信息與通信基于CADCAE技術(shù)的剪刀式汽車舉升機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、第1章 緒 論1.1 選擇背景、研究目的及意義近年來，我國汽車業(yè)蓬勃發(fā)展,尤其是轎車行業(yè)，多年來轎車進入普通家庭的夢想已經(jīng)成為現(xiàn)實，汽車維修行業(yè)也隨之得到大力發(fā)展，汽車舉升機是現(xiàn)代汽車維修作業(yè)中必不可少的設(shè)備，無論整車大修，還是小修保養(yǎng)，都離不開它。在規(guī)模各異的維修養(yǎng)護企業(yè)中，無論是維修多種車型的綜合類修理廠，還是經(jīng)營范圍單一的街邊店（如輪胎店），幾乎都配備有舉升機。它的主要作用就是為發(fā)動機、底盤、變速器等養(yǎng)護和維修提供方便。舉升機的重要性和普及性，決定了它是一種備受專業(yè)人士和經(jīng)營管理者重視的設(shè)備。舉升機一般有柱式、剪式的，其驅(qū)動方式有鏈條傳動，液壓傳動，氣壓傳動等。目前，使用的汽車剪刀式舉升

2、機可能發(fā)生汽車墜落的原因較多，有安裝基礎(chǔ)不牢、自鎖裝置失效、舉升臂變形、兩側(cè)舉升臂上升速度不等、液壓油路爆裂、汽車拖墊打滑等，經(jīng)過對失效的剪刀式舉升機進行檢測分析發(fā)現(xiàn),這些事故的主要原因往往是設(shè)計上存在著缺陷，如果做工不好或者設(shè)計不好就容易導(dǎo)致臺面不平、導(dǎo)致單邊升降等危險發(fā)生，因此，進一步提高剪刀式舉升機產(chǎn)品的性能與可靠性，是國內(nèi)舉升機任重道遠且亟需改進的地方。本設(shè)計采用計算機CAD/CAE對剪刀式舉升機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高產(chǎn)品的綜合性能和安全可靠性。計算機CAD/CAE技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，是國際上20世紀(jì)80年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展的一項計算機輔助工程技術(shù)。該技術(shù)一出現(xiàn)，立

3、即受到了工業(yè)發(fā)達國家的有關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)公司的極大重視，許多著名的制造廠商紛紛將計算機仿真技術(shù)引入各自的產(chǎn)品開發(fā)，取得了良好的經(jīng)濟效益。計算機CAD/CAE技術(shù)在一些發(fā)達國家,如美國、德國、日本等已得到廣泛應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域極廣，如汽車制造業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、國防工業(yè)、醫(yī)學(xué)及工程咨詢等多方面。目前,計算機CAD/CAE技術(shù)已在我國得到了應(yīng)用與推廣,主要在汽車、航天航空、武器制造、機械工程等方面。而從我國目前的情況來看,計算機CAD/CAE技術(shù)主要在汽車制造業(yè)和武器裝備制造業(yè)中應(yīng)用較為廣泛,但只停留在初步應(yīng)用階段?，F(xiàn)今，在我國利用CAD/CAE技術(shù)對汽車舉升機進行設(shè)計研究

4、還尚未見成果發(fā)表。只有將汽車舉升機的工程實踐和計算機CAD/CAE技術(shù)結(jié)合起來，才能真正加快汽車舉升機產(chǎn)品的發(fā)展歷程，為此，本課題基于計算機CAD/CAE技術(shù)平臺，利用當(dāng)前CAD/CAE領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的三維軟件Pro/E、有限元軟件ANSYS進行汽車舉升機的強度、剛度、穩(wěn)定性及動態(tài)特性等方面的計算機有限元分析與研究，可以代替剪刀式舉升機物理樣機的前期試驗，為我國汽車舉升機產(chǎn)品的設(shè)計、技術(shù)開發(fā)方面提供更多的理論參考，進一步提高國產(chǎn)汽車舉升機的穩(wěn)定性和可靠性，提高產(chǎn)品的市場競爭力。該設(shè)計的研究方法，也可應(yīng)用于汽車舉升機及其他新產(chǎn)品的研究開發(fā)中，可以縮短新產(chǎn)品研制周期，減少研制經(jīng)費，提高設(shè)計精度

5、和效率，對于國內(nèi)舉升機的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 舉升機的發(fā)展歷史汽車舉升機在世界上已經(jīng)有了70年歷史。1925年在美國生產(chǎn)的第一臺汽車舉升機，它是一種由氣動控制的單柱舉升機，由于當(dāng)時采用的氣壓較低，因而缸體較大；同時采用皮革進行密封，因而壓縮空氣驅(qū)動時的彈跳嚴(yán)重且又不穩(wěn)定。直到10年以后，即1935年這種單柱舉升機才在美國以外的其它地方開始采用。發(fā)展至今經(jīng)歷了許多的變化改進，種類也比較多，一般有柱式、剪式，其驅(qū)動方式有鏈條傳動，液壓傳動，氣壓傳動等。其中剪式舉升機使用方便，占地空間較小，受到很多實力雄厚的特約維修站的歡迎，這也是未來舉升機的發(fā)展方向。在市場上可以看到的型

6、式各異、尺寸不同的舉升機中，有一些特別適合于從事特殊類型的維修作業(yè)，也有少數(shù)的舉升機適合進行一些其它的維修作業(yè)。1.2.2 國內(nèi)外研究狀況目前，發(fā)達國家（如美國）生產(chǎn)的汽車舉升機質(zhì)量較好、性能較穩(wěn)定、設(shè)備操作簡單，在經(jīng)銷商中口碑良好。我國的汽車舉升機是20世紀(jì)90年代依據(jù)國外的產(chǎn)品技術(shù)生產(chǎn)的，國內(nèi)最早研究剪式舉升機的是上海寶得寶，1999年開始，寶得寶機型比較笨重，主要的質(zhì)量問題集中在油管易爆和平臺不同步，2000年后質(zhì)量有了改進。但由于不是批量，所以價格偏高。到現(xiàn)在舉升機市場已經(jīng)擁有近百個中外品牌，產(chǎn)品系列成百上千。然而國內(nèi)汽車舉升機雖然也相對定型，但很多產(chǎn)品性能還不夠穩(wěn)定，故障多，可靠性差

7、，外觀不夠美觀，在產(chǎn)品設(shè)計、技術(shù)開發(fā)等方面都還有很多地方有待改進。剪刀式舉升機是一個使用較廣的舉升機，在最近幾年所有新銷售的舉升機中，至少二分之一都是這種類型的。這種設(shè)計之所以很流行，有幾方面的原因的：一就是這種舉升機安裝起來很快，不需要大范圍的開挖，也不需要對維修廠的整體布局進行一些永久性的變動。二是功能的多樣性，它適用于大多數(shù)轎車的維修和保養(yǎng)。三是剪式舉升機使用方便，占地空間較小。四是經(jīng)濟實惠，剪式舉升機較為精密。無論是維修多種車型的綜合類修理廠，還是經(jīng)營范圍單一的街邊店（如輪胎店）都適用。1.3 研究內(nèi)容及研究方法研究內(nèi)容本設(shè)計在考慮典型的汽車舉升機的結(jié)構(gòu)形式和實際工況條件基礎(chǔ)上，依據(jù)有

8、限元、虛擬裝配技術(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等理論，建立舉升機Pro/E三維實體模型，并進行虛擬裝配，將關(guān)鍵零部件模型導(dǎo)入ANSYS軟件進行有限元分析，獲得舉升機在載荷工況作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及變形狀況，進一步提高舉升機的穩(wěn)定性及安全性。設(shè)計中我們研究的主要內(nèi)容如下： （1）剪刀式舉升機工作原理與結(jié)構(gòu)形式的研究與分析；（2）剪刀式舉升機二維結(jié)構(gòu)設(shè)計；（3）剪刀式舉升機Pro/E三維建模與虛擬裝配；（4）剪刀式舉升機關(guān)鍵部件ANSYS有限元分析。 研究方法第2章 剪刀式舉升機結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1舉升機結(jié)構(gòu)確定2.1.1舉升機整體結(jié)構(gòu)形式及基本組成此次課題設(shè)計的內(nèi)容為剪刀式舉升機，剪刀式舉升機的發(fā)展較迅速，種類也很

9、齊全。按照剪刀的大小分為大剪式舉升機（又叫子母式），還有小剪（單剪）舉升機 ；按照驅(qū)動形式又可分為機械式、液壓式、氣液驅(qū)動式；按照安裝形式又可以分為藏地安裝，地面安裝。因為此次設(shè)計所要舉升的重量為3t以下的轎車 ，所以采用小剪式液壓驅(qū)動舉升機就完全可以。為了適合大小維修廠，對地基沒有過多要求，地面安裝即可。整體結(jié)構(gòu)形式如圖2.1所示。圖2.1 剪刀式舉升機整體結(jié)構(gòu)形式 剪刀式液壓平板舉升機由機架、液壓系統(tǒng)、電氣三部分組成。設(shè)置限位裝置、升程自鎖保護裝置等以保證舉升機安全使用，保障維修工人的生命安全。剪刀式舉升機有兩組完全相同的舉升機構(gòu)，分別放于左右兩側(cè)車輪之間，因兩側(cè)結(jié)構(gòu)完全相同，可以左右互換

10、。舉升機由電氣系統(tǒng)控制，由液壓系統(tǒng)輸出液壓油作為動力驅(qū)動活塞桿伸縮，帶動兩側(cè)舉升臂同時上升、下降、鎖止2。舉升機一側(cè)上下端為固定鉸支座，舉升臂由銷連接固定在鉸支座上。另一側(cè)上下端為滑輪滑動，舉升臂通過軸與滑輪連接。舉升機在工作過程中，以固定鉸支座一側(cè)為支點，滑輪向內(nèi)或向外滑動，使舉升機上升下降，當(dāng)達到適當(dāng)?shù)呐e升位置時，利用液壓缸上的機械鎖鎖止。剪刀式舉升機使用方便，結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，適用于大多數(shù)轎車、汽車的檢測、維修及保養(yǎng)，安全可靠3。舉升機各零部件之間的連接關(guān)系舉升機的工作是靠液壓缸活塞桿的運動實現(xiàn)舉升下降的。液壓缸固定在下外側(cè)舉升臂上通過軸連接，活塞桿作用在上端軸上，軸直接連接兩舉升臂

11、。如圖2.1所示，活塞桿向外伸出時，帶動舉升臂向上運動。各舉升臂必須相互聯(lián)系，采用螺栓連接，圖中左側(cè)用軸連接，因各鉸接處均有摩擦，所以采用潤滑脂潤滑。舉升臂向上運動時，通過軸帶動滑輪滑動，舉升臂、軸與滑輪之間需使用鍵進行周向固定，力才能相互傳遞，滑輪軸上還放有套筒，并采用鎖止螺釘進行軸向固定，軸兩端用彈性擋圈固定，防止臂和滑輪外移；連接螺栓處用止動墊圈固定鎖止；固定鉸支座處用銷鏈接，銷通過鎖止螺釘鎖止；底座通過地腳螺栓固定于地面上；這樣舉升機才能正常工作。2.2確定剪刀式舉升機的各結(jié)構(gòu)尺寸2.2.1建立轎車模型為使舉升機使用范圍廣，本設(shè)計首先建立了一個轎車模型1。根據(jù)表2.1所列車身參數(shù)信息。

12、表2.1 參數(shù)信息車身信息 車型長豐帕杰羅3.0GLS手動上海大眾勁取車身長/寬/高（mm）4830/1895/18854200/1650/1465前輪距15751460后輪距15601460軸距27752460前輪規(guī)格215/60R16195/55R15后輪規(guī)格215/60R16195/55R15根據(jù)豐田和大眾轎車的車身信息確定一個使用較廣的車模：它的車身參數(shù)有車身長4.7m，寬1.75m，高1.5m，軸距2.1m，前后輪距平均為1.5m，車自重1.5t，該轎車模型集豐田轎車外型，奧迪外型，大眾車系于一體，具有較廣的代表性。剪刀式舉升機主要結(jié)構(gòu)尺寸確定1、剪刀式舉升機已知的主要技術(shù)參數(shù)如表2

13、.2所示表2.2 主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)數(shù)據(jù)數(shù)值單位舉升重量3T舉升高度3502000Mm提升時間60S要求舉升機的提升速度是經(jīng)1min時間內(nèi)舉升機能升高到2m，實際升高1.65m，并且舉升機在各高度工作時，都能自鎖。設(shè)計過程中參考了廣力牌GL3.0/A小剪式舉升機，上海繁寶剪式舉升機，Jumbo Lift NT剪式舉升平臺的外形及運動形式。2、舉升機各部分尺寸（1）支撐平臺尺寸因剪刀式舉升機放于兩輪胎之間的下部，所以舉升機在使用過程中要保證舉升機不能與輪胎發(fā)生干涉2。根據(jù)轎車軸距為2.6m，轎車輪胎直徑一般不超過700mm，為避免干涉，舉升機平臺兩端與輪胎邊緣要有一定距離，取平臺邊距輪胎邊緣之間距

14、離為150mm，則平臺外型長。平臺寬一般為500mm600mm左右，我們?nèi)∑脚_寬為Bp=550mm。舉升時，重量作用在整個平臺上，力并不集中，所以平臺不宜過厚，增加舉升機重量，取外型高為70mm，實厚為15mm，只在四周加工凸臺邊緣，平臺尺寸如圖2.2所示。圖2.2 平臺尺寸 （2）舉升臂尺寸因平臺長La=1600mm，固定鉸支座和滑動滾輪分別放于平臺下，降低到最低點時舉升臂不能超出平臺邊緣，與汽車相干涉，所以固定鉸支座和滑動滾輪要與平臺有一定的距離，取支座距平臺邊緣的距離為150mm。則固定鉸支座與滑動滾輪之間距離。舉升機壓縮到最低位置時，舉升機高為350mm,(底座到平臺面的距離)。 如圖

15、2.3所示底座厚為15mm，滾輪直徑D=50mm ，滾輪處軸徑Dz=24mm，為了避免滾輪直接磨損底座，設(shè)計時，加工滾輪滑道，滑道厚為10mm，滑道寬35mm，滑道長為750mm。上下兩滾輪之間的距離為根據(jù)勾股定理求舉升臂長L ,求得L=1306mm，舉升臂寬110mm，厚為20mm。圖2.3舉升機壓縮到最低點時的狀態(tài)3、舉升機升高到2m時尺寸變化舉升機向上舉升時，滑輪向內(nèi)側(cè)滾動，液壓系統(tǒng)向上伸縮，固定鉸支座和滑動鉸支座之間距離縮短，平臺與底座之間距離越來越大。舉升機升高到2m時，舉升機上下兩滑輪之間的距離為，因舉升臂長L=1306mm，固定鉸接處與滑輪之間的距離為Lb,由勾股定理得，則Lb=

16、896.15mm，滑動輪滑動距離Lx=1300-896.15=403.75mm。舉升機升高到2m時，結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖2.4所示。圖2.4 升高到 2m 時舉升機主視圖和左視圖因我們的舉升臂寬為110mm，所以連接處螺栓軸徑適當(dāng)取Ds=30mm，滑動滾輪處軸徑取Dz=24mm，滑輪總寬為30mm，與滑道實際接觸尺寸為25mm，另外5mm為階梯凸臺,直接與舉升臂接觸，減小摩擦。2.3舉升機在地面上安裝尺寸考慮到維修廠的地面情況，剪刀式舉升機平放于地面就可以，采用M30的地腳螺栓固定，舉升機兩端各焊接一三角臺，便于汽車上升。根據(jù)轎車寬為1.75m，前后輪距平均為1.5m，左右兩輪臺內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離為8

17、00mm，舉升機之間要有一定的距離供維修工人走動，為了滿足以上尺寸要求，舉升機平臺之間的距離取900 mm ,平臺長1600mm，舉升機左右結(jié)構(gòu)完全相同，設(shè)備控制箱可以左右互換。如果舉升機平臺直接與汽車底盤接觸，對汽車底盤磨損嚴(yán)重,所以平臺上端放硬質(zhì)橡膠，硬質(zhì)橡膠塊距邊緣為20mm,取硬質(zhì)橡膠長Lj=510mm， 寬Bj=150mm，用M8的開槽盤頭螺釘固定在平臺上。舉升機在地面安裝情況如圖2.5所示。圖2.5 舉升機占地情況及安裝示意圖2.4 剪刀式舉升機各部件重量查工程材料手冊所知，舉升、起重機械的板形材料多用Q275鋼。Q275鋼的材料性能如表：表2.3 Q275鋼材料性能彈性模量（GP

18、a）泊松比抗拉強度(MPa)密度(g/cm3)200-2200.34906107.85質(zhì)量基本計算公式21：（2.1）式中： W（kg）表示鋼的理論質(zhì)量；F（mm2）型鋼截面積；L（m）鋼材的長度；（g/cm3）所用材料鋼的密度。1、平臺的質(zhì)量因平臺加工有較薄的邊緣，所以計算時數(shù)據(jù)較多，后續(xù)計算中我們?nèi)∑脚_質(zhì)量Wp=120kg2、舉升臂的質(zhì)量kg在實際運用中，連接處都加工有加強肋，連接處還攜帶一些附件所以取舉升臂質(zhì)量為23kg。左側(cè)和右側(cè)舉升機完全相同，每側(cè)共有八個舉升臂，則舉升臂重量和為 。3、底座重量在實圖中舉升機底座并非實體，但為了計算方便，我們按實體計算，則 kg，我們?nèi)〉鬃亓繛閃d

19、=104kg。舉升機總重 。2.5 初定電機功率剪刀式舉升機舉升重量3t，舉升機自身及其附件的重量再加上一部分的余量為0.8t，所以取 W=3.8t 。初定電機功率，不考慮工作過程損失。舉升平臺上方放有汽車時，設(shè)計上升速度為 Vw =（2.2）S=2000-350 =1650 (mm) 由公式（2.2）得 Vw=0.0275m/s=1.65m/min 載車板上升功率Pw= （2.3）Fw=mg （2.4）其中m=4.6kg，g=10N/kg 由公式（2.4）Fw =3.810 =38KNVw取1.65 m/min由公式（2.3）得 Pw=1.04（KW） 取整理前面計算的數(shù)據(jù)如表2.4。表2.

20、4 剪刀式舉升機主要技術(shù)參數(shù)舉升重量3000kg舉升高度3502000mm實際上升高度1650mm總寬2000mm總長2060mm平臺長/寬1600/550mm舉升臂長1306mm平臺間寬900mm上升時間50s下降時間40s電機功率1.1KW電源220V/380V/50Hz額定油壓18MPa整機重量800kg滑輪移動距離896.15mm2.6 本章小結(jié)本章主要將剪刀式舉升機的外型尺寸，各部分結(jié)構(gòu)尺寸，各結(jié)構(gòu)的安裝位置確定出來，為后續(xù)的設(shè)計工作做好準(zhǔn)備。在設(shè)計過程中我們參考了廣力牌GL3.0/A小剪式舉升機，上海繁寶剪式舉升機，Jumbo Lift NT剪式舉升平臺的設(shè)計，并根據(jù)現(xiàn)今社會上使用

21、普遍的轎車種類的車身結(jié)構(gòu)尺寸，確定了我所設(shè)計的剪刀式舉升機的組成結(jié)構(gòu)，包括控制機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)，還有所需的零部件。本章還敘述了剪刀式舉升機是如何運動的，實現(xiàn)舉升，將車舉到我們希望的高度。第3章剪刀式舉升機機構(gòu)建模3.1 剪刀式舉升機構(gòu)力學(xué)模型剪刀式舉升機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大、通過性強和操控性好的特點,因此在現(xiàn)代物流、航空裝卸、大型設(shè)備的制造與維護中得到廣泛應(yīng)用。剪刀式舉升機構(gòu)作為舉升平臺鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,其力學(xué)特性對平臺性能產(chǎn)生直接影響。對于剪刀式舉升機構(gòu)來說,影響其力學(xué)性能的關(guān)鍵因素是舉升油缸的安裝位置。計算、分析剪刀式起升機構(gòu)的傳統(tǒng)方法通常為手工試算或整體有限元分析方法。但

22、手工試算法精度不高,效率低;整體有限元分析法較適用于后期的驗算分析,但在設(shè)計分析初期,存在建模困難和較難快速調(diào)整模型參數(shù)的問題。在建立力學(xué)模型時，我們利用MATLAB 軟件所具有的強大矩陣計算功能,對影響剪刀式起升機構(gòu)力學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)展開研究,從而得到剪刀式舉升機構(gòu)的力學(xué)模型5。 舉升機構(gòu)力學(xué)模型建立與分析舉升機之所以斜置，是因為舉升機右側(cè)為固定鉸支座，左側(cè)為滑動鉸支座，平臺上放有荷載，舉升機上升過程中，荷載重心相對前移，在高空中容易前翻，對工作人員十分危險，斜置安裝可以抵制荷載前翻的情況。安裝情況如圖3.1，圖中F4與F6作用點分別對應(yīng)平臺和底座的固定鉸支座位置, F3 與F5 作用點分別

23、對應(yīng)平臺和底座的滑動鉸支座位置。圖3.1 力學(xué)方案示意圖為分析方便,我們將平臺鋼結(jié)構(gòu)和平臺有效載荷之和簡化為W1 ,剪刀式舉升機構(gòu)自重載荷為W3 ,油缸自重載荷為Wcy ,根據(jù)分析,假設(shè)舉升臂機構(gòu)自重載荷為W3和油缸自重載荷為Wcy忽略不計。如圖所示,根據(jù)上一章所定舉升臂兩端銷孔中心連線長度為L ,L=1306mm其與水平線夾角為;定義d為液壓缸下安裝點與舉升臂中心銷孔距離(平行于舉升臂) , f為上安裝點與舉升臂端銷孔的距離,定義上下兩鉸接點高度為Hg，定義滑動鉸支座與固定鉸支座之間的距離為Lb，根據(jù)幾何關(guān)系,液壓缸軸線與水平線夾角與有以下函數(shù)關(guān)系：（3.1）由式(3.1)可知,液壓缸軸線與

24、水平線夾角是d、f、的函數(shù),而當(dāng)d、f這2個參數(shù)確定時,在舉升機構(gòu)升降過程中隨變化。平臺和剪刀式舉升機構(gòu)建立其力學(xué)模型如圖3.2所示。為平臺簡化模型5。圖3.2平臺簡化模型 假定W1 作用于平臺中心位置,則當(dāng)平臺起升,剪刀機構(gòu)變幅帶動滑輪內(nèi)移時,則W1、F3、F4和有如下關(guān)系15（B近似等于L/2）。（3.2）（3.3）圖3.3剪刀機構(gòu)外載情況圖3.2和圖3.3為剪刀舉升機構(gòu)力學(xué)模型圖。剪叉舉升機構(gòu)外載狀況如圖3.3所示。為計算剪刀式舉升機構(gòu)內(nèi)每個支架鉸接點的內(nèi)力和油缸推力,以研究該機構(gòu)各內(nèi)力、油缸推力與角之間的關(guān)系,并找出其最惡劣工況,我們將該機構(gòu)拆分為4個獨立的隔離體,分別對應(yīng)該機構(gòu)從上到

25、下的各段剪叉桿5,如圖3.4所示。圖 3.4各剪桿受力分析圖該圖使用的符號說明如下:Kx 為剪叉機構(gòu)各鉸接點內(nèi)力, x = 1, 2, 38;其中奇數(shù)為該鉸接點Y方向受力,偶數(shù)為對應(yīng)鉸接點X 方向受力; Fx 為作用在剪刀式舉升臂 機構(gòu)上的外力, x = 3, 4, 5, 6; P為液壓缸的推力。據(jù)此,在不考慮摩擦力的情況下,建立力學(xué)平衡方程如下面矩陣所示5：在上面的矩陣中,設(shè)。由于油缸的自重忽略不計,故設(shè)F = F3 = F4 = F5 = F6 =W1 /4。以上矩陣給出了外載、剪刀式舉升機構(gòu)幾何參數(shù)與油缸推力及各剪刀舉升臂受力的相互關(guān)系,為剪刀式舉升機構(gòu)的設(shè)計計算及關(guān)鍵參數(shù)的研究提供理論

26、依據(jù)。通過編寫的 MATLAB程序矩陣解以上多元方程得以下結(jié)果:（3.4）3.1.2舉升機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)研究與確定分析前述剪刀式舉升機構(gòu),發(fā)現(xiàn)Pmax和油缸軸線與支架梁之間的夾角(-)有較大關(guān)系。給定載荷下,起升油缸夾角越小,則所需推力越大。由式(3.4)可知,起升油缸的最小夾角由d, f這2個關(guān)鍵的幾何參數(shù)決定5。因此,上述4個關(guān)鍵參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整而不產(chǎn)生干涉。根據(jù)剪刀式舉升機構(gòu)力學(xué)模型式及編制的MATLAB運算程序,在d, f這2個關(guān)鍵幾何參數(shù)允許調(diào)整的范圍內(nèi)進行計算,研究它們與起升油缸推力Pmax的關(guān)系。經(jīng)對d, f這2個關(guān)鍵參數(shù)的研究,結(jié)合防止機構(gòu)幾何干涉，并且不發(fā)生死角現(xiàn)象及制造工

27、藝方面的考慮,確定其值: 。計算液壓缸的推力1、 舉升機升高到2m時液壓缸的推力舉升機升高到2m時，tan=由式（3.1）得舉升機的重心不變 F3和F4之間的距離為896mm ，由式（3.2）和（3.3）求得F3 =11.7509KN，則F4=4.45KN。將f=500mm 、d=250mm、F= F3 =11.7509KN代入式（3.4）中，我們得到P=136.643KN。2、舉升機在最低點時液壓缸的推力根據(jù)圖（3.3）所示的舉升機結(jié)構(gòu)尺寸，可求出角度 ,tan= 再根據(jù)式（3.1），解得將=5.49°、=16.22°、L=1306mm、f=500mm 、d=250mm代

28、入到式（3.4）中，解得液壓缸的最大推力為 P=324.08 KN。由前面分析可知，舉升機在最低點時，此時液壓缸的推力是整個舉升過程中所需推力最大值，選擇液壓系統(tǒng)時根據(jù)推力最大值確定。3.2舉升機的力學(xué)分析與計算剪刀式舉升機是一種可以廣泛用于維修廠的舉升機，具有結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀、操作簡便等特點，只需用此種安全可靠的舉升設(shè)備將汽車舉升到一定的高度，即可實現(xiàn)對汽車的發(fā)動機、底盤、變速器等進行養(yǎng)護和維修功能。隨著我國私家車保有量越來越大，此種型式的舉升機需求量也會日益增大。本機主要性能參數(shù)為：額定舉升載荷3t；在載重3t情況下，由最低位置舉升到最高位置需60s；當(dāng)按下下降按鈕使三位四通閥右位接通，

29、車輛由最高位置降到最低位置需40s；電動機功率1.1kW；舉升機在最低位置時的舉升高度為350mm，最大舉升高度為2000 mm，工作行程為1650 mm。剪刀式舉升機的結(jié)構(gòu)型式有多種，本設(shè)計中的舉升機結(jié)構(gòu)系指液壓驅(qū)動的小剪式舉升機構(gòu)。舉升機構(gòu)的傳動系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)驅(qū)動和控制，由舉升臂內(nèi)安裝的液壓油缸實現(xiàn)上下運動，推動連接兩側(cè)舉升臂的軸，使安裝在上下位置的滑輪沿滑道滾動，實現(xiàn)舉升機的上下移動。設(shè)備的主要部分有：控制機構(gòu)、傳動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)、平衡機構(gòu)和安全鎖機構(gòu)。分析剪式舉升機不同舉升高度的受力情況可知，在給定載荷下,舉升機舉升到不同高度時，所需油缸推力不同，各舉升臂與軸所受的力也不同。為分析方便

30、，在計算過程中，我們只分析舉手機最低點和舉升到最高位置的受力情況即可。舉升機最低狀態(tài)時，各臂受力情況1、與平臺接觸處的兩鉸接點的力學(xué)分析與計算由前一節(jié)分析可知，舉升機在最低點時，舉升機重量均勻的分布在平臺上，平臺鋼結(jié)構(gòu)和平臺有效載荷之和Wz1所產(chǎn)生的重力直接作用在滑動鉸支座和固定鉸支座上。在最低點時，舉升臂并不水平放置。存在一很小的角度。 tan=因很小，所以計算過程中我們可以將Wz1 近似看成作用在平臺中心位置，Wz1為舉升重量與平臺重量之和，即（g取10N/kg）因舉升重量和平臺質(zhì)量之和由兩側(cè)舉升機共同承受，所以代入式（3.2）和（3.3）中的W1只是Wz1的一半，W1=16.2kN 解得

31、2、 計算各舉升臂的受力圖3.5 舉升臂受力圖圖3.5為桿1的受力情況，F(xiàn)3作用處為滑動鉸支座，根據(jù)受力分析圖列力和力矩平衡方程。方程如下:解得 分析計算結(jié)果，我們可以看到，k1,k2,k6三個未知量都與k5有關(guān)，只要確定出k5，其他就都能解出。觀察圖3.1力學(xué)方案示意圖，我們能夠很快分析出，舉升重量全部作用在平臺上，在舉升機起升瞬間，很小，則k5鉸接孔處豎直方向分力很小，幾乎為零，對桿件只起連接作用，我們將k5取0 N。則。圖3.6 舉升臂2受力情況圖3.6為舉升臂2的受力圖，液壓缸的推力直接作用在連接兩側(cè)舉升臂之間的軸上，間接作用在舉升臂2上。 k3,k4,F4x為未知量，P=324.08

32、 KN。列力和力矩平衡方程:解得 通過計算結(jié)果，我們可以看出液壓缸在瞬間舉升時，水平方向的分力和固定鉸支座處的水平方向分力都很大。所以舉升機的剛度強度一定要滿足要求，否則維修工人在作業(yè)時將很危險。圖3.7 舉升臂3受力圖舉升臂3在實際工作過程中，對整個舉升機受力情況沒有太多影響，主要起連接件的作用。F5和F6支撐上面所有的重量式中的0.92KN為液壓缸重量產(chǎn)生的重力（初步確定）。圖中k7和k8為未知量。列方程如下： 解得 圖3.8 舉升臂4的受力圖 舉升臂4的力F6作用處是固定鉸支座，所以有兩個方向作用力。液壓缸的固定端作用在連接舉升臂的軸上。舉升臂承受液壓缸的重力，并不承受液壓缸的推力。液壓

33、缸的推力有輸入的液壓油來平衡。在這個受力圖中，只有F6x是未知的。 解得 舉升機舉升到最高位置時，各臂受力情況舉升機升高到2m時，舉升機向內(nèi)滑動403.75mm，兩腳支座之間的距離為896.15mm。上下兩滑輪之間的距離為1900mm。舉升臂與水平方向夾角為 液壓缸與水平方向夾角為，液壓缸推力P=136.643KN。分析和計算方法同上。先求舉升臂1的受力情況如圖3.5，由式（3.2）和（3.3）解得，解得 因舉升到2m時，舉升臂與水平方向夾角為，所以豎直方向力和水平方向力應(yīng)近似相等。取。則舉升臂2的受力情況如圖3.6所示，解得舉升臂3的受力情況如圖3.7，解得舉升臂的受力情況如圖3.8，解得3

34、.2.3 剪刀式舉升機構(gòu)主要受力桿件強度校核計算1、位于上端的滑輪軸的強度校核滑輪軸通過滑輪與平臺接觸，作用在滑動端的力F3均勻作用在兩個滑動輪上?；瑒拥膬奢喼g距離為405mm。滑動輪外側(cè)與舉升臂接觸。舉升機最低點時，對于滑輪軸而言，與舉升臂接觸處，相當(dāng)于固定支點，即被約束。圖3.9是滑輪軸的受力圖、剪力圖、彎矩圖。由圖可知，滑輪軸只受豎直方向力，沒有水平方向的力，所以滑輪軸不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。我們從剪力圖和彎矩圖中還可分析出，在長度為405mm的線段內(nèi)橫街面上的剪力FQ=0，而彎矩M為一常數(shù)，這種只有彎矩的的情況，稱為純彎曲。所以長度為405mm的線段內(nèi)只發(fā)生彎曲變形，而沒有發(fā)生剪切變形。是彎

35、曲理論中最簡單的一種情況。由上面的計算可以知道，上滑輪軸在舉升機升高到2m時，受力最大，所以我們只校核舉升機升到2m時的滑輪軸強度即能說明軸的強度是否合格。圖3.9 滑輪軸的剪力圖與彎矩圖 對滑輪軸進行強度校核，軸的材料為45鋼19，抗拉強度彈性模量E為，一般取 。軸的直徑d=24mm。（1）軸的彎矩圖如圖3.9所示。由圖可知 ，最大正彎矩 M=（2）軸的強度校核式中：M為橫截面上的彎矩；W軸的抗彎截面系數(shù)。經(jīng)校核可以看出，軸的截面強度足夠。2、 位于下端的滑輪軸的強度校核最下端軸的校核和最上端軸的校核方法一樣，下端滑輪軸最低點和最高點時受力情況一樣。受力圖、剪力圖、彎矩圖如圖3.10所示。圖

36、3.10 下滑輪軸的剪力圖與彎矩下滑輪軸的材料也是45鋼，抗拉強度。下滑輪軸受的力為：F5/2= ，軸的直徑d=24mm。（1）彎矩圖如圖3.10所示由圖可知 最大彎矩 (2)下滑輪軸的強度校核校核后可得出軸的強度足夠。3、對舉升臂1和2進行強度校核舉升臂1和2位于舉升機的上半部分，液壓缸的作用點直接作用在連接舉升臂2的軸上，舉升臂2和1又通過中間螺栓相連，所以2和1的受力情況比較惡劣。在校核時，只對這兩個舉升臂進行校核即可。(1)舉升臂1的強度校核圖3.11 舉升臂1的剪力圖與彎矩圖 因舉升臂為板材，近似梁。所以分析過程中，我們按梁的強度校核方法來分析舉升臂。由圖3.11舉升臂1的受力圖可以

37、看到，舉升臂既有水平方向的力，又有豎直方向的力，并且兩個方向的力在同一平面， 屬拉伸（壓縮）與彎曲組合變形11。我們將力進行分解，沿舉升臂軸線方向和垂直軸線方向。舉升臂1的受力圖、剪力圖、彎矩圖、軸力圖如圖3.11所示。由圖所知，舉升臂在中間截面組合變形最大11。舉升臂的材料為Q275鋼 ,抗拉強度 ,彈性模量 E=200220GPa ，L為舉升臂長L=1306mm。舉升臂在最低狀態(tài)時（），校核過程如下：舉升臂的彎矩圖如圖3.11所示舉升臂最大負(fù)彎矩確定舉升臂1中性軸的位置截面形心距底邊為因舉升臂1結(jié)構(gòu)可近似一方鋼，所以通過截面中心的中心線Z即為中性軸截面對中性軸的慣鉅舉升臂的最大彎曲應(yīng)力為最

38、大軸向正應(yīng)力截面積為，則正應(yīng)力為校核舉升臂的強度兩種變形產(chǎn)生的總應(yīng)力結(jié)果表明最大彎矩處截面強度足夠。舉升機升高到2m時的強度校核情況：（）最大彎曲應(yīng)力為軸力為：最大正應(yīng)力為總應(yīng)力為強度充分滿足條件。(2） 舉升臂2的強度校核圖3.12 舉升臂2的彎矩圖和剪力圖、軸力圖在剪刀舉升機構(gòu)中，連接舉升臂2的軸，要承受液壓缸的推力，推力間接作用在舉升臂2上。所以舉升臂2的工作條件最為惡劣，要求最高。對舉升臂2進行強度校核。考慮到制造工藝性，所以舉升臂2的材料暫都選用Q275鋼。觀察圖3.12舉升臂2的受力情況，可以看出舉升臂2也受水平和豎直方向，我們同樣將水平方向的力與豎直方向的力進行分解。舉升臂在最低

39、點時的校核情況如下從圖中可以看出中間鉸接點的變形最為嚴(yán)重值最大彎矩由彎矩圖可看出舉升臂2存在最大負(fù)彎矩和最大負(fù)彎矩情況確定舉升臂2中性軸的位置截面形心距底邊為因舉升臂2結(jié)構(gòu)可近似一方鋼，所以通過截面中心的中心線Z即為中性軸截面對中性軸的慣鉅舉升臂的最大彎曲應(yīng)力為軸向正應(yīng)力截面積為，則正應(yīng)力為校核舉升臂的強度兩種變形產(chǎn)生的總應(yīng)力最大截面處的強度雖符合Q275鋼的強度要求,但從值可以看出，實際應(yīng)用時很可能發(fā)生危險。舉升臂升到2米時的校核情況最大負(fù)彎矩為最大彎曲應(yīng)力軸向最大應(yīng)力則正應(yīng)力為強度已經(jīng)不滿足條件。通過以上計算，我們可以看出，液壓缸的推力通過軸直接作用到舉升臂上，會導(dǎo)致比的強度不足。我們在舉

40、升臂2的中間焊接一方鋼作為加強肋，肋上加工有支座，液壓缸通過軸放置在支座上，如圖3.13所示?；钊麠U的推力直接由軸承受，并且軸變形不會直接影響舉升臂。下面對主受推力的軸進行校核。圖3.13 方鋼加強肋與支座（3）主推力軸校核圖3.14 活塞桿推力軸彎矩圖和剪力圖因此軸只承受液壓缸推力，推力垂直于軸線方向，為示圖方便，我們將力豎直作用到軸上，兩端固定處為支座處。因軸只受推力作用，屬于純彎曲情況，所以軸只發(fā)生彎曲變形。受力如圖3.14所示:軸的材料為40Cr，抗拉強度21，軸徑為60mm。舉升機在最低點時,推力最大只校核此刻強度即可。軸的彎矩圖如圖3.13所示。由圖可知 ，最大正彎矩 M=軸的強度

41、校核經(jīng)校核軸的強度足夠，加工加強肋合理。 連接螺栓的校核螺栓在舉升機中起連接作用，主要承受剪切變形。校核時只考慮剪切變形就可以。以下是對圖2.4中的1、3、4處的螺栓進行強度校核。螺栓材料為Q235-A鋼，許用剪切應(yīng)力=98MPa。1、1處螺栓受的剪切力如圖3.15所示圖3.15 1處螺栓所受剪切力圖（1）舉升機在最低點時螺栓剪切力強度計算水平方向承受的應(yīng)力為豎直方向承受的應(yīng)力為根據(jù)第三強度理論=53.89MPa滿足強度要求。（2）舉升到2m時螺栓剪切力強度計算水平方向承受的應(yīng)力為豎直方向承受的應(yīng)力為根據(jù)第三強度理論經(jīng)計算滿足強度要求。2、3處螺栓受的剪切力如圖3.16所示圖3.16 3處螺栓

42、所受剪切力圖（1）舉升機在最低點時螺栓剪切力強度計算水平方向承受的應(yīng)力為豎直方向承受的應(yīng)力為根據(jù)第三強度理論經(jīng)計算滿足強度要求（2）舉升到2m時螺栓剪切力強度計算水平方向承受的應(yīng)力為豎直方向承受的應(yīng)力為根據(jù)第三強度理論經(jīng)計算滿足強度要求。3、5處螺栓受的剪切力如圖3.17所示圖3.175處螺栓所受的剪切力圖（1）舉升機在最低點時螺栓剪切力強度計算水平方向承受的應(yīng)力為豎直方向承受的應(yīng)力為根據(jù)第三強度理論經(jīng)計算滿足強度要求（2）舉升到2m時螺栓剪切力強度計算水平方向承受的應(yīng)力為豎直方向承受的應(yīng)力為根據(jù)第三強度理論經(jīng)計算滿足強度要求。校核后的結(jié)果表明螺栓材料為Q235鋼是符合要求的。3.3 結(jié)構(gòu)加強

43、措施由前面的力學(xué)模型中，我們能夠看到，舉升臂鉸接孔處都受水平和豎直方向的力，這些力將對舉升臂的強度造成嚴(yán)重影響。因舉升臂無論是在最低位置還是在最高位置，都與水平方向成一定角度。分析時，我們沿舉升臂軸線方向和垂直舉升臂軸線方向進行力的分解，垂直舉升臂軸線方向的力使舉升臂產(chǎn)生彎矩變形（正應(yīng)力）沿舉升臂軸線方向的力使舉升臂產(chǎn)生拉伸或壓縮變形（拉或壓）。兩種應(yīng)力變形使舉升臂的彎曲強度受到嚴(yán)重影響。通過結(jié)構(gòu)加強措施提高舉升臂的彎曲強度。1、舉升機上載荷作用的位置進行加強經(jīng)前面的計算可知，舉升臂鉸接點處彎曲強度較集中，磨損嚴(yán)重，對結(jié)構(gòu)進行改進。（1）可以在載荷作用點處，加一厚度為3mm的青銅襯套，套在鉸接

44、軸上，可有效地減小最大彎矩值，提高鉸接點的強度，減小摩擦；（2）在鉸接孔處加工凸臺，使舉升臂厚度加厚，增大舉升臂的橫截面積，減小舉升臂壓縮變形或拉伸變形。提高彎曲強度；（3）液壓缸作用處不直接作用到舉升臂上，中間通過焊接加強肋進行補償。液壓缸下端固定處軸上放有套筒，這樣可以減小軸的磨損；（4）放置軸處的舉升臂加工凸臺，加厚舉升臂尺寸，增大承載面積，并加工加強肋。舉升機結(jié)構(gòu)的改進在二維與三維圖中詳細(xì)表出。3.4 本章小結(jié)通過分析剪刀式舉升機的結(jié)構(gòu)特點,建立剪刀舉升機機構(gòu)的力學(xué)模型,并通過該模型對決定起升油缸最大推力的關(guān)鍵參數(shù)進行研究,得到合理的結(jié)果。本章還通過對各舉升臂、主受力軸的受力分析與強度

45、計算，來校核設(shè)計內(nèi)容是否合理。并提出一些加強措施，使結(jié)構(gòu)強度剛度充分滿足條件。以上的計算與分析對提高剪刀式舉升機系列化設(shè)計的效率和質(zhì)量有明顯的效果。第4章 Pro/E三維建模與整機裝配4.1 Pro/ENGINEER軟件簡介Pro/ENGINEER是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）1988年首家推出的使用參數(shù)化的特征造型技術(shù)的大型CAD/CAE/CAM集成軟件12。近年來在我國大型工廠、科研單位和部分大學(xué)得到了較為普遍的應(yīng)用，深受廣大從事三維產(chǎn)品設(shè)計和研究人員的喜愛。是一個全方位的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件，集成了零件、產(chǎn)品裝配、模具設(shè)計、數(shù)控加工。鈑金設(shè)計、鑄造件設(shè)計、造型設(shè)計、逆向工程、自動測量、機構(gòu)仿真

46、、應(yīng)力分析、電路布線、裝配管路設(shè)計等功能模塊和專有模塊于一體，可以實現(xiàn)DFM?(面向制造設(shè)計)、DFA（面向裝配設(shè)計）、ID（逆向設(shè)計）、CE（并行工程）等先進的設(shè)計方法的特性12：Pro/ENGINEER參數(shù)化設(shè)計的特性：3D（三維）實體模型：三維實體建?？梢詫⒂脩舻脑O(shè)計思想以最真實的三維模型在Pro/ENGINEER中用戶可以方便地對設(shè)計模型進行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作，可以從各個不同的角度觀察模型。另外，借助于Pro/ENGINEER的系統(tǒng)參數(shù)，用戶還可以隨時計算出產(chǎn)品體積、重心、重量、模型大小，極大的方便了設(shè)計人員。單一數(shù)據(jù)庫：Pro/ENGINEER是建立在單一數(shù)據(jù)庫上的。所謂單一數(shù)據(jù)

47、庫，就是工程中的資料全部倆字一個庫，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生變動，都會反應(yīng)在整個產(chǎn)品設(shè)計制造過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上，這樣確保報數(shù)據(jù)的正確性、避免反復(fù)修改。這種特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計制造的結(jié)合，使得整個產(chǎn)品的設(shè)計制造嚴(yán)謹(jǐn)、有序，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，優(yōu)化了整個設(shè)計過程。能更快的對市場需求做出反應(yīng)?；谔卣鳎篜ro/ENGINEER是一個采用參數(shù)化設(shè)計、基于特征的實體模型系統(tǒng)。在設(shè)計過程中，采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。正是因為一特征呢個需哦為設(shè)計單元，用戶可以隨時對這些特征作出合理的修改和調(diào)整。這一功能特性給工程設(shè)計人員提供了前所未有的簡易和靈活。參數(shù)化設(shè)計：在Pro/ENGI

48、NEER中，配合單一數(shù)據(jù)庫，所有在設(shè)計過程中所使用的尺寸都保存在數(shù)據(jù)庫中，修改模型和工程圖不再繁瑣。設(shè)計人員只需要更改三維零件的尺寸，則二維工程圖、三維裝配圖、模具等就會依照零件修改過的尺寸作出相應(yīng)變化，避免了人為修改出現(xiàn)的疏漏情況。參數(shù)化設(shè)計還使得設(shè)計人員可以利用強大的數(shù)學(xué)運算方式，建立各尺寸的關(guān)系式，使得零件的設(shè)計更加簡捷。4.2 利用Pro/E進行三維建模Pro/ENGINEER是一個基于特征的三維建模軟件，它不同于AutoCAD等二維制圖軟件，也不同于注重模型效果的三維制圖軟件3DStudio Max等，Pro/ENGINEER注重于對三維實體的精確建模，包含了產(chǎn)品模型的體積、面積、重心、重量、慣性大小等12。Pro/ENGINEER中零件模型的構(gòu)造是由各種特征來生成的，零件的設(shè)計過程就是特征的累積過程。4.2.1軸的建立軸為回轉(zhuǎn)體，建立方法使用旋轉(zhuǎn)，之后建立整體造型后，利用拉伸特征，建立定位孔即可。具體步驟如下：第一步 建立回轉(zhuǎn)體新建>零件>輸入文件名>取消缺省>選擇mmns>進入零件模式旋轉(zhuǎn)>放置>進入草繪>建立中心線，按照順序建立如下尺寸>對號完成>旋轉(zhuǎn)360度圖4.1 軸的草繪圖形完成基礎(chǔ)特征如下，同時對兩端