拉臂式自裝卸裝置與車輛底盤匹配的分析

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(沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

拉臂式自裝卸裝置(俗稱拉臂鉤)是可以安裝在相應的定型汽車底盤上，通過鉤臂的旋轉，結合其滑移或擺動，實現箱體的裝、卸、舉升及運輸等功能的一種專用裝置[1]。該裝置具有箱體裝卸、箱體運輸、貨物自卸和箱體轉移等功能，并且適用于包括輕卡、重卡、拖拉機等各種底盤類型。根據拉臂鉤所具有的這些特點，其在國外廣泛應用在廢棄物收運、農業、工程建筑業、市政環衛、消防救援以及軍工產業等諸多領域。近些年國內拉臂鉤發展迅速，并廣泛應用在環衛以及消防產業[2]。拉臂鉤都是根據客戶要求而加裝在常規量產的汽車底盤上，這就是說汽車底盤的設計并不會考慮到加裝拉臂鉤，因而本文從拉臂鉤的工作原理入手，對其與汽車底盤的匹配進行了分析。

1 拉臂鉤的結構及工作原理

1.1 拉臂鉤的結構特點

圖1 拉臂鉤結構

拉臂鉤主要由鉤臂、伸縮臂、傾卸臂以及底架四大部分組成，對于輕型拉臂鉤來說，由于箱體長度短，所以不需要鉤臂伸縮，因而可以取消伸縮臂，具體如圖1所示。鉤臂采用的是直角折彎式結構，其尾端通過軸使之與傾卸臂鉸接于C點；在中部偏后位置，鉤臂與舉升油缸一端鉸接于B點。舉升油缸另一端鉸接在底架A點處。傾卸臂尾端與底架尾端鉸接在D點處，傾卸臂靠近尾端處的突起鉤為箱體保險鉤[3]。

1.2 拉臂鉤的工作原理

對汽車底盤加裝拉臂鉤主要是為了完成箱體裝載、箱體卸載以及箱體自卸三種功能。

當拉臂鉤進行箱體裝載動作時，舉升油缸推動鉤臂繞C點向后翻轉，直到鉤頭到達箱體鉤環下方位置，而針對不同形式和載重量的拉臂鉤來說，鉤頭勾上箱體鉤環的方式也不同。

對于輕型拉臂鉤，因為采用取消伸縮臂的設計，需要車輛向后倒退一些從而保證鉤頭準確勾到箱體鉤環，由于是輕型拉臂鉤，所以相應的車輛也是輕型的，因而車輛后退比較容易；而對于大載重量的拉臂鉤，因為所配車輛同樣是大載重量的，所以車輛移動較不方便，不過大載重量的拉臂鉤都具有伸縮臂結構，所以當鉤頭到達箱體鉤環下方時，只需要對鉤臂進行伸縮即可保證鉤頭勾上箱體鉤環。當鉤頭勾住箱體鉤環后，舉升油缸收縮帶動鉤臂翻轉，箱體逐漸抬起，在D點安裝有滾輪，箱體沿著滾輪被完全抬起。在箱體被放平過程中，拉臂鉤D點前的箱體鎖鉤插入箱體對應鎖環處，防止箱體發生擺動或偏移而發生危險。對于重型拉臂鉤來說，箱體鎖回使用液壓鎖緊的方式，其工作方式是在箱體放平之后，液壓部分控制箱體鎖鎖緊。

拉臂鉤的卸箱動作與裝載動作原理基本一致，只是動作順序相反。

當拉臂鉤進行箱體自卸動作時，舉升油缸對鉤臂B點施加推力，此時由于箱體的大部分重量由鉤頭承擔，因而在C點通過銷軸連接的傾卸臂會隨鉤臂一同抬起，此時拉臂鉤繞D點翻轉，進行自卸[4-5]。

2 拉臂鉤與底盤匹配要點分析

2.1 底盤對拉臂鉤安裝位置的影響分析

在將拉臂鉤焊裝在底盤縱向梁時，是以不影響拉臂鉤的正常工作為前提的，即箱體裝卸時不與底盤發生干涉。基于這一前提，大多數的拉臂鉤都是以自身底架梁尾部端面與車架大梁尾部端面對齊為基準焊接的，這樣安裝的好處在于安裝時方便，但卻并沒有考慮到拉臂鉤重心位置對汽車行駛時的影響。不過，拉臂鉤的重心前移，不僅可以改善車輛的行駛穩定性，還能提高裝箱時的穩定性，因而以輕型拉臂鉤為例，分析其重心位置對車輛行駛穩定性的影響。

圖2 箱體與底架間距示意圖

拉臂鉤的焊裝位置受到兩個因素的影響，一個是箱子抬起過程中，箱體前端的運動軌跡，具體是箱子在被鉤臂勾起時，箱子前下角部位不能與車架有干涉，要保證箱子可以正常抬起，如圖2間距s所示。

由于該間距主要取決于鉤臂水平臂長度以及鉤臂高度，而這兩個尺寸在鉤臂設計時都會進行優化，因而該位置發生運動干涉的幾率很小。

另一個是傾卸臂上的箱體支撐滾輪與汽車底盤大梁尾端之間的位置關系。具體是支撐滾輪支撐圓柱面切面沿車架尾部上端面所形成的角度，如圖3所示為α角，箱子與支撐滾輪接觸瞬間的箱體傾角，如圖4所示為β角，保證上箱過程中箱體不與底盤發生干涉的條件是：α>β。而β角的大小取決于車輛底盤高度、箱體支撐滾輪安裝高度、箱體支撐滾輪半徑以及箱體長度。

圖5 箱體、底盤及支撐滾輪間幾何關系圖

根據實際工況，將上述幾個參數的幾何關系表達出來，具體如圖5所示，其中B點為箱體支撐滾輪的中心點；C點為車輛底盤；D點為地面；E點為箱體后輪與地面的接觸點；F點為箱體與支撐滾輪的接觸點；A點為DB延長到箱體的點；線段CD表示底盤高度，設為Hc；BC表示支撐滾輪中心點到底盤的距離，設為Hp；BF表示箱體支撐滾輪半徑，設為Rp；AE為箱體的一部分長度，在此處代表箱體全長用以尋找箱體長度對箱體傾角β的影響，該部分長度設為L。

根據直角三角形特性得：

(1)

整理得：

(2)

根據實際情況，同時在上圖中也能看出，箱體支撐滾輪直徑遠小于箱體長度和底盤高度，因而在計算相互關系時將Rp忽略不計，則(2)式整理為：

Hc+Hp=Lsinβ

(3)

根據正弦函數特性，從(3)式中可以看出：減小Hc或增大L都可以使β減小，即在滿足要求的條件下，較低的底盤和較長的箱體都有助于降低箱體裝車時的傾角。

箱體傾角的降低，使箱體與底盤之間有更安全的距離，從而確保箱體與底盤不會發生干涉。而且，如果箱體與支撐滾輪接觸時的傾角為箱體抬起過程中的最大傾角，則該角度的降低還有利于保證拉臂鉤裝箱過程中箱內貨物的穩定性，從而提高其產品應用性，擴大客戶群體，提升產品效益。

2.2 拉臂鉤對車輛底盤的要求

進行箱體的裝載時，由于鉤臂向后翻轉，底盤加拉臂鉤整體的重心會后移。同時，根據實際測試，在箱體即將抬起的瞬時舉升油缸壓力最大，即舉升油缸拉力最大，如果此時貨箱加貨物的總質量足夠大，那么在油缸拉力的作用下，車輛有繞后軸抬起的趨勢，如圖6所示，這種危險情況易發生于輕型、短軸距的貨車上。

產生這種“抬頭”的情況與整車重量、重心位置以及液壓油缸的最大拉力都有很大的關系，為了最大化加裝拉臂鉤所帶來的收益，車輛底盤的選配都會考慮到拉臂鉤的承載能力，以此保證加裝拉臂鉤擁有足夠的經濟性。所以，為拉臂鉤選配車輛底盤時，需要驗算二者之間的關系。

圖6 車輛“翹頭”示意圖

下面對車頭有抬起趨勢的極限狀態進行受力分析。

在極限狀態下，鉤臂由于受箱體的拉力可以看作是固定的，因此受力分析分為兩部分，一是以鉤臂為對象進行分析，二是對車輛底盤的分析。

圖7 鉤臂受力分析圖

對鉤臂的受力分析如圖7所示，其中Ft為鉤頭受箱體的下壓力，其大小按拉臂鉤載重量T的一半計算，方向為豎直向下；Gh為鉤臂自重；Fc為油缸對鉤臂的拉力，方向為沿油缸中心軸線方向；Fnx、Fny分別為鉤臂受底架支持力的水平和豎直分力；α為油缸與水平線夾角。

當處于車頭即將翹起的極限狀態時，鉤臂處于平衡狀態，鉤臂上的水平、豎直合力為零，即

(4)

由于車輛處于即將翹頭的極限狀態，所以底盤在前軸處按無支持力計算，則車輛底盤的受力分析如圖8所示，其中Gc為底盤加拉臂鉤底架的總重；底盤受油缸的拉力Fc’，方向為沿油缸中心軸線方向；底架受鉤臂的下壓力的水平、豎直方向分力分別為F’nx和F’ny；F為底盤在后軸處受到的支持力；L1為重心到后軸的水平距離；L2、L3分別為鉤臂支撐軸到后軸的水平與豎直距離；H為后軸到油缸中心軸線的距離。

底盤處于極限狀態時，其受力平衡，相對于E點的平衡方程為：

∑Me=0

即GcL1+Fnx’L3-Fc’H-Fny’L2=0

(5)

從上式及圖8可以看出，保證車輛不翹頭的條件為：∑Me≥0

即：GcL1+Fnx’L3≥Fc’H+Fny’L2

(6)

圖8 底盤受力分析圖

將(4)式代入(6)式可得：

GcL1≥(H+L2sinα-L3cosα)Fc+L2(Gh+T/2)

(7)

上述(7)式即為滿足拉臂鉤載重量的車輛底盤所需達到的要求。

在實際的拉臂鉤的安裝中，對于某些軸距相對較長的車輛底盤來說，鉤臂支撐軸會在后軸前面，所以這種情況下底盤的受力分析與圖8中的略有不同，具體如圖9所示。

圖9 鉤臂支撐軸位于后軸之前的底盤受力分析

從圖9中可以看出，原來在圖8中增加車輛翹頭趨勢的鉤臂下壓力的豎直分力Fny’變為阻礙車輛翹頭的力，式(6)變為：

GcL1≥Fc’H-Fny’L2-Fnx’L3

(8)

將(4)式代入(8)式可得：

GcL1≥(H-L2sinα-L3cosα)Fc-L2(Gh+T/2)

(9)

根據公式(7)、(9)可知，為拉臂鉤匹配車輛底盤時，車輛底盤重量與重心位置至少要滿足一定的關系才能保證拉臂鉤在其載重量范圍之內的工作過程中不發生車輛翹頭的危險。在實際設計過程中，為拉臂鉤匹配車輛底盤時，公式中的T不能僅按其載重量計算，T的大小需在載重量的基礎上至少再增加30%，以此保證拉臂鉤安全工作。

3 總結

通過對拉臂鉤在車輛底盤上的安裝位置的分析，明確了可能發生干涉的位置，且選用較低的底盤或較長的箱體可以降低箱體裝卸時的傾角；通過對拉臂鉤及車輛底盤的受力分析，得出保證拉臂鉤正常工作的車輛底盤所需要滿足的關系式。

[1] 中華人民共和國工業和信息化部.QC/T 848—2011 拉臂式自裝卸裝置[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2] 周敏.拉臂式垃圾車拉臂架裝置結構設計要點[J].專用汽車，2007(12)：40-42.

[3] 李興家.鉤臂式垃圾車鉤臂架裝置結構設計[A].2014年海南機械科技學術年會海南省優秀論文集[C].海口，2014：16～19.

[4] 宗良，鄭超旗，王紅軍.拉臂式垃圾車設計要點分析[A].第十一屆河南省汽車工程科技學術研討會論文集[C].洛陽，2014：163～166.

[5] 畢文斌，李玉貴.整裝整卸時伸縮式拉臂鉤的受力分析[J].專用汽車，2009(11)：61-62.