基于有限元静力分析的高位自卸汽车改装毕业设计.docx
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基于有限元静力分析的高位自卸汽车改装毕业设计
摘 要
高位自卸汽车是专用自卸汽车一种，高位自卸汽车主要用于运输散装并可以散堆的货物（如沙、土、以及农作物等），还可用于运输成件的货物，主要服务于建材厂、矿山、工地等。
高位自卸汽车主要装备有车厢举升和倾卸机构，使用方便，运输效率高，具有高度机动性和卸货机械化的特点。
文中一开始阐述了高位自卸汽车改装设计的目的和意义、发展状况以及应用前景。
接着分析论证了一种装载质量为5t的高位自卸汽车的总体设计方案，进行了其举升机构、倾卸机构和后厢门开合机构等主要机构的方案分析和选择、运动分析、动力学分析以及强度和刚度的计算校核；并对其主要构件进行了ANSYS10.0建模和静力学分析。
另外，文中还简单介绍了液压系统的设计计算方法和过程。
最后对改装完成后的高位自卸汽车进行了必要的动力性、燃油经济性和稳定性等主要整车性能的计算分析，计算结果表明整车性能满足要求。
关键词：
改装设计；高位自卸汽车；剪式举升机构；有限元；静力学分析
Abstract
High-orderdumptruckisoneofspecial-purposedumptruck,itmainlybeusedtotransportthosegoodswhichcanbescatteredsuchassandstone,soilandsomecrops,andalsobeusedtotransportunitgoods,severingfortectonicgrounds,mines,workshop.High-orderdumptruckhavecarriageriseanddumporganizationtolifttoequipmainly,easytouse,itiswithhighefficiencytotransport,themechanizedcharacteristicthathavehighmobilityandunload.
First,ittalkingaboutthepurposeandmeaningofthisdesignaouttheHigh-orderdumptruck.Andthen,analyticalargumentakindofladingqualityforthehighwith5tsHigh-orderdumptruckoftotaldesign,aboutthesportandmotiveanalyticalofit,sliftingandrevolving.Atlast,regardhigh-orderdumptruckastheresearchobject,analysesoftwareANSYS10.0withthefiniteelement,hassetupfiniteelementmodeltotheprincipalorganofthehigh-orderdumptruck,carryonstaticscharacteristicanalysetomodel.
Moreover,inbriefintroducedthemethodandcalculationprocessofthedesignthattheliquidpresssysteminthetext.Finallycarryonnecessaryofthecalculationofthemainwholecarofthefunctionssuchasmotive,thefueleconomyandstabilityetc.Thentheresultexpressesthatthecarfunctionsatisfydesigningrequest.
Keyword:
Refitingdesign;High-orderdumptruck;Thesheartypeoflifting;Finiteelement;Staticsanalysis
目 录
第1章绪 论
1.1研究本课题的目的和意义
随着经济的发展和技术的进步，以及对提高作业效率的要求日益增高，作为汽车大家族中一个分支的自卸汽车，陆续出现了多种多样的型式；2008年的北京奥运会和2010上海世博会都将拉动对自卸汽车的需求，而且大、重吨位的自卸车所占的比例也将进一步增大。
因此对现有的各型自卸汽车进行改装设计是非常必要的，尤其在当今节约型社会具有很重要的现实意义。
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，使它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货。
随着经济的发展和技术的进步，以及对提高作业效率的要求日益增高，作为汽车大家族中一个分支的自卸汽车，陆续出现了多种多样的型式。
自卸汽车按其载质量的大小可分为超重型、重型、中型以及轻型；按其外形尺寸、总质及能否在公路上行驶，又可分为非公路用自卸汽车和公路用自卸汽车；按其车厢卸货方向的不同，还可以分为后卸式、侧卸式以及三面卸式。
目前国内外已经研制成功并投入使用的自卸汽车有超重型自卸汽车、重型自卸汽车、三面卸自卸汽车、高通过性自卸汽车以及液压举升系统自卸汽车等五种类型；其中三面自卸汽车目前应用的比较少，而液压举升系统自卸汽则应用的日益广泛。
未来是节约型社会、智能化时代；因此未来的自卸汽车主要是偏重自卸举升机构的创新与智能化，并且具有节约能耗的特点。
1.2高位自卸汽车定义、组成、功用
自卸汽车自上世纪初诞生以来不断发展，日趋完善，以成为当今货物运输的主要专用车之一。
自卸汽车利用车辆自身的发动机驱动液压系统，从而使车厢倾卸机构按预定的运动轨迹运行，使车厢倾斜一定角度卸货——货物依靠其自重自行卸下，卸货完毕后车厢依靠其自重复位。
自卸汽车按其载质量的大小可分为超重型、重型、中型以及轻型；按其外形尺寸、总质及能否在公路上行驶，又可分为非公路用自卸汽车和公路用自卸汽车。
超重型自卸汽车的外部宽度都大于2.5m，每轴载荷质量都远大于13t，就属于非公路用自卸汽车。
按其车厢卸货方向的不同，还可以分为后卸式、侧卸式以及三面卸式。
具体分类如下：
超重型自卸汽车因其主要用于矿山采掘工程，专用于运送爆破后的岩石、矿石，也多称为矿用自卸车。
其中小吨位的车型和载质量30~80t的车型也在大中型水电站施工及大江截流工程中广泛应用，运送岩石、土方等。
超重型自卸汽车的主要特点有：
一是作业效率高，每吨运输成本低；二是用途专一，其车型庞大，只在矿区或水电站施工区内行驶；三是价格昂贵，与大批量生产的公路用车型相比，这类车型批量很小、专门设计，按订货量组织生产，所以每车价格昂贵；四是转运困难，因整车外形尺寸庞大，多采用总成运输，现场组装整车[1]。
专用自卸汽车是在普通自卸汽车的基础上增设特定的机构来实现自己的功能，以达到特定的目的。
普通自卸车，其卸货方式为散装货物沿汽车大梁卸下，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，就难以满足要求。
为此需设计一种专用自卸汽车——高位自卸汽车，它是装备有车厢高位举升和倾卸机构两套装置，能将车厢举升到一定高度后倾卸物料的自卸汽车，适合于高货台卸货。
其外形如图1.1所示。
所谓高位自卸汽车是指在普通自卸汽车的基础上安装一个特殊装置，该装置能够将车厢举升到一定高度，车辆在这一高度卸货。
高位自卸汽车的高位倾卸动作循环方式有两种：
其一，首先将处于原始水平位置车厢平移举升到一定高度，保持位置不变，再将车厢倾卸一定角度卸货。
卸货完毕，车厢恢复高位水平位置，最后平移下降到原始位置。
其二，按上述程序，车厢高位倾卸后，车厢的两种复位动作（即角度复位和平移下降复位）同步进行[2]。
图1.1高位自卸汽车
高位自卸汽车的专用装置由举升机构、倾卸机构和液压系统两大部分组成。
其中举升机构作用是将车厢平移举升到某一预定的高度，从而实现在该高度进行高位卸货。
目前为止有剪式、L型、平行四边形等多种举升机构。
倾卸机构的作用是使倾斜一定的角度，使车厢中的货物自动卸下，然后再使车厢降落到车架上。
它的主要结构型式有直推式倾斜机构、连杆式倾斜机构两种。
而液压举升系统作用产生液压能，实现举升机构倾翻的动力源；其结构组成有液压泵、控制阀、限位阀、举升液压缸等。
液压泵由取力器驱动，取力器的动力来源于汽车底盘；控制阀改变液压系统回路，由驾驶员在驾驶室中操纵；限位阀限制车厢的最大倾角。
大多设在液压缸内，当车辆升至预定的角度时，限位阀起作用，限制车厢继续倾斜；举升液压缸将液压能转变为推动车厢的机械能的直接执行部件。
举升和倾卸机构是自卸汽车的重要工作系统，其设计质量直接影响自卸汽车的使用性能。
随着自卸汽车产品技术的发展，它们的结构型式也不断增多。
若能将不同类型的机构按其各自的特点配备到与之相适应的自卸汽车则无论是高位自卸汽车的工作性能，还是机构的使用效率，都会得到很大的改善。
因此如何选择合适的举升和倾卸机构，成为高位自卸汽车设计中的首要问题[3]。
高位自卸汽车上现在广泛采用液压倾卸机构。
根据油缸与车厢底板的连接方式，常用的倾卸机构可以分为直接推动式和连杆组合式两大类。
油缸直接作用在车厢底板上的倾卸机构称为直接推动式倾卸机构，简称直推式倾卸机构。
按倾卸点在车厢底板下表面的位置，该类机构又可分为油缸中置和油缸前置两种型式。
前者油缸支在车厢中部，油缸行程较小，油缸的举升力较大，多采用双缸双柱式油缸。
后者的油缸支在车厢前部，油缸的举升力较小，油缸行程较大；一般用于重型自卸汽车上,，油缸则通常采用多级伸缩油缸。
常用车厢倾卸机构如下：
1.3国内外高位自卸汽车的发展概况
我国自卸汽车生产始于20世纪60年代初，经过40多年的发展，尤其是在20世纪80年代以后通过技贸结合与合作生产方式，从国外引进若干先进的自卸汽车制造技术，并在此基础上形成以若干大型汽车制造厂为主体的机械传动式自卸汽车生产企业集团。
公路用自卸汽车的装载质量从2~20t、矿用自卸汽车装载质量从20~154t以下基本形成完整的专用汽车系列，为我国自卸汽车的腾飞打下了坚实的基础。
当然，除普通自卸汽车以外，专用自卸汽车的生产也得到了一定的发展，尤其是新世纪以来，随着我国社会经济和交通环境的改善，各行业对专用汽车尤其是工程系列专用汽车的需求越来越大。
专用汽车将跟更加注重行业化、专用化、系列化。
自卸汽车生产企业无论是在数量上还是在质量上都得到了空前的发展，全国生产和改装汽车的企业由最初不足10家发展到1989年的114家，到1998年的724家，占全国汽车生产企业的86.4%，其中改装车厂631家，主机（整车制造）厂93家。
专用汽车企业的性质和生产模式也都发生较大改变。
由原有分散的中、小型国有企业，通过联合、兼并、重组、民营等手段形成了企业的集团化、大型化。
以前“小而全”的生产格局也不复存在，自卸汽车的生产模式将朝着单一种类、系列化、多品种的专业化模式发展[4]。
国外自卸汽车生产始于20世纪30年代，比我国早30多年在其后70多年的发展过程中，其结构不断改进，整车性能已有很大提高。
为提高自卸汽车的科技含量，追求高附加值，各国更是不断采用先进技术，其主要表现以下几个方面：
全面提高自卸汽车内在质量和使用性能；随着使用范围的不断扩大、用户要求的不断提高，自卸汽车正朝者多品种、系列化、小批量的方向发展；在制造加工方面，自卸汽车朝着底盘生产专业化、零部件生产专业化、工艺专业化和辅助生产专业化方向发展；广泛采用计算机辅助设计，以提高设计的质量和缩短设计研制的周期；在材料配置上，将更多地采用高强度铝合金、不锈钢、工程塑料和聚合材料等。
目前，自卸汽车以形成自己独特的结构与车型系列。
高位自卸车作为自卸车家族的重要组成，多品种、小批量也是其一大特点。
高位自卸汽车生产的另一个特点是零部件专业化生产，大部分专用汽车厂实际是一个总装厂。
其产品按结构分工或组织专业化协作生产如自卸车油缸，副车架等均有个专业厂集中生产。
目前，高位自卸汽车的市场占有量还很小，但随着我国经济的发展，各种大型项目的实施，高位自卸汽车的市场需求量会逐渐增大，可以预见，在今后一段时间内市场需求将得不到满足。
1.4高位自卸汽车发展方向与前景
随着经济的发展和技术的进步，以及对提高作业效率的要求日益增高，作为汽车大家族中一个分支的自卸汽车，陆续出现了多种多样的型式；2008年的北京奥运会和2010上海世博会都将拉动对自卸汽车的需求，而且大、重吨位的自卸车所占的比例也将进一步增大。
西部大开发，将促进西部地区专用汽车市场的有效增长，西部地区基础设施建设投资达7000亿，10年内将修建公路35万公里。
专用汽车有着较大的市场发展空间。
诸如“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”、青藏铁路及国内几条高速公路建设等大型项目的正式启动，给专用汽车市场特别是重型专用汽车市场注入了巨大活力。
任何大工程的启动都需要工程机械的参与，高位自卸汽车将会在这些大型舞台里扮演重要的角色。
为使高位自卸汽车能够在不同工况下圆满的完成工作的需求，经过调查、研究，我国高位自卸汽车的品种开发还应从以下方面努力：
进一步发展和完善中型高位自卸汽车；进一步开发自动机械装卸机构，以适应农业等部门的需求；进一步提高高位自卸汽车的技术含量以追求其高附加值等。
1.5本次设计的主要内容
本设计的目标是设计一种载重5t的高位自卸汽车，其性能参数与所选底盘车接近。
高位自卸汽车是装备有车厢高位举升机构和倾卸机构两套装置的载货自卸汽车。
因此本设计主要研究的内容有：
车厢高位举升机构的设计计算、车厢倾卸机构的设计计算、液压传动装置设计计算选型，并进行二类底盘的选择、主要参数数据齐备、进行二类底盘选型分析、产生具有实践意义的选型总结；然后进行车辆的总体布置和性能分析，并用总布置草图表达主要底盘部件的改动和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部部件设计选型，达到工艺合理、小批量加工容易、成本低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图，清楚表达设计。
另外，根据高位自卸汽车举升和倾卸机构的结构及机械性能参数的要求，在有限元理论的基础上，建立了举升杆、托架、拉杆和三角臂的有限元模型，并使用ANSYS10.0进行节点位移，应力和应力强度分析。
第2章高位自卸汽车设计计算
2.1基本尺寸参数的确定
高位自卸汽车与普通自卸汽车一样，都是在二类底盘的基础上进行改装而成，主要尺寸参数原则上应于原车底盘尺寸相同，从而保证其整车性能参数与原
车基本保持不变。
常见二类底盘机构如图2.1所示。
A-轴距D-驾驶室最高点到车架上表面距离H-底盘总高J-后悬
K-底盘有效长L-底盘总长Y-推荐载物重心U-前悬
图2.1CQ1113T6F23G461底盘结构
2.2质量参数的确定
2.2.1额定装载质量me
高位自卸汽车是在普通自卸汽车的基础多加了一套举升和倾卸装置，所以其装载质量要比普通自卸汽车小，根据CQ1113T6F23G461车底盘最大承载质量为7320kg，所以初定额定装载质量为5000kg。
2.2.2整车整备质量m0
整车整备质量是指汽车完全装备好的质量，包括润滑油、燃料、随车工具、备胎等所有装置的质量。
参考同类普通自卸汽车的整车整备质量，在此基础上在增加车厢升高装置的质量，便可估算高位自卸汽车的整车整备质量。
所选CQ1113T6F23G461车底盘的整备质量为4080kg,因为在本次设计选用的车厢尺寸有较大，为4800
2000
640，因此整车整备质量相对有所增加，取为5000kg；再加上双级剪式举升机构约450kg。
即高位自卸汽车整车整备质量为：
kg
2.2.3总质量ma
总质量ma的计算公式为
kg
式中mp——乘员质量（kg），按每人65kg计。
改装后高位自卸汽车最大轴载质量的分配应基本接近原车底盘轴载要求。
又由于车厢升高的同时，其质心向后移，因此该高位自斜汽车的整车质心位置可比同类普通自卸汽车的质略向前移。
2.3高位自卸汽车底盘的选择
专用汽车性能的好坏直接取决于专用汽车底盘的好坏，通常专用车辆所采用的基本底盘按结构分可分为二、三、四类底盘。
二类底盘是在整车基础上去掉货厢，三类底盘是从整车上去掉驾驶室与货厢，四类底盘是在三类底盘的上去掉车架总成剩下的散件[5]。
一般专用改装车辆在选用底盘时应满足下述要求：
（1）适用性
对于专用改装车底盘应适用于专用汽车特殊功能的要求，并以此为主要目标进行改装造型设计。
（2）可靠性
所选用汽车底盘要求工作可靠，出现故障的几率少，零部件要有足够的强度和寿命；且同一车型各总成零部件的寿命应趋于平衡。
（3）先进性
应使用整车在动力性、经济性、操纵稳定性、行驶平顺性及通过性等基本性能指标和功能方面达到同类车型的先进水平的汽车底盘；而且在专用性能上要满足国家或行业标准的要求。
（4）方便性
所选用的底盘要便用于安装、检查保养和维修，处理好结构紧凑与装配调试空间合理的矛盾。
除了上述主要要求外，还有两个值得注意的方面，一是汽车底盘价格，它是专用汽车购置成本中很大的部分，一定要考虑到用户可以接受。
这也涉及到专用汽车产品能否很快的占有市场，企业能否增加效益问题。
二是汽车底盘供货要有来源，所选用的底盘在市场上必须具有一定的保有量[6]。
2.3.1底盘型号的选定
专用汽车底盘的选择主要是根据专用汽车的类型、用途、装载质量、使用条件、专用汽车的性能指标、专用设备或装置的外形、尺寸、动力匹配等决定，目前，几乎80%以上的专用车辆采用二类底盘进行改装设计。
采用二类汽车底盘进行改装设计工作重点是整车总体布置和工作装置设计，对底盘仅作性能适应性分析和必要的强度校核，以确保改装后的整车性能基本与原车接近[7]。
目前国内市场上底盘的种类多、品种全，如解放、东风、红岩等系列底盘性能好，价格便宜，市场保有量大，在载重量围4～6t的中型汽车，选用的底盘也多为这些系列的产品。
表2.1 底盘性能对比列表
解放
东风
红岩
适用性
适用于各类载重货车及专用汽车特殊功能的要求
适用于各类载重货车及专用汽车特殊功能的要求
适用于各吨位载重货车的改装设计要求以及部分专用车辆的特殊要求
可靠性
工作可靠，出现故障的几率少，零部件要有足够的强度和寿命
工作性能好，故障率低，零部件要有足够的强度和寿命
性能可靠，出现故障率低，各部件要有足够的强度
先进性
动力性、经济性、行驶平顺性及通过性等基本性能指标和功能方面达到同类车型的先进水平
动力性、经济性、操纵稳定性等基本性能指标和功能方面达到同类车型的先进水平
动力性、经济性、行驶平顺性及通过性等基本性能指标和功能方面达到同类车型的先进水平
方便性
安装、检查保养和维修方便，结构紧凑
安装、检查保养和维修方便，结构紧凑
安装、检查保养和维修方便，结构紧凑
价格
较便宜
比较便宜
便宜
供货来源
市场拥有量多
市场拥有量多
市场拥有量较多
常见吨位
各种吨位车型
各种吨位车型
轻、中型载货车型
经过实际调研和上网搜集各类底盘及其技术参数相关方面的资料，并结合本次改装设计专用车的用途、最大装载质量、使用条件、专用汽车的性能指标、专用设备或装置的外形、尺寸、动力匹配、成本等各方面的综合要求，不难发现，在进行小规模的轻、中型载货汽车或专用车辆改装制造时，选用红岩系列底盘相对较合理。
所以选择红岩CQ1113T6F23G461底盘作为本次高位自卸汽车的底盘，其主要技术参数见表2.2[8]。
表2.2 底盘技术参数列表
车型
CQ1113T6F23G461
驾驶室最高点距车架上翼面距离（mm）
2056
发动机
YC6105ZLQ
YC6108ZLQB
D6114ZLQ11B
驾驶室最大翻转半径（mm）
2480
汽车底盘长（mm）
8208
驾驶室后围距前轴（mm）
508
轴距（mm）
4600
外气管距前轴距离（mm）
752
车架有效长度（mm）
5578
车架上平面离地高度（满载）（mm）
1007
车架结构（腹高、板厚）
243、8+5
车轮最大弹跳高度（mm）
188
车架外宽（mm）
780
底盘整备质量（kg）
4080
推荐货物重心（mm）
890
底盘轴荷（kg）前轴/后轴
1680/2400
车辆前悬/车架后悬（mm）
1548/1800
底盘最大承载质量（kg）
7320
汽车底盘总高（mm）
3060
厂定最大设计总质量（kg）
11400
驾驶室翻转中心位置（mm）
110、1312
备注
11.00R20胎/T6驾驶室
2.4本章小结
本章主要进行高位自卸汽车底盘的选型。
首先根据所需底盘的主要设计参数查询各牌号对应的底盘，如东风、解放以及红岩等；然后将现有满足设计参数要求的各种底盘进行对比，通过比较他们的适用性、可靠性、先进性、方便性、价格以及供货来源等各方面因素选择比较使用的底盘；综合各方面情况最后选用红岩CQ1113T6F23G461底盘作为本次高位自卸汽车的底盘。
第3章高位自卸汽车结构方案分析
高位自卸汽车装备有车厢高位举升机构和车厢倾卸机构两套装置，它能将车厢平移举升到一定高度后倾卸货物。
目前国内生产的自卸汽车，其卸货方式为散装货物沿车厢地板卸下，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。
对高位自卸汽车进行改装设计是，一般应满足以下设计要求：
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3.1；
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3.1。
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3.1；
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。
表3.1 参考数据单位:
mm
车厢尺寸（L×W×H）
车厢最大升程Smax
车厢最大后移量a
额定装载质量W（kg）
驾驶室与车厢的距离Lt
车厢下表面与车架上表面的距离Hd
4800×2000×640
1200~1800
150~250
5000
300~650
1000
4000×2000×640
1200~1800
180~280
5000
300~450
800
3900×2000×640
1000~1500
200~350
4800
300~450
600
3900×1800×630
1500~2000
200~320
4500
280~400
500
3800×1800×630
1500~1950
200~300
4000
280~380
470
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