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高位自卸汽车设计


机械原理课程设计

设计题目:高位自卸汽车 班级:工程机械二班 姓名: 学号: 指导老师: 20097570

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
机械原理课程设计...................................................................................................... 24 一、背景资料.............................................................................................................. 28 二、设计题目.............................................................................................................. 29 2.1、设计简介和母的 ........................................................................................ 29 2.2、设计条件和设计要求 ................................................................................ 29 三、执行机构设计...................................................................................................... 30 3.1、执行机构的运动循环图 ............................................................................ 30 3.1、举升机构的设计 ........................................................................................ 31 3.2、翻转机构的设计 ........................................................................................ 34 3.3、厢门开合机构的设计 ................................................................................ 35 3.4、机构的组合设计 ........................................................................................ 36 3.5、机构尺寸的设计 ........................................................................................ 37 四、Pro/E 建模和运动仿真........................................................................................ 38 4.1、模型的建立与组装 .................................................................................... 38 4.2、模型的运动仿真 ........................................................................................ 41 4.3、输出机构的分析结果 ................................................................................ 41 五、设计总结.............................................................................................................. 45 5.1、设计效果分析 ............................................................................................ 46 5.2、设计改进意见 ............................................................ 错误!未定义书签。 5.3、设计心得体会 ............................................................................................ 47 六、参考资料.............................................................................................................. 47

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 徐工瑞龙系列 NXG3205DP 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 数据表(单位:mm)

方案号 车厢尺寸(L×W×H) Smax B 3900×2000×640

a

W

Lt

Hd

1850 350 4800 300 500

三、执行机构设计 高位自卸汽车的机构包括举升机构、翻转机构和车门打开机构。其中举升和翻转 在机构合计中可以采取合适的结构同时实现这两种动作。车门机构相对独立。再 设计过程中可以采用分别对各种机构按其功能进行设计然后采用结构组合和联 动实现机构的协调动作。 在每种机构的设计过程中,采用设计多种可以实现要求 动作的机构,然后在结构,加工工艺、功能、使用寿命等各方面进行分析比较, 最终选出较好的机构。 再对三种较好的机构组合设计,实现在自卸汽车的基础上 完成高位自卸汽车设计。 3.1、执行机构的运动循环图 根据题目要求我们可以分析出车厢的运动过程,得到车厢的运动循环图是

举升

下降

车厢工 作过程

翻转

复位
图 3-1 机构运动循环图 3.1、举升机构的设计 首先讨论举升机构, 这个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:滑动直接举升机构

图 3-2 直接举升机构 在上面的机构简图中, 其中竖直的有四个液压缸分别固定在车厢的底部,在 与这四个液压缸相连的底座为滑移机构, 和滑移基座相连的有两个水平的液压缸。 当机构工作时,竖直液压缸同时举升,实现举升动作,车厢下的滑动副可以防止 车厢失稳,同时水平液压缸工作,可以是车厢适当后移,当前车厢下的水平液压 缸比后车厢下的液压缸伸出的长度大时,车厢翻转实现卸货的功能。然后液压缸 回复到初始状态,车厢也复位下降。装货之后,再进行相同的工作循环。 这个方案结构简单,理论上容易实现。为方便卸货,车厢的后移量可以任意

调节,使用的构件单一,便于修理和集中维护。但是使用的液压缸太多,需要精 确的液压控制,液压系统设计困难。而且由于液压缸直接承受车厢的重力,液压 系统的压力较高, 液压系统的制造和维护成本增加。由于受到车厢下面空间高低 的限制,导致车厢的举升高度受到限制。 方案二:剪式举升机构

A E

C

图 3-3 剪式举升机构 该机构采用长度相等的 AB 和 CD 杆铰接于 E 点, 和D点处可以滑动。 C 当液 压缸作用时,可以实现设计车厢的升降和平移。由于A和B是固定铰点,在车厢 举升时铰点E向右移动,该机构满足车厢举升的时候向后移动,以方便卸货。 这个机构结构简单、紧凑,能够协调举升和后移间存在的函数关系,同时该 机构的受力状况良好。 但是在车厢处于初始状态的时候液压缸和CD杆之间的传 动角很小,开始的时候需要较大的工作动力,不利于液压缸的工作。刚聚生到一 定高度的时候AC或BD两点之间的距离变短,车厢容易失稳,尤其是再进行翻 转车厢的工作时这种缺点表现更明显。 方案三、二级剪式举升机构

D

B

B

D

A

C

图 3-4 二级剪式举升机构 如上图所示,该举升机构是由长度相等的四根杆彼此铰接形成的; A 端和 与水平的滑块铰接,并可在滑槽内移动;C 端与车体底部为铰接,B 点与车厢底 部的水平滑块铰接,D 点和车厢底部铰接。当液压杆缩短时,车厢上升,同时 A 点向右移动,车厢实现一定的后移量;反之,车厢下降,同时车厢左移。

利用多级剪式举升机构可以将车厢垂直举升到相当高的高度。 这种举升机构 的油缸作用点布置十分灵活, 它既可布置在支撑杆的最低铰接处 A 点, 也可以布 置在支撑杆的中段铰接处,还可以直接交接在支撑杆上,如 B 点。机构的受力情 况好,液压缸的移动距离短,车厢举升的高度高。但是机构中的杆件较多,杆的 铰接处的受力大。 方案四、平行四边形机构

B

C

A

D

图 3-5 平行四边形举升机构 平行四边形举升机构,ABCD 形成一平行四边形,杆 AB 在液压油缸的带动 下绕 A 轴转动,从而完成车厢的举升和下降。该结构简单,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 程能够完成车厢较大的上移量。但是车厢上移时,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 AB、CD 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。 方案五、双平行四边形双杠举升机构

图 3-6 双平行四边形双缸举升机构 该机构具有两个自由度, 所以采用两个液压缸控制。通过两个液压缸的配合 控制, 可以实现车厢的举升和后移,该机构解决了平行四边形机构中杆件过长的 问题,该机构结构紧凑,在液压缸行程不大时,可以实现车厢的较大升程。但是

车厢后移量的大小和举升的高度之间没有必然的关系, 要实现双油缸之间的配合 控制,控制结构复杂。 方案六、双平行四边形联动机构

图 3-7 双平行四边形联动机构 该机构结构紧凑, 能够满足车厢水平上升下降的功能,且在上升过程中逐步 后移;该机构克服了平行四边形机构杆件过长,双油缸机构的控制复杂登缺点; 该机构受力均匀,有助于延长机构的使用寿命。但是结构相对复杂,油缸的负载 大,需要压力较大的液压系统。 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。 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。

3.3、厢门开合机构的设计 后厢门打开机构的要求是当车厢翻转卸货时,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。图 2-2 中可以看出当车厢翻转 一定角度时,厢门也打开相同的角度。由此可以进行机构设计。 方案一、自开式机构

车厢

3-11 自开式厢门打开机构 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,在使用锁止机构吧 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。 方案二、控制开合式机构。

车厢

图 3-12 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, 这种结构或者类似结构安装在车厢侧面比较合适,设计

题目中没有给车厢侧面的空间,如果安装在车厢底部,控制杆会影响卸货。 3.4、机构的组合设计 在对要实现的目标运动进行拆解,分别进行机构设计之后。现在要从举升机 构, 翻转机构和车门打开机构中选择合适的机构进行组合设计。在组合中要保证 整体运动合成后车厢运动的平稳同时要避免机构运动时发生干涉。 举升机构要求举升过程平稳,可以在任意高度停止。虽然要求举升机构在举 升的过程中车厢要向后移动, 但是没有严格规定后移量和举升高度之间的函数关 系,所以可以选择双平行四边形联动机构。翻转机构要求运动平稳,可靠性好, 结构紧凑,适合安装,所以选择曲柄摇杆翻转机构,这样就可以在油缸行程不大 的时候,使车厢翻转适当的角度。厢门打开只是为了方便卸货,可以把题目中给 定的厢门打开的角度等于车厢的翻转角度理解为车门打开的角度大于等于厢门 打开的角度,再加上考虑到安装位置的影响,所以选择机构中自由打开式机构, 在这个考虑中主要是考虑了实用性,车门锁止机构采用独立的油缸控制,或者是 手动控制,这样翻转机构和车门锁止机构就是相对独立的机构了。 综合后机构的运动简图, 为了防只重叠,把居于车厢中部的翻转机构放在了 翻转机构的上部,实际位置是和翻转机构在同一高度,但是不和底盘相连。结构 的具体结构是模型图中可见。

图 3-13 机构组合设计 3.5、机构尺寸的设计 已知的车厢等重要的尺寸: a W Lt Hd 方案号 车厢尺寸(L×W×H) Smax B 1850 350 4800 300 500 3900×2000×640 1、举升机构尺寸设计:

图 3-14 举升机构的计算图 首先在计算举升机构的尺寸。假设杆 AG 的初始角度时 X1,旋转后的角度时 X2=80 度,杆 AG 的长度是1 ,杆 GH 的长度是2 。 举升高度:?y = 1 + 2 × sin 1 ? sin 0 = 后移量:? = 1 ? 2 × cos 0 ? cos 1 ≤ 1.2 × 安装所需空间:(1 + 2 ) × sin 0 ≤ 假设X1 = 85°,有上面的式子计算可得:X0 = 12°,1 = 1480,2 = 930。 根据计算可以安排油缸的尺寸,油缸最短为 610,伸长的长度为 1080,BL=400. 2、翻转机构尺寸设计:

图 3-15 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3 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, 点安排在车厢的重心附近。 E 设 L3=1800。 L1=L2, 当车厢在水平的时候, 点在 E 点的正下方, B 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: L3 sin 55 + H 2 = (1 + 2)2 ? [L3(1 ? cos 55) ÷ sin 3 × (sin 55 × 3 + )]2 L3 + L1 < 计算得到:L1=L2=1060,L3=1800 根据计算可以安排油缸最短尺寸 800,AB=300,BC=1000。 3、厢门开合机构尺寸设计: 厢门开合机构是基于实用的目的选择了厢门开合机构中的利用重力自由开 合的机构,在这个简单的机构中,具体尺寸要求不高,但是必需要保证厢门的配 合紧密,使厢门能够严密的关上,当厢门的锁止机构打开的时候,机构不能影响 厢门自由的打开。具体尺寸可以在模型建立的过程中根据模型选择适合的尺寸。 四、Pro/E 建模和运动仿真 在机构设计完成之后, 仅是确定了机构的运动运动状态。想要实现机构的功 能,清楚的表达机构设计的目的,还需要把机构简图转化为三位模型视图,然后 通过三维模型的分析,清晰的表达出机器形状和用途。 4.1、模型的建立与组装 车厢的建模主要是应用了拉伸等特征,建立其符合尺寸要求的车厢模型。建 模的时候主要是要判断铰接点的位置根据翻转机构的设计数据确定铰接点的合 理位置,如图 4-1。

图 4-1 车厢 车厢和底盘之间存在中间连接层, 这个连接层的作用是让翻转机构在举升机 构的基础上起作用。 这样可以举升机构和翻转机构在相互平行的平面空间内工作, 举升机构和翻转机构单独作用,互不干涉。翻转机构相对中间连接层翻转,中间 连接层相对于地面举升, 对车厢的作用综合起来,车厢实现的绝对运动就是举升 到一定高度翻转卸货。模型的结果如图 4-2。

图 4-2 中间连接层 底盘是车厢的作用基础,在底盘中画出了简单的汽车模型。动画更加逼真, 模拟处最佳的效果图形。

图 4-3 底盘 杆件机构和铰建模都相对简单。 在实现高位自卸汽车工作的装置中主要是这 些杆件铰接点位置和铰接点间相对长度在对机构的运动起到决定作用。 建模张宏 主要是确定杆件机构的铰接点和铰接点之间的长度位置关系, 严格按照尺寸计算 的结果建立模型,以保证准确的模拟出机构的运动状态。部分杆件如图 4-4。

图 4-4 部分杆件图 把各种零件按运动要求, 选择销钉和滑动杆连接组装在一起,可以得到总体 装配图。

图 4-5 总体装配图 4.2、模型的运动仿真 通过模型的运动仿真可以清楚的看到机构的运动过程, 借此分析机构是否干 涉,设计是否合理。通过观察模型的运动,进一步优化机构的设计,使工作更可 靠, 以便在符合要求的方案中采用最佳的方案。另外是运动分析可以直观的模拟 机械的工作过程, 仿真结果可以作为机械的推广和宣传材料,通过仿真得到主要 机构运动的视频文件。 4.3、输出机构的分析结果 在运动仿真中定义了油缸的运动速度, 根据油缸的运动速度可以通过软件分 析得到目标点的位移、速度、和加速度线图。通过运动分析,判断机构的受力状 态和运动状态是否良好,为机构的优化设计提供理论参照和数据支持。 在定义电机进行分析之后, 利用分析结果可以得到运动的图形。先是车厢举 升过程中油缸的速度曲线, 油缸的速度是相对于油缸本身。还有车厢翻转铰点附 近的点的相对于车底盘的位置、速度、加速度曲线。 当油缸的速度是以 40mm/s 匀速运动的时候得到的曲线图如图所示。

图 4-6 车厢举升过程的运动学分析 当采用这种方式的运动的时候,可以看出在这种状态下,初始启动的时候加 速度太大,从导出的数据表中可以查到,最大的初始加速度为 1452 毫米每秒的 平方。可以改变输入运动的方程改善运动的特征。当油缸在先以匀加速运动到 40mm/s 的速度,然后以这个速度匀速推进。这时的分析结果如下图所示:

图 4-7 举升过程的运动学分析 从曲线上可以大致看出这种参数曲线的变化, 借此可以大致分析机构的运行。 平行四边形举升机构举起中间架和车厢上升。 其中扯清举升的数据是以车厢相对 底盘运动的运动速度的模为参量,运动结果大致符合设计要求的上升 1850mm, 运动速度曲线约在 2 秒的时候有最大值,速度相对平滑,上升过程可以认为是匀 速的,有利于在实现在任意位置停止,满足设计要求。加速度曲线在 2 秒的时候 是有一个突变,这会给油缸和车厢带来冲击,不利于延长机器的使用时间。 举升过程中的分析改进意见, 这个分析过程使用的油缸的初速是均匀增大到 一定速度再匀速运动的,如果直接使用匀速运动的油缸,在油缸起步的时候,车 厢的加速度很大, 而且匀速运动的油缸只存在与理想条件中。在这个模拟中发现 速度均匀增大的油缸在变为匀速的时候车厢有加速度突变, 这是因为油缸有加速 度突变。 在机构难以做重大的改动的情况下, 可以改善输入运动改善机构的运动。 可以通过使用节流阀等油缸控制元件,使油缸的速度以多项式的运动速度变化, 减小加速度的变化,这样可以优化机构的工作环境,延长机器的使用时间。

然后让车厢保持在举升到最高位置的状态, 然后开始进行车厢翻转的运动学分析, 定义油缸的运动,让车厢的翻转,画出车厢翻转时的位置,速度,加速度曲线, 然后对结果进行分析。 当原动件翻转油缸以下面的速度曲线输入运动时

图 4-8 油缸输入速度曲线图 则得到车厢与翻转油缸铰点附近的点的运动的位置、 速度和加速度曲线的图形如 下图所示。

图 4-9 车厢翻转过程动力学分析结果图 根据结果图可以看出, 若油缸匀速运动,则在车厢的开始运动的过程中车厢的速 度和加速度很大,加速度约为 1600 毫米每秒的平方。存在柔性冲击,在运动过 程中加速度变化平缓,运动稳定。要针对开始运动的时候的柔性冲击进行调整, 对翻转油缸的输入运动进行调整。 当 油 缸 以 下 图 中 的 余 弦 曲 线 规 律 输 入 运 动 速 度 时

图 4-10 翻转油缸速度和位移曲线 这个时候的得到的车厢的运动学分析结果是下图:

图 4-11 车厢反转时运动学分析结果 从图中可以看出在这种速度输入的状态下,车厢的速度和加速度变化平滑。从输 出的数据中可以读出车厢在整个运动过程中的最大加速度是 60 毫米每秒的平方。 这个结果远小于翻转油缸匀速运动时的分析结果。 证明采用改变输入运动的方式, 可以有效的提高机构的使用效果。 可以使机构具有更好的使用效果和更长的使用 寿命。 车厢在整个运动过程中,先让车厢举升,举升停止后厢门锁止机构打开,厢 门可以自由移动,然后翻转车厢,然后车厢复位。车厢重心的位置相对底盘的运 动曲线图形入下图所示:

图 4-12 车厢运动过程的位移图形 五、设计总结 在整个课程设计的设计计算过程中, 主要用到了学习到的关于机械设计方面 的知识和三维建模软件的应用。在机构设计和选择中,我设想了很多的机构,通 过对比他们的主要优缺点我采用了最佳的机构进行杆长的计算和设计。 然后开始 对结构进行建模和仿真并进行了运动分析。 但是我在做这个设计的时候,感到了自己知识的不足。在设计的过程中我觉 得自己的设计不完善,计算不够,没有进行力学分析。这个是最大的缺点。只进 行了运动学分析, 去没有进行力学分析,这样虽然说明了给机构施加一定的荷载 是可以实现机构的运动的, 但是没有进行动力学分析,却不知道需要多大的力才 可以推动机构运动, 更没有分析进一步分析材料的性质和选定材料的截面尺寸和 截面形状的设计是否符合受力要求。 5.1、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,提高机械设计的能力。 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。 5.2、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 之间的连接方式,拟定若干可行的设计方案。 3)总体设计:对所拟定的发难进行计算,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,使用寿命和结构要求,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。 5.3、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践的结合, 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,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,应该自觉加强理论与工程实践的而结合,掌握 认识、分析、解决问的基本方法,提高设计能力。 3)汲取传统经验,勇于创新:机械设计题目主要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、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, 应该自居加强自主设计意识, 注意先总体设计,后部分设计,先概要设计,后详细设计。遇到设计难度时,要 从设计目标出发,首先解决主要矛盾,逐渐解决次要矛盾。 5.4、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做的创造性工作,以内创新是设计 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,子啊增加了设计的复杂性的同时,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。 5.5、本次设计效果分析与改进意见 这个设计经过分析验证, 达到了设计的运动要求。平行四边形机构输入稳定 的旋转运动的时候, 平行四边形机构的端点处的运动相对竖直方向或水平方向的 运动速度不恒定,要想获得稳定的运动,需要根据实际选择较好的运动输入,让 原动件拥有较好的初始速度, 这样才能减小机构运动中的冲击。达到运动的效果 和一般的设计要求。 按照机械原理的要求,这个实际只是在原理上达到了设计的 要求,还需要改进和完善。 这个设计很不完善, 目前的机构根本不具有实际应用价值。如果考虑到应用 的问题,则需要很多的因素,针对这些设计要求进行改进。 首先是在机构上面, 在这个采用的机构中还可以进行优化设计,主要是改动 油缸和转动杆的铰接位置, 通过改变油缸和铰接点的位置,可以避免初始传动角 过小的问题。 针对铰点的位置调整也可以优化在油缸匀速运动时候的机构目标点 的运动曲线,减小目标点在运动中的冲击。 然后是进行动力学分析,一分析结果为基础,调整机构中杆件的形状。根据 动力学分析结果,调整形状,可以是结构满足受力要求,达到使用效果。

5.6、设计心得体会 通过这次设计初步了解了机械原理理论设计的一般过程和方法, 加深了对机 械原理这门课程的理解, 同时也知道了原来学习机械工程材料、结构力学等课程 的应用。 在做机械设计的过程中首先要满足的条件是需要设计出符合运动要求的 机构简图,计算出机构的尺寸,依据机构进行运动学仿真,这些内容也是这次做 设计的主要内容。 得到机构简图以后需要对机械构件进行尺寸综合, 算出在符合承载要求的情 况下需要的构件尺寸。 在设计构件尺寸的过程中, 不仅仅要考虑材料力学的知识, 也要了解材料的特点。 知道根据实际情况选择合适的材料。在计算设立和承载的 时候进行动力分析,结构是否符合动力设计的要求,运动过程中的冲击。在运动 分析之后得到真实的机构和个零件的实际尺寸,然后组装成实物。如果不符合设 计要求,发生干涉和刚性冲击等,可以根据实际条件,改进设计。 在设计之后,通过机械原理的应用。我知道了自己还需要学习很多知识,书到用 时方恨少,在进行设计的过程中,需要应用到很多的知识。要想完成机械设计的 全部内容,从计算、设计,到得到实物的过程,是一个分成复杂的过程,仅仅知 道设计原料是没有实际价值的, 即使知道设计,加工和组装对机器的性能也会有 很大的影响。所以想要完成一个机器的设计过程,掌握设计制造机械的本领,我 要继续学习,争取做的更好。

六、参考资料 1 冯鉴、何俊、雷智翔《机械原理》西南交通大学出版社,2008 年第一版 2 李自光,展朝勇《公路施工机械》人民交通出版社 2009 年 5 月第二版 3 吴庆明、何小新《工程机械设计》武汉大学出版社 4 张洪新《汽车设计》机械工业出版社,2001 5 张春林《机械原理》高等教育出版社 2006

机械原理课程设计

设计题目:高位自卸汽车 班级:工程机械二班 姓名: 学号: 指导老师: 20097570

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
机械原理课程设计...................................................................................................... 24 一、背景资料.............................................................................................................. 28 二、设计题目.............................................................................................................. 29 2.1、设计简介和母的 ........................................................................................ 29 2.2、设计条件和设计要求 ................................................................................ 29 三、执行机构设计...................................................................................................... 30 3.1、执行机构的运动循环图 ............................................................................ 30 3.1、举升机构的设计 ........................................................................................ 31 3.2、翻转机构的设计 ........................................................................................ 34 3.3、厢门开合机构的设计 ................................................................................ 35 3.4、机构的组合设计 ........................................................................................ 36 3.5、机构尺寸的设计 ........................................................................................ 37 四、Pro/E 建模和运动仿真........................................................................................ 38 4.1、模型的建立与组装 .................................................................................... 38 4.2、模型的运动仿真 ........................................................................................ 41 4.3、输出机构的分析结果 ................................................................................ 41 五、设计总结.............................................................................................................. 45 5.1、设计效果分析 ............................................................................................ 46 5.2、设计改进意见 ............................................................ 错误!未定义书签。 5.3、设计心得体会 ............................................................................................ 47 六、参考资料.............................................................................................................. 47

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 徐工瑞龙系列 NXG3205DP 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 数据表(单位:mm)

方案号 车厢尺寸(L×W×H) Smax B 3900×2000×640

a

W

Lt

Hd

1850 350 4800 300 500

三、执行机构设计 高位自卸汽车的机构包括举升机构、翻转机构和车门打开机构。其中举升和翻转 在机构合计中可以采取合适的结构同时实现这两种动作。车门机构相对独立。再 设计过程中可以采用分别对各种机构按其功能进行设计然后采用结构组合和联 动实现机构的协调动作。 在每种机构的设计过程中,采用设计多种可以实现要求 动作的机构,然后在结构,加工工艺、功能、使用寿命等各方面进行分析比较, 最终选出较好的机构。 再对三种较好的机构组合设计,实现在自卸汽车的基础上 完成高位自卸汽车设计。 3.1、执行机构的运动循环图 根据题目要求我们可以分析出车厢的运动过程,得到车厢的运动循环图是

举升

下降

车厢工 作过程

翻转

复位

图 3-1 机构运动循环图 3.1、举升机构的设计 首先讨论举升机构, 这个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:滑动直接举升机构

图 3-2 直接举升机构 在上面的机构简图中, 其中竖直的有四个液压缸分别固定在车厢的底部,在 与这四个液压缸相连的底座为滑移机构, 和滑移基座相连的有两个水平的液压缸。 当机构工作时,竖直液压缸同时举升,实现举升动作,车厢下的滑动副可以防止 车厢失稳,同时水平液压缸工作,可以是车厢适当后移,当前车厢下的水平液压 缸比后车厢下的液压缸伸出的长度大时,车厢翻转实现卸货的功能。然后液压缸 回复到初始状态,车厢也复位下降。装货之后,再进行相同的工作循环。 这个方案结构简单,理论上容易实现。为方便卸货,车厢的后移量可以任意 调节,使用的构件单一,便于修理和集中维护。但是使用的液压缸太多,需要精 确的液压控制,液压系统设计困难。而且由于液压缸直接承受车厢的重力,液压 系统的压力较高, 液压系统的制造和维护成本增加。由于受到车厢下面空间高低 的限制,导致车厢的举升高度受到限制。 方案二:剪式举升机构

A E

C

D

图 3-3 剪式举升机构

B

该机构采用长度相等的 AB 和 CD 杆铰接于 E 点, 和D点处可以滑动。 C 当液 压缸作用时,可以实现设计车厢的升降和平移。由于A和B是固定铰点,在车厢 举升时铰点E向右移动,该机构满足车厢举升的时候向后移动,以方便卸货。 这个机构结构简单、紧凑,能够协调举升和后移间存在的函数关系,同时该 机构的受力状况良好。 但是在车厢处于初始状态的时候液压缸和CD杆之间的传 动角很小,开始的时候需要较大的工作动力,不利于液压缸的工作。刚聚生到一 定高度的时候AC或BD两点之间的距离变短,车厢容易失稳,尤其是再进行翻 转车厢的工作时这种缺点表现更明显。 方案三、二级剪式举升机构

B

D

C 图 3-4 二级剪式举升机构 如上图所示,该举升机构是由长度相等的四根杆彼此铰接形成的; A 端和 与水平的滑块铰接,并可在滑槽内移动;C 端与车体底部为铰接,B 点与车厢底 部的水平滑块铰接,D 点和车厢底部铰接。当液压杆缩短时,车厢上升,同时 A 点向右移动,车厢实现一定的后移量;反之,车厢下降,同时车厢左移。 利用多级剪式举升机构可以将车厢垂直举升到相当高的高度。 这种举升机构 的油缸作用点布置十分灵活, 它既可布置在支撑杆的最低铰接处 A 点, 也可以布 置在支撑杆的中段铰接处,还可以直接交接在支撑杆上,如 B 点。机构的受力情 况好,液压缸的移动距离短,车厢举升的高度高。但是机构中的杆件较多,杆的 铰接处的受力大。 方案四、平行四边形机构

A

B

C

A

D

图 3-5 平行四边形举升机构 平行四边形举升机构,ABCD 形成一平行四边形,杆 AB 在液压油缸的带动 下绕 A 轴转动,从而完成车厢的举升和下降。该结构简单,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 程能够完成车厢较大的上移量。但是车厢上移时,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 AB、CD 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。 方案五、双平行四边形双杠举升机构

图 3-6 双平行四边形双缸举升机构 该机构具有两个自由度, 所以采用两个液压缸控制。通过两个液压缸的配合 控制, 可以实现车厢的举升和后移,该机构解决了平行四边形机构中杆件过长的 问题,该机构结构紧凑,在液压缸行程不大时,可以实现车厢的较大升程。但是 车厢后移量的大小和举升的高度之间没有必然的关系, 要实现双油缸之间的配合 控制,控制结构复杂。 方案六、双平行四边形联动机构

图 3-7 双平行四边形联动机构 该机构结构紧凑, 能够满足车厢水平上升下降的功能,且在上升过程中逐步 后移;该机构克服了平行四边形机构杆件过长,双油缸机构的控制复杂登缺点; 该机构受力均匀,有助于延长机构的使用寿命。但是结构相对复杂,油缸的负载

大,需要压力较大的液压系统。 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。 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。 3.3、厢门开合机构的设计 后厢门打开机构的要求是当车厢翻转卸货时,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。图 2-2 中可以看出当车厢翻转 一定角度时,厢门也打开相同的角度。由此可以进行机构设计。 方案一、自开式机构

车厢

3-11 自开式厢门打开机构 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,在使用锁止机构吧 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。

方案二、控制开合式机构。

车厢

图 3-12 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, 这种结构或者类似结构安装在车厢侧面比较合适,设计 题目中没有给车厢侧面的空间,如果安装在车厢底部,控制杆会影响卸货。 3.4、机构的组合设计 在对要实现的目标运动进行拆解,分别进行机构设计之后。现在要从举升机 构, 翻转机构和车门打开机构中选择合适的机构进行组合设计。在组合中要保证 整体运动合成后车厢运动的平稳同时要避免机构运动时发生干涉。 举升机构要求举升过程平稳,可以在任意高度停止。虽然要求举升机构在举 升的过程中车厢要向后移动, 但是没有严格规定后移量和举升高度之间的函数关 系,所以可以选择双平行四边形联动机构。翻转机构要求运动平稳,可靠性好, 结构紧凑,适合安装,所以选择曲柄摇杆翻转机构,这样就可以在油缸行程不大 的时候,使车厢翻转适当的角度。厢门打开只是为了方便卸货,可以把题目中给 定的厢门打开的角度等于车厢的翻转角度理解为车门打开的角度大于等于厢门 打开的角度,再加上考虑到安装位置的影响,所以选择机构中自由打开式机构, 在这个考虑中主要是考虑了实用性,车门锁止机构采用独立的油缸控制,或者是 手动控制,这样翻转机构和车门锁止机构就是相对独立的机构了。 综合后机构的运动简图, 为了防只重叠,把居于车厢中部的翻转机构放在了 翻转机构的上部,实际位置是和翻转机构在同一高度,但是不和底盘相连。结构 的具体结构是模型图中可见。

图 3-13 机构组合设计 3.5、机构尺寸的设计 已知的车厢等重要的尺寸: a W Lt Hd 方案号 车厢尺寸(L×W×H) Smax B 1850 350 4800 300 500 3900×2000×640 1、举升机构尺寸设计:

图 3-14 举升机构的计算图 首先在计算举升机构的尺寸。假设杆 AG 的初始角度时 X1,旋转后的角度时 X2=80 度,杆 AG 的长度是1 ,杆 GH 的长度是2 。 举升高度:?y = 1 + 2 × sin 1 ? sin 0 = 后移量:? = 1 ? 2 × cos 0 ? cos 1 ≤ 1.2 ×

安装所需空间:(1 + 2 ) × sin 0 ≤ 假设X1 = 85°,有上面的式子计算可得:X0 = 12°,1 = 1480,2 = 930。 根据计算可以安排油缸的尺寸,油缸最短为 610,伸长的长度为 1080,BL=400. 2、翻转机构尺寸设计:

图 3-15 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3 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, 点安排在车厢的重心附近。 E 设 L3=1800。 L1=L2, 当车厢在水平的时候, 点在 E 点的正下方, B 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: L3 sin 55 + H 2 = (1 + 2)2 ? [L3(1 ? cos 55) ÷ sin 3 × (sin 55 × 3 + )]2 L3 + L1 < 计算得到:L1=L2=1060,L3=1800 根据计算可以安排油缸最短尺寸 800,AB=300,BC=1000。 3、厢门开合机构尺寸设计: 厢门开合机构是基于实用的目的选择了厢门开合机构中的利用重力自由开 合的机构,在这个简单的机构中,具体尺寸要求不高,但是必需要保证厢门的配 合紧密,使厢门能够严密的关上,当厢门的锁止机构打开的时候,机构不能影响 厢门自由的打开。具体尺寸可以在模型建立的过程中根据模型选择适合的尺寸。 四、Pro/E 建模和运动仿真 在机构设计完成之后, 仅是确定了机构的运动运动状态。想要实现机构的功 能,清楚的表达机构设计的目的,还需要把机构简图转化为三位模型视图,然后 通过三维模型的分析,清晰的表达出机器形状和用途。 4.1、模型的建立与组装 车厢的建模主要是应用了拉伸等特征,建立其符合尺寸要求的车厢模型。建 模的时候主要是要判断铰接点的位置根据翻转机构的设计数据确定铰接点的合 理位置,如图 4-1。

图 4-1 车厢 车厢和底盘之间存在中间连接层, 这个连接层的作用是让翻转机构在举升机 构的基础上起作用。 这样可以举升机构和翻转机构在相互平行的平面空间内工作, 举升机构和翻转机构单独作用,互不干涉。翻转机构相对中间连接层翻转,中间 连接层相对于地面举升, 对车厢的作用综合起来,车厢实现的绝对运动就是举升 到一定高度翻转卸货。模型的结果如图 4-2。

图 4-2 中间连接层 底盘是车厢的作用基础,在底盘中画出了简单的汽车模型。动画更加逼真, 模拟处最佳的效果图形。

图 4-3 底盘 杆件机构和铰建模都相对简单。 在实现高位自卸汽车工作的装置中主要是这 些杆件铰接点位置和铰接点间相对长度在对机构的运动起到决定作用。 建模张宏 主要是确定杆件机构的铰接点和铰接点之间的长度位置关系, 严格按照尺寸计算 的结果建立模型,以保证准确的模拟出机构的运动状态。部分杆件如图 4-4。

图 4-4 部分杆件图 把各种零件按运动要求, 选择销钉和滑动杆连接组装在一起,可以得到总体 装配图。

图 4-5 总体装配图 4.2、模型的运动仿真 通过模型的运动仿真可以清楚的看到机构的运动过程, 借此分析机构是否干 涉,设计是否合理。通过观察模型的运动,进一步优化机构的设计,使工作更可 靠, 以便在符合要求的方案中采用最佳的方案。另外是运动分析可以直观的模拟 机械的工作过程, 仿真结果可以作为机械的推广和宣传材料,通过仿真得到主要 机构运动的视频文件。 4.3、输出机构的分析结果 在运动仿真中定义了油缸的运动速度, 根据油缸的运动速度可以通过软件分 析得到目标点的位移、速度、和加速度线图。通过运动分析,判断机构的受力状 态和运动状态是否良好,为机构的优化设计提供理论参照和数据支持。 在定义电机进行分析之后, 利用分析结果可以得到运动的图形。先是车厢举 升过程中油缸的速度曲线, 油缸的速度是相对于油缸本身。还有车厢翻转铰点附 近的点的相对于车底盘的位置、速度、加速度曲线。 当油缸的速度是以 40mm/s 匀速运动的时候得到的曲线图如图所示。

图 4-6 车厢举升过程的运动学分析 当采用这种方式的运动的时候,可以看出在这种状态下,初始启动的时候加 速度太大,从导出的数据表中可以查到,最大的初始加速度为 1452 毫米每秒的 平方。可以改变输入运动的方程改善运动的特征。当油缸在先以匀加速运动到 40mm/s 的速度,然后以这个速度匀速推进。这时的分析结果如下图所示:

图 4-7 举升过程的运动学分析 从曲线上可以大致看出这种参数曲线的变化, 借此可以大致分析机构的运行。 平行四边形举升机构举起中间架和车厢上升。 其中扯清举升的数据是以车厢相对 底盘运动的运动速度的模为参量,运动结果大致符合设计要求的上升 1850mm, 运动速度曲线约在 2 秒的时候有最大值,速度相对平滑,上升过程可以认为是匀 速的,有利于在实现在任意位置停止,满足设计要求。加速度曲线在 2 秒的时候 是有一个突变,这会给油缸和车厢带来冲击,不利于延长机器的使用时间。 举升过程中的分析改进意见, 这个分析过程使用的油缸的初速是均匀增大到 一定速度再匀速运动的,如果直接使用匀速运动的油缸,在油缸起步的时候,车 厢的加速度很大, 而且匀速运动的油缸只存在与理想条件中。在这个模拟中发现 速度均匀增大的油缸在变为匀速的时候车厢有加速度突变, 这是因为油缸有加速 度突变。 在机构难以做重大的改动的情况下, 可以改善输入运动改善机构的运动。 可以通过使用节流阀等油缸控制元件,使油缸的速度以多项式的运动速度变化, 减小加速度的变化,这样可以优化机构的工作环境,延长机器的使用时间。 然后让车厢保持在举升到最高位置的状态, 然后开始进行车厢翻转的运动学分析,

定义油缸的运动,让车厢的翻转,画出车厢翻转时的位置,速度,加速度曲线, 然后对结果进行分析。 当原动件翻转油缸以下面的速度曲线输入运动时

图 4-8 油缸输入速度曲线图 则得到车厢与翻转油缸铰点附近的点的运动的位置、 速度和加速度曲线的图形如 下图所示。

图 4-9 车厢翻转过程动力学分析结果图 根据结果图可以看出, 若油缸匀速运动,则在车厢的开始运动的过程中车厢的速 度和加速度很大,加速度约为 1600 毫米每秒的平方。存在柔性冲击,在运动过 程中加速度变化平缓,运动稳定。要针对开始运动的时候的柔性冲击进行调整, 对翻转油缸的输入运动进行调整。 当 油 缸 以 下 图 中 的 余 弦 曲 线 规 律 输 入 运 动 速 度 时

图 4-10 翻转油缸速度和位移曲线 这个时候的得到的车厢的运动学分析结果是下图:

图 4-11 车厢反转时运动学分析结果 从图中可以看出在这种速度输入的状态下,车厢的速度和加速度变化平滑。从输 出的数据中可以读出车厢在整个运动过程中的最大加速度是 60 毫米每秒的平方。 这个结果远小于翻转油缸匀速运动时的分析结果。 证明采用改变输入运动的方式, 可以有效的提高机构的使用效果。 可以使机构具有更好的使用效果和更长的使用 寿命。 车厢在整个运动过程中,先让车厢举升,举升停止后厢门锁止机构打开,厢 门可以自由移动,然后翻转车厢,然后车厢复位。车厢重心的位置相对底盘的运 动曲线图形入下图所示:

图 4-12 车厢运动过程的位移图形 五、设计总结 在整个课程设计的设计计算过程中, 主要用到了学习到的关于机械设计方面 的知识和三维建模软件的应用。在机构设计和选择中,我设想了很多的机构,通 过对比他们的主要优缺点我采用了最佳的机构进行杆长的计算和设计。 然后开始 对结构进行建模和仿真并进行了运动分析。 但是我在做这个设计的时候,感到了自己知识的不足。在设计的过程中我觉 得自己的设计不完善,计算不够,没有进行力学分析。这个是最大的缺点。只进 行了运动学分析, 去没有进行力学分析,这样虽然说明了给机构施加一定的荷载 是可以实现机构的运动的, 但是没有进行动力学分析,却不知道需要多大的力才 可以推动机构运动, 更没有分析进一步分析材料的性质和选定材料的截面尺寸和 截面形状的设计是否符合受力要求。 5.1、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,提高机械设计的能力。 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。 5.2、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 之间的连接方式,拟定若干可行的设计方案。 3)总体设计:对所拟定的发难进行计算,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,使用寿命和结构要求,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。 5.3、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践的结合, 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,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,应该自觉加强理论与工程实践的而结合,掌握 认识、分析、解决问的基本方法,提高设计能力。 3)汲取传统经验,勇于创新:机械设计题目主要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、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, 应该自居加强自主设计意识, 注意先总体设计,后部分设计,先概要设计,后详细设计。遇到设计难度时,要 从设计目标出发,首先解决主要矛盾,逐渐解决次要矛盾。 5.4、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做的创造性工作,以内创新是设计 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,子啊增加了设计的复杂性的同时,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。 5.5、本次设计效果分析与改进意见 这个设计经过分析验证, 达到了设计的运动要求。平行四边形机构输入稳定 的旋转运动的时候, 平行四边形机构的端点处的运动相对竖直方向或水平方向的 运动速度不恒定,要想获得稳定的运动,需要根据实际选择较好的运动输入,让 原动件拥有较好的初始速度, 这样才能减小机构运动中的冲击。达到运动的效果 和一般的设计要求。 按照机械原理的要求,这个实际只是在原理上达到了设计的 要求,还需要改进和完善。 这个设计很不完善, 目前的机构根本不具有实际应用价值。如果考虑到应用 的问题,则需要很多的因素,针对这些设计要求进行改进。 首先是在机构上面, 在这个采用的机构中还可以进行优化设计,主要是改动 油缸和转动杆的铰接位置, 通过改变油缸和铰接点的位置,可以避免初始传动角 过小的问题。 针对铰点的位置调整也可以优化在油缸匀速运动时候的机构目标点 的运动曲线,减小目标点在运动中的冲击。 然后是进行动力学分析,一分析结果为基础,调整机构中杆件的形状。根据 动力学分析结果,调整形状,可以是结构满足受力要求,达到使用效果。

5.6、设计心得体会 通过这次设计初步了解了机械原理理论设计的一般过程和方法, 加深了对机 械原理这门课程的理解, 同时也知道了原来学习机械工程材料、结构力学等课程 的应用。 在做机械设计的过程中首先要满足的条件是需要设计出符合运动要求的 机构简图,计算出机构的尺寸,依据机构进行运动学仿真,这些内容也是这次做 设计的主要内容。 得到机构简图以后需要对机械构件进行尺寸综合, 算出在符合承载要求的情 况下需要的构件尺寸。 在设计构件尺寸的过程中, 不仅仅要考虑材料力学的知识, 也要了解材料的特点。 知道根据实际情况选择合适的材料。在计算设立和承载的 时候进行动力分析,结构是否符合动力设计的要求,运动过程中的冲击。在运动 分析之后得到真实的机构和个零件的实际尺寸,然后组装成实物。如果不符合设 计要求,发生干涉和刚性冲击等,可以根据实际条件,改进设计。 在设计之后,通过机械原理的应用。我知道了自己还需要学习很多知识,书到用 时方恨少,在进行设计的过程中,需要应用到很多的知识。要想完成机械设计的 全部内容,从计算、设计,到得到实物的过程,是一个分成复杂的过程,仅仅知 道设计原料是没有实际价值的, 即使知道设计,加工和组装对机器的性能也会有 很大的影响。所以想要完成一个机器的设计过程,掌握设计制造机械的本领,我 要继续学习,争取做的更好。

六、参考资料 3 冯鉴、何俊、雷智翔《机械原理》西南交通大学出版社,2008 年第一版 4 李自光,展朝勇《公路施工机械》人民交通出版社 2009 年 5 月第二版 3 吴庆明、何小新《工程机械设计》武汉大学出版社 4 张洪新《汽车设计》机械工业出版社,2001 5 张春林《机械原理》高等教育出版社 2006


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