大学机械原理课程设计高位自卸汽车设计计算说明书

大学机械原理课程设计高位自卸汽车设计
计算说明书
1.2 设计要求及原始数据
（1）．设计要求：
①具有一般自卸汽车的功能。

②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S
max
见表1。

③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a
max
不得超过1.2a。

④在举升过程中可在任意高度停留卸货。

⑤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。

⑥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。

⑦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：
方案号车厢尺寸L×W×H
L(mm)×W(mm)×H(mm)
S
max
(mm)
A
(mm)
W
(kg)
L
1
(mm)
H
d
(mm)
A 4000×2000×640 1800 380 5000 300 500
B 3900×2000×640 1850 350 4800 300 500
C 3900×1800×630 1900 320 4500 280 470
D 3800×1800×630 1950 300 4200 280 470
E 3700×1800×620 2000 280 4000 250 450
F 3600×1800×610 2050 250 3900 250 450
2 设计方案的评价及选择
2.1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S max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a max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：
①．结构简单，易于加工、安装和维修；
②．能够保证车厢在举升和下降过程中保持水平，稳定性好；
③．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
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ϕ，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ϕ，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：
①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；
②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：
①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。

②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。

③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：
设AE=BE=a ，CE=DE=b ，举升前ϕ1=∠CAB ，举升后 ϕ2
=∠CAB ，则有
上移量：)sin (sin )(2
1
ϕϕ-+=b a S
后移量：]b)cos (a -[2acos -]cos )(-[2acos 2
2
1
1
ϕϕϕϕ++=b a a
化简后得:)cos -b)(cos -(a 2
1
ϕϕ=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 ＝l ，举升前ϕ1
=∠CAB ，举升后 ϕ2
=∠CAB ，则有
上移量：)sin (sin 2
1
ϕϕ-=l S
后移量：)cos -(cos 2
1
ϕϕl a =
该举升机构的优点是： ① 结构简单，紧凑；
② 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；
③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 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。

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
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。

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。

3各工艺动作的配合及运动循环图
3.1举升机构
图3-1 举升机构3.2翻转机构
图3-2翻转机构3.3后厢门打开机构
图3-3后厢门打开机构
4 各运动构件的尺寸计算
4.1 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：
车厢尺寸L(mm)×W(mm)×H(mm) S max (mm) A(mm) W(kg)
L 1(mm) H d (mm) 3900×1800×630
1900
320
4500
280
470
如图3-1，设AD=BC=CF=DE=l ，初始位置ϕ0
=∠HAB ，到达最大升程时ϕ
1
=∠HAB
由几何关系可得：
)sin -(sin 20
1
max
ϕϕl S
= （3-1）
1.2a )cos -(cos 1
≤ϕϕl （3-2）
为了使整个举升机构不超过车厢底部安装空间，需满足
H d l ≤ϕ0
sin 2 (3-3)
L l ≤ϕ0
cos （3-4）
取 450sin 21
=ϕl ，联立(3-1)(3-2)(3-3)与(3-4)解得
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,.19361
ϕϕl
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:
AE DE L L y x +⨯=+60sin （4-1）
22
222)L y (x L L AB AD BD =++- （4-2）
且
BD
L +AB L =AE
L （4-3）
其中0081=DE
L , AE L 为A,E 点之间的垂直距离 AE L =450 ，BD L 为B ，
D 之间的垂直距离，,取为150，AD L 为A,D 之间的水平距离，AB L 为A,B 之间的垂直距离，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
根据图解计算，取AC=400，AC垂直距离为300，则AF=1000
4.2 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。

4.3 机构总成
将以上选定的各机构组合后，得到如下最终机构简图：
5 运动分析和运动仿真
利用solidworks进行仿真并导出图像，其仿真结果如下图所示：
假设举升时液压缸的速度恒定为10mm/s
5．1举升时车厢的速度图像5.2举升时车厢的加速度图像
5.3举升时车厢的水平方向位移图像
5.4举升时车厢的竖直位移图像
翻转时假设候液压缸的速度图像恒定为100mm/s
5．5翻转时车厢的速度图像
5.6翻转时候车厢加速度图像
6设计小结
通过这次大作业，我知道其实要做一项课程设计并不简单，要把它做好就更不易了，从中我也感到自己的知识面其实是很狭隘的。

在理论知识的贯穿上和用理论解决实际问题的能力上也亟待提高，可以说这次的设计就像是一面镜子，照出了我的不足之处。

但也因此而小小地锻炼了一下自己，为大四的毕业设计做了一个准备。

参考文献
[1] 邹慧君主编.机械原理课程设计手册.高等教育.1998
[2] 牛鸣岐,王保民,余述凡.机械原理课程设计手册(第2版) 大学.2010
[3] 邹慧君主编.机械原理.高等教育.。