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西南交通大学 机械综合设计机械综合设计 I I 设计说明书设计说明书 设计题目：高位自卸汽车 学生姓名： 所在班级： 指导老师： 2012 年 06 月 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 2 目录目录 第一章第一章 问题的提出问题的提出 .4 1.1 项目背景.4 1.2 设计技术要求.5 第二章第二章 方案的比较方案的比较 .6 2.1 整体设计.6 2.1.1构想6 2.1.2设计中需要考虑的问题7 2.2 举升机构的比较.7 2.2.1方案一：平行四边形举升机构7 2.2.2方案二：液压缸直推举升机构8 2.2.3方案三：滑槽举升机构9 2.2.4方案四：双平行四边形举升机构10 2.2.5：双剪式举升机构.11 2.3 倾斜机构的比较.11 2.3.1方案一：液压缸直推倾斜机构12 2.3.2方案二：液压缸连杆倾斜机构12 2.3.3方案三：摇块倾斜机构13 2.3.4方案四：“之”字形倾斜机构14 2.3.5方案五：滑块倾斜机构15 2.4 车厢联动打开机构的比较.16 2.4.1方案一：重力直接打开机构16 2.4.2方案二：摇块顶开机构16 2.4.3方案三：滑块打开机构17 2.4.4方案四：摇杆打开机构18 2.5 机构综合.18 2.5.1第一套方案的确定18 2.5.2第二套方案的确定19 2.5.3第三套方案的确定20 第三章第三章 机构尺寸设计机构尺寸设计 .21 3.1 滑槽举升机构.21 3.1.1 滑槽举升机构（摇杆式）的引入.21 3.1.2 摇杆式举升机构的几何尺寸设计.22 3 3.1.3 滑槽举升机构（摇块式）的引入.24 3.1.4 摇块式举升机构的几何尺寸设计.25 3.2 倾斜机构的设计.30 3.2.1 倾斜机构的引入.30 3.2.2 倾斜机构的分析计算.30 3.3 车厢联动打开机构设计.32 3.3.1 车厢联动打开机构导入.33 3.3.2 车厢联动打开机构的分析计算.34 3.4 关键尺寸的优化.34 3.5 机构的运动分析.34 第四章第四章 第二套方案的设计第二套方案的设计 .41 4.1 行平四边形举升机构.41 4.1.1平行四边形举升机构的引入41 4.1.2双平行举升机构的几何尺寸设计43 4.1.3建立坐标系50 4.2 翻转机构的设计分析.50 4.2.1翻转机构的分析计算51 4.2.2建立坐标系51 4.3 后厢门的启闭机构的设计.52 4.3.1 后厢门的启闭机构导入.52 4.3.2 后厢门的启闭机构的分析计算.53 4.4 机构的运动分析.53 第五章第五章 第三套方案的设计第三套方案的设计 .62 5.1 双剪式举升机构.62 5.1.1双剪式举升机构的引入62 5.1.2 双剪式举升机构的几何尺寸设计.63 5.2 滑块倾斜翻转机构设计.67 5.2.1滑块倾斜翻转机构的引入67 5.2.2滑块倾斜翻转机构的尺寸计算68 5.3 重力开启后厢门打开机构设计.70 5.4 机构总图.71 5.5 模拟仿真分析.72 5.5.1滑块的特性曲线72 5.5.2箱体的特性曲线74 5.5.3夹板的特性曲线76 结束语结束语 .80 致谢致谢 .81 参考文献参考文献 .82 4 第一章第一章 问题的提出问题的提出 1.1 项目背景项目背景 目前市面上存在的工程自卸汽车，其卸货方式均为车厢在液压缸的推动作用下沿车底 座转动一定角度后，后厢门打开，散装货物沿汽车大梁卸下， （如图 1.1 就是传统的自卸汽 车卸货方式）其卸货高度都是固定的。如果需要将货物卸到一定的高度或使货物堆积得较 高些，传统的自卸汽车就不能够满足要求了。如：石料厂、煤厂、建筑工地等工地上，货 物一堆堆的倾倒在货场，不仅占地面积较大，而且散乱难以管理。若想将货物集中起来堆 积的更高些，还需要有铲土机或大量的劳力，这样将会延误工时，影响工作效率。 图 1.1 传统后倾式自卸汽车 为此需要设计一种新式的高位自卸汽车，如图 1.2 所示为汽车卸货前的初始状态。当 高位自卸汽车卸货的时候，如图 1.3，它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货，满 足不同环境的要求。图上的初始设计尺寸参数及 Lt、L、Hd、H 及举升量 Smax、后移量 a 的设计要求均见表 1.1。 5 图 1.2 高位自卸汽车未卸货前 图 1.3 高位自卸汽车卸货时 1.2 设计技术要求设计技术要求 （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 1-1。 （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 1-1。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 1.4。 6 图 1.4 后厢门和车厢的相对位置 （6）举升和倾斜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。 车厢尺寸(LWH)SmaxaW(kg)LtHd 4000200064018003805000300500 表 1.1 设计的整体尺寸要求 第二章第二章 方案的比较方案的比较 2.1 整体设计整体设计 2.1.1 构想构想 根据第 1 章第 1.2 节提出的设计技术要求，本设计把高位自卸汽车的设计大致分为三 个部分来进行设计，即举升机构、倾斜机构、后厢门联动打开机构。倾斜货物时需要先 将车厢举升到一定高度，然后翻转车厢把后厢门打开就能满足不同条件的卸货。如图 2.1 所示为高位自卸汽车倾卸货物的运动流程图。 车厢举升 开始卸货 车厢倾斜 7 图 图 2.1 汽车倾卸货物的运动流程 举升机构的设计是指通过设计机构来实现汽车能将满载货物的车厢在比较水平的状 态下平稳地上升到一定高度，且在车厢上升过程中逐步后移，并能在上升过程中的任意 高度停留卸货的功能；倾斜机构的设计是指设计机构使在车厢被举升到一定高度后，车 厢能绕着车体转过一定的角度，以方便卸货；后厢门联动打开机构的设计是指设计机构 实现车厢倾斜卸货时，后厢门随之联动打开，方便卸货；卸货完毕，车厢恢复水平状态， 后厢门也随之可靠关闭的功能。 2.1.2 设计中需要考虑的问题设计中需要考虑的问题: （1）举升与倾斜机构的结合且不影响各部分的功能。 （2）机构的动力机构的方式和设计及合理布局。 （3）如何保证在恰当的时机实现两种不同运动形式的连贯性。 （4）机构应具有简单易修理的特性，以保证其能长期使用并拥有稳定的安全性能。 （5）机构体积大小和取材应合理，以保证其美观。 （6）制作成本不宜太高，应尽量控制在合理的范围之内。 厢门打开 开始卸货完毕复位 8 2.2 举升机构的比较举升机构的比较 2.2.1 方案一：平行四边形举升机构方案一：平行四边形举升机构 图 2.2 平行四边形举升机构 原理分析：如图 2.2 所示，ABCD 刚好构成一个平行四边形机构，AB 杆在液压缸 EF 的推动下，可以绕 A 点转动，CD 杆绕 C 点转动，在整个转动过程中 BD（即车厢）始终 保持在同一高度，从而实现了车厢平稳举升且逐渐后移的动作。如表 2.1 为平行四边形举 升机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、在举升或下降过程中能够保证车厢一 直处于比较水平状态； 2、机构简单，易于加工和安装。 1、要实现设计要求的举升量和后移量，需 要把 CD、AB 杆做的比较长，经计算， 至少要 5、6m 长才能实现要求，这已经 超过车厢长度，不可能实现； 2、液压缸的行程太长。 表 2.1 方案比较 9 2.2.2 方案二：液压缸直推举升机构方案二：液压缸直推举升机构 2.3 液压缸直推举升机构 原理分析：如图 2.2 所示，液压缸 CD、EF 安装在一个与车底座具有相对滑动功能的 装置上，该装置在液压缸 AB 的推动作用下就能实现相对滑动。同时车厢的上升动作由 CD、EF 液压缸的共同推动来实现。这样在液压缸 AB、CD、EF 的共同作用下就能够实现 车厢举升同时逐步后移的动作。如表 2.2 为液压缸直推举升机构的优缺点比较 优点优点缺点缺点 1、在举升过程中能够保证车厢处于比 较水平的状态； 2、机构比较简单，只需要液压缸就能 实现举升。 1、 需要液压缸的数量比较多，不易控制； 2、 由于车厢上升是由液压缸直接推动的， 而根据设计要求，需要液压缸的推程是 1800mm，这会使得液压缸的长度很长， 不利于实际生产。 表 2.2 方案比较 10 2.2.3 方案三：滑槽举升机构方案三：滑槽举升机构 图 2.4 滑槽举升机构 原理分析：如图 2.4 所示，滑块 D 是固定在车厢底的，机架代表车底座，BCD 为一导 杆。把车厢上的滑块 D 安装在车底座上有一定角度的滑槽内（滑槽的角度由车厢后移量和 上升量决定的） ，这样在液压缸 AC 的推动作用下就能实现 D 沿滑槽滑动，这样就实现了 车厢同时上升和后移。如表 2.3 为滑槽举升机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、车厢始终处于滑槽内，使车厢在举 升过程中一直处于比较水平； 2、机构比较简单，需要的零件类型比 较少，易于加工和安装。 1、根据举升设计数据要求，需要将滑槽做 的很高，对滑槽的刚度要求较大，同时 增加了车自身的重量； 2、要满足设计要求，BCD 导杆的长度将达 到 2m 多，对它的强度刚度要求较大。 表 2.3 方案比较 11 2.2.4 方案四：双平行四边形举升机构方案四：双平行四边形举升机构 图 2.5 双平行四边形机构 原理分析：如图 2.5 所示，GACD 为下平行四边形机构，GDJH 为上平行四边形机构， HIJ 代表车厢，在液压缸 ML 的推动作用下，GFD 杆移动（GFD 始终保持水平） ，从而使 车厢 HIJ 也始终保持水平的运动，就能够实现车厢的举升运动，机构中的 FI、FB 形成的 转动副为虚约束。如表 2.4 为本机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、解决了单平行四边形机构杆长太长 的问题； 2、机构较紧凑，能够满足举升过程中 的平稳性。 1、构件较多，机构比较复杂，不便于制造、 安装和维修； 2、运动副多，铰链点的受力问题比较关键； 3、由于举升的原动力有两个液压缸来提供， 增大液压缸的负载。 表 2.4 方案比较 12 2.2.5：双剪式举升机构：双剪式举升机构 图 2.6 双剪式举升机构 原理分析：如图 2.6 所示，EF 代表车厢，机架代表车底座。连杆 AD、BC 铰接于点 H；CF、ED 铰接于点 G，滑块 A 与车底座形成移动副，滑块 F 和车厢形成移动副。在液 压缸 MN 的推动下，滑块 A 向右移动，同时滑块 F 向左运动，双剪式机构向中间靠拢，由 于杆长不变，使得车厢向上运动，且同时向右运动，这样就实现了车厢的举升动作。如表 2.5 为双剪式举升机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、结构紧凑，能够满足举升过程中的 平稳性； 2、比较容易控制上升量和后移量，满 足设计要求。 1、机构比较复杂，不便于制造、安装和维 修； 2、运动副多，铰链点的受力问题比较关键； 3、液压缸铰接在连杆间，对液压缸的安装 要求较高。 表 2.5 方案比较 2.3 倾斜机构的比较倾斜机构的比较 13 2.3.1 方案一：液压缸直推倾斜机构方案一：液压缸直推倾斜机构 图 2.7 液压缸直推倾斜机构 原理分析：如图 2.7 所示，本机构的原理比较简单。在液压缸 QR 的推动下，车厢 QP 绕着点 P 转动，就实现车厢的倾斜动作。表 2.6 是本方案的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、 机构简单、实用，目前应用比较广泛； 2、 采用单液压缸，容易控制车厢倾角。 1、 采用单液压缸，机构的横向强度较差； 2、 液压缸所需的行程较长。 表 2.6 方案比较 2.3.2 方案二：液压缸连杆倾斜机构方案二：液压缸连杆倾斜机构 2.8 液压缸连杆倾斜机构 14 原理分析：如图 2.8 所示，机构的工作原理比较简单。在液压缸 PR 的推动下，带动 SQR 杆的转动，实现车厢 ST 绕 T 点的转动。如表 2.7 为本设计机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、机构比较简单； 2、机构比较简单，需要的零件类型比 较少，易于加工和安装； 3、比较容易控制车厢的倾斜角度。 1、机构的横向强度较差； 2、在车厢倾斜过程中，传动角比较小，对 液压缸的负载能力要求比较高。 表 2.7 方案比较 2.3.3 方案三：摇块倾斜机构方案三：摇块倾斜机构 图 2.9 摇块倾斜机构 原理分析：如图 2.9 所示，PQ 代表车厢，PS 杆一端铰接在车厢的 P 点上，另一端与 摇块 S 形成移动副，转动 S 带动 PS 在摇块内移动实现车厢 PQ 绕 Q 点的转动。如表 2.8 为 本机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 15 1、机构比较简单，需要的零件比较少， 易于加工和安装。 1、需要比较大的动力来转动摇块； 2、要满足设计要求，PS 导杆的长度较大， 对强度要求较高。 表 2.8 方案比较 2.3.4 方案四：方案四：“之之”字形倾斜机构字形倾斜机构 图 2.10 之字形倾斜机构 原理分析：如图 2.10 所示，TU 为车厢，在液压缸 PR 的推动作用下，SQ 杆转动， 从而带动 ST 杆转动，使车厢 TU 绕 U 点转动，实现车厢的倾斜动作。如表 2.9 为本机构的 优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、 机构简单，方便安装； 2、 在车厢举升的同时就能将车厢倾 斜卸货。 1、液压缸的行程较大，对液压缸的负载能 力也要求较高； 2、ST、SQ 杆较长，对两杆的强度要求较大。 3、机构的横向强度较差。 表 2.9 方案比较 16 2.3.5 方案五：滑块倾斜机构方案五：滑块倾斜机构 图 2.11 滑块倾斜机构 原理分析：如图 2.11 所示，RS 代表车厢，PR 杆一端铰接在车厢的 R 点上，另一端与 滑块 P 铰接，当要翻转车厢时，只需要推动液压缸 OP，带动滑块 P 向右移动，就能使车 厢 PS 绕 S 点转动。如表 2.10 为本机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、 机构比较简单，需要的零件比较 少，易于加工和安装。 2、 液压缸一直处于水平，比较容易 控制。 1、初始时传动角较小，需要液压缸较大的 推力； 2、对 PR 杆强度要求较高。 表 2.10 方案比较 17 2.4 车厢联动打开机构的比较车厢联动打开机构的比较 2.4.1 方案一：重力直接打开机构方案一：重力直接打开机构 图 2.12 重力直接打开机构 原理分析：如图 2.12 所示，利用在车厢倾斜过程中货物的重力作用直接推动后厢门的 打开，实现卸货，卸货完毕后，在车厢门自身的重力作用下又能够实现自动关闭了这种设 计比较简单，安全可靠，容易想到。如表 2.11 为本机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、 机构比较简单，不需要其他任何辅助 机构，十分经济； 2、 容易联想到，能够实现设计要求。 1、不能实现自锁。 表 2.11 方案比较 2.4.2 方案二：摇块顶开机构方案二：摇块顶开机构 2.13 摇块顶开机构 18 原理分析：如图 2.12 所示，本机构是相当于一个四杆机构 WX 为厢门，其在 W 点与 车厢铰接，在 X 点与 XY 杆铰接，XY 与铰接在车厢上的滑块 Y 形成移动副。当车厢翻转 时，通过联动机构使滑块 Y 绕车厢转动，使 XY 相对滑块 Y 移动，就能使车厢门 WX 绕 W 点转动，实现车厢门的打开。如表 2.12 为本设计机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、 结构简单，自锁性较好；1、要使转动 Y 时，XY 杆要移动且转动， 要精确控制厢门的打开角度，对零件的精度 要求较高。 表 2.12 方案比较 2.4.3 方案三：滑块打开机构方案三：滑块打开机构 图 2.14 滑块打开机构 原理分析：如图 2.14 所示，UV 代表车厢门，其上端与连杆 UX 铰接，下端与连杆 WV 铰接，滑块 Y 与车厢底部形成移动副。在车厢倾斜过程中，通过联动机构移动滑块 Y，使 WV 杆转动，使车厢门 UV 绕 V 点转动，实现车厢门的联动打开。如表 2.13 为本机 构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、 机构比较紧凑，能够可靠且准确 控制厢门的打开角度； 2、 通过移动滑块来实现联动打开， 比较方便。 1、 对于只需实现厢门的联动打开，机构有 点复杂； 2、 计算相对比较复杂。 19 表 2.13 方案比较 2.4.4 方案四：摇杆打开机构方案四：摇杆打开机构 图 2.15 摇杆打开机构 原理分析：如图 2.15 所示 UV 为车厢门，其上端与 WU 杆铰接，下端与 XV 杆铰接， 在车厢倾斜卸货时，只需通过联动机构转动 XV 杆，就能实现车厢门 UV 绕 V 点的转动。 如表 2.14 为本机构的优缺点比较。 优点优点缺点缺点 1、 机构简单，方便安装； 2、 能够比较准确控制车厢门启闭时 的位置，自锁行好。 1、不易控制车厢在倾斜过程中厢门始终保 持竖直。 表 2.14 方案比较 2.5 机构综合机构综合 2.5.1 第一套方案的确定第一套方案的确定 经过前面的各个机构优缺点比较，最终确定的第一套方案的三个部分分别选择：滑槽 举升机构、液压缸直推倾斜机构、摇杆打开机构来进行设计分析，如图 2.16 为第一套方案 20 的机构简图。 图 2.16 2.5.2 第二套方案的确定第二套方案的确定 经过前面的各个机构优缺点比较，最终确定的第二套方案的三个部分分别选择：双平 行四边形举升机构、摇块倾斜机构、摇块顶开机构来进行设计分析，如图 2.17 为第一套方 案的机构简图。 图 2.17 21 2.5.3 第三套方案的确定第三套方案的确定 经过前面的各个机构优缺点比较，最终确定的第三套方案的三个部分分别选择：双剪 式举升机构、滑块倾斜机构、重力直接打开机构来进行设计分析，如图 2.18 为第一套方案 的机构简图。 图 2.18 22 第三章第三章 机构尺寸设计机构尺寸设计 3.1 滑槽举升机构滑槽举升机构 3.1.1 滑槽举升机构（摇杆式）的引入滑槽举升机构（摇杆式）的引入 如图 3-0 所示为设计的举升机构的简图，其原理是把设计的车厢置于一个倾斜 的固定导槽内，车厢下部的夹板连接一个可以自由转动的气缸，这样在油缸的推动 作用下，车厢就能够沿着导槽移动，就实现了车厢在上升的同时逐步后移。 在导槽式的举升机构设计时，最先被列入考虑的的乃是最为简单的摇杆机构，如下 图 3-1 所示： 23 图 3-1 滑槽举升机构 （摇杆式）结构非常简单，整个机构仅有一个液压缸（AC)和 一根摇杆 (BD)组成，而其尺寸则主要由车厢要求的举升高度与后移量来确定。但 是此方案可能需要的构件的尺寸不太符合要求。 3.1.2 摇杆式举升机构的几何尺寸设计摇杆式举升机构的几何尺寸设计 由于本设计的计算都比较简单，计算都是根据各几何关系及设计者自己设计的 一些数据，故本设计的计算不用矩阵法计算，也不用电脑编程计算。先建立直角坐 标系，如下图3-2 所示： 24 图 3-2 1. 滑槽倾斜角的设计：由图 3-2 可知，导槽的倾斜角度 tan=Smax/a=1800/380=4.74 所以 =arctanSmax/a=78.08。 图 3-2 1. 液压缸和摇杆的长度设计： 先设夹板的厚度为d（d500，由车厢低与车体的尺寸所决定），各点 坐标分别为 A (XA ，YA)、B（XB ， YB)、C (XC， YC)、D (XD， YD)、C (XC， YC)、D (XD， YD)。由图 3-1 可知： BD BD XX YY BC BC Y-X Y-Y (3.1.1) (3.1.2) BD BD BC BC XX YY XX YY （1） 、 （2）式是由 C、C两点分别在BD、BD两条直线上而列出的。由 设计要求液压缸最短不低于1000 mm，最长时不大于1700 mm，可以得到： AC1000 mm ， AC1700 mm (3.1.3) 根据初始位置和运动终点位置，可以得到如下的两个方程式： BD=2300 mmd . (3.1.4) 2sin BD=500 mmd . (3.1.5)1sin 由三角形余弦定理有（ABC)： 25 . (3.1.6) 222 1cos 2 BCABAC ABBC 根据该举升机构的结构简图，列取了上述的几个数学公式，一些具体的尺寸就 必须由设计者自行进行设计。根据结构简图及一些资料的查询，初步拟大致的尺寸 如下（如果算得不符合要求可以适当的调整数据）： d= 100 mm (d 500 mm) 对于正三角形，它的三边相等，受外力的时候能够很好地把力均分出去。所 以，我们假设ABC是正三角形，且另AC处于液压缸的最长临界值 1700 mm 则有： AB = AC = AC =1700 mm 2 60 将数据带入式子可得： mm sin602200BD mm 1 sin400BD BD=BD 2 22 1 17001700 cos 2 1700 1700 AC 经计算得到： 1 9 338 BD = BD = 2540 mm AC = 267 mm 从得到的计算结果中可得出，此方案设计时AC 杆的杆长并不符合设计要 求（ AC 1000 mm） 。当然，可以经过更改一些设计尺寸得到符合要求的设计方 案。但是经过分析，有更好的方案符合要求，故此方案不被采纳，所以各点的坐标 也不再求算。下面来分析设计的另一个更好的方案。 3.1.3 滑槽举升机构（摇块式）的引入滑槽举升机构（摇块式）的引入 举升机构的原理依然是把设计的车厢置于一个倾斜的固定导槽内，车厢下部的 夹板连接一个可以自由转动的气缸，这样在油缸的推动作用下，车厢就能够沿着导 槽移动，就实现了车厢在上升的同时逐步后移。上面分析可最为简单的举升方案， 但是由于尺寸的原因，导致该方案不太符合设计要求，下面介绍另一种由上面方案 修改而来的导槽式举升机构（摇块式）的方案。下面的方案是由我们反复推敲，再 26 在如下图 3-3 的机构中得以启发而设计出来的方案。 图 3-3 根据先前的方案，为保证AC 杆的长度设计符合要求，经过分析，只要在B 出增加一个摇块，使得杆BD 的长度可变。那么在AC 杆改变量符合设计要求 的前提下， BD 杆长度就可以有比较大的改变，使得车厢的举升量得以满足。具 体的设计结构简图如下图3-4 所示： 图 3-4 此方案的结构相对于上一个方案要稍微的复杂，但是此方案也是上一种方案的 延伸。此方案机构由一根导杆（CD） 、一个液压缸 (AC)、一摇块组成 ,也是属 于比较简单的举升机构。比较经济，而且所占空间也不大。下面我们对其一些构件 的尺寸进行分析并计算。 3.1.4 摇块式举升机构的几何尺寸设计摇块式举升机构的几何尺寸设计 本设计此方案结构简单，计算也相对的简单，都是简单的几何关系计算。下面 就先进行一些简单的设计计算分析： 【1】 首先建立如图直角坐标系，如下图3-5 所示： 27 图 3-5 【2】 再分析各杆的长度变化，各点的坐标变化，由于次方案中杆BD 和液压缸 AC的长度都有变化，所以其长度表示用坐标表示比较方便； 【3】 在各杆长度变化的同时，一些重要的角度也都在变化，通过角度的变 化来列取坐标方程也可以求解； 【4】 虽然各杆的长度、各个角度都在变化，但是在整个举升的过程中依然 有一些量并没有变化； 【5】 通过列取各杆的长度方程、各个角度的变化方程，最后再自行通过查 找资料，设定某些数据。通过计算，最后得到正确的设计。 2） 导槽倾斜角的设计，如图3-6（摇块式与摇杆式计算相同）： 由图 3-2 可知，滑槽的倾斜角度 tan=Smax/a=1800/380=4.74 ，所以 =arc tan Smax/a=78.08 图 3-6 3） 液压缸及导杆的长度设计： 先设夹板的厚度为d（d500，由车厢低与车体的尺寸所决定），则底板 与车体的间隔 变为：；各点坐标分别为 A (XA ，YA)、B（XB ， YB)、C (XC， d Hd 28 YC)、D (XD， YD)、C (XC， YC)、D (XD， YD)。由图 3-1 有： 1） 根据点 C 始终在杆 BD 上，改变的仅仅是它初始位置与终点位置的坐标， 则由直线斜率相同有以下两式（1） 、 （2）： BD BD XX YY BC BC Y-X Y-Y (3.1.7) (3.1.8) BD BD BC BC XX YY XX YY 4) 根据初始位置和运动终点位置的几何关系，可以得到下面两个方程式： BD=2300 mmd (3.1.9) 2sin BD=500 mmd . (3.1.10)1sin 5) 由三角形余弦定理可以得到以下两式： 对ABC由余弦定理有： . (3.1.11) 222 2 cos 2 BCABAC ABBC 对ABC 由余弦定理有： . (3.1.12) 222 cos 1 2 BCABAC ABBC 5） 根据各个杆长、液压缸长，用各点坐标表示，可以得到以下四式： AC 杆的长度： . (3.1.13) 22 CACA ACYYXX BD 杆的长度： . (3.1.14) 22 BDBD BDYYXX AC杆的长度： . (3.1.15) 22 CACA ACYYXX BD杆的长度： 29 . (3.1.16) 22 DBDB BDYYXX 1. 如坐标图所示，各点坐标都可以用点D的坐标 来表示，以 , DD XY 方便后面的计算。则有： 点 A： 2 sin 0 ABD A XXABXBDAB Y 点 B： 2 sin 0 BD B XXBD Y 点 C： 11 11 coscos sinsin CDD CDd XXDCXaDC YYDCHdDC 点 D： DD Dd XXa YHd 经过分析，由该简图的坐标系能够列取的数学方程都已经列出来，下面通过计 算、分析及检验，来得到符合设计要求的设计方案。 首先，我们根据设计要求和一些车身及车上间隙的具体尺寸尺寸，各杆长都有 一定的取值范围： 1000 mm (最短液压缸长） 22 CACA ACYYXX 1700 mm （最长液压缸强） 22 CACA ACYYXX d 500 mm （车体与车厢间隙） 下面通过自行设定一些值，通过分析计算，得到想要的法案。由已知的条件， 我们可以取值： mm100d mm (液压缸 AC 最短时取的是其最短的临界值）1000AC 对于正三角形，它的三边相等，受外力的时候能够很好地把力均分出去。故 我们就选取ABC为正三角形。所以有： AB = AC = AC 2 60 现在来分步计算： 首先有： 30 mm 2 23002200 2540 sinsin60 d BD （考虑到车长为4000 mm，车身的高度也不会太高，故杆在最长是不应太长， 以免其自身长度超过了车身长度；也避免杆在举升的过程中，由于杆在摇块中旋转 伸长而触碰到地面。而经算得的杆长=2540 mm 符合要求。） BD 其次取： 1350,0 1300,400 A D 由所取两点的坐标，其它点坐标可以写成如下所示： 或者 3 (1680 ,0) 2 BBD1350,0BAB 11 1300cos,400sinCDCDC 3 1680,2200 22 D C CD C 1680,2200D 将各点的坐标带入（3.1.7） 、 （3.1.8）两式可以得到： 1 400 tan 3 380 2 BD 3 2200 2 3 22 BD D C BD 由 B 点的两种表示： 或者 3 (1680 ,0) 2 BBD1350,0BAB 即： 3 16801350 2 BDAB 由 mm 2 23002200 2540 sinsin60 d BD 31 最后由各式子求得 各杆长度及各个点的坐标分别为： A ( 1350 ， 0 ) B ( 2890 ， 0） C ( 2339 ， 148) C (2214 ， 1274) D ( 1300 ， 400） D（1680 ，2200） mm 22 1000 CACA ACYYXX mm 22 1540 CACA ACYYXX 经过各种分析比对，此设计符合设计要求。 3.2 倾斜机构的设计倾斜机构的设计 3.2.1 倾斜机构的引入倾斜机构的引入 在倾斜机构的设计时，最先被想到的方案就是如下图3-7 所示的简单机构： 图 3-7 此倾斜机构很简单，全机构仅仅是由一个液压缸和车厢构成，在液压缸的推动 之下，车厢在绕着铰接点P 转动，而液压缸则是绕着铰链点R、O 同时旋转。 从而达到在车厢被举升到预定的位置后，翻转卸货的目的。 3.2.2 倾斜机构的分析计算倾斜机构的分析计算 先有整个车厢翻转结构简图3-8： 32 图 3-8 由图可以看出，车厢翻转机构的翻转角度需要达到。下面我们建立直55 角坐标系如下图3-9 所示，进行求解： 图 3-9 由上图可以看出：QP 为车厢与车身的夹板 NP 为车厢 MN 为液压缸 上述各点的坐标分别为： , QQ Q XY , RR R XY , OO O XY , PP P XY 33 根据上述翻转机构简图所建立的直角坐标系，可以得到： (,)cos,sin OORR XYXROORP YROORP tan OP OP YY XX 并且有 55 的取值范围为（1000 mm，1700 mm）OR 在初始位置时 1000 mmOR 在终点位置时 1700 mmOR 经过分析，在设计过程中当时，整个机构的受力情况最为理想，OROP 所以在进行计算时取。下面我们通过选取一些点的位置，再通过计90ORP 算，从而得到正确的设计方案。 取： 夹板长度 ： 3500 mm 点 P 坐标： （3800，500） 最短时取 1000 mmOR 最后经过计算及检验，可得到各点坐标值及车厢举升后的翻转角度分别为： R 点坐标： (1668，400） O 点初始坐标： （2660，500） O 点终点位置坐标：（3142，1440） 55 故此：此翻转机构也设计完毕，而且设计所得的方案也符合要求。 3.3 车厢联动打开机构设计车厢联动打开机构设计 后厢门的各个翻转状态如下图 3-10 所示： 34 图 3-10 3.3.1 车厢联动打开机构导入车厢联动打开机构导入 车厢联动打开机构的启闭最好是自动的，即在车厢举升的同时后厢门慢慢的开 起，所以我们就想到了如下的方案。下图3-11 和图 3-12 分别是后厢门在关闭 和开启时的状态： 图 3-11 图 3-12 UV 为车厢门，其上端与 WU 杆铰接，下端与 XV 杆铰接，在车厢倾斜卸货时，只需 通过联动机构转动 XV 杆，就能实现车厢门 UV 绕 V 点的转动。 35 3.3.2 车厢联动打开机构的分析计算车厢联动打开机构的分析计算 先建立如下图 3-13 所示直角坐标系： 图 3-13 由设计要求有车厢的长度、宽度、高度分别为：4000 mm、2000 mm、640 mm 。根据 设计要求，最后得到各点坐标为： X (3000 ， 320 ) W (3800 ， 600） V (4000 ， 0 ） U (4000 ， 320） 3.4 关键尺寸的优化关键尺寸的优化 尺寸优化的目的： 1、在为了后面的仿真过程中不出现干涉，死点的情况； 2、由于实际计算中并未涉及到插销及螺钉的尺寸，某些间隙空间等。 因此，基于此两点，必须对机构的尺寸进行优化，来达到优化的目的。对于尺 寸的优化，我们采取了在各个连接之处的零件保持一定的间隙不接触。同时要考虑 到液压缸在收起的状态下时能够伸长，在收起时候就与板就应该有一角度。即在液 压缸收起时对板上槽进行了加深处理。在后面的装配中也对转动处和移动处转动移 动范围进行来了控制。 3.5 机构的运动分析机构的运动分析 运动机构的设计，主要还是要看其在运动过程中是否平稳，还有就是看起运动 36 是否是符合设计要求。考虑到这，我们对自己设计的方案进行了运动的仿真分析， 其中有一些重要的点的位置、速度、加速度分析。 下图 3-14 是在 solidworks 中建立的整个机构的完整模型图： 图 3-14 下面我们先对图3-5 中点 C 的运动进行了分析： 下图是点 C 的位移仿真图3-15 和图 3-16： 图 3-15 37 图 3-16 点 C 的速度分析图 3-17 和图 3-18： 图 3-17 图 3-18 38 点 C 的加速度分析图 3-19、图 3-20： 图 3-19 图 3-20 图 3-5 中点 D 的运动分析： 点 D 的位移分析图 3-21、图 3-22： 图 3-21 39 图 3-22 点 D 的速度分析图 3-23、图 3-24： 图 3-23 图 3-24 点 D 的加速度分析图 3-25、图 3-26： 40 图 3-25 图 3-26 对图 3-9 中点 N 的运动进行了分析： 点 N 的位移分析图 3-27、图 3-28： 图 3-27 41 图 3-28 点 N 的速度分析图 3-29、图 3-30： 图 3-29 图 3-30 点 N 的加速度分析图 3-31、图 3-32： 42 图 3-31 图 3-32 经分析，由上述所有图片我们可以得出：方案符合设计要求。 第四章第四章 第二套方案的设计第二套方案的设计 4.1 行平四边形举升机构行平四边形举升机构 4.1.1 平行四边形举升机构的引入平行四边形举升机构的引入 如图 4-1 所示为我们设计的平行四边形举升机构的简图，其原理是把设计的车厢 置于一个夹层之上，车厢下部的夹层连接可以自由转动的杆，在油缸的推动作用下， 车厢就能够就实现了车厢在上升的同时逐步后移。在平行四边形举升机构设计 时，最先被列入考虑的的乃是最为简单的单平行四边形机构，如下图4-1 所 43 示： 图 4-1 根据题意易知： 车厢到底板间的距离： d H500mm 车厢举升后高度为：, max S1800mm 车厢后移量： a 380mm 因为设计方案时考虑到高位自卸汽车的整个运动过程是车厢先举升再倾 斜，最后后厢板打开开始倾卸货物；因此在设计举升装置和倾斜装置时必须 使得相互间的工作不会相互影响，为此经本小组的认真讨论分析提出了在车 厢底层加装一个夹层，使得在夹层和底板间安装举升机构，夹层和车厢底之 间安装倾斜机构，如此可以完美的实现车厢的举升与倾斜运动。 为此，设夹层厚度为： ，100hmm 夹 则车厢到夹层底的距离： 1 =500-100=400 dd HHhmm 夹 设：杆 AB 与底板的夹角为， 、举升后为 ，举升前为BAE 1 2 杆长| |ABCDl 根据题意：举升前底板到夹层底的距离： （4.1） 12 sin400 d Hlmm 举升后底板到夹层底的距离： （4.2） 1max1 sin400 18002200 d HSlmm 44 车厢后移量： a 380mm （4.3） 21 a coscos=380llmm 根据（4.1） （4.2） （4.3）联立方程组 所以可以推出： 2222 4002200380ll 4679810.517lmm 这里可以发现 的长度非常的大，远远的超过了车厢的长度，这是在工程上是不可能实现l 的事情，所以此方案不符合设计要求。 4.1.2 双平行举升机构的几何尺寸设计双平行举升机构的几何尺寸设计 如 图 4-2 所示为双平行举升机构，各杆件间的连接均为铰链接，ML 表示油压缸， E 为滑块。其工作原理是将车厢置于夹层之上，通过油缸的伸缩，控制夹层与底板之间 机构的升起与降落，从而实现车厢的举升和后移，并可实现车厢在空中任意位置停留。 2 1 21 sin400 sin2200 coscos=380 l l ll 2 22 2 11 cos1 sin cos1 sin 45 图 4-2 初定尺寸如下：初定尺寸如下： 设连杆 FB 与底板的夹角为，举升前为 、举升后为 由已知条件， 1 2 易得出杆 FI 与夹层间的夹角也等于; 1 2 HGFIEIJDFKEKl 因此，很容易证明四边形 FKEI 为菱形， 且 FBABFDIFEHIF 因此，夹层和底板之间的最远距离和最近距离只差应等于车厢的最大升高距离 max S 当连杆 FB 与底板的夹角为时，为夹层和底板之间最近距离 1 即 1121 sinsinll 当连杆 FB 与底板的夹角为时， 夹层和底板之间的最远距离 2 即 1222 sinsinll 依题意可得： 车厢举升高度为：, max S1800mm 升高量 ： max S 12221121max sinsin( sinsin)llllS 即 -(4.1) 1221 ()(sinsin)1800llmm 2 1 AGBFCDl 3ABGFHI 4BCDFIJ 5，| 200ALmm50GAL 1 AGl 因为液压缸的伸长范围在之间10001700mmmm 即 伸长前： 1 | 1000MLmm 伸长后： 2 | 1700MLmm 222 | cos(50 ) | sin(50 )|ALAMALML 当时 , 1 FBA | 1000MLmm 当时 , 2 FBA | 1700MLmm -（4.2） 222 11 222 22 | cos(130) | sin(130)1000 | cos(130) | sin(130)1700 ALAMAL ALAMAL 46 根据余弦定理 BL 长度:如图 4-3 所示，根据余弦定理得50GAL 又| 200ALmm 1 |AGl50GAL -（4.3） 22 1 |GL|= 400 | cos50200AGl 6车厢后移量： 图 4-3a 380mm 由于车厢在举升的时候，双层连杆机构中长度为 的杆分别以 A，B，C 1 l 点为基点顺时针旋转使得车厢向后移动，而长度为的杆分别以 2 l H，I，J 为基点逆时针旋转，使得车厢向前移动，因此长度为 杆的后移 1 l 量减去长度为杆的前移量就必须等于车厢的后移量，因此， 2 la 380mm 长度为 的杆长必须大于长度为的杆长 1 l 2 l 即 杆长 12 ll 长度为 杆的后移量： 1 l 1112 coscosll 长度为杆的前移量： 2 l 2122 coscosll 则 总后移量： 11122122 coscos( coscos)lllla 即 - 1212 ()(coscos)380llmm (4.4) 7车厢到底板间的距离： d H500mm 因为设计方案时考虑到高位自卸汽车的整个运动过程是车厢先举升 再倾斜，最后后厢板打开开始倾卸货物；因此在设计举升装置和倾 222 | cos 2 | ALAGGL GAL ALAG 222 | cos 2 | AMALML LAM AMAL LAMGAL 47 斜装置时必须使得相互间的工作不会相互影响，为此经本小组的认 真讨论分析提出了在车厢底层加装一个夹层，使得在夹层和底板间 安装举升机构，夹层和车厢底之间安装倾斜机构，如此可以完美的 实现车厢的举升与倾斜运动。 为此，设夹层厚度为： ，100hmm 夹 则车厢到夹层底的距离： 1 =500-100=400 dd HHhmm 夹 8夹层到底板的高度： 1 400 d Hmm 因为举升机构安置于夹层与底板之间，因此当举升机构处于最低位 置时的举升机构总高不得高于夹层与底板之间的高度； 1 400 d Hmm 、又因为当时举升机构处于最低位置，所以，此时机构 1 FBA 的高度为 1121 sinsinll 所以 11211 sinsin d llH 即 -（4.5) 1121 sinsin400llmm 9整个举升过程中，举升机构的总长度不能超过车厢的整体长度，车厢长 度与车厢和车头之间距离之和则为车厢的整体长度。 即 40003004300 t LLmm 而当车厢在最低位置时机构的整体长度最长， 当时，车厢位置最低，举升机构整体长度，最长此 1 FBA 时期长度为： 或 11 cos|lABBC 21 cos|lABBC 又由于在第（6）步尺寸设计中求得杆长， 12 ll 因此当时，举升机构最长的长度 1 FBA 即 11 cos|lABBC 因此必须满足： 11 cos| t lABBCLL 即 -(4.6) 11 cos| 4300lABBCmm 10整个举升过程中，举升机构中的滑块必须得自由运动，因此杆 FD 的长度 必须大于在举升运动过程中杆的最大值。 48 当车厢处于最低位置时，杆长度最大 即当时，杆最长 1 FBA 2 | |FIEIl IFEEFB 如图 4-4 所示当时， 最长， 1 =|EF 此时, max21 | 2 cosEFl 图 4-4 不能影响机构中滑块的自由移动 图 4-4 max | |DFEF 即-(4.7) max21 |DF| 2 cosEFl 综合上述约束条件及尺寸设计综合上述约束条件及尺寸设计 升高量约束条件： -(4.1) 1221 ()(sinsin)1800llmm 液压缸的伸长范围约束条件 -（4.2） 总后移量约束条件 -(4.4) 1212 ()(coscos)380llmm 机构高度约束条件 -（4.5) 1121 sinsin400llmm 机构长度约束条件 222 11 222 22 | cos(130) | sin(130)1000 | cos(130) | sin(130)1700 ALAMAL ALAMAL 49 或 -(4.6) 11 cos| 4300lABBCmm|AM| | 4300ABBCmm DF 杆长度约束条件 -(4.7) max21 |DF| 2 cosEFl 所以根据（4.1） 、 （4.2） 、 （4.4） 、 （4.5） （4.6） （4.7）这六个约束条件 经计算并取值的： 取， 1=10 1121 sinsin400llmm 因此，设 又 1221 ()(sinsin)1800llmm 1=10 经代入数据，求得 2=73 ， 1=10 2=73 1212 ()(coscos)380llmm 12 548.9llmm 因此，取 12 550llmm 又 12 2300llmm 1 AGBFCD1425lmm 2 HGFIEIJDFKEK875lmm 因为 DF 杆长度约束条件 max21 |DF| 2 cos2 875 cos101723.4EFlmm 所以取杆 DF 长度：|DF|=1750mm BCDFIJ=1750mm 又因为液压缸的伸长范围约束条件 12 400 2303.5 sin mm llmm 12 2300llmm 12 12 2300 550 llmm llmm 1 2 1425 875 lmm lmm 222 11 222 22 | cos(130) | sin(130)1000 | cos(130) | sin(130)1700 ALAMAL ALAMAL 50 上式 12 | 200,10 ,73ALmm 当 因为机构长度约束条件为 或 11 cos| 4300lABBCmm|AM| | 4300ABBCmm 所以取： 11 cos| 4300lABBCmm 所以，| 1146.6ABmm 所以取| 1000ABmm 三角板 FL 长度 22 1 |GL|= 400 | cos502001535.3AGlmm 11 | 995cos=1425 cos10 =1403.4mmAMmm l 222 | cos 2 | AMALML LAM AMAL LAMGAL =10时 =60LAMGAL 11 | 995cos=1425 cos10 =1403.4mmAMmm l 51 4.1.3 建立坐标系建立坐标系 图 4-5 按照如图 4-5 所示建立坐标系 并依照图 4-2 计算各点坐标 A 点坐标（1518，0） B 点坐标（2518，0） C 点坐标
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