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畢業(yè)論文（設計）
題目名稱： 自卸汽車舉升機構的設計
所在學院：
專業(yè)（班級）：
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自卸汽車舉升機構的設計
總計：畢業(yè)論文： 37 頁
表 格： 3 表
插 圖： 9 幅
指導教師：
評 閱 人：
完成時間：
摘 要
隨著國民經濟的持續(xù)快速增長，社會對汽車運輸?shù)囊笠苍絹碓礁?，自卸汽車是通過液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)車廂舉升并且能自動準確降落回位的汽車，它能夠自動卸貨，在道路運輸，建筑等領域都應用廣泛。自卸汽車作為專用汽車中一個分支，幾十年來在我國快速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種多樣的型式，其中最常見的是后傾式自卸汽車，但是近10年來我國專用汽車生產的品種少且單一，缺乏創(chuàng)新，相較于國外等發(fā)達國家仍然比較落后，所以需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展，研究新的種類和技術，提高產品的質量，對于我國而言是非常重要的任務。
本文首先對自卸汽車國內外的研究現(xiàn)狀作了相關的概述，講述了本文研究的意義。接著，按照自卸汽車的設計步驟，選擇合適的二類底盤，參照型號為 CA3071PK2AEA80 的二類底盤，對汽車的外廓尺寸、輪距與軸距尺寸以及整車的裝載質量、整備質量、總質量等參數(shù)進行了相關的計算與設計，再對舉升機構和液壓系統(tǒng)進行設計選型 然后對其關鍵部分進行校核以確保設計滿足要求，最后進行catia三維畫圖。
關鍵字：自卸汽車；舉升機構 ；液壓系統(tǒng)
Ⅰ
ABSTRACT
Along with the sustained and rapid growth of the national economy, the society is becoming more and more high to the requirement of motor transport, car by hydraulic system to implement the carriage self-discharging and can automatic landing return car accurately, it can automatic unloading, in the road transport, construction and other fields are widely used. Dump trucks as a new branch of special vehicles, after decades of rapid development in our country, have a variety of forms, one of the most common is backward of dump truck, but less varieties of specialized automobile production in China in recent 10 years and a single, lack of innovation, compared with foreign developed countries such as still relatively backward, so need to constant innovation and development, research new types and technologies, improve the quality of the product, is a very important task for our country.
At first, this paper gives an overview of the research status of dump trucks at home and abroad, and describes the significance of this study. Then, according to the design steps of the dump truck, select the appropriate category ii chassis, reference model for CA3071PK2AEA80 second class chassis, the car outside of the profile size, the size of the wheel track and wheelbase and vehicle loading quality, curb weight, total quality and relevant calculation and design, the parameters of lifting mechanism and hydraulic system design and type selection And then to check to ensure that the design of its key parts meet the requirements, finally carries on the catia 3 d drawing.
Key Words：Dump truck ;lifting mechanism; hydraulic system
I
Ⅱ
目 錄
摘 要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 國內外專用車輛的發(fā)展概況 1
1.3 研究本課題的目的和意義 2
1.4 自卸汽車的概述 2
2 自卸汽車總體設計 4
2.1 總體設計方案確定 4
2.2 二類底盤的選擇 4
2.3 主要尺寸參數(shù) 5
2.4 本章小結 6
3 舉升機構和液壓系統(tǒng)的設計 7
3.1舉升機構的選型 7
3.2 舉升機構最大舉升角的確定? 8
3.3 舉升機構的結構設計? 10
3.4 液壓系統(tǒng)的設計 13
3.5 本章小結 17
4 自卸汽車穩(wěn)定性及運動部件的校核 18
4.1 自卸汽車穩(wěn)定性計算校核 18
4.2 自卸汽車運動部件干涉的校核 19
4.3 本章小結 21
5 結論 22
參 考 文 獻 23
附錄1：外文翻譯 24
附錄2：外文原文 32
致 謝 38
- 0 -
自卸汽車舉升機構的設計
1 緒論
1.1 引言
自卸汽車是通過液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)車廂舉升并且能自動準確降落回位的汽車，它能夠自動卸貨，在道路運輸，建筑等領域都應用廣泛。自上世紀60年代起，經過工業(yè)革命之后，發(fā)達國家的汽車行業(yè)逐漸發(fā)展起來，因而發(fā)達國家的專用汽車的數(shù)量一直在增長，占據(jù)了世界汽車絕大部分市場，隨后亞太地區(qū)也逐漸發(fā)展起來，而我國自卸汽車比發(fā)達國家晚了幾十年，技術和產品的質量遠不如發(fā)達國家，但經過幾十年的不斷革新和成長，現(xiàn)在已經不斷地發(fā)展和壯大，如今已出具規(guī)模，并且在不斷的完善和改良，現(xiàn)在，我國的自卸汽車生產的廠家繁多，已經有幾千家，在21世紀初，載貨汽車總產量達專用汽車的一半左右。但是近10年來我國專用汽車生產的品種種類少且單一，缺乏創(chuàng)新，仍然需要引進外國先進技術，同時數(shù)量和質量還遠不如其他發(fā)達國家。所以需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展，研究新的種類和技術，提高產品的質量對于我國而言是非常重要的任務。
1.2 國內外專用車輛的發(fā)展概況
1.2.1 國外專用車輛發(fā)展概況
從19世紀90年代末期開始，美國和西歐的一些發(fā)達國家的卡車交通運輸業(yè)不斷發(fā)展，逐漸運用于交通建筑等各個領域中，因而專用汽車在世界各國不斷發(fā)展起來，不久之后日本等亞洲地區(qū)也開始重視專用汽車的發(fā)展。
（1）國外專用汽車的規(guī)模：
由于國外一些國家人口基數(shù)小、領土廣泛、勞動力匱乏，因而需要機械化效率高的專用汽車，所以國外的自卸汽車廠家多，生產的零部件也專業(yè)化、標準化，同時批量大、品種多，符合交通運輸各個領域的要求。
（2）國外專用車輛的發(fā)展形勢及研究現(xiàn)狀
據(jù)數(shù)據(jù)資料顯示，1980年美國用于交通運輸業(yè)的汽車占專業(yè)汽車生產的一半以上，其中中型和重型貨車的數(shù)量為主。1970年Japan的汽車年產量到達21萬輛。到90年代，Japan的特種車輛總產量為70年代的十倍之多，中型貨車占據(jù)主要市場。歐洲地區(qū)由于人文環(huán)境的同，它以重型車輛為主，大部分產品是拖車、半掛車和低載貨卡車，大小不一，軸承質量不同。前蘇聯(lián)比日本早了20年，汽車和工業(yè)發(fā)展迅速，貨車比例和專用車輛的所有權上呈上升趨勢。
重型汽車具有重型、大功率、大功率的特點不能被其他特種車輛替代，因此在國外得到快速發(fā)展，當然重型汽車也存在些許不足，因而國外專用汽車廠家在研究上花了很大功夫，向輕型化發(fā)向發(fā)展。
1.2.2 我國專用汽車的發(fā)展形勢
（一）我國專用汽車的研究現(xiàn)狀
自上世紀60年代初開始，我國開始重視專用車輛的存在，一開始從軍事車輛和消防車的基礎上經過改裝形成專用汽車。1970年開始，通過改革開放及國民經濟的增長，專用汽車逐漸成為社會生產的核心力量。
我國的專用車輛行業(yè)在90年代得到飛速迅速，經過40多年的成長形成了自己獨有的體系?，F(xiàn)在的車輛生產廠家主要為四類:其中最為普遍的一種形式是廠家生產基本專用車輛，它的市場占據(jù)我國的一半;其次是廠家生產專用的車輛，其主要生產形式是對汽車底盤進行改裝形成專用車輛，其生產占將近一半，與上一種基本占據(jù)了我國的主要市場；剩下來的就是一些不專業(yè)法的廠家和一些維修廠，主要根據(jù)用戶的需求對車輛進行生產或改裝。
（二）專用車輛產品的發(fā)展趨勢
通過改革開放，交通基礎設施建設也不斷改進和發(fā)展，由于專用汽車的各個優(yōu)點，因此專用汽車在我國發(fā)揮著重要的作用。但是，與發(fā)達國家相比，我國貨車所有權的特殊車輛和年產出的比例較小，由于城市需要大量的特殊車輛，如生活車輛、醫(yī)療車輛、市政車輛和衛(wèi)生車輛，所以研發(fā)生產的高水平、高質量、高附加值的專用車輛是我國發(fā)展的首要任務。
1.3 研究本課題的目的和意義
我國于上世紀中期開始生產自卸汽車,經過50多年的成長和蛻變,特別是在1980年代,經過改革開放，生產技術不斷的交流和改變,公路自卸車和礦用自卸汽車逐漸壯大起來，自卸汽車從而形成了較為規(guī)范的體系，特別是自21世紀以來，我國的社會經濟發(fā)展迅速，對專用車輛的行業(yè)需求量增加，使得專車專業(yè)化、豐富化。
自卸汽車生產企業(yè)自發(fā)展萌芽開始，由不足的10家到現(xiàn)在的上千家，翻了近百倍,占了國家汽車生產企業(yè)的八成,從最初零散的小規(guī)模企業(yè),通過不斷的整合和聯(lián)改等方式形成企業(yè)的集團化和規(guī)?；?，無論從數(shù)量還是從品質上得到了前所未有的發(fā)展和進步。然而，國外自卸車的生產開始于1930年代，比中國早了30年。在隨后的幾年里，它的結構雖然得到了改善，車輛的性能得到了改善，但相比于國外仍然差了很多，因此需要不斷研發(fā)和發(fā)展。
1.4 自卸汽車的概述
自卸汽車作為裝有由本身發(fā)動機驅動的液壓舉升機構，能將車廂卸下或者使車廂傾斜一定的角度、貨物依靠自重能自行卸下的專用車輛，其主要運輸砂石等散裝貨物，運用于建筑和礦用等領域中。由于它具有能自動卸貨的優(yōu)點，大大提高了卸貨的效率，節(jié)省了人力物力，降低了成本，所以自卸汽車得到了應用和發(fā)展，隨后成為具有一定規(guī)模的產品，且種類豐富化。
自卸汽車一般可分為兩類:一類重型重載公路運輸，主要是礦山和水路運輸，配有挖掘機，但它的外部輪廓和軸載沒有具體的要求。另外一種是普通公路運輸?shù)能囕v，主要運用于市場經濟，從事砂石等散貨運輸。
一般額定裝載質量小于4噸為輕型自卸汽車，大于8噸為重型，在這之間的則為中型。
圖 1.1 為普通自卸汽車結構及主要組成部分:
1- 三角臂；2-車廂；3-液壓油缸；4-拉桿；5-副車架；
圖1.1 普通自卸汽車結構及組成部分
2 自卸汽車整車設計
設計一輛載重為4噸的自卸汽車，需要對其完成自卸汽車底盤的選用，舉升機構及液壓系統(tǒng)的選型和設計，最后對關鍵部分進行校核和分析。
2.1 二類底盤的選擇
自卸汽車的底盤分為一、二、三、四類底盤，目前絕大部分專用車輛被改裝用于二類底盤，占所有底盤的八成左右。二類底盤是指完整車輛去掉貨箱及專用裝置的機械整體，它具有后懸小、車架大梁短的特點，因此本車選用二類底盤。
汽車底盤除了需要滿足可靠性和適用性的要求，還要考慮兩個因素：一是汽車底盤性價比，二是要有供貨來源。
考慮到以上因素，本車選用CA3071PK2AEA80的型號。它具有安裝靈活、配置方便、性價比高且供貨來源廣泛的特點，同時符合本文設計噸位要求，因此，本車選用該規(guī)格，它的規(guī)格及標準等主要參數(shù)見表 2.1
表 2.1CA3071PK2AEA80 型二類底盤參數(shù)
底盤型號
CA3071PK2AEA80
底盤類別
二類
規(guī)格
長：6280寬：2358高2730
燃油類型
柴油
依據(jù)標準
GB3847-2005
軸數(shù)
2
軸距
3750
輪胎規(guī)格
9.00-20.9.00R20
輪距
前輪距：1914mm 后輪距：1847mm
總質量
7490kg
整備質量
2680kg
前排乘客
3
2.3 主要尺寸參數(shù)
自卸汽車的主要尺寸參數(shù)如圖2.1所示，主要包括:外廓尺寸、軸距、輪距、質量參數(shù)等。因為自卸汽車是由型號為 CA3071PK2AEA80 的底盤改裝而來，因此基本參數(shù)保持不變。
圖2.1 自卸汽車主要尺寸參數(shù)
2.3.1 外廓尺寸
總長寬高為汽車的外廓尺寸，由上文所述基本參數(shù)不變，所以確定自卸汽車的長為6280mm、寬為2358mm、高為2730mm。
2.3.2 軸距和輪距
汽車的外廓尺寸、裝載容積、軸荷分配、最小轉彎直徑等會受汽車軸距和輪距的影響，因此軸距和輪距的尺寸很重要。同理，本自卸汽車的軸距和輪距保持不變，所以確定其軸距 L＝5100mm；前輪距：1914mm；后輪距：1847mm。
2.4.3 質量參數(shù)
（1）整車整備質量
裝滿了燃料、冷卻整車整備質量劑和液壓油的空車質量是車輛的整車質量。從設計原則考慮，需要盡力減少,所以采用輕型材料，減輕質量，來降低成本。當然，還要考慮車輛使用的外部條件、公路狀況等因素。
綜合以上因素，確定自卸汽車的整備質量。
（2）額定裝載質量
額定裝載質量是根據(jù)用戶的需求、使用情況及選定的底盤來確定的。還應考慮廠商的底盤的額定載荷質量，從而使產品向標準化發(fā)展。與此同時，能承載所選擇的二類底盤允許的最大質量。
（3） 最大總質量
（4） 最大總質量包括整車整備質量、額定裝載質量和乘載人員。所以，其中為承載人員質量，取60kg。
所以本車最大總質量：
2.4 本章小結
確定了本次設計二類底盤的型號是CA3071PK2AEA80，根據(jù)該型號確定了本次設計的外廓尺寸長為6280mm、寬為2358mm、高為2730mm;軸距 L＝5100mm；前輪距：1914mm；后輪距：1847mm、整車整備質量4100kg、最大總質量7160kg。
3 舉升機構和液壓系統(tǒng)的選型和設計
3.1舉升機構類型的選擇
從傳動裝置的側面或上端安裝到輸出功率、動力升降器或通過直接驅動油泵驅動軸驅動泵來產生液壓驅動的裝置。其設計要求如下:
1：利用升降機構實現(xiàn)汽車傾卸功能；
2：安裝合理方便，具有良好的功率傳遞函數(shù)；
3：傾倒完后，能夠準確回位；
4：當貨箱實現(xiàn)最大舉升角時，貨箱底板的最低點不能低于水平地面。
舉升機構主要分為直推式和連桿組合式。
(1）直推式?
直推式是指升降機機構利用液壓缸直接將貨箱推到指定位置。其結構簡單，機械效率高，損失能量少，但是液壓缸的工作行程長，影響工作效率。
根據(jù)油缸位置和汽車連接點的位置，可將直接推舉機構的位置分為前后兩種。
（2）連桿組合式
連桿組合式根據(jù)布置形式分為兩種，油缸后推式（D式或加伍德式舉升機構）和前推式（T式或馬勒里式舉升機構）。
連桿機構式是利用三角機構將貨箱推到指定位置。升降機構工作平穩(wěn)，油缸活塞行程短，可用于單缸，結構簡單，加工方便，密封好，同時具有裝配靈活的優(yōu)點，所以被廣泛使用。
對于舉升機構的選型需要通過對生產工藝條件進行比較和分析，來確定哪個方案適合本次自卸汽車的設計，但是無論選擇哪一類機構，都需要滿足F和這兩個基本條件，表3.1是對兩類舉升機構的優(yōu)缺點進行了分析和比較。
表3.1 直推式和連桿組合式舉升機構的綜合比較
項目
類別
直推式
連桿組合式
結構布置
簡單
復雜
系統(tǒng)質量
小
大
油缸加工工藝
多級缸、工藝性差
單級缸、制造簡單、工藝性好
油壓特性
差
好
系統(tǒng)密封性
密封環(huán)節(jié)多、易滲漏、密封性差
密封環(huán)節(jié)少、不易滲漏、密封性好
工作壽命
磨損大、工作壽命短
不易磨、損工作壽命長
制造成本
高
低
系統(tǒng)傾卸穩(wěn)定性
差
好
直推式安裝靈活且構造不是很復雜。但是由于貨箱與油缸有直接關系，需要被直接頂起，且要被舉到最大舉升角，所以有必要提升車輛的平穩(wěn)性，就需要用雙油缸結構來解決，這就可能造成油缸泄漏或雙缸不同步，造成不均勻的舉升力和高的制造成本，不適用于本文設計的自卸汽車。
連桿式舉升機構是利用三角臂機構來實現(xiàn)油缸舉升，連桿是橫向跨度期間加強穩(wěn)定放電，只需使用單級單缸。所以它的制造過程方便且簡單，適用于各個機械行業(yè)，得到了生產廠家很多的青睞。
因此，本次設計采用了T式連桿組合舉升機構。該系統(tǒng)的升降固定鉸支點在車廂的質心周圍，受力平衡，穩(wěn)定性好。
3.2 舉升機構最大舉升角的確定?
當貨箱舉升到設計極限時，不能再舉升時，貨箱底部與車架的平面角度是汽車的最大舉升角度。因此，為了確定汽車的最大減壓角，在靜態(tài)角度的基礎上往往只有貨物，汽車的最大減壓角的設計必須大于靜態(tài)角度，以保證貨物傾倒的完成。所以需要了解貨物的靜態(tài)安息角，如表3.2所示：
表3.2貨物的靜態(tài)安息角
運送貨物名稱
單位容積質量（Kg/）
安息角
運動
靜止
無煙煤
焦炭
石灰石
碎石
粘土（小塊）
粘土（干）
水泥
粗砂
700-1000
360-630
1200-1500
1320-2000
700-1500
1700
900-1700
1400-1650
27°-30°
35°
30°-35°
35°
40°
-
30°
35°
27°-45°
50°
40°-45°
-
50°
27°-45°
-
40°-45°
此外，當車廂被舉升到一定角度時，貨箱的最低點要與底面存在一定的間隙，如圖3.1所示，貨箱底部和汽車尾部之間的距離必須大于零，以保證卸貨時不發(fā)生干涉。
中輕型自卸汽車的最大舉升角為，重型自卸汽車由于它承載質量大的特點，所以它的最大舉升角稍稍大一點，通常在之間。本次設計的自卸車汽載重質量為4t，是一輛中輕型自卸汽車，所以本文取。
圖3.1?自卸汽車最大舉升角的確定
3.3 T式舉升機構的設計步驟?
T式舉升機構具有結構簡單、節(jié)能、壓力與舉升角存在函數(shù)關系的特點被廣泛使用。其通常采用作圖法與解析法來確定三角臂機構，其受力分析圖如3.2所示。
圖3.2?T式舉升機構的受力分析圖
首先，通過作圖法初步確定各桿件和三角臂各鉸支點的坐標。然后計算出各固定鉸支點與的函數(shù)關系，以求出所需求的力，具體步驟如下：
1）建立平面直角坐標系?
坐標原點一般選在車廂與副車架的鉸支點的坐標O1，x、y方向如圖所示，此外參考同類舉升機構，初步確定油缸的最大工作行程L。
2）初定原始參數(shù)?
舉升總質量=裝載質量+車廂質量，初定為4100Kg。?
初定三角臂a、b、c、桿長度為d，在確定時，必須正確控制活塞沖程，同時考慮三角形臂對運動的放大效應，所以確定三邊比為。初定三角臂參數(shù)：。
3） 確定固定鉸支點D、E兩點的坐標
直線CE和直線DB的作用線是由D、E兩點坐標決定的，所以在D、E兩鉸支點的允許的情況下，使得DE之間的距離增大，以獲得更大的翻傾力。
縱坐標由結構允許的最小值確定，所以D、E兩鉸之點的坐標是、。
4） 確定舉升機構與車廂鉸支點點A的坐標（，）
選擇的坐標應注意三角形臂合理布置空間，避免B在三角形臂端點前產生干涉。在當L較大時，R取最高值；反之，就取較小值，初定A點坐標（2800,250）。?
5）求出油缸的工作行程L?
最大升力和初始位置的差值是油缸行程。由于三角臂最高位置尚未確定，需采用作圖法，連接0A，開始順時針旋轉至，旋轉角度為最大舉升角，此時A點變?yōu)椤Ｔ僖詾橹行淖鱎=AB的圓，同樣以D為中心作R=BD的圓，兩圓相交于點，同理，以為中心作R=BC的圓和以為中心作R=AC的圓，兩個圓相交于點，形成新的Δ，即為車廂被舉升到最大舉升角的位置。所以，油缸的最大工作行程為L=E-EC。?
根據(jù)上述步驟就可以得出三角臂ABC三點及固定鉸支點DE兩點的坐標。拉桿和三角臂的幾何尺寸是由圖法中得到的每個鉸鏈支點的坐標值，作為已知條件，當在0°到最大舉升角的任意時刻時，以求得和。??
馬勒里式（T式）舉升機構受力解析圖如圖3.3所示，其設計過程如下所示：
圖3.3?前推式連桿組合式舉升機構受力分析
1）求出A 點在任意舉升角時的坐標：
｛ (3-1)
式中：和為當時的點坐標，即上文初定的A點（2800,250）。
2）求出舉升重量質心G點在任意舉升角時的坐標（，）：
｛ (3-2)
同理點為時的坐標，即為車廂質量的中心,所以坐標為（1800,600）。
3)求舉升角為時的B點坐標（，）
已知:及A、D兩點坐標,可得B 點坐標（，）。即:
｛ （3-3）
4)求舉升角為時的C點坐標（，）
同理已知:及A、B兩點坐標,所以可以得出C點坐標
｛ （3-4）
5） 求直線BD和直線CE的方程
由于B、C、D、F四點的坐標都已經得知，所以直線BD的方程:
（3-5）
直線CE的方程:
(3-6）
6） 求F的坐標
F點為直線BD和CE的交點，所以聯(lián)立兩直線方程即可求解
｛ (3-7）
可得F的坐標（，）。
7）求翻傾力R
取車廂為分離體，根據(jù)力矩平衡：
(3-8）
(3-9）
8）求油缸的推力F
取三角臂ABC為分離體，根據(jù)力矩平衡，對B點取距：
(3-10）
(3-11）
(3-12）
9）求拉桿拉力
因為與F、R三個力受力平衡，所以只要知道其中兩個力就可以得知另外一個力，本文已知F和R，所以也能求解出來。
(3-13）
(3-14）
因為所求的三個平衡力都在的位置求出最大值, 所以在設計時需要用作圖法和解析法共同使用才能求解出這三個平衡力。根據(jù)以上公式,通過使用MATLAB軟件進行分析計算得油缸最大推力F=97217.7N，油缸最大行程L=843.21mm 。
3.4 液壓系統(tǒng)的設計
自卸汽車的液壓系統(tǒng)如圖 3.4 所示，它主要有由三部分組成，包括動力部分、控制部分和執(zhí)行部分。
圖3.4自卸汽車的液壓系統(tǒng)
3.4.1 液壓系統(tǒng)的結構特點和工作原理
1）液壓系統(tǒng)的結構特點
液壓生產部件由力提取器、油泵、單向閥、油箱驅動機構、油泵和單向閥組成，動力裝置通常與傳動裝置直接相連。
工作部分主要是指油缸和傾斜杠桿系統(tǒng)。油缸是安裝在梁中間的輔助框架通過氣缸支持。
控制部件包括液壓分配閥、控制系統(tǒng)和限位閥。
2）液壓舉升機構操縱方式的選擇
控制系統(tǒng)的最主要的部分是液壓分配閥，經常打開分配閥當汽車不解除油泵壓力分布的油閥回油箱中,可以減少光油泵磨損,并且可以防止車禍的過程中推動自卸箱和造成事故,所以經常打開閥廣泛應用于自動傾卸卡車分布。
3） 液壓舉升機構的工作原理
液壓系統(tǒng)主要由單活塞桿液壓缸、節(jié)流閥、手動換向閥、油箱、過濾器、液壓泵、單向閥、溢流閥組成，圖3.5為液壓系統(tǒng)原理圖。
1- 單活塞桿液壓缸,?2-節(jié)流閥,?3-手動換向閥,?4-油箱，
5-過濾器,6-液壓泵，7-單向閥,8- 溢流閥
圖3.5 液壓舉升系統(tǒng)的原理圖
1） 舉升時
換向閥3處于最右邊,能實現(xiàn)汽車舉升，油箱中的油通過液壓泵6頂開單向閥7，將油液送到液壓缸1,推動活塞向上移,此時貨箱開始被舉升,直到限制活塞閥打開,油液再慢慢流回油箱,此時舉升結束,溢流閥的作用是調整系統(tǒng)。
2）中停時
換向閥3在中間位置，此時舉升中停，泵輸出石油卸貨在換向閥,沒有壓力,油壓缸不提升油缸,油缸油封閉的同時,汽車靜止狀態(tài)。
3) 下降時
換向閥3處于左端，此時實現(xiàn)貨箱下降的功能。此時液壓缸與油箱直接相連。貨箱在自身重力下使得活塞向下運動。速度需要通過節(jié)流閥來控制，以保證下降平穩(wěn)。
3.4.2 油缸的性能參數(shù)計算和選型
自卸汽車所用的元件一般都為標準元件，所以只需要完成只需要計算液壓元件性能參數(shù)和選型。液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機構是油缸，其選型主要依靠舉升機構的和來確定。
舉升機構最大舉升力：
（2-15）
式中：P—額定工作壓力（MPa），可按檔次中選取。P 與密封性和成本成正比；取 p=16MPa；
—系統(tǒng)的工作效率，一般取。
所以舉升油缸缸徑：
（2-16）
根據(jù)國家標準 GB/T 2348—1993規(guī)定，在標準尺寸中選取油缸的缸徑為 D=125mm。
油缸最大工作行程 L為
（2-17）
式中:—舉升角為最大舉升角，油缸兩鉸鏈支點距離，m；
—舉升角為初始位置即時，油缸兩鉸鏈支點距離，m。
同理，油缸的最大行程L也需要在標準參數(shù)系列中選擇，上文得油缸最大行程為 L=843.21mm，所以選取油缸最大行程為 L=900mm，在國家標準規(guī)定生產的型號中選取此型號：3TG-E125×900EQ-L1。
3.4.3 液壓油泵的選型
油缸最大工作容積
（2-18）
液壓油泵額定流量應滿足下式要求：
（2-19）
式中：t—舉升工作的時間（s），舉升機構一般應在15s的時間內將車廂傾斜到最大舉升角的位置,選取t=15s；
—液壓系統(tǒng)的容積效率，通常=0.8-0.85，這里取0.85；
所以液壓油泵排量q由下式確定：
（2-20）
式中：—油泵額定轉速，r/min,取=1450r/min。
經計算得
上述參數(shù)都確定后，就可以從標準油泵系列中選擇油泵型號，自卸汽車多采用齒輪泵，因為它具有流量大的特點，常用形式有CB、CG、CN等系列，根據(jù)上述計算參數(shù)，本文選取油泵型號為CB-B40。
3.5 本章小結
分析了直推式舉升機構和連桿式舉升機構的優(yōu)缺點，根據(jù)比較選擇了前推式連桿式舉升機構，通過舉升貨物的安息角確定自卸汽車的最大舉升角為50°，再通過解析法和作圖法綜合使用求解出三角臂各點的關系坐標，拉桿長度為190mm及油缸最大推力F=97217.7N，油缸最大行程L=843.21mm。
介紹了液壓系統(tǒng)的工作原理及組成部分，設計舉升機構的液壓系統(tǒng)圖使它完成舉升、中停、下降的過程，確定出油缸的型號為3TG-E125×900EQ-L1，油泵的型號為油泵型號為CB-B40。
4 自卸汽車穩(wěn)定性及運動部件的校核
4.1 自卸汽車穩(wěn)定性計算校核
其質心一般高于普通卡車，因為副車架的存在，使加載部分的位置發(fā)生改變，其質心也發(fā)生了改變，所以需要計算車輛的靜態(tài)穩(wěn)定性，來確保汽車的卸貨穩(wěn)定性。
4.1.1 自卸汽車平衡狀態(tài)穩(wěn)定性計算校核
汽車處于平衡狀態(tài)的時候，過車輛質心的豎直線穿過車輪的接地點時，車輛將處于翻轉的狀態(tài)就是汽車的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性。如果過車輛質心的豎直線通過支撐點，那么車輛處于臨界狀態(tài)時的傾斜角為最大傾角穩(wěn)定角，若大于這個傾斜角，車輛則傾翻，若小于這個傾斜角，車輛則處于穩(wěn)定狀態(tài)。計算車輛質心中心是分析特殊車輛靜態(tài)穩(wěn)定性的首要條件。
總之，整車的質心位置，在豎直方向，需要考慮軸載質量的分配；在水平方向上，左右車輪的負荷應保持平衡，最大偏差不應超過3-4%才能確保汽車的平穩(wěn)舒適性。在高位置，重心應盡量低，這樣才能降低自卸汽車傾翻的可能性;所以為了確保汽車的穩(wěn)定性，需要符合如下要求:
確定水平方向不傾翻的要求如下：
（4-1）
確定豎直方向不傾翻的要求如下：
（4-2）
式中：-附著系數(shù)，是附著力與車輪法向壓力的比值，一般取 0.6。
B-汽車輪距，mm；
-質心高度，mm;
經過數(shù)字帶入計算公式計算得：
因此，平衡穩(wěn)定性滿足要求。
4.2 自卸汽車運動部件干涉的校核
當貨箱被舉升到最大舉升角時，傾卸時貨箱欄板的最低點可能與水平地面發(fā)生接觸干涉，同時，貨箱被舉升的過程當中，汽車的底板與三角臂之間可能產生運動干涉，還有車廂和副車架之間也會存在運動干涉，所以，有必要對這幾個部分進行運動分析及校核。
4.2.1 三角臂運動干涉的校核
原理圖如圖 4.1，三角形ABC為舉升機構的三角臂，O點為汽車的傾翻中心，A點與D點相連形成拉桿AD，拉桿AD經過液壓系統(tǒng)進行貨箱的傾卸，轉到拉桿,過點C做與水平地面平行的直線MC，再做翻轉中心到與地面平行的水平直線MC的距離就是直線OM，以O為圓心，OM為半徑畫圓，滿足點B與MC不發(fā)生干涉的條件為：
圖4.1 三角臂運動干涉的校核
由上文計算可得A、B、C、O的坐標，所以∠BAC 和∠OCM 都可知，因為∠ACO和 AO成正比關系，所以當∠ACO達到最大值時，即 AO 的長度也就最長，此時是最容易發(fā)生運動部件干涉的位置。
所以，根據(jù)上述內容，將數(shù)據(jù)帶入下列公式中計算
通過使用MATLAB軟件進行編譯計算所得，點B與直線MC不發(fā)生干涉。
4.2.2 車廂與副車架運動干涉的校核
上文已經定義貨箱與副車架之間存在間隙，且間距250mm，所以在舉升過程中車廂和副車架之間不會發(fā)生干涉。
4.2.3 車廂后欄板與地面運動干涉的校核
當貨箱被舉升到設計極限位置時，貨箱的后欄板最低點與水平地面之間留有空隙，使得傾卸能夠準確完成且不發(fā)生干涉。
以下是本文最終設計的三維圖,如圖4.2所示：
圖4.2 自卸汽車三維圖
4.3 本章小結
對自卸汽車平衡狀態(tài)穩(wěn)定性進行了水平和豎直方向的計算校核，然后對三角臂運動干涉的校核、車廂與副車架運動干涉的校核、廂后欄板與地面運動干涉的校核這三個面進行了計算分析和校核皆滿足要求。
5 結論
本次設計主要完成了以下內容：首先介紹了自卸汽車，然后對國內外研究現(xiàn)狀進行了分析，隨后對舉升機構和液壓系統(tǒng)進行選型和計算，最后對其進行校核，主要設計結果如下：
確定了本次設計二類底盤的型號是CA3071PK2AEA80，根據(jù)該型號確定了本次設計的外廓尺寸長為6280mm、寬為2358mm、高為2730mm;軸距 L＝5100mm；前輪距：1914mm；后輪距：1847mm、整車整備質量4100kg、最大總質量7160kg。隨后分析了直推式舉升機構和連桿式舉升機構的優(yōu)缺點，根據(jù)比較選擇了前推式連桿式舉升機構，通過舉升貨物的安息角確定自卸汽車的最大舉升角為50°，再通過解析法和作圖法綜合使用求解出三角臂各點的關系坐標，拉桿長度為190mm及油缸最大推力F=97217.7N，油缸最大行程L=843.21mm。然后介紹了液壓系統(tǒng)的工作原理及組成部分，設計舉升機構的液壓系統(tǒng)圖使它完成舉升、中停、下降的過程，確定出油缸的型號為3TG-E125×900EQ-L1，油泵的型號為油泵型號為CB-B40。最后對自卸汽車平衡狀態(tài)穩(wěn)定性進行了水平和豎直方向的計算校核和對三角臂運動、車廂與副車架、廂后欄板與地面運動這三個面進行了計算分析和校核，結果皆滿足要求。
參 考 文 獻
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附錄1：外文翻譯
礦用自卸卡車的氣動特性及頭部形狀的改善
魏Xiu-ling機械科學與工程學院、吉林大學、長春130022年,中國航空機械工程學系,空軍航空大學130022年長春,中國,電子郵件:wei411036@163.com王Guo-qiang機械科學與工程學院,吉林大學,長春130022年中國風蘇里基礎科學部門,裝甲技術研究所,130117年長春,中國
(2008年3月6日，2008年6月13日修訂)
文摘:對某礦用自卸卡車的外流場進行了模擬。討論了氣流結構和氣動阻力，得到了氣流特性與氣動阻力的關系。為了解決卡車頭部形狀的問題，通過數(shù)值模擬和分析，提出了三種方案，分別是邊舍入邊、安裝分流面和組合。模型和方法被選為三維和時間無關的。用有限體積法求解了雷諾-平均納維-斯托克斯方程。選擇RNG k-模型來封閉紊流量。結果表明，第三種方案是最好的，因為其氣動特性優(yōu)于未改進的模型。
關鍵詞:自卸車，外流場，數(shù)值模擬。
1.介紹
礦用自卸卡車主要用于各種礦山和地面站。由于其工作條件差，路面較低，且經常起動、制動和轉向，負荷過重，外部負荷復雜。目前，設計人員對自卸車的強度和剛度的要求越來越重視，其部件滿足各種要求，很少考慮其氣動特性和氣動設計。據(jù)報道，我國大約有9000輛礦用自卸卡車[1,2]，一般負荷超過20噸，油耗和污染排放顯著增加。由于節(jié)能和對環(huán)境保護的要求，需要通過降低自卸卡車的空氣阻力來提高自卸車的燃油經濟性。關于重型車輛空氣動力學的大量信息可以在至少20世紀70年代早期的公開文獻中找到。這些工程大多涉及風洞實驗、道路測試和計算模擬。參考文獻[3-5]聯(lián)合風洞和計算模擬，以減少卡車空氣阻力，導致減阻裝置的智能設計。在Ref.[6]中引入的全面測試提供了計算驗證的詳細數(shù)據(jù)、減阻設備的指導和風洞測試指南。這些已發(fā)表的作品都不包括對礦車的氣動參數(shù)的研究或對其減阻的研究。
摘要在分析礦山傾卸卡車外部流場的速度場和壓力場的基礎上，給出了氣動阻力的變化規(guī)律。為了解決卡車頭部形狀的氣動問題，通過數(shù)值模擬和分析，提出了改善頭部形狀的三種方案。
2.計算模型和網格
2.1計算模型
對一輛礦車的三維計算模型進行了以下假設，忽略了外部鏈接和車架附件的影響，將卡車底部作為平面處理?？諝獗徽J為是不可壓縮的，所以可以計算出傾卸卡車周圍的穩(wěn)態(tài)流場。自卸卡車被認為是在沖擊荷載狀態(tài)下，以恒定的速度行駛在平滑的道路上，忽略了邊坡和橫風的影響。根據(jù)參考文獻[7]。車輪表面被修整到10o和350o，然后垂直的邊界下降到地面。所以輪子與地面的接觸是一個矩形?；谏鲜黾僭O，它是某一類型的采礦自卸車的1/10比例復制品，如圖1所示。它的長度為765毫米(L)，高度為370毫米(H)，寬度為349毫米(W)。
圖1簡化模型
2.2計算域和網格生成。
計算域是由2L在模型前面，5L在后面，4H在頂部，2W在每邊。
圖2礦用自卸車網格圖的一部分。
為了克服復雜幾何、大計算域和大網格數(shù)的困難，該域被分解。在本研究中，通過在卡車周圍創(chuàng)建一個平行六面體箱，將該域分解為18個部分。包含卡車的盒子里裝滿了四面體細胞，而其他的部分則含有六面體細胞(見圖2)。該網格是由Fluent Inc.開發(fā)的商業(yè)幾何和網格構建工具GAMBIT生成的。離卡車越遠的地方，網格就越稀疏。由于尾跡區(qū)對卡車的空氣動力學特性有很大的影響，所以卡車后面的文章網格更加密集。本文所創(chuàng)建的網格包括四面體細胞、六面體細胞和金字塔細胞。
3.數(shù)值模擬
3.1數(shù)學模型
由于外部流場可以被認為是不可壓縮流，所以利用時間平均守恒方程來計算流動?，F(xiàn)在方程在笛卡爾坐標系中給出。連續(xù)性方程是
（1）
動量方程
（2）
本構方程
（3）
動蕩的粘度
（4）
空氣的密度ρ,u速度相對于卡車,p的平均壓力,μ空氣粘度,湍流粘度,K湍流動能,湍流耗散率,相關系數(shù)和粘度,應力張量,和ij年代染色率張量。
選擇RNG湍流模型，是因為它之前使用了一系列類似的問題(8,9)，精確到更高的應變率和漩渦流[10-12]。時間平均湍流動能方程。
(5)
時間平均湍流耗散率方程
(6)
這里
3.2邊界條件
u∞用作一個恒定的速度入口邊界條件在v和w強加于零,u,v和w x,y和z分量的速度相對于卡車。開礦傾卸車的最大速度為52公里/小時(14.44 m/s)。湍流強度比和湍流耗散率是過程默認值。出口邊界條件為零相對靜壓。移動墻地平面(= uu∞)指定邊界條件來模擬道路條件[13]。自卸卡車頂部和兩側的計算區(qū)域足夠寬，足夠高，可以忽略這些邊界的影響，因此選擇進口的條件[14]。
3.3數(shù)值方法
在本文中，所有的守恒方程和湍流模型方程都是用基于有限體積法的CFD軟件Fluent求解的。對對流條件采用了一階逆風法，對彌散性特爾馬進行了中心差分。為了評價壓力-速度耦合場，采用了著名的簡單算法。
4結果與討論
4.1空氣動力
空氣動力在表1中給出。力包括壓力和粘性力。通過計算，自卸卡車的氣動阻力系數(shù)為0.9184。實測車輛滑行試驗測量的空氣動力阻力系數(shù)為0.89[15]。兩個結果之間的誤差為5%，表明計算模擬結果是可信的。
表1氣動力和阻力系數(shù)。
4.2流動結構
圖3顯示了卡車表面的壓力輪廓，圖4為=0z截面的速度矢量。迎面氣流在卡車前部分為兩個區(qū)域，其中一個在頂部，一個在卡車的底部(見圖4)。通過保險杠，流體從底部的運動被提升到后面的壓力峰值沿著底部。頂部的流也被分成兩個區(qū)域，在閥罩的流動過程中。一個在底部，形成漩渦，讓身體在駕駛室底部和身體之間的空間停下來。下一步是與底流合并，穿過車輪與地面之間的空隙，并沿下游路徑進入尾流區(qū)。另一種流動的速度在身體的上邊緣加速，在身體的前部形成一個低壓區(qū)。然后，水流繼續(xù)流向下游，形成一個巨大的漩渦，因為身體的形狀。下一步是將它們重新附著在身體的表面，并與后面的氣流合并。在向上流動的過程中，由于自卸車的形狀，在車頂、駕駛室、車身和車身前部形成了一個較大的正壓區(qū)域(見圖3)。這是形成自卸卡車壓力的主要原因。
圖3 自卸汽車的表面壓力輪廓
圖4 z=o時的速度矢量
圖5顯示了從卡車尾部各部分的速度矢量的結果。可以看出，在靠近尾部的區(qū)域，渦流非常復雜，因為卡車的形狀是不對稱的。隨著渦旋沿著下游延伸，渦旋逐漸合并成一對渦旋與相反的方向旋轉，在遠后方的強度變得較弱。
圖5 在不同位置時的速度矢量圖
5從卡車形狀的氣動性能上研究頭部形狀的改善
其不足主要是由于前緣基本上是一個方形的結構，導致頭部的空氣動力特性惡化，而面對風面積較大。這些因素使車輛的頭部成為空氣阻力的主要來源。為了提高傾卸車的氣動性能，提出了三種頭部形狀改進方案，并對其進行了數(shù)值模擬。進行了以下研究。5.1頭型改善方案
第一個方案是改變自卸車的形狀。因為頭部形狀基本上是一個方形的結構，在引擎罩的邊緣，平臺和身體的頭部是圓形的。發(fā)動機罩的半徑為10毫米，其他零件的半徑為5毫米。這些變化之后，卡車模型如圖6所示。
圖6 變化之后的卡車模型
二是減少面向空氣的面積。由于氣流對機體的影響范圍非常大，因此在傾卸卡車的頭部形成了一個較大的正壓區(qū)域。為了解決這個問題，拆分機安裝在機身前部(如圖7所示)，因為在Ref.[16,17]中使用了類似的設備來減少拖拉機拖車的阻力。
圖7 安裝分束器飛機后的卡車模型
第三種是將第一種與第二種相結合，通常是改善邊緣和朝向風區(qū)。在模擬上述三種情況下，計算了該區(qū)域的初始條件和條件。邊界條件將與前一個模型相似。通過計算，我們可以得到改進的卡車氣動性能的數(shù)值結果。
圖8 自卸汽車在z=0時改善前后的對比圖
5.2原型與改進卡車的對比
5.2.1壓力輪廓的比較=0 z截面
圖8顯示了原型和改進卡車在=0 z部分的壓力輪廓?？梢钥吹剑瑲饬魍ㄟ^引擎蓋和車身頂部平滑地流動。在車頂和車尾的壓力輪廓變得稀疏，壓力梯度降低。在機身前部安裝了分裂機后，在車身前部和卡車尾部的壓力輪廓都是稀疏的。它降低了整個卡車的壓力阻力。第三個場景集成了前兩個程序的優(yōu)點，使壓力減阻更顯著。5.2.2改進后的卡車阻力系數(shù)比較，如表2所示。
表2 改進前后氣動阻力系數(shù)。
改進后的卡車的氣動阻力系數(shù)均減小。第一種情況減少3.8%，第二種減少6.59%，第三種減少13.7%。第三種情況的氣動特性比其他的要好。因此，在氣動外形優(yōu)化設計中，我們應盡量使形狀順利進行，同時安裝額外的設備以減小頭部的壓力。
6總結
通過計算得出礦用自卸卡車的阻力系數(shù)很大。因此，有必要對礦用自卸卡車的氣動特性進行研究，并采取相應的措施來減少阻力和動力消耗。礦用自卸卡車的主要氣動阻力來自于自卸卡車前的較大的正壓區(qū)。根據(jù)卡車頭部氣動形狀的缺陷，提出了三種改進卡車形狀的方案。通過對比發(fā)現(xiàn)，第三種方法比其他方法更好，使卡車的氣動特性大大提高。因此，在氣動外形優(yōu)化設計中，我們應盡量使形狀順利進行，同時安裝額外的設備以減小頭部的壓力。
附錄2：外文原文
致 謝
經過了半年的努力，畢業(yè)設計終于走到了尾聲，在這個過程中，有過心酸和汗水，也有過歡樂和笑聲，在此，我要感謝我的導師王邦國老師，我的論文就是在他的指導和幫助下完成的，王邦國老師淵博的學術知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、誨人不倦的敬業(yè)精神以及和藹寬容的待人作風使我獲益頗多。一開始教會了我如何查找文獻，循循善誘，一遍不行就兩遍，很有耐心，當我計算遇到困難的時候教我學會MATLAB軟件進行編譯計算，大大節(jié)省了我的時間和精力，當檢查開題報告和中期答辯的時候，對于我每個文字和數(shù)據(jù)進行了檢查和分析，非常嚴謹細致，并時刻督促我趕上進度。在此，向王老師致以最誠摯的敬意和感謝！
我還要感謝呂杰，林倩雯