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。
1 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ABC 、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ABC 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
3.1 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f 1 及车厢支架力f 2 作用。根据平面汇交力系平衡的几何条件, 车厢支架力f 2 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f 1 和车厢支架力f 2 的合图3 以三角臂为研究对象的受力分析力平衡力。
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f 3 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f 2 的反作用力和车厢铰接力f 3 的作用, 形成一个平面汇交力系, 因此f 2、f 3 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。
3.2 以倾卸机构为受力分析研究对象的受力分析
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NJ 与车厢支架力f 2 的延长线AN 交于N 点, 连接NH , 作NH 的平行线JU , 则NU 为车厢支架力f 2 的代数值, JU 为车厢铰接力f 3 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NV 、UV 分别为拉臂拉力f 1、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 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f 3, 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f 3 的存在, 若采用力矩的方法解出f 3 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。
