用传统的 “类比作图试凑法 ”进行设计，这种方法存在效 率低、工作量大以及设计方案难以达到最优的缺点，设计方案难以同时兼顾以上各性能要求。这与当今高科技环境下的相关领域相比，缺少科学性，人的主观经验决定了车辆的性能。由此带来的问题是，车辆性能低下，难以适应市场的需求。同时由于设计手段的落后，设计周期长，产品投放市场迟缓，不能适应市场多变的要求。因此借助计算机技术，运用最优化方法，改善液压举升机构的设计手段和方法，快速、高效、保值、保量完成液压举升机构的设计，适应市场竞争的需求，意义重大，有着重大的社会价值和经济价值。 3.2 举升系统性能主要评价参数 自卸汽车的 举升机构由液压缸驱动，其性能的好坏，表现为举升货物的最大举升力和最大举升倾角，以及对液压系统的要求两方面。液压举升机构的性能评价参数有如下几方面： 1、举升力系数 K 举升力系数是评价液压举升机构举升性能的参数，指单位举升重力所需要的油缸推力，即： K=F/mg （ 3.1） 式中： F 一油缸的有效推力（ N）； m 一 举升质量 （ Kg）； g 一 重力加速度 （ m/）。 对于具体形式 的举升机构，举升力系数 K 与汽车总布置参数和机构的性能特征有关， K 值只能比较同类型举升机构的工作效率。对于相同的举升质量，举升力系数越小，则液压举升力越小，油缸的油压也越小，这样举升机构耗能也较少。 2、举升油缸最大行程 是指货箱达到最大举升角时，举升油缸的最大伸长量。它既是举升油缸的结构参数，又是举升机构的性能参数。举升油缸最大行程较小，可减少举升油缸的级数，降低制造成本，同时举升机构的布置也较方便。 3、 举升高度 是指举升机构所占用的空间高度。对于重型矿用自卸汽车的后置双缸举升机构，空间高度决定于举升 缸的安装长度和举升缸的初始方位角。举升缸初始安装长度越 nts 15 小，举升缸在车上就越好布置。 4、最大举升角 指举升机构能使货箱倾翻的最大角度。它是决定能否把货箱内货物倾卸干净的参数。一般的松散物在水平面上堆积成圆锥体，锥体角称为松散物的安息角。安息角也称休止角、堆积角，一般为 35-55 度。将松散物置于光滑的平板上，使此平板倾斜到松散物开始滑动时的角度，为松散物滑动角，一般为 30 40 度。松散物安息角和滑动角是评价松散物流动特性的一个重要指标。它们与松散物的粒径、含水率、尘粒形状、尘粒表面光滑程度、松散物粘附性等因 素有关。设计的货箱最大举升角必须大于货物的安息角，这样才可保证将货箱内的货物倾斜干净。 表 3.1常运货物的安息角 物料名称 煤 焦炭 铁矿石 铜矿 细沙 粗沙 石灰石 安息角（度） 27 45 50 40 50 35 45 30 35 50 40 45 5、油压特性曲线 举升过程中，油缸工作压力是举升角的函数。理想的油压特性曲线应是油压波动很小，但对于重型矿用自卸汽车常用的后置直推式双缸举升机构，由于多级伸缩油缸自身结构原因，油压特性曲线只能是阶跃型的，在每一级油缸伸出瞬时缸内油压都有一个冲击。设计时， 需要控制最大油压峰值在可允许的范围内。 6、举升机构的耗能量 举升机构要将货物倾卸到位就必定要消耗一定的能量，这些能量的消耗影响着整车的使用经济性，但这只是占其能量消耗的一小部分，因此能耗量是评价举升机构性能好坏的一个次要参数。 上述六个性能参数构成了对举升机构进行综合评价的基本指标。 3.3 液压举升机构参数的选择与确定 3.3.1 液压举升机构简述 普通自卸汽车和专用自卸汽车设计的主要工作是在定型的汽车二类底盘上合理的布置车厢，适当的选用和设计举升机构，使汽车具有自卸功能。举升机构是实现自卸汽车功能的基 本部件。举升机构的好坏直接影响到自卸汽车的性能，因此是自卸汽车设计中最为重要的部分。举升机构种类繁多，设计方法也不尽相同。目前，在自卸车上广泛采用液压举升机构，根据油缸与车厢底板的连接方式，常用的举升机构有两种形式：油缸直接推动式和连杆组合式两大类。 直推式举升机构利用液压油缸直接举升货厢倾卸货物。此结构布局简单、结构紧凑、举升效率高。但由于液压油缸工作行程长，故一般要求采用单作用的 2 级或 3 级nts 16 伸缩式套筒油缸 .按油缸布置位置不同，直推式举升机构可分为前置式和后置式（亦称为中置式）两种，前置式一般采用单缸，后置 式既可采用单缸，也可采用并列双缸。在相同举升载荷条件下，前置式需要的举升力较小，举升时货箱横向刚度大，但油缸活塞的工作行程长；后置式的情况则与前置式的相反。 油缸与车厢底板之间通过连杆机构相连接，这种举升机构称为连杆组合式举升机构。在生产实践中连杆组合式举升机构因其具有举升平顺、油缸活塞工作行程短，举升机构布置灵活等优点，得到了广泛的采用，发展出了多种连杆组合式举升机构形式，如油缸前推（后推）连杆放大式、油缸前推（后推）杠杆平衡式、油缸浮动式等。 a） 前置式 b） 中置（后置）式 图 3.1 直推式举升机构 1-车厢； 2-拉杆； 3-三角形拉杆； 4-举升油缸； 5-副车架 图 3.2 油缸前推连杆组合式 1-车厢； 2-拉杆； 3-三角形拉杆； 4-举升油缸； 5.副车架 图 3.3 油缸后推连杆组合式 nts 17 1-车厢； 2-拉杆； 3-三角形拉杆； 4-举升油缸； 5-副车架 图 3.4 油缸前推杠杆平衡式举升机构 1-车厢； 2-拉杆； 3-三角形拉杆； 4-举升油缸； 5.副车架 图 3.5 油缸后推杠杆平衡式举升机构 1-车厢； 2-拉杆； 3-三角形拉杆； 4-举升油缸； 5-副车架 图 3.6 油缸浮动式举升机构 上 面各种机构各有优缺点，使用时根据实际需要进行选择。相对来说，直推式举升机构的设计较为简单，而连杆组合式的设计较为复杂和灵活。 3.3.2 液压举升机构方案的选择 直推式举升机构利用液压油缸直接举升车厢倾卸。该机构布置简单、结构紧凑、举升效率高，但液压油缸工作行程长，因此，一般要求采用单作用的 2 级或多级伸缩nts 18 式套筒油缸。另外单缸系统其横向刚度不足，系统倾卸稳定性差，还存在工作寿命短、成本高等缺点。 表 3.2推动式和连杆组合式举升机构的综合比较 项目 类别 直推式 连杆组合式 结构布置 简单，易于布置 比较复杂 系统布置 较小 较大 建造高度 较底 较高 油缸加工工艺性 多级缸，加工精度高，工艺性差 单级缸，制造简便，工艺性好 油压特性 较差 较好 系统密封性 密封环节多，易渗漏 密封环节少，密封性好 工作寿命 磨损大，易损坏，工作寿命较 不易损坏，工作寿命较长 制造成本 较高 较底 系统稳定性 较差 较好 系统耐冲击性 较好 较差 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、机构布置灵活等优点。该机构又分油缸后推式和油缸前推式两种，油缸后 推式机构举升力系数适中，结构紧凑，但各部件布置集中在后部，车厢底板受力大，适用于中型自卸汽车油缸前推式机构举升力系数小、省力、油压特性好，适用于重型自卸汽车。 综合考虑以上因素，我们决定选用油缸前推式连杆组合式举升机构。 3.4 举升机构几何尺寸的确定 油缸前推式四连杆举升机构（见图 3.7），主要由举升油缸 EB、拉杆 AD 和三角臂 ABC 构成。点 O 是车厢与副梁的铰接点。工作时油缸充油，使油缸 EB 伸长，三角臂 ABC 和拉杆 AD 随着转动并升高，举升车厢，使其绕 O 点倾翻。货物卸完后，车厢靠自重复位。举升机构在初始位置所 占据的空间愈小愈好，以保证机构紧凑，各构件不发生运动干涉，可协调运转。用作图法初选各铰支点的位置及各构件的几何尺寸。 图 3.7 机构设计示意图 nts 19 3.4.1 车厢与副梁铰支点 O的确定 车厢后铰支点 O 应尽量靠近车架大梁的尾端。已知车厢副梁高 205mm，长4600mm，兼顾结构安排空间，取水平方向离副梁尾端 146mm、垂直方向离副梁下沿118mm 处，作为车厢后铰支点，并以车厢后铰支点作为四连杆运动的坐标原点（ 0，0）， x 轴平行于副梁的上平面，指向汽车前方。 3.4.2 车厢放平时举升机构与车厢前铰支点 C0的确定 。 车厢前铰支点的坐标（Cox，Coy）可按经验公式（ 3.2）计算 maxRLxCo （ 3.2） 式中 L油缸最大工作行程，参考同类车型油缸型号，初选油缸自由长度=1165mm，最大有效工作行程 L=780mm； max车厢最大举升角，根据车厢倾卸动作要求和所运物料的安息角， 选取max= 50 R经验系数，根据 L 尺寸，选取 R=175 因此可得， Cox=50780175=2730mm 考虑结构安排，取Cox=2725mm 0C点的垂直方向应尽量靠近车厢底面，充分利用车厢底部空间，减少油缸下支点沉人副梁中的深度。确定0C距车厢底板的 距离为 83mm ，已知底板纵梁高 180mm ，因此。点0C坐标为（ 2725， 184）。 3.4.3 液压油缸与副梁铰支点 E的确定 由于油缸具有相当大的尺寸，以及开始举升时，为减少油缸的工作压力，油缸必须具有一定数值的倾斜角，因此， E 点相对点 O 的垂直距离由结构允许最小值确定，取Ey =-14mm 。 E 点 x 轴坐标由经验公式求得 4002.05.0 LLxxoAoE（ 3.3） = 4007802.011655.02725 =2387mm 根据结构安排，令 Ex 为 2378，则 E 点坐标为（ 2378， -14）。 nts 20 3.4.4 车厢放平时三角臂中支点 B0座标和 C0B0长度的确定 0B点即油缸上支点。车厢放平时，0B点应尽量靠近车厢底面，要充分利用上部空间，从而减少油缸下支点 E 沉人副梁中 的深度。过0C点作00CB线式该线与 X 轴夹角为： 09CdYY. 式中 dY结构允许的拉杆 AD 与副车架铰支点 D 的最高位置，一般dY0； 取dY=175mm，再以 E 为圆心，0L为半径画弧交00CB线于0B点，连接0EB，0EB即为液压缸中心线在举升角 =0时的位置。 0B点坐标为（ 3530， 94）， BC =00CB=810mm。 3.4.5 车厢放平时拉杆与三角臂铰接点 A0的确定 连接0OC，并将0OC绕 O 点向上转 50，角0C转到 C 点，以 C 为圆心，00CB为半径画弧，再以 E 为圆心，一液压缸自由 长度与最大有效工作行程之和为半径画弧。两弧交于 B 点，连接 EB 和 BC ，作 6EBA ，又以0B为顶点，00AB为边，作CB AABC 000 ，根据结构允许尺寸，取 AB = 00AB =250mm，连接 00AB ， AC，由此确定0A点的坐标为 (3615， -152)，即 000 CBA和 ABC 分别为 0 和 50 时三脚架所处的位置。 3.4.6 拉杆与副梁铰接点 D及拉杆长度的确定 作 AA0的垂直平分线交于dYY线于 D 点，调整 D 点位置使0DA为整数，最后确定 D 点坐标为 (2170， 175) 。拉杆长度0DA=1870mm。 用作图法初选出各铰支点位置后，需要对不同举升角作运动轨迹校核。如果出现点 0B 至车厢底板距离小于点 OC 至车厢底板距离的情况，则应加大 00CB 线与 x 轴平行线的夹角的数值，重新计算各铰支点参数值。 3.5 举升机构力学分析 举升机构力学分析的目的就是要求得各构件在车厢任意举升角时的受力最大值，为液压系统参数确定和构件截面尺寸的计算提供依据。举升力系数 K 是体现举升机构动力性的指标，是指单位举升质量所需要的液压缸推力。 K 直接影响自卸汽车的经济性能，其值越小越好。随着车厢举升角 的变化， K 值是变化的。考虑到机构在初始位置时车厢内货物最多，阻力臂最大，车厢启动时又有nts 21 惯性阻力作用，此时油缸推力最大。因此，下面只对初始位置时各构件进行力学分析。 3.5.1 举升机构的参数计算及校核 当 0 时 有上述可知： 152,36150 A 94,35300B 184,27250C 175,21700D 14,2378 E 在 0 时直线 AoD 和直线 BoE 的方程分别为 : 0000000 adaadadaad YYXXXYYXXXYY 0000000 bdbbebebbe YYXXXYYXXXYY 0A和 EB0交点0F的坐标 00 , ff YX可以通过 和 式 求解得：0fX=2821， 0fY=28 在 0 时，点 O 至直线00CF的距离000 CFD为 mmXXYYYYXXXYDCFCFFCFFCFCF 9.2 4 2 022000000000000取车厢作为分离体，根据力矩平衡 Mo=0得： mmDWFCFXGCF 25.4 5 1 3 100000 0 式中 W表示被举升的重力； 00CFF用在直线00CF方向的力。 在 0 时，点0A至直线0EB的距离00EBAD为： mmXXYYYYXXXYYXXXYYDEBEBBEBBEBAEBABEEBA 253000000000000 2在 0 时，点0A至直线00CF的距离000 CFAD为 mmXXYYYYXXXYYXXXYYDCFAFFCFFCEACFAFCCFA 7.52822000000000000000000 nts 22 取三角臂000 CBA为分离体，根据力矩平衡 00 aM，得ND DFFEBACFACFEB 8.9431100000000式中 EBF0对应任意举升角 0 的液压缸推力。 在 0 时，0C点到0EB的距离00EBCD为 mmXXYYYYXXXYYXXXYYDEBEBBEBBEBCEBCBEEBC 7.16422000000000000当 0 时， Co 点到 DA0的距离DACD 00为 mmXXYYYYXXXYYXXXYYDDADAADAADACDACADDAC 5.13122000000000000取三角臂000 CBA为分离体，根据力矩平衡 00 CM，得 ND DFFDACEBCEBDA 87.11812 2000000 式中 DAF0对任意举升角 0 时的拉杆最大拉力。 3.5.2 拉杆截面尺寸确定 拉杆 DA0为二力受拉杆件，作用力对称分布在两根拉杆上，因此作用在每根拉杆上的 最大拉力为： F=DAF0/2=59061.439N 初选拉杆材质为 Q235， 从机械手册 5可查得 s=230000000N/m，取安全系数 n=2，由公式 =nF拉 /A s，可知拉杆最小横截面面积 A nF 拉 /s，A 513.577mm取 A=600mm 实际上 =59061.439/0.000513577=115000163.8N/m 校核安全系数 n=s/=3.8n 因此，拉杆截面面积 A=600 2mm 满足强度要求。 3.6 液压系统设计与计算 自卸车车采用的液压泵、液压缸、液压阀等液压系统元件均为高度标准化、系列化、通用化且由专业化液压元件厂集中生产供应。因此在自卸车车改装设计中只需要nts 23 进行液压元件选型计算。其主要内容包括液压缸直径与行程、液压泵工作压力、流量、功率以及油箱容积与内径等。 3.6.1 液压油缸性能参数计算 液压缸作为液压系统中的执行组件，以直线往复运动或回转摆动的形式，将液压能转变为机械能输出。液压缸种类繁多。按供 油方式可分为单作用缸和双作用缸。单作用缸只往缸的一侧输入压力油，活塞仅作单向出力运动，靠外力使活塞杆返回。双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反向运动均靠液压力来完成。按结构形式可以分为活塞缸柱塞缸和伸缩缸；按活塞杆形式可以分为单活塞缸和双活塞缸；按液压缸的特殊用途分为串联缸增压缸增速缸多位缸步进缸等此类液压缸不是一个单纯的缸筒，而是和其他的缸筒或构件组合而成，又称组合缸。 从经济性出发，在满足使用要求的情况下，选用双作用单活塞杆液压缸。车厢在整个倾翻过程中液压油缸最大举升力为EBF0 94311.8N 参考同类车型， 初选最高工作压力 P=16MPa，最大举升力公式： EBF0 42dp 式中 液压缸机械效率，取 =0.8； d举升油缸缸径 (m)。 因此， d (4EBF0/P )=80mm (有上述可知 L=780mm)。取 d=100。 根据以上计算，选择自卸车专用油缸 HG-E180X780 其主要参数为缸径d=80mm，油缸杆径，油缸行程 L=780mm。 3.6.2 液压泵性能参数计算 一般常用的液压泵分为齿轮泵、柱塞泵、叶片泵、螺杆泵。按泵的流量特性，可分为定量泵和变量泵两种。前者在泵转速不变时，不能调节流量，后者当泵转速不变时，通过变量机构的调节，可使具有不同的流量。齿轮泵一般为定流量式，叶片泵和柱塞泵有定量式及变量式两种。对变量泵，按输由方式， 又可分为单向变向泵和双向变量泵。前者工作时，输由方向不可变，后者工作时，通过调节，可以改变输出油流的方向。 齿轮泵分为外啮合及内啮合中两种。前者构造简单，价格便宜，工作可靠，维护方便，对冲击负荷适应性好，旋转部分惯性小，多用于速度中等，作用力不大的简单液压系统中，应用广泛。所以选用单级齿轮泵。 nts 24 国家标准规定：车厢举升到最大举升角的时间不超
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