汽车改装式升降台设计[车载剪叉式 举升机][三维CATIA][ANSYS][ADAMS]
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车载剪叉式 举升机
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ADAMS
汽车改装式升降台设计[车载剪叉式
举升机][三维CATIA][ANSYS][ADAMS]
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黑龙江工程学院本科生毕业设计第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, IDEAS, 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。NYYYN1.3 是否合理转换接口ADAMS动力学析仿真ANSYS有限元分析N撰写设计说明书仿真结论分析是否合理CATIA整机装配及干涉检查是否合理转换接口CATIA三维实体建模汽车改装式举升机结构设计及校核调研、收集资料及总体方案论证研究采用的技术流程图如图1.1所示。图 1.1 技术流程图第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。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300kg举升高度6000mm提升时间50S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，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 ，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490610；密度(g/cm3)为7.85。 质量基本计算公式 （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2.7.2滚道质量 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=120kg2.7.3举升臂的质量在实际运用中，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 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 = （2.2）将S=6000(mm)代入，由公式（2.2）得Vw= =0.12m/sg=10N/kg 由公式 Fw =3.710 =37 KN （2.3）Vw取7.2 m/min由公式（2.3）得Pw= =4.44（KW）取 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896.15mm2.9 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。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=液压缸长度L=644.39mm当升降台上升到最高位置处时=液压缸长度L=1145.37mm液压缸起升速度V=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3.2.1对举升臂进行受力分析图3.4举升臂受力分析图F1=52.1KN （1） （2）3.2.2对举升臂（II）进行校核图3.5举升臂（II）校核图 举升臂的弯矩图如图3.11所示举升臂最大弯矩 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即为中性轴。 截面对中性轴的惯钜 举升臂的最大弯曲应力 最大轴向正应力 两种变形的总应力 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。由于承受的总应力310.27Mpa500Mpa，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）进行校核图3.6举升臂（I）校核图 举升臂的弯矩图如图3.11所示举升臂最大弯矩 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即为中性轴。 截面对中性轴的惯钜 举升臂的最大弯曲应力 最大轴向正应力 两种变形的总应力 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。由于承受的总应力114.34Mpa500Mpa，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： 式中：M为横截面上的弯矩；W轴的抗弯截面系数。经校核可知：829.6MPa1000MPa，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=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：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。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。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HSG01-80/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HSG01-40/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HSG01-80/dE型的速比选择1.33即可，对应行程S8D=640mm。因为282mm640mm，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 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HSG01-120/dE型的速比选择1.33即可，对应行程S8D=960mm。因为700mm960mm，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 （4.1）式中 液压缸的最大工作压力，MPa；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=（0.20.5）Pa；已知：=10.37MP所以=10.37 +0.5 =10.87 MPa （4.2）4.4.2计算液压泵的最大流量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 （4.3）式中系统所需流量，； K系统的泄漏系数，一般取1.11.3； 同时动作的液压缸的最大流量，一般取23 ；初取K=1.2 =3 或0.05所以=1.23=3.6 或0.06 （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应按下式计算 （4.5）式中 液压泵的最大流量，；液压泵的最大工作压力，MPa；液压泵的总效率，齿轮泵一般取90%；所以 41.48 W （4.6）所以电动机初选为型号为Y801-2的直流电动机。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1625MPa、排量为525mL、转速为5004000r、输出转矩为1764Nm、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 （4.7）式中V油箱的有效容积，L；液压泵的总额定流量，；经验系数，对低压系统，=24，对中压系统，=57，对中、高压或大功率系统，=612；初取=4所以 103.6=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）/L2.5 4.0 6.3 10 1625 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 （4.9） （4.10）式中q通过油管的最大流量，；油管中允许流量，；（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； 管材抗压强度，MPa；（由于管材是45钢，所以=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 （4.11） （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）/mm4、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 （4.13）式中充气压力，MPa；液压系统最高工作压力，MPa；所以 =0.510.37=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。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。模块化的CATIA系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的V5架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA解决方案加快企业对市场的需求的反应。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。 CATIA系列产品已经在七大领域里成为首要的3D设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。 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。一个产品仅有设计是不够的，还必须制造出来。CATIA 擅长为棱柱和工具零件作2D/3D关联，分析和NC ；CATIA 规程驱动的混合建模方案保证高速生产和组装精密产品，如机床，医疗器械、胶印机钟表及工厂设备等均能作到一次成功。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。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。CATIA 提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块,使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短产品设计生产周期、不断地提高产品质量及降低费用的目的。5.2 利用CATIA进行三维建模CAITA是基于草图特征的三维建模软件，CATIA通过对三维实体的精确建模及装配来生成最终的产品。CAITA中装配的模型的构造是由各种特征来组合生成的，零件的设计过程就是特征的累积过程。下面对主要零部件做详细的过程分析。CATIA常用命令图标5.2.1 车体建模第一步是根据所选车型的外廓尺寸通过拉伸得到一个长方体，接下来再通过去除材料命令修整出具体的车型,再通过去除材料修整车板;通过去除材料修整汽车驾驶室： 图5.1 拉伸得到的长方体图5.2 去除箱板后 图5.3 简单加工后的驾驶室通过去除材料和各种倒角及打孔命令修整出整车车体，如图5.4所示。图5.4 加工后的整车车体5.2.2与车板固定的大工字钢设计在草图设计界面根据计算好的尺寸会出工字钢截面，如图5.5所示。图5.5 草图界面的工字钢截面通过拉伸命令拉伸出工字钢体，再根据与车体配合的尺寸通过打孔命令绘出螺栓连接孔。图5.6 制作完螺栓连接孔的工字钢5.2.3 支脚钢建模按图示进入草图编辑器在草图工作界面绘制出两个矩形，退出草图编辑器，通过拉伸命令拉伸出支脚钢实体 图5.7 草图编辑器中的草图 图5.8 待拉伸矩形再通过打孔命令绘制出与大工字钢相配合的螺栓连接孔，如图5.9所示。图5.9 支脚钢实体5.2.4其他零部件的建模 图5.10 槽型钢 图5.11 螺母 图5.13 滚道 图5.12 螺栓5.3整车装配将各零部件通过各种约束命令装配到一起，如下图所示：用到的约束命令有固定、相合、面接触等。图5.14 CATIA整车装配图5.4本章小结本章首先通过CATIA对汽车改装式升降台的各个零部件进行三维建模，有些重复零件不需要再次建模。在建模中用到了拉伸、旋转、创建面、凹槽、肋、曲面螺纹等命令。最后为了美感及易分辨对各个零件进行渲染。在将各个零件建完模型之后再将其进行整机装配，在装配中应用了相合约束、只能移动、偏移距离约束、角度约束、固联等命令。通过将汽车改装式升降台进行CATIA建模，能让设计者更好的表达相关图形。第 6 章 举升机有限元分析6.1 ANSYS有限元分析软件介绍ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件13。开发初期时为了应用于电力工业，现在其功能已经广泛应用于航空、电子、汽车、土木工程等各个领域，能够满足各行业有限元分析的需要。ANSYS有限元分析软件包括三个模块：前处理模块、分析计算模块、和后处理模块。功能完备的预处理器和后处理器（又称与处理模块和后处理模块）使ANSYS具有多种多样的分析能力，包括从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它还包括优化、估计分析等模块将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的工具。6.2 Pro/E与ANSYS接口的创建利用ANSYS对结构进行有限元分析时，通常需要将Pro/E建立的三维模型，导入ANSYS中进行分析。所以需要将Pro/E三维实体模型通过专用的模型数据转换接口导入到ANSYS中， Pro/E与ANSYS之间的接口技术常用的有以下两种：6.2.1 CATIA、Pro/E与ANSYS集成接口CATIA中输出的文件不能被ANSYS识别，所以得经过Pro /E进行中间转换，ANSYS在默认的情况下也不能直接对Pro /E中的prt(或asm)文件进行直接转换的,必须通过以下对ANSYS设置连接过程进行激活模块:鼠标点击“开始程序ANSYS10.0UtilitiesANS_ADM IN”,出现如下图5.1的对话框,选择configuration optionsOK,接下来的对话框顺序选取。Configuration Connection for Pro/EOK，ANSYSMultiphysics & WIN 32OK。图6.1 设置ANSYS连接过程完成后ANSYS提示已在自己的安装目录中成功生成config.anscon文件,如下图5.2所示,记完下config.anscon的路径。在接下来出现的对话框中“Pro/Engireer Installation path”选项后输入Pro/E的起始安装路径如“C: Program Files proeWildfire3.0 ”:“Language used with Pro /Enginee提示在Pro /E目录下建立了一个protk.dat文件。图6.2 Pro/E的起始安装路径点击确定完成配置,运行Pro /E,工具菜单后面出现了ANSYS10.0,说明连接成功了。启动CATIA软件，打开已经建立好的三维零部件，之后另存为（.igs）格式，再运行Pro/E打开某已存好的（.igs）格式零件三维模型图，点击ANSYS10.0下的ANSYSGeom按钮(如下图5.3所示)，则模型自动导入到ANSYS中，此时ANSYS10.0软件自动打开，点击Plot下的Volume，则模型导入成功。图6.3 导入界面6.2.2通过IGES( *.igs)格式文件导入 首先, 在CATIA 环境下建立好零件模型或者完成零部件的装配, 然后, 选择主菜单【文件】下的【保存副本】子菜单, 弹出保存副本对话框后, 文件类型选择IGES( *.igs) ,在【新名称】框内为模型输入新名称,点击【确定】按钮会弹出输出IGES对话框, 在输出IGES 对话框中可以设置输出图元的类型、参考坐标系以及IGES 文件结构。输出的图元类型有: 线框边、曲面、实体、壳、基准曲线和点, 缺省输出图元是曲面, 缺省是输出所有面组, 点击【面组.】选择特定面组输出。可以选择多种图元类型进行输出, 但是不能同时输出曲面和实体或者曲面和壳。单击【定制层.】按钮设置各层的输出特性。文件结构类型有: 平整、一级、所有级别、所有零件, 默认输出为平整。平整: 将组件的所有几何输出到一个IGES 文件。导入到另一个系统时, 该组件就担当一个零件的角色。应将每一个零件分别放到一个层上, 以便在接受系统中能加以区别。一级: 输出一个组件的IGES 文件, 该文件只包含顶级几何( 如组件特征) 。所有级别: 输出一个组件的IGES 文件。用它可创建带有各自的几何和外部参照的元件零件和子组件。该选项支持所有层次。所有零件: 将一个组件作为多个文件输出到IGES, 这些文件中包含所有元件和组件特征的几何信息。零件使用相同的参照坐标系, 使接受系统中的重新装配更加容易。本次技能训练选择实体特征，然后点击【确定】完成。ANSYS 导入IGES( *.igs) 文件的方法有两种: 一种是通过ANSYS软件的用户界面操作导入; 一种是通过输入命令导入。本次技能训练可采用第一种方法。通过用户界面操作导入IGES 的步骤是:选择主菜单【File】下的子菜单【Import】的次级子菜单【IGES.】, 弹出导入IGES 属性设置对话框, 在导入IGES 属性设置对话框中可以设置: 是否导入所有数据，是否合并图元, 是否创建实体，是否删除小面。点击【OK】按钮弹出文件路径选择对话框,在文件路径选择对话框中选择好所需精度, 输入IGES 文件路径后, 点击【OK】按钮完成IGES 文件导入。6.3 利用ANSYS对汽车改装式升降台中关键部件进行有限元受力分析由前四章的设计知道，液压缸推杆、滚轮处连接销、加强杆、剪差杆等结构件，受力条件较恶劣。所以利用有限元进行分析时，主要分析这几个部件即可。6.3.1 滑轮处连接销有限元受力分析 图6.4 滑轮轴受力情况连接销受力情况如图5.4。1、定义属性属性主要包括：材料属性、实常数、单元类型。实常数包括：厚度、横截面面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。本设计中定义属性只用到其中的几项。 （1）Preferences/Structural； （2）Preprocessor/Element Type/ADD Edit Delete/Library of Element Types 第一对话框选择Structural Solid，第二对话框选择Tet 10node 187； （3）Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/Elastic/Isotropic/输入EX(弹性模量)值，输入PRXY(泊松比)值。轴的材料我们选用45钢，轴的属性如为：弹性模量（GPa）为210；泊松比为0.3；抗拉强度（MPa）为600；密度（g/cm3）为7.85。 2、网格划分ANSYS为用户提供了两种常用的网格划分类型：自由和映射。自由划分，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。映射网格划分要求面或体形状满足一定规则，它生成的单元形状比较规则，适用于形状规则的面和体。本训练中主要采用自由网格划分，轴模型自由划分可采用以下两种途径，大家可以观察划分的网格有何区别。划分网格：Meshing/MeshTool选中Smart Size复选框（精度从1到10，1为最高，网格最细，但划分耗时长，一般设为3），单击Mesh/Pick All。此次分析采用途径一对轴进行划分，为了提高划分速度，精度取5，划分后效果如图6.5所示。 图6.5 网格划分结果3、加载求解ANSYS中载荷(Loads)包括边界条件和模型内部或外部的作用力。在结构分析中，载荷主要有：位移、力、压力、弯矩、温度和重力。载荷主要分为六大类：DOF约束(自由度约束)、力(集中载荷)、表面载荷、体载荷、惯性力及耦合场载荷。DOF约束(DOF constraint)：用户指定某个自由度为已知值，在结构分析中约束是位移和对称边界条件。力(集中载荷)(Fome)：施加于模型节点的集中载荷，如结构分析中的力和力矩。表面载荷(SurfaceLoad)：作用在某个表面上的分布载荷，如结构分析中的压力。体载荷(Body loads)：作用在体积或场域内，如结构分析中的温度和重力。惯性载荷(Inertia loads)：结构质量或惯性引起的载荷，如重力加速度、角速度和角加速度，主要在结构分析中使用。耦合场载荷(Coupled-field loads)：它是一种特殊的情况，从一种分析中得到的结果用作另一种分析的载荷，如热分析中得到的节点温度可作为结构分析中的体载荷施加到每一个节点 。 对剪刀式举升机结构进行分析时我们进行面力分析，即加的为表面载荷。加载步骤如下:（1）Solution/Analysis Type/New Analysis/Static；（2）Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas；选择轴的两个端面进行约束，这里有ALL DOF(全约束)、UX（X方向位移）、UY（Y方向位移）、UZ（Z方向位移）、ROTX（X方向旋转）、ROTY（Y方向旋转）、ROTZ（Z方向旋转），根据实际分析，两端应用ALL DOF(全约束)；（3） Solution/Define Loads/Apply/Structural/Pressure/On areas选连接销与滚轮接触的上半面/输入加载压强的大小（注意方向），因举升机举升6m位置时的受力最大输入的为F3最大时产生的压强值 约束和受载如图6.6所示。图6.6 约束及加载 （4）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。4、查看结果及分析（1）查看变形结果： General PostProc/Plot Results/Deformed Shape/Ok;(变形结果可动画演示：PlotCtrls/Animate/ Deformed Shape/Ok,可直观观察轴的变形情况)General PostProc/Plot Results/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution;X Y Z 总变形如面分析下图。图6.7 总变形图6.8 X方向变形图6.9 Y方向变形图6.10 Z方向变形图6.11 总变形情况变形量分析：从图中可以看出X方向的最大变形量为0.345e-4mm，Y方向0.548e-3mm， Z方向最大为0.141e-3mm ，总方向最大变形为0.548e-3mm总方向变形量与Y方相同，可见轴的变形主要为竖直方向变形。变形量很小，充分满足刚度要求。（2）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/SX(X方向应力)、SY（Y方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）； 图6.12 X方向应力状况图6.13 Y方向应力状况图6.14 Z方向应力状况 图6.15 综合应力情况 应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。x方向最大应力为1.66MPa，y方向最大应力1.66MPa，Z方向最大应力为4.25MPa ，综合应力最大值为3.87MPa。无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均充分满足强度要求。通过有限元分析可知，我们所设计的轴及选用的材料均符合要求。6.3.2加强杆的有限元受力分析因我们在举升臂中间加了一方钢加强肋，所以举升臂变形和受力都很小，我们不对其进行，我们分析直接承受推力的轴的变形，分析方法与上述的分析方法一样。1、定义属性轴的材料我们选用40Cr，40Cr的材料属性为：弹性模量（GPa）：200-220；泊松比： 0.3；抗拉强度(MPa)：1000；密度(g/cm3)：7.85。2、网格划分后的结果图6.16 网格划分结果（1）约束、加载 轴的受力比较简单，主要承受液压缸推力，因举升机在最低点时的液压缸的推力最大，所以只分析受力最大即可。加载荷约束后的图5.16如下。 图6.17 加约束后的图方向加载为 （2） 求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。 （3）查看变形结果：General PostProc/Plot Results/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution;X Y Z 总变形，因受力简单，分析只看总变形情况即可。如图5.17所示。 图6.17 总变形量变形结果分析:总变形量最大为0.0609mm，变形量很小，满足设计要求。（4）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/SEQV（综合应力）；如图5.18所示。图6.18 综合应力情况应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。综合应力最大值为28.6MPa。40Cr的抗拉强度为，综合应力值充分满足强度要求。说明设计和材料的选择均合适。6.3.3 液压支撑杆有限元分析1、定义属性平台的材料我们选用Q275钢，Q275钢的材料属性如为：弹性模量（GPa）：200-220；泊松比： 0.3；抗拉强度(MPa)：490-610；密度(g/cm3)：7.85。2、 网格划分的结果图6.19 平台网格划分结果（1）约束加载举升机在最低点时，受力最大。加载时加的为面力，则载荷情况为（2）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。查看结果并分析查看变形结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution;X Y Z 总变形图6.20 X方向变形量图6.21 y方向变形量 图6.22 Z方向变形量图5.23 总变形量变形结果分析：x方向最大变形为0.005697mm ，y方向最大变形为-1.613mm，z方向大最变形为0.153mm，总方向变形为1.613mm。由有限元分析结果可知无论是总变形还是某个方向变形量都很小，所以平台刚度足够。查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/(X方向应力)、（Y方向应力）、（Z方向应力）、SEQV（综合应力）；图6.24 X方向应力状况图6.25 y方向应力状况图6.26 Z方向应力状况图6.27 综合应力状况应力结果分析：x方向最大应力为212MPa，y方向最大为应力211MPa，z方向最大应力为643MPa，综合应力变形为89.404MPa。Q275钢的最小抗拉强度为557MPa，通过分析比较，平台强度足够。通过以上的有限元分析，说明我们所设计的平台尺寸及选材合理。6.3.4 剪差杆有限元分析1、定义属性平台的材料我们选用Q275钢，Q275钢的材料属性如为：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。3、 网格划分的结果图6.28 平台网格划分结果（1）约束加载举升机在最低点时，受力最大。加载时加的为面力，则载荷情况为（2）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。查看结果并分析查看变形结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution;X Y Z 总变形。图6.29 X方向变形量图6.30 y方向变形量 图6.31 Z方向变形量图6.32 总变形量变形结果分析：x方向最大变形为0.005697mm ，y方向最大变形为-1.613mm，z方向大最变形为0.153mm，总方向变形为1.613mm。由有限元分析结果可知无论是总变形还是某个方向变形量都很小，所以平台刚度足够。查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/(X方向应力)、（Y方向应力）、（Z方向应力）、SEQV（综合应力）；图6.33 X方向应力状况图6.34 y方向应力状况图6.35 Z方向应力状况图6.36 综合应力状况应力结果分析：x方向最大应力为212MPa，y方向最大为应力211MPa，z方向最大应力为643MPa，综合应力变形为89.404MPa。Q275钢的最小抗拉强度为557MPa，通过分析比较，平台强度足够。通过以上的有限元分析，说明我们所设计的平台尺寸及选材合理。6.4本章小结本章将Pro/E三维建模后的图形导入ANSYS环境中，利用ANSYS有限分析软件对举升机中主要受力结构滑轮轴和上举升臂的刚度和强度进行分析，根据有限元的分析结果图，我们能够很清晰的看到轴及臂的变形和应力状况，验证设计内容是否合理。软件ANSYS有限元分析与研究，可以代替剪刀式举升机物理样机的前期试验，为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，进一步提高国产汽车举升机的稳定性和可靠性，提高产品的市场竞争力。第 7 章 运动仿真及干涉校核7.1将Pro/E装配模型导入ADAMS中在现代科技的发展和研发进程中，由美国MDI公司研发的动力学仿真软ADAMS 能进行复杂机械系统的动力学仿真分析，在虚拟样机中起着强大的作用。然而其在建模方面也有极大的缺陷，与其它三维软件，例如Pro/E，UG，CATIA 在建模方面有着较大的差异。消除在三维建模软件中的模型几何形状和质量特性的误差，在ADAMS 中较准确的进行动力学分析。本设计以在CATIA软件中建模，再通过转换格式，在Pro/E中打开，通过ADAMS软件公司MDI公司开发的MECHANISH/Pro(Pro/E接口)接口模块，使二者采用无缝连接的方式，不需要退出Pro/E应用环境，就可以将装配完毕的总成根据其运动关系定义为机械系统模型，进行定义刚体和施加约束后，将模型导入到ADAMS/view中，以便进行全面的动力学分析。将Pro/E中的汽车改装式升降台模型导入ADAMS软件中，如图7.1和图7.2。图7.1 运动仿真图1图7.2 运动仿真图27.2 设置模型属性及加约束7.2.1 给模型设置重力的大小和方向在Settings菜单中选择Gracity命令，会出现Gracity Settings(重力加速度设置)对话框，如图7.1所示。图 7.1 重力加速度设置在X, Y, Z方向上设置重力加速度，选择-Y表示在且只在Y轴负方向上存在重力加速度。7.2.2 给模型加载运动副约束在支撑杆铰接处添加转动副，打开约束对话框，如图7.2所示图 7.2约束对话框在支撑杆处添加旋转副，先点击旋转副命令按钮，再选择要被加载的对象，如图7.3所示图 7.3添加旋转副在滑轮处添加移动副，先点击移动副命令，再选择要被加载的对象，如图7.4所示图 7.4添加移动副7.2.3 给模型加载平移驱动 在液压缸处添加移动副，在移动附上加载平移驱动，再给驱动设置运动函数。7.3仿真结果分析仿真界面如图7.5所示：图7.5 运动仿真界面7.3.1 对横支腿液压缸的运动进行分析，由图7.6与7.7知图7.6 横液压支腿在X方向的运动曲线图7.7 横液压支腿在Y方向的运动曲线液压支腿在X，Y方向没有运动，位置，速度，加速度均为0。液压支腿在Z方向上的运动曲线如图7.8，7.9，7.10所示图7.8 横液压支腿在Z方向的位置曲线图7.9 横液压支腿在Z方向的速度曲线图7.10 横液压支腿在Z方向的加速度曲线 由图7.8，7.9，7.10可知，横液压支腿在Z方向上的运动时间为10s，最大位移为0.7米，最大速度为0.23m/s，最大加速度为。7.3.2 对竖支腿液压缸的运动进行分析，由图7.11知图7.11 竖液压支腿在X方向的运动曲线液压支腿在X，方向没有运动，位置，速度，加速度均为0。液压支腿在Y方向上的运动曲线如图7.12，7.13，7.14所示图7.12 横液压支腿在Z方向的位置曲线图7.13 横液压支腿在Z方向的速度曲线图7.14 横液压支腿在Z方向的加速度曲线 由7.12，7.13，7.14图可知，横液压支腿在Z方向上的运动时间为10s，最大位移为0.5米，最大速度为0.15m/s，最大加速度为。液压竖支腿在Z方向的运动与液压横支腿在Z方向的运动情况相同，这里就不再赘述。7.3.3 对上车板运动进行分析，由图7.15知图7.15 上车板在Z方向的运动曲线上车板在Z，方向没有运动，位置，速度，加速度均为0。上车板在X方向上的运动曲线如图7.16，7.17，7.18所示图7.16 上车板在X方向的位置曲线图7.17 上车板在X方向的速度曲线图7.18 上车板在X方向的加速度曲线 由7.16，7.17，7.18图可知，上车板在X方向上的运动时间为50s，最大位移为0.045米，最大速度为0.0017m/s，最大加速度为，侧摆非常小，横向稳定性很好。液压支腿在Y方向上的运动曲线如图7.12，7.13，7.14所示图7.12 横液压支腿在Z方向的位置曲线图7.13 横液压支腿在Z方向的速度曲线图7.14 横液压支腿在Z方向的加速度曲线 由图7.12，7.13，7.14可知，横液压支腿在Z方向上的运动时间为10s，最大位移为0.5米，最大速度为0.15m/s，最大加速度为。7.4 本章小结 本章首先将Pro/E中的模型导入ADAMS中进行仿，然后在ADAMS中赋予模型材料，给模型施加约束，并加驱动对模型进行仿真。在后处理模块中提取仿真数据曲线进行运动分析。参考文献1陈家瑞.汽车构造(上,下册)M.北京：人民交通出版社，1994.2余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社,2000.3王望予.汽车设计(第四版)M.北京：机械工业出版社,2004.4赵英俊,史晓敏.双叉式液压升降台液压驱动方案的设计J.机械研究与应用,2010.(2).5周昭文,陈振华.叉式升降台设计J.机械制造,2010.(1).6曾午平,卫良保.剪叉式液压升降台的设计计算J.起重运输机械,2010.(1).7张毅,马力,李鹏飞.基于ADAMS的自卸车举升机构优化设计J,专用汽车,2005.(3)8崔新涛,毕凤荣.自卸汽车举升机构动力学仿真分析J,机械设计与制造,2004.(2)9 彭荣济,李振清,丁洪生.现代综合机械设计手册M,北京:北京出版社,2003.(1)10王国强,张进平,马若丁.虚拟样机技术及在ADAMS上的实践M，西安：西北工业大学出版社，2002(2)11徐建锋,宁晓斌,谢伟东,佘翊妮.4WS整车虚拟样机建模与动力学仿真期刊论文-计算机仿真,2006.12张利平.液压控制系统及设计.北京:化工工业出版社,2006.13姚怀新,陈波.工程机械底盘理论.北京:人民交通出版社,2002.14郭北涛,王淑莲等.电液比例速度系统的前馈模糊复合控制研究.沈阳建筑工程学院学报(自然科学版)，2002.15卞学良.专用汽车结构与设计M. 北京：机械工业出版社,2007.(7).16齐乐华.工程材料与机械制造基础M. 北京：高等教育出版社,2006.(4).17 张鹏俯仰升降式立体车库液压系统设计，液压与气动，2007（7）：10-1118张利平.液压与气压技术. 北京:化学工业出版社,2007.19 Mechanical Dynamics IncRoad Map to ADAMS /Car Documentation，Janes, 2000 (3)20 Wang Liqing,Cai BingzhengNumerical Computation Of Tress Intensity Foctors For Bolt-hole Corner Crack in Mechanical Joints，chanese Jornal of Aeronautics,2008(21)：411-416致 谢值此本科毕业设计完成之际，收获甚多，感怀深切，谨向所有给予过我帮助、爱护、支持的老师、同学、朋友表示深深地谢意！在这里衷心感谢我的指导教师王强老师给予我的全面指导和关心，感谢同学们的耐心帮助。在整个毕业设计的过程中，从总体方案的设计到二维图纸的绘制，尤其在AutoCAD，ANSYS等软件的学习上我得到了他们全面、认真、细致、严格的指导。他们认真工作、以身作则、严谨治学的态度和精神帮助我度过了很多难关。 感谢指导教师在毕业设计期间给予的学业上的精心指导，治学上的严格要求。我衷心祝愿恩师身体健康、工作顺利！同时感谢这四年来给予我众多知识、关怀和帮助的老师们，从他们身上我不仅学到了好多理论实践知识，更学到了为人处事的态度，这些知识以及老师们言传身教的做人做事道理将会为我今后的学习和工作中带来宝贵的研训！由于本人知识水平有限，再加之有关本设计相关的资料较少，所以在设计过程中难免出现的纰漏错误还请各位领导、老师和同学给予指正。再次对我的老师表示深深的谢意！最后真心的祝愿我的母校黑龙江工程学院未来的前景越来越好！附 录附录AModified Car Lifting Platform Based on CATIA Modeling and Application of Digital PrototypingDescribes the use of CATIA V5 mechanical parts i and zero-dimensional modeling, virtual assembly of the basic process components and steps, and worm assembly, for example in detail. The effect of improving the mechanical design to improve design efficiency and shorten the design cycle time, has some practical significance 1 Overview CATIA software from IBM and Dassault company to launch high-end CAD / CAM software, has become the international aviation industry preferred design software. With its strong surface design features in the machinery, aircraft, automobile, shipbuilding and other widely used design, CATIA surface modeling capabilities is reflected in the features and advantages it provides a very rich modeling tools to support the user modeling needs. As its unique high-order Bezier curve and surface features, the number can reach 15, can well meet specific industry demanding requirements of surface smoothness. Application CATlA constructed solid model can be directly applied to other analysis software ANSYS finite element analysis CATIA software with three-dimensional CAD software and other standard data interface for easy data conversion model. CATIA V5 is based on the Windows platform, and to fully parametric feature modeling technology as the core feature-based modeling software, which is consistent with the Windows-style menu bar, standard shortcuts, contextual menus, multi-document interface, you can make the difference Windows applications to share data, OLE integration, so work quickly and efficiently, can significantly reduce training time. CATIA parts assembly is basic, but also the most advantages and features function modules, including the creation of an assembly, add the specified components or parts to the assembly, the assembly relationship between components to create, move and layout of the assembly members, generated an explosion of products diagram, assembly interference and gap analysis and other major features?. 2 three-dimensional modeling based on CATIA and assembly 2.1 Design sketches Sketch design is the starting point of three-dimensional design, and its essence is a two-dimensional line, surface design, software design with a traditional two-dimensional functions. Parametric design of the basic approach is to start from scratch design, size and geometric constraints imposed by creating a sketch feature, then apply the size-driven technology to automatically generate parts of the three-dimensional solid model, in the use of technology to generate two-dimensional contour sketches do not have to outline the exact size of the input , the parameters in the future to get the design process. Thus, during the product design, you can always adjust the design size, without a clear early in the design of the design size, enhance the ease of CAD software, to better achieve a user-friendly design, but also for the design of series improvement of products and original products and parts borrowed are convenient. 2.2 to generate three-dimensional part blank CATIA has a strong three-dimensional solid modeling functionality, the user plane in the sketch, after drawing two-dimensional graphics, into the part design (Part Design) modules, you can rotate, stretch, lofting, stiffened, and other methods to generate the draft three-dimensional parts to be rough. Constraints can also use parameterized functions to be modified according to need. Designers can change for the body part blank to achieve the design process by drawing to design changes, and CATIA V5 provides three-dimensional model of the specific features make the design more similar to the production process, better to achieve a combination of design and processing. 2.3 complete the three-dimensional modeling CATIA V5 provides feature-based design, will feature as a design element, the characteristics of the product as a combination, through the object from the class to be achieved step by step description of the specific shape of the design. After generating the rough three-dimensional parts can be used to drilling, slotting, shells, chamfer, plus convex sets, such as T with internal and external threads on the rough to processing, the final completion of mechanical parts solid modeling. 2.4 complete the virtual assembly Virtual assembly is using virtual assembly technology, three-dimensional computer model will be assembled together, it can avoid the application of physical prototypes, but also for parts for clearance and interference testing, reduce the sample error rate. In the product design process can use various techniques such as analysis, evaluation, simulation, and give full consideration to the assembly areas and related products during the various possible factors. Product performance and functionality to meet the conditions to improve the product assembly structure, the design of the product not only assembly, and minimize assembly cost and total product costs, shorten design cycles. CATIA-based virtual assembly model has parallel, bottom-up and top-down approach to product development, this article focuses on bottom-up design. Construct the first module in the parts of parts of the three-dimensional model, then components in the assembly module to create constraints between the position, orientation relationships, about the relationship between parts to quantify the actual with the virtual assembly process between the various components entities location constraint relationship. In this way, parts of the geometry is being used in the assembly process, and not simply be copied to the assembly, to truly realize the part of the virtual assembly. CATIA assembly workbench provides a flexible and intuitive tool to determine the relationship between parts. Workbench allows users to assemble the component parts and various sub-assemblies combined together to form the final assembly in the assembly environment, according to the defined constraints, parts can be modified, analysis, and relocation HJ. CATIA features with a single database, regardless of how editors edit parts and components where the whole assembly of parts to maintain the consistency of association, if you modify the components, assemblies that reference it automatically updated, real-time components reflect the latest change. Virtual assembly steps: the assembly provided in CArllA bench, leaders need to assemble the parts and components (CATIA provides the main method of inserting parts into parts, into the products, parts and insert new components into existing, etc.) . Then, the constraints on the components and the establishment of appropriate assembly relationship, according to the requirements of the different parts of the assembly, use a different constraint relations, and finally get a complete assembly model. And Pro / E compared to the assembly process using CATIA has automatically created two parts to be assembled their design basis points of overlap between components to facilitate the designer a clear design basis between the assembly and parts between the base difference. 3 Design Example The worm drive, for example, the use of CATIA modeling and assembly process and methods described. 3.1 to create three-dimensional model worm Analysis of the structure of the worm part, clearly the main features of the structure to determine the modeling steps. By rotating the worm body, composed of the alveolar and keyway parts, the basic characteristics of a rotating body. 3.1.1 Create three-dimensional model of the worm part (1) in draft mode to draw shapes according to the rough shape of the worm rough sketches, the establishment of size constraints, such as size changes, chamfer, etc. (of course, also in the formation of rough chamfer after the entity). (2) In the design mode, the use of rotating parts (Shaft) tool to generate worm blank. (3) According to the worms parameters, to calculate the alveolar pitch worm and the worm screw according to the mode of curves and surfaces generated a worm wrapped around the spiral, as the slot scanning wire. (4) Since the end of cylindrical worm Archimedes Archimedes spiral, oblique axial plane to a straight line , so the worm shaft can choose almost plane, in draft mode, draw a trapezoid (must be a closed curve), its distance from the axis of the bottom margin is just the worm tooth root radius, both sides of the edge and face angle of 20. (Note: The pitch at both sides of the edge distance should be the pitch circle space width). (5) in the part design mode using the narrow slot (Slot) tool to generate an alveolar; use the whole array of tools to worm out of the alveolar process. (6) in draft mode to draw shapes keyway, the use of stretch cutting (Pocket) tool to generate key slot, to complete the three-dimensional construction of the worm Mode. 3.1.2 create three-dimensional model worm parts Analysis of worm parts of the structure, clearly a major component characteristics to determine the modeling steps. As the worm gear and ring gear teeth by the core 2 parts, so the ring gear and the tooth should be separated from the core model, and then assembled. Parts using CATIA modeling platform provided by the ring gear and the worm were generated tooth core. 3.2 parts of the assembly 3.2.1 Import Parts Assembly in CATIA provides the product structure workbench tool bar, use of existing parts into the function of the prior conductivity has been designed worm and worm parts.3.2.2 the establishment of binding As part of the import process CAITA has established a worm in the worm and the axial profile width of 1 / 2 of the face overlap constraint relations, has pledged its profile in the worm drive of the main (center section) on the alignment, in The only other two to determine the direction of the constraint relationship. Center distance worm gear in accordance with requirements (center distance worm and worm gear during physical modeling, based on the geometric parameters of worm and worm calculated), the establishment of the worm and worm wheel axis offset between the axis of restraint to ensure that the difference between the distance to meet the design requirements. Along the axis of the worm to establish worm constraint relation, which is to ensure in the middle of the worm and worm gear worm side of the axis of symmetry perpendicular to the plane and worm width 1 / 2 symmetry on the alveolar surface profile coincidence (Note: during the worm and worm wheel solid modeling calculations must be accurate, otherwise it will not be accurate worm and worm wheel working position) to ensure that the worm and worm gear installed in the corresponding position. Generated as shown in Figure 1 worm drive assembly model. 4 Conclusion CATIA 3D design software design tools provide a complete and convenient user interface, the interface and options designed with a consistent style with Microsoft products, greatly reducing the user for the software to learn and adapt to the cycle, to a large extent improved the operation of complex 3D modeling software defects. Meanwhile, CATIA feature-based 3D modeling functions it has the following advantages: (1) inherited the use of solid modeling software for product design, the user can directly see on the screen the true three-dimensional model of the product characteristics, to model their ideas closer to the body composition, more intuitive design. (2) parametric design changes to facilitate the graphic size, quick
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