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高位自卸汽车设计
说明书
班 级： 车辆五班
姓 名：
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。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 1
二 设计题目 2
2.1 设计简介和母的 2
2.2 设计条件和设计要求 2
三 执行机构设计 3
3.1 举升机构的设计 4
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 14
4.2 模型的运动仿真……………………………………………………………………………………14
五 设计总结 15
5.1 机械设计的目的 15
5.2 机械设计的步骤 16
5.3 设计中需要注意的几个问题 16
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 17
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Smax见表。
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，车厢后移量a见表。为保证车厢的稳定性，其最大后移量amax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。
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）
方案号
车厢尺寸（LWH）
Smax
a
W
Lt
Hd
B
39002000640
1850
350
4800
300
500
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∠CAB=φ1，举升后∠CAB=φ2，则有
上移量：S=a+bsinφ2-sinφ1
后移量：d=2acosφ1-a+bcosφ1-2acosφ2-a+bcosφ2
化简后得
d=a-bcosφ1-cosφ2
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∠CAB=φ1，举升后∠CAB=φ2，则有
上移量： S=l（sinφ2-sinφ1）
后移量： d=l（cosφ1-cosφ2）
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
已知的车厢等重要的尺寸：
方案号
车厢尺寸（LWH）
Smax
a
W
Lt
Hd
B
39002000640
1850
350
4800
300
500
举升机构尺寸设计：
设AD=BC=CF=DE=l，初始位置∠HAB=φ0，到达最大升程时∠HAB=φ1由几何关系可得：
Smax=2l（sinφ1-sinφ0）
a=l（cosφ0-cosφ1）
为了使整个举升机构不超过车厢底部安装空间，需满足
2lsinφ0≤Hd
lcosφ0≤L
取2lsinφ0=450，联立得
l=1803mm φ0=7.2 φ1=38.6
液压缸尺寸计算
取MG=NH=200mm
（1） φ0=7.2时，∠HCM=14.4,CM=701.5mm，CH=901.5mm，由余弦定理得
cos14.4=CM2+CH2-MH22CMCH
解得MH=284mm 284sin14.4=701.5sin∠CHM ∠CHM=37.9
∠MHN=∠CHN－∠CHM=(180－27.2) －37.9＝127.7
cos127.7=NH2+MH2-MN22NHMH
解得MN=436mm
（2） φ0=38.6时，∠HCM=77.2,CM=701.5mm，CH=901.5mm，由余弦定理得
cos77.2=CM2+CH2-MH22CMCH
解得MH=1012mm 1012sin77.2=701.5sin∠CHM ∠CHM=42.5
∠MHN=∠CHN－∠CHM=(180－238.6) －42.5＝60.3
cos60.3=NH2+MH2-MN22NHMH
解得MN=864mm
所以 液压缸行程S=MN2-MN1＝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H=400，偏转角度X=55。
在机构计算中可以看出当L3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：
L3sin55+H2=(L1+L2)2-[L3(1-cos55)sinL3(sin55L3+H)]2
L3+L1
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