运输车液压举重机构的实体设计与分析设计

欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 I 毕业设计任务书 一 毕业设计原始资料 1 某运输车举升机构的实物 2 期刊网关于国内运输车举升系统的发展 3 2008 年农垦总局重点实验室相关材料 二 毕业设计任务及要求 1 运输车举升机构是一个较为复杂的机械系统 它的选型 优劣关系到自卸车 的整车及举升性能 在样车的投入市场初期 出现了一些质量和设计不合理的 问题 因此调研黑龙江省某型号运输车举升机构的应用情况 2 探讨了当今使用率最高的三维CAD软件 通过对国产某型号运输车主要部件 结构特点的分析 借助PRO E软件进行装载机工作装置的三维实体设计 由 PR0 MECHANISM和MECHANICA模块 真实地反映其几何形状 还反映各部件空间 位置 有效检测工作装置的各部件是否发生干涉 并及时解决问题 改变相应 的参数 评估和优化产品在静态和动态性能 从而提高了计算效率 3 确定了举升机构各个部件的基本参数与尺寸 重点对举升机构进行运动仿真 及对关键部件进行有限元分析 验证设计的合理性 省去了制造样机进行反复 实验 修改等环节 缩短了产品的开发周期 提高产品质量和降低产品成本 4 尝试对三角板进行校核计算 三 毕业设计工作量 1 1 设计说明书 设计说明书 毕业设计说明书应包括下列内容 封面 毕业设计任务书 中文摘要 英文 摘要 目录 前言 正文 参考文献 致谢 附录 论文评定成绩 并按顺序排 列 设计说明书的字数应在 22000 字以上 采用 A4 纸打印 2 2 查阅参考文献 查阅参考文献 查阅文献 10 篇以上 其中查阅与课题有关的外文文献 2 篇以上 并将其中的 1 篇文献的摘要的原文和译文 不少于 3000 汉字 附在附录中 3 3 设计图纸 设计图纸 毕业设计图纸应符合国家有关制图标准 正确体现设计意图 图面整洁 布 置匀称 尺寸标注齐全 字体端正 线型规范 图纸全部由计算机绘制 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 II 序号序号图图 纸纸 内内容容规格规格比例比例 1 总装配图一张 1 号图 纸 待定 2 三维装配图二张 4 号图 纸 待定 4 4 其它工作量 其它工作量 1 国外机型调研一周 四 毕业设计进度安排 序号序号起止日期起止日期设设 计计 内内容容 1 3 月 1 日 3 月 14 日 撰写开题报告 开题答辩 2 3 月 15 日 3 月 20 日 论文综述的修改 3 3 月 21 日 4 月 04 日 确定方案 初步计算 4 4 月 5 日 5 月 23 日 总体设计 画图和论文撰写与修改 5 5 月 24 日 5 月 30 日 毕业设计答辩 6 5 月 31 日 6 月 6 日 毕业设计整改 五 参考资料 1 北京农业大学出版社 2 中国农业机械化科学研究院 机械工业出版社 2007 年版 3 汽车设计手册 中国农业大学出版社 4 机械设计手册 机械工业出版社 4 汽车构造学 机械工业出版社 5 中国知网电子资源数据库 六 审批意见 1 教研室意见 教研室主任签名 年 月 日 2 学院意见 教学院长签名 年 月 日 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 III 目 录 摘要 V ABSTRAT VI 前言 1 1 概 述 2 1 1 课题研究的目的 3 2 液压举升机构分类与选型 3 2 1 直接推动式举升机构 4 2 2 连杆组合式举升机构 4 3 液压系统参数确定 6 3 1 车厢的最大举升角 6 3 2 确定车厢与车架铰接点 O 的位置 7 3 3 根据本厂及配套厂家的现有资源 初选油缸参数 7 4 前推连杆放大式举升机构技术分析 8 4 1 液压举升机构运动学分析 8 4 2 液压举升机构静力学分析 13 5 机构仿真分析 15 5 1 虚拟样机模型的建立 17 5 2 创建约束副和驱动 17 5 3 仿真结果与分析 18 6 三角板结构分析 20 毕业设计感想 23 总结 24 结束语 24 致谢 25 参考文献 26 附录 1 28 附录 2 29 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 IV 运输车液压举重机构的实体设计与分析运输车液压举重机构的实体设计与分析 摘要 随着科学技术的不断发展 CAD CAM 技术得到了前所未有的发展 利用 CAD CAE工具对机械系统开展研究已成为一种趋势 从二维几何绘图到三维实体造 型以及机械运动仿真和机构有限元分析等功能模块给设计人员提供了十分方便的 设计手段 目前 大多数的工厂和学校在进行整机设计时 基本上还停留在静态 设计的基础上 还停留在计算机辅助绘图的水平 文章主要基于美国PTC公司的 PRO E WILDFIRE 软件 是当今使用率最高的三维CAD软件 当机构的结构修改以 后 只需要改变相应的参数 让设计人员评估 理解和优化产品在静态和动态性 能 从而提高了计算效率 本车举升机构是一个较为复杂的机械系统 它的选型 优劣关系到自卸车的 整车及举升性能 在样车的投入市场初期 出现了一些质量和设计不合理的问题 如图5 1所示 本节借助PRO E软件进行装载机工作装置的三维实体设计 由 PR0 MECHANISM和MECHANICA模块 不仅可以真实地反映其几何形状 还能反映出 各部件空间位置 有效检测工作装置的各部件是否发生干涉 并及时解决问题 此外 它还能够对举升机构进行运动仿真及对关键部件进行有限元分析 验证设 计的合理性 省去了制造样机进行反复实验 修改等环节 缩短了产品的开发周 期 提高产品质量和降低产品成本 关键字关键字 举升机构 PRO E WILDFIRE CAD CAM技术 运动仿 真 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 V Abstrat Along with the development of science and technology of CAD CAM technology the unprecedented development using CAD CAE tools for mechanical systems research has become a trend from 2d to 3d geometrical graphics and mechanical motion simulation and institutions such as finite element analysis function module design personnel to provide a convenient method of design At present most of the factories and schools in the design basically still stay in static design basis remain in computer aided graphics level This article mainly based on U S PTC company PRO E software is your e zine today s top utilization rate of 3d CAD software when the organization structure after modification only need to change the corresponding parameter design make and optimize product evaluation in the static and dynamic performance so as to improve the computational efficiency This is a complex of lifting MECHANISM of mechanical system the selection of its relationship to the quality and performance of vehicle and lifting tipper in the initial prototype in market some quality problems and design unreasonable as shown in figure 5 1 this section with PRO E loader working software design 3d entity device by PR0 promotion and MECHANICA module not only can reflect the geometric shape can reflect the space location effective component parts of the test device and whether the interference occurs in problem solving In addition it also can exercise of lifting mechanism of key components of simulation and verification on the finite element analysis the rationality of the design manufacture and saves the prototype experiment modify shortened product development cycle improve product quality and reduce the cost of product Key words The lifting mechanism PRO E your e zine CAD CAM technology sports Simulation 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 1 前言 自卸车的车厢分后向倾翻和侧向倾翻两种 通过操纵系统控制活塞杆运动 后向倾翻较普遍 推动活塞杆使车厢倾翻 少数双向倾翻 高压油经分配阀 油 管进入举升液压缸 车厢前端有驾驶室安全防护板 发动机通过变速器 取力装置驱动液压泵 车厢液压倾翻机构由油箱 液 压泵 分配阀 举升液压缸 控制阀和油管等组成 车厢液压倾翻机构由油箱 液压泵 分配阀 举升液压缸 控制阀和油管等组成 发动机通过变速器 取力 装置驱动液压泵 高压油经分配阀 油管进入举升液压缸 推动活塞杆使车厢倾 翻 以后向倾翻较普遍 通过操纵系统控制活塞杆运动 可使车厢停止在任何需 要的倾斜位置上 车厢利用自身重力和液压控制复位 自卸汽车是利用发动机动 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 额定装载质量在 20t 以上 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 2 20t 普通自卸汽车 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 按装载质量分为 轻型自卸汽车 me 3 5t 中型自卸汽车 3 5t me 8t 和重型自卸汽车 me 8t 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 2 1 概 述 运输车中自卸车是指通过液压或机械举升而自行卸载货物的车辆 由汽车底 盘 液压举升机构 货厢和取力装置等部件组成 自卸车在土木工程中 经常与挖掘机 装载机 带式输送机等工程机械联合 作业 构成装 运 卸生产线 进行土方 砂石 散料的装卸运输工作 新自卸车或大修出厂的车必须进行试运转 使车厢举升过程平稳无窜动 使 用时各部位应按规定正确选用润滑油 大大节省卸料时间和劳动力 举升机构严 格按期调换油料 按额定装载量装运 严禁超载 自卸车的发动机 底盘及驾驶 室的构造和一般载重汽车相同 年来国内自卸车也开始注重在轻量化方面下功夫 但是 出于成本和技术方面考虑 国内的自卸车仍然以普通钢材 钢板为主要材 料 而且为了追求超载 通常把车箱做得比较大 如 8 4 的车型有的车厢做到 8 米多长 6 4 的车型做到 6 8 米 车厢厚度多为底 10 边 8 在牵引半挂自卸车 领域 国内的产品更是稀少 有少部分企业开发出侧翻和后翻的整体式半挂自卸 车 但由于半挂车技术落后 车辆长度较大 应用范围受到很大限制 目前国内的卡车制造企业开始注重产品的改装潜力 值得一提的是东风的天 龙 天锦 这两款车在底盘设计上与欧洲卡车比较接近 且采用了标准孔设计 方便改装企业改装 不过 对于一些用于中长途土石方运输的自卸车车辆 近年 随着治理超载 国内重型车飞速发展 在车型以及产品结构方面都发生了巨大的 变化 在这一过程中自卸车也得到了发展 特别是在种类 结构 车辆材料方面 都发生了翻天覆地的变化 出现了很多新品种 如专用的矿用自卸车 市政土石 方运输车 大容量的运煤自卸车以及工程恶劣路况用车等 值得注意的是 这些 产品中逐渐引入欧洲的技术理念 从原型设计到结构和材料的应用 开始注重借 鉴欧洲的成熟经验 并结合国内的市场实际 表现出自身的一些特点 欧洲车辆的标准化程度较高 许多企业都采取总成模块化设计理念 一些集 成化的零部件如护栏 爬梯 备胎架 保险杠总成等均由专门的零部件厂商提供 这些标准化和模块化的零部件造型独特 美观大方 整车生产企业采用螺栓等可 拆卸的装配方式 将这些集成零部件与整车装配 极大地提高了生产效率 也方 便了维修 专用自卸车是在大型工程中 最有效 最合理的运输工具之一 是完成专项 作业的移动设备 它不仅满足交通运输的一般要求 还能更好的适应工作地点的 环境 更能克服一般运输车辆不足的缺点 专用自卸车主要是在已有底盘上进行改装 安装专用的设备 如专用车厢 举升机构 液压缸 等 随着经济社会的发展 自卸车在我国经济发中确立其重 要的地位 尤其是 适用于各类矿山 水利工程 承载能力强 转弯半径小的重 型车需求量尤为明显 本论文主要从专用的整体设计出发 主要写了液压系统举升机构的设计并且 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 3 确定自卸汽车最大举升角应保证货物彻底卸净 并使车厢和底盘不发生干涉 通 过计算 对卸汽车最大举升角的规定进行确认 对自卸汽车的重要部件如液压系 统 进行了定性的分析 以确定举升力的大小 达到设计载荷是所需的要求 并 对车厢的长 宽 高进行了计算设计 以达到底盘最大总质量的的要求 使自卸 车的前后轴的载荷在最大承载质量的范围之内 自卸车以其自 20 世纪以来 不断发展日趋完善 已经成为当今货物运输的主 要车辆之一 自卸车具有高度的机动性和卸货机械化等优点 通常与铲式装载机 挖掘机或皮带运输机等配套使用 实现装卸机械化 从而大大缩短装卸时间 提 高运输效率并可节省劳动力 减轻劳动强度 目前 随着国民经济的迅速发展 国内需求的持续扩大 尤其是我国实施西部大开发战略以来 我国自卸车汽车市 场取得了飞速的发展 今后 随着制造业的发展 自卸车不断采用新材料 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 操纵与控制 更方便更完善 在城市建设 服务和高等级公路运输方面将有更广的用途 1 1 课题研究的目的 装载车厢能自动倾翻一定角度卸料 大大节省卸料时间和劳动力 缩短运 输周期 提高生产效率 降低运输成本 是常用的运输专业车辆 随着我国 经济的不断发展 尤其是自 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 工地及一般的土木工程等的运输作业中 轻型农用自卸车以其灵活机动 价格低廉的优点得到了广泛的应用 举升机构是轻型农用自卸车卸料作业的关 键部件 它直接影响着轻型农用自卸车的整车性能和举升性能 是自卸车设计 时首先需要解决的问题 液动举升机构是工程自卸车常用的一种举升机构 它 实际上是一种演化形式的四连杆机构 通过外力 液压举升油缸施加 作用实 现四连杆运动 从而实现将货物倾卸的目的 2 液压举升机构分类与选型 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台式两大类 介绍如下 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 4 2 1 直接推动式举升机构 油缸直接作用在车厢底板上的举升机构称为直接推动式举升机构 简称直推 式举升机构 按举升点在车厢底板下表面的位置 该类举升机构又可分为油缸中 置 图2 1a 和油缸前置 图2 1b 两种型式 前者油缸支在车厢中部 油缸行程较 小 油缸的举升力较大 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 一般用于重型自卸汽车上 油缸则通常采用多 级伸缩油缸 图2 1 直接推送式举升机构 Fig 2 1 The lifting mechanism of direct push model 2 2 连杆组合式举升机构 油缸与车厢底板之间通过连杆机构连接的举升结构称为连杆组合式举升机构 生产实践表明 连杆组台式举升机构具有很大的优越性 根据油缸的安装特点 连杆组台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 油缸浮动等多种结构型式 1 油缸前推连杆放大式 马勒里式 举升机构 该种举升机构 图2 2所示 通过三角板与车厢底板相连 车厢的举升支点较靠 近车厢的前部 故车厢受力状况较好 当达到最大举升角度时 油缸几乎处于垂 直状态 车厢上升到最高位置不易倾下 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 工作行程较大 图2 2 前推连杆放大式举升机构 Fig 2 2The lifting mechanism of lever magnify model from the forward 2 油缸前推杠杆平衡式举升机构 该种举升机构 图2 3所示 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 因此机构运动性 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 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 5 行程较大 液压管路不易布置 图2 3前推杠杆平衡式举升机构 Fig 2 3The lifting mechanism of lever balance model from the front 3 油缸后推连杆放大式 加伍德式 举升机构 该种举升机构 图2 4所示 通过三角板与车厢底板相连推动车厢 启动性能较 好 并能承受较大的偏置载荷 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较大 工作效率较低 图2 4 后推连杆放大式举升机构 Fig 2 4 The lifting mechanism of lever magnitude model from the behind 4 油缸后推杠杆平衡式举升机构 该种举升机构 图2 5所示 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 这种三点支承方 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 图2 5 后推杠杆平衡式举升机构 Fig 2 5The lifting mechanism of lever balance model from the behind 5 油缸浮动式举升机构 图2 6 油缸浮动式举升机构 Fig 2 6 The lifting mechanism of float model 该种机构 图2 6所示 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 故称为油缸浮动式举升机构 该机构的拉 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 6 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 结构不紧凑 举升过程中油缸摆角较大 使得液压管路难于布置 由以上分析可知 现在的液压举升机构有多种型式 每种型式的性能各有千 秋 要因车而异 合理选用 选用的原则是 首先必须充分考虑车辆的使用条件和 环境 其次要考虑制造工艺 最后要兼顾成本 根据本车的使用特点和环境来看 工作条件差 用户经常严重超载 经常在 无路的环境中工作 尘土多 维修条件差 对价格方面的要求是造价低 性价比 要求高 车辆离地间隙较大 大于200mm 建造纵深小 选用横向刚度好 举升转 动圆滑 车厢骨架受力均衡 维修简便 具有寿命长 密封工艺好 不易泄漏 制造成本低 超载能力强等优势的前推连杆放大式举升机构较为合适 即小的装 载质量 大的超载系数和良好的经济性能 3 液压系统参数确定 连杆组合式举升机构从其设计原理上讲属于一种演化了的四连杆机构 机构的 组成部分有 车厢 车架 拉杆 三角臂和液压油缸 设计涉及到6个铰支点 如 图3 1所示 使系统具有良好的油压特性曲线 保证设计所限定的参数 避免工作 期间的液压冲击 保护液压元件 改善机构各部件的受力状况 给部件以合理的 强度储备 首先确定自卸系统的性能和尺寸参数 图3 1 整车举升机构简图 Fig 3 1 The diagram of the lifting mechanism of the whole vehicle 3 1 车厢的最大举升角 一般货物都有一定的安息角 各种货物的安息角取值如表3 2所示 在设计时 要求最大举升角必须大寸装载货物的安息角 最大举升角取的越大卸货越可靠 但连杆式举升机构的行程放大系数也就越大 在液压油缸伸长量不变的情况下 势必将增大举升三角臂的尺寸 使举升机构的布置空间更加紧张 这将无益于建 造纵深的降低 在对市场和用户进行调查研究的基础上 该车型的车厢的最大举 升角为 50 max 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 7 表3 2 常见的货物安息角 Fig 3 2 The rest angle of familiar goods 物料名称煤焦炭粘土细沙粗沙水泥铁矿石石灰石 安息角27 45 50 50 30 35 50 40 50 40 45 40 45 3 2 确定车厢与车架铰接点 O 的位置 在使车厢举升至最大举升角时不与纵梁干涉 保证车厢后栏板距地面符合的 高度要求的前提下 确定出车厢与车架铰接点O的位置 3 3 根据本厂及配套厂家的现有资源 初选油缸参数 安装距 810mm 油缸工作行程 510mm 直径 110mm 系统压力 0 LL 180MPa 为建立后续举升机构仿真优化设计的平台 使举升机构的运动和动力仿 真分析在此基础上进行 作图图解表示如下 图3 3 举升机构图解 Fig 3 3The illustrate of the lifting mechanism 通过作图法并参照以前的布置经验 确定的举升机构在初始位置 0 时的 位置坐标为 O点 0 0 D点 1230 80 E点 1382 100 C点 1755 225 A点 2225 120 B点 2265 550 考虑到转轴直径及安装 尺寸 C点到车厢底面的安装距离初定为105mm 举升机构局部原理三维视图如下 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 8 图3 4 举升机构三维原理视图 Fig 3 4 The three dimensional principium picture of the lifting mechanism 4 前推连杆放大式举升机构技术分析 举升机构是一个动态的工作过程 在分析机构载荷时 应对整个工作过程的 任意举升角时的情况进行分析 比较不同角度时的油缸推力和主要构件的负荷 对举升机构进行运动学和力学分析 对举升机构各构件运动参数之间的关系进行 分析 建立车厢在运动过程中各参数在任意举升角的数学关系 并且建立举升力 与各铰接点处运动副支反力关系方程 为后面的机构运动学和动力学仿真提供相 关的理论基础和依据 4 1 液压举升机构运动学分析 图4 1为举升机构在任意举升角位置时的机构简图 线段AD代表液压缸 缸体 与活塞杆组成移动副 整个机构的自由度为1 虚线为车厢处于水平位置时整个举 升机构的位置关系 图4 1 油缸前推连杆放大式举升机构运动简图 Fig 4 1 The moving diagram of the lifting mechanism of the lever magnify model from the front 其中 车厢与车架和举升三角臂的铰接点为0 C 拉杆与车架和举升三角臂 的铰接点为D A 液压油缸与车架和三角臂的铰接点为E B G点为车厢与举升质 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 9 量的质心点 为便于分析计算和在设计中侧重于安全 假设举升过程中举升质量 的质心相对于车厢的位置不变 即OC长度不变 这样在整个举升过程中举升重量 不变 求得的举升力系数具有较好的可比性 以车厢与车架的铰接点为坐标原点 建立图5 11所示的直角坐标系 X轴的正向指向车辆的前方 Y轴的正向指向上方 A0 B0 C0 D E和G0为构件铰接点在车厢举升角 0 时的位置 此时各点坐标 为A B C D E G 0A x 0A y 0B x 0B y 0C x 0C y 0D x 0D y 0E x 0E y 0G x 0G y A B C D E G为构件铰接点在车厢举升角时的位置 各铰接点的位置坐标设 定为 A B C D E G 其 A x A y B x B y C x C y D x D y E x E y G x G y 中D和E两点在运动过程中固定 故 0D x D x DO y D y 0E x E x EO y E y 首先 进行举升机构的位置分析研究 即 1 拉杆AD的长度 4 1 22 DOAODOAOAD xxyyL 举升三角臂的三边长度如下 AC边的长度 4 22 COAOCOAOAC xxyyL 2 AB边的长度 4 22 BOAOBOAOAB xxyyL 3 BC边的长度 4 22 COBOCOBOBC xxyyL 4 举升过程中液压油缸的总长度 BE L 4 22 EBEBBE xxyyL 5 举升机构运动过程中 液压油缸的伸长量 s s 810 BE L 2 车厢转角为最大转角内的任意值时 C G两点的坐标 C点坐标 由下式求得 c x c y 4 sincos COCOc yxx 6 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 10 4 C y cossin COCO yx 7 质心G点的坐标 由下式求得 GG yx 4 sincos GOGOG yxx 8 4 cossin yG GOGO yx 9 3 举升角为时 A点的坐标 解方程组 4 AD DOADA Lyyxx 222 0 10 4 AC CACA Lyyxx 222 11 即可求出A点的坐标 AA yx 4 举升角为时 B点的坐标 解方程组 AB BABA Lyyxx 222 4 BC CBCB Lyyxx 222 12 即可求出B点的坐标 BB yx 5 直线AD和BE的解析方程表达式分别为 4 AD AD A A xx yy xx yy 13 直线AOD的斜率 AOD AOD xx yy k 3 BE BE B B xx yy xx yy 直线BE的斜率 BE BE xx yy k 4 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 11 对于上述两个方程 联立即可求解出AD和BE两直线的交点P的坐标值 PP yx 6 O点到直线PC的距离 4 22 1 C xxyy xxyyyx L PcP pcPPcP 14 7 A点到直线BE和PC的距离 4 22 2 EBEB BEBBEBEBABEA xxyy xxyxxxxxyyyx L 15 4 22 3 CPCP PCPPCPCPAPCA xxyy xxyxxxxxyyyx L 16 8 对于质心G点 当车厢放平状态时角的值为 4 GO GO x y arctan 17 O点到质心G作用力方向的距离 5 cos 22 GOGO G yxL 18 9 C点直线BE的距离 4 22 4 EBEB BEBBEBEBCBEC xxyy xxxxxyxxyyyx L 19 C点直线AD的距离 4 22 5 DADA ADAADADACADC xxyy yyxxxyxxyyyx L 20 10 车厢在任意举升角时 POC大小的确定 如图5 11所示 CO CO O x y XOCarctan P P x y XOParctan 所以 CO CO p p OO x y x y XOCXOPPOCarctanarctan 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 12 因此 P P CO CO O x y x y POCPOCarctanarctan 线段PC的长度 22 CPCPPC xxyyL 线段OP的长度 22 PPOP xyL 由正弦定理得 POC L POC L OPPC sinsin 因此可求得的值为 4 POC PC OP L POCL POC sin arcsin 21 其次 进行举升机构的位移 速度和加速度分析研究 图4 2为以车厢与车架铰接点为原点建立的XOi复平面直角坐标系 各向量方 向的设定如图所示 各铰接点角位移的度量是以X轴的正方向为基准 顺时针方向 为正 图4 2 复平面直角坐标系 Fig 4 2 The right angle coordinate system of compound plane 1 分别确定油缸BE 拉杆AD和举升三角臂ABC的角位移 即为角位移模型 321 在四边形DOCA中 得关系式 4 3462 3462 iiii elelelel 22 在四边形DOCB中 得关系式 4 3451 3451 iiii elelelel 23 根据机构的运动规律和位置 可推导出构件在任意时刻的角位移 4 EB EB xx yy arctan 2 1 1 EB EB xx xx 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 13 24 4 DA DA xx yy arctan 2 2 2 DA DA xx xx 25 4 CA CA xx yy arctan 2 3 3 CA CA xx xx 26 在实际机构中 位移值为的情形是不允许出现的情况 2 角速 321 2 度模型的建立 约定 cos 231 m sin 232 m cos 243 m sin 244 m cos 1306 m sin 1306 m cos 147 m sin 148 m 将式 5 22 和式 5 23 方程两边分别对时间t求导 整理后求解可得 4 1 7446330 1 l mwlmwl w 27 4 2 644133 2 l mwlmwl w 28 4 23 444 3 ml mlw w 29 4 824364430 23 4 mmllmmll mvl w 30 其中 为液压油缸初始长度 为液压油缸在举升过程中的伸长sll 1 ls 量 为油缸在举升过程中的伸长速度 设其为匀速 ts ddv 3 角加速度模型的建立 角加速度为角位移的二阶导数 将 式5 22 式5 23 方程两边分别对时间t 求二阶导数 将求导后的方程组整理求解得 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 14 4 1 18 2 447446 2 5305330 1 2 l vmlmalmlmal a 31 4 2 4 2 443442 2 33133 2 l mlmalmlmal a 32 4 23 3 2 444 2 44133 2 22 3 ml mlalmll a 33 624308243 2 223 2 441 2 33630 624308243 7 2 446 2 330 2 1123 4 mmllmmll lmlmlml mmllmmll mlmllml a 4 34 4 2 液压举升机构静力学分析 在液压举升机构中 因举升速度较低 故不考虑惯性力和惯性力矩 整个机 构除去初始与停止两位置在运动过程中为近似匀速运动 将其视为低速匀速运动 符合杆组的静定条件 可将机构各构件编号进行受力分析 如图4 3所示 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 15 图 4 3 举升机构各构件的编号示意图 Fig 4 3 The number sketch map of every component in the lifting mechanism 1 车架 2 拉杆 3 液压油缸 4 举升三角臂 5 车厢 在图4 3中 接点0 D E连接在车架1上 对于举升三角臂 拉杆和油缸等构 件 它们的质量与举升质量相比不及其百分之一 可忽略不计 因此油缸BE和拉 杆AD可简化为一个二力杆 两端受力大小相等 方向沿杆件的轴线相反 设构件4 对构件5的作用力表示为 则构件5对构件4的作用力表示为 45 F 54 F 5445 FF 车厢的举升角为50 其举升时间 20s 车厢的举升过程近似为匀加速运动 举 升转动惯性半径小于2m 各铰接点的润滑良好 摩擦系数小于0 15 铰接点的轴 销直径小于40mm 因此对于整个举升机构 在举升过程中尤其是举升初期 各构 件 包括车厢 自身的惯性力矩和各铰接点的摩擦力矩对整个举升力矩影响极小 可将其忽略不计 1 以车厢为研究对象 其受力图如图4 4所示 图4 4 车厢受力分析 Fig 4 4The endured force analysis of the carriage 假设装载货物与车厢的总重力作用点在举升过程中相对于车厢位置不变 构 件4对构件5的作用力方向F45通过AD和BE线的交点 根据力的平衡原理和力矩平衡 原理可得 GG LFLF 1455445 FF 所以 4 1 45 L LF F GG 35 2 以三角臂为研究对象 受力图如图4 5所示 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 16 图4 5 三角臂受力分析 Fig 4 5The endured force analysis of set square 举升三角臂受到三个力的作用 AD BE构成二力杆 作用方向如图4 5标示 并且三个力组成平面汇交力系 3 以油缸整体为研究对象 受力图如图4 6所示 图4 6 油缸受力分析 Fig 4 6The endured force analysis of the hydraulic cylinder 对A点取矩时有 234354 LFLF 同理有 354234 LFLF 524434 LFLF 4334 FF 所以 4 2 354 34 L LF F 36 4 以拉杆为研究对象 受力分析如图4 7所示 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 17 图4 7拉杆受力分析 Fig 4 7The endured force analysis of the bar 同理有 434524 LFLF 4224 FF 所以 4 5 434 42 L LF F 37 5 机构仿真分析 PRO MECHANICA MOTION模块是一个完整的三维实体静力学 运动学 动力学 和逆动力学仿真与优化设计模块 是机构运动分析强有力的工具 机械系统运动 仿真的一般过程如图5 1所示 总体设计 建立运动模型 设置运动环境 分析运动机构 获取分析结果 建立连接 连接轴设置 运动副 伺服电机 运动学 动态 静态 力平衡 重复组件 重力 执行电机 弹簧 阻尼 力 扭矩 初始条件 运动回放 干涉检查 运动包络 测量 轨迹曲线 图5 1机械系统运动仿真过程 Fig 5 1 The COSMOS Motion process of mechanism system 总体方案设计主要是利用已知条件及希望达到的目的或机械应实现的功能 进行机械的全局设计 建立运动模型是指进行机械各部分的具体设计 首先确定 各零件的形状 结构 尺寸和公差等 在计算机上进行二维绘图和三维实体造型 然后通过装配模块完成各零件的组装 形成整机 装配是运动仿真的前提保障 装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果 装配前首先要确定运动的各构 件以及各构件之间的运动副 再通过选择构件和运动副组成机构 最后由各机构 组成整机 并为仿真分析作准备 设置运动环境是定义机械系统运动所必需的各种条件 比如运动的动力源 初始位置 最大和最小运动极限的状态等 此步骤将赋予模型运动的属性 系统 将在此定义下完成要求的运动 分析运动机构是定义要分析的属性 在PRO M中包括装配分析 速度分析 静 态分析和运动分析等分析类型 通过对系统的各种动态分析 可迅速得到相关的 信息 以此设计和完善构件 获取分析结果主要包括运动回放 可分析干涉检验 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 18 运动包络等 还可测量系统中需要跟踪的参数 并将其变化趋势通过图表的形式 直观的表现出来 在整个机械系统运动仿真的过程中 各步骤之间并非绝对的线性或单方面 而是相互关联和影响的 通过分析反馈信息 完善运动模型 变化运动环境 以 及分析的结果对比 各步骤之间综合的调整和作用 才会使最终结果趋向满意 应用此方法进行仿真分析 首先要抽象出系统的力学结构和物理特性 建立 几何模型 然后根据系统各零部件的运动规律确定其约束关系 施加约束副 最 后施加力驱动或运动驱动 进行仿真分析 机械系统运动仿真具有一定的优越性 可以在进行整体设计和零件设计后 对各种零件进行装配后模拟机械的运动 从而检查机械的运动是否达到设计的要 求 可以检查机械运动中各种运动构件是否发生干涉 同时 可直接分析各运动 副与构件在某一时刻的位置 运动量以及各运动副之间的相互运动关系 关键部 件的受力情况 从而可以将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态 减少试 制样机的费用 缩短机械产品的更新周期 5 1 虚拟样机模型的建立 在用PRO E建模时 应对实际的自卸车模型进行简化 这样不仅可以节省建模 时间 也可以保证仿真及分析过程能够顺利进行 同时 由于PR0 MECHANISM在进 行运动学 动力学求算时 只考虑零件的质心和质量 而对零件的外部形状不予 考虑 因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形 并没有多大的实际意义 要 得到零件的准确质量和质心 通过Pro E的建模功能进行建模求算 再将所求结果 直接转入PR0 MECHANISM中 指定车架为大地 假设在举升过程中 车厢的重量不 发生变化 用三维的长方体作为载荷 几何参数中 各铰接点的位置确定为参数 化建模参数 外形几何尺寸只需满足可视化效果 对仿真没有实质影响 因此建 模时只需给定一设计值 图5 2 举升机构参数化模型视图 Fig 5 2The parameterization model perspective of the lifting mechanism 1 车架 2 木垫板 3 支架 4 车厢 载荷 5 三角臂 6 拉杆 7 油缸缸体 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 19 5 2 创建约束副和驱动 举升机构在D E 0点与车架相连 各部件之间采用铰接副连接 液压缸体与 液压缸推杆之间采用圆柱副连接 并给定运动关系 模拟活塞在液压缸体中的相 对运动 由于各构件间的摩擦力相对于各构件所受的压力很小 所以本例不加载摩擦 物理参数中 各部件质量 质心位置和转动惯量等参数对某一车型而言是固定不 变的 因而不会影响具体车型的仿真及优化结果 这些参数中 工作油缸 三角 臂和拉杆等部件的重量相对举升重量很小 可忽略其影响 因此 本文仅将货物 质心位置 举升重量作为参数化建模的物理参数 另外 将各部件视为刚性元件 忽略各铰接点的摩擦力 为了充分利用PRO MECHANISM多刚体动力学分析的优势 对油缸活塞移动速度也进行参数化处理 以便在举升速度较快时考虑加速度对举 升机构的影响 本文假定活塞相对缸体匀速移动 故在移动副中创建直线驱动 速度为0 028m s 5 3 仿真结果与分析 干涉分析 在合理选择和确定举升机构中各主要构件的尺寸后 经过反复验 证 各个构件在举升过程中运动自如无干涉 受力合理 在保证车厢举升至最大 角度时不与车架发生干涉 点击 结果回放 选择 全局干涉 播放 弹出 动画控制面板 通过控制面板就可以控制动画的播放 停止等 在运动仿真显示 中 红色加亮的部分是产生干涉的区域 可以根据分析回到模型模块对模型进行 修改 执行 Capture 可以输出运动动画的影像文件 MEPG JPEG 等 图5 3 图5 4分别为工作装置上限起始与上限卸载时刻模型图 图5 3仿真起使时刻模型图 Fig 5 3 The perspective model in the beginning of the simulation 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要 CAD 图纸的请联系 q1484406321 20 图5 4