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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1選擇的背景、研究目的及意義
升降臺(tái)是一種多功能起重裝卸機(jī)械設(shè)備、是一種將人或者貨物升降到某一高度的升降設(shè)備。升降平臺(tái)可分為：固定式、移動(dòng)式、導(dǎo)軌式和曲臂式。固定式有：剪叉式升降貨梯、鏈條式升降機(jī)、裝卸平臺(tái)等。移動(dòng)式分為：四輪移動(dòng)式升降平臺(tái)、二輪牽引式升降平臺(tái)、手推式升降平臺(tái)、手搖式升降平臺(tái)、交直流兩用升降平臺(tái)、電瓶車載式升降平臺(tái)、 自行式升降平臺(tái)、柴油機(jī)曲臂自行式升降平臺(tái)、折臂式升降平臺(tái)、套缸式升降平臺(tái)、鋁合金升降平臺(tái)和汽車改裝式升降平臺(tái)，起升高度從1米至20米不等。鋁合金升降平臺(tái)可分為單柱鋁合金，雙柱鋁合金，三柱和四柱鋁合金。汽車改裝式升降臺(tái)可用于工廠、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、停車場(chǎng)、市政、碼頭、建筑、裝修、物流、電力、交通，石油、化工、酒店、體育館、工礦、企業(yè)等的高空作業(yè)及維修。升降平臺(tái)升降系統(tǒng)，是靠液壓驅(qū)動(dòng)，也被稱作液壓升降平臺(tái)。
在工廠、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)等物流系統(tǒng)中進(jìn)行垂直輸送時(shí)，升降平臺(tái)上往往還裝有各種平面輸送設(shè)備，作為不同高度輸送線的連接裝置。一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，故稱液壓升降臺(tái)。除作為不同高度的以下步驟中我們驅(qū)動(dòng)將液貨物輸送外，廣泛應(yīng)用于高空的安裝、維修等作業(yè)。是一種將人或者貨物升降到某一高度的升降設(shè)備。在工廠、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)等物流系統(tǒng)中進(jìn)行垂直輸送時(shí)，升降平臺(tái)上往往還裝有各種平面輸送設(shè)備，作為不同高度輸送線的連接裝置。一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，故稱液壓升降臺(tái)。除作為不同高度的貨物輸送外，廣泛應(yīng)用于高空的安裝、維修等作業(yè)。
目前，發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的汽車改裝式升降臺(tái)質(zhì)量較好、性能較穩(wěn)定、設(shè)備操作簡(jiǎn)單，在經(jīng)銷商中口碑良好。我國(guó)的汽車改裝式升降臺(tái)是20世紀(jì)90年代依據(jù)國(guó)外的產(chǎn)品技術(shù)生產(chǎn)的，到現(xiàn)在舉升機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)擁有近百個(gè)中外品牌，產(chǎn)品系列成百上千。然而汽車改裝式升降臺(tái)雖然也相對(duì)定型，但很多產(chǎn)品性能還不夠穩(wěn)定，故障多，可靠性差，外觀不夠美觀，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)等方面都還有很多地方有待改進(jìn)。因此，進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能與可靠性，是國(guó)內(nèi)汽車改裝式升降臺(tái)任重道遠(yuǎn)且亟需改進(jìn)的地方。然而目前，在我國(guó)還沒(méi)有出現(xiàn)利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)汽車改裝式升降臺(tái)進(jìn)行研究，只有將汽車舉升機(jī)的工程實(shí)踐和虛擬樣機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，才能真正加快汽車舉升機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展歷程。為此，本課題基于計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，應(yīng)用當(dāng)前CAD/CAE領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的三維軟件CATIA、有限元軟件ANSYS及動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，進(jìn)行汽車改裝式升降臺(tái)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)特性等方面的計(jì)算機(jī)仿真研究與分析，為我國(guó)汽車舉升機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)方面提供更多的理論參考，進(jìn)一步提高汽車舉升機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。目前國(guó)內(nèi)的高空作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)品主要集中在車載式、剪叉式、牽引式。但無(wú)論從結(jié)構(gòu)上還是功能上都無(wú)法與國(guó)外同類產(chǎn)品相比。自行履帶式高空作業(yè)平臺(tái)目前在國(guó)內(nèi)還是空白，自行輪載式平臺(tái)也只有少數(shù)廠家在生產(chǎn)，并且存在產(chǎn)品種類少，臂型結(jié)構(gòu)單一，起升高度低，適應(yīng)場(chǎng)地能力差等不足之處，因此在功能上與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比還有較大的差距。
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，舉升設(shè)備也迎來(lái)巨大的市場(chǎng)需求。在高空作業(yè)領(lǐng)域中，常以汽車改裝式升降臺(tái)作為重要工具。它的作用都是將需要升高的人或物水平提升到合適的高度，以便于維修工人對(duì)待修設(shè)備進(jìn)行維修或?qū)⒋\(yùn)物品舉升到合適的高度，正因?yàn)槿藛T要在舉升設(shè)備上工作，因此要求舉升設(shè)備一定要安全可靠，否則一旦發(fā)生危險(xiǎn)，后果不堪設(shè)想。因此，對(duì)舉升設(shè)備的安全性進(jìn)行研究將具有重大的意義。本課題研究運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)汽車改裝式升降臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品制造之前運(yùn)用ANSYS、ADAMS軟件進(jìn)行仿真研究。
CATIA是法國(guó)達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案。作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，它可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。
設(shè)計(jì)對(duì)象的混合建模：在CATIA的設(shè)計(jì)環(huán)境中，無(wú)論是實(shí)體還是曲面，做到了真正的互操作；變量和參數(shù)化混合建模：在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者不必考慮如何參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，CATIA提供了變量驅(qū)動(dòng)及后參數(shù)化能力。幾何和智能工程混合建模：對(duì)于一個(gè)企業(yè)，可以將企業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)積累到CATIA的知識(shí)庫(kù)中，用于指導(dǎo)本企業(yè)新手，或指導(dǎo)新車型的開發(fā)，加速新型號(hào)推向市場(chǎng)的時(shí)間。CATIA具有在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)的方便的修改能力，尤其是后期修改性，無(wú)論是實(shí)體建模還是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，用戶可方便快捷的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改，即使是在設(shè)計(jì)的最后階段需要做重大的修改，或者是對(duì)原有方案的更新?lián)Q代，對(duì)于CATIA來(lái)說(shuō)，都是非常容易的事。CATIA所有模塊具有全相關(guān)性，CATIA的各個(gè)模塊基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，因此CATIA的各個(gè)模塊存在著真正的全相關(guān)性，三維模型的修改，能完全體現(xiàn)在二維，以及有限元分析，模具和數(shù)控加工的程序中。并行工程的設(shè)計(jì)環(huán)境使得設(shè)計(jì)周期大大縮短，CATIA 提供的多模型鏈接的工作環(huán)境及混合建模方式，使得并行工程設(shè)計(jì)模式已不再是新鮮的概念，總體設(shè)計(jì)部門只要將基本的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)放出去，各分系統(tǒng)的人員便可開始工作，既可協(xié)同工作，又不互相牽連；由于模型之間的互相聯(lián)結(jié)性，使得上游設(shè)計(jì)結(jié)果可做為下游的參考，同時(shí)，上游對(duì)設(shè)計(jì)的修改能直接影響到下游工作的刷新。實(shí)現(xiàn)真正的并行工程設(shè)計(jì)環(huán)境。
ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如CATIA, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。
ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國(guó)MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國(guó)際市場(chǎng)份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬(wàn)美元、占據(jù)了51%的份額,現(xiàn)已經(jīng)并入美國(guó)MSC公司。
軟件應(yīng)用：ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。
利用上述三種軟件進(jìn)行汽車改裝式升降臺(tái)虛擬設(shè)計(jì)及仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)缺陷，完善設(shè)計(jì)方案，縮短開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，為生產(chǎn)實(shí)際提供理論支持。
1.2設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
選取某品牌汽車改裝后的升降臺(tái)設(shè)計(jì)，要求升降臺(tái)接取汽車引擎動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)的升降功能，平臺(tái)還需具有360°旋轉(zhuǎn)功能。最大舉升高度為6000mm，最低高度為950mm，外形尺寸根據(jù)選配汽車尺寸自定，上升時(shí)間50s，額定載荷300kg，整機(jī)重量1450kg，電壓24V，電機(jī)功率1.5KW。利用AutoCAD、CATIA軟件完成升降臺(tái)二維及三維設(shè)計(jì)、利用ANSYS軟件對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性校核，利用ADMAS軟件對(duì)整機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。
1.2.1 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容
（1）升降臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)；
（2）利用AutoCAD軟件完成升降臺(tái)二維總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及零部件設(shè)計(jì)；
（3）校核計(jì)算；
（4）利用CATIA完成升降臺(tái)三維建模及虛擬裝配；
（5）利用ANSYS完成關(guān)鍵零件的有限元分析；
（6）利用ADAMS軟件完成整機(jī)動(dòng)態(tài)仿真及分析。
N
Y
Y
Y
N
1.3 是否合理
轉(zhuǎn)換接口
ADAMS動(dòng)力學(xué)析仿真
ANSYS有限元分析
N
撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書
仿真結(jié)論分析
是否合理
CATIA整機(jī)裝配及干涉檢查
是否合理
轉(zhuǎn)換接口
CATIA三維實(shí)體建模
汽車改裝式舉升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核
調(diào)研、收集資料及總體方案論證
研究采用的技術(shù)流程圖如圖1.1所示。
圖 1.1 技術(shù)流程圖
第2章 汽車改裝式升降臺(tái)舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 汽車改裝式升降臺(tái)車體選擇
汽車改裝式升降臺(tái)車體底盤按總體性能可分為通用汽車底盤、專用汽車底盤二種。通用汽車底盤指通用汽車的二類底盤。由于原汽車車架的強(qiáng)度和剛度滿足不了作業(yè)時(shí)的要求，故需要在原汽車底盤上增設(shè)副車架以實(shí)現(xiàn)對(duì)上車的支撐，所以整個(gè)高空作業(yè)車的重心較高，重量也較大，從而導(dǎo)致整機(jī)性能下降。但由于通用底盤的價(jià)格較低，在中小型的高空作業(yè)車上比較常用。
專用的汽車底盤是按高空作業(yè)車要求專門設(shè)計(jì)制造的。專用底盤軸距較長(zhǎng)，車架剛性好，其駕駛室的布置有三種形式，一是正置駕駛室 (與通用汽車一樣)，二是側(cè)置的偏頭式駕駛室，三是前懸下沉式駕駛室。
據(jù)設(shè)計(jì)要求——最大舉升高度為6000mm，最低高度為950mm，上升時(shí)間50s，額定載荷300kg，整機(jī)重量1450kg，電壓24V，電機(jī)功率1.5KW。外形尺寸根據(jù)選配汽車尺寸自定，由已知的參數(shù)可知，待改裝式汽車可在3.5到12t之間選擇，屬于類，即屬于中型的載貨機(jī)動(dòng)車，即選用二類底盤（通用汽車底盤）。選用二類底盤不但可以縮短開發(fā)周期，而且也降低了制造的成本，再根據(jù)已知條件中給的整車整備質(zhì)量、軸數(shù)、軸距、外型尺寸等，在查取的二類底盤中選用了金杯SY1036SAS3的貨車底盤。經(jīng)調(diào)研，該金杯牌卡車，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：CA498，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量3600kg，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率62.5kw整車整備質(zhì)量1825kg，車廂廠3300mm,車廂寬1800mm，滿足使用要求。
2.2升降臺(tái)整體結(jié)構(gòu)形式及基本組成
此次課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容為剪刀式舉升機(jī)，剪刀式舉升機(jī)的發(fā)展較迅速，種類也很齊全。按照剪刀的大小分為大剪式舉升機(jī)（又叫子母式），還有小剪（單剪）舉升機(jī) ；按照驅(qū)動(dòng)形式又可分為機(jī)械式、液壓式、氣液驅(qū)動(dòng)式。整體結(jié)構(gòu)形式如圖2.1所示。
圖 2.1
剪刀式液壓平板舉升機(jī)由機(jī)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(hù)裝置等以保證舉升機(jī)安全使用，保障維修工人的生命安全。剪刀式舉升機(jī)有兩組完全相同的舉升機(jī)構(gòu)，分別放于左右兩側(cè)舉升臂之間，因兩側(cè)結(jié)構(gòu)完全相同，可以左右互換。舉升機(jī)由電氣系統(tǒng)控制，由液壓系統(tǒng)輸出液壓油作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)活塞桿伸縮，帶動(dòng)兩側(cè)舉升臂同時(shí)上升、下降、鎖止
舉升機(jī)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(dòng)，舉升臂通過(guò)軸與滑輪連接。舉升機(jī)在工作過(guò)程中，以固定鉸支座一側(cè)為支點(diǎn)，滑輪向內(nèi)或向外滑動(dòng)，使舉升機(jī)上升下降，當(dāng)達(dá)到適當(dāng)?shù)呐e升位置時(shí)，利用液壓缸上的機(jī)械鎖鎖止。
2.3舉升機(jī)各零部件之間的連接關(guān)系
舉升機(jī)的工作是靠液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)舉升下降的。液壓缸固定在兩舉升臂內(nèi)側(cè)，通過(guò)軸連接，活塞桿作用在上端軸上，軸直接連接兩舉升臂?；钊麠U向外伸出時(shí)，帶動(dòng)舉升臂向上運(yùn)動(dòng)。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(rùn)滑脂潤(rùn)滑。舉升臂向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)軸帶動(dòng)滑輪滑動(dòng)，舉升臂、軸與滑輪之間需使用鍵進(jìn)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(jìn)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(dòng)墊圈固定鎖止；固定鉸支座處用銷鏈接，銷通過(guò)鎖止螺釘鎖止；底座通過(guò)地腳螺栓固定于地面上；這樣舉升機(jī)才能正常工作。
2.4確定剪刀式舉升機(jī)的各結(jié)構(gòu)尺寸
2.4.1剪刀式舉升機(jī)已知的主要技術(shù)參數(shù)如表2.2所示
表2.1 主要技術(shù)參數(shù)
技術(shù)數(shù)據(jù)
數(shù)值
單位
舉升重量
300
kg
舉升高度
6000
mm
提升時(shí)間
50
S
要求舉升機(jī)的提升速度是經(jīng)50mm時(shí)間內(nèi)舉升機(jī)能升高到6m ,并且舉升機(jī)在各高度工作時(shí)，都能自鎖。
2.5 舉升機(jī)各部分尺寸
2.5.1支撐平臺(tái)尺寸
因升降臺(tái)是放于金杯汽車的車廂上，所以要保證升降臺(tái)的長(zhǎng)和寬不能超過(guò)汽車車廂的長(zhǎng)和寬。根據(jù)車廂長(zhǎng)為3300mm、寬1800mm，升降臺(tái)平臺(tái)前后兩端與車廂前后邊緣要有一定距離，且滿足舉升到最高處時(shí)的高度是6000mm,實(shí)際高度是6840mm，則平臺(tái)外型長(zhǎng)為2100mm。平臺(tái)寬一般為1740mm。根據(jù)要求，工作時(shí)上部平臺(tái)可以進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)，重量作用在整個(gè)平臺(tái)上，力并不集中，所以平臺(tái)不宜過(guò)厚，設(shè)計(jì)為20mm，平臺(tái)下部設(shè)計(jì)環(huán)形滾槽，滾槽厚為20mm，平臺(tái)尺寸如圖2.2所示。
圖2.2 平臺(tái)尺寸
2.5.2 舉升臂尺寸
因平臺(tái)長(zhǎng)2100mm，固定鉸支座和滑動(dòng)滾輪分別放于平臺(tái)下，降低到最低點(diǎn)時(shí)舉升臂不能超出平臺(tái)邊緣，所以固定鉸支座和滑動(dòng)滾輪要與平臺(tái)有一定的距離。固定鉸支座與滑動(dòng)滾輪之間距離1950mm。
舉升機(jī)壓縮到最低位置時(shí)，舉升機(jī)高為880mm,(底座到平臺(tái)面的距離)。 如圖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(jì)時(shí)，加工滾輪滑道，滑道厚為10mm，滑道寬35mm，滑道長(zhǎng)為750mm。上下兩滾輪之間的距離為400mm，根據(jù)勾股定理求舉升臂長(zhǎng)L, 求得L=2050mm，舉升臂寬100mm，厚為20mm。
圖 2.3 舉升機(jī)壓縮到最低點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)
2.5.3 舉升機(jī)升高到6000mm時(shí)尺寸變化
舉升機(jī)向上舉升時(shí)，滑輪向內(nèi)側(cè)滾動(dòng)，液壓系統(tǒng)向上伸縮，固定鉸支座和滑動(dòng)鉸支座之間距離縮短，平臺(tái)與底座之間距離越來(lái)越大。舉升機(jī)升高到6840mm時(shí)，舉升機(jī)上下兩滑輪之間的距離為6000mm，因舉升臂長(zhǎng)L=2000mm，固定鉸接處與滑輪之間的距離為L(zhǎng)b,由勾股定理得 ，則Lb=1322.88mm，滑動(dòng)輪滑動(dòng)距離Lx=2000-1322.88=677.12mm。舉升機(jī)升高到6m時(shí)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖2.4所示。
圖2.4 升高到 6m 時(shí)舉升機(jī)主視圖和左視圖
因我們的舉升臂寬為100mm，所以連接處螺栓軸徑適當(dāng)取Ds=40mm，滑動(dòng)滾輪處軸徑取Dz=40mm，滑輪總寬為40mm。
2.6 舉升機(jī)在車板上安裝尺寸
考慮到待改裝車型車板的情況，剪刀式升降臺(tái)平放于車板上就可以，采用M40的地腳螺栓固定。
根據(jù)待改裝車廂寬為1.75m，長(zhǎng)為，舉升機(jī)上平板要有一定的空間供載人及貨物，為了滿足以上尺寸要求，升降臺(tái)兩側(cè)支撐桿之間的距離取900 mm ,平臺(tái)長(zhǎng)1600mm ，舉升機(jī)左右結(jié)構(gòu)完全相同，設(shè)備控制箱可以左右互換。
2.7 汽車改裝式升降臺(tái)各部件重量
查《工程材料手冊(cè)》所知，舉升、起重機(jī)械的板形材料多用Q275鋼。Q275鋼的材料性能：彈性模量（GPa）為200-220；泊松比為0.3；抗拉強(qiáng)度(MPa)為490—610；密度(g/cm3)為7.85。
質(zhì)量基本計(jì)算公式
（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(zhǎng)度；
ρ（g/cm3）——所用材料鋼的密度。
2.7.1平臺(tái)的質(zhì)量
2.7.2滾道質(zhì)量
因平臺(tái)加工有較薄的邊緣，所以計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)較多，后續(xù)計(jì)算中我們?nèi)∑脚_(tái)質(zhì)量Wp=120kg
2.7.3舉升臂的質(zhì)量
在實(shí)際運(yùn)用中，左側(cè)和右側(cè)舉升機(jī)完全相同，每側(cè)共有八個(gè)舉升臂，則舉升臂重量和為
2.8 初定電機(jī)功率
汽車改裝式升降臺(tái)舉升重量0.3t，舉升機(jī)自身及其附件的重量再加上一部分的余量為0.7t，所以取 W=1t 。初定電機(jī)功率，不考慮工作過(guò)程損失。
舉升平臺(tái)上方放有待舉升物時(shí)，設(shè)計(jì)上升速度為 ：
Vw = （2.2）
將S=6000(mm)代入，由公式（2.2）得
Vw= =0.12m/s
g=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
整理前面計(jì)算的數(shù)據(jù)如表2.4。
表2.4 剪刀式舉升機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
舉升重量
300kg
舉升高度
900-6000mm
實(shí)際上升高度
6100mm
總寬
2000mm
總長(zhǎng)
2060mm
平臺(tái)長(zhǎng)/寬
1600/550mm
舉升臂長(zhǎng)
2000mm
平臺(tái)間寬
900mm
上升時(shí)間
60s
下降時(shí)間
60s
電機(jī)功率
1.1KW
電源
220V/380V/50Hz
額定油壓
18MPa
整機(jī)重量
800kg
滑輪移動(dòng)距離
896.15mm
2.9 本章小結(jié)
本章主要將汽車改裝式升降臺(tái)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(lái)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作做好準(zhǔn)備。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們參考了廣力牌GL3.0/A小剪式舉升機(jī)，上海繁寶剪式舉升機(jī)， Jumbo Lift NT 剪式舉升平臺(tái)的設(shè)計(jì)，確定了我所設(shè)計(jì)的剪刀式舉升機(jī)的組成結(jié)構(gòu)，包括控制機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還有所需的零部件。本章還敘述了剪刀式舉升機(jī)是如何運(yùn)動(dòng)的，實(shí)現(xiàn)舉升，將車舉到我們希望的高度。
第3章 汽車改裝式升降臺(tái)機(jī)構(gòu)建模
3.1汽車改裝式升降臺(tái)機(jī)構(gòu)力學(xué)模型
汽車改裝式升降臺(tái)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、通過(guò)性強(qiáng)和操控性好的特點(diǎn),因此在現(xiàn)代物流、航空裝卸、大型設(shè)備的舉升與維護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。剪刀式舉升機(jī)構(gòu)作為舉升平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,其力學(xué)特性對(duì)平臺(tái)性能產(chǎn)生直接影響。對(duì)于汽車改裝式升降臺(tái)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),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(jì)算、分析剪刀式起升機(jī)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(yàn)算分析,但在設(shè)計(jì)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(wèn)題。在建立力學(xué)模型時(shí)，我們利用MATLAB 軟件所具有的強(qiáng)大矩陣計(jì)算功能,對(duì)影響剪刀式起升機(jī)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(jī)構(gòu)的力學(xué)模型。
3.1.1 汽車改裝式升降臺(tái)力學(xué)模型建立與分析
舉升機(jī)左側(cè)為固定鉸支座，右側(cè)為滑動(dòng)鉸支座，平臺(tái)上放有荷載，受力情況如圖，圖中F4 與F2 作用點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)和底座的固定鉸支座位置, F5 與F3 作用點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)和底座的滑動(dòng)鉸支座位置，W1為平臺(tái)所收載荷，F(xiàn)1為液壓缸推桿對(duì)剪差臂的推力。
圖3.1 力學(xué)方案示意圖
為分析方便,我們將平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)和平臺(tái)有效載荷之和簡(jiǎn)化為W1 ,剪刀式舉升機(jī)構(gòu)自重載荷為W2 ,油缸自重載荷為Wz ,根據(jù)分析,假設(shè)舉升臂機(jī)構(gòu)自重載荷為W2和 油缸自重載荷為Wz忽略不計(jì)。如圖所示,根據(jù)上一章所定舉升臂兩端銷孔中心連線長(zhǎng)度為L(zhǎng) ,L=2000mm，設(shè)剪差桿與水平夾角為，液壓缸與水平面夾角為，當(dāng)升降臺(tái)處于最低位置時(shí)，由幾合運(yùn)算知
==
==
液壓缸長(zhǎng)度
L==644.39mm
當(dāng)升降臺(tái)上升到最高位置處時(shí)
=
==
液壓缸長(zhǎng)度
L==1145.37mm
液壓缸起升速度
V==10mm/s
活塞有效行程：500.98mm。
3.2汽車改裝式升降臺(tái)處于最低位置時(shí)的受力分析：
將對(duì)整個(gè)平臺(tái)的分析轉(zhuǎn)換為對(duì)最底部?jī)筛e升臂的分析，由于一共有四個(gè)支點(diǎn)共同承擔(dān)所有的重力，所以每個(gè)支點(diǎn)所承擔(dān)的重力為總重力的四分之一。
圖3.2 最低點(diǎn)時(shí)雙臂受力圖
再通過(guò)力學(xué)原理將對(duì)兩根桿的分析轉(zhuǎn)換為對(duì)一根桿的分析，如圖3.3所示。
圖3.3最低點(diǎn)時(shí)一桿的受力分析圖
3.2.1對(duì)舉升臂進(jìn)行受力分析
圖3.4舉升臂受力分析圖
F1=52.1KN
（1）
（2）
3.2.2對(duì)舉升臂（II）進(jìn)行校核
圖3.5舉升臂（II）校核圖
舉升臂的彎矩圖如圖3.11所示舉升臂最大彎矩
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(guò)截面中心的中心線即為中性軸。
截面對(duì)中性軸的慣鉅
舉升臂的最大彎曲應(yīng)力
最大軸向正應(yīng)力
兩種變形的總應(yīng)力
經(jīng)查材料表可知45鋼的抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為300Mpa。對(duì)于承受載荷較大，時(shí)間不長(zhǎng)的情況下我們?nèi)“踩禂?shù)為1.2，所以。由于承受的總應(yīng)力310.27Mpa＜500Mpa，所以舉升臂強(qiáng)度合格。
舉升臂在最低位置時(shí)受力強(qiáng)度最大，經(jīng)校核舉升臂強(qiáng)度合格。
3.2.3對(duì)臂（I）進(jìn)行校核
圖3.6舉升臂（I）校核圖
舉升臂的彎矩圖如圖3.11所示舉升臂最大彎矩
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(guò)截面中心的中心線即為中性軸。
截面對(duì)中性軸的慣鉅
舉升臂的最大彎曲應(yīng)力
最大軸向正應(yīng)力
兩種變形的總應(yīng)力
經(jīng)查材料表可知45鋼的抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)度為300Mpa。對(duì)于承受載荷較大，時(shí)間不長(zhǎng)的情況下我們?nèi)“踩禂?shù)為1.2，所以。由于承受的總應(yīng)力114.34Mpa＜500Mpa，所以舉升臂強(qiáng)度合格。
舉升臂在最低位置時(shí)受力強(qiáng)度最大，經(jīng)校核舉升臂強(qiáng)度合格。
3.2.4活塞桿頂端支承軸的強(qiáng)度校核
因?yàn)榇藱M軸作為液壓缸的支承軸，推力直接作用在軸線垂線上，兩端固定在舉升臂開孔中，所以其屬于純彎曲變形，其受力如下圖3.13所示。軸材料為40Cr，許用抗拉強(qiáng)度為1000MPa ，軸徑為40mm。為了避免因彎曲過(guò)大而導(dǎo)致對(duì)軸的破壞，本設(shè)計(jì)采用雙液壓缸，分別支撐在橫軸兩端。因在剛舉升的最低點(diǎn)軸受力最大，這里只校核此種情況的安全性。
圖3.7 支撐軸的剪力圖與彎矩圖
由圖3.7可得：
式中：M——為橫截面上的彎矩；
W——軸的抗彎截面系數(shù)。
經(jīng)校核可知：829.6MPa＜1000MPa，因這個(gè)最大應(yīng)力僅在舉升瞬間存在，其余時(shí)間均小于此值，所以強(qiáng)度合格。
3.2.5連接舉升臂銷軸的強(qiáng)度校核
因銷軸是插進(jìn)兩個(gè)交錯(cuò)的舉升臂內(nèi)部孔中，所以其主要承受剪應(yīng)力，校核時(shí)只需要考慮其剪切變形即可。銷軸材料按規(guī)定為35鋼，軸徑40mm，許用剪切應(yīng)力[]=98MPa。如圖3.14所示。
圖3.8 銷軸的受力圖
1、在剛要舉升最低點(diǎn)時(shí)銷軸的強(qiáng)度計(jì)算
舉升最低點(diǎn)時(shí)銷軸承受的應(yīng)力為：
所以此軸滿足強(qiáng)度要求。
3.3 本章小結(jié)
通過(guò)分析剪刀式舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立剪刀舉升機(jī)機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型,并通過(guò)該模型對(duì)決定起升油缸最大推力的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究,得到合理的結(jié)果。本章還通過(guò)對(duì)各舉升臂、主受力軸的受力分析與強(qiáng)度計(jì)算，來(lái)校核設(shè)計(jì)內(nèi)容是否合理。并提出一些加強(qiáng)措施，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度充分滿足條件。以上的計(jì)算與分析對(duì)提高剪刀式舉升機(jī)系列化設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量有明顯的效果。
第4章 液壓系統(tǒng)的選擇與計(jì)算
4.1明確設(shè)計(jì)要求
液壓系統(tǒng)是主機(jī)的配套部分，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)是首先要明確主機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)提出的要求，具體包括
4.1.1主機(jī)的動(dòng)作要求
這是指主機(jī)的哪些動(dòng)作是要求用液壓傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些動(dòng)作間有無(wú)聯(lián)系以及要不要求完成一定自動(dòng)循環(huán)等。主機(jī)可能對(duì)液壓系統(tǒng)提出許多要求，設(shè)計(jì)者應(yīng)在了解主機(jī)用途、工作過(guò)程和總體布局的基礎(chǔ)上對(duì)這些要求做出分析。
4.1.2主機(jī)的性能要求
指主機(jī)內(nèi)采用液壓傳動(dòng)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在力和運(yùn)動(dòng)方面的要求，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)在各工作幾段所需的力和速度的大小、調(diào)速范圍、速度的平徹性以及完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間等方面都必須有明確的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代化機(jī)械要求高精度、高生產(chǎn)力以及高度自動(dòng)化，這不僅要求期液壓系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)指標(biāo)，還常對(duì)其動(dòng)態(tài)指標(biāo)提出要求。
4.1.3液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境
工作環(huán)境的溫度和濕度，污染和振動(dòng)沖擊情況以及是否有腐蝕和易燃性物質(zhì)存在等問(wèn)題均應(yīng)有明確答案。這涉及液壓元件和介質(zhì)的選用。必要時(shí)設(shè)計(jì)中還應(yīng)附加防護(hù)措施。
4.1.4其他要求
如液壓裝置的在重量、外形尺寸方面的限制以及經(jīng)濟(jì)性、能耗方面的要求等。
4.1.5液壓系統(tǒng)的選型
油缸是液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件，也是舉升機(jī)構(gòu)的直接動(dòng)力來(lái)源。通常油缸分為活塞式和浮拄式兩類?；钊骄鶠閱蜗蜃饔?，其缸體長(zhǎng)度大而伸縮長(zhǎng)度小、使用油壓低（一般不超過(guò)16MPa）。浮柱式為多級(jí)伸縮式油缸，一般有2～5個(gè)伸縮節(jié)，其結(jié)構(gòu)緊湊，并具有短而粗、伸縮長(zhǎng)度大、使用油壓高（可達(dá)35MPa），易于安裝布置等優(yōu)點(diǎn)。剪刀式舉升機(jī)多采用活塞式液壓缸，動(dòng)力源直接輸送。其中拉塔處的液壓缸控制系統(tǒng)為氣動(dòng)，人工腳踏施力，方便靈活且安全可靠。
本次設(shè)計(jì)兩個(gè)舉升處液壓缸及四個(gè)固定車體液壓缸者均采用HSG系列工程液壓缸，其形式為單活塞桿雙作用緩沖式液壓缸。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、裝拆方便、易于維修，且連接方式多樣、緩沖部位任選等特點(diǎn)。適用于工程機(jī)械，礦山機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械及其他機(jī)械行業(yè)。
4.2液壓系統(tǒng)方案的確定
圖 4.1 液壓系統(tǒng)原理圖
如圖4.1所示，汽車改轉(zhuǎn)式升降臺(tái)液壓系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)組成和工作原理如下：
結(jié)構(gòu)組成：油箱、過(guò)濾器、液壓泵、電動(dòng)機(jī)、先導(dǎo)型電磁溢流閥、調(diào)速閥、壓力表、壓力表開關(guān)、蓄能器、三位四通電液比例換向閥、單向閥、同步閥、液壓缸、三位四通電磁閥。
工作原理：液壓系統(tǒng)由一個(gè)三位四通電液比例換向閥和一個(gè)同步閥控制兩個(gè)支撐桿處的液壓缸運(yùn)動(dòng)；再有兩個(gè)三位四通電磁閥和六個(gè)換向閥共同控制八個(gè)支腿處液壓缸的運(yùn)動(dòng)，三組液壓回路可單獨(dú)控制。當(dāng)電液比例換向閥位于左位時(shí)，液壓泵供油經(jīng)電液比例換向閥、分流閥向兩個(gè)液壓缸無(wú)桿腔輸入等量的油液，兩液壓缸的活塞桿同步向外伸出，有桿腔的油液經(jīng)單向閥及電液比例換向閥流回油箱；當(dāng)電液比例換向閥右位工作時(shí)，液壓泵供油經(jīng)電液比例換向閥，分流閥向液壓缸有桿腔輸入等量的油液，兩液壓缸的活塞桿同步向內(nèi)縮回，無(wú)桿腔的油液經(jīng)單向閥及電液比例換向閥流回油箱。兩個(gè)三位四通換向閥的工作原理與三位四通電業(yè)比例換向閥的工作原理類似。
4.3液壓系統(tǒng)的計(jì)算
由上一章節(jié)的相關(guān)計(jì)算可知，兩個(gè)舉升液壓缸的最大推力均為52.1KN，參照液壓缸制造廠家的相關(guān)技術(shù)規(guī)格可知，HSG系列工程液壓缸能滿足本次設(shè)計(jì)要求的推力且為了保證其安全可靠性，及因長(zhǎng)時(shí)間使用的消耗而降低其最大推力值，我們這里選用HSG※01-80/dE型，它的最大推力為80.42KN；四個(gè)車體固定液壓缸的最大推力約為10KN，我們選用HSG※01-40/dE型，它的最大推力為20.10KN。
4.3.1舉升處液壓缸行程的計(jì)算
圖4.2 液壓缸行程圖
參照3.2.2計(jì)算可知：舉升至最高點(diǎn)時(shí)L2=1132mm。舉升機(jī)在最低點(diǎn)時(shí)L1=645mm，即液壓缸長(zhǎng)度約為600mm，液壓缸行程約為1100-600=500mm：
參照液壓缸的技術(shù)規(guī)格我們可以查得HSG※01-80/dE型的速比選擇1.33即可，對(duì)應(yīng)行程S≤8D=640mm。因?yàn)?82mm＜640mm，所以所選規(guī)格符合設(shè)計(jì)要求。
4.3.2舉升處液壓系統(tǒng)工作壓力的計(jì)算
由前面的計(jì)算及選型可知，缸徑D=80mm，工作壓力計(jì)算如下
因?yàn)镠SG系列工程液壓缸的最大工作壓力為16MPa，這里所選用的兩個(gè)舉升液壓缸均滿足在規(guī)定范圍內(nèi)
4.3.3支腿處液壓缸行程的選擇
為保證汽車改裝式升降臺(tái)設(shè)計(jì)在升高的過(guò)程中能夠具有足夠的穩(wěn)定與平衡，由圖4.3可知，需要液壓支腿在橫向上具有700mm的伸長(zhǎng)量，在豎直方向上具有500mm的伸長(zhǎng)量。
圖4.3 支腿處液壓缸行程圖
4.3.4支腿處液壓系統(tǒng)工作壓力的計(jì)算
由整車整備質(zhì)量為1825kg，升降臺(tái)部分總質(zhì)量為588kg,最大舉升重量為300kg,每個(gè)支腿分擔(dān)的重力約為7000N，參照液壓缸的技術(shù)規(guī)格我們可以查得HSG※01-120/dE型的速比選擇1.33即可，對(duì)應(yīng)行程S≤8D=960mm。因?yàn)?00mm＜960mm，所以所選規(guī)格符合設(shè)計(jì)要求。
4.4液壓動(dòng)力元件的選取
4.4.1液壓泵的選擇
計(jì)算液壓泵的最大工作壓力
（4.1）
式中 ——液壓缸的最大工作壓力，MPa；
——系統(tǒng)進(jìn)油路上的總壓力損失，[可按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算，簡(jiǎn)單的系統(tǒng)取
=（0.2～0.5）×Pa]；
已知：
==10.37MP
所以
=10.37 +0.5 =10.87 MPa （4.2）
4.4.2計(jì)算液壓泵的最大流量
由于所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)有多個(gè)液壓缸，所以液壓泵的最大流量為
（4.3）
式中 ——系統(tǒng)所需流量，；
K——系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3；
——同時(shí)動(dòng)作的液壓缸的最大流量，一般取2～3 ；
初取
K=1.2 =3 或0.05×
所以
=1.2×3=3.6 或0.06× （4.4）
4.4.3液壓泵規(guī)格的選擇
為保證液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，所選液壓泵應(yīng)有較大的最大功率、容積效率和總效率，根據(jù)液壓泵的最大工作壓力和最大流量，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）第四卷 表21-5-4，最終系統(tǒng)液壓泵選擇為內(nèi)嚙合楔塊式齒輪泵。
4.4.4計(jì)算液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率并選擇電動(dòng)機(jī)
由于工作循環(huán)中，液壓泵的壓力和流量比較恒定，所以液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)按下式計(jì)算
（4.5）
式中 —— 液壓泵的最大流量，；
——液壓泵的最大工作壓力，MPa；
——液壓泵的總效率，齒輪泵一般取90%；
所以 41.48 W （4.6）所以電動(dòng)機(jī)初選為型號(hào)為Y801-2的直流電動(dòng)機(jī)。
4.5 液壓執(zhí)行元件的選擇
4.5.1液壓缸的選擇
根據(jù)對(duì)液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算，并結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)對(duì)液壓缸結(jié)構(gòu)及其各部件結(jié)構(gòu)的選取如下：
1.液壓缸選為單活塞桿轉(zhuǎn)向液壓缸
2.缸筒與缸蓋的連接型式選用內(nèi)螺紋連接
3.缸筒材料選用45鋼
4.活塞結(jié)構(gòu)形式選擇整體式活塞
5.活塞與活塞桿連接形式選擇卡環(huán)連接
6.活塞密封結(jié)構(gòu)選擇O型密封圈
7.活塞材料選用45優(yōu)質(zhì)碳素鋼
8.活塞桿桿體選用實(shí)心桿
9.活塞桿材料選用45優(yōu)質(zhì)碳素鋼
10.活塞桿導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)形式選用端蓋式導(dǎo)向套
11.活塞桿導(dǎo)向套材料選用灰鑄鐵
12.活塞與活塞桿的密封件選用O型密封圈加擋圈
13.活塞桿的防塵圈選用ASW型防塵圈
4.5.2液壓馬達(dá)的選擇
根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，液壓馬達(dá)選?。?
額定壓力為16～25MPa、排量為5～25mL·、轉(zhuǎn)速為500～4000r·、輸出轉(zhuǎn)矩為17～64N·m、型號(hào)為CM5，由天津液壓機(jī)械集團(tuán)公司生產(chǎn)的齒輪式液壓馬達(dá)。
4.6液壓控制閥的選擇
由圖4.1可知，液壓系統(tǒng)選擇的液壓控制閥有：
一個(gè)三位四通電液比例換向閥、兩個(gè)三位四通電磁閥、一個(gè)調(diào)速閥、兩個(gè)溢流閥、四個(gè)二位四通換向閥。
所選的液壓控制閥均選擇液壓標(biāo)準(zhǔn)件控制閥。
4.7液壓輔助元件的選擇
4.7.1油箱的選擇
整體式油箱、兩用油箱和獨(dú)立郵箱是三種常見的類型，而獨(dú)立油箱應(yīng)用最為廣泛，所以本液壓系統(tǒng)選擇獨(dú)立油箱。
油箱容量的經(jīng)驗(yàn)公式為
（4.7）
式中 V——油箱的有效容積，L；
——液壓泵的總額定流量，；
——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)低壓系統(tǒng)，=2～4，對(duì)中壓系統(tǒng)，=5～7，對(duì)中、高壓或大功率系統(tǒng)，=6～12；
初取
=4
所以
＝10×3.6=36L （4.8）
表4.1 液壓泵站油箱公稱容量系列（JB/T 7938-1999）
液壓泵站油箱公稱量系列（JB/T 7938-1999）/L
2.5 4.0 6.3 10 16
25 40 63 100 160
油箱的有效容積的最終確定值按上表就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，所以由表5.1可知：
液壓系統(tǒng)可選擇公稱容量為40L的油箱。
4.7.2油管和油管接頭的選擇
常用的油管有硬管和軟管兩類，一般盡量選用硬管，所以本液壓系統(tǒng)選用鋼管。
管道內(nèi)徑及壁厚是管道的兩個(gè)主要參數(shù)，計(jì)算公式如下
（4.9）
（4.10）
式中 q——通過(guò)油管的最大流量，；
ｖ——油管中允許流量，；（由于系統(tǒng)所用的是高壓管，所以v取2.5）
ｄ——油管內(nèi)徑，ｍ；
——油管壁厚，ｍ；
ｐ——管內(nèi)最高工作壓力，MPa；
——管材抗壓強(qiáng)度，MPa；（由于管材是45鋼，所以=600 MPa）
ｎ——安全系數(shù)；（由于系統(tǒng)最高的工作壓力為20 MPa，大于17.5 MPa，所以n 取4）
所以 （4.11）
（4.12）
表4.2 液壓系統(tǒng)用硬管外徑系列（GB/T 2351-1993）
液壓系統(tǒng)用硬管外徑系列（GB/T 2351-1993）/mm
4、5、6、8、10、12、(14)、16、（18）、20、（22）、25、（28）、32、（34）、38、40、（42）、50
液壓系統(tǒng)用硬管外徑的最終確定值按上表就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，所以由表5.2可知：液壓系統(tǒng)可選擇外徑為6mm 的鋼制油管。
油管接頭選擇卡套式接頭。
4.7.3蓄能器的選擇
蓄能器的充氣壓力是蓄能器的重要參數(shù)，用于蓄能的充氣壓力在等溫工作過(guò)程時(shí)按下式計(jì)算
（4.13）
式中 ——充氣壓力，MPa；
——液壓系統(tǒng)最高工作壓力，MPa；
所以
=0.5×10.37=5.2 MPa （4.14）
蓄能器有彈簧加載、重力加載和氣體加載三種類型，本系統(tǒng)選擇氣體加載式的隔離型皮囊式蓄能器。蓄能器的皮囊材質(zhì)選擇標(biāo)準(zhǔn)丁清橡膠。蓄能器的液壓工作介質(zhì)選擇石油基液壓液和水。
4.7.4液壓工作介質(zhì)、過(guò)濾器和壓力表的選擇
由于本液壓系統(tǒng)中包含伺服系統(tǒng)，對(duì)液壓工作介質(zhì)要求較高，所以本系統(tǒng)選擇高粘度指數(shù)液壓油。
由于本液壓系統(tǒng)用到電液比例閥，所以本系統(tǒng)中過(guò)濾器選擇精過(guò)濾器，壓力表選擇電接點(diǎn)式壓力表。
4.8本章小結(jié)
本章主要是針對(duì)液壓系統(tǒng)的選擇與計(jì)算做了詳細(xì)的說(shuō)明，液壓系統(tǒng)并非本設(shè)計(jì)的內(nèi)容范圍內(nèi)，主要是對(duì)其進(jìn)行選擇來(lái)滿足使用要求即可。在舉升裝置中所用的電控液壓系統(tǒng)是主要的選擇設(shè)備之一，我們做了結(jié)構(gòu)原理圖的分析，并且通過(guò)計(jì)算來(lái)選擇了HSG系列的具體型號(hào)。
第5章 CATIA三維建模與整機(jī)裝配
5.1 CATIA軟件簡(jiǎn)介
CATIA是法國(guó)達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案。作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，它可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。
模塊化的CATIA系列產(chǎn)品旨在滿足客戶在產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)中的需要，包括風(fēng)格和外型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械加工、分析和模擬。CATIA產(chǎn)品基于開放式可擴(kuò)展的V5架構(gòu)。通過(guò)使企業(yè)能夠重用產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)，縮短開發(fā)周期，CATIA解決方案加快企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的需求的反應(yīng)。自1999年以來(lái)，市場(chǎng)上廣泛采用它的數(shù)字樣機(jī)流程，從而使之成為世界上最常用的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。
CATIA系列產(chǎn)品已經(jīng)在七大領(lǐng)域里成為首要的3D設(shè)計(jì)和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造。
CATIA具有在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)的方便的修改能力，尤其是后期修改性，無(wú)論是實(shí)體建模還是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，用戶可方便快捷的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改，即使是在設(shè)計(jì)的最后階段需要做重大的修改，或者是對(duì)原有方案的更新?lián)Q代，對(duì)于CATIA來(lái)說(shuō)，都是非常容易的事。一個(gè)產(chǎn)品僅有設(shè)計(jì)是不夠的，還必須制造出來(lái)。CATIA 擅長(zhǎng)為棱柱和工具零件作2D/3D關(guān)聯(lián)，分析和NC ；CATIA 規(guī)程驅(qū)動(dòng)的混合建模方案保證高速生產(chǎn)和組裝精密產(chǎn)品，如機(jī)床，醫(yī)療器械、膠印機(jī)鐘表及工廠設(shè)備等均能作到一次成功。CATIA的各個(gè)模塊基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，因此CATIA的各個(gè)模塊存在著真正的全相關(guān)性，三維模型的修改，能完全體現(xiàn)在二維，以及有限元分析，模具和數(shù)控加工的程序中。CATIA 提供的多模型鏈接的工作環(huán)境及混合建模方式，使得并行工程設(shè)計(jì)模式已不再是新鮮的概念，總體設(shè)計(jì)部門只要將基本的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)放出去，各分系統(tǒng)的人員便可開始工作，既可協(xié)同工作，又不互相牽連；由于模型之間的互相聯(lián)結(jié)性，使得上游設(shè)計(jì)結(jié)果可做為下游的參考，同時(shí)，上游對(duì)設(shè)計(jì)的修改能直接影響到下游工作的刷新。實(shí)現(xiàn)真正的并行工程設(shè)計(jì)環(huán)境。CATIA 提供了完備的設(shè)計(jì)能力：從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品的形成，以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段，從單個(gè)零件的設(shè)計(jì)到最終電子樣機(jī)的建立；同時(shí)，作為一個(gè)完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機(jī)械設(shè)計(jì)，工程分析及仿真，數(shù)控加工和CATweb網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案有機(jī)的結(jié)合在一起，為用戶提供嚴(yán)密的無(wú)紙工作環(huán)境，特別是CATIA中的針對(duì)汽車、摩托車業(yè)的專用模塊,使CATIA擁有了最寬廣的專業(yè)覆蓋面，從而幫助客戶達(dá)到縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期、不斷地提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低費(fèi)用的目的。
5.2 利用CATIA進(jìn)行三維建模
CAITA是基于草圖特征的三維建模軟件，CATIA通過(guò)對(duì)三維實(shí)體的精確建模及裝配來(lái)生成最終的產(chǎn)品。CAITA中裝配的模型的構(gòu)造是由各種特征來(lái)組合生成的，零件的設(shè)計(jì)過(guò)程就是特征的累積過(guò)程。下面對(duì)主要零部件做詳細(xì)的過(guò)程分析。
CATIA常用命令圖標(biāo)
5.2.1 車體建模
第一步是根據(jù)所選車型的外廓尺寸通過(guò)拉伸得到一個(gè)長(zhǎng)方體，接下來(lái)再通過(guò)去除材料命令修整出具體的車型,再通過(guò)去除材料修整車板;通過(guò)去除材料修整汽車駕駛室：
圖5.1 拉伸得到的長(zhǎng)方體
圖5.2 去除箱板后
圖5.3 簡(jiǎn)單加工后的駕駛室
通過(guò)去除材料和各種倒角及打孔命令修整出整車車體，如圖5.4所示。
圖5.4 加工后的整車車體
5.2.2與車板固定的大工字鋼設(shè)計(jì)
在草圖設(shè)計(jì)界面根據(jù)計(jì)算好的尺寸會(huì)出工字鋼截面，如圖5.5所示。
圖5.5 草圖界面的工字鋼截面
通過(guò)拉伸命令拉伸出工字鋼體，再根據(jù)與車體配合的尺寸通過(guò)打孔命令繪出螺栓連接孔。
圖5.6 制作完螺栓連接孔的工字鋼
5.2.3 支腳鋼建模
按圖示進(jìn)入草圖編輯器
在草圖工作界面繪制出兩個(gè)矩形，退出草圖編輯器，通過(guò)拉伸命令拉伸出支腳鋼實(shí)體
圖5.7 草圖編輯器中的草圖 圖5.8 待拉伸矩形
再通過(guò)打孔命令繪制出與大工字鋼相配合的螺栓連接孔，如圖5.9所示。
圖5.9 支腳鋼實(shí)體
5.2.4其他零部件的建模
圖5.10 槽型鋼 圖5.11 螺母
圖5.13 滾道 圖5.12 螺栓
5.3整車裝配
將各零部件通過(guò)各種約束命令裝配到一起，如下圖所示：用到的約束命令有固定、相合、面接觸等。
圖5.14 CATIA整車裝配圖
5.4本章小結(jié)
本章首先通過(guò)CATIA對(duì)汽車改裝式升降臺(tái)的各個(gè)零部件進(jìn)行三維建模，有些重復(fù)零件不需要再次建模。在建模中用到了拉伸、旋轉(zhuǎn)、創(chuàng)建面、凹槽、肋、曲面螺紋等命令。最后為了美感及易分辨對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行渲染。在將各個(gè)零件建完模型之后再將其進(jìn)行整機(jī)裝配，在裝配中應(yīng)用了相合約束、只能移動(dòng)、偏移距離約束、角度約束、固聯(lián)等命令。通過(guò)將汽車改裝式升降臺(tái)進(jìn)行CATIA建模，能讓設(shè)計(jì)者更好的表達(dá)相關(guān)圖形。
第 6 章 舉升機(jī)有限元分析
6.1 ANSYS有限元分析軟件介紹
ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程分析軟件[13]。開發(fā)初期時(shí)為了應(yīng)用于電力工業(yè)，現(xiàn)在其功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、電子、汽車、土木工程等各個(gè)領(lǐng)域，能夠滿足各行業(yè)有限元分析的需要。ANSYS有限元分析軟件包括三個(gè)模塊：前處理模塊、分析計(jì)算模塊、和后處理模塊。功能完備的預(yù)處理器和后處理器（又稱與處理模塊和后處理模塊）使ANSYS具有多種多樣的分析能力，包括從簡(jiǎn)單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析?？捎脕?lái)求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題的解答。它還包括優(yōu)化、估計(jì)分析等模塊將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問(wèn)題必不可少的工具。
6.2 Pro/E與ANSYS接口的創(chuàng)建
利用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，通常需要將Pro/E建立的三維模型，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析。所以需要將Pro/E三維實(shí)體模型通過(guò)專用的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到ANSYS中， Pro/E與ANSYS之間的接口技術(shù)常用的有以下兩種：
6.2.1 CATIA、Pro/E與ANSYS集成接口
CATIA中輸出的文件不能被ANSYS識(shí)別，所以得經(jīng)過(guò)Pro /E進(jìn)行中間轉(zhuǎn)換，ANSYS在默認(rèn)的情況下也不能直接對(duì)Pro /E中的prt(或asm)文件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的,必須通過(guò)以下對(duì)ANSYS設(shè)置連接過(guò)程進(jìn)行激活模塊:鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開始→程序→ANSYS10.0→Utilities→ANS_ADM IN”,出現(xiàn)如下圖5.1的對(duì)話框,選擇configuration options→OK,接下來(lái)的對(duì)話框順序選取。Configuration Connection for Pro/E→OK，ANSYSMultiphysics & WIN 32→OK。
圖6.1 設(shè)置ANSYS連接過(guò)程
完成后ANSYS提示已在自己的安裝目錄中成功生成config.anscon文件,如下圖5.2所示,記完下config.anscon的路徑。在接下來(lái)出現(xiàn)的對(duì)話框中“Pro/Engireer Installation path”選項(xiàng)后輸入Pro/E的起始安裝路徑如“C: \ Program Files \ proeWildfire3.0 ”:“Language used with Pro /Enginee提示在Pro /E目錄下建立了一個(gè)protk.dat文件。
圖6.2 Pro/E的起始安裝路徑
點(diǎn)擊確定完成配置,運(yùn)行Pro /E,工具菜單后面出現(xiàn)了ANSYS10.0,說(shuō)明連接成功了。啟動(dòng)CATIA軟件，打開已經(jīng)建立好的三維零部件，之后另存為（.igs）格式，再運(yùn)行Pro/E打開某已存好的（.igs）格式零件三維模型圖，點(diǎn)擊ANSYS10.0下的ANSYSGeom按鈕(如下圖5.3所示)，則模型自動(dòng)導(dǎo)入到ANSYS中，此時(shí)ANSYS10.0軟件自動(dòng)打開，點(diǎn)擊Plot下的Volume，則模型導(dǎo)入成功。
圖6.3 導(dǎo)入界面
6.2.2通過(guò)IGES( *.igs)格式文件導(dǎo)入
首先, 在CATIA 環(huán)境下建立好零件模型或者完成零部件的裝配, 然后, 選擇主菜單【文件】下的【保存副本】子菜單, 彈出保存副本對(duì)話框后, 文件類型選擇IGES( *.igs) ,在【新名稱】框內(nèi)為模型輸入新名稱,點(diǎn)擊【確定】按鈕會(huì)彈出輸出IGES對(duì)話框, 在輸出IGES 對(duì)話框中可以設(shè)置輸出圖元的類型、參考坐標(biāo)系以及IGES 文件結(jié)構(gòu)。輸出的圖元類型有: 線框邊、曲面、實(shí)體、殼、基準(zhǔn)曲線和點(diǎn), 缺省輸出圖元是曲面, 缺省是輸出所有面組, 點(diǎn)擊【面組...】選擇特定面組輸出?？梢赃x擇多種圖元類型進(jìn)行輸出, 但是不能同時(shí)輸出曲面和實(shí)體或者曲面和殼。單擊【定制層...】按鈕設(shè)置各層的輸出特性。文件結(jié)構(gòu)類型有: 平整、一級(jí)、所有級(jí)別、所有零件, 默認(rèn)輸出為平整。平整: 將組件的所有幾何輸出到一個(gè)IGES 文件。導(dǎo)入到另一個(gè)系統(tǒng)時(shí), 該組件就擔(dān)當(dāng)一個(gè)零件的角色。應(yīng)將每一個(gè)零件分別放到一個(gè)層上, 以便在接受系統(tǒng)中能加以區(qū)別。一級(jí): 輸出一個(gè)組件的IGES 文件, 該文件只包含頂級(jí)幾何( 如組件特征) 。所有級(jí)別: 輸出一個(gè)組件的IGES 文件。用它可創(chuàng)建帶有各自的幾何和外部參照的元件零件和子組件。該選項(xiàng)支持所有層次。所有零件: 將一個(gè)組件作為多個(gè)文件輸出到IGES, 這些文件中包含所有元件和組件特征的幾何信息。零件使用相同的參照坐標(biāo)系, 使接受系統(tǒng)中的重新裝配更加容易。本次技能訓(xùn)練選擇實(shí)體特征，然后點(diǎn)擊【確定】完成。ANSYS 導(dǎo)入IGES( *.igs) 文件的方法有兩種: 一種是通過(guò)ANSYS軟件的用戶界面操作導(dǎo)入; 一種是通過(guò)輸入命令導(dǎo)入。本次技能訓(xùn)練可采用第一種方法。通過(guò)用戶界面操作導(dǎo)入IGES 的步驟是:選擇主菜單【File】下的子菜單【Import】的次級(jí)子菜單【IGES...】, 彈出導(dǎo)入IGES 屬性設(shè)置對(duì)話框, 在導(dǎo)入IGES 屬性設(shè)置對(duì)話框中可以設(shè)置: 是否導(dǎo)入所有數(shù)據(jù)，是否合并圖元, 是否創(chuàng)建實(shí)體，是否刪除小面。點(diǎn)擊【OK】按鈕彈出文件路徑選擇對(duì)話框,在文件路徑選擇對(duì)話框中選擇好所需精度, 輸入IGES 文件路徑后, 點(diǎn)擊【