高位自卸汽车设计2.docx
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高位自卸汽车设计2
机械原理课程设计
设计题目：
高位自卸汽车
班级：
机设七班
姓名：
谢鹏
学号：
1153010726
指导老师：
康辉明
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：
关键词1;关键词2;关键词3
3.3、输出机构的分析结果…………………………………………………………………………….。
一、设计题目
1.1、设计简介和目的
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。
1.2、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1-1自卸汽车数据简图
图1-2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
a
W
Lt
Hd
B
3900×2000×640
1850
350
4800
300
500
二、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。
2.1、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
图2-1机构运动循环图
2.2、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，选择比较恰当的机构。
方案、双平行四边形联动机构
图2-7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等缺点；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。
2.3、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，，根据其结构说出这种方案的主要特点，然后选择使用。
方案、曲柄摇杆翻转机构
图2-10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。
2.4、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、自开式机构
车厢
2-11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。
2.5、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2-13机构组合设计
2.6、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（L×W×H）
Smax
a
W
L1
Hd
B
3900×2000×640
1850
350
4800
300
500
1、举升机构尺寸设计：
图2-14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L1，杆GH的长度是L2。
举升高度：
△y=L1+L2×sinX1-sinX0=Smax
后移量：
△x=L1-L2×cosX0-cosX1﹤1.2×ɑ
安装所需空间：
（L1+L2）×sinX0≤Hd
假设
，有上面的式子计算可得：
，L1=1840，L2=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2-15翻转机构的尺寸设计
翻转机构中B和H的竖直高度差
，偏转角度。
在机构计算中可以看出当
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×（sin55×L3+H）］２
L3+L1＜L
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。
三、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。
3.1、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3-1。
图3-1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3-2。
图3-2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3-3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3-4。
图3-4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3-5总体装配图
3.2、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。
3.3、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3-6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3-7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3-8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3-9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3-10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3-11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：
四、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。
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