高位自卸汽車：【問題提出】目前國內生產的自卸汽車，其卸貨方式為散裝貨物沿汽車大梁卸下，卸貨高度都是固定的。若需要將貨物卸到較高處或使貨物堆積得較高些，目前的自卸汽車就難以滿足要求。為此需設計一種高位自卸汽車，它能將車廂舉升到一定高度后再傾斜車廂卸貨。【設計要求和有關數據】設計要求：1）具有一般自卸汽車的功能。2）能將滿載貨物的車廂在比較水平的狀態下平穩地舉升到一定高度，最大升程Smax見表1。3）為方便卸貨，要求車廂在舉升過程中逐步后移，車廂處于最大升程位置時，其后移量a見表1。為保證車廂的穩定性，其最大后移量amax不得超過1.2a。4）在舉升過程中可在任意高度停留卸貨。5）在車廂傾斜卸貨時，后廂門隨之聯動打開；卸貨完畢，車廂恢復水平狀態，后廂門也隨之可靠關閉，后廂門和車廂的相對位置見圖2。6)舉升和翻轉機構的安裝空間不超過車廂底部與大梁間的空間，后廂門打開機構的安裝面不超過車廂側面。7）結構盡量緊湊、簡單、可靠，具有良好的動力傳遞性能。序號車廂尺寸（L×W×H）SmaxaW（kg）LtHd14000×2000×6401800380500030050023900×2000×6401850350480030050033900×1800×6301900320450028047043800×1800×6301950300420028047053700×1800×6202000280400025045063600×1800×61020502503900250450表1（尺寸單位：mm）【方案設計】一．舉升機構設計要求：1．能將滿載貨物的車廂在比較水平的狀態下平穩地舉升到一定高度，最大升程Smax見表1。2．為方便卸貨，要求車廂在舉升過程中逐步后移，車廂處于最大升程位置時，其后移量a見表1。為保證車廂的穩定性，其最大后移量amax不得超過1.2a。3．在舉升過程中可在任意高度停留卸貨。方案一：平行四邊形舉升機構如上圖所示機構，CBEF形成一平行四邊形，桿BC在液壓油缸的帶動下繞C軸轉動，從而完成車廂的舉升和下降。優點：1．結構簡單，易于加工、安裝和維修；2．能夠保證車廂在舉升和下降過程中保持水平，穩定性好；3．液壓油缸較小的推程能夠完成車廂較大的上移量。缺點：車廂上移時，其后移量很大。為了保證車廂舉升到最大高度時，其最大后移量不超過設計要求，需將桿BC、EF做得很長，甚至大大超過了車廂的長度，在工程實際中不能實現。方案二：L型舉升機構工作原理：如上圖所示車廂舉升機構，L形桿BDE一端與鉸鏈B相聯（鉸鏈B通過豎直桿固定在車架上），一端與車廂底部的鉸鏈E相聯，同時其上絞接一液壓油缸2，液壓油缸另一端與車廂底部的鉸鏈相聯。舉升時，液壓油缸1伸長，推動L形桿BCD繞鉸鏈B逆時針轉過角度，使E端上升；與此同時，液壓缸2也聯動工作，使車廂也轉過角度，從而使車廂在上升過程中保持水平。隨著BCD桿的轉動，E點后移，同時帶動車廂后移，當E點與B點等高時，后移量達到最大。優點：1．該機構充分利用了車廂前面的空間，使車廂底部的機構變得簡單；2．該機構克服了方案一中后移量過大的缺點，機構的尺寸也較小。缺點：1．該機構最大的缺點在于車廂全部重量均有L形桿BCD承擔，由于DE很長，所以BCD受到很大的扭矩作用。這就對L形桿的強度提出很高要求，同時也限制了車廂的裝載量。2．液壓缸1和液壓缸2需要聯動工作才能保證車廂的水平，使控制機構復雜。3．液壓油缸的推程較大。方案三：剪式舉升機構工作原理：如上圖所示，該舉升機構是由長度相等的兩桿AC和BD彼此鉸接于E點；AC桿的A端和與水平的活塞桿鉸接，并可在滑槽內移動；BD桿的B端與車廂底部為滑動鉸接。當活塞F右移時，車廂上升，同時向后移動；活塞F左移時，車廂下降，同時向前移動。下面具體分析車廂的后移原理：如上圖，設AE=BE=a，CE=DE=b，舉升前，舉升后，則有上移量：后移量：化簡后得可見，后移量與a，b的差值有關，故采用此種布置形式時，鉸接點E不能為兩桿的中點。采用此種布置時，會使CD的距離較小，影響了車廂工作時的穩定性，特別是在車廂翻轉卸貨時，這種影響尤為顯著。為了消除這種影響，可將E取為兩桿的中點，同時，為了使車廂在上移時能夠逐漸后移，需要將C點換成滑動鉸接，而D點換成固定鉸接。如下圖所示：最好用作圖法將極限為之畫出來。此時，由于E為兩桿的中點，故在車廂上移過程中，A與D，B與C始終在一條直線上；同時由于A點向后移動，故車廂上的D點也隨之后移，于是整個車廂就向后移動。設AC=BD＝l，舉升前，舉升后，則有上移量：后移量：該舉升機構的優點是：1．結構簡單，緊湊；2．能夠很好的協調車廂上移量與后移量之間的關系，滿足工作要求；3．機構的受力情況較好。缺點：液壓缸水平布置時，在舉升初始階段，傳動角很小，不利于工作。根據以上缺點，可以將液壓缸改為豎直布置的形式，如下圖：將液壓缸豎直布置后，可以很好地解決傳動角過小的問題，但不難想象，這樣布置使液壓缸的推程需要很大，不易實現。為了解決以上矛盾，可以采用以下多級舉升機構：如上圖所示，AD，BC，CF，DE為桿長相等的四桿，AD與BC，CF與DE鉸接與中點G，H；A，F為滑動鉸接。該方案較好地解決了以上方案液壓缸推程要求很大的缺點，同時，由于原設計中安裝液壓缸處空間變得較小，故將液壓缸布置在機構的中間部位。下面對該方案進行具體尺寸設計：根據設計要求，舉升機構需要滿足：車廂尺寸（L×W×H）SmaxaW（kg）LtHd4000×2000×64018003805000300500設AD=BC=CF=DE=l，初始位置，到達最大升程時由幾何關系可得：為了使整個舉升機構不超過車廂底部安裝空間，需滿足取，聯立解得，，二．翻轉機構1．設計要求1）利用連桿機構實現車廂的翻轉，其安裝空間不能超過車廂底部與大梁間的空間。2）結構盡量緊湊，可靠，具有良好的動力傳遞性能。2．設計方案翻轉機構是自卸汽車的關鍵部分，其性能直接影響車輛的性能。為此，我們設計了多種方案，比較各自的優缺點。方案1：單缸直推式該機構示意圖如下圖：該機構的優點是簡單緊湊。采用單缸時，容易實現三面傾斜。另外，若油缸垂直下置時，油缸的推力可全部作為車廂的舉升力，因而所需的油缸功率較小。其缺點為該機構橫向強度差，而且由于其油缸行程較大。方案2：杠桿平衡式如下圖所示：該機構優點是結構緊湊，橫向剛度比較好，舉升時轉動比較圓滑，桿系受力比較小，舉升過程中油缸的擺動角度很小，油缸的行程也比較短。該機構缺點是機構集中在車后部，給車身的整體布局帶來一定的困難，而且，在推桿推動車廂翻轉時，車廂傾翻軸支架的水平間內力非常大，因此，對材料的要求比較高。方案3：油缸前推連桿式如下圖所示：該機構的優點是橫向剛度較好，舉升時轉動圓滑，三腳架推動車廂舉升時，車廂傾翻軸支架的水平反力比較小，車架底部的受力也比較均勻。其缺點是油缸在車廂翻轉過程中擺動角度稍微大了一些，帶來一定的不方便。方案4：油缸后推連桿式該機構的優點是比較緊湊，其他優點同方案3一樣。其缺點為油缸推動行程比較大，因此對油缸的要求較高。方案5：油缸液動連桿式如下圖所示：該機構的優點是機構緊湊，舉升時轉動圓滑，舉升較平穩。其缺點是該機構比較龐大，油缸固結在節點上，從而使桿件剛度要求較高。而且油缸轉動角度過大，容易出現干涉。方案6：前推杠桿組合式其優點是結構緊湊，舉升時轉動平穩且圓滑，在舉升過程中，油缸轉動角度較小。其缺點是油缸的行程比較大。方案7：連桿放大式如下圖所示：機構的優點是橫向剛度好，舉升時轉動圓滑，三腳架推動車廂舉升時，車廂傾翻軸支架的水平方向反力較小。缺點是該機構的三腳架比較大。三．方案確定根據以上各種方案的優劣點，綜合分析后，選用方案3。三．后廂門打開機構設計要求：在車廂傾斜卸貨時，后廂門隨之聯動打開卸貨完畢，車廂恢復水平狀態，后廂門也隨之可靠關閉后廂門打開機構的安裝面不超過車廂側面其中，后箱門和車廂的相對位置如下：設計方案選擇：方案一機構分析：該種方案是最容易想到的，因為設計要求中提到在車廂傾斜卸貨時，后廂門隨之聯動打開，卸貨完畢，車廂恢復水平狀態，后廂門也隨之可靠關閉。所以，在本設計中，當車廂翻轉的時候，后箱門是完全依靠自重下垂的，在車廂傾斜卸貨的時候，后箱門是可以隨之打開的，當車廂恢復水平的時候，后箱門也可以自動的依靠重力而隨之關閉。另外，為了保持在后箱門關閉后，不會因為其他的情況而再次打開，我們在車廂的底部設計了一個倒鎖（如上圖中的藍色機構所示），它在后箱門關閉后會自動工作把后箱門鎖死，所以，基本的設計要求還是達到的。優點：該設計機構最大的優點就是結構簡單，思路也非常容易想到。缺點：該機構的缺點也是比較明顯的：第一，該機構在箱門開啟之后就不能對箱門的位置進行控制了，使得箱門在空中有比較大的晃動，沒有實現與車廂的聯動；第二，該機構需要在箱體底部加裝一個倒鎖，而該倒鎖就需要一套裝置來進行控制，如果要實現自動鎖死的話，就還需要設計一套機構或是加裝傳感器，這樣以來，費用就上去了。方案二機構分析：該機構就是一個簡單的4連桿機構，其中連桿1是和后箱門固連在一起的，3是一個可以繞車廂體轉動的移動副。在車廂翻轉時，通過聯動機構使連桿2在3內滑動，從而推動1繞C旋轉，從而使后廂門開啟。（后廂門打開的聯動機構設計在本節尾）優點：能夠保證車廂門打開和關閉的準確位置，比較容易實現和車廂的聯動關系，另外，計算也比較的簡單。缺點：主要缺點就是2桿在轉動的同時還要在移動副中進行滑動，所以，如果稍微有個地方潤滑不好的話，就很有可能造成機構的自鎖，使得后車廂門不能正常的打開。方案三機構分析：本機構完全由四桿機構構成，其中的一根桿2就是車廂的后門。另外兩根桿1和3都是鉸接在車廂體上的。當車廂翻轉時，通過聯動機構使桿3轉動，從而帶動后廂門2轉動，完成其開啟和關閉動作。優點：1．該方案的結構比較簡單；2．該方案較易實現與其他機構的聯動，能夠確保車廂門的打開和關閉的時候的準確位置。缺點：本機構雖然原理簡單，但對機構尺寸的要求較高。綜合上面的分析，我們選取第三中方案作為最后的設計方案。后廂門打開聯動機構聯動機構是將翻轉機構和后廂門打開機構聯系在一起的機構，用來保證兩者間的配合工作和位置要求。根據以上選定的翻轉機構和后廂門打開機構，設計聯動機構如下：聯動機構如圖中紅色部分。如上圖所示，通過連桿DG和GH將翻轉機構和后廂門打開機構聯系起來。當車廂翻轉時，通過聯動機構使桿HK轉動，從而帶動后廂門JK轉動，完成其開啟和關閉動作。合理設計各桿的長度，能夠滿足車廂與廂門之間準確的位置關系。補充：我們注意到，在以上后廂門打開機構以及聯動機構中，如果JK就是后廂門的話，后廂門將不能自由開合。但在實際中，經常需要在車廂不翻轉的情況下，打開后廂門進行卸貨、清掃等。為了解決這個問題，可將JK換成一支架，然后在支架上焊接上兩掛鉤，將后廂門掛在支架上，這樣，在上述情況下，只需卸下后廂門即可。如下圖所示：【機構綜合】1．方案選擇根據以上各機構方案設計與比較，最后確定各機構方案如下：舉升機構：翻轉機構：后廂門打開機構：聯動機構：2．整體布局如上圖所示，為了便于舉升機構和翻轉機構的安裝，在車廂和車架之間增加一凹形托板（如下圖所示）。在凹形拖板的兩側安裝舉升機構（即在車廂兩側對稱安裝一對所選定的舉升機構），在凹形拖板的凹形槽內安裝翻轉機構。這樣，舉升機構和翻轉機構互相獨立，并且可以并行利用車廂底部的空間，使結構緊湊。后廂門打開機構安裝在車廂的兩側。3．機構總成將以上選定的各機構組合后，得到如下最終機構簡圖：如上圖所示：其中：天藍色線―――車廂；紅色線――――車廂底部凹形拖板；藍色線――――舉升機構；淡紅色線―――翻轉機構；綠色線――――后廂門打開機構；灰色線――――聯動機構。【機構搭接】一．搭接說明根據所選擇的機構，在實驗室PCC-II型平面機構創意組合及參數可視化分析實驗臺上進行搭接。由于本組所選題目――高位自卸車是一種比較大型的機構，構件數很多，構件形狀多變，再加之實驗臺上提供的原動機只有電動機，故給設計和搭接帶來很大困難。再和實驗室老師多次討論后，根據此次綜合訓練的目的，我們決定以創新設計為主，不要受實驗臺的限制，在機構搭接時，根據實驗室器材再作適當改進。為此，我們在進行機構搭接時，在所設計的舉升機構、翻轉機構、后廂門打開機構中分別選擇一種能夠在實驗臺上實現的方案進行搭接，以此來觀察該方案的優缺點。二．機構搭接1．舉升機構在搭接舉升機構時，我們選擇平行四邊形舉升機構進行搭接。為了克服沒有液壓油缸作動力源的問題，我們改用凸輪機構代替，而車廂則用連桿代替。下圖為平行四邊形舉升機構的搭接照片。在機構的左側為一移動滾子從動件盤形凸輪機構，從動件再通過連桿與舉升機構相聯，作為舉升機構的動力源，模擬油缸的伸縮運動。凸輪通過帶傳動與電動機相連。機構搭接完畢后，經老師檢查后，接通電源試運轉。通過觀察機構運行情況可以明顯看出，車廂（水平連桿）的后移量非常明顯，與設計分析相符，故此種機構不能作為高位自卸車的舉升機構。本組也嘗試著搭接出最終所選方案，但由于液壓油缸不再水平布置，不易用凸輪機構代替，故沒有成功。2．翻轉機構在搭接翻轉機構時，我們選擇油缸后推連桿式翻轉機構進行搭接，并根據實驗臺做了適當調整，如下圖：按照上圖所示機構進行搭接，同樣用凸輪機構代替液壓缸，用連桿代替車廂，得到搭接圖如下：搭接完成，經老師檢查后，接通電源運轉。通過觀察運動情況，可以發現該機構能夠較好地實現車廂的翻轉，不過，從圖中可以看出，要實現車廂能夠處于水平位置，需要將各鉸鏈上下錯開一段距離，這樣就使整個機構的尺寸過大。另外，該機構桿件較多，結構較復雜。3．后廂門打開機構后廂門打開機構在本實驗臺上不易實現自動運轉，故只有手動實現。選取以下方案進行搭接：將車廂用連桿代替，如下：搭接完成后，轉動車廂，可以看到車門保持豎直狀態，但由于桿件尺寸限制，搭接得到的機構不能實現自鎖功能。至此，高位自卸車的三部分已分別搭接完畢。通過搭接，幫助我們了解了各種方案的優點和缺點，檢驗了設計與分析的正確與否，有助于我們設計方案的確定。同時，通過搭接，增強了我們的動手能力，解決問題的能力以及團隊合作的能力。【總結】一．機構設計原理1．機械設計的目的：培養綜合運用所學的理論知識與實踐技能，樹立正確的設計思想，掌握機械設計的一般方法和規律，提高機械設計能力。通過設計實踐，熟悉設計過程，學會準確使用資料，設計計算，分析設計結果，繪制圖樣，在機械設計基本技能的運用上得到訓練。在課余時間，提供一個較為充分的設計空間，使在鞏固所學知識的同時，強化創新意識，在設計實踐中深刻領會機械設計的內涵。2．機械設計的步驟：設計準備：明確設計任務，設計要求，工作條件，針對設計任務和要求進行分析調研，查閱有關資料，參觀現場實物。方案設計：根據分析調研結果，選擇原動機，傳動裝置，執行機構以及它們之間的聯結方式，擬定若干可行的設計方案。總體設計：對所擬定的方案進行計算，分析，對執行機構和傳動機構進行必要的初步設計，進行分析比較，選擇一個正確合理的設計方案，繪制整體方案簡圖。結構設計（本次沒有用到這一步）：針對某一部件，如部分傳動裝置或執行機構，進行詳細設計，根據各個零部件的強度，剛度，壽命和結構要求，確定其結構尺寸和裝配關系，完成裝配圖樣設計和零件圖樣設計。整理文檔：整理設計圖樣，編寫設計說明書。3．設計中需要注意的幾個問題：循序漸進，逐步完善：在設計過程中，應該注意理論與實際的結合。要意識到，設計過程是一個復雜的系統工程，要從機械系統整體需要考慮問題，必須經過反復推敲和認真思考才能得到一個好的設計方案。鞏固機械設計基本技能，注重設計能力的培養和訓練：機械設計的內容繁多，有很多需要的知識課本上并沒有講，應該自覺加強理論與工程實踐的結合，掌握認識，分析，解決問題的基本方法，提高設計能力。汲取傳統經驗，勇于創新：機械設計題目是來自工程實際中的常見問題，設計中有很多前人的設計經驗可以借鑒。在學習的過程中，要注意了解，學習，繼承前人的經驗，同時發揮主觀能動性，勇于創新，在設計實踐中培養創新能力，以及發現問題，分析問題和解決問題的能力。整體著眼，提高綜合設計素質：在設計過程中，應該自覺加強自主設計意識，注意先總體設計，后部份設計；縣概要設計，后詳細設計。遇到設計難點時，要從設計目標出發，首先解決主要矛盾，逐漸解決次要矛盾。4．機械設計的基本原則：創新原則：設計是人們為達到某種目的所作的創造性工作，因而創新是設計的主要特征。機械設計，首先應是創新的設計，其特點是理論與實踐經驗同直覺的結合。現代設計的綜合性越來越突出，在增加了設計復雜性的同時，也給創新提供了更好的機會。安全原則：產品安全可靠的工作是對設計的