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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
第1章 緒 論
1.1選題背景、研究目的及意義
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高?，F(xiàn)在人們對隨車起重運輸車的需求量越來越大，隨車吊將成為一種重要的運輸工具。隨車吊在交通運輸中發(fā)揮了非常重要和不可替代的作用。隨車起重運輸車具有運輸效率高、可實現(xiàn)裝卸機械化、運輸成本低、安全、環(huán)保等特點。伸縮臂式隨車起重運輸車近年來國內(nèi)市場需求量越來越大，市場前景十分廣闊。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，隨車吊呈現(xiàn)出重型化、智能化、高檔化，多極化發(fā)展的趨勢。
隨車起重運輸車是指裝有隨車起重機，能實現(xiàn)貨物自行裝卸和運輸?shù)膶Ｓ闷?。它既有普通載貨汽車的運輸功能，有具有起重機的起吊裝卸功能；除能完成本車貨物的裝卸之外，還能完成車與車之間的貨物裝卸。因此，使用隨車起重運輸車，可以大大提高運輸效率，降低搬運成本，減輕勞動強度，保障作業(yè)安全，故近年來得到較大發(fā)展。它是以汽車本身的動力源來驅動車廂欄板或附加欄板進行升降的欄板起重運輸車；在載貨汽車或其二類底盤上加設舉升裝置，能迅速把作業(yè)人員和器材運送到作業(yè)現(xiàn)場，并舉升到空中的高空作業(yè)車。
通過對隨車起重運輸車的研究和學習，熟練的掌握了隨車起重運輸車的相關知識。培養(yǎng)了本人的綜合分析和解決問題的能力和獨立工作能力，是學習深化、拓寬、綜合運用所學知識的重要過程是學生學習、研究與實踐成果的全面總結；是綜合素質(zhì)與工程實踐能力培養(yǎng)效果的全面檢驗；是實現(xiàn)從學校學習到崗位工作的過渡環(huán)節(jié)；是畢業(yè)及學位資格認定的重要依據(jù)；是衡量高等教育質(zhì)量和辦學效益的重要評價內(nèi)容[1]。
1.2隨車起重運輸車的發(fā)展方向與前景
我國隨車起重機的生產(chǎn)起步較晚，到70年代末，全國生產(chǎn)的隨車起重機產(chǎn)品品種還很單一，生產(chǎn)規(guī)模很小，到 80年代，隨車起重機產(chǎn)品的品種及產(chǎn)量均呈增長趨勢，近幾年來，隨車起重機在國內(nèi)市場的產(chǎn)銷總量增長勢頭更猛，從行業(yè)統(tǒng)計結果可以看出，1999年市場總量為1000臺左右，2000年市場總量約為1300臺，2001年市場總量約為 1700臺，目前的市場總量約為 2000臺。 全國生產(chǎn)隨車起重機的廠家約有 10多家，主要企業(yè)有徐州隨車起重機公司、石家莊煤礦機械廠、山西長治清華機械廠、武漢汽車起重機廠、湖南專用汽車制造廠等。另外，近年泰安東岳重工機械有限公司（原泰安起重機廠）與日本古河UNIC機械金屬株式會社合資成立了泰安古河機械有限公司；常林股份有限公司與奧地利的PLAFINGER公司也將開始合作生產(chǎn)隨車起重機。
由于我國隨車起重機起步于70年代，相對較晚，而且發(fā)展速度不快，只是近幾年才有較大發(fā)展，和國外相比，還有很大的差距。具體表現(xiàn)在：
（1）品種少、產(chǎn)量低：我國隨車起重機現(xiàn)處于初級發(fā)展階段，品種較少。中小噸位重復較多，至今尚未形成大、中、小完整的系列，年產(chǎn)量只相當于國外一個廠家的生產(chǎn)能力。
（2）起重力矩小，技術水平低：我國隨車起重機以直臂卷揚為主，受國內(nèi)汽車底盤的限制，起重力矩小，其他性能指標也一般低于國外先進產(chǎn)品。目前國內(nèi)企業(yè)對隨車起重機的研究開發(fā)投入很少，液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的技術水平也有一定差距。
（3）安全裝置不齊全，操作不方便：我國隨車起重機僅裝有起升高度限位及平衡閥、溢流閥等一般安全裝置，全部為手動操作。而國外早已將電子技術廣泛運用到隨車起重機上，如帶有微電腦的力矩限制器及防傾翻保護器等，并且已實現(xiàn)了有線與無線遙控。
（4）功能單一：我國隨車起重機以起重作業(yè)及運輸功能為主，而國外隨車起重機均有多種附具，主要加裝在吊臂頭部，如工作斗、抓斗、高空作業(yè)平臺、各種抓具、夾具、吊籃、螺旋鉆、板叉、裝輪胎機械手、拔樁器等，使隨車起重機具備了一機多用的功能。另外，國外一些廠家進一步開發(fā)了鐵路專用隨車起重機等專用產(chǎn)品。
（5）外形不美觀：我國隨車起重機設計單調(diào)，忽視了和汽車外形的協(xié)調(diào)，而國外對隨車起重機的著色非常嚴格，不僅在外形和著色上實現(xiàn)和卡車的一體化，還要求和城市的景觀相協(xié)調(diào)隨宜。
在2008年歲末舉行的中國車展上，希爾博（Hiab）、PM、古河（UNIC）、易發(fā)（EFFER）、海沃（Hyva）等國際隨車起重機均都參加。而徐工集團、石家莊煤礦機械廠、長冶清華機械廠等國產(chǎn)品牌也同樣受人矚目，充分展示了國內(nèi)外隨車起重機行業(yè)近年來開發(fā)應用高新技術的水平和能力。整個展會給人最強烈的感覺就是求新求變。國際一流企業(yè)新產(chǎn)品發(fā)展迅猛，而國內(nèi)各生產(chǎn)制造企業(yè)日新月異的發(fā)展變化，快速進步的能力，對新技術的消化吸收以及為我所用的能力也同樣在不斷進步[2]。
國際品牌加大對國內(nèi)市場的分析和研究，依托其強大的品牌優(yōu)勢，采用以高帶低、以點帶面的營銷策略，在結合其全新的價格優(yōu)勢沖擊中、低端市場，因此勢必對當?shù)卦惺袌龈窬之a(chǎn)生一定的沖擊。在技術上，國際品牌依托其自身強大的技術實力，針對各個市場的實際情況增加本土化的研究投入，開發(fā)針對較強的區(qū)域性產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的適應性，進一步加強其品牌影響力。國內(nèi)需求旺盛，行業(yè)持續(xù)增長。一方面，隨車起重機的傳統(tǒng)市場發(fā)展保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，另一方面，隨著大型項目的開工，物料的吊裝和轉運為隨車起重機提供了更為廣闊的市場。
技術方面，起重能力和工作幅度繼續(xù)走高，控制系統(tǒng)成為研發(fā)主要內(nèi)容。降重，減排，節(jié)能成為隨車起重機設計主題之一；個性化、自動化成為隨車起重機主要要求之一。只有提高產(chǎn)品規(guī)?；?、系列化程度，實線規(guī)模效應，才能降低生產(chǎn)成本，尋求更大的利潤空間。
1.3本設計的目標和主要內(nèi)容
本次的設計目標是設計一種裝載質(zhì)量為4t的隨車起重運輸汽車，其性能參數(shù)與原載貨車接近。隨車起重運輸汽車是裝備有起重裝置的載貨汽車，因此本設計的主要研究內(nèi)容是：二類底盤的選擇；整車的整體布置；起重裝置的選型、設計、計算；液壓裝置的選型、設計、計算；整車性能計算分析。
主要解決的問題有：
（1）隨車起重運輸車的整車基本參數(shù)選擇
尺寸參數(shù)：軸距、輪距、外廓尺寸，符合GB7258-1997。
質(zhì)量參數(shù)：最大總質(zhì)量、裝載質(zhì)量、質(zhì)量利用系數(shù)。
（2）軸載質(zhì)量分配
（3）起重裝置的參數(shù)選擇與設計
參數(shù)選擇：起重量、起升高度、幅度、工作速度。
起吊支腿的設計計算：支腿型式的選取、支腿跨距的確定、支腿壓力計算和支承液壓缸的選擇。
（4）液壓裝置設計計算與選型
工作機構：由液壓支腿、變幅機構、臂架伸縮機構、起升機構及制動機構等組成。
支腿回路：采用雙向液壓鎖，以保證支撐絕對可靠。
變幅回路：要求能帶負載變幅，動作平穩(wěn)。
伸縮回路：主要用以改變作業(yè)高度以及減小行駛狀態(tài)下的整體尺寸，以提高機動能力。
回轉回路：用以改變作業(yè)方位。
起升和制動回路：是起重機的主要工作機構。
液壓系統(tǒng)的形式：中小型汽車起重機常采用單泵、串聯(lián)、開式系統(tǒng)。
（5）起重運輸車的穩(wěn)定性校核
作業(yè)穩(wěn)定性校核
靜態(tài)穩(wěn)定性校核
1.4本設計的方法
本設計將參考隨車起重運輸車的基本形狀，并根據(jù)設計要求查找相關資料進行的設計，在設計完整車后，對軸荷進行合理的分配，使之符合使用要求。最后進行整車的性能分析計算。在對各種結構件進行了分析計算后，繪折疊臂式隨車起重運輸車的整體圖及主要部件的零件圖。
第2章 隨車起重運輸車方案設計與分析
2.1隨車起重運輸車的結構
2.1.1隨車起重運輸車的概念
隨車起重運輸車是指裝有隨車起重機，能實現(xiàn)貨物自行裝卸和運輸?shù)膶Ｓ闷?。它既有普通載貨汽車的運輸功能，又具有起重機的起吊裝卸功能；除能完成本車貨物的裝卸之外，還能完成車與車之間的貨物裝卸。
2.1.2隨車起重運輸車的分類
根據(jù)隨車起重運輸車的安裝位置不同，隨車起重運輸車可分為前置、中置、后置三種結構形式，其中前置式的起重機安裝在汽車駕駛室和車廂之間，多為起重能力小的中、小型隨車起重運輸車所采用，適用于裝卸包裝成件的貨物和集裝箱等。因液壓泵安裝在汽車前部的發(fā)動機處，到起重機液壓缸的管道較短，功率損失小，液壓傳動效率比其他布置形式高，所以本設計采用前置式的起重機。
根據(jù)起重裝置的結構形式分可分為伸縮臂起重式和折臂起重式。圖2-1所示為伸縮臂式隨車起重運輸車整車圖，由于起重裝置是由液壓系統(tǒng)及滑輪組共同組成，因此它結構比較復雜。
圖2.1 伸縮臂式隨車起重運輸車整車圖
1-伸縮臂 2-吊鉤 3-回轉機構 4-卷揚裝置 5-機架 6-支腿 7-伸縮臂支架 8-起伏液壓缸
圖2.2所示為折疊臂式隨車起重運輸車整車圖。這種起重機無卷揚裝置，起吊作業(yè)結束后，臂架可折疊成倒三角形橫置于駕駛室和車廂之間，本設計采用折臂式。
圖2.2 折疊臂式隨車起重運輸車整車圖
1-機架 2-下節(jié)臂 3-上節(jié)臂 4-伸縮液壓缸 5-伸縮臂 6-吊鉤 7-中間臂 8-附加吊鉤 9-折疊液壓缸 10-載荷限位桿 11-舉升液壓缸 12-操縱閥 13-回轉機構 14-機架 15-支腿
2.1.3隨車起重運輸車的組成
隨車起重運輸車由兩大部分組成，即二類底盤和起重裝置。其中起重裝置是隨車起重運輸汽車的主要結構部分，它又包括回轉機構、起重臂、液壓系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及附件組成。
2.2隨車起重運輸車參數(shù)的估算
2.2.1隨車起重運輸車的整車基本參數(shù)的估算
1.整車尺寸參數(shù)
隨車起重運輸車的尺寸參數(shù)，主要是指行駛狀態(tài)是整車的外廓尺寸，即車輛的長、寬、高，必須符合GB 7258-1997《機動車運行安全技術條件》中有關車輛外廓尺寸限制的規(guī)定。本設計估算隨車起重運輸車的長為7440mm、寬為2250mm、高為3108mm。
2.整車質(zhì)量參數(shù)
額定起吊質(zhì)量是隨車起重運輸車基本使用性能的參數(shù)。由設計要求知道，本設計的車輛額定起重質(zhì)量定為2000kg。
整車整備質(zhì)量也是隨車起重運輸車的重要性能參數(shù)。在隨車起重運輸車的設計過程中，主要采用同類產(chǎn)品提供的數(shù)據(jù)進行估算整車整備質(zhì)量。整車整備質(zhì)量包括底盤質(zhì)量、底盤以外外加的副車架、車廂、起重裝置、支架以及液壓系統(tǒng)等裝置的質(zhì)量，是加滿各種油液料后的質(zhì)量。本設計的整車整備質(zhì)量估算為8000kg。
汽車總質(zhì)量是指裝備齊全，裝滿額定貨物后的汽車質(zhì)量，包括駕駛員在內(nèi)的額定載員質(zhì)量。本設計的總質(zhì)量估算為10000kg。
2.2.2隨車起重運輸車起重裝置的參數(shù)選擇與設計
起重裝置的參數(shù)，決定了起重舉升汽車的工作特性，其選擇應根據(jù)使用要求和實際生產(chǎn)條件確定，并須考慮相關的標準和規(guī)定。起重裝置的主要參數(shù)有：
1. 起重量 根據(jù)任務書要求確定本設計的最大起重量為20000kg
2. 起升高度 參考同類車型確定本設計的最大起升高度[3]為5637mm
2.3隨車起重運輸車底盤的選取
根據(jù)我國目前生產(chǎn)的各類型專用車輛的基本模式，大多是為了滿足國民經(jīng)濟某一服務領域的特定使用要求，主要是在已定型的基本車型底盤的基礎上，進行車身及工作裝置的設計，與此同時對底盤各總成的結構與性能進行局部的更改設計與合理匹配，以達到滿足使用需求的較為理想的整車性能[4]。
2.3.1汽車底盤選型要求
汽車底盤一般應滿足以下要求：
（1）適用性
專用汽車底盤應適用于專用汽車的特殊使用功能要求,在此基礎上進行改裝造型設計；
（2）可靠性
汽車底盤工作可靠,出現(xiàn)故障的幾率要小，零部件要有足夠的強度剛度和使用壽命，并且各總成零部件的使用壽命趨于一致；
（3）先進性
所選汽車底盤,在動力性,經(jīng)濟性，操作穩(wěn)定性，行駛穩(wěn)定性及通過性等基本性能指標和功能方面達到同類車型的先進水平，并且滿足國家或行業(yè)標準；
（4）方便性
所選底盤要便于改裝，檢查保養(yǎng)及維修，結構緊湊與調(diào)試裝配空間合理匹配。
2.3.2底盤選型
專用車輛采用的底盤主要分為二類，三類和四類。二類底盤，是在整車的基礎之上去掉廂體；三類底盤，是從整車上去掉貨箱和駕駛室；四類底盤，是在三類底盤上再去掉車架總成后剩余的散件。
選取的底盤的好壞，直接影響到專用車的性能。在選取汽車底盤時，主要是根據(jù)專用車的用途，裝載質(zhì)量，使用條件，性能指標，專用裝置或設備的外形尺寸及動力匹配等進行。目前，進80%的專用車輛采用二類底盤進行改裝設計。
選取二類汽車底盤進行改裝設計時，重點工作是整車總體布置和有特殊工作需求的裝置的設計，對底盤僅做輔助的性能分析和必要的強度校核，確保改裝后的整車性能在基本上與底盤接近,達到合理的匹配[5]。
2.3.3底盤的選取
根據(jù)底盤的選取要求、隨車起重運輸車的參數(shù)估算及參考同類車型，本設計所用底盤主要參數(shù)如下：
主要技術參數(shù)
外形尺寸(長X寬X高)(mm)：
長： 7435
寬： 2250
高 ： 3095,2895,2695
貨廂欄板內(nèi)尺寸(長X寬X高)(mm) ：
長： 4650
寬： 2050
高 ： 550
總質(zhì)量(kg)： 8395
額定載質(zhì)量(kg)： 3250,3450,3600
整備質(zhì)量(kg)： 4950,4750,4600,4350
準拖掛車總質(zhì)量(kg)：
載質(zhì)量利用系數(shù)：
半掛車鞍座最大允許承載質(zhì)量(kg)：
駕駛室準乘人數(shù)(人)： 3
額定載客(含駕駛員)(人)：
接近角/離去角(°)： 18/14
軸荷(kg)： 2800/5595
前懸/后懸(mm)： 1110/2225
最高車速(km/h)： 95
底盤相關信息：
底盤ID號：
底盤型號：
底盤類別：
底盤名稱：
1213546
EQ1081T40DJ4A
二類
東風汽車股份有限公司
2.4本章小結
本章主要介紹了隨車起重運輸車的整車結構特點、工作原理以及整車參數(shù)的估算。確定隨車起重運輸車為前置折疊臂式，并根據(jù)參數(shù)的估算及參考同類車型進行二類底盤的選擇。主要對東風汽車EQ1081T40DJ4A底盤進行了分析，確定為這次設計的底盤，給出了選用底盤的主要參數(shù)。
第3章 隨車起重運輸車工作裝置的設計
3.1副車架的改裝設計
3.1.1副車架外形設計
在設計隨車起重運輸車時，所選取的二類底盤只有主車架，為了增加車架的強度剛度，延長車架的使用壽命，在原有主車架的基礎上增加了副車架。其形狀同主車架，在主副車架之間加一定厚度的松質(zhì)木條。其長度同副車架的長度，寬度同副車架的厚度。主副車架用止推連接板進行加固連接。副車架示意簡圖見圖3.1。
圖3.1 副車架示意簡圖
3.1.2副車架選材
在汽車制造工藝中，鋼板沖壓成型工藝占有十分重要的位置。沖壓成形的零件具有互換性好、能保證裝配的穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率高和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。
載重汽車用中板數(shù)量較多，受力的車架縱梁和橫梁、車廂的縱梁和橫梁均采用中板沖制且多以低合金高強度鋼板沖壓生產(chǎn)，也是適應提高汽車承載能力、延長使用壽命、降低汽車自重和節(jié)能節(jié)材以及安全行駛等要求的發(fā)展趨勢。
目前，我國載重汽車車架的縱梁和橫梁已經(jīng)全部采用低合金高強度鋼鋼板制造?？v梁可以用抗拉強度為510MPa的16MnL和09SiVL(必須是用往復式扎機生產(chǎn)的)、10TiL和B510L鋼板生產(chǎn)，橫梁可以用抗拉強度為390MPa的08TiL和B420L鋼板來生產(chǎn)。
由以上，副車架材料選用載重汽車橫縱梁的一般選用材料,縱梁、橫梁均采用Q345。
3.2起重機機架的設計
3.2.1、機架的外形設計
如下圖3.2所示為一種隨車起重運輸車的機架，它由橫梁3和13、縱梁4和14等組成。機架中部設計有安裝回轉機構的連接螺栓孔，對稱焊有托架15和支腿支架10，隨車起重運輸車機架借助U形螺栓6、墊板5和7固定在汽車主車架上。
圖3.2隨車起重運輸車起重機架圖
1-螺旋頂桿 2-墊木 3、13-橫梁 4、14-縱梁 5、7-墊板 6-U形螺栓 8-固定板 9-軟墊
10-支腿支架 11-液壓箱安裝處 12-固定座 15-托架 16-緩沖墊
3.2.2、機架選材
在全面分析支架的工作條件、受力狀態(tài)、工作環(huán)境和零件失效等各種因素的前提下，選用Q345工程用鋼材。
3.3起重臂的設計計算及校核
3.3.1 參數(shù)的確定
1.初定吊臂長度，如圖3.2 所示：
下節(jié)臂長度mm
上節(jié)臂長度mm
仰角
圖3.3 狀態(tài)一
2.初定吊臂各段長度，如圖3.4所示：
mm mm mm
mm mm mm
圖3.4 狀態(tài)二
3.質(zhì)量估計
初選用18號槽鋼
kg
kg
3.3.2起重機起重臂的運動學分析
起重機起重臂的運動由2個動作構成：以立臂上孔為中心旋轉運動、以下節(jié)臂右端孔為中心旋轉運動。均由液壓缸驅動。
1、旋轉運動的運動學分析
（1）翻轉運動的位置分析
翻轉運動時，、點固定, 鉸接點受桿的限制而固定, 整個機構可視為以和為固定邊的平面四桿機構, 完成上止點位置的翻轉運動，其翻轉示意圖如圖4.1所示。其中點為舉升臂與固定機架的鉸接點，點為與鉸接點，點為關門缸與固定機架的鉸接點，點為舉升缸與固定機架的鉸接點，點為舉升缸與舉升臂的鉸接點。以下用復數(shù)向量法對此平面連桿機構進行運動學分析。
在平面四桿機構中，每一桿可用一個位移矢量來表示，大寫表示矢量，小寫表示桿長。設、和分別為舉升臂的角位移、角速度、角加速度，初始位置處。、和分別為上節(jié)臂的角位移、角速度和角加速度，其中。為缸活塞桿相對于液壓缸的速度。，，，。此時，選機構初始位置。作為其特定的標定位置，并建立以點為坐標原點的直角坐標系。各角度的度量從矢量始點引軸方向線，順時針為正。
對該四桿機構建立閉環(huán)矢量方程
（3.1）
分別向、軸上投影，得
（3.2）
聯(lián)立可求得
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（2）旋轉運動的速度分析
對時間求導，得
（3.6）
得
（3.7）
的計算公式為
（3.8）
式中 ——液壓系統(tǒng)供油量，mm3/s；
——關門缸的缸徑，mm。
（3）旋轉運動的加速度分析
對時間求導，得
（3.9）
3.3.3起重機起重臂的校核
1、銷的校核
起重臂的所有鉸接處均用銷進行連接，外套銷軸套。銷均用35鋼制造，作調(diào)制處理。其屈服強度為MPa，選取安全系數(shù)為2，則其許用剪切應力MPa。
下節(jié)臂與立臂的鉸接點處銷軸直徑為20mm，其最大剪切應力為
MPa MPa （3.10）
上節(jié)臂與下節(jié)臂鉸接處點的銷軸直徑為20mm，其最大剪切應力為
MPaMPa （3.11）
舉升缸與下節(jié)臂連接的點處銷軸直徑為20mm，其最大剪切應力為
MPa MPa （3.12）
折疊缸與下節(jié)臂鉸接的點處的銷軸直徑為20mm，其最大剪切應力為
MPa MPa （3.13）
折疊缸與上節(jié)臂鉸接的點處銷軸直徑為20mm，其最大剪切應力為
MPa MPa （3.14）
由上可知，所選用的銷軸均有足夠的抗剪切能力。
2、起重臂的校核
起重臂選用Q345低合金高強度結構鋼，其屈服強度為MPa，選取安全系數(shù)為2，則其許用剪切應力MPa。起重臂的截面尺寸為15mmmm，則其最大剪切應力為
Mpa MPa (3.15)
至此，起重機構參數(shù)確定并校核完成[6]。
3.4 起重機回轉機構設計
3.4.1 回轉機構外形設計
隨車起重運輸車在作業(yè)時要將貨物送到一定范圍內(nèi)的任意空間位置，故回轉運動是必不可少的，因此起重機的起重臂必須具有回轉功能。圖3.5所示為齒輪齒條式的回轉機構。主臂（起重臂）的下端加工成齒輪，與回轉機構的齒條嚙合，齒條由雙作用液壓缸中的活塞驅動。
也可以采用液壓馬達驅動，通過蝸輪蝸桿傳動或行星齒輪傳動的減速回轉機構，最后驅動轉盤的內(nèi)齒圈實現(xiàn)回轉。
圖3.5 齒輪齒條式回轉機構
1-箱體 2-端蓋 3-回轉機構齒輪軸 4-卡環(huán) 5-軸承 6、7-螺栓 8-齒條 9-雙作業(yè)液壓缸 10-圓柱滾子 11-回轉支撐 12-密封圈
3.4.2 回轉機構選材
在全面分析支架的工作條件、受力狀態(tài)、工作環(huán)境和零件失效等各種因素的前提下，箱體和端蓋選用灰口鑄鐵HT200，齒輪齒條選用20CrMTi，轉臺及回轉支撐選用45號鋼。
3.5本章小結
本章主要進行了隨車起重運輸車工作裝置的設計。確定了副車架及機架的外形和材料，并且對舉升機構進行了運動分析和受力分析，從而計算車各缸的工作行程及受力大小、舉升臂的受力，同時確定了舉升機構的主要尺寸參數(shù)并加以校核。最后對所選用的銷軸和舉升臂也作了確定和校核，充分證明所得舉升機構的相關參數(shù)符合其工作要求。
第4章 液壓系統(tǒng)的設計與選型
4.1液壓系統(tǒng)設計分析
隨車起重運輸車的液壓系統(tǒng)原理圖如下圖4.1所示，本章主要完成對液壓元件的計算、選型以及設計。由于液壓泵、舉升液壓油缸、折疊液壓油缸、回轉機構、液壓閥等常見液壓元件已實現(xiàn)高度標準化、系列化與通用化并由專業(yè)化液壓件廠集中生產(chǎn)供應。因此對于這些液壓元件只需要計算選型，其內(nèi)容為液壓缸的直徑與行程、液壓泵的工作壓力與流量、液壓閥的通徑、以及油箱的容積與管路內(nèi)徑等。而對于增壓缸，雖然各液壓廠家也有生產(chǎn)，但對于此次設計均不合適，故需要對其進行設計。
圖4.1隨車起重運輸車液壓傳動系統(tǒng)
1、2、4、8-液壓缸 3-液壓鎖 5、14-分配閥 6、9-流量控制閥 7-回轉機構
10、12-濾清器 11-油箱 13-液壓泵 15-安全閥 16-溢流閥
4.1.1液壓缸的選型與設計
液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，其形式多樣，按照其結構特點可分為活塞式、柱塞式和擺動式按照作用方式分又可分為單作用和雙作用兩種。其中以雙作用活塞式液壓缸應用最多?；钊揭簤焊字亓枯p、結構簡單、工作可靠、拆裝方便，易于維修的特點，廣泛適用于車輛、工程機械、起重運輸機械、礦山機械及其它機械工業(yè)的液壓傳動系統(tǒng)中。柱塞式液壓缸適用于行程較長的場合。擺動式液壓缸加工工藝較復雜一般用于回轉機構。舉升液壓缸和折疊液壓缸均采用雙作用單桿活塞
4.1.2 液壓缸的最大載荷
1、舉升液壓缸
（1）狀態(tài)一：如圖4.2 所示
圖 4.2 工作狀態(tài)一
KN (4.1)
mm，mm，mm
kg，kg
（2）狀態(tài)二：如圖4.3所示
圖 4.3工作狀態(tài)二
KN (4.2)
mm，mm，mm
kg，kg
2、折疊液壓缸
如圖 4.4 所示，在圖示狀態(tài)液壓缸受力最大
KN （4.3）
mm，mm
kg，kg
圖 4.4 受力分析圖
3、支腿液壓缸
（1）打開支腿時，如圖 4.5 所示
支腿跨距的確定
m （4.4）
mm，mm，mm
kg，kg
kg
圖 4.5 支腿跨距的確定
（2）最大載荷時支腿力壓力的計算
按最危險的工況考慮，即隨車起重運輸車的大部分車輪被支腿液壓缸頂起，整車成為三點支撐狀態(tài)。設載荷平均分配在三個支點上，則每個支腿上所受的支撐載荷FZ有：
N （4.5）
4.1.3 確定系統(tǒng)工作壓力
由經(jīng)驗知道工程機械中，對于大負載機械，為了使機器緊湊、輕便一般都使用高壓或中高壓系統(tǒng)，一般取16～20MPa。高空作業(yè)車由于載重較小，故可取較小的系統(tǒng)工作壓力，此處初定為16MPa，即=16MPa
4.1.4 液壓缸的內(nèi)徑計算
由 （4.6）
式中 ——系統(tǒng)壓力差，，其中為回油背壓，按一般的推薦值取MPa。故MPa。
——液壓缸效率，對于橡膠密封圈。
1、 舉升液壓缸內(nèi)徑
mm
按GB2348-80,取推薦mm。
2、 折疊液壓缸內(nèi)徑
mm
取推薦值 mm
3、支腿液壓缸
mm
查手冊，取推薦系列 mm
4.1.5 液壓缸缸筒壁厚和外徑計算
液壓缸最大密封壓強為
(4.7)
式中 ——液壓缸最大載荷，N。
——液壓缸缸筒內(nèi)徑
由壁厚 (4.8)
式中 ——原液壓缸試驗壓力，，此處
——液壓缸內(nèi)徑，m
——強度系數(shù)，對于無縫鋼管取為1。
——考慮壁厚公差和浸蝕的附加厚度，通常取0.001～0.002m，此處取。
——缸筒許用應力，，其中，
為安全系數(shù)，取
（1）舉升液壓缸缸筒壁厚和外徑計算
mm
mm
（2）折疊液壓缸缸筒壁厚和外徑計算
mm
mm
（3）支腿液壓缸缸筒壁厚和外徑計算
mm
mm
查表取推薦值：
故實際壁厚：
舉升液壓缸： mm
折疊液壓缸： mm
支腿液壓缸： mm
4.1.6 液壓缸活塞桿直徑的計算
根據(jù)活塞桿往返速度比：
由起臂時間和收臂時間
故
（1）舉升液壓缸
mm
按GB2348-80取標準值 mm
（2）折疊液壓缸
mm
按GB2348-80取標準值 mm
（3）支腿液壓缸
mm
按GB2348-80取標準值 mm
4.1.7 液壓缸活塞桿強度校核
(4.9)
式中 ——液壓缸最大載荷，即，N
——材料的屈服極限，
——屈服極限安全系數(shù)，取
1、 舉升液壓缸
MPa
故舉升液壓缸活塞桿強度滿足強度條件
2、折疊液壓缸
MPa
故折疊液壓缸活塞桿強度滿足強度條件
3、支腿液壓缸
MPa
故支腿液壓缸活塞桿強度滿足強度條件
4.1.8 液壓缸活塞桿穩(wěn)定性校核
當液壓缸支承長度時，需要校核活塞桿彎曲穩(wěn)定性，液壓缸彎曲示意圖如圖 4.6 所示。
(4.10)
式中 ——活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓索力，N
E——實際彈性模數(shù)，MPa
——活塞桿橫截面慣性矩，對于圓形截面
——液壓缸安裝及導向系數(shù)，查表取為。
——深長時的總長度，m
圖 4.6 液壓缸彎曲圖
1、舉升液壓缸
（1）狀態(tài)一：如圖 4.2 所示，壓縮力最大時
故，
（2）狀態(tài)二：如圖 4.3 所示，液壓缸達到最大長度時
故，
可知，舉升液壓缸滿足穩(wěn)定性要求。
2、折疊液壓缸
故，
折疊液壓缸滿足穩(wěn)定性要求。
3、對支腿液壓缸
可見，，滿足穩(wěn)定性要求。
4.1.9 液壓缸的工作壓力
(4.11)
式中 ——液壓缸效率，
——回油背壓，取 MPa
1、舉升液壓缸
MPa
2、折疊液壓缸
MPa
3、支腿液壓缸
MPa
4.1.10 液壓缸的流量
液壓缸流量應該按伸縮速度計算，隨車起重運輸車，可以只按伸出速度計算流量即可，因為采用單泵供油，縮回速度要求不嚴格[7]。
由 (4.12)
式中 ——液壓缸的內(nèi)徑
——伸出速度，
——容積效率，取
1、舉升壓缸
2、折疊液壓缸
3、 支腿液壓缸
4.1.11 液壓缸選擇
選擇HSG型工程機械液壓缸
舉升液壓缸：尺寸如上
折疊液壓缸：尺寸如上
支腿液壓缸：尺寸如上
4.2液壓閥的選型
系統(tǒng)中選取二位二通液壓閥、二位三通液壓閥、二位四通電磁閥及三位四通電磁閥，同時，由于系統(tǒng)流量小，液壓閥的通徑選取為10mm的即可滿足要求[8]。
4.3本章小結
本章主要是對液壓系統(tǒng)的各組成元件進行了主要參數(shù)計算，將由取力器取出的發(fā)動機動力，通過液壓泵轉換成液壓能，然后經(jīng)液壓系統(tǒng)的各種裝置將液壓能轉換能機械能，使隨車起重運輸車得工作裝置作業(yè)。重點完成了對液壓缸的選型。另外，還對液壓閥進行了簡單的計算選型。
第5章 隨車起重運輸車主要性能計算
專用汽車性能參數(shù)計算是總體設計的主要內(nèi)容之一，其目的是檢驗整車參數(shù)選擇是否合理，使用性能參數(shù)能否滿足要求。主要的性能參數(shù)計算包括整車的動力性計算、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性計算。
5.1動力性計算
5.1.1發(fā)動機外特性
發(fā)動機外特性是指發(fā)動機油門全開時的速度特性，是汽車動力性計算的主要依據(jù)。
在外特性圖上，發(fā)動機的輸出轉矩和輸出功率隨發(fā)動機轉速變化的二條重要特性曲線，為非對稱曲線。工程實踐表明，可用二次三項式來描述汽車發(fā)動機的外特性，即
(5.1)
式中 ——發(fā)動機輸出轉矩，（N·m）；
——發(fā)動機輸出轉速，（r/min）；
、、——待定系數(shù)，由具體的外特性曲線決定[9]。
1、已知外特性曲線時，根據(jù)外特性數(shù)值建立外特性方程式
如果知道發(fā)動機外特性曲線時，則可利用拉格朗日三點插值法求出公式（5.1）中的待定系數(shù)、、。在外特性曲線上選取三個點，即、，、，、，依拉氏插值三項式有:
（5.2）
將上式展開，按冪次高低合并，然后與（5.1）式比較系數(shù)，即可得三個待定系數(shù)、、。
2、無外特性曲線時，按經(jīng)驗公式擬合外特性方程式
如果沒有所要的發(fā)動機外特性，但從發(fā)動機銘牌上知道該發(fā)動機的最大輸出功率及相應轉速和該發(fā)動機的最大轉矩及相應轉速時，可用下列經(jīng)驗公式來描述發(fā)動機的外特性:
（5.3）
式中 ——發(fā)動機最大輸出轉矩（N·m）；
——發(fā)動機最大輸出轉矩時的轉速（r/min）；
——發(fā)動機最大輸出功率時的轉速（r/min）；
——發(fā)動機最大輸出功率時的轉矩（N·m），。
由公式（5.1）和公式（5.3），可得
（5.4）
發(fā)動機外特性曲線是在室內(nèi)試驗臺架上測量出來的，應對臺架試驗數(shù)據(jù)用修正系數(shù)進行修正，才能得到發(fā)動機的使用外特性。
5.1.2汽車的行駛方程式
汽車的動力性可由汽車的行駛方程式表示，其計算公式[10]為：
（5.5）
式中 ——驅動力，N； ——滾動阻力，N；
——坡道阻力，N； ——空氣阻力，N；
——加速阻力，N。
1、驅動力
隨車起重運輸汽車在地面行駛時受到發(fā)動機限制所能產(chǎn)生的驅動力與發(fā)動機輸出轉矩的關系[11]為：
（5.6）
式中 ——變速器某一擋的傳動比；
——主減速器傳動比；
——傳動系統(tǒng)某一擋的機械效率；
——驅動輪的動力半徑（m）；
——發(fā)動機外特性修正系數(shù)。
2、滾動阻力
隨車起重運輸汽車的滾動阻力由下式計算：
（5.7）
式中 ——隨車起重運輸汽車的總質(zhì)量（Kg）；
——道路坡度角（°）；
——滾動阻力系數(shù)。
3、坡道阻力
隨車起重運輸汽車上坡行駛時，整車重力沿坡道的分力為坡道阻力，其計算公式為：
（5.8）
4、空氣阻力
大量試驗結果表明，汽車的空氣阻力與車速的平方成反比，即
（5.9）
式中 ——空氣阻力系數(shù)，專用汽車可取為0.5～0.9；
——迎風面積（m2），可按估算，為輪距（m），為整車高度（m）。
5、加速阻力
加速阻力是汽車加速行駛時所需克服的慣性阻力，有：
（5.10）
式中 ——汽車加速度（m/s2）；
——傳統(tǒng)系統(tǒng)回轉質(zhì)量換算系數(shù)。
的計算公式為
（5.11）
式中 ——車輪的轉動慣量（Kg·m2）；
——發(fā)動機飛輪的轉動慣量（Kg·m2）；
——車輪的滾動半徑（m）。
進行動力性計算時，若不知道、值，則可按下述經(jīng)驗公式估算值：
（5.12）
式中 。低擋時取上限，高擋時取下限。
式中 （5.13）
5.1.3動力性評價指標的計算
衡量汽車動力性能的評價指標有三個，即最高車速、最大爬坡度和加速性能。
1、車速
根據(jù)最高車速的定義，有, , ，由式（5.12）可得：
將式（5.8）代入上式，有：
因
所以令 （5.14）
又因 , ，可確定專用汽車的最高車速為：
（5.15）
2、 最大爬坡度
當汽車以最低擋穩(wěn)定速度爬坡時，有，為簡化，可設，則由式 （5.15）可得：
（5.16）
對上式兩邊以為自變量求導，可得：
（5.17）
當時，取最大值，此時有：
代入式（5.17），可得：
令 （5.18）
則
對上式進行整理后可得：
當時，，但實際上滾動阻力總是存在，并且滾動阻力系數(shù)愈大，汽車爬坡能力愈小。因此上式中應取負號，又因，則上式可簡化為
（5.19）
由此可得到專用汽車的最大爬坡度，為：
（5.20）
3、加速度
專用車輛在水平路面上的加速度的計算公式如下：
（5.21）
專用車輛在某一擋位加速過程中最大加速度可由的極值點求出，令
得到極值點的車速為
（5.22）
將（5.22）式代入（5.21）式，可得專用汽車在該擋時的最大加速度為：
（5.23）
5.1.4隨車起重運輸車整車動力性計算
隨車起重運輸車整車的有關參數(shù)見表5.1和表5.2。
表5.1 與計算有關的整車參數(shù)
名稱
符號
數(shù)值與單位
發(fā)動機最大功率
193KW
發(fā)動機最大功率時的轉速
2400r/min
發(fā)動機最大轉矩
860N·m
發(fā)動機最大轉矩時的轉速
1500r/min
車輪動力半徑
0.530m
車輪滾動半徑
0.556m
主減速比
5.571
汽車列車迎風面積
5.80m2
汽車列車總質(zhì)量(滿載)
25000Kg
表5.2 隨車起重運輸車變速器速比
擋位
1
2
3
4
5
6
7
倒擋
9.204
6.082
3.982
2.506
1.586
1.00
0.829
9.059
系數(shù)、、、和的確定結果如表5.3所列，回轉質(zhì)量換算系數(shù)如表5.4所列[12]。
表5.3 動力性計算需確定的有關系數(shù)
名稱
符號
數(shù)值
發(fā)動機外特性修正系數(shù)
0.90
直接擋時傳動系效率
0.89
其它擋時傳動系效率
0.87
空氣阻力系數(shù)
0.564
滾動阻力系數(shù)
0.011
0.00022
表5.4 質(zhì)量換算系數(shù)的計算結果
擋位
1
2
3
4
5
6
7
倒擋
3.5714
2.1397
1.5057
1.2184
1.1055
1.06
1.0506
3.4920
2、確定發(fā)動機外特性曲線的數(shù)學方程
由于沒有所要的發(fā)動機外特性，故采用經(jīng)驗公式擬合外特性方程式[13]。
將表（5.1）中相關數(shù)值代入公式（5.5），可得
N·m
即得發(fā)動機外特性的數(shù)學方程如下：
3、計算各擋位時的系數(shù)、、、和的值
依據(jù)公式（5.11）和（5.12），將上面確定的有關參數(shù)分別代入計算，計算的結果
如表5.5所列。
表5.5 各擋位的、、、和的計算結果
擋位
1
－0.5534
0.6011
0.4667
－250000
0.1357
2
－0.1964
0.3324
0.2999
－250000
0.5848
3
－0.6347
0.1278
0.1964
－250000
0.2650
4
－0.1459
0.5921
0.1236
－250000
0.9353
5
－0.5430
0.2014
0.7822
－250000
0.4354
6
－0.1347
0.6423
0.5046
－250000
0.1827
7
－0.6939
0.1750
0.4089
－250000
0.9570
倒擋
－0.5436
0.7854
0.4468
－250000
0.1304
4、計算隨車起重運輸車的最高車速
將直接擋（第6擋位）、、、和值代入公式（5.13），可得該隨車起重運輸車的最高車速為
km/h
5、計算最大坡度
將最低擋（第一擋位）、、、的值代入公式（5.22），可得：
將E值代入公式（5.13），可得：
隨車起重運輸車的最大爬坡度為：
6、計算最大加速度
將各擋的、、的值代入公式（5.23），有：
其計算結果如表（5.6）所列。
表5.6 各擋的最大加速度
擋位
1
2
3
4
5
6
7
倒擋
1.011
0.994
0.8154
0.6022
0.4311
0.2987
0.1932
0.9892
5.2 燃油經(jīng)濟性計算
專用汽車的燃油經(jīng)濟性通常用車輛在水平的混凝土或瀝青路面上，以經(jīng)濟車速滿載行駛的百公里油耗量來評價，也稱百公里油耗或等速百公里油耗，它可以根據(jù)發(fā)動機的負荷特性或萬有特性來計算[14]。
首先根據(jù)隨車起重運輸車的行駛初速度開始，計算出相應的發(fā)動機轉速，有：
(r/min) (5.24)
然后計算出隨車起重運輸車在該車速時的整車驅動功率或發(fā)動機的有效輸出功率（平坦路面上勻速行駛時，=0，=0）
（KW） （5.25）
根據(jù)和的計算值，在萬有特性圖上查出有效燃油消耗率（g/kw·h），再利用下式計算百公里燃油消耗量（kg/100km）：
(L/100km) (5.26)
式中 —燃油的密度，kg/L。汽油可取=6.96N/L～7.15N/L；柴油可取=7.94N/L～8.13N/L。
隨著車速的不同，各擋位燃油消耗量也不同，下面來計算一下隨車起重運輸車在直接擋時經(jīng)濟速度（40～50km/h）下的燃油消耗量，代入式（5.24）得
(r/min)
由公式（5.25）得
KW
由式（5.26）得
Kg/100km
5.3 隨車起重運輸車穩(wěn)定性計算
1.隨車起重運輸車靜態(tài)穩(wěn)定性計算
由普通汽車底盤改裝成的專用汽車，其質(zhì)心位置均較普通貨車為高，其原因是由于副車架或工作裝置的布置，使裝載部分的位置提高了，因此需對整車的靜態(tài)穩(wěn)定性重新進行計算。
分析專用汽車的靜態(tài)穩(wěn)定性，首先應計算出整車的質(zhì)心位置。當隨車起重運輸
車的總布置基本完成后（見總裝配圖），即可對該車的質(zhì)心位置進行計算。
計算時可根據(jù)已有的資料，或利用試驗結果，也可用計算方法來確定專用車各總成的質(zhì)量及其質(zhì)心位置坐標，然后按照力矩平衡方程式，求出整車的質(zhì)心位置[15]。
根據(jù)EQ1081T40DJ4A汽車滿載軸荷分配（前軸2800kg，雙后軸5595kg），可以估算出隨車起重運輸汽車滿載軸荷分配情況，初定前軸2800kg，雙后軸5590kg，因前軸至后軸的距離是4.100m，則整車重心離前軸長為m，離后軸距離為m。重心離地高度估算為m。
車輛的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性是指車輛停放或等速行駛在坡道上，當整車的重力作用線越過車輪的支承點(接地點)，則車輛會發(fā)生翻傾。若整車的重力作用線正好通過支承點，則車輛處于臨界的傾翻狀態(tài)，此時的坡度角稱為最大傾翻穩(wěn)定角。
另一方面，當車輛停放在坡道或在坡道行駛時，若坡道阻力大于附著力時車輛由于附著力不足而向下滑移，同樣也會出現(xiàn)失穩(wěn)，其最大滑移角僅取決于車輪和路面間的附著系數(shù)，有：
（5.27）
圖5.1為廂式貨車側向穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，有
（5.28）
式中 ——輪距（m）。
圖5.1 側向穩(wěn)定性的計算圖
由于側翻是一種危險的失穩(wěn)工況，因此，為避免側翻，依據(jù)測滑先于側翻的條件有：
（5.29）
取隨車起重運輸車輪胎和普通混凝土路面間的橫向附著系數(shù)=0.7，則專用汽車的最大側傾穩(wěn)定角不小于。
同理，可以推出專用汽車縱向穩(wěn)定條件：
（1）若，則上坡時易后翻，有：
（5.30）
（2）若，則下坡時易于前翻，有：
（5.31）
由公式（5.27）、（5.28）可知
所以隨車起重運輸車的橫向穩(wěn)定性能夠保證。
因，則上坡時易于后翻，由公式（5.31）可知
所以隨車起重車的縱向穩(wěn)定性得到保證[16]。
由上述分析可知，隨車起重運輸車在進行裝卸工作時能夠保證其穩(wěn)定性。
5.4本章小結
本章是對本次改裝設計結果的檢驗，以此判斷整車改裝設計的合理性及實用性。對于本次改裝設計的隨車起重運輸車而言，側重于動力性，因此本章重點在于對動力性的計算，且通過計算發(fā)現(xiàn)隨車起重運輸車的動力性良好，能滿足使用要求。此外，本章還對隨車起重運輸車的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性進行了分析計算，進一步驗證該車能滿足使用要求。
結 論
隨車起重機是安裝在普通載貨汽車上的一種起重設備，主要由穩(wěn)定支腿、回轉基座、吊臂總成、吊鉤等組成。隨車起重機和載貨汽車操縱系統(tǒng)是完全分開的，所以隨車起重機既能夠實現(xiàn)起重作業(yè)，又不影響汽車底盤的載貨運輸。隨車起重機的應用非常廣泛，因其機動靈活等特點，深受廣大用戶的歡迎。
本次隨車起重運輸車的改裝設計是在已有的載貨汽車中間安裝起重裝置，使汽車具有自起重裝卸功能。本次設計是在選定總體設計方案的基礎上，進行對隨車起重運輸汽車的機械部分，即舉升機構的設計、尺寸參數(shù)確定、校核，及液壓元件的選定。在此過程中完成了以下工作。
（1）了解隨車起重運輸汽車的概念、功用、結構。并在了解目前專用車改裝用底盤類型及應用的基礎上，確定選用二類底盤作為此次改裝設計用底盤。然后，比較分析舉升機構、液壓系統(tǒng)、起重臂等相關不同方案的優(yōu)缺點，完成對其的方案選擇和做出適當?shù)母倪M。從而完成對整車總體設計方案的最終確定。
（2）比較分析市面上的二類底盤，確定選用二汽底盤，計算出主要整車性能參數(shù)。完成對舉升機構的運動學、力學分析，確定舉升機構相關尺寸參數(shù)，并完成了對所選用零件部分的校核。
（3）在選定的液壓系統(tǒng)基礎上完成了舉升液壓缸、折疊液壓缸、液壓泵的計算與選型，對于回轉機構液壓缸，則在保證其功能實現(xiàn)的基礎上完成了對其工作形式的分析及選擇達到了最適合的狀態(tài)。
（4）在隨車起重運輸車總體參數(shù)確定后，對改裝后整車的主要性能，即動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性進行了計算，結果顯示，改裝設計后整車的性能基本上達到國家對改裝車的標準要求。
至此，對隨車起重運輸車的改裝設計基本完成。本次設計過程中考慮到裝卸地面的不平整度，因此對起升高度作了適當?shù)恼{(diào)整。故其起重裝置也可以在其它高度相差不大的同類底盤上進行安裝，只需對方鋼支架的安裝位置稍作調(diào)整即可。同時，設計中因受到本身經(jīng)驗和考慮的欠缺，使得某些部分的結構工藝性可能稍差。
最后，雖然設計完成，但仍希望能隨著今后知識進一步的積累或者實際的應用中對其進行改進，使其更加完善，功能能更完美的實現(xiàn)。
參考文獻
[1] 徐達，蔣崇賢.專用車汽車構造與設計[