汽车起重机起重臂关键件设计 汽车起重机起重臂卷筒设计（全套含CAD图纸）
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毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 汽车起重机起重臂关键件设计 系部： 机械工程 专业： 机械制造 学号： 学生： 指导教师： 专业负责人： 1设计（论文）的主要任务及目标本课题通过 solidworks 三维实体造型软件对起重机卷筒和卷筒轴这两个关键零部件进行建模，运用有限元分析软件cosmoswork 软件对所建的零件模型进行优化分析，通过分析结果来判定零件设计的合理性。2设计（论文）的基本要求和内容（1） 掌握 solidworks 与 cosmoswork 软件的使用方法；（2） 了解有限元分析的方法及意义；（3） 了解机械产品的优化设计方法；（4） 完成起重机卷筒和卷筒轴的建模与分析；（5） 完成相应的工程图（6） 毕业设计说明书；（7） 外文文献翻译（8）答辩用 PPT 演示幻灯片一份；（ 9）其他校、系规定内容。3主要参考文献1成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2004.2江洪，陈燎，王智等. SolidWorks 有限元分析实例解析 M . 北京：清华大学出版社.2007。3林翔，谢永奇. SolidWorks 2004 基础教程M .北京：清华大学出版社.2004。4王旭，王积生. 机械设计课程设计M.北京：机械工业出版社.2003。5张质文等. 起重机设计手册M .北京：铁道出版社.1998。6纪明刚，陈国定。机械设计M.北京:高等教育出版社,20074进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅相关材料，撰写开题报告 2014 年 3 月 9 之前2 掌握 solidworks 与 cosmoswork 软件的使用方法 2014 年 3 月 10 日到 2014 年 4月 153 完成起重机卷筒和卷筒轴的建模与分析 2014 年 4 月 16 到 2014 年 5月 164 完成相应的工程图设计说明书等整体设计 2014 年 5 月 17 到 2014 年 5月 315 校订论文，外文翻译，论文装订，PPT 制作 2014 年 6 月 1 到 2014 年 6 月 20注：一式 4 份，系部、指导教师各 1 份、学生 2 份：毕业设计（论文） 及答辩评分表各一份 毕业论文开题报告学 生 姓 名： 学 号：系 部 ： 机械工程专 业 ： 机械制造设 计 题 目 ： 汽车起重机起重臂关键件设计指 导 教 师 : 2014 年 3月 10 日毕 业 论 文 开 题 报 告一论文研究目的及意义：本课题通过 solidworks 三维实体造型软件对起重机卷筒和卷筒轴这两个关键零部件进行建模，运用有限元分析软件cosmoswork 软件对所建的零件模型进行优化分析，通过分析结果来判定零件设计的合理性 。汽车起重机是装在普通汽车底盘或特制汽车底盘上的一种起重机，其行驶驾驶室与起重操纵室分开设置。这种起重机的优点是机动性好，转移迅速。缺点是工作时须支腿，不能负荷行驶，也不适合在松软或泥泞的场地上工作。汽车起重机的底盘性能等同于同样整车总重的载重汽车，符合公路车辆的技术要求，因而可在各类公路上通行无阻。此种起重机一般备有上、下车两个操纵室，作业时必需伸出支腿保持稳定。起重量的范围很大，可从 8 吨1000 吨，底盘的车轴数，可从 210 根。是产量最大，使用最广泛的起重机类型。中国的汽车式起重机诞生于上世纪的 10 年代，经过了近 30 年的发展，期间有过 3次主要的技术改进，分别为 70 年代引进苏联的技术，80 年代引进日本的技术，90 年代引进德国的技术。但是总体来说，中国的汽车式起重机产业始终走着自主创新的道路，有着自己清晰的发展脉络，尤其是近几年，中国的汽车式起重机产业取得了长足的发展，虽然与国外相比还有一定的差距，但是这个差距正在逐渐的缩小。而且中国在中小吨位的汽车式起重机的性能已经完好，能够满足现实生产的要求。在不久的将来，中国的汽车式起重机行业一定会发展成为一个发展稳定，市场化程度高的成熟产业我的课题是研究汽车起重机起重臂上的专用零部件。卷筒与卷轴。卷筒用以收放钢丝绳，把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并将原动机的回转运动变为直线运动。汽车起重机的工作原理：在起重臂里面的下面有一个转动卷筒，上面绕钢丝绳，钢丝绳通过在下一节臂顶端上的滑轮，将上一节起重臂拉出去，依此类推。缩回时，卷筒倒转回收钢丝绳，起重臂在自重作用下回缩。这个转动卷筒采用液压马达驱动，因此能看到两根油管，但千万别当成油缸。另外有一些汽车起重机的伸缩臂里面安装有套装式的柱塞式油缸，但此种应用极少见。因为多级柱塞式油缸成本昂贵，而且起重臂受载时会发生弹性弯曲，对油缸寿命影响很大。solidworks 三维实体造型软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。在美国，包括麻省理工学院（MIT） 、斯坦福大学等在内的著名大学已经把 SolidWorks 列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、浙江工业大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用 SolidWorks 进行教学。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。在零件模型优化分析中传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散，然后一个个分别处理，耗时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。cosmoswork 提供了多场/多组件的复杂装配分析，从而大大简化工程师的劳动，使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也就更精确参考文献：1成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2004.2江洪，陈燎，王智等. SolidWorks 有限元分析实例解析 M . 北京：清华大学出版社.2007。3林翔，谢永奇. SolidWorks 2004 基础教程M .北京：清华大学出版社.2004。4王旭，王积生. 机械设计课程设计M.北京：机械工业出版社.2003。5纪明刚，陈国定。机械设计M.北京:高等教育出版社,20076陈平，汽车起重机的现状及发展趋势J,起重运输机械。20107须雷，起重机的现代设计方法J,建筑机械。2007,18张质文等. 起重机设计手册M .北京：铁道出版社.19989王明庆.汽车用起重机的发展及应用J.水利电力施工机械.1990.0310金涛.汽车起重机液压系统改造设计J.机电工程技术，2009.0811Yao X,GUO X,Feng Y.Research on he uprising dynamics of a double-darriageOverhead crane systemJ.Imeche.201012LeoDeutsch.Japanesefocus-International rescureJ,Cranes Today,1998,7.13ESPOSITO.Fluid Power with Applications.New Jersey:Prentice-Hall Inc,1980. 14 Russell W.Henke.Introduction to Fluid Power Circuits and sy stems.Addison -Wesley Publishing Company,1970.15Jean U.Thoma.Modern Oilhydraulic Engineering.TradeTechnical.LTD.1970. 毕 业 论 文 开 题 报 告二本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：（1）了解什么是汽车起重机。（2）了解汽车起重机的工作原理。（3）了解汽车起重机起重臂上卷筒的构造以及应用。（4）了解汽车起重机卷筒的作用和种类。（5）了解汽车起重机卷筒的制作方式和合理选用刚材料。（6）卷筒的设计计算受力分析及强度校核（7）卷筒轴的设计计算受力分析及强度校核（8）了解 solidworks 与 cosmoswork 是什么类型的软件；（9）学习掌握 solidworks 与 cosmoswork 软件的使用方法；（10）了解什么是有限元分析；（11）了解有限元分析的方法及意义；（12）了解机械产品的优化设计方法；（13）运用 solidworks 与 cosmoswork 软件完成起重机卷筒和卷筒轴的建模与分析； 进度安排：设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅相关材料，撰写开题报告 2014 年 3 月 9 之前2 掌握 solidworks 与 cosmoswork 软件的使用方法 2014 年 3 月 10 日到 2014 年 4月 153 完成起重机卷筒和卷筒轴的建模与分析 2014 年 4 月 16 到 2014 年 5月 164 完成相应的工程图设计说明书等整体设计 2014 年 5 月 17 到 2014 年 5月 315 校订论文，外文翻译，论文装订，PPT 制作 2014 年 6 月 1 到 2014 年 6 月 20 毕 业 论 文 开 题 报 告指导教师意见：（对本课题深度、广度、工作量及预期达到的目标的意见）指导教师： 年 月 日教研室审查意见：专业负责人： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396本科学生毕业设计毕 业 设 计汽车起重机起重臂关键件设计学生姓名： 学号： 系 部： 专 业： 指导教师： 机械工程系机械设计制造及其自动化购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 汽车起重机起重臂关键件设计 系部： 机械工程 专业： 机械制造 学号： 学生： 指导教师： 专业负责人： 1设计（论文）的主要任务及目标本课题通过 solidworks 三维实体造型软件对起重机卷筒和卷筒轴这两个关键零部件进行建模，运用有限元分析软件cosmoswork 软件对所建的零件模型进行优化分析，通过分析结果来判定零件设计的合理性。2设计（论文）的基本要求和内容（1） 掌握 solidworks 与 cosmoswork 软件的使用方法；（2） 了解有限元分析的方法及意义；（3） 了解机械产品的优化设计方法；（4） 完成起重机卷筒和卷筒轴的建模与分析；（5） 完成相应的工程图（6） 毕业设计说明书；（7）答辩用 PPT演示幻灯片一份；（8）其他校、系规定内容。3主要参考文献1成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2004.2江洪，王智等. SolidWorks 有限元分析实例解析 M . 北京：清华大学出版社.2007。3林翔，谢永奇. SolidWorks 2004 基础教程M .北京：清华大学出版社.2004。4张质文等. 起重机设计手册M .北京：铁道出版社.1998。5纪明刚，陈国定。机械设计M.北京:高等教育出版社,20074进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅相关材料，撰写开题报告 2014/3/9 之前2 掌握 solidworks 与 cosmoswork 软件的使用方法 2014/3/10 到 2014/4/153 完成起重机卷筒和卷筒轴的建模与分析 2014/4/16 到 2014/5/164 完成相应的工程图设计说明书等整体设计 2014/5/17 到 2014/5/31购买后包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 1972163965 校订论文，外文翻译，论文装订，PPT 制作 2014/6.1 到 2014/6/20汽车起重机关键件的设计及其优化摘要：近两年，我国的起重机发展迅速，在各个领域的应用也日趋广泛，但与世界先进水平还有一定的差距，主要原因是国内配套零部件落后，材质差，再有就是制造工艺水平低。本文对 QY20B 汽车起重机的设计做了研究，就汽车起重机整车做了大概的分析和论述，就汽车起重机卷筒机构进行了设计，对于中、小型汽车起重机的发展具有一定的积极意义。solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。本设计通过运用 solidworks软件对卷筒，卷轴建模，运用有有限元分析设计合理性关键字: 汽车起重机，卷筒机构，汽车起重机，solidworks，有限元分析The Design and Optimization for Key Components of CraneAbstract：In the recent two years, our country hoist crane development rapid, in each domain application also day by day widespread, but also has the certain disparity with the world advanced level, the main reason is the domestic necessary spare part backward, material quality bad, again has is makes the technological level to be low.This article has done the research to the QY20B autohoist design, the autohoist entire vehicle has made the general analysis and the elaboration, the autohoist rotation organization has carried on the design, , regarding the center, the small autohoist development had the certain positive sense.Solidworks software, powerful component. Solidworks has a powerful, easy to learn and easy to use and technological innovation three characteristics, this makes Solidworks leading, the mainstream of 3 d CAD solutions. SolidWorks can provide different design scheme, reduce errors in the design process and improve product quality. Finite element analysis is a simple question instead of again after solving the complicated problem. This design by using solidworks software to drum, scroll modeling, the finite element analysis and design are reasonableKey words: Autohoist reel mechanism Crane truck Solidworks The finite element analysis I目 录1 绪 论 -11.1 概况 -11.2 国内汽车起重机发展现状及发展趋势 -11.3 国外汽车起重机发展现状及发展趋势 -21.4 汽车起重机产品的发展趋势 -31.5 SolidWorks 软件简介 -41.6 有限元法的基础理论和软件介绍 -51.6.1 有限元法的提出和应用 -61.6.2 有限元法的优越性与局限性 -61.7 课题任务 -72 卷筒的设计计算及强度校核 -82.1 卷筒的结构与材料 -82.2 卷筒的钢丝绳 -82.3 卷筒的主要尺寸 -92.3.1 卷筒直径 D -92.3.2 卷筒的长度 L -92.3.3 卷筒的厚度 -102.4 滚筒体受力分析 -102.5 滚筒强度校核 -113 轴的设计计算及强度校核 -123.1 按扭矩初算轴径 -123.2 轴的结构设计 -133.3 轴的受力分析 -143.4 输入轴键连接的选择 -153.5 联轴器的选择 -154 Solidworks 三维实体设计 -164.1 Solidworks 软件的特点 -164.2 Solidworks 在本设计的应用 -165 有限元分析 -21 II5.1 卷筒的有限元建模与静态分析 -215.1.1 卷筒的载荷分析 -215.1.2 有限元模型建立 -215.2 卷筒轴的有限元建模与静态分析 -265.2.1 结构模型 -265.2.2 边界条件的处理 -265.2.3 材料定义 -275.2.4 网格的划分和控制 -275.2.5 运行分析和观察结果 -27结 论 -30参考文献 -31致 谢 -3111 绪 论1.1 概况我的课题是研究汽车起重机起重臂上的专用零部件。卷筒与卷轴。卷筒用以收放钢丝绳，把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并将原动机的回转运动变为直线运动。汽车起重机的工作原理：在起重臂里面的下面有一个转动卷筒，上面绕钢丝绳，钢丝绳通过在下一节臂顶端上的滑轮，将上一节起重臂拉出去，依此类推。缩回时，卷筒倒转回收钢丝绳，起重臂在自重作用下回缩。这个转动卷筒采用液压马达驱动，因此能看到两根油管，但千万别当成油缸。本课题通过 solidworks 三维实体造型软件对起重机卷筒和卷筒轴这两个关键零部件进行建模，运用有限元分析软件cosmoswork 软件对所建的零件模型进行优化分析，通过分析结果来判定零件设计的合理性 。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。1.2 国内汽车起重机发展现状及发展趋势随着经济建设的迅速发展，我国的基础建设力度正逐渐加大，道路交通，机场，港口，水利水电，市政建设等基础设施的建设规模也越来越大，市场汽车起重机的需求也随之增加。中国的汽车起重机诞生于上世纪的 10 年代，经过了近 30 年的发展，期间有过3 次主要的技术改进，分别是 70 年代引进苏联的技术，80 年代引进日本的技术，90年代引进德国的技术。但是总体来说，中国的汽车起重机产业始终走着自主创新的道路，有着自己清晰的发展脉络，尤其是进几年，中国的汽车式起重机产业取得了长足的发展，虽然与国外相比还有一定的差距，但是这个差距正在逐渐的缩小。而且我国目前在中小吨位的汽车式起重机的性能已经完好，能够满足现实生产的需求。在不久的将来，我国的汽车式起重机行业一定会发展成为一个发展稳定，市场化程度高的成熟产业。 中国汽车式起重机已经大量使用可编程集成控制技术，带有总线接口的液压阀块，液压马达，油泵等控制和执行元件已较为成熟，液压和电器已实现了紧密的结合。可通过软件实现控制性能的调整，大幅度简化控制系统，减少液压元件，提高系统的稳定性，具备了实现故障自动诊断，远程控制的能力。2当前我国新一代汽车起重机产品，起重作业的操作方式，大面积应用先导比例控制，具有良好的微调性能和精控性能，操作力小，不易疲劳。通过先导比例手柄实现比例输送多种负荷的无级调速，有效防止起重作业时的二次下滑现象，极大的提高了起重作业的安全性、可靠性和作业效率。部分大型汽车式起重机还在伸缩臂上使用了单缸插销的伸缩技术，通过液压销作用，以单个液压油缸可完成多节伸臂的运动，并达到各种工况的程序控制和自动伸缩，改变了以往不能油缸加内部绳排的作业方式，使起重机相对更轻，拓展了起重机向更高工作高度发展的空间。在走向国际市场的过程中，我国汽车式起重机产业近几年品质水平的快速提高，也得到了国际拥护的高度肯定，由于产品使用规范，用户的专业素质较高，出口产品的质量反馈比在国内有了明显的减少，产品反映较好。这都为中国汽车式起重机行业的发展打下了良好的基础。我国的汽车式起重机的生产企业要想在本领域生存与发展，需要做的事情还很多，由于市场需求的增大，也要求生产企业不断创新，在保证起重机性能的基础上还要不断开发出更大吨位的新产品，满足市场的需求。只有这样才能从市场中获得养分和活力使自己生存，在生存中发展，在发展中壮大。1.3 国外汽车起重机发展现状及发展趋势国外工程起重机从整体情况分析，领先国内 10-20 年(不同类型产品有所不同)。随着国外经济发展速度趋于平稳，工程起重机向智能、高性能、灵活、适应性强、多功能方向发展。25t 以下基本上不生产，产品向高附加值、大吨位发展，如利勃海尔公司汽车起重机基本退出市场，目前市场主导产品为全地面起重机，最小吨位是35t，而 80t 和 160t 是主导产品；格鲁夫公司：主导产品是全地面起重机和轮胎起重机，最小吨位是 25t；多田野公司：汽车起重机只占 20%，主导产品是全地面起重机和轮胎起重机，最小吨位 16t。因此行业配套也与国内有所不同：1） 下车主要是 300kW 以上柴油大功率发动机，与之配套的液力变矩器和自动换档变速箱、12 吨级驱动转向桥及越野轮胎。2） 上车：高强度材料、大扭矩的起升机构、回转机构、回转支承。3） 液压系统：变量泵、变量马达、电磁换向先导阀及主阀、平衡阀、悬挂3系统阀、液压锁、液压缸及管路标准配套件。4） 智能控制系统：力限器显示控制、记忆通讯及单缸顺序伸缩自动控制。由于国外工程机械起步较早，形成了成熟的配套件体系。如力士乐的泵马达、阀、起升、回转、行走机构；贝林格的主阀、先导阀、平衡阀；哈威的主阀、先导阀、平衡阀；ZF 的变速箱、分动箱；凯斯兰的桥；PAT 的力限器等等。配套厂能与主机厂协作密切，联合开发，再加上主机厂家的专有技术，能形成很强的核心竞争优势，能够保证主机性能的发挥和可靠性的提高。1.4 汽车起重机产品的发展趋势自90年代以来，国外工程机械进入了一个新阶段，目前我国汽车起重机在工程机械的发展趋势是：1、在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构和新产品。2、继续完成提高整机可靠性。3、技术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量，在集成电路、微处理器、微型计算机及电子监控技术等方面都有广泛的应用。4、努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员的工作条件，向节能、环保方向发展，可靠性、安全性、舒适性、环保性得到了高度重视。5、向大型化和微型化方向发展。借鉴国外工程机械产品的发展趋势，并结合我国实际，我国的科学技术水平不能与国外相提并论，所以我们必须在产品质量、产品开发、产品创新上下大功夫才能与国外大型公司竞争。我国工程机械产品的发展走势应是：1 系列化、特大型化系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化进程，形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时，产品更新换代的周期明显缩短。特大型工程机械产品特点是科技含量高，研制与生产周期较长，投资大市场容量有限，市场竞争主要集中少数几家公司。因此我国必须在此加大研发力度才不至于在此受制于国外。2 多用途、微型化4为了全方位地满足不同用户的需求，国外工程机械在朝着系列化、特大型化方向发展的同时，已进入多用途、微型化发展阶段。一方面，工作机械通用性的提高，可使用户在不增加投资的前提下充分发挥设备本身的效能，能完成更多的工作；另一方面，为了尽可能地用机器作业替代人力劳动，提高生产效率，适应城市狭窄施工场所以及在货栈、码头、仓库、舱位、农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求，小型及微型工程机械有了用武之地，并得到了较快的发展。为占领这一市场，各生产厂商都相继推出了多用途、小型和微型工程机械。3 电子化与信息化互动以微电子、Internet为重要标志的信息时代，不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统，并广泛应用于工程机械的产品设计之中，进一步提高了产品的性能及高科技含量。4 安全、舒适、可靠 驾驶室将逐步实施优化设计方法，配装冷暖空调。全密封及降噪处理的“安全环保型”驾驶室，采用人机工程学设计的司机座椅可全方位调节，以及功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置及电子监控与故障自诊断系统，以改善司机的工作环境，提高作业效率。大型工程机械安装有闭路监视系统以及超声波后障碍探测系统，为司机安全作业提供音频和视频信号。微机监控和自动报警的集中润滑系统，大大简化了机器的维修程序，缩短了维修时间。大型工程机械的使用寿命达2.05万小时，最高可达2.5万小时。 5 节能与环保为提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求，主要从降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。1.5 SolidWorks 软件简介SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从19995年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司，SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的CAD产品。由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。据世界上著名的人才网站检索，与其它3D CAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其它软件的总和还要多，这比较客观地说明了越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业雇佣SolidWorks人才。据统计，全世界用户每年使用SolidWorks的时间已达5500万小时。在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如哈尔滨工业大学、清华大学、浙江工业大学、浙江大学、华中科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、武汉理工大学等也在应用SolidWorks进行教学。1.6 有限元法的基础理论和软件介绍传统起重机的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计法和类比法、直觉法等传统设计方法，设计过程反复多，周期长，设计的精确度差。6近年来，随着电子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程、人机工程等设计理论的不断深入，促使许多跨学科的现代设计方法出现，使起重机的设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。这些起重机的现代设计方法主要包括有限元法、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计(CAD)、动态仿真设计、模块化设计、反求工程设计、工艺技术造型设计、通用化设计等。其中有限元法和优化设计目前在起重机的设计中应用最为广泛，成为起重机设计中的主流方法。1.6.1 有限元法的提出和应用工程计算中，由于传统的计算方法不仅经常因人为计算疏忽造成错误外，由于计算方法受计算工具的限制，致使几何结构及边界条件等过于简化，使得计算结果与实际上有极大的出入，因此参考价值有限。有限元法正是基于工程实际的需要而产生的。有限元法的思想起源于20世纪50年代处理飞机结构的矩阵分析。由于当时电子计算机不普及，未能引起人们的重视，直到60年代才被推广到弹性力学平面问题的应用分析上，并开始采用“有限元素法”这一术语。半个世纪以来随着电子计算机的广泛应用，有限元法不仅成为进行工程结构分析的重要数值方法，而且被广泛应用于固体力学的各个分支，甚至流体力学、热传导、电磁场、地质力学、生物力学等领域中，从结构计算扩展到结构优化设计，并向更高设计自动化方向发展。有限元法的发展借助于两个重要工具:其理论指导采用矩阵方法，在实际计算中则采用电子计算机。因此，在有限元法中，有限元、矩阵、计算机是三位一体的。Kq=F其中，K为整体结构的刚度矩阵，表示节点载荷F与节点自由度的位移q相关性。(4)求解未知节点位移解有限元方程可求出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。71.6.2 有限元法的优越性与局限性有限元法能够得到迅速的发展与越来越广泛的应用，除高性能计算机的出现与发展提供了充分有利的条件外，还与有限元法所具有的优越性是分不开的。有限元法的优越性主要有:(1) 在固体力学及其他连续体力学中，只有一些特殊类型的位移场和应力场才能求得微分方程式的解。对于多数复杂的实际结构得不到解。而有限元法对于完成这些复杂结构的分析是一种十分有效的数值方法。有限元法是利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的计算，虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状和大小，可使近似解达到满意的精度。(2) 有限元法另一个优点在于引入边界条件的方法简单，边界条件不需要进入单元有限元的方程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进。所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数。而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，这对编制通用化的程序带来了莫大的简化。(3) 有限元法不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料性质问题，例如材料的各向异性、非线性、随时间或温度而变化的材料性质问题。另外它还可以解决非均质连续介质的问题。其应用范围极为广泛。有限元法通常采用矩阵表达形式，非常便于编制计算机程序，从而适应于计算 机的工作。有限元法的局限性主要有:(1) 有限元法的应用与计算机紧密相关，取决于计算机的储存容量和速度，先进的计算机将有利于有限元的发展。(2) 有限元法作为一种计算方法已经达到了成熟的程度，但在具体应用中还有不小的差距，特别对于一些复杂的问题，如固体力学领域中断裂形态，接触问题与其他领域中的瞬态问题的数值解，目前虽有进展，但还不能十分令人满意，需进一步研究。1.7 课题任务本课题通过solidworks三维实体造型软件对起重机卷筒和卷筒轴这两个关键零部件进行建模，运用有限元分析软件cosmoswork软件对所建的零件模型进行优8化分析，通过分析结果来判定零件设计的合理性，通过对汽车起重机卷筒机构设计原理及技术要求的分析，最大起重量为20T，最大起升高度为16M。2 卷筒的设计计算及强度校核2.1 卷筒的结构与材料卷筒的结构分为筒体部分和支架部分，筒体部分通过轴支承在支架上，支架用4枚螺栓固定在起重机上。支架一般铸造制成，本设计选用45钢，卷筒为保证良好的抗弯强度和抗扭强度选用铸钢，本设计选用45钢。卷筒的制造可分为铸造和焊接两种。在一般载荷的起重机中采用灰口铸铁，对于重要的卷筒可用球墨铸铁，对于重载荷的卷筒，可采用铸钢。对于有重量要求的机构，采用铸造卷筒。2.2 卷筒的钢丝绳卷筒在起升机构或牵引机构中用来卷绕钢丝绳，将螺旋运动转换为直线运动。卷筒通常是圆柱形的，特殊的卷筒也有制成圆锥形或曲线形的。卷筒有单层和多层2种，一般的起重机采用单层卷筒。单层卷筒通常表面切出螺旋槽，是为了增加钢丝绳的接触面积和防止相邻钢丝绳的磨损。绳槽分为标准槽和深槽两种（图2.1），其尺寸为R0.55d。（d钢丝绳直径）图 2.1 卷筒槽形9标准槽： c1（0.30.4 ）d，t 1=（24） （mm）深槽： c20.6d，t 2=d+（68 ） （mm ）一般采用标准槽，由于节距小，机构紧凑，深槽的特点是不易脱槽，但节距大，增加卷筒长度。取 c1=8（mm） ，t 1=3（mm）2.3 卷筒的主要尺寸2.3.1 卷筒直径 D卷筒直径 D 与滑轮直径一样，是以槽底计算的直径。卷筒直径的确定方法与滑轮完全相同，即 D0=ed。式中 e与机构工作级别和钢丝绳的有关的系数，根据表 122，取 e=18d钢丝绳的直径，根据表 121，选用钢丝绳型号 6T(25),d=25mm。D D 0= ed=1825=450mm2.3.2 卷筒的长度 L 卷筒的长度（图 2.2） 图 2.2 卷筒的长度L=L0+2l1+ l2 （式2.1）式中 L卷筒总长度； L0绳槽部分长度，其值为 10L0 = （式0HantD2.2）式中 H起升高度； a滑轮组倍率；D0卷筒卷绕直径；t绳槽节距； n附加安全圈数，n=1.53 圈； l1两端的边缘长度； l2固定钢丝绳所需要的长度，l 2=3t=90。 得 L0 =（160013.14450）+330 500mm L=L 0+2l1+ l2=500+220+90=630mm （式2.3）2.3.3 卷筒的厚度按经验公式计算，对于铸铁卷筒，=0.02D+（610） （mm） ；对于钢卷筒，d。然后进行强度校核，铸铁壁厚不宜小于 12mm。这里取材料为 45 钢，筒壁厚为 25mm。2.4 滚筒体受力分析滚筒体作简支梁，两端支撑的端盖在水平及垂直面内均为铰支。作用在筒体上的载荷有钢丝绳对滚筒的张力 F、圆周驱动力Fu 以及钢丝绳轴向位移产生的轴向力，该力与前两项的相对比值较小，故忽略不计，滚筒筒体受力及分析见图 2.3。图中 F 1起升拉力，N； Fu圆周驱动力，N；M3滚筒所受之扭矩， （N/m） ； 11M3=Fu （N/m） ；502DPvM弯矩 ；Mmax （N/m） （式 2.4） N/m284qlFl正应力， （N/mm 2） 图 2.3 卷筒受力分析（N/mm 2） （式 2.5）=MW剪切应力， （N/mm 2） （N/mm 2） （式3n2.6）h合成应力， （N/mm 2） h= （N/mm 2） （式32.7）2.5 滚筒强度校核圆周驱动力 F u=1000 （N） （式6301vp2.8）(查表 12,V=65mmin=1m s)钢丝绳张力 F =Fu =63000（N） （式2.9）扭矩 M 3= Fu （N/m） （ 式14752.06D2.10）弯矩 M max= （N/m） （式.963.4l2F2.11）正应力 W= =342361143)50(14.03m= 1.45（N/mm 2） （式26.9W122.12）剪切应力 = （N/mm 2） （式07.34261753WM2.13）将计算的 、 值代入式（3-6）：（ N/mm2） =65（N/mm 2） （式91.407.2345.132h2.14）本章小结本章主要介绍了卷筒的结构和材料的选择，几卷筒的主要尺寸，为以后的设计做好铺垫，同时也对卷筒进行了强度校核。3 轴的设计计算及强度校核3.1 按扭矩初算轴径1.轴的材料的选择，确定许用应力选用 45 号钢，正火处理 =590MPa, b=55MPa1b2.按扭转强度，初步估算轴的最小直径（式3302.14.60PdAmn3.1）轴伸部位安装联轴器，考虑补偿轴的可能位移，选用非金属弹性元件挠性联轴器，由转速和转矩得=1.5490.13=735.2Nm （式1caATK3.2）13查机械零件设计手册表GB/T4323-2002 LT选LT9型弹性套柱销联轴器，标准孔径d=50mm，即轴伸直径为50mm 。轴孔长度L=114mm图 3-1 卷轴 3、轴承和键采用角接触球轴承，并采用凸缘式轴承盖，实现轴承系两端单向固定，轴伸处用A型普通平键与小齿轮联接，实现周向固定。3.2 轴的结构设计（1） 、径向尺寸的确定从轴段d1=50mm开始逐渐选取轴段直径，d2根据齿轮的相配合关系，取d2=86mm，d3与轴承的内径相配合，为便与轴承的安装，查GB/T 292-1994，选角接触70IC轴承，则d3=90mm且d3=d5=90mm，d6起固定作用，定位轴肩高度可在（0.070.1）d范围内， h（0.070.1）d5=（ 6.39）mm。应取d6=100mm,d7根据结构而定取d7=80mm。（2） 、轴向尺寸的确定由GB/T4323-2002查联轴段长度114mm取L1=91mm，L2根据齿轮宽度B，取L2=152mm，L3，L5为与轴承配合的轴段长度，L3=L9=43mm，L4考虑到与卷筒的配合关系取L4=604mm，L6与支架相配合，取L6=135mm，其他轴段的尺寸长度与箱体等的14设计有关L7=185mm，则轴总长1253mm (3)、轴的强度校核选用45钢，调质处理，硬度HBS=230，强度极限 ，屈服极限 =360Mpa，弯曲Bs疲劳极限 =300Mpa，剪切疲劳极限 =155Mpa，对称循环变应力时的许用应力1 1=60Mpa。校核轴的强度时，应选择若干危险截面（承受计算弯矩最大截面处或1b承受计算弯矩较大，儿几何尺寸较小处），轴危险截面上的强度条件为（式122)(WTMcac3.3）式中 轴的弯扭组合计算应力，单位为MPa；caM轴所受的弯矩，单位为 ；mNT轴所受的转矩，单位为 ；折算系数，用以考虑转矩产生的扭转切应力与弯矩产生的弯曲应力循环特性不同的影响（根据轴的工作特点，当扭转切应力为脉动循环变应力是，=0.6；当扭转切应力与对称循环变应力，如频繁正反转的轴，取 =1）W抗弯截面系数，单位为 3m5301862)(103862)(3 2dtb 3mMPaPaMcac 67.501)743(4912 故设计符合强度要求。3.3 轴的受力分析15图 3.2 受力弯矩分析（a）受力简图 （b）水平面的受力和弯矩图 （c）垂直面的受力和弯矩图 （d）合成弯矩图 （e ）转矩图 （f）危险截面弯矩图3.4 输入轴键连接的选择联轴器与输入轴连接采用平键连接轴径d1=50mm，L1=114mm16查机械零件设计手册P53 表4-1 选用C型平键，得：b=14 h=9 L=70即：键C1470 GB/T 1096-2003 l=L-b=114-14=100mm T=23.947Nm 根据教材P106式6-1得 （式332102.947102.5pTMpakld3.4）3.5 联轴器的选择联轴器的选择（1）、类型选择：为了隔离振动与冲击，选用非金属弹性元件挠性联轴器（2） 、载荷计算：由机械设计第八版表 14-1 查得 。故由公式（14-1）的计算转矩1.5AK为： （式1.5490.37.2caATKNm3.5）(3)、型号选择：依据轴的设计与计算中知：查查机械设计课程设计手册P97 表 8-5 （GB/T 4323-2002）选 LT9 型弹性套销柱联轴器，标准孔径 d=50mm，即轴伸直径为 50mm 。本章小结本章主要介绍了轴的设计及校核。4Solidworks 三维实体设计4.1 Solidworks 软件的特点17Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWork资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理CAD 文件。使用 SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中，SolidWorks 是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论：“在基于 Windows 平台的三维 CAD 软件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市场快速增长的领 导者。 ”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用 SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。4.2 Solidworks 在本设计的应用运用 solidworks 对卷筒以及轴进行建模，确定它们之间的配合关系，为接下的有限元分析做准备。下面的图设计的基本零件。18图 41 卷筒图 42 卷筒轴1943 轴承44 左轴承端盖2045 左连接板46 右轴承端盖2147 卷筒组组装48 卷筒组爆炸图本章小结本章运用 solidworks 软件对卷筒和卷轴进行建模225 有限元分析5.1 卷筒的有限元建模与静态分析5.1.1 卷筒的载荷分析在起重机的起升机构中通常是将钢丝绳单层卷绕在卷筒上,且双联卷筒较为典型,单联卷筒较简单些,故仅分析单层卷绕、双联卷筒的情况。对于单层卷绕的卷筒而言,卷筒在工作中承受着下述应力:卷筒传递扭矩所引起的扭转应力;钢丝绳拉力引起的弯曲应力;钢丝绳在卷筒上卷绕时对卷筒的紧箍作用的应力。卷筒上的扭转应力较小,可以忽略不计。在较短的卷筒中,弯曲应力也可以不予考虑。因此,卷筒壁厚主要与钢丝绳在卷筒上卷绕时对卷筒的紧箍作用有关,紧箍作用引起的应力使卷筒受到压缩和弯曲。卷筒在具有一定拉力的单圈绳索的作用下将产生局部弯曲变形,而卷筒在受到依次排列的许多绳圈载荷作用下,也将依次产生局部弯曲变形。对于钢丝绳拉力引起卷筒的弯曲应力,通常对长径比较大的卷筒才比较明显,而对于粗短形状的卷筒,这种整体弯曲应力是可以不考虑的5.1.2 有限元模型建立由于卷筒受力较为复杂,绳槽截面又较为特殊,故需作些简化。(1) 模型简化在卷筒模型简化时将卷筒和绳槽作如下假设: 卷筒是圆柱薄壳,材料均质且各向同性;
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