自卸汽车举升机构设计概述.docx

烟台大学毕业论文（设计） 分类号 编号 烟 台 大 学 毕 业 论 文（设 计） T式自卸汽车 举升机构设 计 The design of T- type column hydraulic car lift 申请学位：工学学士学位院 系： 机电汽车工程学院专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名：学 号：指导老师：2014 年 6 月 1 日 烟台大学 . 烟台大学毕业论文（设计） T式自卸汽车 举升机构设 计 姓 名：指导教师 ：2014 年 6 月 1 日 烟台大学 烟台大学毕业论文（设计） 摘 要 随着国民经济的增长，我国专用汽车市场进入了快速成长期。2005 年专用汽车 生产企业已经有 628 家，专用汽车品种已经达到 4900 多个，2005 年专用汽车产量达 70 万辆，占载货汽车总产量的 40%。作为专用汽车中一个分支的自卸汽车，陆续出现了多种多样的型式，其中最常见的是后倾式自卸汽车。 本文首先对自卸汽车国内外发展现状及设计内容作了相关的概述。接着，按照自卸车举升机构的设计过程，完成了对机构的选型、机构的受力分析也计算、液压回路系统的设计与运动仿真分析。 关键字：专用汽车，自卸汽车，举升机构，运动仿真 烟台大学毕业论文（设计） Abstract With the national economic growth, China's auto market has entered a special rapid gro wth. 2005 Special Purpose Vehicle manufacturers have been 628, Special Purpose Vehicle has reached more than 4900 varieties,2005 special vehicle production reached 700,000, Accounting f or 40% of total truck. As a Special Purpose Vehicle in a branch of the dump truck, has been found in a wide variety of types , of which the most common is Back ward curved dump truck. In this paper, firstly, I made a general about the auto unload vehicle design and itsdevelopment domestic and abroad. Then, according to the process of the design of lifting mechanism of dump truck, completed the analysis of mechanism selection, mechanism of stress analysis are also calculated, h ydraulic system design and motion simulation. Key words: Special Purpose Vehicle, Dump Truck, Lifting mechanism, motion simulation 烟台大学毕业论文（设计） 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外专用车辆的发展概况 . 1 1.2.1 国外专用车辆发展概况 . 1 1.2.2 我国专用汽车的发展状况 . 2 1.3 自卸车概述 . 2 第二章 自卸车举升机构选型 . 4 2.1 自卸车载重与车厢举升角的确定 . 4 2.1.1 自卸车载重 . 4 2.1.2 车厢举升角的确定 . 4 2.2 举升机构结构选型 . 4 第三章自卸汽车举升机构的结构与设计 . 7 3.1 T 式举升机构运动与受力的解析计算 . 7 第四章 液压系统设计 . 12 4.1 确定系统方案 . 12 4.1.1 液压回路系统的设计 . 12 4.2 液压系统主要元件的性能参数计算与选型 . 13 4.2.1 举升油缸的性能参数计算与选型 . 13 4.2.2 液压油泵性能参数计算与选型 . 14 4.2.3 管路选择 . 15 4.2.4 油箱容积设计 . 15 第五章 T 式自卸汽车举升机构的动力学仿真 . 16 5.1 T 式自卸汽车举升机构系统实体模型的建立 . 16 5.2 举升机构的动力学仿真 . 18 5.2.1 模型导入 . 18 5.2.2 编辑模型构件 . 19 5.2.3 运动副建立 . 19 5.3 对三维模型进行运动仿真分析 . 20 5.3.1 设置运动仿真解算方案 . 20 5.3.2 仿真曲线输出。 . 21 第六章 总结 . 23 致谢 . 24 烟台大学毕业论文（设计） 参考文献 . 25 烟台大学毕业论文（设计） 第一章 绪论 1.1 引言 对于专用车辆术语世界各国还没有统一标准,国外所谓的专用车辆通常是指一种在很多特征上不同于基本型车辆或通过特别改装以后,用于运输货物或人员的车辆,以及只用于完成特殊任务的车辆。 1.2 国内外专用车辆的发展概况 1.2.1 国外专用车辆发展概况 国外最先开发专用车辆产品的是欧美的部分国家，二战后又在日本、前苏联等国获得发展。 （一）国外专用车辆的生产组织状况 国外专用车辆的生产组织形式多样化，大体可以概括为如下几类： （ ）汽车制造厂（即主机生产厂）设分公司或分厂制造专用车辆，一般以生产本厂基本车型改装的专用车辆为主。 （ ）专用车辆厂从汽车厂购买普通车型的底盘，开发出产自己的专用车辆。 （ ）非汽车公司组织专用车生产。 （二）国外专用车辆企业的特点 （ ）多品种，小批量。 （ ）厂家多，规模小。 （ ）零、部件生产专业化。 （三）国外专用车辆产品的现状及其发展趋势 美国是专用车辆发展最早的国家之一，其专用车辆的生产是美国汽车工业的重要组成部分。据不完全统计，美国在 1986 年其专用车产品占据货车产量的 58%，在其的中型货车保有量中专用车辆占到 以上；20 世纪 70 年代，美国的挂车平均年产量已达 15 万辆左右。日本自 20 世纪 70 年代末，特种车辆年平均产量约 20万辆；直到 1990 年日本专用车辆总产量已经达到 25.8 万辆；近年在中型货车中，专用车辆所占比例已经超过 54%。欧洲的专用车辆主要是重型专用车辆，欧洲绝大多数专用车辆生产厂家集中在德国。前苏联自从 1956 年以来，汽车工业得到了显著的发展，虽然载货汽车在汽车总产量中所占的比例却在降低，但是专用车辆在载货汽车保有量中所占的比例却逐年增加。 许多国外汽车厂专门生产专用车辆底盘，特别重视专用底盘的系列化、专业化生1 烟台大学毕业论文（设计） 产，以满足特殊需要的专用车辆。近些年来，许多国外的专用车辆汽车厂逐渐注重专用车辆上新材料、新技术的使用。 1.2.2 我国专用汽车的发展状况 （一）我国专用汽车的生产现状 我国生产专用车辆的起步始于 20 世纪 60 年代初期，是在对军用车辆改装、消防车辆改装的基础上逐渐发展起来的。20 世纪 70 年代，一些生产专用车辆的生产厂依据不同需要的国民经济，已经逐渐变为生产的某一门类专用车辆的骨干企业，开发了属于自己的特色产品。到现在为止，专用车辆已经变成在我国国民经济中不可或缺的重要装备，并且专用车辆的适用范围越来越广泛。 通过 40 年的发展，专用汽车行业在中国已具有一定规模，尤其是在第二十世纪90 年代初，专用汽车在我国得到了高速的发展。到现在为止，我国生产专用车辆的生产厂家一般分为 4 种：一是生产基本型车辆的汽车制造厂，它们生产了占总的专用车辆产量的 50%左右的专用车辆；二是专业生产专用车辆的汽车生产厂，在汽车制造厂提供的汽车底盘上进行改装，这是目前我国专用车辆生产的主要形式，其生产了占总的专用车辆产量的 45%左右的专用车辆；三是非专业生产厂，它们在生产其他产品的同时也在生产专用车辆；四是一些部门修理厂，根据用订户的要求也改装少量的装用车辆。 在近 20 年来，我国专用车辆得到了迅速发展，成绩巨大，但是从国内经济发展的需求和世界工业发达国家专用车辆的发展趋势来看，我国专用车辆的品种还比较单一。不断开发新产品，增加产量和品种，提高产品品质，调整生产规模是摆在专用线辆厂家面前的一项紧迫而艰巨的任务。 （二）专用车辆产品的发展趋势 随着我国经济的发展，需要为基础的工业建设，油田开发建设，矿山建设，电厂和水利建设，交通建设的发展，提供大量的专用用车，重型专用车辆起关键性的作用。重型特种车辆具有良好的经济效益，大功率等优点，有利于其综合利用。目前，中国专用汽车占全国汽车市场和生产的比例较小，与发达国家相比还有不小的差距，所以重型专用汽车的开发和生产，在车辆品种和生产数量有广阔的发展前景。伴随着我国经济的快速发展，城市需要大量的生活用车、环卫车、医疗车、市政车和其他各种轻型专用车辆。 1.3 自卸车概述 自卸车是利用自身发动机动力驱动液压举升机构，将货箱倾斜一定角度卸货，并具有复位功能的一种重要的应用最为广泛的专用汽车。它主要用于散装和散装货物的2 烟台大学毕业论文（设计） 运输，如砂，石，煤炭，矿产，土地，建筑材料，废料，用于矿石，建筑，建材厂等。 因为自卸汽车具备卸货机械化的特征，大多时候又与装载机或皮带运输机配套应用，来到达全部装载机械化的功能，所以能够极大减少装卸所用时间，提高运输效率，减轻劳动强度，并且可以节约大量劳动力成本。 自卸汽车按其用途来分可分为两大类： 一类属于非公路运输的重型和超重型自卸车，装载质量一般在 20t 以上，主要承担大型矿山、水利工地等运输任务，通常与挖掘机配套使用，这类自卸车称为矿用自卸车。矿用自卸车的长度、宽度、高度以及轴荷等不受公路法规的限制，但只能在矿上、工地或其他指定的地方使用。 另一类自卸车属于公路运输车辆，分为轻、中、重型自卸车，装载质量一般在，主要承 担成矿石、泥土、 煤炭等松散物质的 运输，通常与装载机 配套使用 ，通常称为普通自卸车。 自卸汽车按结构分类可分为后卸自卸车、侧卸自卸车、三面卸自卸车和底卸式自卸车等。其中后卸式自卸车应用最广，通常讲的自卸车都指后卸自卸车，后卸自卸车如果车身利用汽车牵引车牵引形成半挂自卸车。 自卸汽车载质量大小不同，根据载质量可分为轻型自卸车、重型自卸车和重型自卸车。一般轻型自卸车装在质量不超过 3.5 吨；中型自卸车装载质量在 3.5 吨到 8吨之间；装载质量超过 8t 的都属于重型自卸车。 3 烟台大学毕业论文（设计） 第二章 自卸车举升机构选型 2.1 自卸车载重与车厢举升角的确定 2.1.1 自卸车载重 本课题的改装车型是经济型轻卡江淮好运系列，车载重取 3t。 2.1.2 车厢举升角的确定 车厢最大举升叫一般有装载货物的安息角确定。表 2-1 为常见的货物安息角。 表 2-1 常见货物的安息角 物料名称煤焦炭铁矿石铜矿细沙粗砂石灰石粘土水泥安=角自卸车的举升机构设计的最大举升角 必须大于所运载货物的安息角，来确保能够把车厢内的货物倾卸干净。在设计机构选择最大举升角时，自卸汽车车厢的最大举升角一般在可在 之间选择。在本车型取最大举升角为 。 2.2 举升机构结构选型 自卸汽车对举升机构的设计要求如下： 1、升降机构实现周转，安装空间不能超过车厢和主框架的底部空间； 2、结构要紧凑，可靠，具有很好的动力传递性能； 3、完成倾卸后，要能够复位； 4、在达到最大举升角度时，车厢后板底部应该与地面保持一定距离； 自卸车举升机构通常被分为两大类：连杆组合式和直推式。 ( )直推式直推式举升机构是通过液压油缸直接举升车厢倾卸。该机构布置简单、结构紧凑、 举升效率高。一般采用单作用多级伸缩式套筒油缸来满足液压油缸工作行程长的问题。直推式举升机构根据液压油缸与不同位置车厢连接点连接可分为前置式和后置式两种，如图 2-1 所示；依照举升油缸的级数不同可分为单级式和多级式两种；按照安装油缸数目的不同可分为单缸式与多缸式。 前置式通常采用单缸，后置式既可采用单缸，也可采用并列双缸。在同样的举升载荷下，前置式需要的举升力较小，举升时，车厢横向刚度大，但油缸活塞工作行程长，后置双缸并列直推式举升机构具有布置简单、结构紧凑、油缸活塞行程小、举升效率高举升稳定性好、易于加工等众多优点，故应用较为广泛，但举升时横向刚度较4 烟台大学毕业论文（设计） 差。采用多级伸缩式油缸制造成本较高、密封性要求也高。 ( )连杆组合式 连杆组合式举升机构一般由三角臂、副车架和车厢构成的连杆机构与油缸组合而成。其优点如下：举升平顺，油缸活塞的工作行程短、活塞行程可成倍增大，举升刚度好，可采用结构简单、密封性好、易于加工的单缸，布置灵活多样。所以通常应用于现代中、轻型自卸汽车。常用的连杆组合式举升机构如图 2-2 所示，其布置形式有两种，即油缸前推式（又称 T 式）和油缸后推式（又称 D 式），T 式又称为马勒里式举升机构，D 式又称为加伍德式举升机构。以 T 式和 D 式连杆组合式举升机构为基础，还可以演变出多种各具特色的连杆组合式举升机构，如油缸前推杠杆组合式、油缸后推杠杆组合式、油缸浮动连杆组合式等。 图 -1 直推式举升机构的布 图 -2 连杆组合式举升机构 ）前置式； ）后置式 ）油缸前推式； ）油缸后推式 在自卸汽车设计中，举升机构选型是一个核心 性问题。必须确保最大举升力和最大举升角两个要求。各种类型的自卸汽车举 升机构特点比较见表 2-2，可供设计选型时作为参考。 举升机构选型时应考虑的问题： ）液压系统是否能够承受在举升质量作用下的举升力； ）液压系统的行程是否能够满足车厢的最大举升角； ）液压系统特别是液缸的生产及配套情况。 直推式举升机构结构设计简单。但是因为是油缸直接顶起车厢,为了获得一定的举升角度 ,通常需要使 用多级油 缸,而且又 为了提高整 车的稳定性 ,通常采 用双油缸结构。不过这样容易造成油缸漏油和双缸举升的不同步,容易 使车厢举升受力不均。现在,该类举升机构主要应用在重型自卸汽车。 连杆组合 式举升机 构利用三角 形连杆机 构的放大特 点,不仅 降低了油缸 的工作行程,而且还能通过与连杆系的横向跨距来加强卸货时车厢的 稳定性,该机构只需要采使用单级单缸的油缸就能达到设计要求。所以,该类举升机 构制造工艺相对简单,5 烟台大学毕业论文（设计） 在生产实际中获得大量应用。综合以上所述，本文选用前推连杆组合式举升机构（或称马勒里式），如图 2-2。该举升机构通过三角板于车厢底板 相连推动车厢起降，启动性能较好，并能承受较大的偏置载荷；举升支点在车厢中心附近 ，车厢受力状况较好。 表 2-2 直推式与连杆组合式举升机构的综合比较 类别 项目 直推式 连杆组合式 结构布置 系统质量 建造高度 油缸加工工艺 性 油压特性 系统密封性 工作寿命 制造成本 系统倾卸稳定 性 系统耐冲击性 简便、易于布置 较小 较低 多级缸、加工精度高、工艺性 差 较差 密封环节多、易渗漏、密封性 差 磨损大、易损坏、工作寿命较 短 较高 较差 较好 比较复杂 较大 较高 单级缸、制造简单、工艺性好 较好 密封环节少、不易渗漏、密封 性好 不易损坏 较低 较好 较差 6 烟台大学毕业论文（设计） 第三章自卸汽车举升机构的结构与设计 3.1 T 式举升机构运动与受力的解析计算 图 3-1 油缸前推连杆组合式（T 式）举升机构的运动与受力的解析图 分别取举升角其分析步骤如下： 、 、 三个位置时进行计算( )取车厢后铰支点 O 为坐标原点，坐标轴 x、y 方向如图所示：点 、 、 、E 为举升角 时三角臂的三顶点及油缸下铰支点位置；点 A、B、C、E 为举升角在任意角 时的三角臂的三顶点及油缸下铰支点位置。拉杆 的后铰支点 D 为已知的固定点。 各固定点坐标 E( ， )、D( ， ) 当 时，A 点坐标( ， )、G 点坐标( ， ) 、 、 、 ( )分别求出三角臂与车厢的铰支点 A 以及举升质量质心 G 在任意举升角时的( ， )、（ ， ） ( )7 烟台大学毕业论文（设计） 式中， 和 为 A 点在 时的坐标。 分别求出 、 、 时 A 点坐标为( ， )、( ， )、( ， ) 同理，质心 G 点坐标（ ， ）可由下式求得： 式中， 和 为 G 点在 时的坐标。 () 分别求出 、 、 时 G 点坐标为( ， )、( ， )、( ， ) (3)解下方程组，可求得 B 点坐标值( ， )： ( ) ( ) ( )分别求出 、 、 时 B 点坐标为 ( ， )、( ， )、( ， ) (4)解下方程式，可求得 C 点坐标值( ， )： ( ) ( ) ( ) 分别求出 、 、 时 C 点坐标为( ， )、( ， )、( 、 ) (5)直线 和 的方程： 由方程 (整理的直线 标准方程： ) ( ) ()()( ) ( )分别求出 、 、 时直线 标准方程： 8 烟台大学毕业论文（设计） 由方程 整理的直线 标准方程： ( )()()()()分别求出 、 、 时直线 标准方程： ()求直线 和 交点 F 的坐标（ 时： ， ） （ ， ） 时： 时： （ ， ） （ ， ） ( )求点 O 到直线 的距离 | ( )( )|( )( )( ) 时：代入 ( ， )、 ( ， )求出： 时：代入 （ ， ）、 ( ， )求出： 时：代入 （ ， ）、 ( ， )求出： ( )取车厢作分离体，根据力矩平衡 得： 9 烟台大学毕业论文（设计） 时： 时： 时： ()求 B 点到直线 和 的距离 | ( ) (， )()()|( ) 时：代入 ( ， )、 ( ， )、 ( ， )求出： 时：代入 ( ， )、 ( ， )、 ( ， )求出： 时：代入 ( ， )、 ( 、 )、 ( ， )求出： | ( ) ( ) ( ) ( )|( ) ( )( ) 时：代入 ( ， )、 ( ， )、 ( ， )求出： 时：代入 ( ， )、 ( ， )、 ( ， )求出： 时：代入 ( ， )、 ( ， )、 ( ， )求出： ( )取三角臂 ABC 为分离体，根据力矩平衡 得： ( ) 时： 10 烟台大学毕业论文（设计） 时： 时： 式中 对应任意举升角 时的油缸推力( )。 11 烟台大学毕业论文（设计） 4.1 确定系统方案 第四章 液压系统设计 自卸汽车的液压系统由三部分组成：动力部分、控制部分和执行部分（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。控制部分用来控制举升油缸实现车厢倾翻，它应具有举升、中停 和下降三个动作。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。 4.1.1 液压回路系统的设计 液压回路选择 调速回路：采用节流调速 方向控制回路：采用手控三位三通换向阀对油路进行方向控制。 节流调速系统中，由定量泵供油，用溢流阀调节所需压力，并保持恒定。油泵输出的油液在换向阀内部卸荷，本系统用三位三通换向阀的中位进行卸荷。 图 4.1 溢流阀限压回路 图 4.2 换向阀中位置卸荷 利用油缸实现车厢的举升、中停、下降三个过程的液压系统图如下图所示。各构件名称：1、单活塞液压缸 2、节流阀 3、手动换向阀 4、油箱5、溢流阀 6 液压泵 7、单向阀 举升时 换向阀 3 处于举升位置，见图 4-3。油泵将高压油通过单向阀 7 压入油缸下腔，推动活塞上升，通过三角臂机构使车厢后翻，直到活塞上的限位阀打开，油泵输出的压力油流回油箱，停止升降，溢流阀可以用来调节系统的最大压力。 中停时 换向阀 2 处于中停位置，见图 4-4。油泵输出的油液在换向阀 3 内部卸压，无压力，油缸内油液无压力，不能举升油缸，同时油缸内油液已封闭，所以自卸车处于中停，车厢静止状态。 下降时 换向阀 3 处于下降位置，见图 4-5。油缸下腔油路与油箱相通，车厢在自重下，活塞下移。油缸下腔油液经节流阀 2 流回油箱，下降速度可用节流阀调节，这个过程关停油泵。 12 烟台大学毕业论文（设计） 图 4.3 举升时液压回路图 图 4.4 中停时液压回路图 图 4.5 下降时液压回路图 4.2 液压系统主要元件的性能参数计算与选型 用于自卸汽车液压回路设计的通用标准液压元件，汽车设计师只需要完成的主要性能参数的液压元件和液压元件的选型工作。 4.2.1 举升油缸的性能参数计算与选 型 根据最大举升力 和液压系统预给的最高工作压力 。可供选取的工作压力有：20.6MPa、15.7MPa、15.7MPa 和 10MPa。 油缸工作压力取 15.7MPa 最大举升力 ( ) ( ) 式中 为液压系统的工作效率，一般取 ； 式中 D 为举升油缸缸径( ) 将最大举升力 、 代入 13 烟台大学毕业论文（设计） 油缸最大工作行程 L： 为举升角时，油缸上两铰支点的距离； ()为举升角 时，油缸上两铰支点的距离。 取举升角 时： ； 取举升角 时： ； 取油缸的行程为 500mm。 举升油缸可依据确定的 D、L、p 进行选取 。 型号 参数 D L P 3DG-E90×500EQ-L1 90 500 15.7MPa 4.2.2 液压油泵性能参数计算与选型 油缸工作容积 为： ( )() () ()液压油泵额定流量 Q(ML/s 应满足下列要求 式中 t 为举升工作时间( )。 举升机构工作