1、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： 具有一般自卸汽车的功能。 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Smax见表1。 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amax不得超过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，后厢门和车厢的相对位置见图2。 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
2、，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。（2）原始数据：表1-1原始数据方案号车厢尺寸LWHL(mm)W(mm)H(mm)Smax(mm)A(mm)W(kg)L1(mm)Hd(mm)A4000200064018003805000300500B3900200064018503504800300500C3900180063019003204500280470D3800180063019503004200280470E3700180062020002804000250450F36001800610205025039002504502 设计方案的评价
3、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Smax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amax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：结构简单，易于加工、安装和维修；能够保证车厢在举升和下降过程中保持水平，稳定性好；液压油缸较小的推程能够完成车
4、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，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
5、带动车厢后移，当E点与B点等高时，后移量达到最大。优点： 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； 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： 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。 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。 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；
6、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，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
7、。 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，举升前，举升后 ，则有上移量：后移量： 该举升机构的优点是： 结构简单，紧凑； 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； 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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：根据设计要求，举升机构需要满足：车厢尺寸L(mm)W(mm)H(mm)Smax(mm)A(mm)W(kg)L1(mm)Hd(mm)3900180063019003204500280470 如图3-1，设AD=BC=CF=DE=，初始位置 ，到达最大升程时 由几何关系可得： （3
13、-1） （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 (3-3) （3-4）取 ，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) 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=549.74.1
14、.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: （4-1） （4-2） 且+= （4-3）其中, 为A,E点之间的垂直距离 =450 ，为B，D之间的垂直距离，,取为150，为A,D之间的水平距离，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(y2-1502)+900)2+
15、(450-150)2-x2,x+y-1800*sin(pi/3)-450),eval(x),eval(y),解得 x=1460 ， y=549AB=1460，BD=549，DE=1800根据图解计算，取AC=400，AC垂直距离为300，则AF=10004.2 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
16、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/s51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/s55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.19982 牛鸣岐,王保民,余述凡.机械原理课程设计手册(第2版) 大学.20103 邹慧君主编.机械原理.高等教育.
