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畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題目名稱： 自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
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自卸汽車舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
總計(jì)：畢業(yè)論文： 37 頁(yè)
表 格： 3 表
插 圖： 9 幅
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摘 要
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，社會(huì)對(duì)汽車運(yùn)輸?shù)囊笠苍絹?lái)越高，自卸汽車是通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)車廂舉升并且能自動(dòng)準(zhǔn)確降落回位的汽車，它能夠自動(dòng)卸貨，在道路運(yùn)輸，建筑等領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。自卸汽車作為專用汽車中一個(gè)分支，幾十年來(lái)在我國(guó)快速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種多樣的型式，其中最常見(jiàn)的是后傾式自卸汽車，但是近10年來(lái)我國(guó)專用汽車生產(chǎn)的品種少且單一，缺乏創(chuàng)新，相較于國(guó)外等發(fā)達(dá)國(guó)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(shù)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)于我國(guó)而言是非常重要的任務(wù)。
本文首先對(duì)自卸汽車國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀作了相關(guān)的概述，講述了本文研究的意義。接著，按照自卸汽車的設(shè)計(jì)步驟，選擇合適的二類底盤，參照型號(hào)為 CA3071PK2AEA80 的二類底盤，對(duì)汽車的外廓尺寸、輪距與軸距尺寸以及整車的裝載質(zhì)量、整備質(zhì)量、總質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)的計(jì)算與設(shè)計(jì)，再對(duì)舉升機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型 然后對(duì)其關(guān)鍵部分進(jìn)行校核以確保設(shè)計(jì)滿足要求，最后進(jìn)行catia三維畫圖。
關(guān)鍵字：自卸汽車；舉升機(jī)構(gòu) ；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(guó)內(nèi)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(shè)計(jì) 4
2.1 總體設(shè)計(jì)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(jié) 6
3 舉升機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7
3.1舉升機(jī)構(gòu)的選型 7
3.2 舉升機(jī)構(gòu)最大舉升角的確定? 8
3.3 舉升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)? 10
3.4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13
3.5 本章小結(jié) 17
4 自卸汽車穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)部件的校核 18
4.1 自卸汽車穩(wěn)定性計(jì)算校核 18
4.2 自卸汽車運(yùn)動(dòng)部件干涉的校核 19
4.3 本章小結(jié) 21
5 結(jié)論 22
參 考 文 獻(xiàn) 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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 引言
自卸汽車是通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)車廂舉升并且能自動(dòng)準(zhǔn)確降落回位的汽車，它能夠自動(dòng)卸貨，在道路運(yùn)輸，建筑等領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。自上世紀(jì)60年代起，經(jīng)過(guò)工業(yè)革命之后，發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車行業(yè)逐漸發(fā)展起來(lái)，因而發(fā)達(dá)國(guó)家的專用汽車的數(shù)量一直在增長(zhǎng)，占據(jù)了世界汽車絕大部分市場(chǎng)，隨后亞太地區(qū)也逐漸發(fā)展起來(lái)，而我國(guó)自卸汽車比發(fā)達(dá)國(guó)家晚了幾十年，技術(shù)和產(chǎn)品的質(zhì)量遠(yuǎn)不如發(fā)達(dá)國(guó)家，但經(jīng)過(guò)幾十年的不斷革新和成長(zhǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)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(guó)的自卸汽車生產(chǎn)的廠家繁多，已經(jīng)有幾千家，在21世紀(jì)初，載貨汽車總產(chǎn)量達(dá)專用汽車的一半左右。但是近10年來(lái)我國(guó)專用汽車生產(chǎn)的品種種類少且單一，缺乏創(chuàng)新，仍然需要引進(jìn)外國(guó)先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)數(shù)量和質(zhì)量還遠(yuǎn)不如其他發(fā)達(dá)國(guó)家。所以需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展，研究新的種類和技術(shù)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量對(duì)于我國(guó)而言是非常重要的任務(wù)。
1.2 國(guó)內(nèi)外專用車輛的發(fā)展概況
1.2.1 國(guó)外專用車輛發(fā)展概況
從19世紀(jì)90年代末期開(kāi)始，美國(guó)和西歐的一些發(fā)達(dá)國(guó)家的卡車交通運(yùn)輸業(yè)不斷發(fā)展，逐漸運(yùn)用于交通建筑等各個(gè)領(lǐng)域中，因而專用汽車在世界各國(guó)不斷發(fā)展起來(lái)，不久之后日本等亞洲地區(qū)也開(kāi)始重視專用汽車的發(fā)展。
（1）國(guó)外專用汽車的規(guī)模：
由于國(guó)外一些國(guó)家人口基數(shù)小、領(lǐng)土廣泛、勞動(dòng)力匱乏，因而需要機(jī)械化效率高的專用汽車，所以國(guó)外的自卸汽車廠家多，生產(chǎn)的零部件也專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)批量大、品種多，符合交通運(yùn)輸各個(gè)領(lǐng)域的要求。
（2）國(guó)外專用車輛的發(fā)展形勢(shì)及研究現(xiàn)狀
據(jù)數(shù)據(jù)資料顯示，1980年美國(guó)用于交通運(yùn)輸業(yè)的汽車占專業(yè)汽車生產(chǎn)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(chǎn)量到達(dá)21萬(wàn)輛。到90年代，Japan的特種車輛總產(chǎn)量為70年代的十倍之多，中型貨車占據(jù)主要市場(chǎng)。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(chǎn)品是拖車、半掛車和低載貨卡車，大小不一，軸承質(zhì)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(quán)上呈上升趨勢(shì)。
重型汽車具有重型、大功率、大功率的特點(diǎn)不能被其他特種車輛替代，因此在國(guó)外得到快速發(fā)展，當(dāng)然重型汽車也存在些許不足，因而國(guó)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(guó)專用汽車的發(fā)展形勢(shì)
（一）我國(guó)專用汽車的研究現(xiàn)狀
自上世紀(jì)60年代初開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始重視專用車輛的存在，一開(kāi)始從軍事車輛和消防車的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改裝形成專用汽車。1970年開(kāi)始，通過(guò)改革開(kāi)放及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，專用汽車逐漸成為社會(huì)生產(chǎn)的核心力量。
我國(guó)的專用車輛行業(yè)在90年代得到飛速迅速，經(jīng)過(guò)40多年的成長(zhǎng)形成了自己獨(dú)有的體系。現(xiàn)在的車輛生產(chǎn)廠家主要為四類:其中最為普遍的一種形式是廠家生產(chǎn)基本專用車輛，它的市場(chǎng)占據(jù)我國(guó)的一半;其次是廠家生產(chǎn)專用的車輛，其主要生產(chǎn)形式是對(duì)汽車底盤進(jìn)行改裝形成專用車輛，其生產(chǎn)占將近一半，與上一種基本占據(jù)了我國(guó)的主要市場(chǎng)；剩下來(lái)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(duì)車輛進(jìn)行生產(chǎn)或改裝。
（二）專用車輛產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)
通過(guò)改革開(kāi)放，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也不斷改進(jìn)和發(fā)展，由于專用汽車的各個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因此專用汽車在我國(guó)發(fā)揮著重要的作用。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)貨車所有權(quán)的特殊車輛和年產(chǎn)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(chǎn)的高水平、高質(zhì)量、高附加值的專用車輛是我國(guó)發(fā)展的首要任務(wù)。
1.3 研究本課題的目的和意義
我國(guó)于上世紀(jì)中期開(kāi)始生產(chǎn)自卸汽車,經(jīng)過(guò)50多年的成長(zhǎng)和蛻變,特別是在1980年代,經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放，生產(chǎn)技術(shù)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(lái)，自卸汽車從而形成了較為規(guī)范的體系，特別是自21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，對(duì)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(chǎn)企業(yè)自發(fā)展萌芽開(kāi)始，由不足的10家到現(xiàn)在的上千家，翻了近百倍,占了國(guó)家汽車生產(chǎn)企業(yè)的八成,從最初零散的小規(guī)模企業(yè),通過(guò)不斷的整合和聯(lián)改等方式形成企業(yè)的集團(tuán)化和規(guī)?；瑹o(wú)論從數(shù)量還是從品質(zhì)上得到了前所未有的發(fā)展和進(jìn)步。然而，國(guó)外自卸車的生產(chǎn)開(kāi)始于1930年代，比中國(guó)早了30年。在隨后的幾年里，它的結(jié)構(gòu)雖然得到了改善，車輛的性能得到了改善，但相比于國(guó)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓舉升機(jī)構(gòu)，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(yùn)輸砂石等散裝貨物，運(yùn)用于建筑和礦用等領(lǐng)域中。由于它具有能自動(dòng)卸貨的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用和發(fā)展，隨后成為具有一定規(guī)模的產(chǎn)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(yùn)輸，主要是礦山和水路運(yùn)輸，配有挖掘機(jī)，但它的外部輪廓和軸載沒(méi)有具體的要求。另外一種是普通公路運(yùn)輸?shù)能囕v，主要運(yùn)用于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，從事砂石等散貨運(yùn)輸。
一般額定裝載質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及組成部分
2 自卸汽車整車設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)一輛載重為4噸的自卸汽車，需要對(duì)其完成自卸汽車底盤的選用，舉升機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)，最后對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)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(jī)械整體，它具有后懸小、車架大梁短的特點(diǎn)，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(gè)因素：一是汽車底盤性價(jià)比，二是要有供貨來(lái)源。
考慮到以上因素，本車選用CA3071PK2AEA80的型號(hào)。它具有安裝靈活、配置方便、性價(jià)比高且供貨來(lái)源廣泛的特點(diǎn)，同時(shí)符合本文設(shè)計(jì)噸位要求，因此，本車選用該規(guī)格，它的規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)等主要參數(shù)見(jiàn)表 2.1
表 2.1CA3071PK2AEA80 型二類底盤參數(shù)
底盤型號(hào)
CA3071PK2AEA80
底盤類別
二類
規(guī)格
長(zhǎng)：6280寬：2358高2730
燃油類型
柴油
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)
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(zhì)量
7490kg
整備質(zhì)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(zhì)量參數(shù)等。因?yàn)樽孕镀囀怯尚吞?hào)為 CA3071PK2AEA80 的底盤改裝而來(lái)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhuǎn)彎直徑等會(huì)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(zhì)量參數(shù)
（1）整車整備質(zhì)量
裝滿了燃料、冷卻整車整備質(zhì)量劑和液壓油的空車質(zhì)量是車輛的整車質(zhì)量。從設(shè)計(jì)原則考慮，需要盡力減少,所以采用輕型材料，減輕質(zhì)量，來(lái)降低成本。當(dāng)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(zhì)量。
（2）額定裝載質(zhì)量
額定裝載質(zhì)量是根據(jù)用戶的需求、使用情況及選定的底盤來(lái)確定的。還應(yīng)考慮廠商的底盤的額定載荷質(zhì)量，從而使產(chǎn)品向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。與此同時(shí)，能承載所選擇的二類底盤允許的最大質(zhì)量。
（3） 最大總質(zhì)量
（4） 最大總質(zhì)量包括整車整備質(zhì)量、額定裝載質(zhì)量和乘載人員。所以，其中為承載人員質(zhì)量，取60kg。
所以本車最大總質(zhì)量：
2.4 本章小結(jié)
確定了本次設(shè)計(jì)二類底盤的型號(hào)是CA3071PK2AEA80，根據(jù)該型號(hào)確定了本次設(shè)計(jì)的外廓尺寸長(zhǎng)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(zhì)量4100kg、最大總質(zhì)量7160kg。
3 舉升機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的選型和設(shè)計(jì)
3.1舉升機(jī)構(gòu)類型的選擇
從傳動(dòng)裝置的側(cè)面或上端安裝到輸出功率、動(dòng)力升降器或通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)泵來(lái)產(chǎn)生液壓驅(qū)動(dòng)的裝置。其設(shè)計(jì)要求如下:
1：利用升降機(jī)構(gòu)實(shí)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(zhǔn)確回位；
4：當(dāng)貨箱實(shí)現(xiàn)最大舉升角時(shí)，貨箱底板的最低點(diǎn)不能低于水平地面。
舉升機(jī)構(gòu)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(jī)機(jī)構(gòu)利用液壓缸直接將貨箱推到指定位置。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械效率高，損失能量少，但是液壓缸的工作行程長(zhǎng)，影響工作效率。
根據(jù)油缸位置和汽車連接點(diǎn)的位置，可將直接推舉機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)）和前推式（T式或馬勒里式舉升機(jī)構(gòu)）。
連桿機(jī)構(gòu)式是利用三角機(jī)構(gòu)將貨箱推到指定位置。升降機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)，油缸活塞行程短，可用于單缸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，密封好，同時(shí)具有裝配靈活的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛使用。
對(duì)于舉升機(jī)構(gòu)的選型需要通過(guò)對(duì)生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行比較和分析，來(lái)確定哪個(gè)方案適合本次自卸汽車的設(shè)計(jì)，但是無(wú)論選擇哪一類機(jī)構(gòu)，都需要滿足F和這兩個(gè)基本條件，表3.1是對(duì)兩類舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析和比較。
表3.1 直推式和連桿組合式舉升機(jī)構(gòu)的綜合比較
項(xiàng)目
類別
直推式
連桿組合式
結(jié)構(gòu)布置
簡(jiǎn)單
復(fù)雜
系統(tǒng)質(zhì)量
小
大
油缸加工工藝
多級(jí)缸、工藝性差
單級(jí)缸、制造簡(jiǎn)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(zhǎng)
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(gòu)造不是很復(fù)雜。但是由于貨箱與油缸有直接關(guān)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(jié)構(gòu)來(lái)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(shè)計(jì)的自卸汽車。
連桿式舉升機(jī)構(gòu)是利用三角臂機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)油缸舉升，連桿是橫向跨度期間加強(qiáng)穩(wěn)定放電，只需使用單級(jí)單缸。所以它的制造過(guò)程方便且簡(jiǎn)單，適用于各個(gè)機(jī)械行業(yè)，得到了生產(chǎn)廠家很多的青睞。
因此，本次設(shè)計(jì)采用了T式連桿組合舉升機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)的升降固定鉸支點(diǎn)在車廂的質(zhì)心周圍，受力平衡，穩(wěn)定性好。
3.2 舉升機(jī)構(gòu)最大舉升角的確定?
當(dāng)貨箱舉升到設(shè)計(jì)極限時(shí)，不能再舉升時(shí)，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(chǔ)上往往只有貨物，汽車的最大減壓角的設(shè)計(jì)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(yùn)送貨物名稱
單位容積質(zhì)量（Kg/）
安息角
運(yùn)動(dòng)
靜止
無(wú)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(dāng)車廂被舉升到一定角度時(shí)，貨箱的最低點(diǎn)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(shí)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(zhì)量大的特點(diǎn)，所以它的最大舉升角稍稍大一點(diǎn)，通常在之間。本次設(shè)計(jì)的自卸車汽載重質(zhì)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟?
T式舉升機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能、壓力與舉升角存在函數(shù)關(guān)系的特點(diǎn)被廣泛使用。其通常采用作圖法與解析法來(lái)確定三角臂機(jī)構(gòu)，其受力分析圖如3.2所示。
圖3.2?T式舉升機(jī)構(gòu)的受力分析圖
首先，通過(guò)作圖法初步確定各桿件和三角臂各鉸支點(diǎn)的坐標(biāo)。然后計(jì)算出各固定鉸支點(diǎn)與的函數(shù)關(guān)系，以求出所需求的力，具體步驟如下：
1）建立平面直角坐標(biāo)系?
坐標(biāo)原點(diǎn)一般選在車廂與副車架的鉸支點(diǎn)的坐標(biāo)O1，x、y方向如圖所示，此外參考同類舉升機(jī)構(gòu)，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(zhì)量=裝載質(zhì)量+車廂質(zhì)量，初定為4100Kg。?
初定三角臂a、b、c、桿長(zhǎng)度為d，在確定時(shí)，必須正確控制活塞沖程，同時(shí)考慮三角形臂對(duì)運(yùn)動(dòng)的放大效應(yīng)，所以確定三邊比為。初定三角臂參數(shù)：。
3） 確定固定鉸支點(diǎn)D、E兩點(diǎn)的坐標(biāo)
直線CE和直線DB的作用線是由D、E兩點(diǎn)坐標(biāo)決定的，所以在D、E兩鉸支點(diǎn)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(biāo)由結(jié)構(gòu)允許的最小值確定，所以D、E兩鉸之點(diǎn)的坐標(biāo)是、。
4） 確定舉升機(jī)構(gòu)與車廂鉸支點(diǎn)點(diǎn)A的坐標(biāo)（，）
選擇的坐標(biāo)應(yīng)注意三角形臂合理布置空間，避免B在三角形臂端點(diǎn)前產(chǎn)生干涉。在當(dāng)L較大時(shí)，R取最高值；反之，就取較小值，初定A點(diǎn)坐標(biāo)（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(kāi)始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至，旋轉(zhuǎn)角度為最大舉升角，此時(shí)A點(diǎn)變?yōu)?。再以為中心作R=AB的圓，同樣以D為中心作R=BD的圓，兩圓相交于點(diǎn)，同理，以為中心作R=BC的圓和以為中心作R=AC的圓，兩個(gè)圓相交于點(diǎn)，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(zhǎng)=E-EC。?
根據(jù)上述步驟就可以得出三角臂ABC三點(diǎn)及固定鉸支點(diǎn)DE兩點(diǎn)的坐標(biāo)。拉桿和三角臂的幾何尺寸是由圖法中得到的每個(gè)鉸鏈支點(diǎn)的坐標(biāo)值，作為已知條件，當(dāng)在0°到最大舉升角的任意時(shí)刻時(shí)，以求得和。??
馬勒里式（T式）舉升機(jī)構(gòu)受力解析圖如圖3.3所示，其設(shè)計(jì)過(guò)程如下所示：
圖3.3?前推式連桿組合式舉升機(jī)構(gòu)受力分析
1）求出A 點(diǎn)在任意舉升角時(shí)的坐標(biāo)：
｛ (3-1)
式中：和為當(dāng)時(shí)的點(diǎn)坐標(biāo)，即上文初定的A點(diǎn)（2800,250）。
2）求出舉升重量質(zhì)心G點(diǎn)在任意舉升角時(shí)的坐標(biāo)（，）：
｛ (3-2)
同理點(diǎn)為時(shí)的坐標(biāo)，即為車廂質(zhì)量的中心,所以坐標(biāo)為（1800,600）。
3)求舉升角為時(shí)的B點(diǎn)坐標(biāo)（，）
已知:及A、D兩點(diǎn)坐標(biāo),可得B 點(diǎn)坐標(biāo)（，）。即:
｛ （3-3）
4)求舉升角為時(shí)的C點(diǎn)坐標(biāo)（，）
同理已知:及A、B兩點(diǎn)坐標(biāo),所以可以得出C點(diǎn)坐標(biāo)
｛ （3-4）
5） 求直線BD和直線CE的方程
由于B、C、D、F四點(diǎn)的坐標(biāo)都已經(jīng)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(biāo)
F點(diǎn)為直線BD和CE的交點(diǎn)，所以聯(lián)立兩直線方程即可求解
｛ (3-7）
可得F的坐標(biāo)（，）。
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(duì)B點(diǎn)取距：
(3-10）
(3-11）
(3-12）
9）求拉桿拉力
因?yàn)榕cF、R三個(gè)力受力平衡，所以只要知道其中兩個(gè)力就可以得知另外一個(gè)力，本文已知F和R，所以也能求解出來(lái)。
(3-13）
(3-14）
因?yàn)樗蟮娜齻€(gè)平衡力都在的位置求出最大值, 所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要用作圖法和解析法共同使用才能求解出這三個(gè)平衡力。根據(jù)以上公式,通過(guò)使用MATLAB軟件進(jìn)行分析計(jì)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(shè)計(jì)
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(dòng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理
1）液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
液壓生產(chǎn)部件由力提取器、油泵、單向閥、油箱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、油泵和單向閥組成，動(dòng)力裝置通常與傳動(dòng)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(guò)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(jī)構(gòu)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(jīng)常打開(kāi)分配閥當(dāng)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(guò)程中推動(dòng)自卸箱和造成事故,所以經(jīng)常打開(kāi)閥廣泛應(yīng)用于自動(dòng)傾卸卡車分布。
3） 液壓舉升機(jī)構(gòu)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(dòng)換向閥、油箱、過(guò)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(dòng)換向閥,?4-油箱，
5-過(guò)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(shí)
換向閥3處于最右邊,能實(shí)現(xiàn)汽車舉升，油箱中的油通過(guò)液壓泵6頂開(kāi)單向閥7，將油液送到液壓缸1,推動(dòng)活塞向上移,此時(shí)貨箱開(kāi)始被舉升,直到限制活塞閥打開(kāi),油液再慢慢流回油箱,此時(shí)舉升結(jié)束,溢流閥的作用是調(diào)整系統(tǒng)。
2）中停時(shí)
換向閥3在中間位置，此時(shí)舉升中停，泵輸出石油卸貨在換向閥,沒(méi)有壓力,油壓缸不提升油缸,油缸油封閉的同時(shí),汽車靜止?fàn)顟B(tài)。
3) 下降時(shí)
換向閥3處于左端，此時(shí)實(shí)現(xiàn)貨箱下降的功能。此時(shí)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(yùn)動(dòng)。速度需要通過(guò)節(jié)流閥來(lái)控制，以保證下降平穩(wěn)。
3.4.2 油缸的性能參數(shù)計(jì)算和選型
自卸汽車所用的元件一般都為標(biāo)準(zhǔn)元件，所以只需要完成只需要計(jì)算液壓元件性能參數(shù)和選型。液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是油缸，其選型主要依靠舉升機(jī)構(gòu)的和來(lái)確定。
舉升機(jī)構(gòu)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 2348—1993規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)距離，m；
—舉升角為初始位置即時(shí)，油缸兩鉸鏈支點(diǎn)距離，m。
同理，油缸的最大行程L也需要在標(biāo)準(zhǔn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定生產(chǎn)的型號(hào)中選取此型號(hào)：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(yīng)滿足下式要求：
（2-19）
式中：t—舉升工作的時(shí)間（s），舉升機(jī)構(gòu)一般應(yīng)在15s的時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)速，r/min,取=1450r/min。
經(jīng)計(jì)算得
上述參數(shù)都確定后，就可以從標(biāo)準(zhǔn)油泵系列中選擇油泵型號(hào)，自卸汽車多采用齒輪泵，因?yàn)樗哂辛髁看蟮奶攸c(diǎn)，常用形式有CB、CG、CN等系列，根據(jù)上述計(jì)算參數(shù)，本文選取油泵型號(hào)為CB-B40。
3.5 本章小結(jié)
分析了直推式舉升機(jī)構(gòu)和連桿式舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)比較選擇了前推式連桿式舉升機(jī)構(gòu)，通過(guò)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(guò)解析法和作圖法綜合使用求解出三角臂各點(diǎn)的關(guān)系坐標(biāo)，拉桿長(zhǎng)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(shè)計(jì)舉升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)圖使它完成舉升、中停、下降的過(guò)程，確定出油缸的型號(hào)為3TG-E125×900EQ-L1，油泵的型號(hào)為油泵型號(hào)為CB-B40。
4 自卸汽車穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)部件的校核
4.1 自卸汽車穩(wěn)定性計(jì)算校核
其質(zhì)心一般高于普通卡車，因?yàn)楦避嚰艿拇嬖?，使加載部分的位置發(fā)生改變，其質(zhì)心也發(fā)生了改變，所以需要計(jì)算車輛的靜態(tài)穩(wěn)定性，來(lái)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(jì)算校核
汽車處于平衡狀態(tài)的時(shí)候，過(guò)車輛質(zhì)心的豎直線穿過(guò)車輪的接地點(diǎn)時(shí)，車輛將處于翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)就是汽車的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性。如果過(guò)車輛質(zhì)心的豎直線通過(guò)支撐點(diǎn)，那么車輛處于臨界狀態(tài)時(shí)的傾斜角為最大傾角穩(wěn)定角，若大于這個(gè)傾斜角，車輛則傾翻，若小于這個(gè)傾斜角，車輛則處于穩(wěn)定狀態(tài)。計(jì)算車輛質(zhì)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(zhì)心位置，在豎直方向，需要考慮軸載質(zhì)量的分配；在水平方向上，左右車輪的負(fù)荷應(yīng)保持平衡，最大偏差不應(yīng)超過(guò)3-4%才能確保汽車的平穩(wěn)舒適性。在高位置，重心應(yīng)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(zhì)心高度，mm;
經(jīng)過(guò)數(shù)字帶入計(jì)算公式計(jì)算得：
因此，平衡穩(wěn)定性滿足要求。
4.2 自卸汽車運(yùn)動(dòng)部件干涉的校核
當(dāng)貨箱被舉升到最大舉升角時(shí)，傾卸時(shí)貨箱欄板的最低點(diǎn)可能與水平地面發(fā)生接觸干涉，同時(shí)，貨箱被舉升的過(guò)程當(dāng)中，汽車的底板與三角臂之間可能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，還有車廂和副車架之間也會(huì)存在運(yùn)動(dòng)干涉，所以，有必要對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析及校核。
4.2.1 三角臂運(yùn)動(dòng)干涉的校核
原理圖如圖 4.1，三角形ABC為舉升機(jī)構(gòu)的三角臂，O點(diǎn)為汽車的傾翻中心，A點(diǎn)與D點(diǎn)相連形成拉桿AD，拉桿AD經(jīng)過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行貨箱的傾卸，轉(zhuǎn)到拉桿,過(guò)點(diǎn)C做與水平地面平行的直線MC，再做翻轉(zhuǎn)中心到與地面平行的水平直線MC的距離就是直線OM，以O(shè)為圓心，OM為半徑畫圓，滿足點(diǎn)B與MC不發(fā)生干涉的條件為：
圖4.1 三角臂運(yùn)動(dòng)干涉的校核
由上文計(jì)算可得A、B、C、O的坐標(biāo)，所以∠BAC 和∠OCM 都可知，因?yàn)椤螦CO和 AO成正比關(guān)系，所以當(dāng)∠ACO達(dá)到最大值時(shí)，即 AO 的長(zhǎng)度也就最長(zhǎng)，此時(shí)是最容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)部件干涉的位置。
所以，根據(jù)上述內(nèi)容，將數(shù)據(jù)帶入下列公式中計(jì)算
通過(guò)使用MATLAB軟件進(jìn)行編譯計(jì)算所得，點(diǎn)B與直線MC不發(fā)生干涉。
4.2.2 車廂與副車架運(yùn)動(dòng)干涉的校核
上文已經(jīng)定義貨箱與副車架之間存在間隙，且間距250mm，所以在舉升過(guò)程中車廂和副車架之間不會(huì)發(fā)生干涉。
4.2.3 車廂后欄板與地面運(yùn)動(dòng)干涉的校核
當(dāng)貨箱被舉升到設(shè)計(jì)極限位置時(shí)，貨箱的后欄板最低點(diǎn)與水平地面之間留有空隙，使得傾卸能夠準(zhǔn)確完成且不發(fā)生干涉。
以下是本文最終設(shè)計(jì)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(jié)
對(duì)自卸汽車平衡狀態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了水平和豎直方向的計(jì)算校核，然后對(duì)三角臂運(yùn)動(dòng)干涉的校核、車廂與副車架運(yùn)動(dòng)干涉的校核、廂后欄板與地面運(yùn)動(dòng)干涉的校核這三個(gè)面進(jìn)行了計(jì)算分析和校核皆滿足要求。
5 結(jié)論
本次設(shè)計(jì)主要完成了以下內(nèi)容：首先介紹了自卸汽車，然后對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，隨后對(duì)舉升機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行選型和計(jì)算，最后對(duì)其進(jìn)行校核，主要設(shè)計(jì)結(jié)果如下：
確定了本次設(shè)計(jì)二類底盤的型號(hào)是CA3071PK2AEA80，根據(jù)該型號(hào)確定了本次設(shè)計(jì)的外廓尺寸長(zhǎng)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(zhì)量4100kg、最大總質(zhì)量7160kg。隨后分析了直推式舉升機(jī)構(gòu)和連桿式舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)比較選擇了前推式連桿式舉升機(jī)構(gòu)，通過(guò)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(guò)解析法和作圖法綜合使用求解出三角臂各點(diǎn)的關(guān)系坐標(biāo)，拉桿長(zhǎng)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(shè)計(jì)舉升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)圖使它完成舉升、中停、下降的過(guò)程，確定出油缸的型號(hào)為3TG-E125×900EQ-L1，油泵的型號(hào)為油泵型號(hào)為CB-B40。最后對(duì)自卸汽車平衡狀態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了水平和豎直方向的計(jì)算校核和對(duì)三角臂運(yùn)動(dòng)、車廂與副車架、廂后欄板與地面運(yùn)動(dòng)這三個(gè)面進(jìn)行了計(jì)算分析和校核，結(jié)果皆滿足要求。
參 考 文 獻(xiàn)
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附錄1：外文翻譯
礦用自卸卡車的氣動(dòng)特性及頭部形狀的改善
魏Xiu-ling機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院、吉林大學(xué)、長(zhǎng)春130022年,中國(guó)航空機(jī)械工程學(xué)系,空軍航空大學(xué)130022年長(zhǎng)春,中國(guó),電子郵件:wei411036@163.com王Guo-qiang機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,吉林大學(xué),長(zhǎng)春130022年中國(guó)風(fēng)蘇里基礎(chǔ)科學(xué)部門,裝甲技術(shù)研究所,130117年長(zhǎng)春,中國(guó)
(2008年3月6日，2008年6月13日修訂)
文摘:對(duì)某礦用自卸卡車的外流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。討論了氣流結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)阻力，得到了氣流特性與氣動(dòng)阻力的關(guān)系。為了解決卡車頭部形狀的問(wèn)題，通過(guò)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(shí)間無(wú)關(guān)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(lái)封閉紊流量。結(jié)果表明，第三種方案是最好的，因?yàn)槠錃鈩?dòng)特性優(yōu)于未改進(jìn)的模型。
關(guān)鍵詞:自卸車，外流場(chǎng)，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(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向，負(fù)荷過(guò)重，外部負(fù)荷復(fù)雜。目前，設(shè)計(jì)人員對(duì)自卸車的強(qiáng)度和剛度的要求越來(lái)越重視，其部件滿足各種要求，很少考慮其氣動(dòng)特性和氣動(dòng)設(shè)計(jì)。據(jù)報(bào)道，我國(guó)大約有9000輛礦用自卸卡車[1,2]，一般負(fù)荷超過(guò)20噸，油耗和污染排放顯著增加。由于節(jié)能和對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，需要通過(guò)降低自卸卡車的空氣阻力來(lái)提高自卸車的燃油經(jīng)濟(jì)性。關(guān)于重型車輛空氣動(dòng)力學(xué)的大量信息可以在至少20世紀(jì)70年代早期的公開(kāi)文獻(xiàn)中找到。這些工程大多涉及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、道路測(cè)試和計(jì)算模擬。參考文獻(xiàn)[3-5]聯(lián)合風(fēng)洞和計(jì)算模擬，以減少卡車空氣阻力，導(dǎo)致減阻裝置的智能設(shè)計(jì)。在Ref.[6]中引入的全面測(cè)試提供了計(jì)算驗(yàn)證的詳細(xì)數(shù)據(jù)、減阻設(shè)備的指導(dǎo)和風(fēng)洞測(cè)試指南。這些已發(fā)表的作品都不包括對(duì)礦車的氣動(dòng)參數(shù)的研究或?qū)ζ錅p阻的研究。
摘要在分析礦山傾卸卡車外部流場(chǎng)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，給出了氣動(dòng)阻力的變化規(guī)律。為了解決卡車頭部形狀的氣動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬和分析，提出了改善頭部形狀的三種方案。
2.計(jì)算模型和網(wǎng)格
2.1計(jì)算模型
對(duì)一輛礦車的三維計(jì)算模型進(jìn)行了以下假設(shè)，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。空氣被認(rèn)為是不可壓縮的，所以可以計(jì)算出傾卸卡車周圍的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。自卸卡車被認(rèn)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(fēng)的影響。根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(gè)矩形?；谏鲜黾僭O(shè)，它是某一類型的采礦自卸車的1/10比例復(fù)制品，如圖1所示。它的長(zhǎng)度為765毫米(L)，高度為370毫米(H)，寬度為349毫米(W)。
圖1簡(jiǎn)化模型
2.2計(jì)算域和網(wǎng)格生成。
計(jì)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(wǎng)格圖的一部分。
為了克服復(fù)雜幾何、大計(jì)算域和大網(wǎng)格數(shù)的困難，該域被分解。在本研究中，通過(guò)在卡車周圍創(chuàng)建一個(gè)平行六面體箱，將該域分解為18個(gè)部分。包含卡車的盒子里裝滿了四面體細(xì)胞，而其他的部分則含有六面體細(xì)胞(見(jiàn)圖2)。該網(wǎng)格是由Fluent Inc.開(kāi)發(fā)的商業(yè)幾何和網(wǎng)格構(gòu)建工具GAMBIT生成的。離卡車越遠(yuǎn)的地方，網(wǎng)格就越稀疏。由于尾跡區(qū)對(duì)卡車的空氣動(dòng)力學(xué)特性有很大的影響，所以卡車后面的文章網(wǎng)格更加密集。本文所創(chuàng)建的網(wǎng)格包括四面體細(xì)胞、六面體細(xì)胞和金字塔細(xì)胞。
3.數(shù)值模擬
3.1數(shù)學(xué)模型
由于外部流場(chǎng)可以被認(rèn)為是不可壓縮流，所以利用時(shí)間平均守恒方程來(lái)計(jì)算流動(dòng)?，F(xiàn)在方程在笛卡爾坐標(biāo)系中給出。連續(xù)性方程是
（1）
動(dòng)量方程
（2）
本構(gòu)方程
（3）
動(dòng)蕩的粘度
（4）
空氣的密度ρ,u速度相對(duì)于卡車,p的平均壓力,μ空氣粘度,湍流粘度,K湍流動(dòng)能,湍流耗散率,相關(guān)系數(shù)和粘度,應(yīng)力張量,和ij年代染色率張量。
選擇RNG湍流模型，是因?yàn)樗笆褂昧艘幌盗蓄愃频膯?wèn)題(8,9)，精確到更高的應(yīng)變率和漩渦流[10-12]。時(shí)間平均湍流動(dòng)能方程。
(5)
時(shí)間平均湍流耗散率方程
(6)
這里
3.2邊界條件
u∞用作一個(gè)恒定的速度入口邊界條件在v和w強(qiáng)加于零,u,v和w x,y和z分量的速度相對(duì)于卡車。開(kāi)礦傾卸車的最大速度為52公里/小時(shí)(14.44 m/s)。湍流強(qiáng)度比和湍流耗散率是過(guò)程默認(rèn)值。出口邊界條件為零相對(duì)靜壓。移動(dòng)墻地平面(= uu∞)指定邊界條件來(lái)模擬道路條件[13]。自卸卡車頂部和兩側(cè)的計(jì)算區(qū)域足夠?qū)挘銐蚋撸梢院雎赃@些邊界的影響，因此選擇進(jìn)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(duì)對(duì)流條件采用了一階逆風(fēng)法，對(duì)彌散性特爾馬進(jìn)行了中心差分。為了評(píng)價(jià)壓力-速度耦合場(chǎng)，采用了著名的簡(jiǎn)單算法。
4結(jié)果與討論
4.1空氣動(dòng)力
空氣動(dòng)力在表1中給出。力包括壓力和粘性力。通過(guò)計(jì)算，自卸卡車的氣動(dòng)阻力系數(shù)為0.9184。實(shí)測(cè)車輛滑行試驗(yàn)測(cè)量的空氣動(dòng)力阻力系數(shù)為0.89[15]。兩個(gè)結(jié)果之間的誤差為5%，表明計(jì)算模擬結(jié)果是可信的。
表1氣動(dòng)力和阻力系數(shù)。
4.2流動(dòng)結(jié)構(gòu)
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(gè)區(qū)域，其中一個(gè)在頂部，一個(gè)在卡車的底部(見(jiàn)圖4)。通過(guò)保險(xiǎn)杠，流體從底部的運(yùn)動(dòng)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(gè)區(qū)域，在閥罩的流動(dòng)過(guò)程中。一個(gè)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(lái)。下一步是與底流合并，穿過(guò)車輪與地面之間的空隙，并沿下游路徑進(jìn)入尾流區(qū)。另一種流動(dòng)的速度在身體的上邊緣加速，在身體的前部形成一個(gè)低壓區(qū)。然后，水流繼續(xù)流向下游，形成一個(gè)巨大的漩渦，因?yàn)樯眢w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(dòng)的過(guò)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(gè)較大的正壓區(qū)域(見(jiàn)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(shí)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(jié)果?？梢钥闯?，在靠近尾部的區(qū)域，渦流非常復(fù)雜，因?yàn)榭ㄜ嚨男螤钍遣粚?duì)稱的。隨著渦旋沿著下游延伸，渦旋逐漸合并成一對(duì)渦旋與相反的方向旋轉(zhuǎn)，在遠(yuǎn)后方的強(qiáng)度變得較弱。
圖5 在不同位置時(shí)的速度矢量圖
5從卡車形狀的氣動(dòng)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(gè)方形的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致頭部的空氣動(dòng)力特性惡化，而面對(duì)風(fēng)面積較大。這些因素使車輛的頭部成為空氣阻力的主要來(lái)源。為了提高傾卸車的氣動(dòng)性能，提出了三種頭部形狀改進(jìn)方案，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬。進(jìn)行了以下研究。5.1頭型改善方案
第一個(gè)方案是改變自卸車的形狀。因?yàn)轭^部形狀基本上是一個(gè)方形的結(jié)構(gòu)，在引擎罩的邊緣，平臺(tái)和身體的頭部是圓形的。發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)機(jī)體的影響范圍非常大，因此在傾卸卡車的頭部形成了一個(gè)較大的正壓區(qū)域。為了解決這個(gè)問(wèn)題，拆分機(jī)安裝在機(jī)身前部(如圖7所示)，因?yàn)樵赗ef.[16,17]中使用了類似的設(shè)備來(lái)減少拖拉機(jī)拖車的阻力。
圖7 安裝分束器飛機(jī)后的卡車模型
第三種是將第一種與第二種相結(jié)合，通常是改善邊緣和朝向風(fēng)區(qū)。在模擬上述三種情況下，計(jì)算了該區(qū)域的初始條件和條件。邊界條件將與前一個(gè)模型相似。通過(guò)計(jì)算，我們可以得到改進(jìn)的卡車氣動(dòng)性能的數(shù)值結(jié)果。
圖8 自卸汽車在z=0時(shí)改善前后的對(duì)比圖
5.2原型與改進(jìn)卡車的對(duì)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(jìn)卡車在=0 z部分的壓力輪廓。可以看到，氣流通過(guò)引擎蓋和車身頂部平滑地流動(dòng)。在車頂和車尾的壓力輪廓變得稀疏，壓力梯度降低。在機(jī)身前部安裝了分裂機(jī)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(gè)卡車的壓力阻力。第三個(gè)場(chǎng)景集成了前兩個(gè)程序的優(yōu)點(diǎn)，使壓力減阻更顯著。5.2.2改進(jìn)后的卡車阻力系數(shù)比較，如表2所示。
表2 改進(jìn)前后氣動(dòng)阻力系數(shù)。
改進(jìn)后的卡車的氣動(dòng)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(dòng)特性比其他的要好。因此，在氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)盡量使形狀順利進(jìn)行，同時(shí)安裝額外的設(shè)備以減小頭部的壓力。
6總結(jié)
通過(guò)計(jì)算得出礦用自卸卡車的阻力系數(shù)很大。因此，有必要對(duì)礦用自卸卡車的氣動(dòng)特性進(jìn)行研究，并采取相應(yīng)的措施來(lái)減少阻力和動(dòng)力消耗。礦用自卸卡車的主要?dú)鈩?dòng)阻力來(lái)自于自卸卡車前的較大的正壓區(qū)。根據(jù)卡車頭部氣動(dòng)形狀的缺陷，提出了三種改進(jìn)卡車形狀的方案。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，第三種方法比其他方法更好，使卡車的氣動(dòng)特性大大提高。因此，在氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)盡量使形狀順利進(jìn)行，同時(shí)安裝額外的設(shè)備以減小頭部的壓力。
附錄2：外文原文
致 謝
經(jīng)過(guò)了半年的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于走到了尾聲，在這個(gè)過(guò)程中，有過(guò)心酸和汗水，也有過(guò)歡樂(lè)和笑聲，在此，我要感謝我的導(dǎo)師王邦國(guó)老師，我的論文就是在他的指導(dǎo)和幫助下完成的，王邦國(guó)老師淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、誨人不倦的敬業(yè)精神以及和藹寬容的待人作風(fēng)使我獲益頗多。一開(kāi)始教會(huì)了我如何查找文獻(xiàn)，循循善誘，一遍不行就兩遍，很有耐心，當(dāng)我計(jì)算遇到困難的時(shí)候教我學(xué)會(huì)MATLAB軟件進(jìn)行編譯計(jì)算，大大節(jié)省了我的時(shí)間和精力，當(dāng)檢查開(kāi)題報(bào)告和中期答辯的時(shí)候，對(duì)于我每個(gè)文字和數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查和分析，非常嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致，并時(shí)刻督促我趕上進(jìn)度。在此，向王老師致以最誠(chéng)摯的敬意和感謝！
我還要感謝呂杰，林倩雯