周福庚

ZHOU Fu-geng

安徽江淮汽車(chē)股份有限公司 安徽合肥 230601

1 前言

目前自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)多為液壓油缸直推式結(jié)構(gòu)，其主要采用一個(gè)或兩個(gè)多節(jié)液壓缸，布置在貨箱前部或中部直接推動(dòng)貨箱實(shí)現(xiàn)傾翻。這種型式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、便于安裝維修等特點(diǎn)。

直推式液壓缸的安裝型式一般分為中鉸式及端鉸式兩種，如圖1所示。中鉸式液壓缸多用于輕型或中型自卸車(chē)，布置在貨箱中部，為多節(jié)單作用的液壓缸，其優(yōu)點(diǎn)是占車(chē)架上部的空間小；端鉸式液壓缸一般用于重型自卸車(chē)，布置在貨箱前部，通常稱(chēng)之為前頂式，其特點(diǎn)是產(chǎn)生的推力矩大。

為了保證自卸車(chē)在舉升貨物時(shí)，其液壓系統(tǒng)在額定的工作壓力下，能產(chǎn)生最大的推力矩，液壓缸的安裝位置十分重要。本文以某中置液壓缸直推式輕型自卸車(chē)為例，討論自卸車(chē)傾缷機(jī)構(gòu)中液壓缸初始安裝位置的確定。

2 中置液壓缸直推式自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)

某直推式輕型自卸車(chē)液壓缸中置的舉升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，主要有多節(jié)液壓缸、液壓缸上支承座、液壓缸下支承座、貨箱翻轉(zhuǎn)軸、貨箱翻轉(zhuǎn)軸支架等件組成，其中液壓缸為三節(jié)單作用缸。圖中A點(diǎn)為液壓缸下支承座回轉(zhuǎn)中心，B點(diǎn)為液壓缸上支承座回轉(zhuǎn)中心，O點(diǎn)為貨箱繞翻轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心，可以看出該機(jī)構(gòu)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)副、三個(gè)圓柱副構(gòu)成的一個(gè)平面六桿機(jī)構(gòu)。由液壓傳動(dòng)原理知，當(dāng)液壓油進(jìn)入工作缸時(shí)，因首節(jié)缸的活塞直徑最大，最先伸長(zhǎng)，其次是第二節(jié)缸伸長(zhǎng)，最后是第三節(jié)缸伸長(zhǎng)，從而推動(dòng)貨箱翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)貨物舉升。貨箱的最大翻轉(zhuǎn)角度只與液壓缸的最大伸長(zhǎng)量及安裝位置等有直接的關(guān)系，故該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置空間較小，比較適用于中、輕型自卸車(chē)。

3 液壓缸安裝位置的確定

3.1 液壓缸的最大工作力臂原理及公式推導(dǎo)

自卸車(chē)在工作中，貨箱在初始位置要實(shí)現(xiàn)傾翻，液壓缸必須要克服貨箱滿載時(shí)的重力矩和貨箱翻轉(zhuǎn)時(shí)各運(yùn)動(dòng)副間的摩擦阻力矩等。因此，液壓缸在初始位置時(shí)，額定的工作壓力下，其工作力臂越大則產(chǎn)生的推力矩越大。那么在初始位置時(shí)液壓缸怎樣布置才具有最大的工作力臂呢？筆者在文獻(xiàn)[6]中對(duì)液壓缸安裝位置的確定作了詳細(xì)的證明。為了便于理解，本文再作簡(jiǎn)要的論述。

圖2、3為直推式自卸車(chē)的三節(jié)液壓缸舉升系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，為了說(shuō)明問(wèn)題方面，在圖2、3中將舉升系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)至OA，處于水平位置。

設(shè)液壓缸初始安裝角為α，液壓缸初始狀態(tài)時(shí)的工作力臂長(zhǎng)為h，貨箱翻轉(zhuǎn)的最大角度為θ，取OA=a，OB=b，液壓缸的初始安裝長(zhǎng)度AB=L0，液壓缸伸長(zhǎng)到最大長(zhǎng)度時(shí)AB′=L1，根據(jù)提供的已知條件，求液壓缸初始安裝位置時(shí)的最大工作力臂hmax。

對(duì)上式求導(dǎo)得：

由上式知，函數(shù) h為 單調(diào)增函數(shù)，即當(dāng)a有最大值時(shí)， h也有最大值。

一般地：當(dāng)0＜(α-φο)＜90°，(α-φο)為最大時(shí)， cos( α-φο)有最小值為2M。

即在如圖3的直推式舉升系統(tǒng)中，當(dāng)a=b時(shí)，液壓缸存在最大的初始安裝角αmax。

即當(dāng)OA=OB，即液壓缸在初始位置時(shí)，最大工作力臂為：

根據(jù)上述推導(dǎo)，可以得出結(jié)論：對(duì)于直推式自卸車(chē)，以液壓缸的初始安裝長(zhǎng)度為底邊，貨箱翻轉(zhuǎn)軸為頂點(diǎn)，所組成等腰三角形的舉升機(jī)構(gòu)，在貨箱初始狀態(tài)時(shí)，液壓缸具有最大的工作力臂。這稱(chēng)為力臂最大原理。由此可知，這并非通常所認(rèn)為的液壓缸安裝中心線AB與OB連線垂直時(shí)，其工作力臂最大。通過(guò)推導(dǎo)的公式可知，只要確定液壓缸初始安裝長(zhǎng)度、液壓缸最大長(zhǎng)度及貨箱翻轉(zhuǎn)的最大角度三個(gè)參數(shù)，就能找到直推式自卸車(chē)的液壓缸最優(yōu)安裝位置，則其舉升機(jī)構(gòu)就可以確定下來(lái)，同時(shí)可以求出液壓缸的最大工作力臂，且是唯一的。

3.2 直推式自卸車(chē)的舉升機(jī)構(gòu)液壓缸安裝位置確定

直推式自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使液壓缸在初始位置時(shí)有最大推力矩，液壓缸的上、下支承座位置的確定是關(guān)鍵。貨箱翻轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)的位置主要根據(jù)總體布置和軸距等確定，液壓缸的上支承座位置一般布置在貨箱地板下面，并盡量靠近地板。液壓缸最大工作長(zhǎng)度在貨箱與車(chē)架底盤(pán)空間允許的情況下盡可能長(zhǎng)些，以保證液壓缸的上支承座位置在貨箱滿載時(shí)質(zhì)心位置的附近，參見(jiàn)圖1。

在確定了液壓缸初始安裝長(zhǎng)度L0，液壓缸伸長(zhǎng)到最大總長(zhǎng)度L1，液壓缸上支承座的高度位置，貨箱翻轉(zhuǎn)的最大角為θ后，根據(jù)前面推導(dǎo)的相關(guān)公式，就能夠確定液壓缸的上、下支承座A、B的安裝位置。液壓缸的上下支承座安裝位置可以用兩種方法求得，即坐標(biāo)法和作圖法。

3.2.1 坐標(biāo)法

以貨箱翻轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以通過(guò)O點(diǎn)的水平線為X軸，以與其垂直的直線為Y軸，建立如圖4所示的直角坐標(biāo)系。

假設(shè)液壓缸的上支承座B點(diǎn)高度距X軸為H，由 (10)式可知

3.2.2 作圖法

因此，在直推式自卸車(chē)的舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用力臂最大原理及相關(guān)公式，可以很方便地將液壓缸的初始安裝位置確定下來(lái)，同時(shí)也確定了自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)的尺寸。

3.3 液壓缸所產(chǎn)生的推力

根據(jù)前面分析，當(dāng)液壓缸安裝位置確定后，在初始狀態(tài)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)貨箱正常傾翻，可求出液壓缸需要產(chǎn)生的推力，不考慮貨箱翻轉(zhuǎn)軸及液壓缸上下支座等摩擦阻力，根據(jù)圖2及公式(11)，則有：

液壓缸產(chǎn)生的推力為：

4 實(shí)例分析

某輕型自卸車(chē)為中置直推式舉升機(jī)構(gòu)，使用三節(jié)單作用液壓缸，參見(jiàn)圖2。其軸距為2900 mm，貨箱翻轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)距后輪中心線為675 mm，距車(chē)架上平面80 mm，滿載時(shí)質(zhì)心距后輪中心線為518 mm，貨箱的最大翻轉(zhuǎn)角50°，滿載時(shí)貨箱與貨物的總質(zhì)量G=5500 kg。

選擇的三節(jié)液壓缸其第一節(jié)液壓缸缸徑為150 mm，每節(jié)液壓缸工作行程為300 mm。液壓缸的初始安裝長(zhǎng)度L0=280 mm ，伸長(zhǎng)到最大位置時(shí)的總長(zhǎng)度L1=1100 mm 。

根據(jù)圖4，取貨箱翻轉(zhuǎn)軸O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖6所示的直角坐標(biāo)系。只要求出液壓缸的上、下支承座A、B的坐標(biāo)位置，就能確定液壓缸的最大工作力臂及所產(chǎn)生的推力矩。由于貨箱底部空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系，B點(diǎn)距車(chē)架上平面高為260 mm，則H=180 mm。

根據(jù)(6)、(7)、(8)三式得：

由(10)式得：

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則

可見(jiàn)，液壓缸的上支承座B點(diǎn)坐標(biāo)位置為（1068.3，180）。

則液壓缸的下支承座A坐標(biāo)為（1078.8，－99.8）。

至此，理論上確定了該直推式輕型自卸車(chē)中置液壓缸的安裝位置。

根據(jù)前面的公式(11)，則液壓缸在初始工作狀態(tài)時(shí)其最大工作力臂為：

在自卸車(chē)舉升的初始階段，由于各鉸支點(diǎn)靜摩擦力較大，為避免液壓系統(tǒng)在起始舉升時(shí)沖擊力過(guò)大。依據(jù)文獻(xiàn)[1]，要求第一節(jié)油缸伸出時(shí)，其產(chǎn)生的舉升力矩與重力矩之比的系數(shù)取3～4。

如果不考慮各運(yùn)動(dòng)副的摩擦阻力，則在初始位置時(shí)液壓缸所產(chǎn)生的推力為：

下面求液壓缸在額定的工作壓力下，所能產(chǎn)生的推力，取液壓系統(tǒng)的效率η0=0.85，液壓系統(tǒng)的額定工作壓力p=16 MPa，舉升

機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)效率為η1=0.85，液壓缸的首節(jié)缸徑為150 mm。

則第一節(jié)油缸伸出時(shí)其產(chǎn)生的舉升力矩與重力矩之比為：

可見(jiàn)按力臂最大原理及公式求得的系數(shù)n滿足文獻(xiàn)[1]的要求。

在原先的直推式自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，液壓缸的下支承座A點(diǎn)坐標(biāo)確定為（1045，-70.5）；液壓缸的上支承座B點(diǎn)坐標(biāo)確定為（1170，180）。貨箱翻轉(zhuǎn)軸位置、液壓缸工作行程、貨箱的最大翻轉(zhuǎn)角等均相同，則算出液壓缸在初始位置時(shí)，其工作力臂h=935.2 mm，可求出n=2.9，不滿足文獻(xiàn)[1]的要求。

同樣可以算出第二、三節(jié)油缸伸出時(shí)其產(chǎn)生的舉升力矩與重力矩之比的系數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)前面的論述和實(shí)例分析，對(duì)于直推式舉升機(jī)構(gòu)的自卸車(chē)，可總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

a. 直推式自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)主要采用單作用、多節(jié)液壓缸直接推動(dòng)貨箱實(shí)現(xiàn)其傾翻，這種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、便于維修等特點(diǎn)。但由于多節(jié)液壓缸，因每一節(jié)缸的缸徑不同，當(dāng)液壓油以一定的油壓從某一缸進(jìn)入另一缸時(shí)，液壓缸活塞的直徑產(chǎn)生突變，則液壓缸活塞伸長(zhǎng)的速度、液壓缸的擺動(dòng)角速度、擺動(dòng)角加速度將隨之發(fā)生突變。同樣，由于液壓缸活塞伸長(zhǎng)的速度發(fā)生突變，則貨箱的傾翻運(yùn)動(dòng)角速度、角加速度也隨之發(fā)生突變，這會(huì)導(dǎo)致貨箱在被舉升時(shí)發(fā)生抖動(dòng)，液壓系統(tǒng)的油壓產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象。貨箱在回落時(shí)主要依靠貨箱的自重回位，末節(jié)缸因缸徑小則貨箱回落快，但到初節(jié)缸時(shí)因缸徑較大，貨箱回落緩慢，整個(gè)回落過(guò)程中貨箱有抖動(dòng)現(xiàn)象。這是單作用多節(jié)液壓缸直推式舉升機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)。

b. 本文推導(dǎo)出的液壓缸最大工作力臂的原理及有關(guān)公式，是直推式自卸車(chē)液壓缸布置的最優(yōu)方案，因此不僅對(duì)直推式自卸車(chē)舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，同樣對(duì)類(lèi)似于該機(jī)構(gòu)如液壓缸前置直頂式自卸車(chē)的舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等也有一定的參考價(jià)值。

c. 本文舉例為單缸，其缺點(diǎn)是舉升過(guò)程中整個(gè)機(jī)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性差，可采用雙舉升液壓缸，確保舉升機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，這樣液壓缸的缸徑可選小一些。但在生產(chǎn)過(guò)程中要考慮到液壓缸上支承座、下支承座的同軸度和雙缸工作時(shí)的同步等問(wèn)題。

d. 直接式舉升機(jī)構(gòu)各機(jī)構(gòu)的受力分析比較簡(jiǎn)單，便于機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

本文雖以某輕型自卸車(chē)為例進(jìn)行討論，其直推式舉升機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此具有廣泛的適用性，同樣適用于中型、重型等自卸車(chē)。

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