剪式汽车举升机设计-双铰接剪叉式液压升降台【11张CAD图纸+PDF图】
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广西科技大学毕业设计(论文)摘 要汽车举升机是指汽车维修行业用于汽车举升的汽保设备。举升机在汽车维修养护中发挥着至关重要的作用，无论整车大修，还是小修保养，都离不开它，其产品性质、质量好坏直接影响维修人员的人身安全。本次本是对剪式汽车举升机进行设计，首先确定了该剪式汽车举升机结构的结构；接着调查汽车尺寸建立汽车模型以确定举升机的整体结构尺寸；其次建立了举升机构的力学模型并对举升机构不同位置状态进行了受力分析及校核杆件、销轴、螺栓的强度是否满足要求；然后对该剪式汽车举升机的液压系统及电气控制系统进行了设计；最后采用AutoCAD软件绘制了该剪式汽车举升机的装配图及主要零部件图。本次设计中所采用的研究思路与方法对今后各类剪式举升机的设计及改进均有较好的指导意义。关键字：汽车；举升机；剪式；液压AbstractCar Lift refers Qibaoshebei automotive repair industry for lifting the car. Lift play in the automotive repair and maintenance in a crucial role, regardless of vehicle overhaul or minor repairs and maintenance, are inseparable from it, the nature of their products, quality directly affects the safety of maintenance personnel.The car this is a scissor lift design, first determine the structure of the car scissor lift structure; then the size of the establishment survey automobile car model to determine the size of the overall structure of the lift; secondly to establish a lift mechanical model of state agencies and different positions were lifting mechanism stress analysis and checking rod, pin, bolt strength meets the requirements; then the hydraulic system and electrical control systems were scissor car Lift design; Finally, AutoCAD software to draw the scissor car lift assembly drawing and main parts diagram.Research ideas and methods used in this design for the future design of various types of scissor lifts and improvements have better guidance.Keywords: Car; Lift; Scissors; Hydraulic目 录摘 要IAbstractI第一章 绪 论11.1选题背景、研究目的及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 举升机的发展历史11.2.2国内外研究状况1第二章 结构及尺寸设计32.1 举升机结构确定32.2 确定各结构尺寸42.2.1 建立轿车模型42.2.2主要结构尺寸确定42.3初定电机功率62.4平台与叉杆的设计计算72.4.1确定平台的结构材料及尺寸72.4.2确定叉杆的结构材料及尺寸82.4.3横轴的选取11第三章 受力分析与校核133.1力学模型133.1.1力学模型建立与分析133.1.2关键参数研究与确定153.2力学分析与校核163.2.1最低状态时各臂受力情况163.2.2最高位置时各臂受力情况183.2.3主要受力杆件强度校核计算193.2.4 连接螺栓的校核24第四章 液压、电气系统的设计与选择284.1液压系统设计与选择284.1.1液压系统设计要求284.1.2液压系统的设计284.2液压缸的计算与选型294.2.1 液压缸的安装位置294.2.2液压缸推力及行程的确定304.2.3液压缸的选型304.3液压泵的计算与选型304.3.1 液压泵工作压力的计算314.3.2 液压泵功率的计算314.3.3 油泵流量的计算324.3.4 油泵的选型324.4电气系统设计324.4.1 电气系统控制设计334.4.2电动机的选择与验算34总 结36参考文献37致 谢3840第一章 绪 论汽车举升机是现代汽车维修作业中必不可少的设备，它的主要作用就是为发动机、底盘、变速器等养护和维修提供方便。举升机的从上世纪20年代开始使用，发展至今经历了许多的变化改进，种类也比较多，一般有柱式、剪式，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。本章就从举升机的产生、发展以及制造工艺等方面进行简单的介绍。1.1选题背景、研究目的及意义近年来，我国汽车业蓬勃发展,尤其是轿车行业，多年来轿车进入普通家庭的梦想已经成为现实，汽车维修行业也随之得到大力发展，汽车举升机是现代汽车维修作业中必不可少的设备，无论整车大修，还是小修保养，都离不开它。在规模各异的维修养护企业中，无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店），几乎都配备有举升机。它的主要作用就是为发动机、底盘、变速器等养护和维修提供方便。举升机的重要性和普及性，决定了它是一种备受专业人士和经营管理者重视的设备。举升机一般有柱式、剪式的，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。目前，使用的汽车剪切式举升机可能发生汽车坠落的原因较多，有安装基础不牢、自锁装置失效、举升臂变形、两侧举升臂上升速度不等、液压油路爆裂、汽车拖垫打滑等，经过对失效的剪切式举升机进行检测分析发现,这些事故的主要原因往往是设计上存在着缺陷，如果做工不好或者设计不好就容易导致台面不平、导致单边升降等危险发生，因此，进一步提高剪切式举升机产品的性能与可靠性，是国内举升机任重道远且亟需改进的地方。1.2 国内外研究现状1.2.1 举升机的发展历史汽车举升机在世界上已经有了70年历史。1925年在美国生产的第一台汽车举升机，它是一种由气动控制的单柱举升机，由于当时采用的气压较低，因而缸体较大；同时采用皮革进行密封，因而压缩空气驱动时的弹跳严重且又不稳定。直到10年以后，即1935年这种单柱举升机才在美国以外的其它地方开始采用。发展至今经历了许多的变化改进，种类也比较多，一般有柱式、剪式，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。其中剪式举升机使用方便，占地空间较小，受到很多实力雄厚的特约维修站的欢迎，这也是未来举升机的发展方向。在市场上可以看到的型式各异、尺寸不同的举升机中，有一些特别适合于从事特殊类型的维修作业，也有少数的举升机适合进行一些其它的维修作业。1.2.2国内外研究状况目前，发达国家（如美国）生产的汽车举升机质量较好、性能较稳定、设备操作简单，在经销商中口碑良好。我国的汽车举升机是20世纪90年代依据国外的产品技术生产的，国内最早研究剪式举升机的是上海宝得宝，1999年开始，宝得宝机型比较笨重，主要的质量问题集中在油管易爆和平台不同步，2000年后质量有了改进。但由于不是批量，所以价格偏高。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。然而国内汽车举升机虽然也相对定型，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。剪切式举升机是一个使用较广的举升机，在最近几年所有新销售的举升机中，至少二分之一都是这种类型的。这种设计之所以很流行，有几方面的原因的：一就是这种举升机安装起来很快，不需要大范围的开挖，也不需要对维修厂的整体布局进行一些永久性的变动。二是功能的多样性，它适用于大多数轿车的维修和保养。三是剪式举升机使用方便，占地空间较小。四是经济实惠，剪式举升机较为精密。 无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店）都适用。第二章 结构及尺寸设计2.1 举升机结构确定此次课题设计的内容为剪切式汽车举升机，剪切式举升机的发展较迅速，种类也很齐全。按照剪切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；按照安装形式又可以分为藏地安装，地面安装。因为此次设计所要举升的重量为2t以下的轿车 ，所以采用小剪式液压驱动举升机就完全可以。为了适合大小维修厂，对地基没有过多要求，地面安装即可。整体结构形式如图2.1所示。图2.1 剪切式举升机整体结构形式 剪切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。剪切式举升机有两组完全相同的举升机构，分别放于左右两侧车轮之间，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2。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。剪切式举升机使用方便，结构简单，占地面积小，适用于大多数轿车、汽车的检测、维修及保养，安全可靠3。2.2 确定各结构尺寸2.2.1 建立轿车模型为使举升机使用范围广，本设计首先建立了一个轿车模型1。根据表2.1所列车身参数信息。 表2.1 参数信息车身信息 车型帕杰罗3.0GLS手动大众劲取车身长/宽/高（mm）4830/1895/18854200/1650/1465前轮距15751460后轮距15601460轴距27752460前轮规格215/60R16195/55R15后轮规格215/60R16195/55R15根据丰田和大众轿车的车身信息确定一个使用较广的车模：它的车身参数有车身长4.7m，宽1.75m，高1.5m，轴距2.1m，前后轮距平均为1.5m，车自重1.5t，该轿车模型集丰田轿车外型，奥迪外型，大众车系于一体，具有较广的代表性。2.2.2主要结构尺寸确定（1）剪切式举升机已知的主要技术参数如表2.2所示表2.2 主要技术参数技术数据数值单位举升重量3T举升高度3502000Mm提升时间60S要求举升机的提升速度是经1min时间内举升机能升高到1m，实际升高1.65m，并且举升机在各高度工作时，都能自锁。设计过程中参考了广力牌GL3.0/A小剪式举升机，上海繁宝剪式举升机， Jumbo Lift NT 剪式举升平台的外形及运动形式。（2）举升机各部分尺寸 （a）支撑平台尺寸因剪切式举升机放于两轮胎之间的下部，所以举升机在使用过程中要保证举升机不能与轮胎发生干涉2。根据轿车轴距为2.6m，轿车轮胎直径一般不超过700mm，为避免干涉，举升机平台两端与轮胎边缘要有一定距离，取平台边距轮胎边缘之间距离为150mm，则平台外型长。平台宽一般为500mm600mm左右，我们取平台宽为Bp=550mm。举升时，重量作用在整个平台上，力并不集中，所以平台不宜过厚，增加举升机重量，取外型高为70mm，实厚为15mm，只在四周加工凸台边缘，平台尺寸如图2.2所示。图2.2 平台尺寸 （b）举升臂尺寸因平台长La=1600mm，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，与汽车相干涉，所以固定铰支座和滑动滚轮要与平台有一定的距离，取支座距平台边缘的距离为150mm。则固定铰支座与滑动滚轮之间距离。举升机压缩到最低位置时，举升机高为350mm,(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，滑道长为750mm。上下两滚轮之间的距离为根据勾股定理求举升臂长L , 求得L=1306mm，举升臂宽110mm，厚为20mm。图2.3 举升机压缩到最低点时的状态（3）举升机升高到1m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1m时，举升机上下两滑轮之间的距离为，因举升臂长L=1306mm，固定铰接处与滑轮之间的距离为Lb,由勾股定理得 ，则Lb=896.15mm，滑动轮滑动距离Lx=1300-896.15=403.75mm。举升机升高到1m时，结构状态如图2.4所示。图2.4 升高到 1m 时举升机主视图和左视图因我们的举升臂宽为110mm，所以连接处螺栓轴径适当取Ds=30mm，滑动滚轮处轴径取Dz=24mm，滑轮总宽为30mm，与滑道实际接触尺寸为25mm，另外5mm为阶梯凸台,直接与举升臂接触，减小摩擦。2.3初定电机功率剪切式举升机举升重量2t，举升机自身及其附件的重量再加上一部分的余量为0.8t，所以取 W=3.8t 。初定电机功率，不考虑工作过程损失。举升平台上方放有汽车时，设计上升速度为 Vw = （2.2）S=2000-350 =1650 (mm) 由公式（2.2）得 Vw= =0.0275m/s=1.65m/min 载车板上升功率 Pw= （2.3）Fw=mg （2.4）其中m=4.6kg，g=10N/kg 由公式（2.4）Fw =3.810 =38 KN Vw取1.65 m/min由公式（2.3）得 Pw= =1.04（KW） 取整理前面计算的数据如表2.4。表2.4 剪切式举升机主要技术参数举升重量2000kg举升高度3502000mm实际上升高度1650mm总宽2000mm总长2060mm平台长/宽1600/550mm举升臂长1306mm平台间宽900mm上升时间50s下降时间40s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896.15mm2.4平台与叉杆的设计计算2.4.1确定平台的结构材料及尺寸平台位于升降台的最上部，是支撑件的组成部分。汽车能够在升降台上平稳的停放就是平台起了关键的作用。在进行维修作业之前首先得驶上平台。需要说明的是平台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，如下图4-1。图4-1 下底板结构简图根据上面汽车尺寸参数，确定平台的长度为2600mm，宽度450mm，材料采用热轧钢板。其形状见图纸。需要说明的是平台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。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4-2所示。 图4-2 叉杆的外形图2.4.2确定叉杆的结构材料及尺寸对支撑叉杆进行受力分析：首先定义每根杆的名称编号，如图4-3：图4-3 支撑叉杆受力分析图对于杆3、杆4的活动铰联接在水平方向上除了摩擦力没有其它外力，所以可以忽略不计，现在只考虑其竖直方向上的受力就可以了。经过分析杆3的受力情况如图：计算其最大弯矩及轴向力：经力学分析，当升降台处于最低位置，时，所受弯矩最大，如图。当升降台处于最高位置，时，轴向力最大，如图，（正值为拉力，负值为压力）。杆4受力情况同杆3。下面再分析一下杆1,对杆1作受力分析，如图对D点做力矩分析：，可得 = -110.1N。计算弯矩，由上图可转化成下图来分析： 根据以上条件画弯矩图，如下：图4-4 杆1弯矩图由此图可知，杆1的最大弯矩在C点。经计算当时，有最大值，即拥有最大弯矩，同样此时也拥有最大的轴向力。首先将，W=9800N，P=11.6W（P与W的关系值根据上述的公式求得）代入以上各式，求得的值如下图：则。计算轴向力，同样将杆1的受力分析图再转化为轴向力图分析，如图：经分析计算，CD段受到的轴向压缩力最大，。由于刚刚计算出的杆3与杆4的最大弯矩和最大轴向力都小于杆1的值，故不对杆3杆4计算工作应力。计算杆1该状态下的工作应力，设叉杆横截面积A=bh,如图： 则该状态下的工作应力为其中， 叉杆实际工作应力,材料许用应力， 材料的极限应力，对于45号钢，为340Mpa n安全系数,一般为大于1的值，这里取n=2。根据经验初选h=0.1m。由此式可以看出弯矩对工作应力的影响较轴向力要显著的多，所以在计算时应以最大弯矩为主要计算对象。杆1所承受的最大工作应力。杆1的C截面拥有最大弯矩，即可以认为C截面拥有最大的工作应力。我们按照最大工作应力来选取合适的叉杆截面。将h=0.1m代入上式：最大工作应力。这里取，即叉杆的横截面为10025。2.4.3横轴的选取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220mm，由于是单耳环联接，其内径CD=50，横轴的外径也应为50mm,但考虑到二者需要相对滑动，应使横轴的外径略小于50mm,这里取d=48mm。单耳环的宽度值EW=60mm。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：当时，P=113680N，可求得。作用于横轴上的力P是均匀分布的，分布距离为60mm，故集度为：，截面O上的最大弯矩为，截面C和D上的剪力（这里没有考虑剪力与弯矩的正负）。其弯曲应力为剪应力对于其它几个销轴，由于所受的应力都小于上述值，在不改变材料的基础上选择直径各为35mm、40mm是完全可以的，这里就不一一校核了。第三章 受力分析与校核3.1力学模型3.1.1力学模型建立与分析举升机之所以斜置，是因为举升机右侧为固定铰支座，左侧为滑动铰支座，平台上放有荷载，举升机上升过程中，荷载重心相对前移，在高空中容易前翻，对工作人员十分危险，斜置安装可以抵制荷载前翻的情况。安装情况如图3.1，图中F4 与F6 作用点分别对应平台和底座的固定铰支座位置, F3 与F5 作用点分别对应平台和底座的滑动铰支座位置。 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 ,剪切式举升机构自重载荷为W3 ,油缸自重载荷为Wcy ,根据分析,假设举升臂机构自重载荷为W3和 油缸自重载荷为Wcy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=1306mm 其与水平线夹角为;定义d为液压缸下安装点与举升臂中心销孔距离(平行于举升臂) , f为上安装点与举升臂端销孔的距离,定义上下两铰接点高度为Hg，定义滑动铰支座与固定铰支座之间的距离为Lb，根据几何关系,液压缸轴线与水平线夹角与有以下函数关系： （3.1） 由式(3.1)可知,液压缸轴线与水平线夹角是d、f、的函数,而当d、f这2个参数确定时,在举升机构升降过程中随变化。平台和剪切式举升机构建立其力学模型如图3.2所示。为平台简化模型5。图3.2 平台简化模型 假定W1 作用于平台中心位置,则当平台起升,剪切机构变幅带动滑轮内移时,则W1、F3、F4和有如下关系15（B近似等于L/2）。 （3.2） （3.3）图3.3 剪切机构外载情况图3.2和图3.3为剪切举升机构力学模型图。剪叉举升机构外载状况如图 3.3所示。为计算剪切式举升机构内每个支架铰接点的内力和油缸推力,以研究该机构各内力、油缸推力与角之间的关系,并找出其最恶劣工况,我们将该机构拆分为4个独立的隔离体,分别对应该机构从上到下的各段剪叉杆5,如图3.4所示。图 3.4 各剪杆受力分析图该图使用的符号说明如下:Kx 为剪叉机构各铰接点内力, x = 1, 2, 38;其中奇数为该铰接点Y方向受力,偶数为对应铰接点X 方向受力; Fx 为作用在剪切式举升臂 机构上的外力, x = 3, 4, 5, 6; P为液压缸的推力。据此,在不考虑摩擦力的情况下,建立力学平衡方程如下面矩阵所示5： 在上面的矩阵中,设。由于油缸的自重忽略不计,故设F = F3 = F4 = F5 = F6 =W1 /4。以上矩阵给出了外载、剪切式举升机构几何参数与油缸推力及各剪切举升臂受力的相互关系,为剪切式举升机构的设计计算及关键参数的研究提供理论依据。通过编写的 MATLAB程序矩阵解以上多元方程得以下结果: （3.4）3.1.2关键参数研究与确定分析前述剪切式举升机构,发现Pmax和油缸轴线与支架梁之间的夹角(-)有较大关系。给定载荷下,起升油缸夹角越小,则所需推力越大。由式(3.4)可知,起升油缸的最小夹角由d, f这2个关键的几何参数决定5。因此,上述4个关键参数可在一定范围内调整而不产生干涉。经对d, f 这2个关键参数的研究,结合防止机构几何干涉，并且不发生死角现象及制造工艺方面的考虑,确定其值: 。计算液压缸的推力（1）升高到1m时液压缸的推力举升机升高到1m时，tan= 由式（3.1）得举升机的重心不变 F3和F4之间的距离为896mm ，由式（3.2）和（3.3）求得F3 =11.7509KN，则F4=4.45KN。将f=500mm 、d=250mm、F= F3 =11.7509KN代入式（3.4）中，我们得到P=136.643KN。（2）最低点时液压缸的推力根据图（3.3）所示的举升机结构尺寸，可求出角度 , tan=再根据式（3.1）， 解得将=5.49、=16.22、L=1306mm、f=500mm 、d=250mm代入到式（3.4）中，解得液压缸的最大推力为 P=324.08 KN。由前面分析可知，举升机在最低点时，此时液压缸的推力是整个举升过程中所需推力最大值，选择液压系统时根据推力最大值确定。3.2力学分析与校核本机主要性能参数为：额定举升载荷2t；在载重2t情况下，由最低位置举升到最高位置需60s；电动机功率1.1kW；举升机在最低位置时的举升高度为350mm，最大举升高度为2000 mm，工作行程为1650 mm。3.2.1最低状态时各臂受力情况（1）与平台接触处的两铰接点的力学分析与计算由前一节分析可知，举升机在最低点时，举升机重量均匀的分布在平台上，平台钢结构和平台有效载荷之和Wz1所产生的重力直接作用在滑动铰支座和固定铰支座上。在最低点时，举升臂并不水平放置。存在一很小的角度。tan=因很小，所以计算过程中我们可以将Wz1 近似看成作用在平台中心位置，Wz1为举升重量与平台重量之和，即 （g取10N/kg）因举升重量和平台质量之和由两侧举升机共同承受，所以代入式（3.2）和（3.3）中的W1只是Wz1的一半，W1=16.2kN 解得（2）计算各举升臂的受力 图3.5 举升臂受力图图3.5为杆1的受力情况，F3 作用处为滑动铰支座，根据受力分析图列力和力矩平衡方程。方程如下:解得 分析计算结果，我们可以看到，k1,k2,k6三个未知量都与k5有关，只要确定出k5，其他就都能解出。观察图3.1力学方案示意图，我们能够很快分析出，举升重量全部作用在平台上，在举升机起升瞬间，很小，则k5铰接孔处竖直方向分力很小，几乎为零，对杆件只起连接作用，我们将k5取0 N。则。图3.6 举升臂2受力情况图3.6为举升臂2的受力图，液压缸的推力直接作用在连接两侧举升臂之间的轴上，间接作用在举升臂2上。 k3,k4,F4x为未知量，P=324.08 KN。列力和力矩平衡方程: 解得 通过计算结果，我们可以看出液压缸在瞬间举升时，水平方向的分力和固定铰支座处的水平方向分力都很大。所以举升机的刚度强度一定要满足要求，否则维修工人在作业时将很危险。图3.7 举升臂3受力图举升臂3在实际工作过程中，对整个举升机受力情况没有太多影响，主要起连接件的作用。F5和F6支撑上面所有的重量 式中的0.92KN为液压缸重量产生的重力（初步确定）。图中k7和k8为未知量。列方程如下： 解得 图3.8 举升臂4的受力图 举升臂4的力F6作用处是固定铰支座，所以有两个方向作用力。液压缸的固定端作用在连接举升臂的轴上。举升臂承受液压缸的重力，并不承受液压缸的推力。液压缸的推力有输入的液压油来平衡。在这个受力图中，只有F6x是未知的。 解得 3.2.2最高位置时各臂受力情况举升机升高到1m时，举升机向内滑动403.75mm，两脚支座之间的距离为896.15mm。上下两滑轮之间的距离为1900mm。举升臂与水平方向夹角为 液压缸与水平方向夹角为，液压缸推力P=136.643KN。 分析和计算方法同上。先求举升臂1的受力情况如图3.5，由式（3.2）和（3.3）解得，解得 因举升到1m时，举升臂与水平方向夹角为，所以竖直方向力和水平方向力应近似相等。取。则举升臂2的受力情况如图3.6所示，解得举升臂3的受力情况如图3.7， 解得 举升臂的受力情况如图3.8， 解得3.2.3主要受力杆件强度校核计算（1）位于上端的滑轮轴的强度校核滑轮轴通过滑轮与平台接触，作用在滑动端的力F3均匀作用在两个滑动轮上。滑动的两轮之间距离为405mm。滑动轮外侧与举升臂接触。举升机最低点时，对于滑轮轴而言，与举升臂接触处，相当于固定支点，即被约束。图3.9是滑轮轴的受力图、剪力图、弯矩图。由图可知，滑轮轴只受竖直方向力，没有水平方向的力，所以滑轮轴不发生扭转变形。我们从剪力图和弯矩图中还可分析出，在长度为405mm的线段内横街面上的剪力FQ=0，而弯矩M为一常数，这种只有弯矩的的情况，称为纯弯曲。所以长度为405mm的线段内只发生弯曲变形，而没有发生剪切变形。是弯曲理论中最简单的一种情况。由上面的计算可以知道，上滑轮轴在举升机升高到1m时，受力最大，所以我们只校核举升机升到1m时的滑轮轴强度即能说明轴的强度是否合格。图3.9 滑轮轴的剪力图与弯矩图 对滑轮轴进行强度校核，轴的材料为45钢19，抗拉强度 弹性模量E为 ，一般取 。轴的直径d=24mm。（1）轴的弯矩图如图3.9所示。由图可知 ，最大正弯矩 M=（2）轴的强度校核式中：M为横截面上的弯矩；W轴的抗弯截面系数。经校核可以看出，轴的截面强度足够。（2）位于下端的滑轮轴的强度校核最下端轴的校核和最上端轴的校核方法一样，下端滑轮轴最低点和最高点时受力情况一样。受力图、剪力图、弯矩图如图3.10所示。图3.10 下滑轮轴的剪力图与弯矩下滑轮轴的材料也是45钢，抗拉强度。下滑轮轴受的力为：F5/2= ，轴的直径d=24mm。（1）弯矩图如图3.10所示由图可知 最大弯矩 (2)下滑轮轴的强度校核校核后可得出轴的强度足够。（3）对举升臂1和2进行强度校核举升臂1和2位于举升机的上半部分，液压缸的作用点直接作用在连接举升臂2的轴上，举升臂2和1又通过中间螺栓相连，所以2和1的受力情况比较恶劣。在校核时，只对这两个举升臂进行校核即可。(1) 举升臂1的强度校核图3.11 举升臂1的剪力图与弯矩图 因举升臂为板材，近似梁。所以分析过程中，我们按梁的强度校核方法来分析举升臂。由图3.11举升臂1的受力图可以看到，举升臂既有水平方向的力，又有竖直方向的力，并且两个方向的力在同一平面， 属拉伸（压缩）与弯曲组合变形11。我们将力进行分解，沿举升臂轴线方向和垂直轴线方向。举升臂1的受力图、剪力图、弯矩图、轴力图如图3.11所示。由图所知，举升臂在中间截面组合变形最大11。举升臂的材料为Q275钢 ,抗拉强度 , 弹性模量 E=200220GPa ，L为举升臂长L=1306mm 。举升臂在最低状态时（），校核过程如下： 举升臂的弯矩图如图3.11所示举升臂最大负弯矩 确定举升臂1中性轴的位置截面形心距底边为 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Z即为中性轴 截面对中性轴的惯钜 举升臂的最大弯曲应力为 最大轴向正应力截面积为，则正应力为 校核举升臂的强度两种变形产生的总应力结果表明最大弯矩处截面强度足够。举升机升高到1m时的强度校核情况：（）最大弯曲应力为轴力为：最大正应力为 总应力为强度充分满足条件。（2） 举升臂2的强度校核图3.12 举升臂2的弯矩图和剪力图、轴力图在剪切举升机构中，连接举升臂2的轴，要承受液压缸的推力，推力间接作用在举升臂2上。所以举升臂2的工作条件最为恶劣，要求最高。对举升臂2进行强度校核。考虑到制造工艺性，所以举升臂2的材料暂都选用Q275钢。 观察图3.12举升臂2的受力情况，可以看出举升臂2也受水平和竖直方向，我们同样将水平方向的力与竖直方向的力进行分解。举升臂在最低点时的校核情况如下从图中可以看出中间铰接点的变形最为严重值 最大弯矩由弯矩图可看出举升臂2存在最大负弯矩和最大负弯矩情况 确定举升臂2中性轴的位置截面形心距底边为 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Z即为中性轴 截面对中性轴的惯钜 举升臂的最大弯曲应力为 轴向正应力截面积为，则正应力为校核举升臂的强度两种变形产生的总应力最大截面处的强度虽符合Q275钢的强度要求,但从值可以看出，实际应用时很可能发生危险。举升臂升到1米时的校核情况最大负弯矩为 最大弯曲应力轴向最大应力则正应力为强度满足条件。3.2.4 连接螺栓的校核螺栓在举升机中起连接作用，主要承受剪切变形。校核时只考虑剪切变形就可以。以下是对图2.4中的1、3、4处的螺栓进行强度校核。螺栓材料为Q235-A钢，许用剪切应力=98MPa。（1）1处螺栓受的剪切力如图3.15所示图3.15 1处螺栓所受剪切力图（a）举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 =53.89MPa满足强度要求。（b）举升到1m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求。（2）3处螺栓受的剪切力如图3.16所示图3.16 3处螺栓所受剪切力图（a）举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求（b）举升到1m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求。（3）5处螺栓受的剪切力如图3.17所示图3.17 5处螺栓所受的剪切力图（a）举升机在最低点时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求（b）举升到1m时螺栓剪切力强度计算水平方向承受的应力为 竖直方向承受的应力为 根据第三强度理论 经计算满足强度要求。校核后的结果表明螺栓材料为Q235钢是符合要求的。第四章 液压、电气系统的设计与选择4.1液压系统设计与选择4.1.1液压系统设计要求汽车举升机液压系统，除要求能在一定的范围内从汽车两侧将汽车同步举升和下降外，还要求其能使汽车在任意高度停止并保持不动。以便不同身高的工人，在维修不同位置时可以任意调整高度，最方便的进行维修。因此，液压系统必须具有定位保持功能。另外，因汽车的重量较大，一但液压系统出现故障，举升机举升臂在汽车重力的作用下会迅速下滑，可能会对车下维修工人的生命安全造成威胁，举升机上面的汽车也有被摔坏的危险。所以，为了防止这样的情况发生，举升机必须具有机械锁装置。机械锁由分别安装在举升油缸外侧和活塞杆顶部与举升臂相联的销轴上的两根锯齿形齿条组成。安装在油缸外侧的齿条固定不动，而安装在销轴上的齿条则随活塞杆上下移动，并且能绕销轴做一定角度的摆动，已实现两根齿条的分离和啮合。当举升臂处于定位状态或液压系统出现障碍、油压低于一定数值时，动齿条就会在自身重力和弹簧力的作用下与静齿条啮合，机械锁锁死，使举升臂不会下滑，这样就确保维修工人和汽车不会出现危险。4.1.2液压系统的设计在设计过程中，要保证汽车被水平举起而不发生侧偏，两侧举升机上升过程中必须始终保持同一高度，活塞的运行速度必须时刻保持相等。举升机液压回路必须同步。 举升机的液压回路16如图4.1所示，主要有两部分组成：机械锁回路、升降回路。1.左机械锁液压缸 2.右机械锁液压缸3. 两位三通电磁阀 4.滤油器 5.液压泵 6.溢流阀7.三位四通电磁阀 8.普通调速阀 9.比例调速阀 10. 左升降缸 11.右升降缸图4.1 汽车举升机液压控制回路（1）机械锁回路机械锁回路由油缸1、油缸2和两位三通电磁阀3组成。当电磁阀YA1得电时，两位三通电磁阀3左位工作，压力油进入液压缸1、2下腔，驱动活塞向上移动，将机械锁打开，此时举升臂可自由上升或下降。当YA1失电时，两位三通阀处于右位工作时，油缸下腔与邮箱直接相通，腔内油压为零时，油缸活塞在缸内弹簧和机械锁动齿条自重的作用下收回，机械锁闭合，举升臂被锁住，不能移动。此时工人可以进行各种维修工作。（2）升降回路升降回路由三位四通阀7、普通调速阀8、比例调速阀9、左升降液压缸10、右升降液压缸11组成。当三位四通阀7的YA2得电时，YA3失电时，油液上升，通过调速阀到达缸10、11。当YA2失电时，YA3得电时，两油缸下降。汽车举升机液压控制回路是用电液比例调速阀控制的同步回路，回路中使用了一个普通调速阀8和一个比例调速阀9.它们装在由多个单向阀组成的桥式回路中，并分别控制着液压缸10、11的运动，当两个活塞出现位置误差时，检测装置就会发出信号，调节比例调速阀的开度，使液压缸11的活塞跟上液压缸10的运动而实现同步。这种回路的同步精度较高位置精度可达0.5mm，费用低，系统对环境适应性强。下面是剪切式举升机液压控制回路进行总结后的工作行程表6.1。表4.1工作行程表电磁铁举升机上升举升机下降YA1+YA2+-YA3-+4.2液压缸的计算与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14MPa）。浮拄式为多级伸缩式油缸，一般有25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。剪切式举升机多采用活塞式液压缸，动力源直接输送。4.2.1 液压缸的安装位置由第三章对举升机力学结构模型的分析与建立，设计中已经大致确定出液压缸的安装位置。d为液压缸下安装点与举升臂中心销孔距离(平行于举升臂) , f为上安装点与举升臂端销孔的距离, d= 250mm, f = 500mm。举升臂与水平面的夹角为，液压缸与水平方向之间的夹角为 由tan=举升机在最低点时，举升重量均匀分布在平台上。但当举升机开始工作向上举升时，左侧滑轮向内侧移动，上升过程中举升重量不变，但相对举升机竖直向上的作用力方向，举升重物的质心前移，为防止发生前翻状况，液压缸活塞杆端作用在滑动轮所在一侧的上方举升臂上。左侧也为轿车的车头方向。举升机在最低位置时，液压缸的安装如图4.2所示。图4.2 液压缸的安装方向4.2.2液压缸推力及行程的确定由前面的计算可知，液压缸所需的最大的推力为 P=324.08KN。液压缸行程的确定 ：我们所设计的举升机从最低位置350mm升高到2000mm，实际上升行程为1650mm。因举升机活塞杆与水平方向夹角与有如下关系：，当举升机在最低点时液压缸的长度。当举升机达到2000mm时， tan= 经计算得液压缸总长度为 ，则液压缸活塞杆伸长量为395mm，取400mm，即液压缸的行程为400mm。（Hg=1900mm f=500mm d=170mm L=1306mm Lb=896mm）4.2.3液压缸的选型根据上述计算的液压缸安装距Sc和液压缸所需的最大推力P=324.08KN，查阅资料9举升机构液压缸选用双作用单级活塞杆缸HSG-L-180/90-E2231-400-337。这种工程用液压缸主要用于各种工程机械、起重机械及矿山机械等的液压传动。4.3液压泵的计算与选型举升机构常用油泵分为齿轮油泵与柱塞泵两类。齿轮泵多为外啮合式，在相同体积下齿轮泵比柱塞泵流量大但油压低。柱塞泵最大特点是油压高（油压范围1635MPa），且在最低转速下仍能产生全油压，固可缩短举升时间。中轻型举升机构上多采用齿轮泵，重型举升机构常采用柱塞泵，此次设计选用齿轮泵。4.3.1 液压泵工作压力的计算 （6.1）式中14:液压泵的最大工作压力 （N/m2）；液压缸的最大工作压力，（Mpa）；Mpa （6.2）式中：油缸最大作用力（N）；油缸横截面积（m2）。由式（6.2）解得 MPa为液压泵的出油口到缸进油口处的压力损失。用调速阀及管路复杂的系统这里取,则=26.484MPa。4.3.2 液压泵功率的计算当忽略输送管路及液压缸中的能量损失时，液压泵的输出功率应等于液压缸的输入功率又等于液压缸的输出功率。但在实际工作中，机械损失和能量损失是不可避免的，在计算中，必须要考虑。液压泵的输出功率为： （6.3） 式中：0液压泵的输出功率（W） 液压缸的输出功率 (W) V液压缸匀速伸长的速度 (m/s)液压泵输出到液压缸的端的机械损失，取0.759；液压缸中及管路能量损失，取0.79；举升时间(s)，取t=60s。由式（6.3）得 =12.346kW液压泵的输入功率： （6.4）式中：P液压泵的输入功率液压泵的总效率，因我们所设计的举升机属于中轻型举升机，选择齿轮泵即可。齿轮泵的总效率一般为0.60.7，取0.65。则由式（6.4）得到输入功率为。4.3.3 油泵流量的计算液压泵的输入功率与流量有如下关系 （6.5）式中： Pp油泵最大工作压力，(N/m2)；液压泵的流量（m3/s）；液压泵的总效率,=0.6514。4.3.4 油泵的选型根据上述计算输入的功率P、的值，查阅资料9，选择P197-G50型号的高压齿轮泵。额定工作压力为28MPa，最大为28 MPa，工作转速为2400r/min，输入功率为65.9KW,油泵排量为50ml/r,液压泵质量为14.3Kg。 P7600 、P5100、P3100、P237、P197型高压齿轮泵，广泛用于各种工程机械、举升机械、起重机械、压路机、装载机、推土机。具有体积小压力高、排量大、噪声低、性能好、寿命长等优点。4.4电气系统设计任何复杂的控制线路，都是由一些元器件和单元电路组成。常用的控制电器有组合开关、按钮、交流接触器、中间继电器、热继电器、熔断器、自动空气断路器。4.4.1 电气系统控制设计电气系统主要控制两侧举升机的同步上升、下降。达到所需位置后，举升机都能安全锁止。开关示意图和控制电路图如下：图4.3 电气系统开关示意图图4.4 举升机主控制电路图及说明控制电路图表4.2 举升机主控制线路的电器元件目录表符号名称及用途符号名称及用途Q1三相组合开关作电源引入及短路保护用FU1熔断器作短路保护作用FR热继电器作电动机过载保护作用KM交流接触器作电动机起动、停止用KA1动合开关控制机械锁的打开与闭合KM0吸引线圈SB0总开关按钮SB3举升机下降按钮SB1举升机上升按钮SQ动断开关作上升限位保护用SB2锁止按钮KT延时开关机械锁上升下降缓冲作用C接三相电动机N接地端M电动机（1）上升按动上升SB1按钮，此时电机M立即启动运转，机械锁打开，平台会立即上升。松开上升按钮SB1，该机将立即停止上升。电路：总开关SB0闭合按下SB1 KA1接通机械锁打开 KM01线圈通电KM主触点闭合电动机正转;举升机上升到规定位置 SB1断开按下SB2KA1接通机械锁闭合KM02线圈断电进行锁止。（2）下降当按下下降按钮SB3时，剪切式举升机先立即上升，等延时约12秒钟自动转为下降(这样可以保证在下降前将保险爪从保险齿条内抬起而不被卡住)。在下降的同时，保险爪将因两位三通电磁阀YA1通电打开而自动抬起，此时，电动机M也同时停止运转。电路：按下SB3按钮KA1接通机械锁打开KM03线圈通电KM主触点闭合电动机反转举升机下降到规定位置SB3断开按下SB2KA1接通机械锁闭合KM02线圈断电进行锁止 4.4.2电动机的选择与验算（1）电动机选择计算举升机构额定起重量时的静载荷功率NjNj=(Q+ G0)V/60 （6.6）式中： Q额定举升重量，N；G0举升机构自重，N；V举升速度，m/min；效率=0.5。Q=30000N ， 得Nj=2.09 KW根据Nj查电动机产品目录选取电动机相应的额定功率Ne，并满足Nekd Nj （6.7）式中 kd系数，见表6.3所示。我们按满载情况算 Kd=1.0 Ne 2.09 KW根据额定功率Ne值及液压泵的转速，选择YZR132N2-6额定功率4.0，转速为900r/min的电动机。因举升机经常启动，制动，要求电动机的转动惯量小和过载能力大，因此选用YZR系列三相异步电动机是符
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