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廣西科技大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
課題名稱 維修機(jī)具-剪式汽車舉升機(jī)設(shè)計(jì)
院 別 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械工程及其自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)自
學(xué) 號(hào)
姓 名
指導(dǎo)教師 韋建軍 （教授）
教研室主任
系 主 任
2014年 10月2日
一、課題的主要內(nèi)容和基本要求
1. 根據(jù)工況特點(diǎn)，確定總體設(shè)計(jì)方案；
2. 根據(jù)機(jī)械原理等理論，機(jī)械設(shè)計(jì)等理論分析工作原理及性能；
3.設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)并做優(yōu)化計(jì)算；
4.繪制總裝配圖、部裝圖及零件圖，圖紙量折合0號(hào)圖4張以上；
5撰寫開題報(bào)告一篇；
6.撰寫設(shè)計(jì)說明書32頁（15000字）以上；
7.相關(guān)內(nèi)容資料英文翻譯2000字。
二、進(jìn)度計(jì)劃與應(yīng)完成的工作
1. 查閱中、外文資料：第三周前完成；
2. 設(shè)計(jì)方案論證與確認(rèn)，編寫開題報(bào)告：第五周前完成；
3. 計(jì)算分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：第九周前前完成；
4. 繪制圖紙：第十五周前完成；
5. 編寫設(shè)計(jì)說明書、英文翻譯、答辯匯報(bào)材料：第十七周前完成；
6. 答辯：第十九周。
三、主要參考文獻(xiàn)、資料
[1] 流體力學(xué)·北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社·2000
[2] 孫桓，陳作?！C(jī)械原理（第六版）·北京：高等教育出版社·2001.5
[3] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室·理論力學(xué)（第六版Ⅰ）·北京：高等教育出版社·2002.8
[4] 劉鴻文·材料力學(xué)（第四版Ⅰ）·北京：高等教育出版社·2004.1
[5] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（軟件版3.0）
[6] 濮良貴，紀(jì)名剛·機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）·北京：高等教育出版社·2001.6
[7] 王昆，何小柏，汪信遠(yuǎn)·機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)·北京：高等教育出版社·2005.1
[8] 何玉林、沈榮輝、賀元成.機(jī)械制圖.重慶.重慶大學(xué)出版社，2000年8月
四、完成期限
(按要求填寫)
廣西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
摘 要
汽車舉升機(jī)是指汽車維修行業(yè)用于汽車舉升的汽保設(shè)備。舉升機(jī)在汽車維修養(yǎng)護(hù)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，無論整車大修，還是小修保養(yǎng)，都離不開它，其產(chǎn)品性質(zhì)、質(zhì)量好壞直接影響維修人員的人身安全。
本次本是對(duì)剪式汽車舉升機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先確定了該剪式汽車舉升機(jī)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)；接著調(diào)查汽車尺寸建立汽車模型以確定舉升機(jī)的整體結(jié)構(gòu)尺寸；其次建立了舉升機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型并對(duì)舉升機(jī)構(gòu)不同位置狀態(tài)進(jìn)行了受力分析及校核桿件、銷軸、螺栓的強(qiáng)度是否滿足要求；然后對(duì)該剪式汽車舉升機(jī)的液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；最后采用AutoCAD軟件繪制了該剪式汽車舉升機(jī)的裝配圖及主要零部件圖。
本次設(shè)計(jì)中所采用的研究思路與方法對(duì)今后各類剪式舉升機(jī)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)均有較好的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵字：汽車；舉升機(jī)；剪式；液壓
Abstract
Car Lift refers Qibaoshebei automotive repair industry for lifting the car. Lift play in the automotive repair and maintenance in a crucial role, regardless of vehicle overhaul or minor repairs and maintenance, are inseparable from it, the nature of their products, quality directly affects the safety of maintenance personnel.
The car this is a scissor lift design, first determine the structure of the car scissor lift structure; then the size of the establishment survey automobile car model to determine the size of the overall structure of the lift; secondly to establish a lift mechanical model of state agencies and different positions were lifting mechanism stress analysis and checking rod, pin, bolt strength meets the requirements; then the hydraulic system and electrical control systems were scissor car Lift design; Finally, AutoCAD software to draw the scissor car lift assembly drawing and main parts diagram.
Research ideas and methods used in this design for the future design of various types of scissor lifts and improvements have better guidance.
Keywords: Car; Lift; Scissors; Hydraulic
目 錄
摘 要 I
Abstract I
第一章 緒 論 1
1.1選題背景、研究目的及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 舉升機(jī)的發(fā)展歷史 1
1.2.2國(guó)內(nèi)外研究狀況 1
第二章 結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì) 3
2.1 舉升機(jī)結(jié)構(gòu)確定 3
2.2 確定各結(jié)構(gòu)尺寸 4
2.2.1 建立轎車模型 4
2.2.2主要結(jié)構(gòu)尺寸確定 4
2.3初定電機(jī)功率 6
2.4平臺(tái)與叉桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 7
2.4.1確定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)材料及尺寸 7
2.4.2確定叉桿的結(jié)構(gòu)材料及尺寸 8
2.4.3橫軸的選取 11
第三章 受力分析與校核 13
3.1力學(xué)模型 13
3.1.1力學(xué)模型建立與分析 13
3.1.2 關(guān)鍵參數(shù)研究與確定 15
3.2力學(xué)分析與校核 16
3.2.1最低狀態(tài)時(shí)各臂受力情況 16
3.2.2最高位置時(shí)各臂受力情況 18
3.2.3主要受力桿件強(qiáng)度校核計(jì)算 19
3.2.4 連接螺栓的校核 24
第四章 液壓、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選擇 28
4.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選擇 28
4.1.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 28
4.1.2液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28
4.2液壓缸的計(jì)算與選型 29
4.2.1 液壓缸的安裝位置 29
4.2.2液壓缸推力及行程的確定 30
4.2.3液壓缸的選型 30
4.3液壓泵的計(jì)算與選型 30
4.3.1 液壓泵工作壓力的計(jì)算 31
4.3.2 液壓泵功率的計(jì)算 31
4.3.3 油泵流量的計(jì)算 32
4.3.4 油泵的選型 32
4.4電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32
4.4.1 電氣系統(tǒng)控制設(shè)計(jì) 33
4.4.2電動(dòng)機(jī)的選擇與驗(yàn)算 34
總 結(jié) 36
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
40
第一章 緒 論
汽車舉升機(jī)是現(xiàn)代汽車維修作業(yè)中必不可少的設(shè)備，它的主要作用就是為發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、變速器等養(yǎng)護(hù)和維修提供方便。舉升機(jī)的從上世紀(jì)20年代開始使用，發(fā)展至今經(jīng)歷了許多的變化改進(jìn)，種類也比較多，一般有柱式、剪式，其驅(qū)動(dòng)方式有鏈條傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)等。本章就從舉升機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展以及制造工藝等方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。
1.1選題背景、研究目的及意義
近年來，我國(guó)汽車業(yè)蓬勃發(fā)展,尤其是轎車行業(yè)，多年來轎車進(jìn)入普通家庭的夢(mèng)想已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，汽車維修行業(yè)也隨之得到大力發(fā)展，汽車舉升機(jī)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(hù)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(yíng)范圍單一的街邊店（如輪胎店），幾乎都配備有舉升機(jī)。它的主要作用就是為發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、變速器等養(yǎng)護(hù)和維修提供方便。舉升機(jī)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(yíng)管理者重視的設(shè)備。
舉升機(jī)一般有柱式、剪式的，其驅(qū)動(dòng)方式有鏈條傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)等。目前，使用的汽車剪切式舉升機(jī)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(duì)失效的剪切式舉升機(jī)進(jìn)行檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn),這些事故的主要原因往往是設(shè)計(jì)上存在著缺陷，如果做工不好或者設(shè)計(jì)不好就容易導(dǎo)致臺(tái)面不平、導(dǎo)致單邊升降等危險(xiǎn)發(fā)生，因此，進(jìn)一步提高剪切式舉升機(jī)產(chǎn)品的性能與可靠性，是國(guó)內(nèi)舉升機(jī)任重道遠(yuǎn)且亟需改進(jìn)的地方。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 舉升機(jī)的發(fā)展歷史
汽車舉升機(jī)在世界上已經(jīng)有了70年歷史。1925年在美國(guó)生產(chǎn)的第一臺(tái)汽車舉升機(jī)，它是一種由氣動(dòng)控制的單柱舉升機(jī)，由于當(dāng)時(shí)采用的氣壓較低，因而缸體較大；同時(shí)采用皮革進(jìn)行密封，因而壓縮空氣驅(qū)動(dòng)時(shí)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(jī)才在美國(guó)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(jìn)，種類也比較多，一般有柱式、剪式，其驅(qū)動(dòng)方式有鏈條傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)等。其中剪式舉升機(jī)使用方便，占地空間較小，受到很多實(shí)力雄厚的特約維修站的歡迎，這也是未來舉升機(jī)的發(fā)展方向。在市場(chǎng)上可以看到的型式各異、尺寸不同的舉升機(jī)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(jī)適合進(jìn)行一些其它的維修作業(yè)。
1.2.2國(guó)內(nèi)外研究狀況
目前，發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)）生產(chǎn)的汽車舉升機(jī)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)的汽車舉升機(jī)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，國(guó)內(nèi)最早研究剪式舉升機(jī)的是上海寶得寶，1999年開始，寶得寶機(jī)型比較笨重，主要的質(zhì)量問題集中在油管易爆和平臺(tái)不同步，2000年后質(zhì)量有了改進(jìn)。但由于不是批量，所以價(jià)格偏高。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。然而國(guó)內(nèi)汽車舉升機(jī)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)。
剪切式舉升機(jī)是一個(gè)使用較廣的舉升機(jī)，在最近幾年所有新銷售的舉升機(jī)中，至少二分之一都是這種類型的。這種設(shè)計(jì)之所以很流行，有幾方面的原因的：一就是這種舉升機(jī)安裝起來很快，不需要大范圍的開挖，也不需要對(duì)維修廠的整體布局進(jìn)行一些永久性的變動(dòng)。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(jī)使用方便，占地空間較小。四是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，剪式舉升機(jī)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(yíng)范圍單一的街邊店（如輪胎店）都適用。
第二章 結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)
2.1 舉升機(jī)結(jié)構(gòu)確定
此次課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容為剪切式汽車舉升機(jī)，剪切式舉升機(jī)的發(fā)展較迅速，種類也很齊全。按照剪切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；按照安裝形式又可以分為藏地安裝，地面安裝。因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)所要舉升的重量為2t以下的轎車 ，所以采用小剪式液壓驅(qū)動(dòng)舉升機(jī)就完全可以。為了適合大小維修廠，對(duì)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 剪切式舉升機(jī)整體結(jié)構(gòu)形式
剪切式液壓平板舉升機(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。剪切式舉升機(jī)有兩組完全相同的舉升機(jī)構(gòu)，分別放于左右兩側(cè)車輪之間，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[2]。
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)，舉升臂通過軸與滑輪連接。舉升機(jī)在工作過程中，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。剪切式舉升機(jī)使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，適用于大多數(shù)轎車、汽車的檢測(cè)、維修及保養(yǎng)，安全可靠[3]。
2.2 確定各結(jié)構(gòu)尺寸
2.2.1 建立轎車模型
為使舉升機(jī)使用范圍廣，本設(shè)計(jì)首先建立了一個(gè)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
帕杰羅3.0GLS手動(dòng)
大眾勁取
車身長(zhǎng)/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(gè)使用較廣的車模：它的車身參數(shù)有車身長(zhǎng)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主要結(jié)構(gòu)尺寸確定
（1）剪切式舉升機(jī)已知的主要技術(shù)參數(shù)如表2.2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
3
T
舉升高度
350~2000
Mm
提升時(shí)間
60
S
要求舉升機(jī)的提升速度是經(jīng)1min時(shí)間內(nèi)舉升機(jī)能升高到1m，實(shí)際升高1.65m，并且舉升機(jī)在各高度工作時(shí)，都能自鎖。
設(shè)計(jì)過程中參考了廣力牌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)的外形及運(yùn)動(dòng)形式。
（2）舉升機(jī)各部分尺寸
（a）支撐平臺(tái)尺寸
因剪切式舉升機(jī)放于兩輪胎之間的下部，所以舉升機(jī)在使用過程中要保證舉升機(jī)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(jī)平臺(tái)兩端與輪胎邊緣要有一定距離，取平臺(tái)邊距輪胎邊緣之間距離為150mm，則平臺(tái)外型長(zhǎng)。平臺(tái)寬一般為500mm~600mm左右，我們?nèi)∑脚_(tái)寬為Bp=550mm。舉升時(shí)，重量作用在整個(gè)平臺(tái)上，力并不集中，所以平臺(tái)不宜過厚，增加舉升機(jī)重量，取外型高為70mm，實(shí)厚為15mm，只在四周加工凸臺(tái)邊緣，平臺(tái)尺寸如圖2.2所示。
圖2.2 平臺(tái)尺寸
（b）舉升臂尺寸
因平臺(tái)長(zhǎng)La=1600mm，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，與汽車相干涉，所以固定鉸支座和滑動(dòng)滾輪要與平臺(tái)有一定的距離，取支座距平臺(tái)邊緣的距離為150mm。則固定鉸支座與滑動(dòng)滾輪之間距離。
舉升機(jī)壓縮到最低位置時(shí)，舉升機(jī)高為350mm,(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根據(jù)勾股定理求舉升臂長(zhǎng)L , 求得L=1306mm，舉升臂寬110mm，厚為20mm。
圖2.3 舉升機(jī)壓縮到最低點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)
（3）舉升機(jī)升高到1m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越大。舉升機(jī)升高到1m時(shí)，舉升機(jī)上下兩滑輪之間的距離為，因舉升臂長(zhǎng)L=1306mm，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=896.15mm，滑動(dòng)輪滑動(dòng)距離Lx=1300-896.15=403.75mm。舉升機(jī)升高到1m時(shí)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖2.4所示。
圖2.4 升高到 1m 時(shí)舉升機(jī)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(dòng)滾輪處
軸徑取Dz=24mm，滑輪總寬為30mm，與滑道實(shí)際接觸尺寸為25mm，另外5mm為階梯凸臺(tái),直接與舉升臂接觸，減小摩擦。
2.3初定電機(jī)功率
剪切式舉升機(jī)舉升重量2t，舉升機(jī)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(jī)功率，不考慮工作過程損失。
舉升平臺(tái)上方放有汽車時(shí)，設(shè)計(jì)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(jì)算的數(shù)據(jù)如表2.4。
表2.4 剪切式舉升機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
舉升重量
2000kg
舉升高度
350—2000mm
實(shí)際上升高度
1650mm
總寬
2000mm
總長(zhǎng)
2060mm
平臺(tái)長(zhǎng)/寬
1600/550mm
舉升臂長(zhǎng)
1306mm
平臺(tái)間寬
900mm
上升時(shí)間
50s
下降時(shí)間
40s
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
2.4平臺(tái)與叉桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.4.1確定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)材料及尺寸
平臺(tái)位于升降臺(tái)的最上部，是支撐件的組成部分。汽車能夠在升降臺(tái)上平穩(wěn)的停放就是平臺(tái)起了關(guān)鍵的作用。在進(jìn)行維修作業(yè)之前首先得駛上平臺(tái)。需要說明的是平臺(tái)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼板，而是在下面有滑道，因?yàn)樯蹬_(tái)叉桿臂上有滑輪，滑道的作用就是使滑輪在滑道內(nèi)來回滑動(dòng)，使升降臺(tái)完成舉升和回落動(dòng)作。下底板也如此，如下圖4-1。
圖4-1 下底板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
根據(jù)上面汽車尺寸參數(shù)，確定平臺(tái)的長(zhǎng)度為2600mm，寬度450mm，材料采用熱軋鋼板。其形狀見圖紙。需要說明的是平臺(tái)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼板，而是在下面有滑道，因?yàn)樯蹬_(tái)叉桿臂上有滑輪，滑道的作用就是使滑輪在滑道內(nèi)來回滑動(dòng)，使升降臺(tái)完成舉升和回落動(dòng)作。
叉桿是升降臺(tái)最主要的舉升部件，是主要的受力機(jī)構(gòu)。對(duì)其設(shè)計(jì)的成功與否關(guān)系到整個(gè)設(shè)計(jì)工作的成敗，選材45號(hào)鋼，熱軋鋼板。叉桿的外形圖如圖4-2所示。
圖4-2 叉桿的外形圖
2.4.2確定叉桿的結(jié)構(gòu)材料及尺寸
對(duì)支撐叉桿進(jìn)行受力分析：
首先定義每根桿的名稱編號(hào)，如圖4-3：
圖4-3 支撐叉桿受力分析圖
對(duì)于桿3、桿4的活動(dòng)鉸聯(lián)接在水平方向上除了摩擦力沒有其它外力，所以可以忽略不計(jì)，現(xiàn)在只考慮其豎直方向上的受力就可以了。經(jīng)過分析桿3的受力情況如圖：
計(jì)算其最大彎矩及軸向力：
經(jīng)力學(xué)分析，當(dāng)升降臺(tái)處于最低位置，時(shí)，所受彎矩最大，如圖。
當(dāng)升降臺(tái)處于最高位置，時(shí)，軸向力最大，如圖
，（正值為拉力，負(fù)值為壓力）。
桿4受力情況同桿3。
下面再分析一下桿1,對(duì)桿1作受力分析，如圖
對(duì)D點(diǎn)做力矩分析：，可得 = -110.1N。
計(jì)算彎矩，由上圖可轉(zhuǎn)化成下圖來分析：
根據(jù)以上條件畫彎矩圖，如下：
圖4-4 桿1彎矩圖
由此圖可知，桿1的最大彎矩在C點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算當(dāng)時(shí)，有最大值，即擁有最大彎矩，同樣此時(shí)也擁有最大的軸向力。首先將，W=9800N，P=11.6W（P與W的關(guān)系值根據(jù)上述的公式求得）代入以上各式，求得的值如下圖：
則。
計(jì)算軸向力，同樣將桿1的受力分析圖再轉(zhuǎn)化為軸向力圖分析，如圖：
經(jīng)分析計(jì)算，CD段受到的軸向壓縮力最大，。由于剛剛計(jì)算出的桿3與桿4的最大彎矩和最大軸向力都小于桿1的值，故不對(duì)桿3桿4計(jì)算工作應(yīng)力。計(jì)算桿1該狀態(tài)下的工作應(yīng)力，設(shè)叉桿橫截面積A=bh,如圖：
則該狀態(tài)下的工作應(yīng)力為
其中， ——叉桿實(shí)際工作應(yīng)力,
——材料許用應(yīng)力，
——材料的極限應(yīng)力，對(duì)于45號(hào)鋼，為340Mpa
n——安全系數(shù),一般為大于1的值，這里取n=2。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選h=0.1m。
由此式可以看出彎矩對(duì)工作應(yīng)力的影響較軸向力要顯著的多，所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)以最大彎矩為主要計(jì)算對(duì)象。桿1所承受的最大工作應(yīng)力。桿1的C截面擁有最大彎矩，即可以認(rèn)為C截面擁有最大的工作應(yīng)力。我們按照最大工作應(yīng)力來選取合適的叉桿截面。將h=0.1m代入上式：
最大工作應(yīng)力。這里取，即叉桿的橫截面為10025。
2.4.3橫軸的選取
選取套聯(lián)在活塞桿端部的橫軸，根據(jù)總體結(jié)構(gòu)布局確定橫軸長(zhǎng)度需要220mm，由于是單耳環(huán)聯(lián)接，其內(nèi)徑CD=50，橫軸的外徑也應(yīng)為50mm,但考慮到二者需要相對(duì)滑動(dòng)，應(yīng)使橫軸的外徑略小于50mm,這里取d=48mm。單耳環(huán)的寬度值EW=60mm。將叉桿要聯(lián)接到橫軸處的孔進(jìn)行加長(zhǎng)處理，使兩者接觸面積適當(dāng)?shù)脑龃笠詼p小彎曲應(yīng)力及及剪應(yīng)力。因此可按下圖分析橫軸所受應(yīng)力：
當(dāng)時(shí)，P=113680N，可求得。作用于橫軸上的力P是均勻分布的，分布距離為60mm，故集度為：，截面O上的最大彎矩為，截面C和D上的剪力（這里沒有考慮剪力與彎矩的正負(fù)）。
其彎曲應(yīng)力為
剪應(yīng)力
對(duì)于其它幾個(gè)銷軸，由于所受的應(yīng)力都小于上述值，在不改變材料的基礎(chǔ)上選擇直徑各為35mm、40mm是完全可以的，這里就不一一校核了。
第三章 受力分析與校核
3.1力學(xué)模型
3.1.1力學(xué)模型建立與分析
舉升機(jī)之所以斜置，是因?yàn)榕e升機(jī)右側(cè)為固定鉸支座，左側(cè)為滑動(dòng)鉸支座，平臺(tái)上放有荷載，舉升機(jī)上升過程中，荷載重心相對(duì)前移，在高空中容易前翻，對(duì)工作人員十分危險(xiǎn)，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(diǎn)分別對(duì)應(yīng)平臺(tái)和底座的固定鉸支座位置, F3 與F5 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。
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 ,剪切式舉升機(jī)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(jī)構(gòu)自重載荷為W3和 油缸自重載荷為Wcy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=1306mm 其與水平線夾角為α;定義d為液壓缸下安裝點(diǎn)與舉升臂中心銷孔距離(平行于舉升臂) , f為上安裝點(diǎn)與舉升臂端銷孔的距離,定義上下兩鉸接點(diǎn)高度為Hg，定義滑動(dòng)鉸支座與固定鉸支座之間的距離為L(zhǎng)b，根據(jù)幾何關(guān)系,液壓缸軸線與水平線夾角θ與α有以下函數(shù)關(guān)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(dāng)d、f這2個(gè)參數(shù)確定時(shí),在舉升機(jī)構(gòu)升降過程中θ隨α變化。平臺(tái)和剪切式舉升機(jī)構(gòu)建立其力學(xué)模型如圖3.2所示。為平臺(tái)簡(jiǎn)化模型[5]。
圖3.2 平臺(tái)簡(jiǎn)化模型
假定W1 作用于平臺(tái)中心位置,則當(dāng)平臺(tái)起升,剪切機(jī)構(gòu)變幅帶動(dòng)滑輪內(nèi)移時(shí),則W1、F3、F4和α有如下關(guān)系[15]（B近似等于L/2）。
（3.2）
（3.3）
圖3.3 剪切機(jī)構(gòu)外載情況
圖3.2和圖3.3為剪切舉升機(jī)構(gòu)力學(xué)模型圖。剪叉舉升機(jī)構(gòu)外載狀況如圖 3.3所示。為計(jì)算剪切式舉升機(jī)構(gòu)內(nèi)每個(gè)支架鉸接點(diǎn)的內(nèi)力和油缸推力,以研究該機(jī)構(gòu)各內(nèi)力、油缸推力與α角之間的關(guān)系,并找出其最惡劣工況,我們將該機(jī)構(gòu)拆分為4個(gè)獨(dú)立的隔離體,分別對(duì)應(yīng)該機(jī)構(gòu)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(hào)說明如下:Kx 為剪叉機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)內(nèi)力, x = 1, 2, 3??8;其中奇數(shù)為該鉸接點(diǎn)Y方向受力,偶數(shù)為對(duì)應(yīng)鉸接點(diǎn)X 方向受力; Fx 為作用在剪切式舉升臂 機(jī)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(jì),故設(shè)F = F3 = F4 = F5 = F6 =W1 /4。以上矩陣給出了外載、剪切式舉升機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)與油缸推力及各剪切舉升臂受力的相互關(guān)系,為剪切式舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算及關(guān)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(jié)果:
（3.4）
3.1.2 關(guān)鍵參數(shù)研究與確定
分析前述剪切式舉升機(jī)構(gòu),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(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(gè)關(guān)鍵的幾何參數(shù)決定[5]。因此,上述4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整而不產(chǎn)生干涉。經(jīng)對(duì)d, f 這2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的研究,結(jié)合防止機(jī)構(gòu)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: 。
計(jì)算液壓缸的推力
（1）升高到1m時(shí)液壓缸的推力
舉升機(jī)升高到1m時(shí)，tanα== 由式（3.1）得
舉升機(jī)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）最低點(diǎn)時(shí)液壓缸的推力
根據(jù)圖（3.3）所示的舉升機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)在最低點(diǎn)時(shí)，此時(shí)液壓缸的推力是整個(gè)舉升過程中所需推力最大值，選擇液壓系統(tǒng)時(shí)根據(jù)推力最大值確定。
3.2力學(xué)分析與校核
本機(jī)主要性能參數(shù)為：額定舉升載荷2t；在載重2t情況下，由最低位置舉升到最高位置需60s；電動(dòng)機(jī)功率1.1kW；舉升機(jī)在最低位置時(shí)的舉升高度為350mm，最大舉升高度為2000 mm，工作行程為1650 mm。
3.2.1最低狀態(tài)時(shí)各臂受力情況
（1）與平臺(tái)接觸處的兩鉸接點(diǎn)的力學(xué)分析與計(jì)算
由前一節(jié)分析可知，舉升機(jī)在最低點(diǎn)時(shí)，舉升機(jī)重量均勻的分布在平臺(tái)上，平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)和平臺(tái)有效載荷之和Wz1所產(chǎn)生的重力直接作用在滑動(dòng)鉸支座和固定鉸支座上。在最低點(diǎn)時(shí)，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(jì)算過程中我們可以將Wz1 近似看成作用在平臺(tái)中心位置，Wz1為舉升重量與平臺(tái)重量之和，即
（g取10N/kg）
因舉升重量和平臺(tái)質(zhì)量之和由兩側(cè)舉升機(jī)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(jì)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(dòng)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(jì)算結(jié)果，我們可以看到，k1,k2,k6三個(gè)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(tái)上，在舉升機(jī)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(duì)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 KN。列力和力矩平衡方程:
解得
通過計(jì)算結(jié)果，我們可以看出液壓缸在瞬間舉升時(shí)，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(jī)的剛度強(qiáng)度一定要滿足要求，否則維修工人在作業(yè)時(shí)將很危險(xiǎn)。
圖3.7 舉升臂3受力圖
舉升臂3在實(shí)際工作過程中，對(duì)整個(gè)舉升機(jī)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(gè)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(gè)受力圖中，只有F6x是未知的。
解得
3.2.2最高位置時(shí)各臂受力情況
舉升機(jī)升高到1m時(shí)，舉升機(jī)向內(nèi)滑動(dòng)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(jì)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1m時(shí)，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
3.2.3主要受力桿件強(qiáng)度校核計(jì)算
（1）位于上端的滑輪軸的強(qiáng)度校核
滑輪軸通過滑輪與平臺(tái)接觸，作用在滑動(dòng)端的力F3均勻作用在兩個(gè)滑動(dòng)輪上?；瑒?dòng)的兩輪之間距離為405mm?；瑒?dòng)輪外側(cè)與舉升臂接觸。舉升機(jī)最低點(diǎn)時(shí)，對(duì)于滑輪軸而言，與舉升臂接觸處，相當(dāng)于固定支點(diǎn)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)單的一種情況。由上面的計(jì)算可以知道，上滑輪軸在舉升機(jī)升高到1m時(shí)，受力最大，，所以我們只校核舉升機(jī)升到1m時(shí)的滑輪軸強(qiáng)度即能說明軸的強(qiáng)度是否合格。
圖3.9 滑輪軸的剪力圖與彎矩圖
對(duì)滑輪軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，軸的材料為45鋼[19]，抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度足夠。
（2）位于下端的滑輪軸的強(qiáng)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(diǎn)和最高點(diǎn)時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度校核
校核后可得出軸的強(qiáng)度足夠。
（3）對(duì)舉升臂1和2進(jìn)行強(qiáng)度校核
舉升臂1和2位于舉升機(jī)的上半部分，液壓缸的作用點(diǎn)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(shí)，只對(duì)這兩個(gè)舉升臂進(jìn)行校核即可。
(1) 舉升臂1的強(qiáng)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(qiáng)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(gè)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(jìn)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(qiáng)度 , 彈性模量 E=200~220GPa ，L為舉升臂長(zhǎng)L=1306mm 。舉升臂在最低狀態(tài)時(shí)（），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(duì)中性軸的慣鉅
舉升臂的最大彎曲應(yīng)力為
最大軸向正應(yīng)力
截面積為，則正應(yīng)力為
校核舉升臂的強(qiáng)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(qiáng)度足夠。
舉升機(jī)升高到1m時(shí)的強(qiáng)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(qiáng)度充分滿足條件。
（2） 舉升臂2的強(qiáng)度校核
圖3.12 舉升臂2的彎矩圖和剪力圖、軸力圖
在剪切舉升機(jī)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(duì)舉升臂2進(jìn)行強(qiáng)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(jìn)行分解。
舉升臂在最低點(diǎn)時(shí)的校核情況如下從圖中可以看出中間鉸接點(diǎn)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(duì)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(qiáng)度兩種變形產(chǎn)生的總應(yīng)力
最大截面處的強(qiáng)度雖符合Q275鋼的強(qiáng)度要求,但從值可以看出，實(shí)際應(yīng)用時(shí)很可能發(fā)生危險(xiǎn)。
舉升臂升到1米時(shí)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(qiáng)度滿足條件。
3.2.4 連接螺栓的校核
螺栓在舉升機(jī)中起連接作用，主要承受剪切變形。校核時(shí)只考慮剪切變形就可以。以下是對(duì)圖2.4中的1、3、4處的螺栓進(jìn)行強(qiáng)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
（a）舉升機(jī)在最低點(diǎn)時(shí)螺栓剪切力強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度理論 =53.89MPa
滿足強(qiáng)度要求。
（b）舉升到1m時(shí)螺栓剪切力強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度理論
經(jīng)計(jì)算滿足強(qiáng)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
（a）舉升機(jī)在最低點(diǎn)時(shí)螺栓剪切力強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度理論
經(jīng)計(jì)算滿足強(qiáng)度要求
（b）舉升到1m時(shí)螺栓剪切力強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度理論
經(jīng)計(jì)算滿足強(qiáng)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
（a）舉升機(jī)在最低點(diǎn)時(shí)螺栓剪切力強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度理論
經(jīng)計(jì)算滿足強(qiáng)度要求
（b）舉升到1m時(shí)螺栓剪切力強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度理論
經(jīng)計(jì)算滿足強(qiáng)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。
第四章 液壓、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選擇
4.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選擇
4.1.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
汽車舉升機(jī)液壓系統(tǒng)，除要求能在一定的范圍內(nèi)從汽車兩側(cè)將汽車同步舉升和下降外，還要求其能使汽車在任意高度停止并保持不動(dòng)。以便不同身高的工人，在維修不同位置時(shí)可以任意調(diào)整高度，最方便的進(jìn)行維修。因此，液壓系統(tǒng)必須具有定位保持功能。另外，因汽車的重量較大，一但液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，舉升機(jī)舉升臂在汽車重力的作用下會(huì)迅速下滑，可能會(huì)對(duì)車下維修工人的生命安全造成威脅，舉升機(jī)上面的汽車也有被摔壞的危險(xiǎn)。所以，為了防止這樣的情況發(fā)生，舉升機(jī)必須具有機(jī)械鎖裝置。機(jī)械鎖由分別安裝在舉升油缸外側(cè)和活塞桿頂部與舉升臂相聯(lián)的銷軸上的兩根鋸齒形齒條組成。安裝在油缸外側(cè)的齒條固定不動(dòng)，而安裝在銷軸上的齒條則隨活塞桿上下移動(dòng)，并且能繞銷軸做一定角度的擺動(dòng)，已實(shí)現(xiàn)兩根齒條的分離和嚙合。當(dāng)舉升臂處于定位狀態(tài)或液壓系統(tǒng)出現(xiàn)障礙、油壓低于一定數(shù)值時(shí)，動(dòng)齒條就會(huì)在自身重力和彈簧力的作用下與靜齒條嚙合，機(jī)械鎖鎖死，使舉升臂不會(huì)下滑，這樣就確保維修工人和汽車不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。
4.1.2液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)過程中，要保證汽車被水平舉起而不發(fā)生側(cè)偏，兩側(cè)舉升機(jī)上升過程中必須始終保持同一高度，活塞的運(yùn)行速度必須時(shí)刻保持相等。舉升機(jī)液壓回路必須同步。 舉升機(jī)的液壓回路[16]如圖4.1所示，主要有兩部分組成：機(jī)械鎖回路、升降回路。
1.左機(jī)械鎖液壓缸 2.右機(jī)械鎖液壓缸3. 兩位三通電磁閥 4.濾油器 5.液壓泵 6.溢流閥
7.三位四通電磁閥 8.普通調(diào)速閥 9.比例調(diào)速閥 10. 左升降缸 11.右升降缸
圖4.1 汽車舉升機(jī)液壓控制回路
（1）機(jī)械鎖回路
機(jī)械鎖回路由油缸1、油缸2和兩位三通電磁閥3組成。當(dāng)電磁閥YA1得電時(shí)，兩位三通電磁閥3左位工作，壓力油進(jìn)入液壓缸1、2下腔，驅(qū)動(dòng)活塞向上移動(dòng)，將機(jī)械鎖打開，此時(shí)舉升臂可自由上升或下降。
當(dāng)YA1失電時(shí)，兩位三通閥處于右位工作時(shí)，油缸下腔與郵箱直接相通，腔內(nèi)油壓為零時(shí)，油缸活塞在缸內(nèi)彈簧和機(jī)械鎖動(dòng)齒條自重的作用下收回，機(jī)械鎖閉合，舉升臂被鎖住，不能移動(dòng)。此時(shí)工人可以進(jìn)行各種維修工作。
（2）升降回路
升降回路由三位四通閥7、普通調(diào)速閥8、比例調(diào)速閥9、左升降液壓缸10、右升降液壓缸11組成。當(dāng)三位四通閥7的YA2得電時(shí)，YA3失電時(shí)，油液上升，通過調(diào)速閥到達(dá)缸10、11。當(dāng)YA2失電時(shí)，YA3得電時(shí)，兩油缸下降。
汽車舉升機(jī)液壓控制回路是用電液比例調(diào)速閥控制的同步回路，回路中使用了一個(gè)普通調(diào)速閥8和一個(gè)比例調(diào)速閥9.它們裝在由多個(gè)單向閥組成的橋式回路中，并分別控制著液壓缸10、11的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)活塞出現(xiàn)位置誤差時(shí)，檢測(cè)裝置就會(huì)發(fā)出信號(hào)，調(diào)節(jié)比例調(diào)速閥的開度，使液壓缸11的活塞跟上液壓缸10的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)同步。這種回路的同步精度較高位置精度可達(dá)0.5mm，費(fèi)用低，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。下面是剪切式舉升機(jī)液壓控制回路進(jìn)行總結(jié)后的工作行程表6.1。
表4.1工作行程表
電磁鐵
舉升機(jī)上升
舉升機(jī)下降
YA1
+
+
YA2
+
-
YA3
-
+
4.2液壓缸的計(jì)算與選型
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)力來源。通常油缸分為活塞式和浮拄式兩類。活塞式均為單向作用，其缸體長(zhǎng)度大而伸縮長(zhǎng)度小、使用油壓低（一般不超過14MPa）。浮拄式為多級(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)。剪切式舉升機(jī)多采用活塞式液壓缸，動(dòng)力源直接輸送。
4.2.1 液壓缸的安裝位置
由第三章對(duì)舉升機(jī)力學(xué)結(jié)構(gòu)模型的分析與建立，設(shè)計(jì)中已經(jīng)大致確定出液壓缸的安裝位置。d為液壓缸下安裝點(diǎn)與舉升臂中心銷孔距離(平行于舉升臂) , f為上安裝點(diǎn)與舉升臂端銷孔的距離, d= 250mm, f = 500mm。舉升臂與水平面的夾角為α，液壓缸與水平方向之間的夾角為θ 由tanα=
舉升機(jī)在最低點(diǎn)時(shí)，舉升重量均勻分布在平臺(tái)上。但當(dāng)舉升機(jī)開始工作向上舉升時(shí)，左側(cè)滑輪向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，上升過程中舉升重量不變，但相對(duì)舉升機(jī)豎直向上的作用力方向，舉升重物的質(zhì)心前移，為防止發(fā)生前翻狀況，液壓缸活塞桿端作用在滑動(dòng)輪所在一側(cè)的上方舉升臂上。左側(cè)也為轎車的車頭方向。舉升機(jī)在最低位置時(shí)，液壓缸的安裝如圖4.2所示。
圖4.2 液壓缸的安裝方向
4.2.2液壓缸推力及行程的確定
由前面的計(jì)算可知，液壓缸所需的最大的推力為 P=324.08KN。
液壓缸行程的確定 ：我們所設(shè)計(jì)的舉升機(jī)從最低位置350mm升高到2000mm，實(shí)際
上升行程為1650mm。因舉升機(jī)活塞桿與水平方向夾角θ與α有如下關(guān)系：，當(dāng)舉升機(jī)在最低點(diǎn)時(shí)液壓缸的長(zhǎng)度。當(dāng)舉升機(jī)達(dá)到2000mm時(shí)， tanα== 經(jīng)計(jì)算得液壓缸總長(zhǎng)度為 ，則液壓缸活塞桿伸長(zhǎng)量為395mm，取400mm，即液壓缸的行程為400mm。（Hg=1900mm f=500mm d=170mm L=1306mm Lb=896mm）
4.2.3液壓缸的選型
根據(jù)上述計(jì)算的液壓缸安裝距Sc和液壓缸所需的最大推力P=324.08KN，查閱資料[9]舉升機(jī)構(gòu)液壓缸選用雙作用單級(jí)活塞桿缸HSG-L-180/90-E2231-400-337。這種工程用液壓缸主要用于各種工程機(jī)械、起重機(jī)械及礦山機(jī)械等的液壓傳動(dòng)。
4.3液壓泵的計(jì)算與選型
舉升機(jī)構(gòu)常用油泵分為齒輪油泵與柱塞泵兩類。齒輪泵多為外嚙合式，在相同體積下齒輪泵比柱塞泵流量大但油壓低。柱塞泵最大特點(diǎn)是油壓高（油壓范圍16～35MPa），且在最低轉(zhuǎn)速下仍能產(chǎn)生全油壓，固可縮短舉升時(shí)間。中輕型舉升機(jī)構(gòu)上多采用齒輪泵，重型舉升機(jī)構(gòu)常采用柱塞泵，此次設(shè)計(jì)選用齒輪泵。
4.3.1 液壓泵工作壓力的計(jì)算
（6.1）
式中[14]:——液壓泵的最大工作壓力 （N/m2）；
——液壓缸的最大工作壓力，（Mpa）；
Mpa （6.2）
式中：——油缸最大作用力（N）；
——油缸橫截面積（m2）。
由式（6.2）解得
MPa
為液壓泵的出油口到缸進(jìn)油口處的壓力損失。用調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng)
這里取,
則=26.484MPa。
4.3.2 液壓泵功率的計(jì)算
當(dāng)忽略輸送管路及液壓缸中的能量損失時(shí)，液壓泵的輸出功率應(yīng)等于液壓缸的輸入功率又等于液壓缸的輸出功率。但在實(shí)際工作中，機(jī)械損失和能量損失是不可避免的，在計(jì)算中，必須要考慮。液壓泵的輸出功率為：
（6.3）
式中：0——液壓泵的輸出功率（W）
——液壓缸的輸出功率 (W)
V——液壓缸勻速伸長(zhǎng)的速度 (m/s)
——液壓泵輸出到液壓缸的端的機(jī)械損失，取0.75[9]；
——液壓缸中及管路能量損失，取0.7[9]；
——舉升時(shí)間(s)，取t=60s。
由式（6.3）得 =12.346kW
液壓泵的輸入功率： （6.4）
式中：P——液壓泵的輸入功率
——液壓泵的總效率，因我們所設(shè)計(jì)的舉升機(jī)屬于中輕型舉升機(jī)，選擇齒輪泵即可。齒輪泵的總效率一般為0.6~0.7，取0.65。
則由式（6.4）得到輸入功率為。
4.3.3 油泵流量的計(jì)算
液壓泵的輸入功率與流量有如下關(guān)系
（6.5）
式中： Pp——油泵最大工作壓力，(N/m2)；
——液壓泵的流量（m3/s）；
——液壓泵的總效率,=0.65[14]。
4.3.4 油泵的選型
根據(jù)上述計(jì)算輸入的功率P、、的值，查閱資料[9]，選擇P197-G50型號(hào)的高壓齒輪泵。額定工作壓力為28MPa，最大為28 MPa，工作轉(zhuǎn)速為2400r/min，輸入功率為65.9KW,油泵排量為50ml/r,液壓泵質(zhì)量為14.3Kg。 P7600 、P5100、P3100、P237、P197型高壓齒輪泵，廣泛用于各種工程機(jī)械、舉升機(jī)械、起重機(jī)械、壓路機(jī)、裝載機(jī)、推土機(jī)。具有體積小壓力高、排量大、噪聲低、性能好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
4.4電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
任何復(fù)雜的控制線路，都是由一些元器件和單元電路組成。常用的控制電器有組合開關(guān)、按鈕、交流接觸器、中間繼電器、熱繼電器、熔斷器、自動(dòng)空氣斷路器。
4.4.1 電氣系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)
電氣系統(tǒng)主要控制兩側(cè)舉升機(jī)的同步上升、下降。達(dá)到所需位置后，舉升機(jī)都能安全鎖止。開關(guān)示意圖和控制電路圖如下：
圖4.3 電氣系統(tǒng)開關(guān)示意圖
圖4.4 舉升機(jī)主控制電路圖及說明控制電路圖
表4.2 舉升機(jī)主控制線路的電器元件目錄表
符號(hào)
名稱及用途
符號(hào)
名稱及用途
Q1
三相組合開關(guān)
作電源引入及短路保護(hù)用
FU1
熔斷器
作短路保護(hù)作用
FR
熱繼電器
作電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)作用
KM
交流接觸器
作電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止用
KA1
動(dòng)合開關(guān)
控制機(jī)械鎖的打開與閉合
KM0
吸引線圈
SB0
總開關(guān)按鈕
SB3
舉升機(jī)下降按鈕
SB1
舉升機(jī)上升按鈕
SQ
動(dòng)斷開關(guān)
作上升限位保護(hù)用
SB2
鎖止按鈕
KT
延時(shí)開關(guān)
機(jī)械鎖上升下降緩沖作用
C
接三相電動(dòng)機(jī)
N
接地端
M
電動(dòng)機(jī)
（1）上升
按動(dòng)上升SB1按鈕，此時(shí)電機(jī)M立即啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械鎖打開，平臺(tái)會(huì)立即上升。松開上升按鈕SB1，該機(jī)將立即停止上升。
電路：總開關(guān)SB0閉合——按下SB1 ——KA1接通機(jī)械鎖打開—— KM01線圈通電—— KM主觸點(diǎn)閉合—— 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);
——舉升機(jī)上升到規(guī)定位置—— SB1斷開——按下SB2——KA1接通機(jī)械鎖閉合——KM02線圈斷電進(jìn)行鎖止。
（2）下降
當(dāng)按下下降按鈕SB3時(shí)，剪切式舉升機(jī)先立即上升，等延時(shí)約1~2秒鐘自動(dòng)轉(zhuǎn)為下降(這樣可以保證在下降前將保險(xiǎn)爪從保險(xiǎn)齒條內(nèi)抬起而不被卡住)。在下降的同時(shí)，保險(xiǎn)爪將因兩位三通電磁閥YA1通電打開而自動(dòng)抬起，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)M也同時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
電路：按下SB3按鈕——KA1接通機(jī)械鎖打開——KM03線圈通電——KM主觸點(diǎn)閉合——電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)——舉升機(jī)下降到規(guī)定位置——SB3斷開——按下SB2——KA1接通機(jī)械鎖閉合——KM02線圈斷電進(jìn)行鎖止
4.4.2電動(dòng)機(jī)的選擇與驗(yàn)算
（1）電動(dòng)機(jī)選擇
計(jì)算舉升機(jī)構(gòu)額定起重量時(shí)的靜載荷功率Nj
Nj=(Q+ G0)V/60 （6.6）
式中： Q——額定舉升重量，N；
G0——舉升機(jī)構(gòu)自重，N；
V——舉升速度，m/min；
——效率=0.5。
Q=30000N ，，
得Nj=2.09 KW
根據(jù)Nj查電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄選取電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的額定功率Ne，并滿足
Nekd Nj （6.7）
式中 kd——系數(shù)，見表6.3所示。
我們按滿載情況算 Kd=1.0 Ne 2.09 KW
根據(jù)額定功率Ne值及液壓泵的轉(zhuǎn)速，選擇YZR132N2-6額定功率4.0，轉(zhuǎn)速為900r/min的電動(dòng)機(jī)。因舉升機(jī)經(jīng)常啟動(dòng)，制動(dòng)，要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小和過載能力大，因此選用YZR系列三相異步電動(dòng)機(jī)是符合要求的，在電動(dòng)機(jī)與液壓泵之間采用帶輪傳動(dòng)，改變傳動(dòng)比，就可以滿足液壓泵要求的轉(zhuǎn)速。
表6.3 系數(shù)kd
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
舉升機(jī)工作特性及機(jī)構(gòu)工作范圍
kd
JZR2、YZR、JZRH
M1～M6級(jí)
0.75～0.85
M7級(jí)
0.85～0.95
M8級(jí)
1.0～1.1
滿載（1～3m/min），經(jīng)常滿載
0.9～1.0
JZ、YZ
M1～M6級(jí)及防爆機(jī)構(gòu)
0.9
Y
M1～M6級(jí)及某些特殊機(jī)構(gòu)
1.0
（2）電動(dòng)機(jī)可靠性的驗(yàn)算
通常舉升機(jī)構(gòu)的起動(dòng)緩沖時(shí)間約為1～5s較合適，大舉升重量或速度較高時(shí)取較大值。當(dāng)計(jì)算的起動(dòng)時(shí)間小于1s，可改選小一點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)，或者仍用原選電動(dòng)機(jī)，而采用增加起動(dòng)機(jī)電阻的方法，從電氣設(shè)計(jì)上改變電動(dòng)機(jī)的平均起動(dòng)力矩來延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間。
總 結(jié)
本文首先對(duì)汽車舉升機(jī)的現(xiàn)況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，并介紹了剪切式各類汽車舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)剪式汽車舉升機(jī)有了初步了認(rèn)識(shí)。然后再根據(jù)各類汽車舉升機(jī)的各種使用要求，結(jié)合前人設(shè)計(jì)的舉升機(jī)的各種結(jié)構(gòu)，按照自己所要設(shè)計(jì)的舉升機(jī)的要求對(duì)汽車舉升機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)。本次所設(shè)計(jì)的舉升機(jī)是采用以液壓