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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)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(jìn)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(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(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)過對失效的剪刀式舉升機(jī)進(jìn)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(jìn)一步提高剪刀式舉升機(jī)產(chǎn)品的性能與可靠性，是國內(nèi)舉升機(jī)任重道遠(yuǎn)且亟需改進(jìn)的地方。 本設(shè)計采用計算機(jī)CAD/CAE 對剪刀式舉升機(jī)進(jìn)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(jī)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(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展的一項計算機(jī)輔助工程技術(shù)。該技術(shù)一出現(xiàn)，立即受到了工業(yè)發(fā)達(dá)國家的有關(guān)科研機(jī)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(jī)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(jì)效益。 計算機(jī)CAD/CAE技術(shù)在一些發(fā)達(dá)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(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)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(jī)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(jī)械工程等方面。而從我國目前的情況來看,計算機(jī)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(jī)進(jìn)行設(shè)計研究還尚未見成果發(fā)表。只有將汽車舉升機(jī)的工程實踐和計算機(jī)CAD/CAE技術(shù)結(jié)合起來，才能真正加快汽車舉升機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展歷程，為此，本課題基于計算機(jī)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(jìn)行汽車舉升機(jī)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及動態(tài)特性等方面的計算機(jī)有限元分析與研究，可以代替剪刀式舉升機(jī)物理樣機(jī)的前期試驗，為我國汽車舉升機(jī)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(jìn)一步提高國產(chǎn)汽車舉升機(jī)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(jī)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)計精度和效率，對于國內(nèi)舉升機(jī)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(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年在美國生產(chǎn)的第一臺汽車舉升機(jī)，它是一種由氣動控制的單柱舉升機(jī)，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(jìn)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(jī)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(jìn)，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(jī)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(jī)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(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 國內(nèi)外研究狀況 目前，發(fā)達(dá)國家（如美國）生產(chǎn)的汽車舉升機(jī)質(zhì)量較好、性能較穩(wěn)定、設(shè)備操作簡單，在經(jīng)銷商中口碑良好。我國的汽車舉升機(jī)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(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不同步，2000年后質(zhì)量有了改進(jìn)。但由于不是批量，所以價格偏高。到現(xiàn)在舉升機(jī)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(jī)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(shè)計、技術(shù)開發(fā)等方面都還有很多地方有待改進(jìn)。 剪刀式舉升機(jī)是一個使用較廣的舉升機(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，也不需要對維修廠的整體布局進(jìn)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(jī)使用方便，占地空間較小。四是經(jīng)濟(jì)實惠，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(shè)計在考慮典型的汽車舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和實際工況條件基礎(chǔ)上，依據(jù)有限元、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(jī)Pro/E三維實體模型，并進(jìn)行虛擬裝配，將關(guān)鍵零部件模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，獲得舉升機(jī)在載荷工況作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及變形狀況，進(jìn)一步提高舉升機(jī)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(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)形式的研究與分析； （2）剪刀式舉升機(jī)二維結(jié)構(gòu)設(shè)計； （3）剪刀式舉升機(jī)Pro/E三維建模與虛擬裝配； （4）剪刀式舉升機(jī)關(guān)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(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 舉升機(jī)結(jié)構(gòu)確定 2.1.1 舉升機(jī)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(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)動形式又可分為機(jī)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(jī)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(jī)整體結(jié)構(gòu)形式 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)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(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，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，滑輪向內(nèi)或向外滑動，使舉升機(jī)上升下降，當(dāng)達(dá)到適當(dāng)?shù)呐e升位置時，利用液壓缸上的機(jī)械鎖鎖止。剪刀式舉升機(jī)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]。 2.1.2 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。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(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(jī)才能正常工作。 2.2 確定剪刀式舉升機(jī)的各結(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(jī)主要結(jié)構(gòu)尺寸確定 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2.2 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 提升時間 60 S 要求舉升機(jī)的提升速度是經(jīng)1min時間內(nèi)舉升機(jī)能升高到2m，實際升高1.65m，并且舉升機(jī)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(jī)，上海繁寶剪式舉升機(jī)， Jumbo Lift NT 剪式舉升平臺的外形及運動形式。 2、 舉升機(jī)各部分尺寸 （1）支撐平臺尺寸 因剪刀式舉升機(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(jī)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(jī)壓縮到最低位置時，舉升機(jī)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(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(jī)壓縮到最低點時的狀態(tài) 3、舉升機(jī)升高到2m時尺寸變化 舉升機(jī)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(jī)升高到2m時，舉升機(jī)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(jī)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(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(jī)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(jī)平放于地面就可以，采用M30的地腳螺栓固定，舉升機(jī)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800mm，舉升機(jī)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(jī)平臺之間的距離取900 mm ,平臺長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。如果舉升機(jī)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(jī)在地面安裝情況如圖2.5所示。 圖2.5 舉升機(jī)占地情況及安裝示意圖 2.4 剪刀式舉升機(jī)各部件重量 查《工程材料手冊》所知，舉升、起重機(jī)械的板形材料多用Q275鋼。Q275鋼的材料性能如表： 表2.3 Q275鋼材料性能 彈性模量（GPa） 泊松比 抗拉強(qiáng)度(MPa) 密度(g/cm3) 200-220 0.3 490—610 7.85 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； ρ（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=120kg 2、舉升臂的質(zhì)量 kg 在實際運用中，連接處都加工有加強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)總重 。 2.5 初定電機(jī)功率 剪刀式舉升機(jī)舉升重量3t，舉升機(jī)自身及其附件的重量再加上一部分的余量為0.8t，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 =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(jī)主要技術(shù)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(jī)功率 1.1KW 電源 220V/380V/50Hz 額定油壓 18MPa 整機(jī)重量 800kg 滑輪移動距離 896.15mm 2.6 本章小結(jié) 本章主要將剪刀式舉升機(jī)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(jī)，上海繁寶剪式舉升機(jī)， 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(jī)的組成結(jié)構(gòu)，包括控制機(jī)構(gòu)、傳動機(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(jī)機(jī)構(gòu)建模 3.1 剪刀式舉升機(jī)構(gòu)力學(xué)模型 剪刀式舉升機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大、通過性強(qiáng)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(hù)中得到廣泛應(yīng)用。剪刀式舉升機(jī)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(jī)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(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(qiáng)大矩陣計算功能,對影響剪刀式起升機(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[5]。 3.1.1 舉升機(jī)構(gòu)力學(xué)模型建立與分析 舉升機(jī)之所以斜置，是因為舉升機(jī)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(jī)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(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。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(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個參數(shù)確定時,在舉升機(jī)構(gòu)升降過程中θ隨α變化。平臺和剪刀式舉升機(jī)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(jī)構(gòu)變幅帶動滑輪內(nèi)移時,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 剪刀機(jī)構(gòu)外載情況 圖3.2和圖3.3為剪刀舉升機(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。為計算剪刀式舉升機(jī)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(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個獨立的隔離體,分別對應(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 該圖使用的符號說明如下:Kx 為剪叉機(jī)構(gòu)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(yīng)鉸接點X 方向受力; Fx 為作用在剪刀式舉升臂 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,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(jī)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(jī)構(gòu)的設(shè)計計算及關(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　舉升機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)研究與確定 分析前述剪刀式舉升機(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(jī)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(jìn)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(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: 。 3.1.3 計算液壓缸的推力 1、 舉升機(jī)升高到2m時液壓缸的推力 舉升機(jī)升高到2m時，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、舉升機(jī)在最低點時液壓缸的推力 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(jī)的力學(xué)分析與計算 剪刀式舉升機(jī)是一種可以廣泛用于維修廠的舉升機(jī)，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(jī)、底盤、變速器等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)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(jī)需求量也會日益增大。本機(jī)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，車輛由最高位置降到最低位置需40s；電動機(jī)功率1.1kW；舉升機(jī)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(jī)的結(jié)構(gòu)型式有多種，本設(shè)計中的舉升機(jī)結(jié)構(gòu)系指液壓驅(qū)動的小剪式舉升機(jī)構(gòu)。舉升機(jī)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(jī)的上下移動。設(shè)備的主要部分有：控制機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)和安全鎖機(jī)構(gòu)。 分析剪式舉升機(jī)不同舉升高度的受力情況可知，在給定載荷下,舉升機(jī)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(jī)最低點和舉升到最高位置的受力情況即可。 3.2.1 舉升機(jī)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(jī)在最低點時，舉升機(jī)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(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(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(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(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(jī)舉升到最高位置時，各臂受力情況 舉升機(jī)升高到2m時，舉升機(jī)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 3.2.3 剪刀式舉升機(jī)構(gòu)主要受力桿件強(qiáng)度校核計算 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(jī)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(jī)升高到2m時，受力最大，，所以我們只校核舉升機(jī)升到2m時的滑輪軸強(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(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(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2m時的強(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 在剪刀舉升機(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(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(qiáng)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(qiáng)度不足。我們在舉升臂2的中間焊接一方鋼作為加強(qiáng)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(jìn)行校核。 圖3.13 方鋼加強(qiáng)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(qiáng)度[21] ，軸徑為60mm。舉升機(jī)在最低點時,推力最大只校核此刻強(qiáng)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(qiáng)度校核 經(jīng)校核軸的強(qiáng)度足夠，加工加強(qiáng)肋合理。 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(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 （1）舉升機(jī)在最低點時螺栓剪切力強(qiáng)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(qiáng)度理論 =53.89MPa 滿足強(qiáng)度要求。 （2）舉升到2m時螺栓剪切力強(qiáng)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(qiáng)度理論 經(jīng)計算滿足強(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 （1）舉升機(jī)在最低點時螺栓剪切力強(qiáng)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(qiáng)度理論 經(jīng)計算滿足強(qiáng)度要求 （2）舉升到2m時螺栓剪切力強(qiáng)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(qiáng)度理論 經(jīng)計算滿足強(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 （1）舉升機(jī)在最低點時螺栓剪切力強(qiáng)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(qiáng)度理論 經(jīng)計算滿足強(qiáng)度要求 （2）舉升到2m時螺栓剪切力強(qiáng)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(qiáng)度理論 經(jīng)計算滿足強(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。 3.3 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度受到嚴(yán)重影響。通過結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施提高舉升臂的彎曲強(qiáng)度。 1、舉升機(jī)上載荷作用的位置進(jìn)行加強(qiáng) 經(jīng)前面的計算可知，舉升臂鉸接點處彎曲強(qiáng)度較集中，磨損嚴(yán)重，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。 （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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)肋進(jìn)行補(bǔ)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(qiáng)肋。 舉升機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)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(jī)的結(jié)構(gòu)特點,建立剪刀舉升機(jī)機(jī)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(jìn)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(qiáng)度計算，來校核設(shè)計內(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。以上的計算與分析對提高剪刀式舉升機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)仿真、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(jìn)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：三維實體建模可以將用戶的設(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(jìn)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)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)。 基于特征：Pro/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/ENGINEER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(qiáng)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(jìn)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(jìn)入零件模式 旋轉(zhuǎn)>放置>進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(qiáng)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(jìn)入零件模式 拉伸>放置>進(jìn)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(chǔ)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(qiáng)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(jī)裝配 我們將利用Pro/E將三維建模后的舉升機(jī)各結(jié)構(gòu)和零部件尺寸根據(jù)加強(qiáng)措施加以修改后進(jìn)行整機(jī)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(guān)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(jìn)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(guān)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(shè)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(shè)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(jìn)行零件間的裝配。 圖4.7 裝配操控板 2、裝配約束 對零件進(jìn)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(dāng)引入元件放置到組件中時，默認(rèn)設(shè)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(biāo)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(jī)底座 圖4.8 底座實體模型 2、 上、下舉升臂 設(shè)計中我們將結(jié)構(gòu)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(cè)上臂相同。 圖4.9 內(nèi)側(cè)上臂 圖4.10 外側(cè)上臂 圖4.11 外側(cè)下臂 圖4.12 內(nèi)測下臂 3、舉升機(jī)平臺 圖4.13 剪刀式舉升機(jī)平臺 3、舉升機(jī)整體裝配圖 圖4.14 裝配下側(cè)舉升臂 圖4.15 裝配上側(cè)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(jī)裝配后需要進(jìn)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(shè)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(jié)果表明：零件XIAQIANBI2和LUOMU相互干涉，將螺母向外調(diào)動3mm即可解除干涉。其他裝配均合理。 4.4 本章小結(jié) 本章首先通過 Pro/ENGINEER對剪刀式舉升機(jī)的各零件進(jìn)行三維建模，并進(jìn)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(biāo)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(jìn)行整機(jī)裝配。通過對裝配后的零件進(jìn)行全局干涉檢查，說明我們所設(shè)計的結(jié)果是否合理。 第 5 章 舉升機(jī)有限元分析 5.1 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)初期時為了應(yīng)用與電力工業(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模塊：前處理模塊、分析計算模塊、和后處理模塊。功能完備預(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，包括簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動態(tài)分析。可用來求結(jié)構(gòu)、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(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(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時，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三維實體模型通過專用的模型數(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： 1、Pro/E與ANSYS集成接口 ANSYS在默認(rèn)的情況下是不能直接對Pro /E中的prt(或asm)文件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的,必須通過以下對ANSYS設(shè)置連接過程進(jìn)行激活模塊[13]:鼠標(biāo)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(shè)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(dǎo)入到ANSYS中，此時ANSYS10.0軟件自動打開，點擊Plot下的Volume，則模型導(dǎo)入成功。 圖5.3 導(dǎo)入界面 2、通過IGES( *.igs)格式文件導(dǎo)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(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、實體、殼、基準(zhǔn)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..