载重汽车的起重后板设计计算书.doc
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载重汽车的起重后板设计计算书
载重汽车的起重后板
设计计算说明书
姓名:
学号:
班级:
指导老师:
何朝明
2014年6月
43/45
目录
第1章问题的提出 4
1.1问题提出背景 4
1.2行业国内外现状 5
1.3侧栏板起重运输的发展方向与前景 6
第2章设计要求与设计数据 7
第3章机构选型设计 8
3.1导杆机构 9
3.2平行四边形机构 9
3.3曲柄滑块机构 10
3.4凸轮机构 10
3.5平行四连杆机构 11
第4章机构尺度综合 11
4.1车体尺寸 11
4.2升降杆基本尺寸 12
4.3后板基本尺寸 13
4.4液压缸尺寸 14
第5章机构运动分析 16
5.1侧栏板升降机构的运动学分析 16
第6章机构动力分析 22
6.1侧栏板升降机构受力分析 22
6.2受力仿真结果分析 24
6.3总结 27
第7章结论 27
第9章收获与体会 28
第10章致谢 29
参考文献 30
附录1 31
附录2 37
附录3 40
第1章问题的提出
1.1问题提出背景
在假期看一个电视节目《升级到家》(见图1.1-1栏板起重运输车),发现他们的送货车后板可以充当起重作用,这样装卸时既省时又省力,这种车叫做栏板起重运输车。
在汽车的装卸作业中,常常需要将货物由地面装到车厢上或将车厢上的货物卸到地面上。
对有叉车的作业场合这是不成问题的,但如果没有叉车,则装卸比较费力费时。
设计一个起重尾板作为起重平台,可以高效的达到作业要求。
车辆配置起重尾板后,货物的装卸效率可以得到很大的提高,且劳动强度小,能很好地发挥车辆的经济效能。
图1.1-1栏板起重运输车
栏板起重运输汽车是在普通载货汽车基础上发展起来的。
载货汽车最初都是完全人力化装运,即完全靠人的肩扛手抬,费事费力、劳动效率低下、危险性高、工作人员劳动强度大,即使如此,但对于较少货运量来说也是能够承受的。
近年来,随着我国国民经济持续、快速、健康的发展,物流量成倍的增长,再加上各类型公路的建设速度加快,公路货运发展得到迅猛的增长,专业运输单位和个体运输经营者如雨后春笋般地多了起来。
很多公司都有了自己的运输车队,仅靠手工作业,不能充分发挥车辆的效能以提高企业效率。
同时由于汽车运输量成倍增长,货物的装卸量和频率也随之加大。
对于大吨位的厢式载货汽车而言,由于车厢地板离地较高,且货物质量较大,装卸困难,特别是在单人操作时,货物装卸很不方便,工作效率很低。
可见,实现货车装运的机械化是势在必行的,为此需设计一种可实现自起重装卸功能的专用载货汽车——侧栏板起重运输汽车,仅利用一套侧栏板起重装置就可以实现货物的机械化装运,从而大幅度能提高运输和装卸效率,减轻人的工作强度。
1.2行业国内外现状
起重尾板在欧美发达国家、香港特区等地区的货运车辆的装配率已达70%以上,在国内,虽然装配起重尾板的货运车辆在各个领域都有,但所占比例仍然很小。
因此,起重尾板在国内具有很好的发展前景。
起重尾板在欧美发达国家、香港特区等地区的货运车辆的装配率已达70%以上,在国内,虽然装配起重尾板的货运车辆在各个领域都有,但所占比例仍然很小。
因此,起重尾板在国内具有很好的发展前景。
图1.2-1栏板起重车进出口地区
栏板起重装置在国内的发展只是近二十几年的事情。
1985年原邮电部从日本进口了一批装有栏板起重装置的厢式车。
国内生产栏板起重装置的企业包括明水邮电通信设备厂等至少有5家,产品结构型式有单缸、四缸、五缸及20世纪90年代初的美国技术及最新型的五缸技术。
尽管在产品结构形式上,国际上的四代产品均在国内都有生产,但就其发展而言,仍处于起步阶段。
国内市场的扩展,还需要时间与机遇。
从时间上讲可能不会太久,从品种上讲,短时期内将仍是以多种型式并存,但最终可能是单缸产品和五缸产品为主。
栏板起重装置的发展,在国外大体上可分为四个时期。
第一代产品产生于20世纪30年代末,其特点主要是单缸举升,而栏板翻转靠手动,起升质量为500kg左右,栏板(又称载物平台)触地倾角9°~10°。
第二代产品产生于20世纪50年代初的欧洲市场,在第一代产品的基础上增加了翻转关门油缸。
举升与翻转分别由二个独立油缸实现。
起升质量在500kg以上,载物平台触地倾角10°。
第三代产品产生于20世纪70年代末的欧洲市场,增加第五只油缸使升降过程相对平稳与安全。
触地倾角一般为8°~10°。
第四代产品产生于29世纪90年代初,其液压系统及功能原理同第三代产品,只增加了记忆油缸的尺寸,使记忆动作的范围进一步增大。
它不同于第三代产品的关键在于其载物平台增加特殊结构,由一体改为两体活动联接,使平台触地后不仅能自动翻转,而且有一个下沉的动作,使触地倾角达到6°,甚至在6°以下。
目前该产品在荷兰、南斯拉夫和中国已申请了实用新型发明专利。
国内已有定型产品投放市场。
从操作性能、安全可靠性等使用效果上,第四代产品将逐渐取代了第二、三代产品。
而第一代产品,由于其结构简单,重量轻,虽然技术含量低,但具有便于维修等优点在发展中国家将仍有一定的市场。
图1.2-22013年栏板起重运输汽车区域
1.3侧栏板起重运输的发展方向与前景
传统的栏板起重车大多数只是局限于尾板起重,使得栏板起重车的应用范围不够广泛,环保意识的增强,对起重车的要求也越来越高。
现代车辆的装备技术必需与生态型、现代化国际大都市发展相适应,具有国际先进、技术创新的装备特征,必需从满足单一的普通作业需求,向满足文明作业、环境保护、质量监管、城市容貌等作业和管理需求方向发展。
这些特征如下。
(1)集成化:
即从一般的机械化向装备技术集成方向发展,这是集成化的技术基础;从单一功能的设备向装备系统集成方向发展,这是集成化的形态体现。
(2)环保化:
现代化城市的起重车辆,将从只满足基本作业功能需求向满足环保作业功能需求的方向发展。
通过技术创新、产品改进、功能完善,提高产品在控制污水、扬尘、噪声、废气等污染方面的性能。
人性化:
车辆的人性化是体现现代文明社会以人为本的理念,分别反映在操作人员工作环境和作业过程中对周围环境和人们的影响二个方面。
图1.3-1栏板起重车市场发展及预测
第2章设计要求与设计数据
汽车车厢的参数如图所示,有如下设计要求:
图2-1设计要求图
1.后板起升过程中保持水平平动。
2.后板在完成起升任务后可与车厢自动合拢。
3.起升、合拢所用动力部件采用伸缩油缸,油缸应安装在车厢下面,且在后板与车厢合拢后,两只油缸的活塞杆应缩进油缸体内以防止在行车过程中飞石等碰伤活塞杆。
4.最大起重量分别为0.3T、0.4T、0.5T。
5.起升机构、合拢机构的最小传动角γmin≥40°。
第3章机构选型设计
针对目前国内外的几种类型载重汽车起重尾板:
悬臂式汽车尾板、垂直式汽车尾板、摇臂式汽车尾板,我们可以分解为一系列功能,在这些机构中寻找可以满足各个功能的机构,然后将这些机构有机地综合起来,实现所有的功能、满足全部设计要求。
图3-1导杆机构图3-2摆杆机构
尾板机构的设计可采用功能分解选择法,即将起升和合拢分解为平动与摆动两个功能,然后在现有各种机构中选择能实现平动与摆动的机构。
考虑到动力组件为伸缩式油缸,那么主动构件可以采用图3-1和3-2所示的导杆与摆杆。
以图3-1、图3-2所示的导杆和摆杆作主动件,选择机构转换成平动和摆动。
下列几种机构可以实现平动:
3.1导杆机构
图3-3导杆机构
3.2平行四边形机构
图3-4平行四边形机构
3.3曲柄滑块机构
图3-5曲柄滑块机构
3.4凸轮机构
图3-6凸轮机构
优点:
能实现后板起升过程中保持水平平动,机构简单,易制造,方便维护。
起升、合拢所用动力部件采用伸缩油缸,油缸应安装在车厢下面,且在后板与车厢合拢后,两只油缸的活塞杆应缩进油缸体内以防止在行车过程中飞石等碰伤活塞杆,保护活塞杆不受伤害,增加使用寿命。
缺点:
但是不能实现后板在完成起升任务后与车厢自动合拢,造成安全隐患;在降至地面时不能一地面形成一个角度,而是和地面形成台阶,不方便装卸。
3.5最终设计方案
设计原理:
侧栏板起重装置的种类很多,但其基本原理却是相同的,即平行四连杆机构的平行移动原理,如图3.5-1所示。
图中、、、四连杆铰结,,,,固定杆,给杆一力矩,使其以B为圆心转动,则杆始终与杆保持平行状态。
如果使杆处于竖直状态,杆扩展为,那么,就能始终以水平状态升降,其中即为所说的侧栏板。
图3.5-1平行四连杆机构
最终方案:
双杠升降机构。
此设计不但实现后板垂直升降,而且实现了后板在完成起升任务后与车厢自动合拢,确保行车安全与货物安全,并且在降至地面时能一地面形成一个角度,而不是和地面形成台阶,方便装卸。
起升、合拢所用动力部件采用伸缩油缸,油缸安装在车厢下面,且在后板与车厢合拢后,两只油缸的活塞杆缩进油缸体内以防止在行车过程中飞石等碰伤活塞杆,保护活塞杆不受伤害,增加使用寿命。
此构件运行过程平稳,不易损坏物品,占用空间不大,可以安装于车辆底部,不影响行车,同时能够实现起升机构、因此,此构件作为最终方案。
工作过程:
1、装卸货物如图3.5-2,此时后板和地面形成一个角度,而不是和地面形成台阶,方便装卸。
当垂直降至地面时下面液压缸伸出活塞杆,使后板下底面完全接触地面,上平面与地面形成一定角度。
图3.5-2最终方案之降至地面
2、垂直升降过程如图3.5-3,此时下面液压缸不伸缩,只是上面液压缸伸出或收缩活塞杆,实现后板垂直升降。
图3.5-3最终方案之垂直升降
3、自动合拢如图3.5-4,如图示此时两液压缸活塞杆均缩进油缸体内以防止在行车过程中飞石等碰伤活塞杆,保护活塞杆不受伤害,增加使用寿命。
后板与车厢自动合拢,确保行车安全与货物安全。
当垂直升至最高位置,下面液压缸开始收缩活塞杆,直至与车厢闭合。
图3.5-4最终方案之最终合拢
第4章机构尺度综合
4.1车体尺寸
车体的基本尺寸如图4.1-1
图4.1-1车体基本尺寸
4.2升降杆基本尺寸
升降杆的理论长度为简化后的平行四杆机构的两摇杆的长度,这一尺寸应根据所选底盘的结构和改装车厢的布置确定。
初定时,此长度不宜过大,因为长度过大,起重栏板的载荷对拐臂轴所形成的力矩也大,所需液压缸的推力大。
但也不应过小。
一般以起重栏板上、下两个极限位置确定上、下杆的理论长度,此时,上、下杆的理论中线与水平线的夹角为40°~50°,如图4.2-1所示,
由图4.2-1可知,上下杆的理论长度L0为:
=/(m)(4-1)
式中—车厢地板平面到上杆与支架链接点的垂直距离(m);
—杆在上极限位置时与水平线的夹角(°)。
初步分析,设上下杆在极限位置时与水平线的夹角均为a,于是得:
=(m)(4-2)
式中C——平行四杆机构中连杆的长度(m),一般可取C=0.15。
代入式(4-1)得:
=(m)(4-3)
即 = (m)(4-4)
当取40°~50°时,=0.64~0.77,于是有:
=(0.64~0.77)(m)(4-5)
车厢底部距地面高度为1140㎜,于是得=(729.6~877.8)㎜,
取=800㎜,则C=0.15=0.15*800㎜=120㎜。
图4.2-1升降杆基本尺寸
4.3后板基本尺寸
图4.3-1后板基本尺寸
车体和升降机构共同决定了后板尺寸,后板的终止位置如图3.6-4所示,应与车厢合拢。
由升降杆基本尺寸和车体尺寸知,后板高c=120㎜,车厢高度为700㎜,考虑后板与车厢合拢后锁闭及货物安全,故后板宽=900㎜。
CE边装卸货物时与地面接触,β一般为85°,后板宽b由车厢宽决定,车厢宽2430㎜,需考虑车厢边的厚度,故后板长b=2420㎜。
4.4液压缸尺寸
取lAG=2lAC/3=566mm,则举升缸1的本体长度(即活塞杆合拢时长度)最小值为
L1==
=543.0(mm)
举升缸1的行程为
x1=
=
=137(mm)
合拢缸2的本体长度为
L2===848(mm)
合拢缸2的行程为
x2=
=
=141(mm)
根据液压缸的本体长度、行程及市场常见规格(表4-1为美国恩派克液压缸参数),取缸体直径为60mm,活塞杆直径为50mm。
第5章机构运动分析
5.1侧栏板升降机构的运动学分析
(1)翻转运动的位置分析
翻转运动时,B、点固定,铰接点受AD杆的限制而固定,整个机构可视为以AD和为固定边的平面四杆机构,完成上止点位置的翻转运动,其翻转示意图如图5.1所示。
其中A点为举升臂ADF与固定机架的铰接点,点为关门缸BC与栏板铰接点,B点为关门缸与固定机架的铰接点,点为举升缸与固定机架的铰接点,点为举升缸与举升臂ADF的铰接点。
在平面四杆机构中,每一杆可用一个位移矢量来表示,大写表示矢量,小写表示杆长。
设、和分别为举升臂ADF的角位移、角速度、角加速度,初始位置处。
、和分别为后栏板的角位移、角速度和角加速度,其中。
为关门缸活塞杆相对于液压缸的速度。
,,,。
此时,选机构初始位置。
作为其特定的标定位置,并建立以点为坐标原点的直角坐标系。
各角度的度量从矢量始点引轴方向线,顺时针为正。
对该四杆机构ADCF建立闭环矢量方程
(5.1)
将式(5.1)分别向、轴上投影,得
(5.2)
联立可求得
(5.3)
(5.4)
(5.5)
(2)翻转运动的速度分析
将式(5.3)对时间求导,得
(5.6)
得
(5.7)
的计算公式为
(5.8)
式中——液压系统供油量,mm3/s;
——关门缸的缸径,mm。
(3)翻转运动的加速度分析
将式(5.6)对时间求导,得
(5.9)
图5-1翻转运动位移、速度、加速度
2、上下平动的运动学分析
上下平动时,A、B点固定,但铰接点的约束解除,整个机构可视为以AB为固定边的ABCD平行四边形机构,完成上下的平动。
设,,,,为举升液压缸活塞杆相对于液压缸的速度,仍以、和分别表示举升臂的角位移、角速度和角加速度。
(1)上下平动的位置分析
对三角形建立闭环矢量方程
(5.10)
将式(5.10)分别向、轴上投影,得
(5.11)
联立可求得
(5.12)
(5.13)
(5.14)
(2)上下平动的速度分析
将式(5.12)对时间求导,得
(5.15)
得
(5.16)
的计算公式为
(5.17)
式中——液压系统的供油流量,m3/min;
——举升缸缸径,m。
(3)上下平动的加速度分析
(5.18)
图5-2上下平动位移、速度、加速度
3、着地倾斜运动的运动学分析
(1)着地倾斜运动的位置分析
着地倾斜运动指的是后栏板的点触地,在关门缸的作用下绕点摆动至边贴地的过程。
仍以、和分别表示后栏板的角位移、角速度和角加速度,其中。
表示关门缸活塞杆相对于液压缸的速度。
,,,。
此时,选机构的终止位置作为其特性的标定位置,并建立以A点为坐标原点的直角坐标系。
各角度的度量为从矢量始点引轴方向,顺时针为正。
对该四杆机构建立闭环矢量方程
(5.19)
将式(5.19)分别向、轴上投影,得
(5.20)
联立可求得
(5.21)
(5.22)
(5.23)
(2)着地倾斜运动的速度分析
将式(5.21)对时间求导,得
(5.24)
由式(5.24)得
(5.25)
的计算公式为
(5.26)
式中——液压系统的供油流量,m3/min;
——关门缸的缸径,m。
(3)着地倾斜运动的加速度分析
将式(5.24)对时间求导,得
(5.27)
图5-3着地运动位移、速度、加速度
通过以上对相关各点的位移、速度和加速度的分析,可以得出如下结论:
(1)尾板在举升过程中始终保持平动。
(2)竖直方向加速度较小且,水平方向加速度初始时较小,当尾板接近上限位置时加速度较大,但因加速时间较短,对速度影响不大,因此,从整体来看,尾板运行平稳。
(3)尾板合拢速度适中,即合拢较为平稳。
因此,机构在运动方向满足设计要求。
第6章机构动力分析
6.1侧栏板升降机构受力分析
1、机构分析
升降机构是一个空间机构,但是左右对称,如果将货物放在侧栏板的中间,可将该机构简化为平面机构,如图所示。
只需对合拢缸活塞杆和举升缸活塞杆进行受力分析,而不用求解铰链处的支座反力。
图6.1机构简图
2、关门缸的受力分析
由升降机构的运动学分析可知,在举升货物期间,关门缸作为平行四边形机构的一个边,此时该缸的受力较大,但在举升货物期间,该缸的活塞无轴向运动。
当将货物推上栏板后,栏板上平面由倾斜变为水平,但变化角度很小。
故按栏板落地状态且栏板上平面为水平进行受力分析,确定关门缸的有关参数。
关门缸在关门时,负载为栏板自身重量,负载小,不进行受力计算。
将栏板作为研究对象,设重物放在后栏板前后方向的重心位置,关门缸在此为二力杆件,作用在点的力为。
如图6.2所示,各力对点取矩,可以得到
(6.1)
图6.2栏板受力分析
即(6.2)
又因在任意瞬间该平台处于平衡状态,则有
(6.3)
即(6.4)
将式(4.39)代入式(4.41),可得
(6.5)
(6.6)
即(6.7)
可得
(6.8)
3、举升缸受力分析
举升缸的受力,主要是从侧栏板离地到后栏板上下平动的上止点,在这个过程中,举升臂受拉,关门缸和举升缸受压。
这些力的大小在栏板运动的不同位置是不同的。
但通过分析可知这些力在整个升降过程中是连续变化的。
分析举升缸的受力,要以举升臂为研究对象。
举升臂点的水平分力和垂直分力,可以由侧栏板的力平衡方程得出。
对举升臂部分进行受力分析。
对举升臂与机架铰接点求矩,则
(6.9)
在中,,
根据正弦定理,有
(6.10)
(6.11)
故,(6.12)
由(4.46)可知,
(6.13)
将式(6.7)(6.8)代入上式,可得
(6.14)
6.2受力仿真结果分析
在ADAMS仿真模型中,给尾板添加一个竖直向下的力,来表示货物施加给尾板的载荷,其值为函数IF(time-9.17:
4900,4900,0),功能为在尾板举升过程中施加大小为0.5T×9.8N/kg=4900N的力,当尾板达
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