重汽自卸车液压举升系统及取力器的设计毕业论

1 前言
1.1 概述
自卸汽车是利用本车发动机动力驱动液压举升机构，将其车厢倾斜一定角度卸货；并依靠车厢自重使其复位的专用汽车。

自卸汽车按其用途可分为两大类：一类属于非公路运输用的重型和超重型（装载质量在20t以上）自卸汽车。

主要承担大型矿山、水利工地等运输任务，通常是与挖掘机配套使用。

这类汽车也成为矿用自卸汽车。

它的长度、宽度、高度以及轴荷等不受公路法规的限制，但它只能在工地、矿山上使用。

另一类属于公路运输用的轻、中、重型（装载质量在2—20t）普通自卸汽车。

它主要承担沙石、泥土、煤炭等松散货物运输，通常是与装载机配套使用[1]。

某些自卸汽车是针对专门用途设计的，故称为专用自卸汽车。

如：摆臂式自装载汽车、自装载垃圾汽车等。

图1-1为普通自卸汽车的结构组成[1]。

图1-1 普通自卸汽车结构组成
1-液压倾卸操纵装置 2-倾卸机构 3-液压油缸 4-拉杆 5-车厢
6-后铰链支座 7-安全撑杆 8-油箱 9-油泵 10-传动轴 11-取力器
自卸汽车最大的优点是实现了卸货的机械化，从而提高了卸货效率，减轻劳动强度，节约劳动力。

因此，几十年来它在国内外获得迅速发展和普及，至今其保有量大约占专用汽车的
25%，并日趋完善，成为系列化多品种的产品。

除了上文所说的用途分类，它还具有以下多种分类方式：
（1）按装载质量级别分类
可分为轻型自卸车（其装载质量一般小于3.5t），中型自卸车（4t-8t）和重型自卸车（大于8t）。

（2）按传动类型分类
可分为机械传动，液力机械传动和电传动三种。

载重30t以下的自卸车主要采用机械传动；载重80t以上的重型自卸车多采用电传动。

（3）按卸货方式分类
有后倾式，侧倾式，三面倾式，底卸式以及货箱升高后倾式等多种类型。

其中以后倾式应用最广；侧倾式只适用于车道狭窄和卸货方向变换困难的场合；货箱升高后倾式适用于货物堆积，变换货位和往高处卸货的场合。

底卸式和三面倾式只应用于少数特殊场合。

（4）按倾斜机构分类
分为直推式自卸车与杠杆举升式自卸车。

直推式又可细分为单缸式、双杠式和多级式等。

（5）按车厢结构分类、
按栏板结构分为一面开启式、三面开启式和无后栏板式（簸箕式）。

按安踏底板横断面形状分为矩形式、船底式和弧底式。

1.2国内外自卸车发展现状
我国专用车市场“蛋糕”将越做越大。

去年以来，我国专用车市场取得了较好的经营业绩。

全国厢式、罐式专用车等销售大约40966辆，占总量的17.77%；自卸汽车销售量大
约27125辆，占总量的11.76%。

今年1-8月份，各类专用车销售量均有较大增幅，乐观估计今年全年专用车产销将达到30万辆[2]。

目前，我国专用车市场最大销售量约为25万辆，主要有厢式车、罐式车、自卸车等车型。

通过数字来看，去年一年专用车销售量达到23万辆，结合我国道路、经济等实际状况，应该说数量还是比较可观的[2]。

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，我国专用车品种较少，仅有400多个品种。

但美国等发达国家的专用车市场非常庞大，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，甚至很多专用车已被E化，装有电脑、卫星导航等系统。

所以，受发达国家专用车的影响，我国专用车市场最终是向多品种化、高精尖方向发展。

这种发展方向除了我国的公路条件改善以外，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仍然以个体户为主体，公路货运基本还谈不上物流管理，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，这种格局将逐步被打破。

我国汽车工业保护期只有5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的盯着中国公路货运这个大市场，这场战争的输赢不言自明。

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就是专用车。

以下，具体分析国内外自卸车发展现状：
1.2.1国内自卸车发展现状
（1）技术水平落后产品结构失衡、发展不均
目前，国产自卸车从技术角度而言，虽经过十多年的苦练内功与摔打磨练，不断地汲取国外技术，取得了很大进步，但同国外著名品牌相比，仍然存在较大差距，仍基本停留在仿制阶段(主要指上装)，开发设计雷同现象十分普遍，自卸车的品种还较少，而且产品同质化现象十分严重。

表现在核心技术缺失，重、中、轻，高、中、普、特、新比例严重失调，大多数企业只能生产中型普通自卸车、其他类型的自卸车产量仍较少且功能简单。

高技术含量、高附加值、高可靠性的国产自卸车还不够多，底盘企业与自卸车企业严重脱节，这些都严重影响了我自卸车车行业的结构调整和产业升级[3]。

（2）关键部件无法自主生产
到现在为止，国产自卸汽车底盘还十分匮乏。

我国生产的自卸车，仍大多是采用东风、解放、斯太尔、依维柯等普通载货(客)车底盘，经过调整轴距等小幅度的改动进行改装的，根本谈不上特种车专用底盘的技术储备；生产出的大部分自卸车仍基本是技术
含量低、售价低的劳动密集型的普通自卸车，如低吨位自卸车等。

即使目前国内厂家生产的比较先进的斯太尔系列汽车底盘，其技术在国际上已经显得很落后，在国际竞争中处于非常被动的地位[3]。

1.2.2国外自卸车发展现状
（1）自卸车重型化趋势
国外自卸汽车以重型居多，重型自卸汽车经济效益好和重型车功率大、强度高，有中、小型自卸车无法替代的优点。

（2）一车多用化的趋势
为提高自卸汽车的适应性，以满足各种特殊需要，使自卸车功能由单一向多功能与专用底盘专业化发展趋势，车型有更多的组合变化。

随着公铁运输格局的变化，未来通用型厢式车的发展空间更大
（3）新材料、新技术和微电脑的应用趋势
国外自卸汽车厂家新材料、新技术在自卸汽车上的应用，如采用GRP（玻璃纤维增强塑料）替代金属材料制造冷藏车厢体，具有强度高、质量轻、寿命长等优点，应用日趋广泛。

微电脑已广泛用于发动机控制、自动变速、专用装置动力传递、电器故障诊断等方面．使自卸汽车的使用价值逐渐扩大，技术性能明显提高。

此外，上装系统集成技术、GPS定位、电视监控及半挂汽车设计的应用趋势；
(4)轻量化发展趋势
要求结构设计优化简化，铝合金、高强度钢等材料将得到广泛应用；二是企业组织结构模块化、业务流程模块化。

(5)标准化设计应用趋势
产品结构标准化，以尽量少的内部变化组合成适度的多样化产品或产品的多样化组合，减少采购成本、简化生产流程、提高产品质量、降低生产成本。

(6)在功能、结构、外观上注重个性化和人性化设计
近年来国外市场对自卸车产品技术含量和附加值的要求越来越高，一些高新技术开始在自卸汽车上得到广泛的应用，一些能够满足特殊功能要求的自卸车底盘被开发研制。

不论是液压举升装置、排料卸料装置、计量测量装置、机械作业装置，还是制冷保温装置、安全防护装置、自动控制装置、作业监视装置；不论是各类缸、泵、阀、仪表等总成，还是各种箱体、罐体等车身结构，均在自卸汽车上得到了广泛应用，在一定程度上满足了新形势下用户对专用车产品的多样化需求。

在自卸车在功能、结构、外观上进行科学、合理的设计，注重个性化和人性化设计[3] [4]。

1.3选题背景及意义
目前国内，企业上汽车项目，大多首选轿车。

因为在他们看来，似乎只有轿车项目才是汽车产业桂冠上的明珠。

现在，我国身家数百万的高层消防车、高架路清扫车、电视卫星转播车、抢险照明车等几乎全部依赖进口。

而在欧美等发达国家，轿车只占车市的三成，高附加值的专用汽车才是绝对主角[3]。

权威机构预测，到“十五”末期，我国的专用汽车保有量将达300万辆。

目前，专用汽
车发展面临的主要问题：
(1)专用汽车对普通载货车底盘过分依赖，专用汽车底盘的供需矛盾突出。

(2)专用汽车的品种不能满足日益发展的社会经济的需求。

(3)服务面广、需求量大的普通型专用汽车生产集中度低，缺乏有影响力的品牌。

(4)重型专用汽车所占比例小，直接影响公路运输的营运经济
我国专用汽车的发展趋势：
(1) 底盘生产专业化。

(2) 技术高新化。

(3) 转载质量重型化。

(4) 城市专业汽车轻型化。

而作为专用车辆品种之一的自卸汽车，几十年来在国内获得迅速发展与普及，至今其保留量大约占专用汽车的25%，并且日趋完善，成为系列化多品种的产品[3]。

自卸汽车是利用本车发动机动力驱动液压举升机构，将其车厢倾斜一定角度卸货，并依靠车厢自重使其复位的专用汽车。

自卸汽车的液压系统由三种部分组成：动力部分、操纵部分和执行部分（举升油缸）。

动力部分主要有：取力器、油泵以及连接两者的传动机构。

操纵部分用来控制举升油缸实现车厢倾翻，它应具有举升、停止和下落三个动作。

控制阀多采用三位四通阀，操纵控制阀的方式可分为：手动机械杠杆式、手动液压伺服式和气动操纵式三种[1]。

国内的取力器多数用在自卸车上，所以对取力器的要求比较单一。

在欧洲、北美,由于特种车对取力器的要求很高，取力器生产厂家会设计多输出端的取力器,
或者带离合器的取力器，取力器的控制方式也多样，有：机械控制、液压控制、气控、真空源控制、电控等，其中气控比较常见[5]。

随着专用汽车的不断发展及辅助助力装置应用的日益广泛，目前，取力器早已不只是用于起重和升降，用户对取力器的功能要求也越来越高，取力器生产厂家要不断地进行改进设计来满足不同用户的需求。

取力器通常装在变速器上，以前置、后置、侧置的合作方式提供给专用车厂，作为变速器的主要附件。

变速器设计人员在变速器设计之初通常都要考虑取力器的安装，在变速器上设计取力空来扩大变速器的销售范围。

为了降低设计和制造成本，在市场竞争中处于一定的优势地位，专业取力器厂家在设计过程中已逐步向标准化、系列化、通用化方向发展[6]。

1.4基本内容和技术方案
在自卸汽车中，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。

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
，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。

然后，利用自卸车的自重复位。

具体分析液压举升系统的组成元件和工作原理，设计液压原理图。

然后，根据液压原理图，对液压系统进行设计计算。

包括：油泵的计算，油缸的计算以及流量的计算等。

取力器是自卸汽车的重要组成部分，此次设计中应该具体分析各种取力器的使用特点，从而达到选择合理匹配的取力器的目的。

包括:取力器的类型、功率、转速的确定；取力器的安装、旋向、档位等方面的选择。

2液压举升系统的原理设计
2.1举升机构的设计
2.1.1举升机构形式的选择
举升机构分为两大类：直推式和连杆组合式，他们均采用液体压力作为举升动力。

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、结构紧揍、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和后置（也称中置）两种，如图2-1所示。

前置式油缸支在车厢前部，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式油缸。

后置式油缸支在车厢中部，油缸的行程较小，油缸的举升力较大，多采用双缸双柱式油缸。

在相同的举升载荷条件下，前置式需要的举升力较小，举升时车厢横向刚度大，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[1]。

图2-1直推式举升机构的布置
（a）前置式（b）后置式
常用的连杆组合式举升机构的布置有两种：油缸前推式（又称T式）和油缸后推式（又称D式）[7]，如图2-2所示.
直推式和连杆组合式举升机构的综合比较见表2-1。

直推式举升机构的结构简单，较容易设计。

但由于是油缸直接顶起车厢，为了达到一定的举升角度，往往需采用多级油缸，而为了提高整车的稳定性，又常采用双油缸结构。

这样易导致油缸泄漏和双缸不同步，进而导致车厢举升受力不均[1]。

目前，该类举升机构主要用于重型自卸车。

图2-2 连杆组合式举升机构的布置
(a)油缸前推式（b）油缸后推式
1-铰支座 2-车厢 3-油缸 4-三角臂
连杆组合式举升机构利用三角形连杆机构的放大特性，减小了油缸的工作行程，同时还能借助于连杆系的横向跨距来加强卸货时的稳定性。

只需采用单级单缸的油缸形式就可满足要求。

因此，该类举升机构的制作工艺相对简单，在生产实际中得到广泛应用。

油缸前推式举升机构适用于中、重型自卸汽车；油缸后推式举升机构适用于中型自卸汽车[7]。

表2-1 直推式和连杆组合式举升机构的综合比较
类别
项目
直推式杆系倾卸式结构布置简单，便于布置比较复杂
系统质量较小较大
建造高度较低较高
油缸加工工艺多级缸，加工精度高，工艺性差单级缸，制造简单，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，密封性差密封环节少，不易渗漏，密封性
好
工作寿命磨损大，易损坏，工作寿命短不易磨损，工作寿命长
制造成本较高较低系统倾卸稳定性较差较好
系统耐冲性较好较差
该种举升机构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，顾故车厢受力状况良好；但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；油缸的最大推力较小，油压特性好。

图2-3 油缸前推连杆组合式举升机构
2.1.2最大举升角的确定
确定车厢最大举升角的依据是倾斜货物的安息角，常见货物的安息角如表2-2所列：
表2-2 常见货物的安息角
物料煤焦炭铁矿石细沙
安息角27º~45º50º40º~45º30º~45º
物料粗砂石灰石粘土水泥
安息角50º40º~45º50º40º~50º设计的车厢最大举升角θmax必须大于货物安息角，以保证把车厢内的货物卸净。

此外，在最大举升角时，车厢后栏板必须与地面保持一定距离。

设计时，自卸汽车车厢的最大举升角可在50º-60º之间选择。

对于重汽6×4后翻自卸车，这里确定其最大举升角为54º。

2.2液压举升系统的原理设计
自卸汽车的设计质量和综合性能如何，其评价的一个主要标准就是液压举升系统。

所以，液压举升系统的设计是本设计的关键所在。

2.2.1 工况分析
工况分析是选定系统方案、液压元件和执行元件功率的依据。

在举升车厢过程中，液压缸开始举升时，加速推进，加速度很小可以忽略，举升车厢是在举升刚开始时，液
压缸所承受的举升力最大（如图2-4）。

在图2-5中，油缸的推力矩应克服料斗和矿石总重的重力力矩Ts=Fr, r=CD, s=L。

料斗和矿石总重为T=245kN,s≈1.8m, r≈2.4m, 则F≈1.85×105 N。

图2-4 聚生液压缸的负载曲线
图2-5 工作油缸示意图
2.2.2 确定系统方案
确定液压系统方案，拟定液压系统图，是设计液压系统关键性的一步。

系统方案，首先应满足工况提出的工作要求（运动和动力）和性能要求。

其次，拟定系统图时，还应力求效率高、发热少、简单、可靠、寿命长、造价低。

通过分析举升液压缸的负载曲线图和工作油缸示意图，可初步确定最大负载点，并根据工况特点和性能要求，用类比法选用执行元件工作压力。

在选用油泵时，应注意所选用油泵的类型和额定压力。

由于管路有压力损失，因此油泵的工作压力应比执行元件
的工作压力高。

油泵的额定压力应比油泵的工作压力高25-60%，使油泵具有压力储备。

初选的执行元件工作压力作为计算执行元件尺寸时的参考压力。

然后，在验算系统压力时，确定油泵的实际工作压力。

(1)确定执行元件的类型
液压油缸是整个自卸车的核心工作元件之一，与控制阀、液压阀、液压油箱、液压泵、液压管路等共同构成工作系统。

液压油缸的作用是通过举升车厢实现卸货功能。

在自卸车卸货的过程中，液压举升系统发挥着巨大的作用，随着自卸车整车重心的不断提高，其稳定性不断下降。

液压举升系统质量的好坏直接关系到自卸车的安全性，还对自卸车的装载效率、工作效率、工作可靠性与维护成本产生一定影响[8]。

执行元件的类型，根据工作部件所需的运动形式、速度、负载的性质和工作环境参考表2-3确定。

表2-3执行元件类型的选择标准
通过上面表格的比较分析，自卸车选用活塞式液压缸，液压泵选择的是齿轮式。

(2)确定压力控制方式
节流调速定量泵供油系统中，泵源的压力均用溢流阀（与泵援主油路并联）进行恒压力控制。

滤油器放置在液压油流出油箱和流入油箱处，以保证进出油箱的液压油纯净，延长元器件的使用寿命，保证液压元件工作性能可靠。

单向阀又称止回阀，它的作用是使油流只能延一个方向通过，而不能反方向流动。

常被放在液压泵的出油口处，可防止系统压力突然升高时损坏液压泵，以及拆卸泵时系统中的油不会流出。

单向阀还可以做保压阀的作用，对开启压力大的单向阀，还可做背压阀使用。

容积调速或变量泵与节流阀联合调速系统中，为了防止过载，常采用安全阀限压保护。

根据要求设定溢流阀的压力上限为20MPa。

(3)确定顺序动作控制的方式
操作换向阀的方式可分为手动机械杠杆式，手动液压伺服式和气动操作式三种。

机械操纵式的可靠性好，通用性强，维修方便。

但它的杠杆较多，布置复杂。

对于可翻转式驾驶室不宜采用这种操作方式。

液压伺服式依靠手动阀建立起来的油压来关闭或打开举升液压换向阀，实现车厢的举升和下降。

该阀通过切断动力实现停止工作。

它便于远程控制，操作可靠，但反应较慢。

气动操作式依靠汽车气筒的压缩空气，通过控制器法操作气阀液压换向阀，控制油路方向实现车厢举升、下降和中停。

该系统操作简单、功能齐全、结构较先进，用于中、重型自卸车比较合适。

它的缺点是气动转化成液压需要两套管路。

由于自卸车操作不频繁，动作顺序随机，属于工程作业，常采用手动多路换向阀控制。

如果操纵力较大，可用手动伺服控制。

根据自卸车的特点，选用手动液压伺服式控制。

当液压缸快到达极限位置时，可以进行远程控制：靠运动部件移动到预定位置（行程）时，发出控制信号，使液压元件动作，从而实现液压缸停止运动。

所以选择限位阀。

四、分流集流阀同步回路
由于自卸车是采用双缸举升，为了保证在举升过程中两个液压缸举升同步，选用分流集流阀同步回路。

2.2.3 拟定液压系统原理图
图2-6 是自卸车的液压伺服式液压系统，有三部分组成：动力部件、操纵部分和执行部分（举升液压缸）。

动力部分主要有液压泵以及连接两者的传动机构。

操纵部分用来控制举升液压缸实现车厢倾翻，它具有举升、保持和下降三个动作[9]。

工作原理如下：(1)举升
手动阀2的手柄在旋出位置，换向阀1在常开状态，限位阀11在常闭状态，举升缸呈收缩状态。

当自卸车倾斜货物时，先驱动液压泵9，这时液压泵的压力油经单向阀3、四通阀10、换向阀1、三通阀12，流回油箱4，车厢不动，为液压泵空转启动。

再将手动柄向里旋进，则排出压力油去推动换向阀1的阀芯，将进出油口隔断，使其由常开状态变为常闭状态。

这时液压泵输出的压力油经单向阀3、四通阀10、集流阀7，进入液压缸6，将车厢顶起，倾斜货物。

在举升过程中若系统压力超过一定值，安全阀13则被打开，溢流，使液压系统压力保持在调解压力以下。

当车厢倾斜到极限位置时，举升缸触动限位阀11的阀杆，使限位阀有常闭状态变成常开状态，液压泵的输出的压力油经四通阀10、限位阀11、三通阀12，流回油箱4，车厢保持在极限倾斜位置。

图2-6 举升机构液压系统原理图(2)下降
当货物卸完，车厢需下降时，先关闭液压泵9，再将手动阀2的手柄向外旋出，换向阀的控制油泄回手动阀，举升缸在车厢重力作用下将油液压出，打开换向阀，使其有常闭状态变成常开状态，举升缸内的油液经四通阀10、换向阀1、三通阀12流回油箱4，车厢回位。

(3)保持
若需将车厢举升至某一位置，只要使手动阀2的手柄仍在旋进位置，停止泵工作，车厢即可保持在任意位置。

3 液压举升系统的设计计算
3.1 载荷的组成及其计算
举升机构主要的受力载荷是作用在液压缸上，根据工况分析结果得出：油缸的推力矩应克服料斗和矿石总重的重力力矩Ts=Fr。

s是铰接点到重心的垂直距离。

r是从交接点到液压缸的垂直距离[10]。

料斗与矿石总重为T=245kN, s≈1.8m,r≈2.4m,则F max≈1.85×105N。

在计算双缸前推式举升机构时，只需令
F j = K F ; (3-1)
式中F j——计算的单缸举升力；
F—实际的举升力；
K—修正系数，K=0.55≈0.65；取K=0.6；
通过计算得出F j=1.1×105 N
3.2 初选系统的工作压力
压力的选择要根据载荷的大小和设备的类型而定，具体可以参考表3-1和3-2。

表3-1载荷大小与工作压力的关系
表3-2 机械类型与工作压力的关系
对于20吨自卸车而言，选择的工作压力应该较大，但是过大的工作压力会对密封和材料的要求过高，所以，综合考虑，选择液压缸的工作压力为20MPa。

3.3 液压缸的设计计算和液压泵的选型
3.3.1初选液压缸内径和液压杆外径。