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CLYX01-033@汽车改装式升降台设计adams%CATIA%ansys
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机械毕业设计车辆工程全套
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1 第 1 章 绪论 1.1 选择的背景、研究目的及意义 升降台是一种多功能起重装卸机械设备、是一种将人或者货物升降到某一高度的升降设备。升降平台可分为：固定式、移动式、导轨式和曲臂式。固定式有：剪叉式升降货梯、链条式升降机、装卸平台等。移动式分为：四轮移动式升降平台、二轮牵引式升降平台、手推式升降平台、手摇式升降平台、交直流两用升降平台、电瓶车载式升降平台、 自行式升降平台、柴油机曲臂自行式升降平台、折臂式升降平台、套缸式升降平台、铝合金升降平台和汽车改装式升降平台，起升高度从 1 米至 20 米不等。铝合金升降平台可 分为单柱铝合金，双柱铝合金，三柱和四柱铝合金。汽车改装式升降台可用于工厂、自动仓库、停车场、市政、码头、建筑、装修、物流、电力、交通，石油、化工、酒店、体育馆、工矿、企业等的高空作业及维修。升降平台升降系统，是靠液压驱动，也被称作液压升降平台。 在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降平台上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降台。除作为不同高度的以下步骤中我们驱动将液货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。是一种将人或者货物升降到某一高度的升 降设备。在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送时，升降平台上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降台。除作为不同高度的货物输送外，广泛应用于高空的安装、维修等作业。 目前，发达国家生产的汽车改装式升降台质量较好、性能较稳定、设备操作简单，在经销商中口碑良好。我国的汽车改装式升降台是 20 世纪 90 年代依据国外的产品技术生产的，到现在举升机市场已经拥有近百个中外品牌，产品系列成百上千。然而汽车改装式升降台虽然也相对定型，但很多产品性能还不够稳定，故障多，可靠性差 ，外观不够美观，在产品设计、技术开发等方面都还有很多地方有待改进。因此，进一步提高产品性能与可靠性，是国内汽车改装式升降台任重道远且亟需改进的地方。然而目前，在我国还没有出现利用虚拟样机技术对汽车改装式升降台进行研究，只有将汽车举升机的工程实践和虚拟样机技术结合起来，才能真正加快汽车举升机产品的发展历程。为此，本课题基于计算机仿真平nts 2 台，应用当前 CAD/CAE 领域应用比较广泛的三维软件 CATIA、有限元软件ANSYS 及动力学仿真软件 ADAMS，进行汽车改装式升降台的强度、刚度、稳定性及动态特性等方面的计算机仿 真研究与分析，为我国汽车举升机产品的设计、技术开发方面提供更多的理论参考，进一步提高汽车举升机的稳定性和可靠性。目前国内的高空作业平台产品主要集中在车载式、剪叉式、牵引式。但无论从结构上还是功能上都无法与国外同类产品相比。自行履带式高空作业平台目前在国内还是空白，自行轮载式平台也只有少数厂家在生产，并且存在产品种类少，臂型结构单一，起升高度低，适应场地能力差等不足之处，因此在功能上与国外先进产品相比还有较大的差距。 随着中国经济的蓬勃发展，举升设备也迎来巨大的市场需求。在高空作业领域中，常以汽车改装式升降台 作为重要工具。它的作用都是将需要升高的人或物水平提升到合适的高度，以便于维修工人对待修设备进行维修或将待运物品举升到合适的高度，正因为人员要在举升设备上工作，因此要求举升设备一定要安全可靠，否则一旦发生危险，后果不堪设想。因此，对举升设备的安全性进行研究将具有重大的意义。本课题研究运用虚拟样机技术对汽车改装式升降台的虚拟设计，在产品制造之前运用 ANSYS、 ADAMS 软件进行仿真研究。 CATIA 是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为 PLM 协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产 品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。 设计对象的混合建模：在 CATIA 的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标， CATIA 提供了变量驱动及后参数化能力。几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到 CATIA 的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。 CATIA 具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性，无论是实体建模还是 曲面造型，由于 CATIA 提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于 CATIA 来说，都是非常容易的事。 CATIA 所有模块具有全相关性，CATIA 的各个模块基于统一的数据平台，因此 CATIA 的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短， CATIA 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念 ，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工nts 3 作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 CATIA, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分 析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM，CRAY 等。 ADAMS，即机械系统动力学自动 分析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国 MDI 公司 (Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前， ADAMS 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS 软件销售总额近八千万美元、占据了 51%的份额 ,现已经并入美国 MSC公司。 软件应用： ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其 求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。 ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非nts 4 常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 利用上 述三种软件进行汽车改装式升降台虚拟设计及仿真分析，可以发现并更正设计缺陷，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率，为生产实际提供理论支持。 1.2 设计主要内容 选取某品牌汽车改装后的升降台设计，要求升降台 接取汽车引擎动力，实现升降台的升降功能 ，平台还需具有 360旋转功能。最大举升高度为 6000mm，最低高度为 950mm，外形尺寸根据选配汽车尺寸自定，上升时间 50s，额定载荷300kg，整机重量 1450kg，电压 24V，电机功率 1.5KW。利用 AutoCAD、 CATIA软件完成升降台二维及三维设计、 利用 ANSYS 软件对关键零部件进行强度、刚度及稳定性校核，利用 ADMAS软件对整机进行动态仿真研究。 1.2.1 设计的基本内容 （ 1）升降台总体方案设计； （ 2）利用 AutoCAD 软件完成升降台二维总体结构设计及零部件设计； （ 3）校核计算； （ 4）利用 CATIA完成升降台三维建模及虚拟装配； （ 5）利用 ANSYS完成关键零件的有限元分析； （ 6）利用 ADAMS软件完成整机动态仿真及分析。 nts 5 1.3 研究采用的技术流程图如图 1.1 所示 。 图 1.1 技术流程 图 调研、收集资料及总体方案论证 汽车改装式举升机 结构设计及校核 CATIA 三维实体建模 转换接口 是否合理 CATIA 整机装配及干涉检查 是否合理 仿真结论分析 撰写设计说明书 N ANSYS 有限元分析 ADAMS 动力学析仿真 转换接口 是否合理 N Y Y Y N nts 6 第 2 章 汽车改装式升降台举升机构设计 2.1 汽车改装式升降台车体选择 汽车改装式升降台车体 底盘按总体性能可分为通用汽车底盘、专用汽车底盘二种。通用汽车底盘指通用汽车的二类底盘。由于原汽车车架的强度和刚度满足不了作业时的要求，故需要在原汽车底盘上增设 副车架 以实现对上车的支撑，所以整个高空作业车的重心较高，重量也较大，从而导致整机性能下降。但由于通用底盘的价格较低，在中小型的高空作业车上比 较常用。 专用的汽车底盘是按高空作业车要求专门设计制造的。专用底盘轴距较长，车架刚性好，其驾驶室的布置有三种形式，一是正置驾驶室 (与通用汽车一样 )，二 是侧置的偏头式驾驶室，三是前悬下沉式驾驶室 。 据设计要求 最大举升高度为 6000mm，最低高度为 950mm， 上升时间 50s，额定载荷 300kg，整机重量 1450kg，电压 24V，电机功率 1.5KW。 外形尺寸根据选配汽车尺寸自定， 由已知的参数可知， 待改装式汽车可 在 3.5到 12t 之间 选择 ，属于 2N 类，即属于中型的载货机 动车， 即 选用二类底盘（通用汽车底盘） 。 选用二类底盘不但可以缩短开发周期，而且也降低了制造的成本，再根据已知条件中给的整车整备质量、轴数、轴距、外型尺寸等，在查取的二类底盘中选用了 金杯 SY1036SAS3的货车底盘。 经调研， 该 金杯牌 卡车 ，发动机型号： CA498，最大设计总质量 3600kg，发动机额定功率 62.5kw 整车整备质量 1825kg，车厢厂3300mm,车厢宽 1800mm，满足使用要求。 2.2 升降台整体结构形式及基本组成 此次课题设计的内容为剪刀式举升机，剪刀式举升机的发展较迅速，种类也很齐全。按照剪 刀的大小分为 大剪 式举升机（又叫 子母式）， 还有 小剪（单剪）举升机 ；按照驱动形式又可分为机械式、液压式、气液驱动式。整体结构形式如图 2.1所示。 nts 7 图 2.1 剪刀式液压平板举升机由机架、液压系统、电气三部分组成。 设置限位装置、升程自锁保护装置等以保证举升机安全使用，保障维修工人的生命安全。剪刀式举升机有两组完全相同的举升机构，分别放于左右两侧举升臂之间，因两侧结构完全相同，可以左右互换。举升机由电气系统控制，由液压系统输出液压油作为动力驱动活塞杆伸缩，带动两侧举升臂同时上升、下降、锁止 举升机一侧上下 端为固定铰支座，举升臂由销连接固定在铰支座上。另一侧上下端为滑轮滑动，举升臂通过轴与滑轮连接。举升机在工作过程中，以固定铰支座一侧为支点，滑轮向内或向外滑动，使举升机上升下降，当达到适当的举升位置时，利用液压缸上的机械锁锁止。 2.3 举升机各零部件之间的连接关系 举升机的工作是靠液压缸活塞杆的运动实现举升下降的。液压缸固定在两举升臂内侧，通过轴连接，活塞杆作用在上端轴上，轴直接连接两举升臂。活塞杆向外伸出时，带动举升臂向上运动。各举升臂必须相互联系，采用螺栓连接，图中左侧用轴连接，因各铰接处均有摩擦，所以采 用润滑脂润滑。举升臂向上运动时，通过轴带动滑轮滑动，举升臂、轴与滑轮之间需使用键进行周向固定，力才能相互传递，滑轮轴上还放有套筒，并采用锁止螺钉进行轴向固定，轴两端用弹性挡圈固定，防止臂和滑轮外移；连接螺栓处用止动垫圈固定锁止；固定铰支座nts 8 处用销链接，销通过锁止螺钉锁止；底座通过地脚螺栓固定于地面上；这样举升机才能正常工作。 2.4 确定剪刀式举升机的各结构尺寸 2.4.1 剪刀式举升机已知的主要技术参数如表 2.2 所示 表 2.1 主要技术参数 技术数据 数值 单位 举升重量 300 kg 举升高度 6000 mm 提升时间 50 S 要求举升机的提升速度是经 50mm时间内举升机能升高到 6m ,并且举升机在各高度工作时，都能自锁。 2.5 举升机各部分尺寸 2.5.1 支撑平台尺寸 因升降台是放于金杯汽车的车厢上，所以要保证升降台的长和宽不能超过汽车车厢的长和宽。根据车厢长为 3300mm、宽 1800mm，升降台平台前后两端与车厢前后边缘要有一定距离，且满足举升到最高处时的高度是 6000mm,实际高度是6840mm，则平台外型长为 2100mm。平台宽一般为 1740mm。根据要求，工作时上部平台可以进行 360 度旋转 ，重量作用在整个平台上，力并不集中，所以平台不宜过厚，设计为 20mm，平台下部设计环形滚槽，滚槽厚为 20mm，平台尺寸如图2.2所示。 图 2.2 平台尺寸 2.5.2 举升臂尺寸 因平台长 2100mm， 固定铰支座和滑动滚轮分别放于平台下，降低到最低点时举升臂不能超出平台边缘，所以固定铰支座和滑动滚轮要与平台有一定的距离 。 固定铰支座与滑动滚轮之间距离 1950mm。 举升机压缩到最低位置时，举升机高为 880mm,(底座到平台面的距离 )。 如图 2.3 所示底座厚为 15mm，滚轮直径 D=50mm ，滚轮处轴径 Dz=24mm ，为了避免滚轮直接磨损底座，设计时，加工滚轮滑道，滑道厚为 10mm，滑道宽 35mm，nts 9 滑道长为 750mm。上下两滚轮之间的距离为 400mm，根据勾股定理求举升臂长 L, 求得 L=2050mm，举升臂宽 100mm，厚为 20mm。 图 2.3 举升机压缩到最低点时的状态 2.5.3 举升机升高到 6000mm 时尺寸变化 举升机向上举升时，滑轮向内侧滚动，液压系统向上伸缩，固定铰支座和滑动铰支座之间距离缩短，平台与底座之间距离越来越大。举升机升高到 6840mm时，举升机上下两滑轮之间的距离为 6000mm，因举升臂长 L=2000mm，固定铰接处与滑轮之间的距离为 Lb,由勾股定理得 22 1500 LLb ，则 Lb=1322.88mm，滑动轮滑动距离 Lx=2000-1322.88=677.12mm。举升机升高到 6m时，结构状态如图 2.4所示 。 图 2.4 升高到 6m 时举升机主视图和左视图 nts 10 因我们的举升臂宽为 100mm，所以连接处螺栓轴径适当取 Ds=40mm， 滑动滚轮处轴径取 Dz=40mm，滑轮总宽为 40mm。 2.6 举升机在车板上安装尺寸 考虑到待改装车型车板的情况，剪刀式 升降台平放于车板上就可以，采用M40的地脚螺栓固定。 根据待改装车厢宽为 1.75m，长为，举升机上平板要有一定的空间供载人及货物，为了满足以上尺寸要求，升降台两侧支撑杆之间的距离取 900 mm ,平台长 1600mm ，举升机左右结构完全相同，设备控制箱可以左右互换。 2.7 汽车改装式升降台各部件重量 查工程材料手册所知，举升、起重机械的板形材料多用 Q275 钢。 Q275钢的材料性能 ：弹性模量（ GPa） 为 200-220；泊松比 为 0.3；抗拉强度 (MPa)为490 610；密度 (g/cm3)为 7.85。 质量基本计算公式 11000W F L （ 2.1） 式中： W（ kg） 表示钢的理论质量； F（ mm2） 型钢截面积； L（ m） 钢材的长度； （ g/cm3） 所用材料钢的密度。 2.7.1 平台的质量 kgWp 147)8.105.01.2(85.7 2.7.2 滚道质量 kgWg 316)2.08.0214.304.0(85.7 因平台加工有较薄的边缘，所以计算时数据较多，后续计算中我们取平台质量 Wp=120kg 2.7.3 举升臂的质量 kgWb 7.15)21.001.0(85.7 在实际运用中，左侧和右侧举升机完全相同，每侧共有八个举升臂，则举升臂重量和为 kgW bz 6.1 2 587.15 nts 11 2.8 初定电机功率 汽车改装式升降台举升 重量 0.3t， 举升机自身 及其附件的重量 再加上一部分的余量为 0.7t，所以取 W=1t 。初定电机功率，不考虑工作过程损失。 举升平台上方放有待举升物时，设计上升速度 为 ： Vw =tS（ 2.2） 将 S=6000(mm)代入， 由公式（ 2.2）得 Vw= 506000=0.12m/s g=10N/kg 由公式 Fw =3.7 10 =37 KN （ 2.3） Vw取 7.2 m/min 由公式（ 2.3）得 Pw= 60 2.737=4.44（ KW） 取 kwPw 5.4整理前面计算的数据如表 2.4。 表 2.4 剪刀式举升机主要技术参数 举升重量 300kg 举升高度 900-6000mm 实际上升 高度 6100mm 总宽 2000mm 总长 2060mm 平台长 /宽 1600/550mm 举升臂长 2000mm 平台 间宽 900mm 上升 时间 60s 下降时间 60s 电机功率 1.1KW 电源 220V/380V/50Hz 额定油压 18MPa 整机重量 800kg 滑轮移动距离 896.15mm nts 12 2.9 本章小结 本章主要将 汽车改装式升降台 的外型尺寸，各部分结构尺寸，各结构的安装位置确定出来，为后续的设计工作做好准备。在设计过程中我们参考了广力牌 GL3.0/A 小剪式举升机，上海繁宝剪式举升机， Jumbo Lift NT 剪式举升平台的设计，确定了我所设计的剪刀式举升机的组成结构，包括控制机构、传动机构、执行机构，还有所 需的零部件。本章还叙述了剪刀式举升机是如何运动的，实现举升，将车举到我们希望的高度。 nts 13 第 3 章 汽车改装式升降台机构建模 3.1 汽车改装式升降台机构力学模型 汽车改装式升降台机构具有结构紧凑、通过性强和操控性好的特点 ,因此在现代物流、航空装卸、大型设备的举升与维护中得到广泛应用。剪刀式举升机构作为举升平台钢结构的关键组成部分 ,其力学特性对平台性能产生直接影响。对于汽车改装式升降台机构来说 ,影响其力学性能的关键因素是举升油缸的安装位置。计算、分析剪刀式起升机构的传统方法通常为手工试算或整体有限元分析方法。 但手工试算法精度不高 ,效率低 ;整体有限元分析法较适用于后期的验算分析 ,但在设计分析初期 ,存在建模困难和较难快速调整模型参数的问题。在建立力学模型时，我们利用 MATLAB 软件所具有的强大矩阵计算功能 ,对影响剪刀式起升机构力学特性的关键参数展开研究 ,从而 得到剪刀式举升机构的力学模型。 3.1.1 汽车改装式升降台力学模型建立与分析 举升机左侧为固定铰支座，右侧为滑动铰支座，平台上放有荷载，受力情况如图，图中 F4 与 F2 作用点分别对应平台和底座的固定铰支座位置 , F5 与 F3 作用点分别对应平台和底座的滑动铰 支座位置， W1为平台所收载荷， F1为液压缸推杆对剪差臂的推力。 图 3.1 力学方案示意图 为分析方便 ,我们将平台钢结构和平台有效载荷之和简化为 W1 ,剪刀式举升nts 14 机构自重载荷为 W2 ,油缸自重载荷为 Wz ,根据分析 ,假设举升臂机构自重载荷为W2和 油缸自重载荷为 Wz忽略不计。如图所示 ,根据上一章所定举升臂两端销孔中心连线长度为 L ,L=2000mm，设剪差杆与水平夹角为 ，液压缸与水平面夹角为 ， 当升降台处于最低位置 时，由几合运算知 = 2000100arcsin = 87.2 = 600235arctan = 39.21 液压缸长度 L=39.21cos600 =644.39mm 当升降台上升到最高位置处时 = 50 = 600235arctan = 39.21 液压缸长度 L=50co s )20050sin700( =1145.37mm 液压缸起升速度 V=50 )39.64437.114 5( =10mm/s 活塞有效行程： 500.98mm。 3.2 汽车改装式升降台处于最低位置时的受力分析： 将对整个平台的分析转换为对最底部两根 举升臂 的分析，由于一共有四个支点共同承担所有的重力，所以每个支点所承担的重力为总重 力的四分之一。 图 3.2 最低点时双 臂 受力图 nts 15 再通过力学原理将对两根杆的分析转换为对一根杆的分析，如 图 3.3 所示。 图 3.3最低点时一杆的受力分析图 LGLGSF 4121211 KNmmKNmmLGF 1.5289.2871520002189.287211 3.2.1 对 举升臂 进行受力分析 图 3.4举升臂受力分析图 nts 16 1sin11 FF 2c o s11 FF 26.2439.2187.2 F1=52.1KN KNF 41.211 KNF 50.471 010003504200041 FFG（ 1） 0700110003504200041 FFFG（ 2） 170032 0 0 0)2()1( FF KNF 49.73 0100049.750420001541 FKN KNF 2.04 3.2.2 对 举升臂 （ II）进行校核 图 3.5举升臂（ II）校核图 nts 17 1 举升臂的弯矩图如图 3.11所示举升臂最大弯矩 21 0 . 1 8 c o s 2 . 8 7 m 1 0 . 1 72M K N K N m= 窗 ? 2 确定举升臂 2中性轴的位置 截面形心距底边为： 2 0 1 0 0 5 0 502 0 1 0 0y m m创=因举升臂 2结构可近似一方钢，所以通过截面中心的中心线即为中性轴。 3 截面对中性轴的惯钜 33 74b h 2 0 1 0 0 1 6 . 6 7 1 01 2 1 2I z m-创= = = ? 4 举升臂的最大弯曲应力 3371 0 . 1 7 1 0 5 0 1 0 3 0 5 a1 6 . 6 7 1 0 MPd -创 ?=? 5 最大轴向正应力 24s i n 2 . 8 7 + c o s 2 . 8 7 1 0 . 5 3NF F F K N= 鞍 ? 2A = 1 0 0 m m 2 0 m m = 2 0 0 0 m m =NFA 210530 5 . 2 6 52 0 0 0 m mN M P a 6 两种变形的总应力 m a x = 5 . 2 6 5 + 3 0 5 3 1 0 . 2 7 M P ad 经查材料表可知 45钢的抗拉强度为 600MPa，屈服强度为 300Mpa。对于承受载荷较大，时间不长的情况下我们取安全系数为 1.2，所以 6 0 0 1 . 2 = 5 0 0 aMP 。由于承受的总应力 310.27Mpa 500Mpa，所以举升臂强度合格。 举升臂在最低位置时受力强度最大，经校核举升臂强度合格。 3.2.3 对 臂 （ I）进行校核 5111 0 0 0 c o s 1 0 0 044G G Fa创 = 创5 14FG?nts 18 图 3.6举升臂（ I）校核图 1 举升臂的弯矩图如图 3.11所示举升臂最大弯矩 121 5 c o s 2 . 8 7 m 3 . 7 542M K N K N m= 创 按 环 2 确定举升臂 1中性轴的位置截面形心距底边为： 2 0 1 0 0 5 0 502 0 1 0 0y m m创= 因举升臂 1结构可近似一方钢，所以通过截面中心的中心线即为中性轴。 3 截面对中性轴的惯钜 33 74b h 2 0 1 0 0 1 6 . 6 7 1 01 2 1 2I z m-创= = = ? 4 举升臂的最大弯曲应力 3373 . 7 5 1 0 5 0 1 0 1 1 2 . 4 6 a1 6 . 6 7 1 0 MPd -创 ?=? 5 最大轴向正应力 1 3 . 7 54NF G K N= 2A = 1 0 0 m m 2 0 m m = 2 0 0 0 m m nts 19 =NFA 23750 1 . 8 7 52 0 0 0 m mN M P a 6 两种变形的总应力 m a x = 1 . 8 7 5 + 1 1 2 . 4 6 1 1 4 . 3 4 M P ad 经查材料表可知 45钢的抗拉强度为 600MPa，屈服强度 为 300Mpa。对于承受载荷较大，时间不长的情况下我们取安全系数为 1.2，所以 6 0 0 1 . 2 = 5 0 0 aMP 。由于承受的总应力 114.34Mpa 500Mpa，所以举升臂强度合格。 举升臂在最低位置时受力强度最大，经校核举升臂强度合格。 3.2.4 活塞杆顶端支承轴的强度校核 因为此横轴作为液压缸的支承轴，推力直接作用在轴线垂线上，两端固定在举升臂开孔中，所以其属于纯弯曲变形，其受力如下图 3.13所示。轴材料为 40Cr，许用抗拉强度为 1000MPa ，轴径为 40mm。为了避免因弯曲过大 而导致对轴的破坏，本设计采用双液压缸，分别支撑在横轴两端。因在刚举升的最低点轴受力最大，这里只校核此种情况的安全性。 图 3.7 支撑轴的剪力图与弯矩图 由图 3.7 可得： 5 2 . 1 0 . 1 0 m 5 . 2 1M K N K N m= ? ? 33M 5 . 2 1 m= = 8 2 9 . 6 ad 0 . 0 43 2 3 2M K N MPW d=?式中： M 为横截面上的弯矩； W 轴的抗弯截面系数。 nts 20 经校核可知： 829.6MPa 1000MPa，因这个最大应力仅在举升瞬间存在，其余时间均小于此值，所以强度合格。 3.2.5 连接举升臂销轴的强度校核 因销轴是插进两个交错的举升臂内部孔中，所以其主要承受剪应力，校核时只需要考虑其剪切变形即可。销轴材料按规定为 35钢，轴径 40mm，许用剪切应力 t =98MPa。如 图 3.14所示。 图 3.8 销轴的受力图 1、在刚要举升最低点时销轴的强度计算 举升最低点时销轴承受的应力为： 31313 . 7 5 1 04 7 . 4 6 9 8 M404GM P a P aAd p = = = ?所以此轴满足强度要求。 3.3 本章小结 通过分析剪刀式举升机的结构特点 ,建立剪刀举升机机构的力学模型 ,并通过该模型对决定起升油缸最大推力的关键参数进行研究 ,得到合理的结果 。本章还通过对各举升臂、主受力轴的受力分析与强度计算，来校核设计内容是否合理。并 提出一些加强措施，使结构强度刚度充分满足条件。以上的计算与分析 对提高剪刀式举升机系列化设计的效率和质量有明显的效果。 nts 21 第 4 章 液压系统的选择与计算 4.1 明确设计要求 液压系统是主机的配套部分，设计液压系统是首先要明确主机对液压系统提出的要求，具体包括 4.1.1 主机的动作要求 这是 指主机的哪些动作是要求用液压传动来实现，这些动作间有无联系以及要不要求完成一定自动循环等。主机可能对液压系统提出许多要求，设计者应在了解主机用途、工作过程和总体布局的基础上对这些要求做出分析 。 4.1.2 主机的性能要求 指主机内采用液压传动的各执行机构在力和运动方面的要求，各执行机构在各工作几段所需的力和速度的大小、调速范围、速度的平彻性以及完成一个循环的时间等方面都必须有明确的数据。现代化机械要求高精度、高生产力以及高度自动化，这不仅要求期液压系统具有良好的静态指标，还常对其动态指标提出要求。 4.1.3 液压系统的工作环境 工作环境的温度和湿度，污染和振动冲击情况以及是否有腐蚀和易燃性物质存在等问题均应有明确答案。这涉及液压元件和介质的选用。必要时设计中还应附加防护措施。 4.1.4 其他要求 如液压装置的在重量、外形尺寸方面的限制以及经济性、能耗方面的要求等。 4.1.5 液压系统的选型 油缸是液压系统执行元件，也是举升机构的直接动力来源。通常油缸分为活塞式和浮拄式两类。活塞式均为单向作用，其缸体长度大而伸缩长度小、使用油压低（一般不超过 16MPa）。浮 柱 式为多级伸缩式油缸，一般有 2 5个伸缩节，其结构紧凑， 并具有短而粗、伸缩长度大、使用油压高（可达 35MPa） ， 易于安装布置等优点 。剪刀式举升机多采用活塞式液压缸，动力源直接输送。其中拉塔处的液压缸控制系统为气动，人工脚踏施力，方便灵活且安全可靠。 本次设计两个举升处液压缸及四个固定车体液压缸者均采用 HSG 系列工程液压缸，其形式为单活塞杆双作用缓冲式液压缸。它具有结构简单、工作可靠、装拆方便、易于维修，且连接方式多样、缓冲部位任选等特点。适用于工程机械，矿山机械、起重运输机械、冶金机械及其他机械行业。 nts 22 4.2 液压系统 方案的确定 图 4.1 液压系统原理图 如 图 4.1所示， 汽车改转式升降台 液压系统方案 的结构组成和工作原理如下 ： 结构组成： 油箱、过滤器、液压泵、电动机、先导型电磁溢流阀、调速阀 、压力表、压力表开关、蓄能器 、三位四通电液比例换向阀、单向阀、同步阀、液压缸 、三位四通电磁阀 。 工作原理 ： 液压系统由一个三位四通电液比例换向阀和一个 同步阀 控制两个支撑杆处的液压缸运动；再有两个三位四通电磁阀和六个换向阀共同控制八个支腿处液压缸的运动，三组液压回路可单独控制。 当电液比例换向阀位于左位时，液压泵供油经电液比例换向阀、分流阀向两个液压缸无杆腔输入等量的油液，两液压缸 的活塞杆同步向外伸出，有杆腔的油液经单向阀及电液比例换向阀流回油箱；当电液比例换向阀右位工作时，液压泵供油经电液比例换向阀，分流阀向液压缸有杆腔输入等量的油液，两液压缸的活塞杆同步向内缩回，无杆腔的油液经单向阀及电液比例换向阀流回油箱。 两个三位四通换向阀的工作原理与三位四通nts 23 电业比例换向阀的工作原理类似。 4.3 液压系统的计算 由上一章节的相关计算可知，两个举升液压缸的最大推力均为 52.1KN，参照液压缸制造厂家的相关技术规格可知， HSG 系列工程液压缸能满足本次设计要求的推力且为了保证其安全可靠性，及因长时间 使用的消耗而降低其最大推力值，我们这里选用 HSG 01-80/dE型，它的最大推力为 80.42KN；四个车体固定液压缸的最大推力约为 10KN，我们选用 HSG 01-40/dE 型，它的最大推力为20.10KN。 4.3.1 举升处液压缸行程的计算 图 4.2 液压缸行程图 参照 3.2.2 计算可知：举升至最高点时 L2=1132mm。举升机在最低点时L1=645mm， 即液压缸长度约为 600mm，液压缸行程约为 1100-600=500mm： 参照液压缸的技术规格我们可以查得 HSG 01-80/dE 型的速比选择 1.33 即可，对应行程 S 8D=640mm。因为 282mm 640mm，所以所选规格符合设计要求。 4.3.2 举升处液压系统工作压力的计算 由前面的计算及选型可知，缸径 D=80mm，工作压力计算如下 M P aAFP 37.1004.0 1.52 2 因为 HSG系列工程液压缸的最大工作压力为 16MPa，这里所选用的两个举升液压缸均满足在规定范围内 nts 24 4.3.3 支腿 处液压缸行程的 选择 为保证汽车改装式升降台设计在升高的过程中能够具有足够的稳定与平衡，由 图 4.3可知，需要液压支腿在横向上具有 700mm的伸 长量，在竖直方向上具有500mm的伸长量。 图 4.3 支腿处液压缸行程图 4.3.4 支腿 处液压系统工作压力的计算 由整车整备质量为 1825kg，升降台部分总质量为 588kg,最大举升重量为300kg,每个支腿分担的重力约为 7000N， 参照液压缸的技术规格我们可以查得HSG 01-120/dE 型的速比选择 1.33 即可，对应行程 S 8D=960mm。因为 700mm 960mm，所以所选规格符合设计要求。 4.4 液压 动力 元件的选取 4.4.1 液压泵的选择 计算液压泵的最大工作压力ppppp p 1 （ 4.1） 式中 1p 液压缸的最大工作压力 ， MPa； p 系统进油路上的总压力损失， 可按经验进行估算，简单的系统取 p =（ 0.2 0.5） 610 Pa； 已知 ： 1P = nP =10.37MP nts 25 所以 ppp p 1 =10.37 +0.5 =10.87 MPa （ 4.2） 4.4.2计算液压泵的最大流量pq由于所设计的液压系统有多个液压缸，所以液压泵的最大流量为 m a xqKqq vp （ 4.3） 式中 pq 系统所需流量 ， minL ； K 系统的泄漏系数，一般取 1.1 1.3； maxq 同时动作的液压缸的最大流量，一般 取 2 3 minL ； 初取 K=1.2 maxq=3 minL 或 0.05 sm3310 所以 maxqKqq vp =1.2 3=3.6 minL 或 0.06 sm3310 （ 4.4） 4.4.3液压泵规格的选择 为 保证液压系统工作稳定，所选液压泵应有较大的最大功率、容积效率和总效率，根据液压泵的最大 工作压力 和最大流量，参考 机械设计手册（第五版）第四 卷 表 21-5-4，最终 系统液压泵选择为内啮合楔块式齿轮泵。 4.4.4计算液压泵的驱动功率并选择 电 动机 由于工作循环中，液压泵的压力和流量比较恒定，所以液压泵的驱动功率pP应按下式计算 ppppqpP（ 4.5） 式中 pq 液压泵的最大流量， minL ； pp 液压泵的最大工作压力， MPa； p 液压泵的总效率，齿轮泵一般取 90%； 所以 %906.387.10pppp qpP 41.48 W （ 4.6）所以 电 动机初选为型号为 Y801-2 的 直流 电动机 。 nts 26 4.5 液压执行元件的选择 4.5.1液压缸 的选择 根据 对液压缸的设计与计算，并结合以往经验对液压缸结构及其各部件结构的选取如下： 1.液压缸 选为单活塞杆转向液压缸 2.缸筒与缸盖的连接型式选用内螺纹连接 3.缸筒材料选用 45 钢 4.活塞结构形式选择整体式活塞 5.活塞与活塞杆连接形式选择卡环连接 6.活塞密封结构选择 O 型密封圈 7.活塞材料选用 45 优质碳素钢 8.活塞杆杆体选用实心杆 9.活塞杆材料选用 45 优质碳素钢 10.活塞杆导向套结构形式选用端盖式导向套 11.活塞杆导向套材料选用灰铸铁 12.活塞与活塞杆的密封件选用 O 型密封圈加挡圈 13.活塞杆的防尘圈选用 ASW 型防尘圈 4.5.2液压马达 的选择 根据 液压系统的设计要求，并结合以往经验，液压马达选取： 额定压力为 16 25MPa、排量为 5 25mL 1r 、 转速为 500 4000r 1min 、输出转矩为 17 64N m、 型号为 CM5，由天津液压机械集团公司生产 的 齿轮式液压马达。 4.6 液压控制阀的选择 由图 4.1 可知，液压系统选择的液压控制阀有： 一个 三位四通电液比例换向阀 、 两个三位四通电磁阀、 一个调速阀、两个溢流阀、四个二位四通换向阀。 所选的液压控制阀均选择液压标准件 控制阀 。 4.7 液压辅助元件的选择 4.7.1油箱的选择 整体式油箱、两用油箱和独立邮箱是三种常见的类型，而独立油箱应用最为广泛，所以本液压系统选择独立油箱。 油箱容量的经验公式为 nts 27 pqV （ 4.7） 式中 V 油箱 的有效容积， L； pq 液压泵的总额定流量 ， minL ； 经验系数， 对低压系统， =2 4，对中压系统， =5 7，对中、高压或大功率系统， =6 12； 初取 =4 所以 pqV 10 3.6=36L （ 4.8） 表 4.1 液压泵 站 油箱公称容量系列（ JB/T 7938-1999） 液压泵 站 油箱公称量系列（ JB/T 7938-1999） /L 2.5 4.0 6.3 10 16 25 40 63 100 160 油箱 的有效容积的最终确定值按上 表就近圆整为标准值，所以由表 5.1可知： 液压系统可选择公称容量为 40L 的油箱。 4.7.2油管和油管接头的选择 常用的油管有硬管和软管两类，一般尽量选用硬管 ，所以本液压系统选用钢管。 管道内径及壁厚是管道的两个主要参数，计算公式如下 vqd4 （ 4.9） bpdn 2 （ 4.10） 式中 q 通过油管的最大流量， sm3 ； 油管中允许流量， sm ；（由于系统所用的是高压管，所以 v 取2.5） 油管内径， ； 油管壁厚 ，； 管内最高工作压力 ， MPa； nts 28 b 管材抗压强度 ， MPa；（由于管材是 45 钢，所以b=600 MPa） 安全系数；（由于系统最高的工作压力 为 20 MPa，大于 17.5 MPa，所以 n 取 4） 所以 mxxxvqd 005.05.214.31006.044 3 （ 4.11） mx xxp d n b 0 0 0 3.06 0 02 40 0 5.0202 （ 4.12） 表 4.2 液压系统用硬管外径系列（ GB/T 2351-1993） 液压系统用硬管外径系列（ GB/T 2351-1993） /mm 4、 5、 6、 8、 10、 12、 (14)、 16、 （ 18）、 20、 （ 22）、25、 （ 28）、 32、 （ 34）、 38、 40、 （ 42）、 50 液压系统用硬管外径 的最终确定值按上表就近圆整为标准值，所以由表 5.2可知：液压系统可选择外径为 6mm 的钢制油管。 油管接头选择卡套式接头。 4.7.3蓄能器的选择 蓄能器的充气压力是蓄能器的重要参数，用于蓄能的充气压力在等温工作过程时按下式计算 npp 5.00 （ 4.13） 式中 0p 充气压力 ， MPa； np 液压系统最高工作压力， MPa； 所以 npp 5.00 =0.5 10.37=5.2 MPa （ 4.14） 蓄能器有弹簧加载、重力加载和气体加载三种类型，本系统选择气体加载式的隔离型皮囊式蓄能器。蓄能器的皮囊材质选择标准丁清橡胶。蓄能器的液压工作介质选择石油基液压液和水。 4.7.4液压工作介质、过滤器和压力表的选择 由于 本液压系统中包含伺服系统，对液压工作介质要求较高，所以本系统选择高粘度指数液压油。 由于本液压系统用到电液比例阀，所以本系统中过滤器选择精过滤器，压力nts 29 表选择电接点式压力表。 4.8 本章小结 本章 主要是针对液压系统的选择与计算做了详细的说明，液压系统并非本设计的内容范围内，主要是对其进行选择来满足使用要求即可。在举升装置中所用的电控液压系统是主要的选择设备之一，我们做了结构原理图的分析，并且通过计算来选择了 HSG 系列的具体型号。 nts 30 第 5 章 CATIA 三维建模与整机装配 5.1 CATIA 软件简介 CATIA 是 法国 达索公司的产品开发 旗舰 解决方案。作为 PLM 协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来
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