载重汽车液压挡土装置传动机构优化.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 3 9卷 第 8期 机床 与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 l Vo 1 ． 3 9 NO ． 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 8 ． 0 2 2 载重汽车液 压挡土装置传动机构优化 杨保成，刘春兰，苟建峰 四川工程职业技术 学院，四川德 阳 6 1 8 0 0 0 摘要对重型自卸车车厢顶盖液压启闭装置的扇形轮驱动机构、链条驱动机构、液压杠杆通过法兰盘连接齿条驱动机 构 、车厢顶盖单侧反转机构 和液压缸体上安装齿条驱动 机构的工作原理 和性能进 行 比较分 析 。结果 表 明不 论是在 空间安 排上还是在稳定性上，液压缸体上安装齿条驱动机构都具有前几种系统不能比拟的优势，值得推广。 关键词 重型 自卸汽车 ；液压 系统 ；驱动机构 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 8～ 0 8 5 4 Op t i mi z a t i o n o f Dr i v i ng M e c ha n i s m f o r He a v y Tr u c k s Hy dr a ul i c Re t a i ni ng S t r uc t ur e YANG Ba o c h e n g．L I U C h u n l a n，GOU J i a n f e n g S i c h u a n E n g i n e e r i n g T e c h n i c a l C o l l e g e ，D e y a n g S i c h u a n 6 1 8 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A c o mpa r i s o n a b o ut wo r ki ng p r i nc i pl e a nd f u nc t i o n we r e ma d e a mo n g s e c t o r wh e e l d r i v i ng me c h an i s m ， c ha i n d r i v i n g me c ha n i s m ，hy dr a u l i c l e v e r l i nk i n g up wi t h r a c k b y f l a n g e p l a t e d r i v i ng me c h a ni s m ， c o v e r o n e s i de r ev e r s a l me c ha ni s m an d f i x i n g r a c k on h y d r a u l i c c y l i nd e r d riv i n g me c ha n i s m o f h e a v y du mp t r u c k c o v e r hy d r a u l i c ho i s t e r ． Th e r e s u l t s s ho w t h e l a s t o n e ha s i nc o mpa r a b l e a dv a n t a g e s t ha n t h e o t he r o n e s i n s pa ce a r r a ng e me n t a n d s t a b i l i t y ． Ke y wo r dsHe a v y du mp t ruc k； Hy d r a u l i c s y s t e m； Dr i v i n g me c ha n i s m 重型 自卸汽车顶 盖启 闭 中液 压系 统设计 的好 坏 ， 将 直接影响其性能和生产效率 。重型 自卸 车车厢顶盖 启闭系统包括液压系统和驱动机构 ，重型 自卸车车厢 顶盖启闭系统原理比较简单，但其中有许多具体问题 需要认 真去研究 。目前各地广泛应用 的重 型 自卸车车 厢顶盖启 闭系统 ，基本 上采 用 的是传 统 的经 验性 设 计 ，整体性 能很难 达到最优 。 为解决上述 问题 ，作者 提出来一种新方案 ，比其 他几种传动机构显得优 越。 1 典型载重汽车液压挡土装置传动机构分析 1 ． 1 液 压杠 杆通 过 法 兰盘 连接 齿 条驱 动机 构 该车厢上部加一对左右对称 的顶 盖 ，主动臂的一 端与顶盖 中部铰接 ，另一端与齿轮轴 过盈 配合 ；随动 臂一端与顶 盖外 侧 铰接 ，另 一端 与 车厢 边板 外 侧 铰 接。液压缸 杆与齿条通过法兰盘连接 ，液压缸杆 收缩 带动齿条 以驱 动齿轮轴转动 。主动臂在驱动机构 的作 用下 ，可 以做 2 7 0 。 范 围 内 的旋 转 ，从 而 带 动 顶 盖 、 随动臂绕车厢侧板边板作 铰链 四杆机构运动 ，实现 车 厢顶盖 的关闭 和开启 。重 型汽车车厢顶盖完全打开 以 后紧紧折叠在重型卡车车厢的两侧 ，不影响视野，也 不影响装 载 和卸载 作业 ，即时 两边 有 车辆 和行 人 通 过 ，也不会有丝毫 的不方 便 ；反 之 ，顶 盖关 闭 以后 ， 随动臂紧贴车厢侧板 ，将卡车 车厢 关 闭得严严 实 实 ， 绝对不可能有所载货 物下坠的可能性 ，当然 ，也起到 了防冒装和超载的作用 ，对改善城市环境、增加行人 和车辆的安全有着不可低估的价值。 此方 案 中，液压缸杆 除了受 到水平 方 向的推拉力 外 ，还要 受到齿轮对其在铅直方 向的力 ，因而难免会 产生齿条连 同液压缸杆 的震动 ，对液压驱 动精 度有很 大 的影 响。 1 ． 2链 条驱 动机 构 此装置 与液 压杠杆通过法兰盘连接齿条驱 动机构 不同之处在 于 将传动机 构 中的两个齿轮改装成两个 等公称直径 的双层链 轮进 行驱动 ，链轮 的里层轮通过 链条相互连接 ，双层链轮外侧分别与两液压缸杆通过 链 条衔接 ，油缸带动齿轮旋转 ，从 而实现车厢顶盖的 启 闭。 此方案存在 的问题是 t 链轮 尤其 是 双层链 轮 的加工 并 非一件 容易的事情，从经济性原则上讲，此方案不可取； 2 链传 动对 于 安装 精度 要 求很 高 ，工 作 的过 程 中时有振 动和冲击 、瞬时速度不均匀等现象 ； 3 对整 体机 构 而言 ，由于 两轮 之 间通 过链 条 来 传递力 ，固然 能 够实 现两 侧 车厢 顶 盖严 格 同步 启 闭 ，但是如果有一侧车厢顶 盖被所载物料撑住 ，则会 出现另外一侧在相 同位置不 能调整 ，或者如果 司机不 收稿 日期 2 0 1 0 0 31 9 作者简介 杨保 成 1 9 8 2 ～ ，男 ，在读 硕 士研 究 生 ，研究 方 向为 数控 技术 。 电话 1 3 6 5 8 1 0 5 2 7 8 ，E m a i l y b c s c e t c 21 c n ．e o m。 8 6 机床与液压 第 3 9卷 能及 时发 现这一 现象 而不停 止油泵供 油 ，必 将导致 短 时 间内温度急剧上升造成液压 系统崩 溃 ，或者在较 大 驱 动力 的作用下传 动系统瘫痪 。 1 ． 3扇形轮 驱 动机 构 如 图 1 ，在这 个 方 案 中，首 先 在 主 驱 动 轴 上 安 装 一 个 半 径 为 3 0 mm 的 小 齿 轮 ，与 之 啮 合 的 是一个半径为9 0 m m 的扇 形 轮 ，其 角 度 图 1 扇形轮驱动机构 为 9 O 。 ，扇 形轮的 中心轴 B焊接在 车厢板 上 ，液 压缸 杆与其右端 的驱 动臂 A连接 ，在液 压 系统 的驱 动之 下液压缸杆伸缩 ，从而带动扇形轮 的转动 。由于小齿 轮与扇形轮的传动比为 3 ，所以当扇形轮转过 9 0 。 的 时候 ，小齿轮 旋转 2 7 0 。 ，其 实是 利用 杠杆 原 理 实现 重型汽车车厢顶盖 的启 闭。 在此方案当中，如果扇形轮的驱动臂比其分度圆 半径短 ，则液压缸杆伸缩较小 的量 ，就可完成车厢顶 盖 的启闭 ，但是 由于系统的流量一定 ，则对应液压缸 的负载势必要增加 ；反之 ，如果扇形轮的驱动臂 比其 分度 圆半径长 ，对应液 压缸 的负载 当然会 减小很 多 ， 但液压缸杆伸缩量要增加很多，才能完成车厢顶盖的 启闭 ，给驱动盒的安装带来困难 。 为了处理好这两者之间的矛盾 ，不妨取扇形轮的 驱动臂长度和其半径等长 ，保证液压缸杆的伸缩量刚 好是车厢顶盖 开启 或者 闭合 过程 中小 齿轮 转 过 2 7 0 。 对应的圆弧长度 。由于液压缸杆方向朝下 ，则 液压缸 杆在竖直方向上伸出的时候扇形顺时针旋转，带动小 轮逆时针旋转，对应着车厢顶盖打开；当液压传动系 统带动液压缸杆收缩的时候 ，扇形轮逆时针旋转，带 动小齿轮顺 时针旋转 ，则车厢顶盖关闭。 但 是 ，此 方案存 在的问题是 1 液 压缸 杆 相 对 直 径 较 小 ，在传 动 的 过程 ， 由于齿轮传动本身容易发生振动 ，导致其 不可避免地 在垂直平面内扰动，对传动精度有一定的影响； 2 由于扇形轮的中心轴焊接在车厢前板 上， 在驱动的过程 中其轴 的磨损 较大 ，且 与车厢板 焊接处 的剪切力较大 ，容易发生故障； 3 液压缸杆带动扇形轮转动的过程中，受左 右方向的正压力 ，使缸与杆摩擦力较大 ，给系统带来 较大的能量损失 ，同时也缩短了液压缸的使用寿命。 1 ． 4车厢顶盖单侧反转机构 如 图 2 ，这种机构 的特点是 在车厢 上部加一 整块 顶盖 ，主动臂 的一端与顶盖侧板铰接 ，另一端与液压 缸杆连接 ，随动臂一端与顶盖 I- N铰接 ，另一端与车 厢 边 板 外 侧 铰 接 。液 压 缸 杆 的收 缩 ，带 动 主动 臂 做 1 2 0 。 范 围 内 的 旋 转 ，从 而 带 动 顶 盖 、随动 臂 绕 车 厢 侧 板边 板 作 铰链 四杆 机 构 运 动 ，从 而 实 现 了 车厢 顶 盖 的 关 闭 和 开 图2 车厢顶盖单侧反转机构 启 。重型汽车车厢顶盖完全打开以后前移到驾驶室正 上方，不影响视野和装 、卸作业，同时，装载的过程 中不会有重物落到驾驶室上的安全隐患；顶盖关闭以 后 ，正好 与矩形 车厢严 格配合 ，不可能有所 载货物下 坠的可能性，起到了防冒装和超载的作用，对改善城 市环境有着极高 的价值 。 在此方案中 ，由于整个车厢顶盖为一整体 ，故 此 方 案的不足在于 1 如 果增 加车 厢顶 盖 的厚度 ，则 车厢顶 盖 过 重 ，很容 易使整 车在 车厢顶盖 闭合的时候 产生干涉 ； 2 假 如减小 车 厢顶 盖 的厚度 ，则在 运 动的 过 程中容易发生变形，使其与车厢之间不能很好地吻 合 ，则达不到预期的目的； 3 如 图 2 ，主 动臂 的形 状相 当 特别 ，拐 角较 多 ，容易产生力学变形 。 1 ． 5 液压缸体上安装齿条驱动机构 如图3 ，此方案中，其传动装置改为在液压缸一 侧安装齿条 ，另外一侧安装滚轮支架 ，通过液压油驱 动液压缸在竖直方 向移 动 ，带 动齿轮 的旋转 ，齿轮轴 通过安装在车厢板上面的轴承进行定位和支撑 ，齿轮 轴就是车厢顶盖的驱动轴 ，从而直接带动车厢顶盖 自 如地开启 和闭合 。 图 3 缸体上安装齿条驱动机构 这样看上去美观 ，而且在路上行驶 的过程 中不至 于因为液压驱动盒超出车厢整体宽度而带来不必要的 麻烦 。 此方案 中，液压缸杆通过螺栓拧死在液压缸悬架 上，齿轮齿条传动本身比较平稳，加上液压缸直径比 齿条的宽度大许多，安装上去以后传动平稳，不会使 缸杆摆动而在缸与杆之间产生过大的摩擦。缸体另一 第 8期 杨保成 等 载 重汽车液压挡土装 置传 动机构优化 8 7 侧安装 了带有滚动体的支架 ，这样液压缸上 下运 动产 生的摩擦 很小。当然能量消耗也减少 了。此外 ，齿轮 齿条加 工也 比较容易。从经济 、节能和耐用等方 面综 合考 虑 ，显得 比较合理 。 2 典型载重汽车液压挡土装置液压 系统分析 2 ． 1 系统 一 如 图 4 ，直流电动机带动液压 泵产生 的高压 油经 单 向阀流进三位 四通 电液换 向阀 ，然后经过分流 一 集 流阀将液压 油均 等地 分配 ，流进液压缸大腔 ，推动液 压缸杆伸 出 ，传动齿轮逆 时针旋转 ，从 而驱动齿轮轴 带动车厢顶盖 同步旋转 ，达 到开启 的 目的。在液压缸 小腔进油 的时候 ，同样 由直 流电动机带动液压泵产生 的高压油 经过 单 向 阀、三位 四通 电磁换 向阀流 入 小 腔 ，推动液压缸杆缩 回 ，带动齿轮顺 时针 旋转 ，此过 程对应着卡车车厢顶盖关 闭。因为考虑 到油 中含有杂 质等，所以在油泵的下端使用了过滤器。当油泵中流 出的油压力超过系统 的额定压力时 ，溢流 阀 1 会 自动 发挥作用 ，以确保系统的安全 。单 向阀则确保油 不至 于回流 。分流 一集流阀安装在进油路上 ，能够起 到确 保大腔进油的时候两个液压缸进油量相等 ，从而 实现 同步工作 ；但是分 流 一集 流 阀只能均 等地 分 配流量 ， 但是 不能限制流速 ，所 以不能解决车厢顶盖开启 的过 程 中由于载荷 影响使其快 速下 落而造 成意 外 的问题 。 于是在 车厢顶盖 开启 时的回油路上安装平衡 阀。调整 平衡阀的开启压力，使其稍微大于载重汽车车厢顶 盖 ，主、从动臂等的自重作用在液压缸上面的力，避 免 了车厢顶盖在 开启 的过程 中，当主 、从 动臂到达水 平位置时 ，由于 自重 快速下 滑而 液压 系统无 法控 制 ， 给车厢两侧通行 的人 车等造成 的危 险。 图 4 分流 一集流阀将液压油均等分配 此方 案 中，在车厢顶盖关 闭的过程 中，由于不再 考虑 由于负载而影响液压控制这个 问题 ，所以就不再 需要在其回油路上加平衡阀等。 当系统压力达到额定压力时 ，溢 流阀 l 会 自动卸 压 ；当平衡 阀失灵 打不开的时候 ，溢流 阀 2会 自动卸 压 ，可 以避免 液压缸小腔增压发生事故 。 2 ． 2 系统二 如 图 5 ，此系统的原理 与上 面系统完 全相 同 ，其 区别在于 在大 腔进 油的时候 ，将 回油路上 的溢 流阀 省掉 。因为平衡 阀在正 常的工作状态下失灵 的概率很 小 ，其 流量大小完全可 以调节 ，减少一 一 个平衡 阀，将 在很大程度上 降低 了系统的成本 。 图 5 大腔进 油时 回油路上省掉溢 流阀 2 ． 3 系统 三 液压传动 的设计 ，除了应 该符合其主机在动作循 环和动 、静态性能方面所提 出的要求 以外 ，还必须满 足结 构简单 、使 用 维 护 方 便 、工 作 安 全 可 靠 、性 能 好、成本低 、效率高、寿命长等条件。 如 图 6 ，在上 面两种方 案 中，将 大腔进 油时车 厢 顶盖开 启改变为车厢关 闭 ，小腔进油 时液压油 回路上 的平衡 阀换成 了单 向节流 阀。众所周知 ，在 同样 的系 统流量下 ，大 腔进 油压力要大得多 ，这样液压 系统 能 量得到 了很好 的利用 。同时单 向节流 阀同样 能调节 液 压系统 中液压油 的流速 ，起到平衡作用 。只要在 系统 工作之前调节调速阀的流量，使其工作压力稍微大于 载重汽车车厢顶盖 ，主 、从 动臂等的 自重作用在液压 缸上面 的力 ，就可 以避免 车厢 顶盖 在开启 的过 程 中， 当主 、从动臂到达水平位 置时 ，由于 自重快速下滑而 液压系统无法控制 ，给车厢两侧通行的人车等造成的 危险 。 8 8 机床与液压 第 3 9卷 图6 单向节流阀替代平衡阀 此方案 中 ，所用 的单 向节流阀价格 相当便 宜 ，而 且很容易购买 ，而平衡 阀的价格相 当高 ，这样改装不 仅可以满足设计要求 ，而且能够节约成本。 3结论 以上几种传动机构装置和液压系统的比较表明 在要求两车厢顶盖 同步工作 的前提之下 ，液压缸上面 安装 齿条 比在液压缸杆上安装容易得多 ，液压缸竖着 放置 ，解决 了行程 过大 、在车厢正前方安装 不便的困 难 ，液压缸 另外 一侧则 安装 了带有滚轮 的支架 ，这样 可以减小摩擦。液压缸杆由支架固定在车厢正前方。 通过 比较 ，可 以发现对于载重汽车液压挡 土装置 而言 ，机构方 面选择重 型汽车液压挡土装置液压缸缸 体安装齿条机构 ；液压传动方面采用直流电动机带动 液压泵产生的高压油经过单向阀流进三位四通电液换 向阀，然后经过分流 一集流阀将液压油均等地分配， 流进液压缸大腔驱动液压缸下移 ，通过其上 的齿条带 动传动齿轮顺时针旋转 ，从而驱动齿轮轴带动车厢顶 盖 同步旋转 ，达到关闭的 目的 。在液压缸小腔进油的 时候同样 由直流 电动机带动液压泵产生的高压油经过 单向阀、三位 四通电磁换向阀流入小腔，推动液压缸 上移，带动齿轮顺时针旋转，回油路上通过单向节流 阀进行 限速 ，此过程对应着 卡车车厢顶盖 打开。这种 方案最为理想 。 对 于重 型卡车的车厢顶 盖启 闭系统来 说 ，重要 的 是达到能够使其开启和闭合这一结果 ，对过程的同步 与否没有多大 的意义 ，如 图 6分流 一集流 阀完全可 以 不要 ，这种方案更经济性 。 参考文献 【 1 】袁子荣． 液气压传动与控制 [ M] ． 重庆 重庆大学出版 社 ． 2 0 0 2 ． 【 2 】朱经昌， 魏宸官， 郑慕桥． 车辆液力传动[ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． 【 3 】王宝和． 流体传动与控制[ M] ． 长沙 国防科技大学出版 社 ， 1 9 9 8 ． 【 4 】 刘惟信． 机械可靠性设计 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 5 ． 【 5 】 龙振宇． 机械设计[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 1 ． 【 6 】刘新德． 袖珍液压气动手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 9 5 ． 【 7 】 液压与气动． 1 9 9 8 2 0 0 1 ． 【 8 】 成大仙． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 1 99 0． 【 9 】雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 】 9 9 0． 上接第 8 4页 的扩展性 ，可以方便地控制如实验台中用到的比例信 号之类的模拟量 。图 3为插装式液压与气动综合教学 实验 台控制 系统 P L C控 制原 理 图。输 入 点用 来接 收 各按钮 、行程开关 、压力继 电器等 的控制信号 ；输 出 点直接控制电磁阀，并带有发光管指示。其输入时每 两个输入为一组 即 “ X 0 ，X l ” ，“ 2， 3 ” ， “ x 4 ， X 5 ， ” ，“ X 6 ，X 7 ” 四组 ，分别对应 输 出 “ Y 2 ，Y 3 ” ， “ Y 4 ，Y 5 ” ，“ Y 6 ，Y 7 ” ，“ Y 1 0 ，Y 1 1 ”等 ，且每组 的 两 个输 出互 锁 。通 过 转 换 开关 设 置 P L C运 行 方式 ， “ 运行”为输入端直接控制。F X1 N - 3 2 MR在功能上能 满足插装式液压与气动综合教学实验台的控制需要 ， 机器的容量也较为适合 ，在满足实验台的输入与输出 控制信号需求之外，还可留一定 I ／ O通道作为液压泵 电动机控制用途及照明电路和储备用途。 3结 论 该实验台研制成功后，供实践教学使用，教师和 学生一致反映良好 。实验 中，学生自己动手组装各种 液压 与气动 回路 ，使学生初 步具 备了液压与气 压系统 的调试 、分 析能力 。实验 台提供 的继电器控制 方式 和 P L C控制方式，使学生在掌握传统的继电器控制之 外 ，还学习 P L C编程控制 ，具备 P L C控制与计算机 通讯 以及在线调试 等实验 能力 。其综合 了气液技术和 电气 P L C控制技术 ，适用电工、机电一体化等专业 实训考核 。 参考文献 【 1 】姚春江， 陈小虎， 毋文峰 ， 等． 多功能液压实验 台设计 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 9 3 l 7一l 8 ． 【 2 】 邓克． 多功能综合液压实验台的研制[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 4 5 7 5 8 ．