基于有限元静力分析的高位自卸汽车改装毕业设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）I摘要高位自卸汽车是专用自卸汽车一种，高位自卸汽车主要用于运输散装并可以散堆的货物（如沙、土、以及农作物等） ，还可用于运输成件的货物，主要服务于建材厂、矿山、工地等。高位自卸汽车主要装备有车厢举升和倾卸机构，使用方便，运输效率高，具有高度机动性和卸货机械化的特点。文中一开始阐述了高位自卸汽车改装设计的目的和意义、发展状况以及应用前景。接着分析论证了一种装载质量为 5t 的高位自卸汽车的总体设计方案，进行了其举升机构、倾卸机构和后厢门开合机构等主要机构的方案分析和选择、运动分析、动力学分析以及强度和刚度的计算校核；并对其主要构件进行了 ANSYS10.0 建模和静力学分析。另外，文中还简单介绍了液压系统的设计计算方法和过程。最后对改装完成后的高位自卸汽车进行了必要的动力性、燃油经济性和稳定性等主要整车性能的计算分析，计算结果表明整车性能满足要求。关键词：改装设计；高位自卸汽车；剪式举升机构；有限元；静力学分析哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）IIABSTRACTHigh-order dump truck is one of special-purpose dump truck, it mainly be used to transport those goods which can be scattered such as sandstone, soil and some crops, and also be used to transport unit goods, severing for tectonic grounds, mines, workshop. High-order dump truck have carriage rise and dump organization to lift to equip mainly, easy to use, it is with high efficiency to transport, the mechanized characteristic that have high mobility and unload.First,it talking about the purpose and meaning of this design aout the High-order dump truck.And then, analytical argument a kind of lading quality for the high with 5ts High-order dump truck of total design,about the sport and motive analytical of it,s lifting and revolving.At last, regard high-order dump truck as the research object, analyse software ANSYS10.0 with the finite element , has set up finite element model to the principal organ of the high-order dump truck, carry on statics characteristic analyse to model.Moreover,in brief introduced the method and calculation process of the design that the liquid press system in the text. Finally carry on necessary of the calculation of the main whole car of the functions such as motive, the fuel economy and stability etc.Then the result expresses that the car function satisfy designing request.Keyword: Refiting design; High-order dump truck; The shear type of lifting; Finite element; Statics analysis哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目录摘要 IAbstractII第 1 章 绪论 11.1 研究本课题的目的和意义11.2 高位自卸汽车定义、组成、功用11.3 国内外高位自卸汽车的发展概况41.4 高位自卸汽车发展方向与前景51.5 本次设计的主要内容5第 2 章 高位自卸汽车设计计算72.1 基本尺寸参数的确定72.2 质量参数的确定72.2.1 额定装载质量 me72.2.2 整车整备质量 m0 72.2.3 总质量 ma82.3 高位自卸汽车底盘的选择82.3.1 底盘型号的选定 92.4 本章小结10第 3 章 高位自卸汽车结构方案分析 123.1 高位自卸汽车的举升机构的设计与分析123.1.1 双缸直推式举升机构 133.1.2 L 型举升机构 143.1.3 平行四边形举升机构 153.1.4 人字形举升机构 153.1.5 单级剪式举升机构 163.1.6 多级剪式举升机构 183.1.7 举升机构的方案的选定 183.2 高位自卸汽车倾卸机构的设计与分析19哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3.2.1 单缸直推式倾卸机构 203.2.2 杠杆平衡式倾卸机构 203.2.3 油缸前推连杆组合式倾卸机构 213.2.4 前推杠杆组合式倾卸机构213.2.5 油缸后推连杆组合式倾卸机构 213.2.6 油缸后推杠杆组合式倾卸机构 223.2.7 油缸浮动连杆式倾卸机构223.2.8 俯冲式杆系倾卸机构 233.2.9 Y 形倾卸机构 233.2.10 倾卸机构方案的选定 243.3 车厢后拦板开合机构的设计与分析243.3.1 自转开合机构 243.3.2 滑块式开合机构 253.3.3 连杆式开合机构 253.3.4 杠杆式开合机构 263.3.5 后厢门机构方案的选定 263.4 车厢未落报警机构的设计与分析263.5 车厢锁止机构的设计与分析273.6 举升锁止机构的设计与分析283.7 总体机构设计方案的确定283.8 本章小结28第 4 章 高位举升机构的设计计算 304.1 高位举升机构的运动分析304.2 高位举升机构的动力分析324.3 高位举升机构参数的确定344.3.1 基本几何尺寸的确定 344.3.2 举升液压缸推力 T 及行程 S 的确定 344.4 高位举升机构的校核354.4.1 各铰接点的受力分析 354.4.2 各铰接点销的选择与校核384.4.3 油缸作用处杆件尺寸的确定与校核 384.4.4 剪叉臂的校核 38哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4.4.5 托架的校核 414.5 本章小结44第 5 章 高位倾卸机构的设计计算 455.1 倾卸机构的运动分析455.1.1 角度关系的确定 465.1.2 角速度关系的确定 475.2 倾卸机构的动力分析485.3 倾卸机构参数的确定495.3.1 车厢最大倾卸角的确定 505.3.2 基本尺寸参数的确定 505.3.3 液压缸最大推力 Pmax的确定 515.3.4 拉杆最大拉力 Tmax的确定 515.4 倾卸机构的校核515.4.1 三角臂的校核 515.4.2 拉杆的校核 535.4.3 销的选择与校核 565.5 本章小结56第 6 章 液压系统设计 576.1 油缸的计算与选型576.1.1 油缸直径及行程的确定 576.1.2 油缸的选型 586.2 油泵的计算与选型586.2.1 油泵工作压力 P 的计算 586.2.2 油泵理论流量 QT的计算 596.2.3 油泵排量 q 的计算 596.2.4 油泵功率 N 的计算 606.2.5 油泵的选型 606.3 油箱与油管的计算与选型606.3.1 油箱容积 V 的计算 606.3.2 油管内径 d 的计算 606.4 分配阀的选型61哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6.5 取力器的选型616.5.1 取力器布置方案的选定 616.5.2 取力器型号的选定 626.6 本章小结62第 7 章 高位自卸基本性能参数计算 637.1 高位自卸汽车整车参数637.2 动力性计算637.2.1 发动机外特性 637.2.2 汽车的行驶方程式 657.2.3 动力性评价指标的计算 687.2.4 高位自卸汽车整车动力性计算 707.3 燃油经济性计算727.4 高位自卸汽车稳定性计算737.4.1 高位自卸汽车运输状态稳定性计算 737.4.2 高位自卸汽车卸货时稳定性计算 757.5 本章小结75结论 77参考文献 78致谢 80哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 研究本课题的目的和意义随着经济的发展和技术的进步，以及对提高作业效率的要求日益增高，作为汽车大家族中一个分支的自卸汽车，陆续出现了多种多样的型式；2008 年的北京奥运会和 2010 上海世博会都将拉动对自卸汽车的需求，而且大、重吨位的自卸车所占的比例也将进一步增大。因此对现有的各型自卸汽车进行改装设计是非常必要的，尤其在当今节约型社会具有很重要的现实意义。目前国内生产的自卸汽车其卸货方式为散装货物沿汽车大梁卸下，卸货高度都是固定的。若需要将货物卸到较高处或使货物堆积得较高些，目前的自卸汽车就难以满足要求。为此需设计一种高位自卸汽车，使它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货。随着经济的发展和技术的进步，以及对提高作业效率的要求日益增高，作为汽车大家族中一个分支的自卸汽车，陆续出现了多种多样的型式。自卸汽车按其载质量的大小可分为超重型、重型、中型以及轻型；按其外形尺寸、总质及能否在公路上行驶，又可分为非公路用自卸汽车和公路用自卸汽车；按其车厢卸货方向的不同，还可以分为后卸式、侧卸式以及三面卸式。目前国内外已经研制成功并投入使用的自卸汽车有超重型自卸汽车、重型自卸汽车、三面卸自卸汽车、高通过性自卸汽车以及液压举升系统自卸汽车等五种类型；其中三面自卸汽车目前应用的比较少，而液压举升系统自卸汽则应用的日益广泛。未来是节约型社会、智能化时代；因此未来的自卸汽车主要是偏重自卸举升机构的创新与智能化，并且具有节约能耗的特点。1.2 高位自卸汽车定义、组成、功用自卸汽车自上世纪初诞生以来不断发展，日趋完善，以成为当今货物运输的主要专用车之一。自卸汽车利用车辆自身的发动机驱动液压系统，从而使车厢倾卸机构按预定的运动轨迹运行，使车厢倾斜一定角度卸货货物依靠其自重自行卸下，卸货完毕后车厢依靠其自重复位。自卸汽车按其载质量的大小可分为超重型、重型、中型以及轻型；按其外形尺寸、总质及能否在公路上行驶，又可分为非公路用自卸汽车和公路用自卸汽车。超重型自卸汽车的外部宽度都大于 2.5m，每轴载荷质量都远大于 13t，就属于非公路用哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2自卸汽车。按其车厢卸货方向的不同，还可以分为后卸式、侧卸式以及三面卸式。具体分类如下： 三 面 卸 式侧 卸 式后 卸 式按 车 厢 卸 货 方 向 吨重 型 吨中 型 吨轻 型公 路 运 输 自 卸 汽 车矿 用 自 卸 汽 车按 用 途 公 路 用 自 卸 汽 车非 公 路 用 自 卸 汽 车按 能 否 在 公 路 上 行 驶轻 型中 型重 型超 重 型按 装 载 质 量自 卸 汽 车 )128(45.3超重型自卸汽车因其主要用于矿山采掘工程，专用于运送爆破后的岩石、矿石，也多称为矿用自卸车。其中小吨位的车型和载质量 3080t 的车型也在大中型水电站施工及大江截流工程中广泛应用，运送岩石、土方等。超重型自卸汽车的主要特点有：一是作业效率高，每吨运输成本低；二是用途专一，其车型庞大，只在矿区或水电站施工区内行驶；三是价格昂贵，与大批量生产的公路用车型相比，这类车型批量很小、专门设计，按订货量组织生产，所以每车价格昂贵；四是转运困难，因整车外形尺寸庞大，多采用总成运输，现场组装整车 1。专用自卸汽车是在普通自卸汽车的基础上增设特定的机构来实现自己的功能，以达到特定的目的。普通自卸车，其卸货方式为散装货物沿汽车大梁卸下，卸货高度都是固定的。若需要将货物卸到较高处或使货物堆积得较高些，就难以满足要求。为此需设计一种专用自卸汽车高位自卸汽车，它是装备有车厢高位举升和倾卸机构两套装置，能将车厢举升到一定高度后倾卸物料的自卸汽车，适合于高货台卸货。其外形如图 1.1 所示。所谓高位自卸汽车是指在普通自卸汽车的基础上安装一个特殊装置，该装置能哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3够将车厢举升到一定高度，车辆在这一高度卸货。高位自卸汽车的高位倾卸动作循环方式有两种：其一，首先将处于原始水平位置车厢平移举升到一定高度，保持位置不变，再将车厢倾卸一定角度卸货。卸货完毕，车厢恢复高位水平位置，最后平移下降到原始位置。其二，按上述程序，车厢高位倾卸后，车厢的两种复位动作（即角度复位和平移下降复位）同步进行 2。高位自卸汽车的专用装置由举升机构、倾卸机构和液压系统两大部分组成。其中举升机构作用是将车厢平移举升到某一预定的高度，从而实现在该高度进行高位卸货。目前为止有剪式、L 型、平行四边形等多种举升机构。倾卸机构的作用是使倾斜一定的角度，使车厢中的货物自动卸下，然后再使车厢降落到车架上。它的主要结构型式有直推式倾斜机构、连杆式倾斜机构两种。而液压举升系统作用产生液压能，实现举升机构倾翻的动力源；其结构组成有液压泵、控制阀、限位阀、举升液压缸等。液压泵由取力器驱动，取力器的动力来源于汽车底盘；控制阀改变液压系统回路，由驾驶员在驾驶室中操纵；限位阀限制车厢的最大倾角。大多设在液压缸内，当车辆升至预定的角度时，限位阀起作用，限制车厢继续倾斜；举升液压缸将液压能转变为推动车厢的机械能的直接执行部件。举升和倾卸机构是自卸汽车的重要工作系统，其设计质量直接影响自卸汽车的使用性能。随着自卸汽车产品技术的发展，它们的结构型式也不断增多。若能将不同类型的机构按其各自的特点配备到与之相适应的自卸汽车则无论是高位自卸汽车的工作性能，还是机构的使用效率，都会得到很大的改善。因此如何选择合适的举升和倾卸机构，成为高位自卸汽车设计中的首要问题 3。高位自卸汽车上现在广泛采用液压倾卸机构。根据油缸与车厢底板的连接方式，常用的倾卸机构可以分为直接推动式和连杆组合式两大类。油缸直接作用在车厢底板上的倾卸机构称为直接推动式倾卸机构，简称直推式倾卸机构。按倾卸点在车厢底板下表面的位置，该类机构又可分为油缸中置和油缸前置两种型式。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。常用车厢倾卸机构如下：图 1.1 高位自卸汽车哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4油 缸 后 推 杠 杆 式油 缸 后 推 连 杆 式油 缸 前 推 杠 杆 式油 缸 前 推 连 杆 式连 杆 组 合 式 油 缸 前 置油 缸 中 置直 接 推 动 式车 厢 倾 卸 机 构1.3 国内外高位自卸汽车的发展概况我国自卸汽车生产始于 20 世纪 60 年代初，经过 40 多年的发展，尤其是在 20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 220t、矿用自卸汽车装载质量从20154t 以下基本形成完整的专用汽车系列，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求越来越大。专用汽车将跟更加注重行业化、专用化、系列化。自卸汽车生产企业无论是在数量上还是在质量上都得到了空前的发展，全国生产和改装汽车的企业由最初不足 10 家发展到 1989 年的 114 家，到 1998 年的 724 家，占全国汽车生产企业的 86.4%，其中改装车厂 631 家，主机（整车制造）厂 93 家。专用汽车企业的性质和生产模式也都发生较大改变。由原有分散的中、小型国有企业，通过联合、兼并、重组、民营等手段形成了企业的集团化、大型化。以前“小而全”的生产格局也不复存在，自卸汽车的生产模式将朝着单一种类、系列化、多品种的专业化模式发展 4。国外自卸汽车生产始于 20 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；随着使用范围的不断扩大、用户要求的不断提高，自卸汽车正朝者多品种、系列化、小批量的方向发展；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，自卸汽哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5车以形成自己独特的结构与车型系列。高位自卸车作为自卸车家族的重要组成，多品种、小批量也是其一大特点。高位自卸汽车生产的另一个特点是零部件专业化生产，大部分专用汽车厂实际是一个总装厂。其产品按结构分工或组织专业化协作生产如自卸车油缸，副车架等均有个专业厂集中生产。目前，高位自卸汽车的市场占有量还很小，但随着我国经济的发展，各种大型项目的实施，高位自卸汽车的市场需求量会逐渐增大，可以预见，在今后一段时间内市场需求将得不到满足。1.4 高位自卸汽车发展方向与前景随着经济的发展和技术的进步，以及对提高作业效率的要求日益增高，作为汽车大家族中一个分支的自卸汽车，陆续出现了多种多样的型式；2008 年的北京奥运会和 2010 上海世博会都将拉动对自卸汽车的需求，而且大、重吨位的自卸车所占的比例也将进一步增大。西部大开发，将促进西部地区专用汽车市场的有效增长，西部地区基础设施建设投资达 7000 亿，10 年内将修建公路 35 万公里。专用汽车有着较大的市场发展空间。诸如“西气东输” 、 “西电东送” 、 “南水北调” 、青藏铁路及国内几条高速公路建设等大型项目的正式启动，给专用汽车市场特别是重型专用汽车市场注入了巨大活力。任何大工程的启动都需要工程机械的参与，高位自卸汽车将会在这些大型舞台里扮演重要的角色。为使高位自卸汽车能够在不同工况下圆满的完成工作的需求，经过调查、研究，我国高位自卸汽车的品种开发还应从以下方面努力：进一步发展和完善中型高位自卸汽车；进一步开发自动机械装卸机构，以适应农业等部门的需求；进一步提高高位自卸汽车的技术含量以追求其高附加值等。1.5 本次设计的主要内容本设计的目标是设计一种载重 5t 的高位自卸汽车，其性能参数与所选底盘车接近。高位自卸汽车是装备有车厢高位举升机构和倾卸机构两套装置的载货自卸汽车。因此本设计主要研究的内容有：车厢高位举升机构的设计计算、车厢倾卸机构的设计计算、液压传动装置设计计算选型，并进行二类底盘的选择、主要参数数据齐备、进行二类底盘选型分析、产生具有实践意义的选型总结；然后进行车辆的总体布置和性能分析，并用总布置草图表达主要底盘部件的改动和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部部件设计选型，达到工艺合理、小批量加工容易、成本哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图，清楚表达设计。另外，根据高位自卸汽车举升和倾卸机构的结构及机械性能参数的要求，在有限元理论的基础上，建立了举升杆、托架、拉杆和三角臂的有限元模型，并使用ANSYS10.0 进行节点位移，应力和应力强度分析。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）7第 2 章 高位自卸汽车设计计算2.1 基本尺寸参数的确定高位自卸汽车与普通自卸汽车一样，都是在二类底盘的基础上进行改装而成，主要尺寸参数原则上应于原车底盘尺寸相同，从而保证其整车性能参数与原车基本保持不变。常见二类底盘机构如图 2.1 所示。2.2 质量参数的确定2.2.1额定装载质量 me高位自卸汽车是在普通自卸汽车的基础多加了一套举升和倾卸装置，所以其装载质量要比普通自卸汽车小，根据 CQ1113T6F23G461 车底盘最大承载质量为7320kg，所以初定额定装载质量为 5000kg。2.2.2整车整备质量 m0整车整备质量是指汽车完全装备好的质量，包括润滑油、燃料、随车工具、备胎等所有装置的质量。参考同类普通自卸汽车的整车整备质量，在此基础上在增加车厢升高装置的质量，便可估算高位自卸汽车的整车整备质量。所