机械原理课程设计-高位自卸汽车的设计

高位自卸汽车设计
说明书
班级：车辆五班
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学号：
指导老师：
时间：2012年3月到6月
摘要
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或者侧向卸下，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，它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货。

为实现这个目的，先将车厢举升然后翻转车厢进行卸货，可以将车厢举升到任意高度后停止举升，然后车厢翻转以达到自动卸货。

高位自卸汽车的设计要求是具有一般自卸汽车的功能。

在比较水平的状态下,能将满载货物的车厢平稳地举升到一定的高度。

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，车厢后移量为a。

为保证车厢的稳定性，其最大后移量a
不
max
得超过1.2a。

在举升过程中可在任意高度停留卸货。

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。

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。

结构尽量紧凑、简单、可靠，具有良好的动力传递性能。

为了实现高位自卸汽车的设计要求，再设计过程中主要考虑把工作分解，使用举升机构实现车厢的举升，在举升过程中通过关闭或打开液压缸的进出油路使举升机构稳定的停止在任意高度；使用翻转机构实现车厢翻转，车厢翻转只要实现最大翻转角度达到设计要求和结构在翻转过程中的平稳就可以了。

就机构设计要实现的目的来看，机构上的点没有要求具体的运动轨迹，只要实现指定位置的机构的综合就可以了，这个设计主要是通过四杆机构来实现。

就机构选择和设计的过程中除了机构分析还要考虑到结构的受力和结构的稳定即使用过程中维护的方便。

关键词：高位举升翻转自卸
目录
一背景资料.................................................................................................................. 二设计题目..................................................................................................................
2.1 设计简介和母的.............................................................................................
2.2 设计条件和设计要求..................................................................................... 三执行机构设计..........................................................................................................
3.1 举升机构的设计.............................................................................................
3.2 翻转机构的设计 (10)
3.3 厢门开合机构的设计 (13)
四CATIA建模和运动仿真 (14)
4.1 模型的建立与组装.........................................................................................
4.2 模型的运动仿真 (14)
五设计总结..................................................................................................................
5.1 机械设计的目的.............................................................................................
5.2 机械设计的步骤.............................................................................................
5.3 设计中需要注意的几个问题.........................................................................
5.4 机械设计的基本原则 (16)
5.5 本次设计效果分析与改进意见 (17)
5.6 设计心得体会 (17)
六致谢 (17)
七参考资料.................................................................................................................. 八附录.. (19)
一背景资料
自卸汽车（dump truck）车厢配有自动倾卸装置的汽车。

俗称为翻斗车、工程车，由汽车底盘、液压举升机构和货厢组成。

在土木工程中，常同挖掘机、装载机、带式输送机等联合作业，构成装、运、卸生产线，进行土方、砂石、松散物料的装卸运输。

由于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，并标明装载容积。

是常用的运输机械。

图1-1 北奔牌自卸车ND33104D46J7自卸汽车
图1-2 一般自卸汽车的结构原理简图
发动机、底盘及驾驶室的构造和一般载重汽车相同。

车厢可以后向倾翻或侧向倾翻，通过操纵系统控制活塞杆运动，以后向倾翻较普遍，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、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。

二设计题目
2.1 设计简介和母的
目前国内生产的自卸汽车其卸货方式为散装货物沿着汽车大梁卸下或者侧向倾翻卸下，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，它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货。

这样可以满足使货物堆积的更高的要求，在现在土地资源紧张，使用高位自卸汽车可以在相同的面积上更快的堆积更多的货物。

而不用其它机械配合作业，提高了工作效率。

2.2 设计条件和设计要求
1.具有一般自卸汽车的功能。

2.在比较水平的状态下,能将满载货物的车厢平稳地举升到一定的高度，最大升程S
见表。

max
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，车
不得超过1.2a。

厢后移量a见表。

为保证车厢的稳定性，其最大后移量a
max
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。

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。

图2-1 自卸汽车数据简图
图2-2 自卸汽车厢工作状态图
表2-1机构要求数据表（单位：mm）
三执行机构设计
3.1 举升机构的设计
3.1.1机构的选择方案
举升机构的设计可以有多个方案来实现车厢举升和后移运动。

利用连杆机构实现车厢的举升，其安装空间不能超过车厢底部与大梁间的空间。

结构尽量紧凑，可靠，具有良好的动力传递性能。

并不是每个机构都能符合这种高要求，下面列举出各种方案和它们的特点，选择比较恰当的机构。

方案一：平行四边形举升机构
图3-1 平行四边形举升机构原理图
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。

方案二： L型举升机构
图3-2 L型举升机构原理图
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?? ，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?? ，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。

方案三剪式举升机构
图3-3 剪式举升机构原理图
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，并可在滑槽内移动；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
图3-4 剪式举升机构数据分析图
如上图，设AE=BE=a，CE=DE=b，举升前∠，举升后∠，
则有
上移量：
后移量：
化简后得
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，这种影响尤为显着。

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3-5 剪式举升机构初次改进图
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∠，举升后∠，则有
上移量：（）
后移量：（）
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3-6 剪式举升机构二次改进图
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。

为了解决以上矛盾，可以采用以下多级举升机构：
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。

为了解决以上矛盾，可以采用以下多级举升机构
图3-7 多级剪式机构举升机构原理图
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。

3.1.2 机构尺寸的设计
设AD=BC=CF=DE=l，初始位置∠，到达最大升程时∠由几何关系可得：
（）
（）
为了使整个举升机构不超过车厢底部安装空间，需满足
取，联立得
l=1803mm °°
液压缸尺寸计算
取MG=NH=200mm
（1）°时，∠,CM=701.5mm，CH=901.5mm，由余弦定理得
°
∠CHM=37.9°解得MH=284mm
∠
∠MHN=∠CHN－∠CHM=(180－2×7.2°) －37.9°＝127.7°
解得MN=436mm
（2）°时，∠,CM=701.5mm，CH=901.5mm，由余弦定理得
°
∠CHM=42.5°解得MH=1012mm
°∠
∠MHN=∠CHN－∠CHM=(180－2×38.6°) －42.5°＝60.3°
解得MN=864mm
所以液压缸行程S=＝864－436=428mm
根据液压缸的本体长度、行程及市场常见规格，取缸体直径为100mm，活塞杆直径为50mm。

3.2 翻转机构的设计
翻转机构的设计是为了实现车厢翻转的功能的机构，同车厢举升机构一样，翻转机构也是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。

结构尽量紧凑，可靠，具有良好的动力传递性能。

既要结构简单，又要符合安装要求的机构是没有最好的，而且翻转机构和车厢的举升机构要搭配使用实现他们的综合功能，所以要考虑的因素很多，因此也列出几种方案，根据其结构说出这种方案的主要特点，然后选择使用。

3.2.1 机构的选择
方案一双油缸位错翻转机构
图3-8双油缸位错翻转机构
这种机构是和举升机构方案一中的滑动直接举升机构搭配使用的，在直接举升机构中，这个方案存在许多问题，但是可以很好的吧举升和翻转功能结合在一起，实现空间的有效利用和结构的简单化。

如果和举升机构的方案一结合考虑，平且能够实现很好的控制，是可以考虑采用这个方案的。

方案二、普通直推式翻转机构
图3-9 普通直推翻转机构
这种机构是油缸驱动的四杆机构，是目前一般的自卸汽车上面最常使用的机构，在普通自卸汽车上面得到了广泛的应用，时间说明这种机构具有很高的使用价值。

首先是机构简单，只需要使用一个液压油缸就可以实现车厢的翻转，维护方便。

但是油缸的行程相对较大，选用举升力量较大的油缸把油缸安装在靠近旋转支座的地方或者利用汽车底盘间隙合理安装布局可以避免行程较大的缺点。

方案三、曲柄摇杆翻转机构
图3-10 曲柄摇杆翻转机构
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。

3.2.2 翻转机构尺寸设计：
图3-11 翻转机构的尺寸设计
翻转机构中B和H的竖直高度差，偏转角度。

在机构计算中可以看出当的尺寸较大的时候，需要的L1和L2的长度也要增大考虑到车厢的长度是3900，为了受力状态良好，E点安排在车厢的重心附近。

设L3=1800。

L1=L2，当车厢在水平的时候，B点在E点的正下方，举升到最高时，L1=L2和L2在一条直线上，机构锁死。

可以得出公式：
计算得到：L1=L2=1060，L3=1800
根据计算可以安排油缸最短尺寸800，AB=300，BC=1000。

3.3 厢门开合机构的设计
3.3.1 机构的选择方案
后厢门打开机构的要求是当车厢翻转卸货时，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。

图2-2中可以看出当车厢翻转一定角度时，厢门也打开相同的角度。

由此可以进行机构设计。

方案一、自开式机构
车厢
3-12 自开式厢门打开机构
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，在使用锁止机构吧厢门锁死，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。

方案二、控制开合式机构。

车厢
图3-13 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，设计题目中没有给车厢侧面的空间，如果安装在车厢底部，控制杆会影响卸货。

3.3.2 厢门开合机构尺寸设计：
厢门开合机构是基于实用的目的选择了厢门开合机构中的利用重力自由开合的机构，在这个简单的机构中，具体尺寸要求不高，但是必需要保证厢门的配合紧密，使厢门能够严密的关上，当厢门的锁止机构打开的时候，机构不能影响厢门自由的打开。

四 CATIA建模和运动仿真
4.1 模型的建立
利用CATIA，根据设计确定的机构数据建立三维模型，模型截图见附录。

4.2 模型的运动仿真
通过模型的运动仿真可以清楚的看到机构的运动过程，借此分析机构是否干涉，设计是否合理。

通过观察模型的运动，进一步优化机构的设计，使工作更可靠，以便在符合要求的方案中采用最佳的方案。

另外是运动分析可以直观的模拟机械的工作过程，仿真结果可以作为机械的推广和宣传材料，通过仿真得到主要机构运动的视频文件。

以下是通过CATIA做的速度与加速度的分析。

因为整个车厢是整体后移和上移和翻转，所以只用取车厢上一点分析其速度与加速度便可得整个车厢的速度与加速度。

图4-1 运动分析所取点
当油缸的速度是以500mm/s匀速运动的时候得到的曲线图如图所示。

图4-2 运动分析速度与加速度图
从曲线上可以大致看出这种参数曲线的变化，借此可以大致分析机构的运行。

平行四边形举升机构举起中间架和车厢上升。

其中扯清举升的数据是以车厢相对底盘运动的运动速度的模为参量，速度相对平滑，大约稳定在 1.40m／s，上升过程可以认为是匀速的，有利于在实现在任意位置停止，满足设计要求。

加速度曲线没有突变，不会给油缸和车厢带来冲击，有利于延长机器的使用时间。

举升过程中的分析改进意见，这个分析过程使用的是匀速运动的油缸，在油缸起步的时候，车厢的加速度很大，而且匀速运动的油缸只存在与理想条件中。

实际油缸都是先加速后匀速的，在机构难以做重大的改动的情况下，可以改善输入运动改善机构的运动。

可以通过使用节流阀等油缸控制元件，使油缸的速度以多项式的运动速度变化，减小加速度的变化，这样可以优化机构的工作环境可以延长机器的使用时间。

五．设计总结
在整个课程设计的设计计算过程中，主要用到了学习到的关于机械设计方面的知识和三维建模软件的应用。

在机构设计和选择中，我设想了很多的机构，通过对比他们的主要优缺点我采用了最佳的机构进行杆长的计算和设计。

然后开始对结构进行建模和仿真并进行了运动分析。

但是我在做这个设计的时候，感到了自己知识的不足。

在设计的过程中我觉得自己的设计不完善，计算不够，没有进行力学分析。

这个是最大的缺点。

只进行了运动学分析，没有进行力学分析，这样虽然说明了给机构施加一定的荷载是可以实现机构的运动的，但是没有进行动力学分析，却不知道需要多大的力才可
以推动机构运动，更没有分析进一步分析材料的性质和选定材料的截面尺寸和截面形状的设计是否符合受力要求。

5.1 机械设计的目的
1）培养综合运用所学的理论知识与实践技能，树立正确的设计思想，掌握机械设计的一般方法和规律，提高机械设计的能力。

2）通过设计实践，熟悉设计过程，学会准确使用资料，设计计算，分析设计结果，绘制图样，在机械设计基本技能的运用上得到训练。

3）在课余时间，提供一个较为充分的设计空间，使在巩固所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机械设计的内涵。

5.2 机械设计的步骤
1）设计准备：明确设计任务，设计要求，工作条件，针对设计任务和要求进行分析调研，查阅有关资料，参观现场实物。

2）方案设计：根据分析调研结果，选择原动机，传动装置，执行机构以及它们之间的连接方式，拟定若干可行的设计方案。

3）总体设计：对所拟定的发难进行计算，分析，对执行机构和传动机构进行必要的初步设计，进行分析比较，选择一个正确合理的设计方案，绘制整体方案简图。

4）结构设计（本次没有用到这一步）：针对某一部件，如部分传动装置或执行机构，进行详细设计，根据各个零部件的强度，刚度，使用寿命和结构要求，确定其结构尺寸和装配关系，完成装配图样设计和零件图样设计。

5）整理文档：整理设计图样，编写设计说明书。

5.3 设计中需要注意的几个问题
1）循序渐进，逐步完善：在设计过程中应该注意理论与实践的结合，要意识到，设计过程是一个复杂的系统工程，要从机械系统整体需要考虑，必须经过反复推敲和认真思考才能得到一个好的设计方案。

2）巩固机械设计基本技能，注重设计能力的培养和训练：机械设计的内容繁多，有很多需要的知识课本上并没有，应该自觉加强理论与工程实践的而结合，掌握认识、分析、解决问的基本方法，提高设计能力。

3）汲取传统经验，勇于创新：机械设计题目主要来自工程实际中的常见问题，设计中有很多前人的设计经验可以借鉴。

在学习的过程中，要注意了解学习，继承前人的经验，同时发挥主观能动性，勇于创新，在设计实践中培养创新能力，以及发现问题、分析问题、解决问题的能力。

4）整体着眼，提高综合设计素质：在设计过程中，应该自居加强自主设计意识，注意先总体设计，后部分设计，先概要设计，后详细设计。

遇到设计难度时，要从设计目标出发，首先解决主要矛盾，逐渐解决次要矛盾。

5.4 机械设计的基本原则
1）创新原则：设计是人们为达到某种目的所做的创造性工作，以内创新是设计的主要特征。

机械设计，首先应是创新的设计，其特点是理论与实践经验同直觉的结合。

现代设计的综合性越来越突出，子啊增加了设计的复杂性的同时，也给创新提供了更好的机会。

2）安全原则：产品安全可靠的工作是对设计的基本要求。

设计为了保障机械的安全可靠运行，必须在结构设计，材料性能，零部件强度，运动稳定性等多方面
进行标准设计。

3）工艺性原则：构件图样设计完成后，要力求使部件的结构工艺性合理，结构简单，易于加工。

5.5 本次设计效果分析与改进意见
这个设计经过分析验证，达到了设计的运动要求。

这个设计当然还有许多不完善的地方，目前的机构根本不具有实际应用价值。

如果考虑到应用的问题，则需要很多的因素，针对这些设计要求进行改进。

首先是在机构上面，在这个采用的机构中还可以进行优化设计，主要是改动油缸和转动杆的铰接位置，通过改变油缸和铰接点的位置，可以避免初始传动角过小的问题。

针对铰点的位置调整也可以优化在油缸匀速运动时候的机构目标点的运动曲线，减小目标点在运动中的冲击。

5.6 设计心得体会
通过这次设计初步了解了机械原理理论设计的一般过程和方法，加深了对机械原理这门课程的理解，同时也知道了原来学习机械工程材料、结构力学等课程的应用。

在做机械设计的过程中首先要满足的条件是需要设计出符合运动要求的机构简图，计算出机构的尺寸，依据机构进行运动学仿真，这些内容也是这次做设计的主要内容。

得到机构简图以后需要对机械构件进行尺寸综合，算出在符合承载要求的情况下需要的构件尺寸。

在设计构件尺寸的过程中，不仅仅要考虑材料力学的知识，也要了解材料的特点。

知道根据实际情况选择合适的材料。

在计算设立和承载的时候进行动力分析，结构是否符合动力设计的要求，运动过程中的冲击。

在运动分析之后得到真实的机构和个零件的实际尺寸，然后组装成实物。

如果不符合设计要求，发生干涉和刚性冲击等，可以根据实际条件，改进设计。

在设计之后，通过机械原理的应用。

我知道了自己还需要学习很多知识，书到用时方恨少，在进行设计的过程中，需要应用到很多的知识。

要想完成机械设计的全部内容，从计算、设计，到得到实物的过程，是一个分成复杂的过程，仅仅知道设计原料是没有实际价值的，即使知道设计，加工和组装对机器的性能也会有很大的影响。

所以想要完成一个机器的设计过程，掌握设计制造机械的本领，我要继续学习，争取做的更好。

六致谢
首先我想感谢学校开设机械综合设计这门课程这极大地让我们认识到自身的不足以及机械所要求的严谨，课上的答辩为我们以后做项目打下基础。

还有何朝明老师，在整个设计中，从项目规划到尺度综合，到运动学分析以及最后的设计说明书，这一系列环节都离不开何老师的细心指导。

因为是第一次撰写设计说明书，在许多细节方面考虑不周，对此，何老师都给予了耐心的解答与指正。

另外，还要感谢我们班沃野同学，从他那块得到CATIA软件以及一些教学视频为建模省了很大一部分时间。

七参考
[1] 谢进, 万朝燕, 杜立杰. 机械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004年
[2] 机械工程手册[S], 第十八篇, 机构选型与运动设计. 北京: 机械工业出版社, 1978年
[3] 丘宣怀等. 机械设计. 北京: 高等教育出版社, 2007年。