纯电动多功能道路养护车关键功能总成设计

前 言 能源是人类赖于生存的基础，汽车工业是现代人类文明的重要标志，在相当长的段时间内，汽车及运输业成为社会发展的重要动力。然而，世界石油资源短缺和生态环境恶化是二十一世纪人类面临的主要问题。1我国的石油资源并不丰富，石油储量仅占世界的2.4%，石油年产量只能在1.6亿吨左右，很难有大幅增长。1993年起，我国成为石油净进口国，并逐渐由能源出口国变为能源进口国，而且随着国民经济的发展、人口的增长，对能源的需求也与日俱增。2004年我国石油进口己超过1亿吨，全国剩余可开采石油储量仅24.28亿吨，只够再开采14年，陆地石油资源勘探连续多年没有发现有价值的新油田，即使考虑到开发海上石油资源的影响，20年后我国将基本依赖进口石油来维持石化企业和汽车的运行，形势非常严峻。预计到2020年，我国石油进口将达到4亿吨左右。而目前我国进口石油的三分之一用于汽车消耗。由于受技术等因素的限制，我国资源的利用率较低。机动车平均百公里油耗比欧洲高百分之二十五，比日本高百分之二十，比美国高百分之十载货汽车百公里油耗比国外先进水平高一倍以上，这对汽车传统的石油燃料资源提出了严峻的挑战。合理利用资源、寻求和开发汽车代用燃料和可再生能源将是我们的一项重要任务。2汽车工业的发展，在给人们带来舒适便捷的“汽车文明”的同时，也带来了日益严重的环境问题。世界环境卫生合作及发展组织曾指出，交通运输工具已成为大气污染的重要根源之一。3据统计，目前汽车尾气排出的二氧化碳占全球二氧化碳排放量的20%30%;在一些发达国家，汽车排放已占大气污染的30%60%。而汽车尾气的流动污染则是造成环境恶化和影响人类健康的最大污染源。因此，在汽车上使用代用清洁燃料，使汽车能源多样化，是世界汽车行业发展的一种趋势，也是环境保护的客观需要。根据我国国情，走汽车能源多样化道路，是摆在我们面前的一项迫切任务，这对减少环境污染，优化能源结构，促进我国汽车工业的持续健康地发展，具有十分重要的意义。目 录中文摘要I英文摘要II第1章 绪 论11.1 研究的背景11.2国内外研发状况及发展趋势11.3 设计的主要任务和内容2第2章 纯电动多功能道路养护车总体布置设计42.1布置综述42.1.1布置形式的确定42.1.2改装车的选择42.2功能部件的选择42.2.1 高空作业平台形式选择52.2.2清障机构形式选择5第3章 举升机构结构与设计83.1举升机构设计83.1.1设计参数83.1.2 总体结构83.1.3剪叉杆设计83.1.4 台板和横轴的设计113.2 液压传动系统初选123.2.1系统拟定123.2.2确定液压执行元件的形式133.2.3液压缸的安装方式143.3确定液压缸主要参数143.3.1 载荷的组成与计算143.3.2初选系统压力173.3.3计算液压缸的主要结构尺寸173.3.4确定液压泵的参数193.4液压缸主要零件结构、材料及技术要求213.4.1缸体213.4.2活塞的设计计算233.4.3活塞杆253.4.4活塞杆的导向、密封和防尘263.4.5液压缸的排气装置273.4.6液压缸安装联接部分的型式及尺寸273.5 电动机的选择283.5.1YEG系列电磁铁制动三相异步电动机简介283.5.2 YEG系列电磁铁制动三相异步电动机安装尺寸及外形尺寸29第4章 清障机构结构与设计304.1清障机构形式的确定304.2主要结构304.2.1起重臂架总成304.2.2钢丝卷扬机构314.2.3液压系统314.3起升机构的选定324.3.1传动方式的选择324.3.2 绞盘钢丝绳拉力计算324.3.3 减速器的选择334.3.4起升卷筒与减速器连接方式的选择334.4变幅机构344.4.1 最大托举质量354.4.2配重的确定354.4.3 变幅机构受力分析364.4.4 变幅机构材料和尺寸的选取364.5 变幅油缸的设计与计算374.5.1变幅油缸工作压力的确定374.5.2 变幅油缸主要参数确定38第5章 结论与展望395.1 设计的结论395.2展望39致 谢40参考文献：41 摘 要随着汽车工业的快速发展以及汽车保有量的不断增加，汽车工业在给社会带来重大变革的同时，也带来了能源危机、大气污染等严重问题。寻求汽车代用清洁燃料，减少对石油的依存度，降低污染物的排放，一直是汽车行业的研究热点。4和发动机系统相比电驱动系统相对简单，它不需要冷却系统、润滑系统、电力和气体反应的时间控制系统。纯电动多功能道路清障车作为一种新能源专用车，由于保护环境方面的独特优势以及良好的经济性得到了广泛的应用。5本文主要进行纯电动多功能道路养护车的关键功能总成设计。首先进行总布置设计，选取了改装车，根据改装车的结构尺寸确定了所设计的功能部件。设计中对举升机构和清障机构的形式进行了选择，对叉杆和吊臂进行了受力分析分析，并根据载荷的大小设计合适的液压缸和液压泵。最后根据液压泵的功率选择了合适的电动机，使他们最终相互匹配。关键词：纯电动，能源，举升机构，剪叉机构ABSTRACTAlong with the fast development of automobile industrial and the continual increase of automobile retain quantity, which bring importance revolution to society, at the same time, also bring a lot of severity problem, such as energy crisis, atmosphere pollution. Seeking automobile substitute clean fuel, reducing petrol dependence extent and the emission have been the study hotspot for the automobile field. Electric drive systems are relatively simple compared with an engine .It needs no cooling system, lubricant system, timing control between electric and gas responses. As a new energy-specific vehicles，electric multi-function road maintenance vehicle have been widely used for the unique advantages of environmental protection and good economy. In this paper, the key features of pure electric multi-function road maintenance vehicle are designed. First, make the choice of the general layout, select the modified cars, and determine the structure of the designed features according to the size of modified cars. The design made the selection of the form of the lifting mechanism and the wrecker body, and the boom of the fork rod stress analysis carried out analysis, carried out on the bar and boom force analysis, and selected the hydraulic cylinder and hydraulic pumps according to the load. Keywords: Pure Electric, Energy, Lifting System, Wrecker SystemI第1章 绪 论纯电动多功能道路养护车提高了能源的综合利用和效率，具有良好的环境保护效果，它的产生在人类文明史上具有不可忽视的地位，同时也对科技的发展、工业的兴起以及经济的发展起到了促进作用。本章就从它的概念、用途以及国内外发展状况等方面进行简单的介绍。1.1 研究的背景进入二十一世纪以来，在国家宏观经济持续发展的带动下，我国汽车工业进入前所未有的高速发展阶段。交通能源与环境问题是21 世纪全球面临的重大挑战,对我国来说尤为严峻。美国能源部预测,2020 年以后,全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口,2050 年的供需缺口几乎相当于2000 年世界石油总产量的两倍。全球已达成共识:交通能源转型势在必行。电动汽车，作为电力驱动的交通工具，在减少尾气排放，能源的多元化利用以及高效、节能等方面具有明显优势，成为未来汽车技术发展的方向之一。现代电动汽车的核心是如何高效、清洁和智能化的利用电能来驱动车辆，涉及许多技术领域，其关键技术包括电机驱动技术、能源技术、能量管理技术、自动控制技术、材料技术、化学工艺技术及汽车制造技术等多个方面的融合。为此，许多国家纷纷投入大量财力、物力进行电动汽车方面的研究。目前，国内外汽车生产厂商已纷纷推出各种类型的电动汽车，电动汽车呈现出加速发展的趋势。61.2国内外研发状况及发展趋势纯电动多功能道路养护车的发展是电动汽车和专用车发展的缩影。近几十年来，世界各国的著名汽车制造商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。一直以来出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与发展。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一。美国通用、福特，戴姆勒-克莱斯勒三大汽车公司在1991年签订协议，合作研究电动汽车所用的先进电池，联合成立美国先进电池联合。近期从国际新能源网获悉，美国奥巴马政府又决定放弃对燃料电池的扶持，美国能源部试图取消对加氢站的财政扶持，转向为锂离子电池制造商提供财政拨款24亿美元。为提高欧盟各国的科学技术水平，增强欧盟各国的竞争力，充分调动欧盟各国的科技力量，避免各国科研计划的重复欧盟也制定了一些统一的研究计划。与电动汽车及其能源相关的发展计划主要有：FP-Framework Program系统计划、欧盟燃料电池研究发展示范计划和欧盟电动汽车城市运输系统（ELCIDIS）计划等。与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国近十几年来也一直在如火如荼地进行。国内研发纯电动汽车的专业单位主要有杭州万向电动汽车有限公司、天津清源电动车辆有限公司、北京理工科凌电动车辆股份有限公司等。2009年初由科技部和财政部共同实施的“十城千辆”电动汽车示范工程在武汉启动，该工程以财政政策鼓励在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域率先推广使用节能与新能源汽车。在研发电动汽车方面，可以有效地改造传统汽车动力设备，并且提高燃料利用率。因此，电动汽车是节省能源和促进环保的现代汽车发展方向。纯电动道路养护车也是专用车的一种，其发展状况和发展趋势有专用车的特点。近年来，世界各国都大力发展专用汽车生产，致力于专用汽车的研究，扩大汽车使用范围，以利于各种货物的运输。国外主要工业发达国家的专用汽车社会保有量占载货汽车保有量的比率都在50%以上。国外专用汽车的产量明显以重型居多，其原因主要是重型专用汽车经济效益好和重型车功率大、强度高，有中、小型专用车无法替代的优点：为调高专用车的适应性，以满足各种特殊需要，有趋势表明国外正在谋求专用汽车的一车多元化，使专用车功能由单一向多功能发展;近年来，国外不少汽车厂专门从事专用汽车底盘生产，尤其重视专用底盘系列化、专业化生产，满足专用车特殊需求；此外，新材料、新技术和微电脑的应用时专用汽车的使用价值逐渐扩大。我国的专用汽车过去一直是以中型为主，现在趋势一是往“大”走；二是往“小”走，小型适于走街串巷。专用汽车在适应市场发展的同时，随着材料的发展和进步，在不断提高专用汽车产品的档次。开发生产“四高”化的专用汽车，以满足国名经济发展的需求，替代进口，使专用汽车产品的出口具有一定竞争力。1.3 设计的主要任务和内容本设计结合电子学、机构设计学、汽车设计等方面的知识，对电动多功能道路养护车的各功能总成及其关键零部件进行设计计算（1）对纯电动多功能道路养护车各关键功能总成的工作原理及结构方案设计；（2）根据整车性能参数对关键功能总成及其零部件进行设计、计算和运动仿真分析；（3）用CAD等绘图软件绘制各功能总成的总装配图及关键零部件图；（4）撰写设计说明书，总结设计方法和步骤。第2章 纯电动多功能道路养护车总体布置设计2.1布置综述2.1.1布置形式的确定本课题要求所设计的纯电动多功能道路养护车应具有道路清障、道路标识及路灯的安装、维护等功能，而路面上看到的道路清障车往往功能单一，因此如何将各功能部件合理安排到车架上以及功能总成的设计是本课题的难点。经过与指导老师协商，最终确定将本车设计成具有清障和高空作业功能的道路清障车。车架前端安装高空作业平台，后端安装清障吊臂，一车多用，安全可靠。2.1.2改装车的选择“东风金霸”是“东风汽车”历时两年自主研发的一款全新中宽两吨轻卡，是目前同类车型中惟一符合行业最新法规要求的新车型，在国产轻卡中首款拥有外观和内饰自主知识产权。本课题将以“东风金霸”为基础进行改装,其基本参数如下：外形尺寸：5995*1960*2880（长*宽*高）（mm）总质量（kg）：4990额定托举质量（kg）：4801510整备质量（kg）：4315轴距（mm）：3300轴数：2轮距（前/后）（mm）：1586/1530轮胎规格：7.00R16前悬/后悬（mm）：1115/1580轮胎数量：6接近角/离去角（）：20/14驾驶室说明：平头2.2功能部件的选择2.2.1 高空作业平台形式选择高空作业平台是运送人员和器材到达制定高度进行空间立体作业的设备。高空作业平台一般装设在汽车通用底盘或专用底盘上。选装通用汽车底盘，转移迅速，机动灵活，适合于线长点多、作业场所不固定的场合，改装简易，工装较少，批量适中，专业化水平较高；选装专用底盘，轴距可小，车身可短，车高可低，适合于活动范围较小和针对行较强的场合，增加了行驶总成、部件的制造、装配量，工作较复杂。高空作业平台按举升机构的形式和结构可分为斗臂式和台架式两大类。7斗臂式高空作业平台按臂架的形式又可再分为三种：直臂式即伸缩臂式，曲臂式即折叠臂式，混合臂式即伸缩臂与折叠臂的组合形式。斗臂式装设在各种底盘上，有臂前置与臂后置两种装法。台架式高空作业车按举升方式可分为剪叉式和垂直升降式两种。剪叉式有单级叉和多级叉之分；垂直升降式有套筒式、桁架式、箱笼式等形式。结构如图2.1 。 伸缩臂式 垂直升降式 垂直升降式 混合式图2.1 举升机构形式2.2.2清障机构形式选择81）臂架起重机型清障机构臂架起重机型清障机构是清障机构中最主要的一种类型（图2.2），占清障机构的90%以上。臂架式清障机构是在二类通用汽车地盘上的驾驶室后，纵向安装一台专用液压起重臂架，起重臂呈“之”字形，臂根铰接于车架中部，臂端紧贴车架尾部，极限位置接触地面，由两支举升油缸控制臂架做以铰点为圆心的俯仰运动，可实现事故车辆的托起动作。清障车的起重臂架无需水平回转，臂架只在通过车辆纵轴线的垂直平面内做小范围的旋转运动，所以臂架受力简单，强度要求较低，但应具有较大的刚度。由于臂架无回转要求，整车制造成本大为降低。在臂架末端的摆动臂内装有小油缸驱动的可伸缩叉梁副臂，叉梁副臂外端可安装叉式拖架等起重属具，当臂架在举升油缸驱动下起升时，可以方便快捷地抬起事故车辆的前桥或后桥，固定后即可拖离现场，实现清障目的。图2.2 臂架起重机型清障机构2）背式清障机构背式清障车外形上类似自行平板车（图2.3），具有一般平板车不具备的工作台翻转能力，运动形式类似翻斗卡车。背式清障车在工作平台前部装有液压传动钢丝绳卷扬机构，是装车卸车的动力来源。在二类通用汽车底盘上装有由液压缸、连杆和底盘相连接的工作台，工作平台、汽车底盘、翻转油缸及连杆共同构成在汽车纵向垂直平面内的四杆机构。图2.3 背式清障机构3）门架叉式清障机构门架叉式清障车使用普通载重车改装，视不同起重吨位，可选用轻型、中型及重型载重车改装，只需制作一副起重门架，增加一套简单的液压系统即可完成改装。起重门架铰接在汽车底盘纵梁尾部，液压系统安装在汽车发动机功率输出端，利用汽车发动机的动力驱动油泵，提供清障作业时起重油缸和偏转油缸的动力（图2.4）图2.4 门架叉式升降机构综上所述，根据本课题的设计要求最终确定举升机构的形式为剪叉式垂直升降平台，清障机构的形式为臂架起重机型清障机构（如图2.5）。 图2.5 多功能道路养护车第3章 举升机构结构与设计3.1举升机构设计3.1.1设计参数举升高度H=6000mm；举升速度v60mm；载重w=0.3t3.1.2 总体结构升降机主要由工作台、剪叉臂、底盘、驱动油缸和液压系统组成，总体为多 层结构。底座（工作台）采用矩形框架结构，内侧剪叉臂为由前后剪叉杆和横梁焊接成的矩形框架，外侧剪叉杆为单体，剪叉杆的长度根据升降高度要求确定，采用 矩形截面的型钢，截面大小可根据受力分析确定；同层内、外侧剪叉杆在中 心转动联接成剪叉，异层两端分别铰接；两侧剪叉臂的上、下端分别与工作平台和底盘成转动和滑动联接；液压缸通过形连接杆和剪臂联接，连接杆两侧板端部 与横梁转动连接，横撑与液压缸缸底和活塞杆端部也采用转动联接。93.1.3剪叉杆设计10剪叉杆数量比较多，是升降机的主要结构件（图3.1）。图3.1 剪叉式升降机（1）长度的确定 由图1知，当升降机升至最高位置时，为保证稳定性，根据经验一般取杆间夹角为，由设计要求，升降机举升高度为6m，则每层高度。根据三角关系得剪叉杆的长度为： （3.1）取实际L=1.8m。（2）剪叉杆受力分析叉杆是升降台最主要的举升部件，是主要的受力机构。对其设计的成功与否关系到整个设计工作的成败，选材45号钢，热轧钢板。叉杆的外形图如图3.2所示。 图3.2 叉杆结构升降机额定载荷为0.3t，在实际工作时为保证剪叉杆的安全性，假设载重全部位于一侧剪叉杆上，图1所示的杆件中，剪叉杆1的受力最大，根据力平衡及力矩平衡条件，可得该杆件的受力情况（见图3.3）。图中A,B,D点为铰支点，C点为油缸推理作用点。图3.3 叉杆受力分析对D点做力矩分析： （3.2）计算弯矩，由上图可以转换为下图图3.4 叉杆受力简图 由分析知，图1中杆1所受的剪力和弯矩最大（见图3.4），分别为： （3.3）取剪叉杆的材料选用45钢，,取安全系数n=2得： （3.4）由得剪叉杆的抗弯截面系数W为: （3.5） （3）形式选择剪叉杆件一般选择型材，根据对剪叉杆受力分析和计算，通过查手册进行初步选型（冷拔矩形无缝钢管），并按相同方法对横梁和销轴等零件进行受力分析和计算，初步选取各结构件的形状及规格尺寸，考虑到下一步校核时各结构尺寸可能需要增加，所以将杆件和升降台自重定义为9000N。然后在考虑自重的情况下，对剪叉杆、横梁及其余结构杆件进行校核后重新选择。根据计算结果，选取冷拔矩形无缝钢管（GB3094-82）作为升降机的剪叉杆，其机构尺寸为：截面抗弯系数W为： （3.6）能满足设计要求，为便于设计、制造、装配和维修，其余剪叉杆选用同样规格的型材。3.1.4 台板和横轴的设计台板位于升降台的最上部，是支撑件的组成部分。人能够在升降台上平稳的停留就是台板起了关键的作用。在进行维修作业之前首先得上台板。需要说明的是台板并不是一个简单的钢板，而是在下面有滑道，因为升降台叉杆臂上有滑轮，滑道的作用就是使滑轮在滑道内来回滑动，使升降台完成举升和回落动作，下底板也如此。根据设计尺寸，选取台板尺寸为1800*850。选取套联在活塞杆端部的横轴，根据总体结构布局确定横轴长度需要840mm，由于是单耳环联接，其内径CD=60，横轴的外径也应为60mm,但考虑到二者需要相对滑动，应使横轴的外径略小于60mm,这里取d=58mm。单耳环的宽度值EW=70mm。将叉杆要联接到横轴处的孔进行加长处理，使两者接触面积适当的增大以减小弯曲应力及及剪应力。因此可按下图分析横轴所受应力：图3.5 横轴受力分析当时，P=114942N，可求得。作用于横轴上的力P是均匀分布的，分布距离分别为100mm、210mm，故截面上的最大弯矩 （3.7）截面C和D上的剪力（这里没有考虑剪力与弯矩的正负）。其弯曲应力为： （3.8）对于其它几个销轴，由于所受的应力都小于上述值，在这里就不一一校核了。其余结构也可以用相同的方法设计选择。3.2 液压传动系统初选3.2.1系统拟定升降机液压系统必须实现升降台的上升、下降、速度控制、预定位置停留、过载保护和能量回收等功能，要求结构简单、效率高、运行平稳、工作可靠，据此设计的液压系统如图3.6所示，由方向控制回路、速度控制回路、压力控制回路和同步回路等组成。11为减少由方向控制阀内部泄露所导致的升降平台缓慢下沉，采用密封性好的两位三通球阀组成方向控制回路；采用蓄能器回收重力势能，其工作原理为:在升降台下降过程中，升降油缸无杆腔中因重力作用而产生的压力油液，被排进蓄能器，将重力势能转化为液压能，并存储在蓄能器中；在升降台再次上升过程中，蓄能器向液压泵供油，减小了油泵进、出油口的压力差，使再次上升过程中液压油泵所消耗的电动机功率减少，达到节能目的。12在下降过程中，工作台和剪叉杆自重使液压缸下腔产生的负载压力应大于蓄能器内的最高工作压力，以保证液压缸能降到最低位置。因升降平台只在垂直方向上运动，其下降可借助重力实现。图3.6 剪叉机构液压回路3.2.2确定液压执行元件的形式液压执行元件大体分为液压缸或液压泵。前者实现直线运动，后者完成回转运动，二者的特点及适用场合见下表。表3.1 液压执行元件名 称特 点适 用 场 合双活塞杆液压缸双向对称双作用往复运动单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进，A1=2A2往返速度相等柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其他外力返回摆动缸单叶片式转角小于360度双叶片式转角小于180度小于360度的摆动小于180度的摆动齿轮泵结构简单，价格便宜高转速低扭矩的回转运动叶片泵体积小，转动惯量小高转速低扭矩动作灵敏的回转运动摆线齿轮泵体积小，输出扭矩大低速，小功率，大扭矩的回转运动轴向柱塞泵运动平稳、扭矩大、转速范围宽大扭矩的回转运动径向柱塞泵转速低，结构复杂，输出大扭矩低速大扭矩的回转运动注：A1无杆腔的活塞面积 A2有无杆腔的活塞面积对于本设计实现单纯并且简单直线及回转运动的机构，可以采用齿轮式液压泵及单活塞杆液压缸，这样不仅简化液压系统降低设备成本，而且能改善运动机构的性能和液压执行元件的载荷状况。3.2.3液压缸的安装方式工程液压缸均为双作用单活塞式液压缸，安装方式多采用耳环型。由于本设计中液压缸在作用过程中是两端在垂直面上自由摆动的形式，因此选择液压缸的安装方式为：两端耳环联接。3.3确定液压缸主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。133.3.1 载荷的组成与计算首先，需要确定液压缸处于最大工作压力时的位置，通过上述的讨论，得知当液压缸与地面夹角为最小值时，也即支撑杆与地面夹角为最小值时，液压缸处于最大的工作压力状态下。当液压缸下降至最低高度时（设此时支撑杆与地面夹角=）=。现在值还是一个未知量，但值的大小必须在之内，初步设定。根据专用车机构与设计（卞学良 机械工业出版社），7依据瞬时功率相等原理求得： （3.9）设,则上式可表示为图3.7 液压缸驱动力推导简图设是转动副C与的实际距离，L是剪杆的全长，一般m和n都取小于1的数，x为活塞的位移，剪叉机构平台上承受载荷为W,剪叉机构阶数为N。当平台处于最低位置时，液压缸荷重最大，此时， （3.10）下面就根据载荷量来选取合适的液压缸。 图3.8 液压系统计算简图本图表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注于图上，其中是作用在活塞杆上的外部载荷，是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。作用在活塞杆的外部载荷包括工作载荷，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。（1）工作载荷常见的工作载荷有作用于活塞杆上轴线的重力、切削力、挤压力等，这些作用力的方向与活塞的运动方向相同为负，相反为正。在实际工作过程中，由于载荷量较大，活塞自身的重力可以忽略不计，切削力与挤压力共同组成的外力即为工作载荷,=P。由于本设计按最大载荷量定为0.3吨来计算，所以每个液压缸=P=286842N。（2）导轨摩擦载荷对于直动型安装的液压缸一般都附有活塞导轨以固定其运动方向，导轨摩擦相对于总载荷可以忽略不计，因此=0。（3）惯性载荷，。速度变化量m/s起动或制动时间，s。一般机械=0.10.5s，对轻度载荷低速运动部件取小值，对重载荷高速部件取大值。行走机械一般取=0.51.5s加速度初步选定速度变化量=0.16m/s，=0.6s，则，以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷， 。起动加速时 ， 稳态运动时 ， 减速制动时 。工作载荷并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则=0。但在计算和校核时，应按照最大值取。除了外载荷外，作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力，由于各种液压缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为 式中液压缸的机械效率，一般取0.900.95，这里取0.95， （3.11） 3.3.2初选系统压力液压缸的选择要遵循系统压力的大小，要根据载荷的大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不是很经济；反之，压力选的太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定尺寸不太受限的设备，压力可选低一些，行走机械重载设备压力要选的高一些。按下表初步选取15Mpa。表3.2 各种机械常用的系统工作压力机械类型机 床农业机械,小型工程机械建筑机械液压机大中型挖掘机重型机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力MPa0.81.23528810101820323.3.3计算液压缸的主要结构尺寸液压缸的相关参数和结构尺寸液压缸有关的设计参数见图所示：图3.9 液压缸设计参数图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b表示活塞杆受拉状态。活塞杆受压时:活塞杆受拉时: 式中：无杆腔活塞有效工作面积 有杆腔活塞有效工作面积 液压缸工作腔压力 Pa液压缸回油腔压力 Pa，其值根据回路的具体情况而定，一般可以按 照下表估算D活塞直径 md活塞杆直径 m 表3.3执行元件背压力表系 统 类 型背 压 力 MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，可直接回油路可忽略不计在这里我们取背压力值在本设计中，液压缸不存在受拉的状态，所以只考虑其收压。一般液压缸在受压状态下工作时，其活塞面积为：用运此公式须事先确定与的关系，或是活塞杆直径d与活塞直径D的关系，令杆径比=d/D，其比值可按下表选取。按工作压力选取d/D表3.4 工作压力对应的d与D的关系工作压力MPa5.05.07.07.0d/D0.50.530.620.70.7按速度比要求确定d/D表3.5 速度对应的d与D的关系（）1.251.331.460.1612d/D0.40.50.550.620.71注：速度比 ，为活塞两侧有效面积与之比，即如按工作压力应选取d/D=0.7，则相应的速度比=2，由于活塞不受拉力作用，所以活塞杆收缩时可以适当提高其速度， =2也是完全可以的。运用直径求法公式 （3.12）可以求出d=112mm，液压缸的直径D和活塞杆径d的计算值要按国家标准规定的液压缸的有关标准进行圆整，如与标准液压缸参数相近，最好选用国产液压缸，免于自行设计加工。按照机械设计手册中工程液压缸的技术规格表可以选择圆整后的参数：缸径160mm，活塞杆110mm,速度比=2，工作压力16Mpa，推力302.2kN。计算活塞杆的行程当平台处于最低位置时，此时活塞杆应处于完全收缩状态,液压缸的长度为最小值，。平台的高度。再计算一下平台上升的最大高度，这里设上升至最大高度的，计算得出最大高度H=6.89m。此时活塞杆伸长至：。当活塞杆处于完全收缩状态时，液压缸的长度就等于，选定液压缸长度为910mm。计算其行程：。3.3.4确定液压泵的参数确定液压泵的最大工作压力，根据可以求出 液压缸最大工作压力，从液压泵出口到液压缸入口之间的总的管路损失。初算可按经验数据选取：管路简单、流速不大的取0.20.5Mpa；管路复杂，进油口有调速阀的，取0.51.5Mpa。这里取0.5Mpa。即确定液压泵的流量K系统泄漏系数，一般取1.11.3，这里取1.2液压缸的最大流量，对于在工作中用节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取在前面已经初步选定台面速度变化量=0.16m/s， 我们就设定台面起升的最大速度，则活塞的运动速度（这是在台面刚刚起升状态时，）所以选择液压泵的规格 根据以上求得的和值，按系统中拟订的液压泵的形式，从手册中选择相应的液压泵产品。为使液压泵油一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大2560%。查找手册23-67表23-5-5齿轮泵产品技术概览选择CB-型齿轮泵，其参数如下表表3.6 CB-型齿轮泵参数型号排量ml/r压 力Mpa转速r/min特点生产厂额定最高额定最高CB-1040162018002400可作双联泵榆次液压件厂 确定液压泵的驱动功率在工作中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，则，其中液压泵的总效率，参考下表选择=0.7表3.7 液压泵总效率液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.60.70.650.800.600.750.800.85则，据此可选择合适的电机型号。 3.4液压缸主要零件结构、材料及技术要求3.4.1缸体1.缸体端部联接模式缸筒的结构和端盖的连接形式、液压缸的用途、工作压力、使用环境以及安装要求等因素有关。端盖分为前端盖和后端盖。前端盖将液压缸的活塞杆腔密封并起着为活塞杆导向、防尘和密封的作用。后端盖将缸筒另一端密封，并起着将液压缸和其他机件连接起来的作用。常用的端盖与缸筒的连接形有拉杆、法兰、焊接、外螺纹、外卡环、内螺纹、内卡环和挡圈等八种连接形式。其中焊接只用于后端盖的连接。前端盖采用如图3-10A的内螺纹连接形式，其体积小，重量轻，结构紧凑易于拆装，但缸筒端部结构较复杂结构紧凑。后端盖采用焊接连接形式如图3-10B，该结构简单，外形尺寸小，不过焊后易于变形，清洗拆装有困难。 1缸筒 2端盖图3.10缸筒与端盖的连接2.缸体的材料（45号钢）液压缸缸体的常用材料为20、35、45号无缝钢管。因20号钢的机械性能略低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，则应采用焊接性能比较好的35号钢，粗加工后调质。一般情况下，均采用45号钢，并应调质到241285HB。缸体毛坯可采用锻刚，铸铁或铸铁件。铸刚可采用ZG35B等材料，铸铁可采用HT200HT350之间的几个牌号或球墨铸铁。特殊情况可采用铝合金等材料。3.缸体壁厚的确定根据机械设计手册表23.6-59工程机械用液压缸外径系列，当缸径为160mm时，液压缸外径为194mm,由此可得缸体壁厚。表3.10 液压缸外径系列注：1.液压缸工作压力16。 2.液压缸缸体材料为45钢的无缝钢管。，所以 ， （3.13） 4.缸筒底部厚度的计算 图3.11 缸筒底部平面缸筒底部为平面时，其厚度可按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似计算： （3.14） 式中：缸筒底部厚度； 计算厚度处直径暂取160mm； 液压缸额定压力16Mpa； 缸筒底部材料许用应力100.05Mpa； 最高需用压力5.缸体的技术要求缸体内径采用H8、9配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈时，Ra为0.10.4，当活塞用活塞环密封时，Ra为0.20.4。且均需衍磨。缸体内径D的圆度公差值可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值应按8级精度选取。缸体端面T的垂直度公差可按7级精度选取。当缸体与缸头采用螺纹联接时，螺纹应取为6级精度的公制螺纹。当缸体带有耳环或销轴时，孔径或轴径的中心线对缸体内孔轴线的垂直公差值应按9级精度选取。为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀以厚度为3040的铬层，镀后进行衍磨或抛光。3.4.2活塞的设计计算1.活塞与活塞杆的联接型式见表3.11表3.11 活塞与活塞杆联接方式联接方式备注说明整体联接用于工作压力较大而活塞直径又较小的情况螺纹联接常用的联接方式半环联接用于工作压力、机械振动较大的情况下这里采用螺纹联接。2.活塞与缸体的密封结构，随工作压力、环境温度、介质等条件的不同而不同。常用的密封结构见表3.12：表3.12 活塞与缸体密封结构形式密封形式备注说明间隙密封用于低压系统中的液压缸活塞的密封活塞环密封适用于温度变化范围大，要求摩擦力小、寿命长的活塞密封1O型密封圈密封密封性能好，摩擦系数小；安装空间小，广泛用于固定密封和运动密封Y型密封圈密封用在20MPa下、往复运动速度较高的液压缸密封结合本设计所需要求，采用O型密封圈密封比较合适，其结构如下图。 1聚四氟乙烯；2O形密封圈 图3.12 活塞的组合式密封圈3.活塞的材料液压缸常用的活塞材料为耐磨铸铁、灰铸铁（HT300、HT350）、钢及铝合金等，这里采用45号钢。4.活塞的技术要求活塞外径D对内孔的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。端面T对内孔轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。外径D的圆柱度公差值，按9、10或11级精度选取。3.4.3活塞杆1.端部结构活塞杆的端部结构分为外螺纹、内螺纹、单耳环、双耳环、球头、柱销等多种形式。根据本设计的结构，为了便于拆卸维护，可选用内螺纹结构外接单耳环。2.端部尺寸为内螺纹联接简图。按照本设计要求，选用直径螺距-螺纹长=。3.活塞杆结构活塞杆有实心和空心两种，实心活塞杆的材料为35、45号钢；空心活塞杆材料为35、45号无缝钢管。本设计采用实心活塞杆，选用45号钢。4.活塞杆强度计算验算活塞杆的压缩拉伸强度： （3.15） 式中： d活塞杆直径，前面已经确定为110mm； F变幅缸最大推力，； n安全系数，取2.5； 活塞杆材料的屈服强度，45号钢355Mpa；显然活塞杆直径满足要求。5.活塞杆的技术要求活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为229285HB，必要时，再经过高频淬火，硬度达HRC4555。在这里只需调质到230HB即可。活塞杆和的圆度公差值，按911级精度选取。这里取10级精度。活塞杆的圆柱度公差值，应按8级精度选取。活塞杆对的径向跳动公差值，应为0.01mm。端面T的垂直度公差值，则应按7级精度选取。活塞杆上的螺纹，一般应按6级精度加工（如载荷较小，机械振动也较小时，允许按7级或8级精度制造）。活塞杆上工作表面的粗糙度为Ra0.63, 为了防止腐蚀和提高寿命，表面应镀以厚度约为40的铬层，镀后进行衍磨或抛光。3.4.4活塞杆的导向、密封和防尘1.导向套导向套的导向方式、结构见下表：表3.13 导向套导向方式导向方式备注说明缸盖导向减少零件数量，装配简单，磨损相对较快导向套导向管通导向套可利用压力油润滑导向套，并使其处于密封状态可拆导向套容易拆卸，便于维修。适用于工作条件恶劣、经常更换导向套的场合球面导向套导向套自动调整位置，磨损比较均匀由于本设计举升机，主要用于路灯维修，在工作过程中液压缸伸缩的次数相对较少，所以磨损程度也相对较少。为了减少零件数量，降低成本可以采用缸盖导向的导向方式。 导向套材料导向套的常用材料为铸造青铜或耐磨铸铁。由于选用的是和缸盖一体的导向套，所以材料和缸盖也是相同的，都选用耐磨铸铁。导向套的技术要求导向套的内径配合一般取为H8/f9，其表面粗糙度则为Ra0.631.25。2.活塞杆的密封与防尘活塞杆的防尘，目前最多的是采用双唇形密封圈 1前端盖；2活塞杆；3双唇形防尘圈图3.13 双唇形密封外唇起防尘作用，保持活塞杆表面干净，内唇相当于密封唇口。当活塞杆外伸时，通过主密封粘在活塞杆表层的油膜，即被双唇防尘圈的内唇刮下，就这样在主密封圈与防尘密封圈之间保留了一层油膜，起到润滑作用，提高了密封圈的实用寿命。活塞杆的密封现在大多数采用组合式密封圈，它由两个不同元件组成：一个是用聚四氟乙烯加入青铜填料制造的阶梯形密封圈，另一个是O形密封圈。组合式密封圈具有低摩擦阻力、启动时无爬行、极低的泄露量和抗磨损等特点。3.4.5液压缸的排气装置排气阀用于排除液压缸内的空气，使其工作稳定。通常将排气阀安装在液压缸的端部，双作用液压缸应安装两个排气阀。常用的排气阀结构尺寸如下图 图3.14 排气阀结构3.4.6液压缸安装联接部分的型式及尺寸1.液压缸进出油口接头的联接螺纹尺寸，根据表23.6-51选取标准值,公称直径螺距数量=2.液压缸为单耳环型安装的主要尺寸为： 图3.15 单耳环。3.活塞杆端部尺寸 图3.16 活塞杆端部当缸径为D=160mm时,，EW=130mm。 4.缸盖的材料液压缸的缸盖可选用35、45号锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT200