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专业课程设计任务安排

1、 高位自卸汽车(载重汽车的起重后板, 自动钻床送进机构，后装压缩倾卸式垃圾汽车)的结构设计
2、 高位自卸汽车(载重汽车的起重后板, 自动钻床送进机构，，后装压缩倾卸式垃圾汽车)的运动分析
3、 高位自卸汽车(载重汽车的起重后板, 自动钻床送进机构，，后装压缩倾卸式垃圾汽车)的动力分析
4、 高位自卸汽车(载重汽车的起重后板, 自动钻床送进机构，，后装压缩倾卸式垃圾汽车)的三维模型的建立
5、 高位自卸汽车(载重汽车的起重后板, 自动钻床送进机构，，后装压缩倾卸式垃圾汽车)的动态仿真过程

一、高位自卸汽车
一、 问题的提出
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，它能将车厢举升到一定高度后再倾斜车厢卸货。
二、 设计要求和有关数据

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2-1。
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2-1。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2-3。
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。
表2-1 预定的设计参数 (尺寸单位为毫米)
序号
车厢尺寸(L×W×H)
Smax
a
W(kg)
Lt
Hd
1
4000×2000×640
1800
380
5000
300
500
2
3900×2000×640
1850
350
4800
300
500
3
3900×1800×630
1900
320
4500
280
470
4
3800×1800×630
1950
300
4200
280
470
5
3700×1800×620
2000
280
4000
250
450
6
3600×1800×610
2050
250
3900
250
450
三、 任务分配进度安排
1) 题目及分组
三个子题目如下：
a. 车厢举升机构设计
b. 车厢倾斜机构设计
c. 后厢门开启、关闭联动机构设计
由c题目担任本设计组组长。协调该组的设计工作，并绘制高位自卸汽车总体方案图纸一张（三个位置绘成不同颜色，同一机架，在一张图上）。
论证给出较优方案，论证主要考虑以下几方面：
① 满足运动要求方面；
② 动力性能方面；
③ 制造、维护方面；
④ 结构紧凑方面；
⑤ 设计难易方面；
d. 尺度综合与运动和力分析，以及校核
建议用八周时间完成。
小组成员分别负责自己所承担部分的写作，由小组长负责整个说明书的统编。
四、 建议说明书目录如下（供参考）
第一章 高位自卸汽车
§1-1 问题的提出
§1-2 设计要求及有关数据
第Ⅰ章 TOPIC(I) ( I = 2，3，4 )
§I-1 方案确定
§I-2 机构设计
§I-3 CAD（含程序框图、变量表，程序及其运算结果）
§I-4 评价及改进设想（含机构位置、传动角、油缸行程及输出力等的评价）
附录： 1. 高位自卸汽车的机构运动简图
2. 各主动力输出曲线
3. 参考书目
注：I = 2，TOPIC(2)为举升机构
I = 3，TOPIC(3)为倾斜机构
I = 4，TOPIC(4)为后厢门启闭机构

五、 参考方案
以下方案均不一定是最佳方案，甚至不一定实用，列出供同学们扩展思路，从中择优。更好的方案，有待同学们去思考。
1) 举升机构

图 4－1

2) 倾斜机构

3) 后厢门启闭机构

六、 提示
以下是一个任意选定的方案及设计步骤供同学们参考。
1) 举升机构

a. 数学模型

S —— 升高量
a—— 后移量
Δ—— 0.2～0.3M（限制倾斜后，Smax、a有所减小）
AM＜1.2～1.5M（限制整车高度）
选择AM、β、MO以满足升高和后移量。
b. 确定油缸C、D点位置
要求： ⑴ ΔlCD ≤ 500mm
⑵ PCDmax ≤ 3W
⑶ 尽量减少PCD的波动。
c. 确定油缸E、F点位置
要求： ⑴ ΔlEF ≤ 600mm
⑵ PEFmax ≤ 1.5 W
⑶ 尽量减少PEF的波动。
d. 检验传动角
γmin ≤ 40°
2) 倾斜机构
a. 数学模型

其中：

可选定：G(Gx,Gy)，H1x，I1y，θGI
解出 I1x，
该部分的解法可参考第七部分。
b. 确定油缸J点的位置
要求： ⑴ ΔlJG ≤ 500mm
⑵ PJGmax ≤ 3W
⑶ PJG的波动尽可能小。
可用虚位移原理求PJG

求J1，SHO，， 方法

c. 验算传动角 （J点）
3) 后厢门启闭机构

a. 数学模型

其中： （i = 2 , 3 ）
其解法参见第七部分。
b. 综合U1、S点 （U1＝a1 ，S=a0）
选定参考点：P1 (P1x，P1y)、P2 (P2x，P2y)、P3 (P3x，P3y)、θ12、θ13。
选择：S (Sx，Sy)、U1 (U1x，U1y)中的两个参数再解出另外两个。
c. 综合T1、Z点 （T1 ＝a1 ，Z=a0）
方法同上。
d. 演算传动角条件及到位情况
可用图解法完成。
4) 联动机构
可参考第七部分。

a. 数学模型

其中：

βj由设计倾斜机构的同学提供。
b. 综合X1、W1
选择X1 (X1x，X1y)、W1 (W1x，W1y)中的两个坐标，解出另外两个坐标。
c. 检验到位情况及传动角条件
七、 关于刚体的转杆导引和全铰四杆机构的函数综合问题
1. 转杆引导的实现三位置刚体的综合问题
参考图5-4。
回转矩阵
Dθ1j
设计方程

其中：

（j = 2，3）
说明：θ1j逆时针为正，顺时针为负；
d i k j—1列j位置的DRj
DRj中的k列
DRj中的i行
2. 全铰四杆机构函数综合问题

旋转矩阵
(j = 2 , 3 )
设计方程

其中：

（j = 2，3）
说明： a. θ1j、φ1j逆时针为正，顺时针为负；
b. d1kj意义同前；
c. 实际机构的尺寸按比例缩放；
d. b1(b1x，b1y)需根据情况设定；
e. 若解三位置问题，设计方程为二元一次方程组，若解二位置问题，需再给出a1(a1x，a1y)中的一个坐标，通过设计方程解出另一个即可。
二、载重汽车的起重后板
一、问题的提出
在汽车的装卸作业中，常常需要将货物由地面装到车厢上或将车厢上的货物卸到地面上。对有叉车的作业场合这是不成问题的，但如果没有叉车，则装卸比较费力费时。如能利用载重汽车的车厢后板设计出一个起重平台，则可以较好地解决这个问题。
二、设计要求和有关数据
汽车车厢的参数如图所示，有如下设计要求：
1. 后板起升过程中保持水平平动。
2. 后板在完成起升任务后可与车厢自动合拢。
3. 起升、合拢所用动力部件采用伸缩油缸，油缸应安装在车厢下面，且在后板与车厢合拢后，两只油缸的活塞杆应缩进油缸体内以防止在行车过程中飞石等碰伤活塞杆。
4. 最大起重量分别为0.3T、0.4T、0.5T。
5. 起升机构、合拢机构的最小传动角γmin≥40°。

三、设计任务及进度安排
1. 机构选型设计
选择一种能够使后板水平平动且构件少、体积紧凑的机构。选型往往与分析计算交叉反复进行。例如，选择了一种机构，经计算分析后发现该机构效果不好，就要否定这个机构，选择新的机构，直到满足设计要求。
2. 尺度综合及运动、动力分析、传动质量指标检验
尺度综合即是要对所选机构的基本尺寸进行设计计算。在动力分析中，要求求出在起升过程中起升油缸的输出力即起升机构的平衡力及各运动副反力、要求绘出各力的变化曲线。由于起升机构运动速度较低，各构件重量相对于起升重量较小，所以在力分析过程中可省略各构件重力及惯性力。机构尺度综合后应检验γmin≥40°。
3. 撰写设计计算说明书
撰写格式如下：
一． 问题的提出、设计要求和有关数据
二． 机构选型设计
三． 尺度综合及运动、动力分析、传动质量指标检验
四． 自我评价及展望
五． 附录（计算程序、图纸和参考书目）
四、设计方法提示
机构选型设计是比较困难的工作，为了开阔同学们的思路，下面将介绍机构选型设计的一些方法和本课程设计题目的一些方案提示。
根据具体的设计要求，选择一种可行的机构。一般常用如下方法：
1. 借鉴参考法：
借鉴国内外同类设计的机构选型设计，在此基础上进行修改和改进，使其满足具体设计要求。这种参考资料可以从专利说明书、科技图书、期刊、产品样板中获得，在机构选型设计中这是最常用的方法。在使用中注意不要照抄照搬，应结合具体情况有所改进和创新。
2. 功能分解选择法
将具体设计要求分解为一系列的功能。在现有机构中寻找可以满足各个功能的机构，然后将这些机构有机地综合起来，实现所有的功能、满足全部设计要求。目前国内已出版了许多机构应用图集，这些图集按机构功能分类编写，有较高的参考价值。采用这种方法往往可以得到创新性的设计。在可参考方案较少或无参考方案的情况下主要采用这种方法进行机构选型设计。
五、参考方案
采用功能分解选择法，将起升和收拢分解为平动与摆动两个功能，然后在现有各种机构中选择能实现平动和摆动的机构。考虑到动力组件为伸缩式油缸，那幺主动构件可以是如图3、图4所示的导杆和摆杆。

以图3、图4所示的导杆和摆杆作主动件，选择机构转换成平动和摆动。下列几种机构可以实现平动：

1. 导杆机构

2. 平行四边形机构

3. 曲柄滑块机构

4. 凸轮机构

5. 齿轮齿条机构

6. 组合机构等
考虑到车厢的具体结构和使用要求，机构的机架只能固定在汽车车厢下面的底盘上，此外，还应考虑起升机构上升到上限位置时应与地面有一定距离以利于行车，根据这些限制在上述机构中选择一种可满足要求的机构。
摆动机构也可以仿照平动机构列出许多，根据具体要求进行筛选即可。
六、本课程设计题目的参考书目
机械工程手册，第十八篇，机构选型与运动设计，机械工业出版社，1978。
机构与机械控制装置，N.P.契罗尼斯着，郭景嘉等译，中国农业出版社，1984。

三、后装压缩倾卸式垃圾汽车
一、 课题背景介绍
1-1. 结构组成及总体布置
后装压缩式垃圾汽车主要用于收集、转运袋装生活垃圾。它与其它形式的垃圾运输汽车的区别是：能压缩、破碎垃圾，增大装载量。
后装压缩式垃圾汽车的专用工作装置主要由车厢和装载厢两部分组成。后装压缩倾卸式垃圾汽车的运输状态如图1所示。车厢2置联于底盘车架上。装载厢3位于车厢后端，其上角与车厢铰接，并可由举升油缸驱动其绕铰接轴转动。垃圾从装载厢后部入口处装入，再经装载厢内的压缩机构进行压缩处理，然后将垃圾向前挤压入车厢内压实。
卸出垃圾时，如图2所示，首先装载厢被举升油缸1驱动摆转掀起，使车厢后端呈敞开状，然后车厢被举升油缸2驱动绕其下后部铰接轴摆转，前端升起向后倾斜，将垃圾卸出车厢。
在进行汽车总体布置时，装载厢的垃圾入口下缘离地距离应小于900mm。
1-2. 主要工作部件的结构与参数确定
1-2-1 车厢
后装压缩式垃圾汽车的车厢的纵截面一般为直角梯形，如图3所示。参考国内外同类车型即可确定额定装载质量me＝5000kg。根据压缩后的垃圾密度ρ＝400~600kg/m3，车厢容积V按下式确定：
（m3）
车厢容积也可按图3确定：
（m3）
式中：
厢内顶纵向长度 (m)；
厢内底纵向长度 (m)；
H 厢内高度(m)；
W 厢内宽度 (W＝2m)；
1-2-2 车厢倾斜机构
为了使车厢可以前端升高向后卸出垃圾，须将车厢后端与底盘铰链连接，并在车厢下面设置液压举升机构。为了避免车厢重心过高影响其稳定性，应该尽量减少举升机构所占用的高度空间。运输时车厢在底盘上平放，举升油缸尾端不得低于车轮轮轴。
1-2-3 装载厢与压缩填装机构
装载厢总成是由装载厢体和安装在其内的压缩填装机构组成。其作用是将垃圾填装在装载厢内进行压碎压实处理，并将垃圾向车厢内挤压。
装载厢内的复合连杆式压缩机构的工作过程如图4所示。状态(a)表示铲斗DE上一次工作循环结束和新一轮工作循环开始，垃圾已倒入装载厢下腔的装填斗中；状态(b) 表示铲斗DE摆动上收；状态(c) 表示铲斗DE向下压缩垃圾；状态(d) 表示铲斗DE改变施力方向，将垃圾进一步压碎、压实，并开始向车厢方向推送；状态(e) 表示铲斗DE将垃圾向车厢内压入并复位。
二．设计要求和有关数据
1. 初步设计本车的外形轮廓。标注车厢和装载厢的主要几何参数。
2. 设计车厢倾斜机构
（1）采用油缸驱动，油缸级数不多于三级，确定其工作长度范围Lmin和Lmax。（一级Lmax≈1.7Lmin，二级Lmax≈2.3Lmin，三级Lmax≈2.8Lmin）
(2) 确定车厢与底盘铰接的铰链的位置。设计车厢倾斜机构，使车厢至少可以向后摆转倾斜40°。举升油缸工作过程中传动角γ2min≥30°。
(3) 车厢在水平运输位置时，车厢下面的倾斜机构占用的高度尽可能小，举升油缸2的尾端不得低于车轮轮轴。
2. 设计装载厢及其内的压缩填装机构
（1）采用油缸驱动，具体要求同上。
(2) 压缩填装机构须实现1-2-3和图4提出的工作要求，并防止垃圾逆向流动，至多两个自由度。。
(3 ) 装载厢的底部曲线应该是铲斗DE的端点的运动轨迹曲线。装载厢的垃圾入口下缘离地距离应小于900mm。
4. 设计装载厢掀起机构。
掀起时旋转的角度值由设计者自定，须保证垃圾顺利卸出。举升油缸1工作过程中传动角γ1min≥30°。
5. 上机计算，打印结果。
6. 选做机械方案创意设计模拟实施实验。
7. 用不同颜色绘出车厢及其倾斜机构的两个极限位置和装载厢及其内的压缩填装机构的五个工作位置。
8. 撰写设计说明书。

图1 后装压缩倾卸式垃圾汽车的运输状态