重型自卸车倾卸机构受力分析.pdf

收稿日期2002203221麻士琦男1969年1月出生工程师第15卷第2期石 家 庄 铁 道 学 院 学 报Vol115No122002年6月JOURNAL OF SH IJ IAZHUANG RA ILWAY INST ITU TEJun12002重型自卸车倾卸机构受力分析麻士琦周亮邢海军(石家庄铁道学院机械工程分院石家庄050043)【摘要】重型自卸汽车设计中经常选用三角臂组合式倾卸机构,应用的是铰链四连杆机械运动工作原理。通常对自卸汽车倾卸机构的计算是以三角臂为受力分析的研究对象;而若全面表达倾卸机构的受力状态,则须将倾卸机构作为受力分析的研究对象。实践证明,后者明显优于前者,具有应用的广泛性和较强的实用价值。【关键词】自卸车机构受力分析【中图分类号】TH24【文献标识码】A【文章编号】100623226(2002)02200482041引言自卸汽车通常采用液压倾卸机构实现自动卸载。目前,多数重型自卸汽车的倾卸机构选用三角臂组合式。它一般由车厢、三角臂、拉臂和副车架组成铰链四连杆机构,通过动力源液压油缸的作用而产生举升运动,实现自卸汽车的自动卸载功能。以总质量20t的重型自卸汽车为例,采用两种方法对三角臂组合式倾卸机构进行受力分析,并进行比较。2三角臂组合式倾卸机构的工作原理三角臂组合式倾卸机构由三角臂A B C、拉臂EC、油缸OB等组成,如图1所示。点A为车厢支架与三角臂之铰接点;点B为油缸与三角臂之上铰接点;点C为拉臂与三角臂之铰接点;点E为拉臂与副车架之铰接点;点H为车厢架之铰接点,点O为油缸与副车架之下铰接点。当倾卸机构工作时,液压油缸无杆腔进油,使油缸OB伸长,驱动三角臂A B C和拉臂EC转动升高举起车厢,使车厢绕点H倾翻卸载。货物卸完后,油缸停止进油,并打开回油阀,车厢靠自身重量落回原位。其运动简图如图2所示。3倾卸机构的受力分析311以三角臂为受力研究对象的受力分析对倾卸机构进行力的分析,通常的作法是把其中的三角臂、拉臂等视为分离体,分别作为研究对象进行受力分析。设三角臂为一个独立体,由于三角臂的质量与有效载荷质量(车厢自身质量与车厢载荷质量之和)相 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.图1三角臂组合式倾卸机构简图图2三角臂组合式倾卸机构运动简图图3以三角臂为研究对象的受力分析比很小,故可忽略三角臂与拉臂等构件间铰接处的转动摩擦阻力及各构件的惯性和惯性力矩,则使三角臂受力简化,如图3所示。从图3中可以看到,三角臂仅受倾卸机构中的油缸推力f、拉臂拉力f1及车厢支架力f2作用。根据平面汇交力系平衡的几何条件,车厢支架力f2必通过油缸OB与拉臂EC的交点D。在该平衡力系中,油缸推力f是拉臂拉力f1和车厢支架力f2的合力平衡力。以上分析只是表示了三角臂的受力方向,却不能表示出力的大小,同时也没有把车厢与副车架之铰接点的车厢铰接力f3考虑进去,这是一个不小的缺陷。若以车厢为受力分析的研究对象,则其除受有效载荷质量形成的重力W作用外,还要受方向相反的车厢支架力f2的反作用力和车厢铰接力f3的作用,形成一个平面汇交力系,因此f2、f3二力的合力即是重力W的平衡力。与前述对三角臂进行的受力分析组合在一起,才是对整个倾卸机械完整的受力分析。312以倾卸机构为受力分析研究对象的受力分析图4以倾卸机构为研究对象的受力分析(单位:mm)采用以倾卸机构为研究对象的几何受力分析。如图4所示,首先作垂直于副车架的有效载荷质量W的重心线N J与车厢支架力f2的延长线A N交于N点,连接N H,作N H的平行线JU,则N U为车厢支架力f2的代数值,JU为车厢铰接力f3的代数值;作拉臂EC的平行线与油缸OB的平行线UV交于V点,则N V、UV分别为拉臂拉力f1、油缸推力f的代数值。由受力分析图得知,在倾卸机构中,拉臂所承受94第2期麻士琦等:重型自卸车倾卸机构受力分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.的拉力最大,油缸推力次之,均大于重力W,说明在三角臂组合式倾卸机构中三角臂并没有起到使油缸推力节省的作用。而这种机构由于其举升位置点A在车厢中部,因此对车厢结构,特别是承受载荷较大的重型自卸汽车车厢结构十分有利。4倾卸机构各力的计算411以三角臂为受力分析研究对象的力的计算在图3中,通过点A作OB、EC的垂线A S、A T。在形成的A OS、A ET中:A S=OAsin;A T=EAsin根据三角臂静力矩平衡MA=0,得:fA S-f1A T=0则有:f=f1A T?A S=f1(EAsin)?(OAsin)(1)式中,=arccos(EA2+EC2-A C2)?(2EAEC);=arccos(OA2+OB2-A B2)?(2OAOB)。EA2=GA2+GE2;OA2=A F2+FO2油缸推力f、拉臂拉力f1在直角坐标系x、y轴上的投影为:fx=fcos(-);f1x=-fcos;fy=fsin(-);f1y=fsin。式中,=arctan(FO?FA);=arcsin(ER?EC)根据平面汇交力系平衡条件,则:x=0;y=0。即:f2x=fx=f1x=fcos(-)-f1cos;f2y=fy+f1y=fsin(-)+f1sinf22=f22x+f22y=f2+f12+2ff1sin(-)sin-cos(-)cos(2)对车厢而言,根据牛顿第三定律,车厢的倾翻力是车厢支架力的反作用力,在图4中,向点H取矩,则:,H=f2x(GR-M O)+f2y(HM+KA)-WHM=fcos(-)-f1cos(GR-M O)+fsin(-)+f1sin(HM+KA)-WHM=0(3)联解(1)、(2)、(3)式,则可得f、f1、f3的代数值。412以倾卸机构为受力分析研究对象的力的计算在图4中,连接A O、EO、EA。OB=1180mm;EC=1480mm;A C=950mm;A B=810mm;B C=245mm。根据三角函数中有关定理,分别解出图4中各有关角度。在B CA中:B CA=arccos(B C2+CA2-A B2)?(2B CCA)=48183A B C=arccos(A B2+B C2-A C2)?(2A BB C)=118101在A CE中:A E2=GA2+GE2=323 600A CE=arccos(A C2+EC2-A E2)?(2A CEC)=91998在A BO中:A O2=A F2+FO2=198 500A BO=arccos(A B2+BO2-A O2)?(2A BBO)=16135则在N VU和A BO中:N VU=EDO=BDC=180-(A B C-A BO)-(B CA+A CE)=191512(4)05石家庄铁道学院学报第15卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.在A OB中:A OB=arccos(A O2+OB2-A B2)?(2A OOB)=30178在A B C中:CBD=A B C-A BO=101166在B CD中:B CD=B CA+A CE=581828;BD=B C(sinB CD?sinBDC)=627162mm;DO=BO-BD=532138mm;A D=A B2+BD2-2A BBDcosA BO=272173mm。在DA O中:DA O=arcsin(DO?A D)sinA OB=87137则在A DO和N VU中:VN U=A D E=180-A OB-DA O-EDO=421338(5)VUN=180-N VU-UN V=118115(6)在A PO和A OF中:PA O=A OF=arctan(FA?FO)=45191=DA P=DA O-PA O=41146(7)在N HM中:N K=A Kcot=1097193mm=arctanHM?(N K+KM)=47195(8)在N UJ中:N UJ=180-=90159(9)由(4)(9)式得:W?sinM UJ=f3?sin=f2?sin(10)f2?sinN VU=f1?sinVUN=f?sinVN U(11)联解(10)、(11)式得:f=11498W;f1=11961W;f2=01734W;f3=01662W。在完成以上倾卸机构的计算之后,便可进行倾卸机构各构件和零件的强度校核计算及液压传动装置稳定性的校核计算等,这里不一一赘述。5结论以三角臂为研究对象的方法,运用平面汇交力系平衡和平面力偶理论,计算思路清晰明了,计算精度较高,计算过程复杂程度一般。但是,对整个倾卸机构来说,由于缺少车厢铰接力f3,不能全面表达倾卸机构所有构件的受力情况,即使受力分析时考虑到f3的存在,若采用力矩的方法解出f3代数值,计算过程就变得比较复杂。以倾卸机构为研究对象的方法则全面表达了该机构所有构件的受力情况,而且将复杂的力学计算转换成平面几何的代数运算,避免了力学计算中可能出现的错误或失误,但计算过程略显繁琐。由于计算机的广泛普及,解决这一问题已不是什么难题,只要根据其分析、计算原理编制一个固定的计算程序,输入一组或多组数据,不仅很快得到结果,还可以对整个倾卸机构进行优化设计。当设计者对倾卸机构中各力的数值精度要求不是很高时,完全可以免除计算,直接在按比例绘制的受力分析图上用标尺量出各力的代数值。特别是当需要车厢升到某一角度时的各力的代数值时,以倾卸机构为研究对象的方法就显得简单和方便得多。实践证明,该方法具有很强的操作性和实用价值。参 考 文 献1罗洪田 1 机械原理课程设计指导M 1 北京:高等教育出版社,1986110112315第2期麻士琦等:重型自卸车倾卸机构受力分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.2陈秀宁 1 机械优化设计M 1 杭州:浙江大学出版社,1994167883杨基厚 1 机构运动学和动力学M 1 北京:机械工业出版社,198712002014蒋崇贤 1 专用汽车设计M 1 武汉:武汉工业大学出版社,1994112185周廷美 1 重型自卸车举升机构的计算机辅助设计J 1 专用汽车,2001(4):35Structural Analysis of Large Dump TruckMa ShiqiZhou L iangXing Ha ijun(School ofM echanical Engineering,Shijiazhuang Railway Institute,Shijiazhuang 050043)【Abstract】The moving theory of four2bar linkage is often used to analyze the triangular armunloading mechanism of dump truck.The analytical object of the unloading mechanismis alw aystriangular arm,but in order to make a overall study of unloading mechanism,it is necessary to study theunloading structure.It has been practiced that the latter analysis is superior to former and has w ideapplication value.【Kew words】dump truckmechanismstructural analysis(责任编辑杨继成)25石家庄铁道学院学报第15卷 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.