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双层举升机设计,双层,举升机,设计
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XX大学毕业设计(论文)双层四轮定位汽车举升机设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要本文首先对双层举升机的设计特点以及国内外发展现状做了相关的概述。接着，从车厢的设计、举升机构的设计等方面进行了双层举升机的总体设计。本文通过对几种常见的举升机构进行逐一分析与比较，然后选择其中一种方案作为双层举升机的设计最终方案，然后根据这种方案进行分析与计算得出结论。最后进行了校核与验证，得出设计结果的正确性和合理性。关键字：双层举升机，总体布置设计，举升机构AbstractThis paper firstly truck design features as well as the domestic and foreign development status of related. Then, from the compartment, the design of lifting mechanism of the design aspects of the overall design of Hongyan dumper. Based on several common lifting mechanism to analyze and compare, then choose one as high dump truck design final plan, then according to the schemes are analyzed and calculated. Finally carried on the verification and validation of the results obtained, the correctness and rationality of the design.Key Words: Dump truck, general layout design, lifting mechanism目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1课题研究的目的11.2双层举升机概述11.3 本课题的研究内容2第2章 课题总体设计32.1总体布置原则32.2 车厢的设计42.2.1 双层举升机车厢的结构形式42.2.2 车厢的设计规范及尺寸确定42.3 举升机构的设计52.3.1 举升机构形式的选择52.3.2 直接推动式举升机构52.3.3 连杆组合式举升机构62.4 双层举升机的两种机构形式82.5 双层举升机机构中三种液压缸布置方式的分析比较92.5.1问题的提出92.5.2三种方案的分析和比较92.6 总体方案确定及总体设计11第3章 主要分析计算123.1 实例分析123.1.1双层举升机的结构简化123.1.2机构受力分析133.2 剪叉臂长度及液压缸安装位置的确定163.3 强度校核173.3.1 剪叉臂的强度校核183.3.2 液压缸底架固定横梁的强度校核203.4 轴的强度校核233.4.1 内剪叉臂固定端销轴的强度校核233.4.2 液压缸缸体尾部销轴的强度校核233.4.3 液压缸活塞杆头部支撑轴的强度校核24第2章 零件的三维造型252.1 UG软件介绍252.2 三维造型设计26第3章 双层举升机的有限元研究283.1双层举升机研究对象283.2 双层举升机3D模型建立及处理283.3单元类型以及材料的选择293.4 网格划分333.5施加的约束343.6施加的载荷363.7结果分析373.8本章小结39第四章 双层举升机结构的改进与优化414.1 引言414.2 探究经验计算与有限元分析数据误差的原因414.3 降低应力的结构改进424.4 本章小结42总结与展望43总结44参考文献45致 谢11第1章 绪论1.1课题研究的目的随着我国经济的不断发展，尤其是自2001年11月10日起，中国正式成为WTO成员国，国内市场逐渐开放。同时，我国亦确立了以扩大内需为主的经济政策，实施西部大开发战略，加大对基建项目的投资力度，农林牧渔、采矿、水利、军工、环保、商业运输、交通、通讯、金融、机场、电力、城市建设和石油开采等行业均快速发展，使各种类型的专用车需求量大增。在广大城乡的沙场、矿山、工地及一般的土木工程等的运输作业中，轻型农用双层举升机以其灵活机动、价格低廉的优点得到了广泛的应用。举升机构是轻型农用双层举升机卸料作业的关键部件，它直接影响着轻型农用双层举升机的整车性能和举升性能，是双层举升机设计时首先需要解决的问题。液动举升机构是工程双层举升机常用的一种举升机构，它实际上是一种演化形式的四连杆机构，通过外力（液压举升油缸施加）作用实现四连杆运动，从而实现将货物倾卸的目的。1.2双层举升机概述双层举升机是利用本车发动机动力驱动液压举升机构，将其车厢倾斜一定角度卸货，并依靠车厢自重使其复位的专用汽车。双层举升机按其用途可分为两大类：一类属非公路运输用的重型和超重型(装载质量在20t以上)双层举升机。主要承担大型矿山、水利工地等运输任务，通常是与挖掘机配套使用。这类汽车也称为矿用双层举升机。它的长度、宽度、高度以及轴荷等不受公路法规的限制，但它只能在矿山、工地上使用。另一类用于公路运输用的轻、中、重型(装载质量在220 t)普通双层举升机。它主要承担砂石、泥土、煤炭等松散货物运输，通常是与装载机配套使用。某些双层举升机是针对专门用途设计的，故又称专用双层举升机。如：摆臂式自装卸汽车、自装卸垃圾汽车等。图1-1为普通双层举升机的结构组成。普通双层举升机技装载质量分为：轻型双层举升机、中型双层举升机和重型双层举升机；按运载货物倾卸方向分为：后倾式、侧倾式、三面倾式和底卸式双层举升机；按车厢栏板结构分为：栏板一面开启式、栏板三面开启式和簸箕式(即无后栏板)双层举升机。随着国内基础设施建设需要不断增加，双层举升机产量近年来一直保持较高产销量，在专用车综合产量中保持第一位置，但在种类、型式、材料运用方面与国外还有一定的差距。双层举升机继续快速增长，销量超过载货汽车上升到第一位。主要原因是固定资产投资强劲增长，巨大的投资规模奠定了双层举升机市场需求基础；双层举升机品种增加，不仅适应和满足施工需求，同时向运输市场发展；牵引汽车保持较快发展，已成为长距离公路运输的主力车型。1.3 本课题的研究内容本设计主要研究的内容有：车厢举升机构的设计计算、车厢倾卸机构的设计计算、液压传动装置选型，后进行车辆的总体布置和性能分析，并用总布置草图表达主要底盘部件的改动和重要工作装置的布置；最后通过正确的计算，完成部部件设计选型，达到工艺合理、小批量加工容易、成本低、可靠性高的设计要求，并附之以总装配图，清楚表达设计。第2章 课题总体设计2.1总体布置原则在进行总体布置时应按照以下原则：尽量避免对汽车底盘各总成位置的变动因为一些总成部件位置的变动，不仅会增加成本，而且也可能影响到整车性能。但有时为了满足专用工作装置的性能要求，也需要作一些改动，如截短原汽车底盘的后悬、燃油箱和备胎架的位置作适当调整等。但改变的原则是不影响整车性能。应满足专用工作装置性能的要求，使专用功能得到充分发挥例如气卸散装水泥罐式汽车的专用功能是利用压缩空气使水泥流态化后，通过管道将水泥输送到具有一定高度和水平距离的水泥库中。气卸水泥的主要性能指标是水泥剩余率或剩灰率，为了降低这一指标，可将罐体布置成与水平线成一定角度，如图2-1所示。但这样布置会使整车质心提高，减少了侧倾稳定角，因此也可以水平布置。所以在进行总布置时，要从多方面综合考虑。装载质量、轴载质量分配等参数的估算和校核 为适应汽车底盘或总成件的承载能力和整车性能要求，在总布置初步完成后应对某些参数其中最主要涉及的是装载质量的确定和轴载质量的分配进行估算和校核，这些参数对整车性能有很大影响。若不满足要求应修改总体布置方案。应避免工作装置的布置对车架造成集中载荷。应尽量减少专用汽车的整车整备质量，提高装载质量。由于专用汽车工作装置的增加，使得专用汽车的整备质量比同类底盘的普通货车要增加。据统计，一般双层举升机要增加耗材510，一般罐式车要增加耗材1525，因此，减少整备质量，充分利用底盘的装载质量，增大质量利用系数，是专用汽车改装设计过程个要追求的主要指标之一。应符合有关法规的要求 例如对整车的长、宽、高、后悬等尺寸在相关法规中部有明确的规定，一定不能超出标准的要求。专用汽车总体布置的任务是正确选定整车参数，合理布置工作装置和附件。使取力装置、专用工作装置、其它附件与所选定的汽车底盘构成相互协调和匹配的整体，达到设计任务书所提出的整车基本性能和专用性能的要求。2.2 车厢的设计2.2.1 双层举升机车厢的结构形式车厢是用于装载和倾卸货物。它一般是由前栏板、左右侧栏板，图2-3为典型的底板横剖面呈矩形的后倾式车厢结构。为避免装载时物料下落碰坏驾驶室顶孟，通常车厢前栏板加做向上前方延伸的防护挡板。车厢底板固定在车厢底架之上。车厢的侧栏板、前后栏板外侧面通常布置有加强筋。后倾式车厢广泛用于轻、中和重型双层举升机。它的左右侧栏板固定，后栏板左右两端上部与侧栏板饺接，后栏板借此即可开启或关闭。侧倾式及三面倾卸式车厢栏板与底板为直角，如图2-4所示。其栏板开启、关闭的铰接轴为上置式，开启时，栏板呈自由悬垂状，多用于有侧倾要求的中型双层举升机。矿用白卸汽车和重型双层举升机的车厢多采用簸箕式，以方便装载，倾卸矿石、砂石等。有的簸箕式车厢采用双层底板结构，以增加底板的强度和刚度，并可减轻自重。2.2.2 车厢的设计规范及尺寸确定将全金属焊接车厢设计成等刚度体车厢是双层举升机设计的重点.但是很难既能保证高强度又能保证轻量化。 就整车而言，可以看成由车轮、前轴、后桥壳、悬架、车架、车厢及其橡胶缓冲块等不同刚度单元组合而成的弹性体，受力时，将按照各自的刚度产生各自的变形，其变形量与刚度成反比，吸收的能量与刚度成正比。车厢刚度，无论是弯曲刚度还是扭转刚度，都会增加车架的相应刚度，两者的刚度是相辅相成、互相补偿的。当汽车前后左右车轮处于高差较大的路面，车架扭曲较大时，车厢应该有一定的扭转随动性。如果车相的扭转刚度过大，当车架扭转到一定程度时，车厢前支承缓冲块相应的一侧压到极限位置，车厢纵梁的另一侧可能离开缓冲块，车厢前端的一大部分重量转移到一侧的车架纵梁上，纵梁可能超载损坏。如果车厢扭转刚度过小，能与车架扭转随动，当车架产生较大扭曲时，车厢可能因变形过大而早期损坏。全金属焊接等刚度车厢设计的规范化的定量的设计计算方法并不是很完善，根据一些经验，可以知道一些设汁规范和经验数据：表2.2 底盘技术参数列表车型CQ1113T6F23G461驾驶室最高点距车架上翼面距离（mm）2056汽车底盘长（mm）8208驾驶室后围距前轴（mm）508轴距（mm）4600外气管距前轴距离（mm）752车架有效长度（mm）5578车架上平面离地高度（满载）（mm）1007车架外宽（mm）780底盘整备质量（kg）4080推荐货物重心（mm）890底盘轴荷前轴/后轴（kg）1680/2400车辆前悬/车架后悬（mm）1548/1800底盘最大承载质量（kg）7320汽车底盘总高（mm）3060厂定最大设计总质量（kg）114002.3 举升机构的设计2.3.1 举升机构形式的选择举升机构分为两大类：直推式和连杆组合式，它们均采用液体压力作为举升动力直推式举升机构利用液压油缸直接举升车厢倾卸。该机构布置简单、结构紧凑、举升效率高。但由于液压油缸工作行程长，故一般要求采用单作用的2级或3级伸缩式套筒油缸。2.3.2 直接推动式举升机构油缸直接作用在车厢底板上的举升机构称为直接推动式举升机构，简称直推式举升机构。按举升点在车厢底板下表面的位置，该类举升机构又可分为油缸中置(图2-1a)和油缸前置(图2-1b)两种型式。前者油缸支在车厢中部，油缸行程较小，油缸的举升力较大，多采用双缸双柱式油缸；后者的油缸支在车厢前部，油缸的举升力较小，油缸行程较大，一般用于重型双层举升机上，油缸则通常采用多级伸缩油缸。 图2-1 直接推送式举升机构Fig.2-1 The lifting mechanism of direct-push model2.3.3 连杆组合式举升机构油缸与车厢底板之间通过连杆机构连接的举升结构称为连杆组合式举升机构。生产实践表明，连杆组台式举升机构具有很大的优越性。根据油缸的安装特点，连杆组台式举升机构又可分为油缸前推(后推)连杆放大式、油缸前推(后推)杠杆平衡式、油缸浮动等多种结构型式。（1）油缸前推连杆放大式(马勒里式)举升机构该种举升机构(图2-2所示)通过三角板与车厢底板相连，车厢的举升支点较靠近车厢的前部，故车厢受力状况较好；当达到最大举升角度时，油缸几乎处于垂直状态，车厢上升到最置不易倾下，稳定性好；油缸最大推力较小，油压特性好。但整个机构较庞大，油缸在举升过程中的摆角较大，工作行程较大。图2-2 前推连杆放大式举升机构Fig.2-2The lifting mechanism of lever magnify model from the forward（2）油缸前推杠杆平衡式举升机构该种举升机构(图2-3所示)通过拉杆与车厢底板相连，举升支点较靠近车厢的前部，故车厢受力状况较好；初始时拉杆几乎是垂直顶起车厢，因此机构运动性能好。但该机构三角形连杆的几何尺寸较大，结构不紧凑，油缸摆角较大，工作行程较大，液压管路不易布置。 图2-3前推杠杆平衡式举升机构Fig.2-3The lifting mechanism of lever balance model from the front（3）油缸后推连杆放大式(加伍德式)举升机构该种举升机构(图2-4所示)通过三角板与车厢底板相连推动车厢，启动性能较好，并能承受较大的偏置载荷；举升支点在车厢几何中心附近，车厢受力状况较好。但该机构举升力系数较大，工作效率较低。图2-4 后推连杆放大式举升机构Fig.2-4 The lifting mechanism of lever magnitude model from the behind（4）油缸后推杠杆平衡式举升机构该种举升机构(图2-5所示)的油缸下铰点、三角板的固定铰点、车厢翻转铰点几乎均匀分布在副车架上，减少了车架后部的集中载荷；同时，这种三点支承方式有利于改善机构的整体横向刚性。举升过程中油缸摆角小，机构的工作效率也较高，但机构举升力系数较大，使相同举升质量所需举升力较其他举升机构大。图2-5 后推杠杆平衡式举升机构Fig.2-5The lifting mechanism of lever balance model from the behind（5）油缸浮动式举升机构图2-6 油缸浮动式举升机构Fig.2-6 The lifting mechanism of float model该种机构(图2-6所示)油缸的一端直接与车厢底板相连，另一端不是固定在车架上，而是可以随着车厢的翻转而运动，故称为油缸浮动式举升机构 该机构的拉杆也与车厢底板直接相连，举升支点较靠近车厢的前部，故车厢受力状况较好，工作效率较高。但该机构几何尺寸较大，结构不紧凑,举升过程中油缸摆角较大，使得液压管路难于布置。由以上分析可知，现在的液压举升机构有多种型式，每种型式的性能各有千秋，要因车而异，合理选用，选用的原则是:首先必须充分考虑车辆的使用条件和环境；其次要考虑制造工艺；最后要兼顾成本。根据本车的使用特点和环境来看，工作条件差，用户经常严重超载，经常在无路的环境中工作，尘土多，维修条件差，对价格方面的要求是造价低，性价比要求高，车辆离地间隙较大(大于200mm)，建造纵深小，选用横向刚度好、举升转动圆滑、车厢骨架受力均衡、维修简便、具有寿命长、密封工艺好、不易泄漏、制造成本低、超载能力强等优势的前推连杆放大式举升机构较为合适，即小的装载质量、大的超载系数和良好的经济性能。2.4 双层举升机的两种机构形式图2-1 机构一图2-2 机构二双层举升机的两种机构形式如图2-1和图2-2所示，它们只是两侧相同机构的一侧。由以上两图可看出，机构一（图2-1）是全部为固定铰支座的两平行杆同步运动的结构，机构二（图2-2）是两固定铰支座和两个滑动铰支座的剪叉式结构。这两种机构都可以实现上板台面升降的运动，但相比较之下，机构一有三点不足：a) 机构一在升降过程中上板不仅有竖直方向的位移变化，而且还有水平方向的位移变化，而机构二的上板在升降过程中只有竖直方向的位移变化。这样，在总体尺寸一样的情况下，机构二升降时所需的空间较小。b) 机构一在升降的过程中，所载物体的质心相对机构的支撑中心的变化很大，这样就要求更大的动力，即要求推力更大的液压缸。结果会增加安装尺寸和生产成本。c) 机构一的稳定性没有机构二的对角双三角的结构稳定性好。 综上所述，机构二较机构一更合理。所以，在结构上选择机构二。2.5 双层举升机机构中三种液压缸布置方式的分析比较2.5.1问题的提出 液压缸的布置方式主要包括液压缸对机构的作用力（动力）点位置及液压缸的起始安装角度等。在机构确定的情况下，动力的作用点是关系所需动力大小的关键。而双层举升机的动力由液压缸提供，因此，作用点的位置直接关系液压缸的选择。此外，液压缸的安装起始角度也对所需动力大小有较大影响。总之，液压缸的布置方式是设计的一个重要环节，是设计成功与否的关键之一。那么液压缸究竟选择怎样的布置方式？2.5.2三种方案的分析和比较 以下是液压缸的三种布置方式，如图2-3，图2-4，图2-5所示，基于剪叉式机构的优点，它们都是采用剪叉式机构，可以看做三种方案：方案一（图2-3）：液压缸的一端在底座的固定铰支座上，另一端支撑在支架1上靠近滚动铰支座的位置。当两支架几乎处于水平位置时，液压缸与底座的夹角很小，这时要把台面升起就需要液压缸提供很大的推力，甚至不能把台面升起。此外，液压缸的布置需要在底座长度比支架还更长的基础上额外地加长底座，这样就需要跟多的底座材料。方案二（图2-4）：液压缸的一端在底座的固定铰支座上，另一端支撑在支架1与支架2的铰支轴上。当两支架几乎处于水平位置时，液压缸与底座的夹角也很小，这时要把台面升起也需要液压缸提供很大的推力。虽然液压缸推动支架的力臂会随着台面的升起而迅速增大，从而使所需的液压缸的推力迅速减小。然而，同时也使液压缸的行程增加迅速增加，最终就需要大行程的液压缸，而液压缸的布置需要更大的长度空间，可能在液压缸完全收缩时支架仍不能完全收回，造成台面的高度过高。方案三（图2-5）：液压缸的一端在底座的固定铰支座上，另一端支撑在与支架2成一定角度且同固定铰支座的杆上。这样，当两支架处于水平位置时，液压缸与底座仍有一定夹角，且，这时要把台面升起所需要液压缸提供的推力就会比前两种布置的推力小很多。虽然液压缸推动支架的力臂随着台面的升起而增大幅度没有方案二的快，即使所需的液压缸的推力减小更平缓。然而，同时液压缸的行程增加也比较平缓，最终所需要的液压缸行程也不会很大，布置液压缸的空间也是足够的。因此，在稍微增加了液压缸推力的同时获得了更多的优点。图2-3 方案一图2-4 方案二图2-5 方案三综上所述，方案三是双层举升机设计的最佳方案（如图2-5所示）。2.6 总体方案确定及总体设计由于该课题研究的双层举升机是双层举升机，各前述列举的方案是一般的双层举升机方案。由2.5.2可知，双层举升机的最佳总体方案为：机构二形式和液压缸布置三的方式相结合。总体结构示意图如图2-6所示图2-6 总体机构示意图第3章 主要分析计算3.1 实例分析整车整备质量是指汽车完全装备好的质量，包括润滑油、燃料、随车工具、备胎等所有装置的质量。参考同类普通双层举升机的整车整备质量，在此基础上在增加车厢升高装置的质量，便可估算双层举升机的整车整备质量。主要技术指标、要求或生产纲领：电源为220V/380V/50Hz，功率为2.2KW，主机举升重量为3.5t，举升高度为3301850mm，二次举升高度为450mm。又由于车厢升高的同时，其质心向后移，因此该双层举升机的整车质心位置可比同类普通双层举升机的质量略向前移。3.1.1双层举升机的结构简化机构的简化结构如图3-1所示图3-1 液压机构的简化结构机构b、d点为固定铰支座，a、c两点分别可沿机构底架轨道及工作台下方轨道水平移动，a、c两点采用同样的支撑结构时，其摩擦阻力系数皆为。aed，ceb杆件长度皆为，且设为无重杆件，e铰接点位于上述两杆件的中点。fg为液压缸推力的作用线，其一端与底架铰接于f点，另一端与aed杆铰接于g点。aed，ceb与水平面得夹角为，fg线与水平面得夹角为，且gde=。机构面与所载工件重量合为，其作用线距b点为，显然，现在机构升降过程中值不变。3.1.2机构受力分析 1.以整体作为研究对象，如图3-2所示图3-2 整体受力分析图 将分解到a、b两端，则有 .(3.1) .(3.2) .(3.3) .(3.4) .(3.5)式中：a点所受水平方向上的力； a点所受竖直方向上的力； b点所受水平方向上的力； b点所受竖直方向上的力； c点所受水平方向上的力； c点所受竖直方向上的力。2.分别以aed及ceb杆为研究对象，如图3-2和图3-3所示图3-2 aed杆受力分析图 图3-3 ceb杆受力分析图 列平衡方程式，有 当d点力矩平衡，即时，则 . (3.6) 当b点力矩平衡，即时，则 .(3.7) 又aed及ceb杆的水平与竖直方向受力平衡，即有和， 当时，有 .(3.8) .(3.9) 当时，有 .(3.10) .(3.11) 整理解得： .(3.12) 【静态时：】 .(3.13) .(3.14) .(3.15) .(3.16) .(3.17).(3.18) 式中： 液压缸的推力； d点所受水平方向上的力； d点所受竖直方向上的力； e点所受水平方向上的力； e点所受竖直方向上的力。3.确定角与角的函数关系 角与角的几何关系见图3-1 即.(3.19)4.受力分析结论（1）各铰点处的受力（包括油缸推力）与载荷成正比；（2）、值随值的增大而增大，在值确定时，这些力又与值成正比;而、值随值的增大而减小，在值确定时，它们随值得减小而增大；（3）在计算油缸推力时，动态值比静态值增大了；（4）油缸的推力与值成反比；（5）力、随值的增大而增大。3.2 剪叉臂长度及液压缸安装位置的确定1.剪叉臂的长度确定机构的运动原理如图3-4所示图3-4 机构的运动原理图为了使工作台面下降至最低位置时滚轮不至于脱离滑道，剪叉臂的长度应该比底座的长度b小一些，一般可取 .(3.20)由设计参数可知：，。初选底座长度，系数为0.8，则根据式(3.20)可得剪叉臂的长度。2.液压缸安装位置的确定由图3-4可知 .(3.21) 则 所以，即 而 初选 ，,，。而液压机构的有效垂直升降高度为 .(3.22)根据，液压缸上下交接点g、f的距离S（即液压缸的瞬时长度）为 .(3.23)液压缸两交接点之间的最大距离和最小距离分别为 设液压缸的有效行程为，为了使液压缸两铰接点之间的距离为最小值时，柱塞不抵到液压缸缸底，并考虑液压缸结构尺寸和（如图3-6所示），一般应取 .(3.24)同样，为了使液压缸两铰接点之间的距离为最大值时，柱塞不会脱离液压缸中的导向套，一般应取 .(3.25)式（3.24）和式（3.25）中的和根据液压缸的具体结构决定。图3-6 液压缸结构尺寸3.3 强度校核 整个机构，受力较大的零部件有内剪叉臂，液压缸的支撑横梁，销轴等，所以进行校核时，只需对这些受力较大的零件校核即可。3.3.1 剪叉臂的强度校核 由图3-9和图3-10可知，内剪叉臂aed受力要远大大于外剪叉臂bec，所以这里只校核外臂。外剪叉臂受力如图3-1所示。又由图4-8可知，的角度越小，则推力的值越大。若取最大值时满足强度要求，则该剪叉臂即满足强度要求。当机构在最低位置时，的值最小，即值最大。参照图3-1，剪叉臂所受的力都与剪叉臂有一定的夹角，为方便受力分析，将所有的力都按沿剪叉臂方向和垂直剪叉臂方向分解，有下列式子：.(7.1).(7.2) .(7.3).(7.4).(7.5).(7.6).(7.7).(7.8)图3-1 内剪叉臂aed受力图各力分解后的受力图如图3-2(a)所示，弯矩图见图3-2(c)图3-2 内剪叉臂aed的轴向及径向分解受力图剪叉臂的g处由于是有一个肋板作用，可看作力作用在剪叉臂上为均布载荷。由图3-2（c）中可知，最大弯矩发生在k点处，但需校核e、k两点处的强度，且图中有，。又已知剪叉臂的横截面宽和高分别为，如图3-3所示，图3-3（a）是e点处的截面图，图3-3（b）是k点处的截面图。e点处的抗弯截面系数为k点处的抗弯截面系数为图3-3 剪叉臂e、k两点处的截面图因为当时，此时e、k两点的弯矩最大，且由式（7.8）得，则选择材料为，参照参考文献1，所以是安全的。3.3.2 液压缸底架固定横梁的强度校核液压缸底架固定横梁（如图3-4所示）选择的是60号方钢，其受力情况如图3-5所示；已知60号钢的边长为60mm，液压缸推力作用点到坐标系O的距离为65mm，分别为推力在X，Y轴上的分力，且，。当液压缸在最小角度，即工作台在最低位置时，液压缸推力最大，虽然此时最小，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，则。当液压缸在最大角度，即工作台在最置时，虽然液压缸推力最大，此时最大，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，则。图3-4 液压缸与底架连接的横梁图3-5 液压缸与底架连接的横梁截面图 把它们平移到O点后，有（1） 对于X轴方向，其受力如图3-6所示图3-6 横梁X轴方向的受力图因为梁的抗弯截面系数，所以（2）对于Y轴方向，液压缸固定横梁受力如图3-7图3-7 横梁Y轴方向的受力图又梁的抗弯截面系数，则（3）当作用点平移到O点时，会产生一个扭矩，该扭矩的大小为又，其中，此时，该扭矩对横梁截面产生的剪切力为参照参考文献7，又由第四强度理论带入并化简：又选材料为，参照参考文献7，取安全系数为2，则，所以是安全的。3.4 轴的强度校核 由图分析可知，剪叉臂受力最大的地方为g点和d点，所以只需校核该两处的销轴即可。3.4.1 内剪叉臂固定端销轴的强度校核 因为销轴较短，所以只受切应力。依图3-2可知，剪叉臂固定端（即d点）销轴所受的力为。当机构面处于最低位置，即时，销轴受到的剪力最大，根据式(7.7)得。又销轴的直径为，导油孔直径为，则其横截面积为 又销轴受力情况见图3-8，从图中可知销轴受剪力为双剪切，又参照参考文献7，销轴的材料为35钢，经表面热处理，参照参考文献7，35钢的许用应力。取安全系数为2，则有，所以满足要求。3.4.2 液压缸缸体尾部销轴的强度校核液压缸尾部销轴的受的力即为液压缸的推力，如图3-8所示，因为销轴较短，所以只受切应力。又销轴的直径为，导油孔的直径为，则销轴的横截面积为 图3-8 尾部销轴的受力图参照3.2.2节，有 选择销轴材料为35，又35钢的许用应力，取安全系数为2，则有，所以设计的销轴满足要求。3.4.3 液压缸活塞杆头部支撑轴的强度校核 依图3-2可知，液压缸头部支撑轴（即g点）所受的力为。当机构面处于最低位置，即时，液压缸受到的推力最大，即。又销轴的直径为，导油孔直径为，则其抗弯截面系数为又销轴受力情况见图3-9，参照参考文献7，校核轴的弯曲强度为图3-9 头部支承轴的受力图轴的材料为钢，经表面热处理，参照参考文献7，钢的许用应力。所以满足要求。第2章 零件的三维造型2.1 UG软件介绍UG（Unigraphics NX）是EDS公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。来自UGS PLM的NX使企业能够通过新一代数字化产品开放系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。NX包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。如今制造业所面临的挑战是，通过产品开发的技术创新，在持续的成本缩减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡。为了真正地支持革新，必须评审更多的可选设计方案，而且在开发过程中必须根据以往经验中所获得的知识更早地做出关键性的决策。NX是UGS PLM新一代数字化产品开发系统，它可以通过过程变更来驱动产品革新。NX独特之处是其知识管理基础，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。NX可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上，这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率，削减成本，并缩短进入市场的时间。通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新，NX的成功已经得到了充分的证实。这些目标使得NX通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具，把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。工业设计和风格造型NX为那些培养创造性的产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。产品设计NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。NX具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。NX优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。仿真、确认和优化NX允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少或消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。开发环境NX产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具，可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。NX与UGS PLM的其他解决方案的完整套件无缝结合。这些对于CAD、CAM和CAE在可控环境下的协同，产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。2.2 三维造型设计 一 以model1.prt为名新建文件打开软件Unigraphics NX ,点击新建图标，在文件名空白中输入model1,单位选择毫米，点击OK键即可建立以model1.prt 为名的新文件,如图2-1。图2-3点击图标，出现下拉菜单后点击图标，接下来就可以开始三维造型过程了车身及轮胎部件建模车头建模整体建模第3章 双层举升机的有限元研究3.1双层举升机研究对象本文以某厂生产的双层举升机为研究对象，建立了双层举升机的三维有限元分析模型，采用对双层举升机进行有限元分析，得出了双层举升机的应力分布情况，并与试验结果相对比，以验证模型和计算方法的有效性。根据有限元计算结果对双层举升机的可靠性进行了验证，并对双层举升机进行了优化设计，解决了原双层举升机可靠性低的问题。3.2 双层举升机3D模型建立及处理建立准确、可靠的计算模型，是应用有限元法进行分析的重要步骤之一。在进行有限元分析之前，应尽量按照构件真实的尺寸和外观来建立有限元分析模型，但对结构复杂的构件，完全按照实物结构来建立计算模型，进行有限元分析有时会变得非常困难，甚至是不可能的，因此在不影响计算完整性的前提下可对构件进行适当的简化。计算模型简化的结果，只能近似地反映实际情况，或者说，计算模型的计算结果在不同程度上存在着误差。一般说来，因模型带来的误差远比有限元计算方法本身带来的误差大得多。所以，结构的有限元计算的准确性在很大程度上取决于计算模型的准确性。本课题研究使用UG作为研究建立3D模型，建立的3D模型如下：建立准确、可靠的计算模型，是应用有限元法进行分析的重要步骤之一。在进行有限元分析时，应尽量按照实物来建立有限元分析模型，但对结构复杂的物体，完全按照实物结构来建立计算模型、进行有限元分析有时会变得非常困难，甚至是不可能的，因此可进行适当的简化。计算模型简化的结果，只能近似地反映实际情况，或者说，计算模型的计算结果在不同程度上存在着误差。一般来说，因模型带来的误差要比有限元计算方法本身的误差大得多。所以，结构的有限元计算的准确性在很大程度上取决于计算模型的准确性。为了较准确地计算出双层举升机的应力情况，本文的双层举升机计算模型只对双层举升机螺栓做了简化处理：包括将双层举升机大头看成一个整体，不考虑双层举升机螺栓，根据双层举升机的实际结构尺寸建立三维计算模型，包括双层举升机体、双层举升机盖、活塞销、双层举升机颈的模型。修改后的3D模型如下图所示。根据该型号工厂提供的参数得到如下条件：表1列出了计算中采用的材料性能数据。零件 材料 弹性模量E(N/mm2) 泊松比 钢板HT300 210000 0.27 3.3单元类型以及材料的选择需要把UG的模型转化为ANSYS可以读取的方式。选择保存方式为*.x_t格式的文件。1、从程序中启动ANSYS10.0的界面。2、打开ANSYS窗口。3、ANSYS分析目录一旦设定好，以后ANSYS软件操作所产生的所有文件都将存放在此目录下，建议对不同的分析用不同的工作目录，这样可确保每次分析所产生的文件不会覆盖的危险。如果没有指定工作目录，默认的工作目录为系统所在盘的根目录。工作目录设置方式有两种：l 在进入ANSYS软件之前通过入口选项所进行的设置；l 进入ANSYS软件后，可通过如下方法实现： 命令方式：在命令输入窗口中输入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目录）； GUI方式：Utility MenuChange Directory，在弹出的对话框中填入指定的工作目录，单击【确定】按钮。如图所示。调入我们刚才保存的*.x_t文件。6、建立结构分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析标题）；GUI方式：Main MenuPreference，在弹出的如图所示的对话框中框中选取某个选项使以后出现的图形界面中过滤掉与选定分析选项无关模块的内容，本书主要讲述结构分析，因此选取Structural(结构)7、选取和定义单元.下面将给出添加单元类型具体的GUI操作路径，对于单元的选项，由于和具体的单元类型有关，在这里将不做具体的介绍。此处以添加PLANE42单元作为例子来介绍添加单元的操作步骤。具体操作步骤如下：依次选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Types(单元类型)对话框，如图所示。如果想改变单元的其他输入选项（即上文提及的KEYOPTs）单击【Options】按钮。出现如图所示的element type options（单元类型选项）对话框。确定后单击【OK】按钮，如有需要了解各设置的具体说明，可查看ANSYS帮助文件。返回到如图所示的对话框后单击【Close】按钮，结束单元类型的添加。8、定义材料属性 单击MainPreprocessorMaterial PropsMaterial Models弹出定义材料属性对话框如图所示，填入EX： 2.1e5、PRXY：0.27，在Structural下单击Friction Coefficient弹出如图所示对话框，填入Mu：0.27.，至此材料属性定义完成，下一步进入网格划分。3.4 网格划分实体建模的最终目的划分网格以生成节点和单元，生成节点和单元的网格划分过程分为两个步骤：（1）定义单元属性；（2）定义网格生成控制并生成网格。 3.5施加的约束固定约束类型对话框提示3.6施加的载荷3.7结果分析后处理图解通过图解发现图示的受力部分的应力密度最大通过图解发现图示的受力部分的最大通过图解发现图示的受力部分的应力密度最大3.8本章小结文通过对双层举升机精确建模，进而进行受拉应力分析，得出如下结论：通过应力云图可以看出双层举升机在中心部位处属于应力集中，最容易发生破坏。中心部位应该加工，也说明中间部位材料比较厚实的正确性和合理性质。从而也证明了在ANSYS中进行应力应变分析的正确性，从而可以大大减少试验费用，降低成本，为齿轮的优化设计和可靠性设计打下坚实的的基础，进而可以优化结构或者优化材料和工艺，最终实现结构、材料和工艺的创新设计。第四章 双层举升机结构的改进与优化4.1 引言利用有限元软件ANSYS10.0的结构分析模块对双层举升机进行有限元分析。通过建立双层举升机的几何模型、有限元模型，对分析模型进行平面静力分析和双层举升机分析，学会对有限元分析结果进行分析和优化。4.2 探究经验计算与有限元分析数据误差的原因有限元作为一种数值计算方法，它的计算结果一般与真实解存在误差从多个方面来说。1. 就是在有限元模拟的时候，我们都要对模型进行一些简化，这一定或多或少影响计算精度的；2. 有限元求解的时候，由于各个项目的差异，我们定义各种参数（和实际的一定有差异）例如滑动摩擦系数的值等等，这也会影响理论公式的计算精度；3. 建立有限元模型的时候网格的划分，熟练人员和不熟练人员的网格划分有很大差别，这更是影响着求解的计算精度；4. 有限元求解本身就是近似计算，它用近似模型替代实际模型，所以计算的最终结果一定和实际存在着一定的差别；5. 即使有限元的计算结果正好等于实际值，但是有的实际解在实际中根本没办法测量或者说即使测量了由于采取的手段的诧异，它的结果也不一定非常的精确，这样来说实际的解本身也存在误差；认为有限元计算的影响误差主要有两个，1、几何体离散：对于规则几何体这种误差可以消除，对于非规则几何体这种误差不能消除。2、形函数的影响：对于线性形函数误差可以消除，非线性形函数误差不能消除。1.有限元方法本身就是数值模拟方法，近似计算，误差之一。2,几何模型近似，几何模型到有限元模型，模型完全有节点组成，又是近似。3.采用的单元本身，也是近似，也就是所说的形函数。对一个问题，采用不同的单元得到不同的结果，就体现了这种近似，另外即使对同一个模型，采用最适合的单元，在不同的软件也会得到不同的结果，又体现了单元误差。 例如marc，ansys，nastran，abaqus 都存在板单元，但这几种板单元基于的假设不见得都一样，各种软件的相关单元并不具有完全相通性，误差不可避免。 1 首先有限元的发展是利用现有的力学理论发展起来，这些理论本身就存在与实际情况存在差异，象弹性力学中其考虑为小变形，忽视了应力应变的高阶量 这本身便会与实际情况存在误差。2 其次有限元的算法以及单元类型也会对结果造成影响，象我们使用协调模型推导处的单元函数总会使得单元偏硬 3 边界条件和加载条件的简化也会造成差异 以前在公司打发时间时做过一个小试验把对称的十字bar固定中心 计算其模态响应，虽然是很简单的一个问题，但试验和计算结果始终无法完全吻合，毕竟实验时永远不可能做到固定一点以及不偏心所以我觉得有限元的误差大小不是很重要，大多数情况下我们使用有限元只是给我们提供一个事务变化趋势（只要其在合理的误差范围内）来指导产品的设计，改良并最终实验验证4.3 降低应力的结构改进文通过对双层举升机精确建模，进而进行受拉应力分析，得出如下结论：通过应力云图可以看出双层举升机在中心部位处属于应力集中，最容易发生破坏。中心部位应该加工，也说明中间部位材料比较厚实的正确性和合理性质，加强结合部位的圆角过渡。4.4 本章小结 本章主要是对前面各章节进行总结归纳，并比较出理论计算与ANSYS有限元分析的差异。总结与展望一、总结首先通过对双层举升机的弹性特性进行分析，熟悉双层举升机的组成和类别。通过对这些因素的分析和研究，综合考虑各个因素，要清楚地知道所要设计的应符合的要求。最后，运用三维设计软件进行绘图，并对所设计的双层举升机通过研究分析，本文基本上完成了预定的任务，设计出比较合理的双层举升机悬架。二、今后研究方向（1）双层举升机的应用未来前景如何。（2）如何将分析应用到具体实践当中，去指导实践。总结 本次毕业设计使我能综合运用机械原理、液压传动、材料力学及其它所学专业课程的知识，分析和解决机械设计问题，进一步巩固、加深和拓宽所学的知识。通过设计实践，逐步树立正确的设计思想，增强创新意识和竞争意识，熟悉掌握机械设计的一般规律，培养分析问题和及解决问题的能力。通过设计计算、绘图以及运用技术标准、规范、设计手册等相关资料，进行全面的机械设计基本技能的训练。因此，它在我们的四年大学生活中占有重要而又独特的的地位。参考文献1. 须雷.现代升降机的特征和发展趋向J.起重运输机械，1997(10)：372. 须雷.升降机的现代设计方法J.起重
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