面向大规模定制的自卸车举升机构产品配置优化设计

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面向大规模定制的自卸车举升机构产品配置优化设计

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高位自卸汽车

汽11班：陈 涛 胡 恒 李博男



【问题提出】



    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。



【设计要求和有关数据】





设计要求：



   1）具有一般自卸汽车的功能。

   2）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。

   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，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。

   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，后厢门和车厢的相对位置见图2。

   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。



序号
车厢尺寸（L×W×H）
Smax
a
W（kg）
Lt
Hd

1
4000×2000×640
1800
380
5000
300
500

2
3900×2000×640
1850
350
4800
300
500

3
3900×1800×630
1900
320
4500
280
470

4
3800×1800×630
1950
300
4200
280
470

5
3700×1800×620
2000
280
4000
250
450

6
3600×1800×610
2050
250
3900
250
450


表1（尺寸单位：mm）

【方案设计】



一．举升机构



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。



方案一：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：

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




    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

   


    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：




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：


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：




    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：


     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。



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×W×H）
Smax
a
W（kg）
Lt
Hd

4000×2000×640
1800
380
5000
300
500




    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 ，联立解得

， ，




二．翻转机构



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．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

该机构示意图如下图：


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：杠杆平衡式

    如下图所示：


该机构优点是结构紧凑，横向刚度比较好，举升时转动比较圆滑，杆系受力比较小，举升过程中油缸的摆动角度很小，油缸的行程也比较短。

该机构缺点是机构集中在车后部，给车身的整体布局带来一定的困难，而且，在推杆推动车厢翻转时，车厢倾翻轴支架的水平间内力非常大，因此，对材料的要求比较高。



方案3：油缸前推连杆式

    如下图所示：


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4：油缸后推连杆式



该机构的优点是比较紧凑，其他优点同方案3一样。其缺点为油缸推动行程比较大，因此对油缸的要求较高。










方案5：油缸液动连杆式

    如下图所示：


该机构的优点是机构紧凑，举升时转动圆滑，举升较平稳。

其缺点是该机构比较庞大，油缸固结在节点上，从而使杆件刚度要求较高。而且油缸转动角度过大，容易出现干涉。





方案6：前推杠杆组合式




其优点是结构紧凑，举升时转动平稳且圆滑，在举升过程中，油缸转动角度较小。

其缺点是油缸的行程比较大。





方案7：连杆放大式

     如下图所示：


机构的优点是横向刚度好，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方向反力较小。

缺点是该机构的三脚架比较大。



三．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。






三．后厢门打开机构



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：


设计方案选择：



1.       方案一


                                             

机构分析：

该种方案是最容易想到的，因为设计要求中提到在车厢倾斜卸货时，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。所以，在本设计中，当车厢翻转的时候，后箱门是完全依靠自重下垂的，在车厢倾斜卸货的时候，后箱门是可以随之打开的，当车厢恢复水平的时候，后箱门也可以自动的依靠重力而随之关闭。另外，为了保持在后箱门关闭后，不会因为其他的情况而再次打开，我们在车厢的底部设计了一个倒锁（如上图中的蓝色机构所示），它在后箱门关闭后会自动工作把后箱门锁死，所以，基本的设计要求还是达到的。



优点：

该设计机构最大的优点就是结构简单，思路也非常容易想到。



缺点：

该机构的缺点也是比较明显的：第一，该机构在箱门开启之后就不能对箱门的位置进行控制了，使得箱门在空中有比较大的晃动，没有实现与车厢的联动；第二，该机构需要在箱体底部加装一个倒锁，而该倒锁就需要一套装置来进行控制，如果要实现自动锁死的话，就还需要设计一套机构或是加装传感器，这样以来，费用就上去了。



2.       方案二


                                 

机构分析：

该机构就是一个简单的4连杆机构，其中连杆1是和后箱门固连在一起的，3是一个可以绕车厢体转动的移动副。

在车厢翻转时，通过联动机构使连杆2在3内滑动，从而推动1绕C旋转，从而使后厢门开启。



（后厢门打开的联动机构设计在本节尾）



优点：

能够保证车厢门打开和关闭的准确位置，比较容易实现和车厢的联动关系，另外，计算也比较的简单。



缺点：

主要缺点就是2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。



3.       方案三


                                

机构分析：

本机构完全由四杆机构构成，其中的一根杆2就是车厢的后门。另外两根杆1和3都是铰接在车厢体上的。

当车厢翻转时，通过联动机构使杆3转动，从而带动后厢门2转动，完成其开启和关闭动作。



优点：

1．该方案的结构比较简单；

2．该方案较易实现与其他机构的联动，能够确保车厢门的打开和关闭的时候的准确位置。



缺点：

本机构虽然原理简单，但对机构尺寸的要求较高。



综合上面的分析，我们选取第三中方案作为最后的设计方案。





后厢门打开联动机构



    联动机构是将翻转机构和后厢门打开机构联系在一起的机构，用来保证两者间的配合工作和位置要求。

    根据以上选定的翻转机构和后厢门打开机构，设计联动机构如下：


   

    联动机构如图中红色部分。

    如上图所示，通过连杆DG和GH将翻转机构和后厢门打开机构联系起来。当车厢翻转时，通过联动机构使杆HK转动，从而带动后厢门JK转动，完成其开启和关闭动作。

合理设计各杆的长度，能够满足车厢与厢门之间准确的位置关系。



补充：

    我们注意到，在以上后厢门打开机构以及联动机构中，如果JK就是后厢门的话，后厢门将不能自由开合。但在实际中，经常需要在车厢不翻转的情况下，打开后厢门进行卸货、清扫等。为了解决这个问题，可将JK换成一支架，然后在支架上焊接上两挂钩，将后厢门挂在支架上，这样，在上述情况下，只需卸下后厢门即可。

    如下图所示：




【机构综合】

   

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：



   举升机构：




   翻转机构：




   后厢门打开机构：




    联动机构：




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（如下图所示）。




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内安装翻转机构。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。





3．机构总成



   将以上选定的各机构组合后，得到如下最终机构简图：




     如上图所示：

其中：

     天蓝色线―――车厢；

     红色线――――车厢底部凹形拖板；

     蓝色线――――举升机构；

     淡红色线―――翻转机构；

     绿色线――――后厢门打开机构；

     灰色线――――联动机构。





【机构搭接】



一．搭接说明



    根据所选择的机构，在实验室PCC-II型平面机构创意组合及参数可视化分析实验台上进行搭接。

    由于本组所选题目――高位自卸车是一种比较大型的机构，构件数很多，构件形状多变，再加之实验台上提供的原动机只有电动机，故给设计和搭接带来很大困难。

    再和实验室老师多次讨论后，根据此次综合训练的目的，我们决定以创新设计为主，不要受实验台的限制，在机构搭接时，根据实验室器材再作适当改进。

    为此，我们在进行机构搭接时，在所设计的举升机构、翻转机构、后厢门打开机构中分别选择一种能够在实验台上实现的方案进行搭接，以此来观察该方案的优缺点。



二．机构搭接



1．举升机构



    在搭接举升机构时，我们选择平行四边形举升机构进行搭接。

    为了克服没有液压油缸作动力源的问题，我们改用凸轮机构代替，而车厢则用连杆代替。下图为平行四边形举升机构的搭接照片。

    在机构的左侧为一移动滚子从动件盘形凸轮机构，从动件再通过连杆与举升机构相联，作为举升机构的动力源，模拟油缸的伸缩运动。凸轮通过带传动与电动机相连。



     机构搭接完毕后，经老师检查后，接通电源试运转。

     通过观察机构运行情况可以明显看出，车厢（水平连杆）的后移量非常明显，与设计分析相符，故此种机构不能作为高位自卸车的举升机构。

     本组也尝试着搭接出最终所选方案，但由于液压油缸不再水平布置，不易用凸轮机构代替，故没有成功。



2．翻转机构



     在搭接翻转机构时，我们选择油缸后推连杆式翻转机构进行搭接，并根据实验台做了适当调整，如下图：


按照上图所示机构进行搭接，同样用凸轮机构代替液压缸，用连杆代替车厢，得到搭接图如下：



    搭接完成，经老师检查后，接通电源运转。

    通过观察运动情况，可以发现该机构能够较好地实现车厢的翻转，不过，从图中可以看出，要实现车厢能够处于水平位置，需要将各铰链上下错开一段距离，这样就使整个机构的尺寸过大。另外，该机构杆件较多，结构较复杂。





3．后厢门打开机构

后厢门打开机构在本实验台上不易实现自动运转，故只有手动实现。

选取以下方案进行搭接：


将车厢用连杆代替，如下：


搭接完成后，转动车厢，可以看到车门保持竖直状态，但由于杆件尺寸限制，搭接得到的机构不能实现自锁功能。



    至此，高位自卸车的三部分已分别搭接完毕。

通过搭接，帮助我们了解了各种方案的优点和缺点，检验了设计与分析的正确与否，有助于我们设计方案的确定。同时，通过搭接，增强了我们的动手能力，解决问题的能力以及团队合作的能力。





【总结】



一．机构设计原理



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。



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联结方式，拟定若干可行的设计方案。

（3）       总体设计：对所拟定的方案进行计算，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，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。



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，应该注意理论与实际的结合。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问题，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讲，应该自觉加强理论与工程实践的结合，掌握认识，分析，解决问题的基本方法，提高设计能力。

（3）       汲取传统经验，勇于创新：机械设计题目是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，分析问题和解决问题的能力。

（4）       整体着眼，提高综合设计素质：在设计过程中，应该自觉加强自主设计意识，注意先总体设计，后部份设计；县概要设计，后详细设计。遇到设计难点时，要从设计目标出发，首先解决主要矛盾，逐渐解决次要矛盾。



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作的创造性工作，因而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，在增加了设计复杂性的同时，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。



二．收获与提高



    在机械原理课程接近尾声的时候，我们有了这样一个系统的设计一个实际机构的机会，感到非常难得。

通过这次综合训练，以及第二次讨论课，首要一点就是将所学知识整理巩固了一遍，在大脑里形成了一个知识网络，有了这个网络，在遇到实际问题时，就能很方便，很有条理地找到解决问题的思路。

    通过这次综合训练，增强了我们的创新能力，更给了我们一种创造的激情，总是希望不断的改进，追求完美。

    这次综合训练，也增强了我们的动手能力，进一步学会将理论运用于实际。

    最后，在小组成员的合作中，我们又一次体会到共同努力的乐趣，体会到团队合作的重要性。



    由于时间关系，这份报告并不完善，里面还有很多东西需要补充和改进，我们会继续这份工作，去体会这种研究的过程。



附录：



总体策划



1．时间表：




SAT
SUN
MON
TUE
WED
THU
FRI
SAT
SUN
方法步骤

讨论方案

任务分工
  



集体讨论

机构设计


  



分头设计，比较择优

AUTOCAD绘图

联系老师

熟悉平台
  



电话联系，观察实验台

机构搭接


  



搭接、拍照

机构改进


  



不断完善

机构综合


  



信息交流

完成报告


  



总结综合




2．流程图：






人员分工：



一．联系老师：李博男



二．参观实验室，熟悉实验平台：陈涛、胡恒、李博男



三．方案设计与选择

    1．举升机构：陈涛

    2．翻转机构：李博男

  ）

jiangjg163

设计要求：

   1）具有一般自卸汽车的功能。
   2）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。
   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，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。
   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，后厢门和车厢的相对位置见图2。
   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。

jiangjg163

一．举升机构

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。

jiangjg163

方案一：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：
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。

jiangjg163

方案二：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，同时带动车厢后移，当E点与B点等高时，后移量达到最大。

fkiaw

没做过这种，都 用在哪些地方不太清楚

lfl123

好帖，课程设计经常出现这个

mzl605

论文不错，但是，还是具体公司优化设计更有指导意义。
理论指导，实践更高。
谢谢