小型汽车修理举升机设计

小型汽车修理举升机设计学 生：盛蔚君指导老师：任述光(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128)摘 要：举升机能根据汽车修理作业的内容使车身上升到合适高度，对于分解修理作业、更换润滑油、车辆洗净、检查作业等能有效而且安全地运行。液压式双柱汽车举升机作为一种液压技术新产品开发设计研究 , 他有着其他举升机无法比拟的优势：如它采用的结构工作范围广，可维修高顶棚车辆，工作空间空旷等，本文较全面的介绍了举升机的分类，在确定了所要设计的方案之后，即针对了举升机的结构及特点要求进行了设计与说明，同时对汽车举升机立柱、横梁的截面特性，并对主立柱的刚度、强度和托臂的强度进行了校核验算，设计并对液压缸活塞杆强度以及受压杆的稳定性也进行了验算，以保证设计的举升机满足使用要求。关键词：液压式；举升机；刚度；强度；截面特性；校核计算Design of Car Repair LiftAuthor: Sheng Wei-junTutor: Ren Shu-guang(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: Lifting can according to the repair work to rise car to a suitable height for decompostion, repair work, the replacement of lubricants, car wash, check the homework effectively and safely. Hydraulic two-pillar lifting machine is a kind of hydraulic technology development of new products design and research, he has other lift incomparable advantages: such as the structure of wide working range, high ceiling can repair vehicles, working space is empty, this paper comprehensively introduces the lifting machine classification, in the to design plan, which aimed at lifting machine structure and the characteristic requirements for the design and the explain, at the same time the car lifting machine column, beam cross-section characteristics, and the main column, beam stiffness, strength and arm strength undertook checking, design and hydraulic cylinder piston rod strength and pressure bar stability also undertook checking, to ensure that the design of the lifting machine to meet the use requirements.Key words: Hydraulic lifting machine; stiffness; strength; sectional properties; checking calculation1 前言1.1 国内举升机现状及问题目前，全国生产汽车举升机的厂家较多，生产的举升机的形式也比较繁多，有双柱式举升机、四柱式、剪式、组合移动汽车式等。仅从举升机的外型来分类的基本形式就有：普通双柱式、龙门双柱式、四立柱式、剪式、移动式和单立柱式等汽车举升机按照举升机的举升装置的形式分类也有很多种，包括丝杠螺母举升式、链条传动举升式、液压缸举升式、齿轮齿条举升式等举升机。从举升机的驱动方式分，主要有：电机驱动式举升机和液压驱动式举升机。举升机的结构形式主要有：整体结构形式；举升方式；驱动方式；平衡方式；保险与保护方式；托盘结构。从我国的国情出发，从实用角度出发，需要考虑到大多数维修是屋内作业，野外作业有，但是少，故采用两立柱升举，尽量在满足升举条件的情况下，节省空间，为了减少噪音及其达到升降的平稳性采用液压动力升举装置，由于升举的同时，两个同步液压缸的设计不可能完全一样，将导致升举的同时车会发生倾斜，故采用钢丝绳平稳系统，以消除该影响，在满足上述要求的同时，尽量结构简单，操作方便，适用于整体或解体搬运尽量做到标准化，通用化，系列化。1.2 本次研究的目的及意义本课题探讨的是适用于社区汽车维修服务的一种新型汽车维修平台。这种汽车维修平台是适用四轮汽车维修使用的一种现代液压技术专用产品。双柱型汽车维修液压同步升降平台作为一种液压技术新产品开发设计研究 ,是利用现代液压技术和计算机控制技术来改善日益兴旺发达的汽车维修产业界劳动者的工作条件,降低劳动强度和维修成本, 提高汽车维修保养整体服务质量。 1.3 本次设计的主要内容本次设计的普通双柱式汽车举升机是一种汽车修理和保养单位经常用到的举升设备，广泛应用于轿车等小型车辆的维修和保养，要求额定举升重量2.5-4吨，最大举升高度为1.8米，全程上升的时间50-70秒，全程下降时间为20-60秒，举升机上设有液压系统自锁和机械锁紧装置。本文在确定了所要设计的举升机的方案之后，即针对举升机的结构及其特点要求进行了设计与说明，同时对举升机设计过程中所涉及到的工艺性问题进行补充说明。然后分析了普通式双柱汽车举升机主立柱的截面特性，并对主立柱的强刚度和托臂的强度进行了校核验算。对液压缸活塞杆强度以及受压杆的稳定性也进行了验算，以保证所设计的举升机满足使用要求。1.4 本次设计的创新与改进本课题所设计的是液压驱动的普通式双柱汽车举升机。它的特点是：性能可靠，低能耗，操作方便；无横梁，结构简单；非对称托臂可伸缩，保证了安全性；托脚的最低位置低，使得车辆的底盘可以比较低，对各种车辆的适应性扩大了；与螺杆式的举升机相比，使用寿命较长；价格低廉，拥有的市场份额较大。本次所设计的液压驱动的普通双柱式汽车举升机在原有的基础上有了一些改进：尽量在满足升举条件的情况下，节省空间；为了减少噪音及其达到升降的平稳性采用液压动力升举装置；采用钢丝绳平稳系统；结构简单，操作方便7。2 普通双柱式汽车举升机方案的拟定方案一：普通双柱式汽车举升机采用链条传动举升式，由两边两个立柱里安装的液压油缸来推动连接立柱与滑台的链条，使滑台上安装的大滚轮沿立柱滚动，实现滑台的上下移动，链条连接液压缸和滑台来带动整个设备的举升动作，如图1所示：图1链条传动举升装置示意图Fig 1 Schematic diagram of chain transmission lifting device方案二：普通双柱式汽车举升机采用钢丝绳同步装置，钢丝绳连接液压缸和滑台来实现整个设备的举升动作，如图2所示：图2钢丝绳同步装置示意图Fig 2 Schematic diagram of synchronous device for wire rope从图1中可以看到左右两边立柱内的两个举升装置是通过液压软管来连接的，它的一个不足的地方就是左右两个液压缸在开始举升时有一个时间差，这会导致因左右两边的举升速度不一样而举升不平衡，图2中采用了钢丝绳的同步装置，可以消除时间差，整个举升过程更加平衡，噪声也减少了，故选用方案二。3 普通双柱式汽车举升机的设计计算与分析3.1 举升装置本次设计的举升机的举升装置是由液压系统以及电箱组成的。通过电箱的开关启动电动机来控制液压单元，液压油进出液压缸，并通过链条连接液压缸和滑台来带动整个设备的举升动作，图1是本次设计的普通式双柱汽车举升机的驱动装置及举升装置的示意图，从图中可以看到左右两边立柱内的两个举升装置是通过液压软管来连接的，它的一个不足的地方就是左右两个液压缸在开始举升时有一个时间差，这会导致因左右两边的举升速度不一样而举升不平衡。因此，我们在液压举升的基础上采用了钢丝绳的同步装置，用钢丝绳强制滑台同步上升，用这样的同步装置来弥补液压缸带来的缺点2。图2是普通式双柱汽车举升机的举升装置的结构图。3.2 立柱普通式双柱汽车举升机的立柱有两个，分别是左、右两边各有一个立柱。整个汽车举升机的重量几乎都是由立柱来支撑的，因此它必须要有一定的强度和刚度。立柱中间的空间是用来放置举升装置以及滑台部件的。整个立柱部分的形位公差要求也是比较高，水平方向的立柱臂和垂直方向的立柱壁要求要保持一定的直线度和平行度，立柱内外表面还要有一定的粗糙度等6。3.3 支承机构托臂部分是属于举升机的支撑机构。当汽车进入到举升机的范围里时，整个支撑机构就通过改变摇臂的角度或方向来改变托臂的整个工作范围的宽度。本次设计的支撑机构是非对称式的托臂，这样设计增加了托臂的宽度，实质就等于增加了托臂的工作范围，而且左右两侧的托臂的臂长都是有一定的伸缩性的。如图3所示：图3非对称式托臂的工作范围示意图Fig 3 Asymmetric type bracket schematic diagram of the scope of work其中，图中方格阴影部分就是托臂的工作范围。托臂未伸长前的工作范围按照轨迹1来运动；托臂伸长后的工作范围按照轨迹2来运动；而且，图中的轨迹1和2是托臂的两个极限位置，在1和2的范围内，托臂的长度是可以伸缩的。由于托臂属于支撑机构，它是要承受一定的重量的，所以本次设计采用非对称式的结构就更能保证托臂的强刚度了7。3.4 平衡机构由于举升机在上升或下降时必须要采用强制性的平衡装置来确保汽车整体的水平位置保持一致，本次设计采用了钢丝绳来作为整个举升机的平衡机构。本次设计所采用的是在单个立柱内安装两副左右对称的钢丝绳，但是在这个单个立柱里面的钢丝绳的走向确是两个相反的方向，用户可以通过改变钢丝绳的张力来使左右两边的滑台在抬升的过程中保持平衡11。要注意的是两边确定的钢丝绳的张力必须一致，这样才能真正的平衡。单个立柱里的钢丝绳的走向如图4所示：图4单个立柱内钢丝绳的走向示意图Fig 4 The single upright column steel wire rope to sketch map3.5 保险机构 汽车举升机是一种对安全性能要求特别高的举升设备。通常设有多种保险装置和保护措施：液压回路的保压、机械锁止保险装置、机械自锁装置、举升过载保护、冲顶保护、防滑等等。机械自锁是指失去驱动力后，利用机械机构的重力（被驱动物体的阻力）来自动阻碍其运动的保护。本次设计中电磁铁安全锁机构的组成是：在两个滑台上均有安装安全卡位条，当汽车升起后，卡位条与电磁铁连接的支撑板构成机械自锁机构，由于两个立柱上均装有电磁铁安全锁，如图5所示，并且这两个安全锁所装的位置不在同一直线上而是互相错开在对角线上，起到双保险的作用18。1电磁铁，2保险孔板，3保险孔支撑座图3.5电磁铁安全锁Fig 5 Quansuo electromagnet.作为保险装置的电磁铁安全锁是由好几个零件组成的。其中主要的几个零件包括：保险孔板、保险孔支撑座和电磁铁。当电磁铁得电将保险孔支撑座吸住时，它和锁紧板之间没有接触，此时的举升机处于保险打开状态，整个滑台可以自由地上下移动。当电磁铁失电时，保险孔支撑座处于图示状态，此时的保险孔支撑座将与滑台上的锁紧板互相顶住，使滑台固定在一个位置而不能上下移动，起到保险的作用。4 普通式双柱汽车举升机的强刚度分析与验算4.1 普通式双柱举升机立柱的结构分析和验算双柱式汽车举升机的结构形式有多种，本次设计的汽车双柱举升机构的传动系统由液压系统驱动和控制的，通过两个立柱内安装的液压油缸实现上下运动，推动连接立柱与滑台的链条，使滑台上安装的大滚轮沿着立柱滚动，实现滑台的上下移动。举升机的举升设备的主要部分有：举升机构、支承机构、平衡机构和电磁铁安全锁机构等15。本次设计的举升机的主要性能参数为：额定举升重量2.5-4吨，最大举升高度为1.8米，全程上升的时间50-70秒，全程下降时间为20-60秒，举升机上设有行程限位装置、液压系统自锁和机械锁紧装置。4.1.1 主立柱的截面特性分析与计算 主立柱体是举升机主要的受力承重部件。举升机立柱在工作时受来自于保险锁机构处因承重的压力和升降滑台滚轮作用在立柱上的弯矩。因此，立柱在这两种力的作用下，有向内弯的变形趋势，底部焊口在拉压应力的作用下有开裂的倾向，故立柱底部与底座处焊有加强筋。立柱壳体用钢板整体压制成形，其内部相应位置焊有保险装置支承板，用于锁定状态时受力和承重，下部与底座焊接。其中一个立柱体上还装有液压泵站和电气控制箱。主立柱作为主要的承重部件，先对其截面特征进行分析，主要是确定立柱截面形心的位置和截面的惯性矩6。1）确定立柱截面形心和中性轴的位置 将立柱整个截面分可以为A1、A2、A3三个部分，取与截面底边互相重合的Z轴为参考轴（见图4.1举升机主立柱横截面示意图），Z1、Z2、Z3分别为三个组合截面的中性轴，则三个截面的面积及其形心至Z轴的距离分别为： 图6举升机主立柱横截面示意图Fig 6 Lift the main upright post cross sectional diagram A1=1946+1946+2706=3948 mm2 A2=(57-6)62=612 mm2 A3=(35-6)62=348 mm2 所以重心C到相应边的距离e: Y1,=aH2+bd22(aH+bd)=121942+270622(12194+2706)=58.429 mm (1) e2,=H-e1,=194-58.429=135.571 mm Y2,=194-3=191 mm (2) Y3,=194-6-14.5=173.5 mm (3)整个截面形心C在对称轴Y上的位置则为： Yc,=AiYiA=A1Y1,+A2 Y2,+A3Y3,A1+A2+A3=83.119 mm (4) 2）确定惯性矩设三截面的形心分别为C1、C2、C3，其形心轴为Z1、Z2、Z3它们距Z轴的距离分别为：A1=CC1=83.119-58.429=24.69mmA2=CC2=191-83.119=107.881mmA3=CC3=173.5-83.119=90.38mm由平行移轴公式，三截面对中性轴Z的惯性矩分别为： 、为三截面对各自心轴Z1、Z2、Z3的惯性矩，将三截面对中性轴Z的惯性矩相加，可得立柱整个截面对中性轴Z的惯性矩： mm43）立柱静矩S的计算：立柱整个截面上半部分的静矩S1： mm3 (5) mm3 mm3 其中、分别为三截面各自的静矩，所以立柱整个截面上半部分的静矩S为： mm3立柱整个截面下半部分的静矩S2： mm3mm34.1.2 主立柱的强度分析与验算 举升机工作时，其托臂将汽车举升至一定高度后锁定，举升机直接承载处位于托臂端部，故应先对滑台部件进行受力分析：在分析之前，对滑台部件进行了调查。其中本次设计的滑台部件的组成之一是大滚轮，滑轮的种类形状有很多，有“两个大圆柱滚轮型”、“四个顶角处是采用四个小滚轮型”、还有最原始的“四个角用四个橡胶滑块”或是“用两个滑块代替两个大圆柱滚轮”，但是用的较多的是“采用两个大圆柱滚轮”的形式1，如果采用其他类型的滚轮例如用滑块来代替滚轮，那么整个滑台就不容易锁定，容易滑动；除此之外就是同步性的问题也不容易解决。图7滑台部件受力情况示意图Fig 7 Slide component of the force diagram滑台部件受力情况分析（如图7） 滑台部件自身重量近似估算如下： 滑台组合件尺寸：采用160160方钢，壁厚8 mm，高800mm 滑台体积： mm3 摇臂座尺寸：采用100100方钢，壁厚8 mm，长440mm 摇臂座体积：mm3 托臂近似尺寸：采用100100方钢，壁厚8 mm，长（800310）1110mm 托臂体积： mm3 钢材比重选取： 所以，滑台部件、摇臂座和托臂的重量为将滑台、摇臂座和托臂一起考虑 图7中，单侧托臂受到的最大载荷为2吨，加上自重，托臂端部受力为2066.37kg,F1和F2是立柱通过滚轮给予的反力，FBX和FBY为保险支承板给予的支承力，B处为支承点，假定自重全部集中在负载处，有： (6) (7) (8) 由式4.7得，代入式4.6假定 则由式4.5得： 综上所述，考虑滑台部件中滑台、摇臂座和托臂的总自重，假定自重全部集中在负载处，近似估算值为66.37 kg。单侧托臂受到的最大载荷为2000kg，加上滑台部件的自重，托臂端部受力大小为20250.426N，F1和F2是立柱通过滚轮给予的反力，F1=F2，FBX和FBY为保险支承板给予的支承力，B处是支承点位置，则N。4.1.3 举升机主立柱受力情况分析主立柱受力情况（见图8普通式双柱举升机主立柱受力情况示意图），F1和F2是滑台通过滚轮作用在立柱上的力（图示为最高位置），FBX和FBY为滑台作用在立柱上的支承力（压力），RHX、RHY和MH为底部支座反力。针对立柱受力情况，经计算得： RHX=0, RHY=FBY=20250.426 N Nmm 图8普通式双柱举升机主立柱受力情况示意图Fig 8 Two-pillar lifting machine main pillar stress diagram4.1.4普通式双柱举升机主立柱强度校核计算从图8看出，整个立柱体相当于一个悬臂梁，可画出立柱的弯矩图和剪力图。由F1引起的弯矩图和剪力图19见图9：图9立柱上F1作用力及其弯矩图和剪力图Fig 9 Column F1 force and bending moment diagram and the shear diagram Nmm N由F2引起的弯矩图和剪力图见图10：图10 立柱上F2作用力及其弯矩图和剪力图Fig 10 Column F2 force and bending moment diagram and the shear diagramNm 由FBY产生的M引起的弯矩图见图11：图11立柱上M作用力及其弯矩图Fig 11 Column M force and bending moment diagram NmmNmm综上所述，立柱受力的合成弯矩图和合成剪力图如图12所示：从图中可以得出 Nmm 图12立柱受力的合成弯矩图和合成剪力图Fig 12 Column force synthesis and synthetic shear force diagram bending moment diagram在截面C处，剪力最大（QC=51301.0792N），弯矩最大（MC=26933066.58 Nmm），以此处是危险截面。前面计算已经得到IZ=28145179.44mm4，抗弯截面模数为： (9)截面上半部分静矩S1712443.337 mm3， (10)以下进行强度校核：校核正应力强度 （11）许用应力选： (12)，满足强度条件。校核剪应力强度： (13)选许用应力 (14)，满足强度条件。折算应力强度校核：主立柱横截面上的最大正应力产生在离中性轴最远的边缘处，而最大剪应力则产生在中性轴上，虽然通过上面的校核说明在这两处的强度都是满足要求的，但是因为在截面C处，M和Q都具有最大值，正应力和剪应力都比较大，因此这里的主应力就比较大，有必要根据适当的强度理论进行折算应力校核，取该截面边缘处某点K进行计算： (15) (16) 由于点K处在复杂应力状态，立柱体材料采用的30钢是塑性材料，可以采用第四强度理论，将 的数值代入，用统计平均剪应力理论对此应力状态建立的强度条件为： (17)所以 即 (18)所以按第四强度理论所算得的折算应力也满足许用强度要求。 4.2 托臂部分的强度校核4.2.1 托臂部分截面特性托臂部分截面属于变截面，以下先计算截面特性数据：小臂截面尺寸：7070方钢，壁厚8mm，a=70,b=54惯性矩： (19) (20)静矩计算：大臂截面尺寸：9292方钢，壁厚8mm，a=92,b=76惯性矩： 4.2.2 托臂部分强度核算A截面：惯性矩：Ix=1292245.33 mm4 ；Wx=36921.295 mm3MA=P310=6277632.06 Nmm 选保险系数较小可满足强度要求。 图13左后托臂部件图Fig13 The left rear bracket components图中的A、B、C、D分别对应着托臂示意图中的A、B、C、D四个截面:图14托臂示意图Fig 14 Schematic diagram of arm按照A,B,C,D几个典型截面进行分析，各个截面的截面图12如下： (a) A-A截面 (b) B-B截面（同D-D截面） (c) C-C截面图15典型截面示意图Fig 15 Schematic diagram of typical sectionB截面：9292方钢 A1=8015=1200mm2 YA1=92+15/2=99.5mm A2=9292-7676=8464-5776=2688 mm2 YA2=92/2=46mm YC=(120099.5+268846)/(1200+2688)=243048/3888=62.51mm IA1=80153/2+(99.5-62.51) 21200=1664412.12 mm4 IA2=(924-764)/12+(62.51-46)22688=3922455.309mm4所以IB= IA1+ IA2=5586867.429 mm4 MB=20250.426610=12352759.86 Nmm WX=89375.58 mm3 ，保险系数较小可满足强度要求。C截面：A1=1200 mm2 YA1=92+15/2+60=159.5 mm A2=2688 mm2 YA2=46mm A3=6010=600 mm2 YA3=92+60/2=122 mm YC=(1200159.5+268846+600122)/(1200+2688+600)=85.6mm IA1=50153/2+(159.5-85.6)21200=6637827mm4 IA2=(924-764)/12+ (85.6-46)21688=5836814.08mm4 IA3=63/12+(122-85.6)2600=794994mm4 所以IA =IA1+IA2+IA3=13269635.08mm4 MC=P940=19035400.44 Nmm 满足强度要求。D截面： 惯性矩：ID=3189760mm4 ； WD=69342.61 mm3 MD=20250.426530=1073725.78 Nmm ,保险系数较小可满足强度要求。4.2.3 托臂销的强度核算设想由销连接的部位为承重全部由销连接，所以P=42009.8=41160N承受剪应力=4P/d2=32.75MPa销的材料为45钢，许用切应力80 MPa，许用挤压应力120 MPa，符合设计要求。4.2.4 钢丝绳的强度计算选用钢丝绳直径为10mm，光面钢丝，结构型式为619西鲁式，公称抗拉强度为1850 MPa，远远大于系统所需，符合设计要求。4.2.5 电磁铁安全锁的强度计算与校核保险孔板为调质后的45钢，许用切应力为307MPa，假设全部载重聚集在保险孔板，其切应力为138 MPa，满足系统要