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畢業(yè)設計（論文）任務書
學生姓名
張宏強
系部
汽車工程系
專業(yè)、班級
車輛工程B05-16
指導教師姓名
齊曉杰
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是■否
題目名稱
基于CAD/CAE技術的剪刀式汽車舉升機結構設計
一、設計（論文）目的、意義
舉升機在汽車維修養(yǎng)護中發(fā)揮著至關重要的作用，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。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)營管理者重視的設備。其中剪式舉升機的安全性和可靠性得到認可，在社會上的應用越來越廣泛。
利用當前CAD/CAE領域應用比較廣泛的三維軟件Pro/E、有限元軟件ANSYS，對汽車舉升機進行強度、剛度、穩(wěn)定性、可靠性等方面進行研究與分析，修正設計上存在的缺陷并進行結構設計分析，可以代替舉升機物理樣機的前期試驗，為我國汽車舉升機產(chǎn)品的設計、技術開發(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。
二、設計（論文）內(nèi)容、技術要求（研究方法）
1、設計內(nèi)容
設計舉升重量為3t，舉升高度在60s能升到到2m的轎車剪刀式舉升機。
在考慮剪刀式汽車舉升機結構形式和實際工況基礎上，完成舉升機二維結構設計，并利用Pro/E建立舉升機三維實體模型和整機裝配模型，將關鍵零部件模型通過專用數(shù)據(jù)裝換接口導入ANSYS軟件進行有限元受力分析，獲得舉升機在載荷工況作用下的應力、應變及變形狀況，針對應力較集中或存在缺陷的部位進行結構優(yōu)化設計，進一步提高舉升機的穩(wěn)定性及安全性。
2、技術要求
（1）利用AutoCAD進行舉升機二維結構設計；
（2）利用Pro/E進行三維實體建模及虛擬裝配；
（3）利用ANSYS進行有限元分析；
三、設計（論文）完成后應提交的成果
（1）設計說明書1份（1.5萬字）。
（2）舉升機二維及Pro/E三維模型圖折合A0圖紙3張。
四、設計（論文）進度安排
（1）調研，查閱相關資料，完成開題報告 第1~2周（3月2日~3月13日）
(2) 總體設計方案制定 第3~5周（3月16日~4月3日）
(3) 舉升機二維結構設計 第6~7周（4月6日~4月17日）
(4) 三維建模與及整機裝配 第 8~9周（4月20號~5月1號）
(5) 力學分析與校核 第10~11周（5月4日~5月15日）
(6) ANSYS有限元分析 第12周（5月2日~5月6日）
（7）撰寫設計說明書 第13~14周（5月9日~6月5日）
(8) 畢業(yè)設計的審核及修改 第15~16 周（6月8日~6月19日）
(9) 畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月22日~6月26日）
五、主要參考資料
[1] 鄭鵬鑫．JFJ-25剪式氣液舉升機的設計[J]． 機床與液壓 ，2007．03．118-119
[2] 鐘裕榮，莊清溪，張弋于，黎保新． YFJ-50移動式氣液舉升機的研制[J]． 機電工程技術 ，2004．08．116-122
[3] 白成志． 剪式轎車舉升機的設計[J]． 機械工程師， 2002．50-51
[4] 吳定才． QJY230型舉升機的使用與維護[J]． 汽車維修 ，2005．09．
[5] 王明紅， 施海鋒， 唐勤生，魏建．普通雙柱式舉升機立柱的結構分析和驗算[J]． 上海工 程技術大學學報 ，2004．03．250-255
[6] 王少懷.機械設計師手冊（中冊）.北京：電子工業(yè)出版社，2006.08.
[7] 秦志鋒.AutoCAD2005機械設計及實例解析.北京：機械工業(yè)出版社，2005.
[8] 王定標，郭茶秀，白颯.CAD/CAE/CAM技術與應用.北京：化學工業(yè)出版社，2005.
[9] 翼翔科技. Pro/ENGINEER野火版3.0基礎教程.北京：機械工業(yè)出版社，2007.06.
[10] 強鋒科技，李黎明.ANSYS有限元分析實用教程.北京：清華大學出版社，2006.03.
六、備注
指導教師簽字：
年 月 日
教研室主任簽字：
年 月 日
SY-025-BY-3
畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
張宏強
系部
汽車工程系
專業(yè)、班級
車輛工程B05-16班
指導教師姓名
齊曉杰
職稱
教授
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是■否
題目名稱
基于CAD/CAE技術的剪刀式汽車舉升機結構設計
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1、研究現(xiàn)狀
舉升機在汽車維修養(yǎng)護中發(fā)揮著至關重要的作用，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。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)營管理者重視的設備。目前，發(fā)達國家（如美國）生產(chǎn)的汽車舉升機質量較好、性能較穩(wěn)定、設備操作簡單，在經(jīng)銷商中口碑良好。我國的汽車舉升機是20世紀90年代依據(jù)國外的產(chǎn)品技術生產(chǎn)的，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，外觀不夠美觀，在產(chǎn)品設計、技術開發(fā)等方面都還有很多地方有待改進。因此，進一步提高產(chǎn)品性能與可靠性，是國內(nèi)舉升機任重道遠且亟需改進的地方。汽車舉升機一般分為立柱式和剪刀式兩種，其中剪刀式舉升機在維修養(yǎng)護企業(yè)中的應用也越來越廣泛?，F(xiàn)今，在我國利用CAD/CAE技術對汽車舉升機進行設計研究還尚未見成果發(fā)表。
2、目的和意義
隨著我國汽車業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車維修行業(yè)也得到大力發(fā)展。在維修廠中，剪刀式汽車舉升機是必備的，也是最重要的維修機械。因此要求舉升機一定要安全可靠，否則一旦發(fā)生危險，后果不堪設想。利用當前CAD/CAE領域應用比較廣泛的三維軟件Pro/E、有限元軟件ANSYS，對汽車舉升機進行強度、剛度、穩(wěn)定性、可靠性等方面進行研究與分析，修正設計上存在的缺陷并進行結構設計分析，可以代替舉升機物理樣機的前期試驗，為我國汽車舉升機產(chǎn)品的設計、技術開發(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。該項目的研究方法，也可應用于汽車舉升機新產(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，提高設計精度和效率，對于國內(nèi)舉升機的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。
二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
1、設計基本內(nèi)容
（1）剪刀式舉升機工作原理與結構形式的研究與分析；
（2）剪刀式舉升機二維結構設計；
（3）力學模型建立與分析
（4）剪刀式舉升機Pro/E三維建模及整機裝配；
（5）剪刀式舉升機關鍵部件ANSYS有限元分析；
2、擬解決的主要問題
（1）剪刀式汽車舉升機計算機三維模型的建立；
（2）剪刀式汽車舉升機有限元分析；
（3）關鍵部位結構設計。
三、技術路線（研究方法）
是
否
資料收集及總體方案制定
舉升機工作原理與結構形式分析
舉升機二維結構設計
Pro/E三維建模
轉換接口
是否滿足求解條件
整機虛擬裝配
撰寫設計說明書
ANSYS有限元分析
四、進度安排
（1）調研，查閱相關資料，完成開題報告 第1~2周（3月2日~3月13日）
(2) 總體設計方案制定 第3~5周（3月16日~4月3日）
(3) 舉升機二維結構設計 第6~7周（4月6日~4月17日）
(4) 三維建模與及整機裝配 第 8~9周（4月20號~5月1號）
(5) 力學分析與校核 第10~11周（5月4日~5月15日）
(6) ANSYS有限元分析 第12周（5月2日~5月6日）
（7）撰寫設計說明書 第13~14周（5月9日~6月5日）
(8) 畢業(yè)設計的審核及修改 第15~16 周（6月8日~6月19日）
(9) 畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月22日~6月26日）
五、參考文獻
[1] 鄭鵬鑫．JFJ-25剪式氣液舉升機的設計[J]．機床與液壓，2007．(03)：118-119．
[2] 鐘裕榮，莊清溪，張弋于，黎保新．YFJ-50移動式氣液舉升機的研制[J]．機電工程技術，2004．(08)． 116-122.
[3] 白成志．剪式轎車舉升機的設計[J]．機械工程師，2002．50-51.
[4] 吳定才．QJY230型舉升機的使用與維護[J]． 汽車維修 ，2005．(09)．52-53．
[5] 王明紅，施海鋒，唐勤生，魏建．普通雙柱式舉升機立柱的結構分析和驗算[J]上海工程技術大學學報 ，2004．(03)．250-255.
[6] 梁健強，樊錦波，黎保新．公共汽車修配廠車槽舉升機方案設計[J]．機床與液壓 ，2004．(04)．178-179．
[7] 吳定才．QJY230型舉升機的使用與維護[J]．汽車維修 ，2005．(09)．52-53．
[8] 李寶順．液壓舉升機同步器的結構設計[J]．液壓與氣動 ，2005．(04)．30-31．
[9] 王少懷.機械設計師手冊（中冊）.北京：電子工業(yè)出版社，2006.(08).
[10] 秦志鋒.AutoCAD2005機械設計及實例解析.北京：機械工業(yè)出版社，2005.
[11] 王定標，郭茶秀，白颯.CAD/CAE/CAM技術與應用.北京：化學工業(yè)出版社，2005.
[12] 翼翔科技. Pro/ENGINEER野火版3.0基礎教程.北京：機械工業(yè)出版社，2007.(06).
[13] 強鋒科技，李黎明.ANSYS有限元分析實用教程.北京：清華大學出版社，2006.(03).
[14] Parametric Technology Corporation．Pro／ENGINEER Wildfice Help Ceneer.USA：PTC，2003．
[15] LS-DYNA970 Keyword User’s mannal,Livermore Software Technology Corporation,2003.
六、備注
指導教師意見：
簽字： 年 月 日
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
摘 要
隨著國內(nèi)外汽車業(yè)的蓬勃發(fā)展，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)中必不可少的設備，其中舉升機的安全可靠性，使用方便是大家一直以來研究的重點。本設計主要圍繞剪是舉升機進行設計研究的。主要因為剪刀式舉升機使用方便，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。本文首先對剪刀式舉升機的整體結構，各部件尺寸，運動形式進行確定，建立力學模型，并對每個舉升臂進行受力分析，確定結構和選材的合理性。之后建立Pro/E與ANSYS的集成接口，將利用Pro/E三維建模后的主要部件導入有限元軟件ANSYS中進行汽車剪刀式舉升機的強度、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，找出結構強度的不合理處，進行結構優(yōu)化設計和改進。將改進和優(yōu)化后的結構反應到Pro/E三維建模中，完成整機裝配。通過有限元軟件ANSYS對剪刀式舉升機進行分析，可以代替剪刀式舉升機物理樣機的前期試驗，提供更多的理論參考，進一步提高汽車剪刀式舉升機的穩(wěn)定性和可靠性。
關鍵詞：剪刀式舉升機；力學模型；Pro/E三維建模；有限元分析；結構設計
ABSTRACT
At home and abroad with the rapid development of automobile industry, car repairindustry have also been vigorously the development of Hyundai Motor vehicle lift is essential for maintenance of equipment operations, which lift the security and reliability, ease of use is that we have been Since the focus of the study. The main focus of this design is shear lift design study. Scissors-type lift mainly because of ease of use, occupying less space, subject to a number of powerful special welcome service station, which is the future direction of development of lift. In this paper, scissors-type lift to the overall structure,thecomponents of size, to determine the form of movement, the establishment of the mechanical model, and stress analysis of each lifting arm to determine the structure and material selection reasonable. After the establishment of Pro / E integrated with the ANSYS interface, will use the Pro / E after the three-dimensional modeling of the main components into finite element software ANSYS in scissors-type vehicle lift of strength, stiffness, stability and dynamic characteristics, etc. finite element analysis and computer studies to find out the structural strength of the unreasonable, the structural optimization of the design and improvement. Will be improved and optimized the structure of the response to the Pro / E three-dimensional modeling, the complete machine assembly. Through the finite element software ANSYS to analyze the scissors-type lift, can replace the scissors-type lift the pre-physical prototype testing, to provide more theoretical reference, scissors-style cfurther enhance the stability and reliability of lift.
Key words: Scissors-type lift；Mechanics Modeling ；Pro / E three-dimensional modeling Finite Element Analysis；Structural Optimization
II
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
目 錄
摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論……………………………………………………………………………1
1.1 選擇背景研究目的及意義………………………………………………………1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………………2
1.2.1 舉升機的發(fā)展歷史………………………………………………………2
1.2.2 國內(nèi)外研究狀況…………………………………………………………2
1.3 研究內(nèi)容與研究方法……………………………………………………………3
1.3.1 研究內(nèi)容……………………………………………………………3
1.3.2 研究方法……………………………………………………………3
第 2 章 剪刀式舉升機結構設計……………………………………………………4
2.1 舉升機結構確定…………………………………………………………4
2.1.1舉升機整體結構形式及基本組成 ………………………………………4
2.1.2 舉升機各零部件之間的連接關系 ………………………………………5
2.2初步確定剪刀式舉升機的各結構尺寸…………………………………5
2.2.1建立轎車模型……………………………………………………………5
2.2.2 剪刀式舉升機主要結構尺寸……………………………………………6
2.3舉升機在地面上安裝尺寸………………………………………………………8
2.4 剪刀式舉升機各部件重量………………………………………………………8
2.5初定電機功率………………………………………………………………9
2.6 本章小結 ………………………………………………………………………10
第 3 章 剪刀式舉升機機構建模 …………………………………………………11
3.1剪刀式舉升機構力學模型 ……………………………………………………11
3.1.1 舉升機構力學模型建立與分析…………………………………………11
3.1.2舉升機構關鍵參數(shù)研究與確定……………………………………14
3.1.3液壓缸推力………………………………………………………………14
3.2舉升機的力學分析與計算………………………………………………………14
3.2.1 舉升機最低狀態(tài)時，各桿受力與校核…………………………………15
3.2.2 舉升機舉升到最高位置時，各臂受力情況……………………………17
3.2.3 剪刀式舉升機構主要受力桿件強度校核計算…………………………18
3.2.4 連接螺栓的校核…………………………………………………………25
3.3 結構加強措施……………………………………………………………………27
3.4 本章小結…………………………………………………………………………28
第 4 章 Pro/E三維建模與整機裝配…………………………………………… 29
4.1 Pro/ENGINEER軟件簡介……………………………………………………… 29
4.2利用Pro/E進行三維建模 ………………………………………………………30
4.2.1 軸的建立…………………………………………………………………30
4.2.2 舉升臂2的建立…………………………………………………………31
4.3 整機裝配 ………………………………………………………………………32
4.3.1 裝配概述……………………………………………………………… 32
4.3.2 Pro/E實體建模后的整體裝圖……………………………………… 33
4.3.3 干涉檢查……………………………………………………………… 35
4.4本章小結…………………………………………………………………………35
第 5 章 舉升機有限元分析………………………………………………………………36
5.1 ANSYS有限元分析軟件介紹……………………………………………………36
5.2 Pro/E與ANSYS接口的創(chuàng)建 ……………………………………………………36
5.3 利用ANSYS對舉升機進行有限元受力分析……………………………………38
5.3．1滑輪軸有限元受力分析…………………………………………………38
5.3.2活塞桿作用軸的有限元受力分析……………………………………42
5.3.3平臺有限元分析 ………………………………………………………44
5.4本章小結…………………………………………………………………………46
第 6 章 液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的選擇…………………………………………47
6.1液壓系統(tǒng)…………………………………………………………………………47
6.1.1 液壓系統(tǒng)組成……………………………………………………………47
6.2液壓系統(tǒng)的選擇…………………………………………………………………49
6.2.1 汽車舉升機液壓系統(tǒng)設計要求…………………………………………49
6.2.2 液壓系統(tǒng)的設計………………………………………………………49
6.3 液壓缸的計算與選型……………………………………………………………51
6.3.1 液壓缸的安裝位置………………………………………………………51
6.3.2 舉升機液壓缸推力及行程的確定………………………………………52
6.3.3 液壓缸的選型……………………………………………………………52
6.4 液壓泵的計算與選型……………………………………………………………52
6.4.1 液壓泵工作壓力的計算…………………………………………………52
6.4.2 液壓泵功率的計算………………………………………………………53
6.4.3 油泵流量的計算…………………………………………………………54
6.4.4 油泵的選型………………………………………………………………54
6.5 電氣系統(tǒng)設計……………………………………………………………………54
6.5.1電氣系統(tǒng)組成……………………………………………………………54
6.5.2電氣系統(tǒng)控制設計………………………………………………………55
6.5.3電動機類型的選擇………………………………………………………57
6.5.4功率………………………………………………………………………58
6.5.5電動機的選擇與驗算……………………………………………………58
6.6本章小結…………………………………………………………………………59
結論………………………………………………………………………………………60
參考文獻 ………………………………………………………………………………61
致謝………………………………………………………………………………………63
附錄A…………………………………………………………………………………64
附錄B…………………………………………………………………………………66
附錄C…………………………………………………………………………………68
附錄D…………………………………………………………………………………69
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
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)營管理者重視的設備。
舉升機一般有柱式、剪式的，其驅動方式有鏈條傳動，液壓傳動，氣壓傳動等。目前，使用的汽車剪刀式舉升機可能發(fā)生汽車墜落的原因較多，有安裝基礎不牢、自鎖裝置失效、舉升臂變形、兩側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計上存在著缺陷，如果做工不好或者設計不好就容易導致臺面不平、導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。
本設計采用計算機CAD/CAE 對剪刀式舉升機進行結構設計，提高產(chǎn)品的綜合性能和安全可靠性。計算機CAD/CAE技術是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)技術，是國際上20世紀80年代隨著計算機技術的發(fā)展而迅速發(fā)展的一項計算機輔助工程技術。該技術一出現(xiàn)，立即受到了工業(yè)發(fā)達國家的有關科研機構和企業(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技術在一些發(fā)達國家,如美國、德國、日本等已得到廣泛應用,應用領域極廣，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)學及工程咨詢等多方面。目前,計算機CAD/CAE技術已在我國得到了應用與推廣,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技術主要在汽車制造業(yè)和武器裝備制造業(yè)中應用較為廣泛,但只停留在初步應用階段?，F(xiàn)今，在我國利用CAD/CAE技術對汽車舉升機進行設計研究還尚未見成果發(fā)表。只有將汽車舉升機的工程實踐和計算機CAD/CAE技術結合起來，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技術平臺，利用當前CAD/CAE領域內(nèi)應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)品的設計、技術開發(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。該設計的研究方法，也可應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，提高設計精度和效率，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
1.2.1 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，因而壓縮空氣驅動時的彈跳嚴重且又不穩(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)的汽車舉升機質量較好、性能較穩(wěn)定、設備操作簡單，在經(jīng)銷商中口碑良好。我國的汽車舉升機是20世紀90年代依據(jù)國外的產(chǎn)品技術生產(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，主要的質量問題集中在油管易爆和平臺不同步，2000年后質量有了改進。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，外觀不夠美觀，在產(chǎn)品設計、技術開發(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
1.3.1 研究內(nèi)容
本設計在考慮典型的汽車舉升機的結構形式和實際工況條件基礎上，依據(jù)有限元、虛擬裝配技術及結構優(yōu)化設計等理論，建立舉升機Pro/E三維實體模型，并進行虛擬裝配，將關鍵零部件模型導入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力、應變及變形狀況，進一步提高舉升機的穩(wěn)定性及安全性。設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構形式的研究與分析；
（2）剪刀式舉升機二維結構設計；
（3）剪刀式舉升機Pro/E三維建模與虛擬裝配；
（4）剪刀式舉升機關鍵部件ANSYS有限元分析。
1.3.2 研究方法
第2章 剪刀式舉升機結構設計
2.1 舉升機結構確定
2.1.1 舉升機整體結構形式及基本組成
此次課題設計的內(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 ；按照驅動形式又可分為機械式、液壓式、氣液驅動式；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。整體結構形式如圖2.1所示。
圖2.1 剪刀式舉升機整體結構形式
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，分別放于左右兩側車輪之間，因兩側結構完全相同，可以左右互換。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動活塞桿伸縮，帶動兩側舉升臂同時上升、下降、鎖止[2]。
舉升機一側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，以固定鉸支座一側為支點，滑輪向內(nèi)或向外滑動，使舉升機上升下降，當達到適當?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，結構簡單，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]。
2.1.2 舉升機各零部件之間的連接關系
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。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構尺寸
2.2.1 建立轎車模型
為使舉升機使用范圍廣，本設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。
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）
4830/1895/1885
4200/1650/1465
前輪距
1575
1460
后輪距
1560
1460
軸距
2775
2460
前輪規(guī)格
215/60R16
195/55R15
后輪規(guī)格
215/60R16
195/55R15
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。
2.2.2 剪刀式舉升機主要結構尺寸確定
1、剪刀式舉升機已知的主要技術參數(shù)如表2.2所示
表2.2 主要技術參數(shù)
技術數(shù)據(jù)
數(shù)值
單位
舉升重量
3
T
舉升高度
350~2000
Mm
提升時間
60
S
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離為150mm，則平臺外型長。平臺寬一般為500mm~600mm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=896.15mm，滑動輪滑動距離Lx=1300-896.15=403.75mm。舉升機升高到2m時，結構狀態(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)側邊緣之間的距離為800mm，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 ，舉升機左右結構完全相同，設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，對汽車底盤磨損嚴重,所以平臺上端放硬質橡膠，硬質橡膠塊距邊緣為20mm,取硬質橡膠長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（GPa）
泊松比
抗拉強度(MPa)
密度(g/cm3)
200-220
0.3
490—610
7.85
質量基本計算公式[21]：
（2.1）
式中： W（kg）——表示鋼的理論質量；
F（mm2）——型鋼截面積；
L（m）——鋼材的長度；
ρ（g/cm3）——所用材料鋼的密度。
1、平臺的質量
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_質量Wp=120kg
2、舉升臂的質量
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量為23kg。左側和右側舉升機完全相同，每側共有八個舉升臂，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=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 =38 KN
Vw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2.4 剪刀式舉升機主要技術參數(shù)
舉升重量
3000kg
舉升高度
350—2000mm
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
896.15mm
2.6 本章小結
本章主要將剪刀式舉升機的外型尺寸，各部分結構尺寸，各結構的安裝位置確定出來，為后續(xù)的設計工作做好準備。在設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 剪式舉升平臺的設計，并根據(jù)現(xiàn)今社會上使用普遍的轎車種類的車身結構尺寸，確定了我所設計的剪刀式舉升機的組成結構，包括控制機構、傳動機構、執(zhí)行機構，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 剪刀式舉升機機構建模
3.1 剪刀式舉升機構力學模型
剪刀式舉升機構具有結構緊湊、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、大型設備的制造與維護中得到廣泛應用。剪刀式舉升機構作為舉升平臺鋼結構的關鍵組成部分,其力學特性對平臺性能產(chǎn)生直接影響。對于剪刀式舉升機構來說,影響其力學性能的關鍵因素是舉升油缸的安裝位置。計算、分析剪刀式起升機構的傳統(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算分析,但在設計分析初期,存在建模困難和較難快速調整模型參數(shù)的問題。在建立力學模型時，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力學特性的關鍵參數(shù)展開研究,從而得到剪刀式舉升機構的力學模型[5]。
3.1.1 舉升機構力學模型建立與分析
舉升機之所以斜置，是因為舉升機右側為固定鉸支座，左側為滑動鉸支座，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 作用點分別對應平臺和底座的固定鉸支座位置, F3 與F5 作用點分別對應平臺和底座的滑動鉸支座位置。
圖3.1 力學方案示意圖
為分析方便,我們將平臺鋼結構和平臺有效載荷之和簡化為W1 ,剪刀式舉升機構自重載荷為W3 ,油缸自重載荷為Wcy ,根據(jù)分析,假設舉升臂機構自重載荷為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α;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)幾何關系,液壓缸軸線與水平線夾角θ與α有以下函數(shù)關系：
（3.1）
由式(3.1)可知,液壓缸軸線與水平線夾角θ是d、f、的函數(shù),而當d、f這2個參數(shù)確定時,在舉升機構升降過程中θ隨α變化。平臺和剪刀式舉升機構建立其力學模型如圖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,則當平臺起升,剪刀機構變幅帶動滑輪內(nèi)移時,則W1、F3、F4和α有如下關系[15]（B近似等于L/2）。
（3.2）
（3.3）
圖3.3 剪刀機構外載情況
圖3.2和圖3.3為剪刀舉升機構力學模型圖。剪叉舉升機構外載狀況如圖 3.3所示。為計算剪刀式舉升機構內(nèi)每個支架鉸接點的內(nèi)力和油缸推力,以研究該機構各內(nèi)力、油缸推力與α角之間的關系,并找出其最惡劣工況,我們將該機構拆分為4個獨立的隔離體,分別對應該機構從上到下的各段剪叉桿[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 為剪叉機構各鉸接點內(nèi)力, x = 1, 2, 3??8;其中奇數(shù)為該鉸接點Y方向受力,偶數(shù)為對應鉸接點X 方向受力; Fx 為作用在剪刀式舉升臂 機構上的外力, 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,建立力學平衡方程如下面矩陣所示[5]：
在上面的矩陣中,設。由于油缸的自重忽略不計,故設F = F3 = F4 = F5 = F6 =W1 /4。以上矩陣給出了外載、剪刀式舉升機構幾何參數(shù)與油缸推力及各剪刀舉升臂受力的相互關系,為剪刀式舉升機構的設計計算及關鍵參數(shù)的研究提供理論依據(jù)。通過編寫的 MATLAB程序矩陣解以上多元方程得以下結果:
（3.4）
3.1.2 舉升機構關鍵參數(shù)研究與確定
分析前述剪刀式舉升機構,發(fā)現(xiàn)Pmax和油缸軸線與支架梁之間的夾角(θ-α)有較大關系。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個關鍵的幾何參數(shù)決定[5]。因此,上述4個關鍵參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調整而不產(chǎn)生干涉。根據(jù)剪刀式舉升機構力學模型式及編制的MATLAB運算程序,在d, f這2個關鍵幾何參數(shù)允許調整的范圍內(nèi)進行計算,研究它們與起升油缸推力Pmax的關系。經(jīng)對d, f 這2個關鍵參數(shù)的研究,結合防止機構幾何干涉，并且不發(fā)生死角現(xiàn)象及制造工藝方面的考慮,確定其值: 。
3.1.3 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，tanα== 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）所示的舉升機結構尺寸，可求出α角度 , tanα= 再根據(jù)式（3.1）， 解得
將α=5.49°、θ=16.22°、L=1306mm、f=500mm 、d=250mm代入到式（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，具有結構緊湊、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；當按下下降按鈕使三位四通閥右位接通，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。
剪刀式舉升機的結構型式有多種，本設計中的舉升機結構系指液壓驅動的小剪式舉升機構。舉升機構的傳動系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)驅動和控制，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。設備的主要部分有：控制機構、傳動機構、執(zhí)行機構、平衡機構和安全鎖機構。
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，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。
3.2.1 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，平臺鋼結構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α。 tanα=
因α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量之和由兩側舉升機共同承受，所以代入式（3.2）和（3.3）中的W1只是Wz1的一半，W1=16.2kN 解得
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
分析計算結果，我們可以看到，k1,k2,k6三個未知量都與k5有關，只要確定出k5，其他就都能解出。觀察圖3.1力學方案示意圖，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 KN。列力和力矩平衡方程:
解得
通過計算結果，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
3.2.2 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
3.2.3 剪刀式舉升機構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=200~220GPa ，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結構可近似一方鋼，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力為
最大軸向正應力
截面積為，則正應力為
校核舉升臂的強度
兩種變形產(chǎn)生的總應力
結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：（）
最大彎曲應力為
軸力為：
最大正應力為
總應力為
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重值
最大彎矩
由彎矩圖可看出舉升臂2存在最大負彎矩和最大負彎矩情況
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結構可近似一方鋼，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力為
軸向正應力
截面積為，則正應力為
校核舉升臂的強度兩種變形產(chǎn)生的總應力
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
最大負彎矩為
最大彎曲應力
軸向最大應力
則正應力為
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，會導致比的強度不足。我們在舉升臂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。活塞桿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=
軸的強度校核
經(jīng)校核軸的強度足夠，加工加強肋合理。
3.2.4 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
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
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
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
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
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
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
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
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3.17 5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
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
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
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
根據(jù)第三強度理論
經(jīng)計算滿足強度要求。校核后的結果表明螺栓材料為Q235鋼是符合要求的。
3.3 結構加強措施
由前面的力學模型中，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）。兩種應力變形使舉升臂的彎曲強度受到嚴重影響。通過結構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，磨損嚴重，對結構進行改進。
（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。
舉升機結構的改進在二維與三維圖中詳細表出。
3.4 本章小結
通過分析剪刀式舉升機的結構特點,建立剪刀舉升機機構的力學模型,并通過該模型對決定起升油缸最大推力的關鍵參數(shù)進行研究,得到合理的結果。本章還通過對各舉升臂、主受力軸的受力分析與強度計算，來校核設計內(nèi)容是否合理。并提出一些加強措施，使結構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計的效率和質量有明顯的效果。
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)技術公司（PTC）1988年首家推出的使用參數(shù)化的特征造型技術的大型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得到了較為普遍的應用，深受廣大從事三維產(chǎn)品設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、模具設計、數(shù)控加工。鈑金設計、鑄造件設計、造型設計、逆向工程、自動測量、機構仿真、應力分析、電路布線、裝配管路設計等功能模塊和專有模塊于一體，可以實現(xiàn)DFM?(面向制造設計)、DFA（面向裝配設計）、ID（逆向設計）、CE（并行工程）等先進的設計方法的特性[12]：
Pro/ENGINEER參數(shù)化設計的特性：
3D（三維）實體模型：三維實體建模可以將用戶的設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計模型進行旋轉、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)庫，就是工程中的資料全部倆字一個庫，在整個設計過程的任何一處發(fā)生變動，都會反應在整個產(chǎn)品設計制造過程的相關環(huán)節(jié)上，這樣確保報數(shù)據(jù)的正確性、避免反復修改。這種特性的數(shù)據(jù)結構與工程設計制造的結合，使得整個產(chǎn)品的設計制造嚴謹、有序，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，優(yōu)化了整個設計過程。能更快的對市場需求做出反應。
基于特征：Pro/ENGINEER是一個采用參數(shù)化設計、基于特征的實體模型系統(tǒng)。在設計過程中，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計單元，用戶可以隨時對這些特征作出合理的修改和調整。這一功能特性給工程設計人員提供了前所未有的簡易和靈活。
參數(shù)化設計：在Pro/ENGINEER中，配合單一數(shù)據(jù)庫，所有在設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變化，避免了人為修改出現(xiàn)的疏漏情況。參數(shù)化設計還使得設計人員可以利用強大的數(shù)學運算方式，建立各尺寸的關系式，使得零件的設計更加簡捷。
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中零件模型的構造是由各種特征來生成的，零件的設計過程就是特征的累積過程。
4.2.1軸的建立
軸為回轉體，建立方法使用旋轉，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>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360度
圖4.1 軸的草繪圖形
完成基礎特征如下，同時對兩端倒角。
圖4.2 加工倒角后的效果圖
第二步 建立定位孔
采用拉伸命令：創(chuàng)建基準面DTM1與FRONT面平行，距離為所建定位孔軸段半徑12mm>作為定位孔的放置面>在基準面上建立一孔徑為10mm的圓后，確定>拉伸距離7.5mm>去除材料>確定。如圖形狀效果。
圖4.3 加工定位孔后的效果圖
4.2.2 舉升臂2的建立
舉升臂為板材，建立方法使用拉伸。建立好整體造型后，之后采用拉伸和去除材料建立孔和加強肋。
第一步 建立草繪圖形
新建>零件>輸入文件名>取消缺省>選擇mmns>進入零件模式
拉伸>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
圖4.4 舉升臂草繪后的圖形
完成基礎特征，拉伸長度為20mm。
圖4.5 拉伸實體
第二步 建立連接孔
采用拉伸命令：在FRONT面先繪制兩端的孔直徑分別為24mm、36mm，確定>拉伸距離20mm>去除材料>確定，出現(xiàn)兩端孔。中間的鉸接孔有加強肋，所以先在距TOP面為20mm的表面上向外拉伸30mm,直徑為52的圓柱，再在此圓柱上去出材料36mm的通孔。效果如圖。
圖4.6 建立連接孔的效果圖
4.3 整機裝配
我們將利用Pro/E將三維建模后的舉升機各結構和零部件尺寸根據(jù)加強措施加以修改后進行整機裝配。
4.3.1 裝配概述
裝配是零件形成組件的過程，其實是一個通過Pro/E指定零件間約束的過程。通過指定零件間的約束，確定零件的裝配位置關系來完成裝配圖。利用Pro/E，在約束不足或是約束過度時，同樣能進行零件裝配。在Pro/E的裝配模塊中，可以將生成的零件通過相互之間的定位關系裝配在一起，并檢查零件之間是否有干涉以及裝配體的運動情況是否合乎設計要求[22]。同時在生成裝配體過程中，用戶可以根據(jù)需要添加生成新的零件和特征。
1、裝配操控板
Pro/ENGINEER將零件顯示設置、約束條件定義、參考特征選擇、裝配狀態(tài)顯示等整合為一個對話框，通過裝配操控板如圖4.7，用戶可以更簡單地進行零件間的裝配。
圖4.7 裝配操控板
2、裝配約束
對零件進行約束，從空間角度來說，即是在X，Y，Z三個方向限制零件，約束零件的6個自由度。確定零件的約束形式有十幾種，當引入元件放置到組件中時，默認設置將選擇“自動”放置約束。從組件和元件中選擇一對有效參照后，系統(tǒng)將自動選擇適合該指定對參照的約束類型。
可從約束列表中選擇需要的類型。也可在選擇任意參照前改變約束類型，以約束允許的參照類型。約束類型有以下11種：自動、匹配、對齊、插入、坐標系、相切、線上點、曲面上的點、曲面上的邊、固定和缺省。
4.3.2 Pro/E實體建模后的整體裝配圖
1、 舉升機底座
圖4.8 底座實體模型
2、 上、下舉升臂
設計中我們將結構改善后的措施在三維建模中表現(xiàn)出來。如下列圖所示：其中內(nèi)外側上臂相同。
圖4.9 內(nèi)側上臂 圖4.10 外側上臂
圖4.11 外側下臂 圖4.12 內(nèi)測下臂
3、舉升機平臺
圖4.13 剪刀式舉升機平臺
3、舉升機整體裝配圖
圖4.14 裝配下側舉升臂 圖4.15 裝配上側舉升臂
圖4.16 裝配液壓缸后的圖形 圖4.17 整體裝配圖
4.3.3 干涉檢查
剪刀式舉升機裝配后需要進行干涉檢查。干涉檢查可以檢查零件之間是否有干涉以及裝配體的運動情況是否合乎設計要求。干涉界面如圖4.18、4.19所示。
圖4.18 干涉界面
圖4.19 加入干涉命令圖
干涉檢查結果表明：零件XIAQIANBI2和LUOMU相互干涉，將螺母向外調動3mm即可解除干涉。其他裝配均合理。
4.4 本章小結
本章首先通過 Pro/ENGINEER對剪刀式舉升機的各零件進行三維建模，并進行渲染，然后將Pro/ENGINEER所建的零件模型利用自動、匹配、對齊、插入、坐標系、相切、線上點、曲面上的點、曲面上的邊、固定和缺省等11種約束進行整機裝配。通過對裝配后的零件進行全局干涉檢查，說明我們所設計的結果是否合理。
第 5 章 舉升機有限元分析
5.1 ANSYS有限元分析軟件介紹
ANSYS是一種應用廣泛的通用有限元工程分析軟件[13]。開發(fā)初期時為了應用與電力工業(yè)，現(xiàn)在其功能已經(jīng)廣泛應用于航空、電子、汽車、土木工程等各個領域，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模塊：前處理模塊、分析計算模塊、和后處理模塊。功能完備預處理器和后處理器（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，包括簡單的線性靜態(tài)分析到復雜的非線性動態(tài)分析。可用來求結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它還包括優(yōu)化、估計分析等模塊將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術相結合，已成為解決現(xiàn)代工程學問題必不可少的工具[13]。
5.2 Pro/E與ANSYS接口的創(chuàng)建
利用ANSYS對結構進行有限元分析時，通常需要將Pro/E建立的三維模型，導入ANSYS中進行分析。所以需要將Pro/E三維實體模型通過專用的模型數(shù)據(jù)轉換接口導入到ANSYS中， Pro/E與ANSYS之間的接口技術常用的有以下兩種：
1、Pro/E與ANSYS集成接口
ANSYS在默認的情況下是不能直接對Pro /E中的prt(或asm)文件進行直接轉換的,必須通過以下對ANSYS設置連接過程進行激活模塊[13]:鼠標點擊“開始→程序→ANSYS10.0→Utilities→ANS_ADM IN”,出現(xiàn)如下圖5.1的對話框,選擇configuration options→OK,接下來的對話框順序選取。Configuration Connection for Pro/E→OK，ANSYSMultiphysics & WIN 32→OK。
圖5.1 設置ANSYS連接過程
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。在接下來出現(xiàn)的對話框中“Pro/Engireer Installation path”選項后輸入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protk.dat文件。
圖5.2 Pro/E的起始安裝路徑
點擊確定完成配置,運行Pro /E,工具菜單后面出現(xiàn)了ANSYS10.0,說明連接成功了。運行Pro/E打開某零件三維模型圖，點擊ANSYS10.0下的ANSYSGeom按鈕(如下圖5.3所示)，則模型自動導入到ANSYS中，此時ANSYS10.0軟件自動打開，點擊Plot下的Volume，則模型導入成功。
圖5.3 導入界面
2、通過IGES( *.igs)格式文件導入
首先, 在Pro/E 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,點擊【確定】按鈕會彈出輸出IGES對話框, 在輸出IGES 對話框中可以設置輸出圖元的類型、參考坐標系以及IGES 文件結構。輸出的圖元類型有: 線框邊、曲面、實體、殼、基準曲線和點, 缺省輸出圖元是曲面, 缺省是輸出所有面組, 點擊【面組..