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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 選擇背景、研究目的及意義
近年來(lái)，我國(guó)汽車業(yè)蓬勃發(fā)展,尤其是轎車行業(yè)，多年來(lái)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(wú)論整車大修，還是小修保養(yǎng)，都離不開(kāi)它。在規(guī)模各異的維修養(yǎng)護(hù)企業(yè)中，無(wú)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(guò)對(duì)失效的剪刀式舉升機(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)一步提高剪刀式舉升機(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。
本設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)CAD/CAE 對(duì)剪刀式舉升機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的綜合性能和安全可靠性。計(jì)算機(jī)CAD/CAE技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)，是國(guó)際上20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展的一項(xiàng)計(jì)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(guó)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入各自的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
計(jì)算機(jī)CAD/CAE技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、德國(guó)、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(guó)防工業(yè)、醫(yī)學(xué)及工程咨詢等多方面。目前,計(jì)算機(jī)CAD/CAE技術(shù)已在我國(guó)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(guó)目前的情況來(lái)看,計(jì)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。現(xiàn)今，在我國(guó)利用CAD/CAE技術(shù)對(duì)汽車舉升機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究還尚未見(jiàn)成果發(fā)表。只有將汽車舉升機(jī)的工程實(shí)踐和計(jì)算機(jī)CAD/CAE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)CAD/CAE技術(shù)平臺(tái)，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(dòng)態(tài)特性等方面的計(jì)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(yàn)，為我國(guó)汽車舉升機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、技術(shù)開(kāi)發(fā)方面提供更多的理論參考，進(jìn)一步提高國(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。該設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)中，可以縮短新產(chǎn)品研制周期，減少研制經(jīng)費(fèi)，提高設(shè)計(jì)精度和效率，對(duì)于國(guó)內(nèi)舉升機(jī)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
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(kāi)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(lái)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(kāi)始，寶得寶機(jī)型比較笨重，主要的質(zhì)量問(wèn)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(kāi)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(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(lái)很快，不需要大范圍的開(kāi)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(wú)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。
1.3 研究?jī)?nèi)容及研究方法
1.3.1 研究?jī)?nèi)容
本設(shè)計(jì)在考慮典型的汽車舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和實(shí)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(jì)等理論，建立舉升機(jī)Pro/E三維實(shí)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(jì)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(jì)；
（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(jì)
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(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；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3t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(méi)有過(guò)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(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(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。剪刀式舉升機(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]。
2.1.2 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(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)舉升下降的。液壓缸固定在下外側(cè)舉升臂上通過(guò)軸連接，活塞桿作用在上端軸上，軸直接連接兩舉升臂。如圖2.1所示，活塞桿向外伸出時(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。
2.2 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(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
長(zhǎng)豐帕杰羅3.0GLS手動(dòng)
上海大眾勁取
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 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(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2m，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(guò)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
（1）支撐平臺(tái)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(guò)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(guò)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(guò)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
（2）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2m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2m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2m時(shí)，結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖2.4所示。
圖2.4 升高到 2m 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 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(tái)，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(tái)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(dòng)，為了滿足以上尺寸要求，舉升機(jī)平臺(tái)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。如果舉升機(jī)平臺(tái)直接與汽車底盤接觸，對(duì)汽車底盤磨損嚴(yán)重,所以平臺(tái)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(zhǎng)Lj=510mm， 寬Bj=150mm，用M8的開(kāi)槽盤頭螺釘固定在平臺(tái)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(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(jì)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(zhǎng)度；
ρ（g/cm3）——所用材料鋼的密度。
1、平臺(tái)的質(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、舉升臂的質(zhì)量
kg
在實(shí)際運(yùn)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(gè)舉升臂，則舉升臂重量和為 。
3、底座重量
在實(shí)圖中舉升機(jī)底座并非實(shí)體，但為了計(jì)算方便，我們按實(shí)體計(jì)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(guò)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(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
2.6 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(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)，并根據(jù)現(xiàn)今社會(huì)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(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 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(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(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)于剪刀式舉升機(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(kāi)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?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(guò)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(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(guò)程中θ隨α變化。平臺(tái)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(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,剪刀機(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(jì)算剪刀式舉升機(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(shuō)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(jì),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(jì)計(jì)算及關(guān)鍵參數(shù)的研究提供理論依據(jù)。通過(guò)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(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。根據(jù)剪刀式舉升機(jī)構(gòu)力學(xué)模型式及編制的MATLAB運(yùn)算程序,在d, f這2個(gè)關(guān)鍵幾何參數(shù)允許調(diào)整的范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算,研究它們與起升油缸推力Pmax的關(guān)系。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: 。
3.1.3 計(jì)算液壓缸的推力
1、 舉升機(jī)升高到2m時(shí)液壓缸的推力
舉升機(jī)升高到2m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、舉升機(jī)在最低點(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(guò)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 舉升機(jī)的力學(xué)分析與計(jì)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(jiǎn)便等特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、變速器等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和維修功能。隨著我國(guó)私家車保有量越來(lái)越大，此種型式的舉升機(jī)需求量也會(huì)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(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。
剪刀式舉升機(jī)的結(jié)構(gòu)型式有多種，本設(shè)計(jì)中的舉升機(jī)結(jié)構(gòu)系指液壓驅(qū)動(dòng)的小剪式舉升機(jī)構(gòu)。舉升機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和控制，由舉升臂內(nèi)安裝的液壓油缸實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)舉升機(jī)的上下移動(dòng)。設(shè)備的主要部分有：控制機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)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(shí)，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(jì)算過(guò)程中，我們只分析舉手機(jī)最低點(diǎn)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(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(guò)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(guò)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(guò)程中，對(duì)整個(gè)舉升機(jī)受力情況沒(méi)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(lái)平衡。在這個(gè)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(shí)，各臂受力情況
舉升機(jī)升高到2m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2m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 剪刀式舉升機(jī)構(gòu)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(guò)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。滑動(dòng)的兩輪之間距離為405mm。滑動(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(méi)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(méi)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2m時(shí)，受力最大，，所以我們只校核舉升機(jī)升到2m時(shí)的滑輪軸強(qiáng)度即能說(shuō)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(guò)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(guò)程中，我們按梁的強(qiáng)度校核方法來(lái)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(guò)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(guò)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2m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(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(guò)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2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)度已經(jīng)不滿足條件。
通過(guò)以上計(jì)算，我們可以看出，液壓缸的推力通過(guò)軸直接作用到舉升臂上，會(huì)導(dǎo)致比的強(qiáng)度不足。我們?cè)谂e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(guò)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(huì)直接影響舉升臂。下面對(duì)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(diǎn)時(shí),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(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
（1）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。
（2）舉升到2m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
（1）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
（2）舉升到2m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
（1）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
（2）舉升到2m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。
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(duì)舉升臂的強(qiáng)度造成嚴(yán)重影響。因舉升臂無(wú)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(shí)，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(guò)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(jì)算可知，舉升臂鉸接點(diǎn)處彎曲強(qiáng)度較集中，磨損嚴(yán)重，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。
（1）可以在載荷作用點(diǎn)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(diǎn)的強(qiáng)度，減小摩擦；
（2）在鉸接孔處加工凸臺(tái)，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(guò)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(tái)，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(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 Pro/E三維建模與整機(jī)裝配
4.1 Pro/ENGINEER軟件簡(jiǎn)介
Pro/ENGINEER是美國(guó)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(lái)在我國(guó)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(jì)和研究人員的喜愛(ài)。
是一個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，集成了零件、產(chǎn)品裝配、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工。鈑金設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)仿真、應(yīng)力分析、電路布線、裝配管路設(shè)計(jì)等功能模塊和專有模塊于一體，可以實(shí)現(xiàn)DFM?(面向制造設(shè)計(jì))、DFA（面向裝配設(shè)計(jì)）、ID（逆向設(shè)計(jì)）、CE（并行工程）等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法的特性[12]：
Pro/ENGINEER參數(shù)化設(shè)計(jì)的特性：
3D（三維）實(shí)體模型：三維實(shí)體建?？梢詫⒂脩舻脑O(shè)計(jì)思想以最真實(shí)的三維模型在Pro/ ENGINEER中用戶可以方便地對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作，可以從各個(gè)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(shí)計(jì)算出產(chǎn)品體積、重心、重量、模型大小，極大的方便了設(shè)計(jì)人員。
單一數(shù)據(jù)庫(kù)：Pro/ENGINEER是建立在單一數(shù)據(jù)庫(kù)上的。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部倆字一個(gè)庫(kù)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生變動(dòng)，都會(huì)反應(yīng)在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上，這樣確保報(bào)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(jì)制造的結(jié)合，使得整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造嚴(yán)謹(jǐn)、有序，大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，優(yōu)化了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。能更快的對(duì)市場(chǎng)需求做出反應(yīng)。
基于特征：Pro/ENGINEER是一個(gè)采用參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征的實(shí)體模型系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過(guò)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?yàn)橐惶卣髂貍€(gè)需哦為設(shè)計(jì)單元，用戶可以隨時(shí)對(duì)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(jì)人員提供了前所未有的簡(jiǎn)易和靈活。
參數(shù)化設(shè)計(jì)：在Pro/ENGINEER中，配合單一數(shù)據(jù)庫(kù)，所有在設(shè)計(jì)過(guò)程中所使用的尺寸都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，修改模型和工程圖不再繁瑣。設(shè)計(jì)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(huì)依照零件修改過(guò)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(jì)還使得設(shè)計(jì)人員可以利用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式，建立各尺寸的關(guān)系式，使得零件的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)捷。
4.2 利用Pro/E進(jìn)行三維建模
Pro/ENGINEER是一個(gè)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(duì)三維實(shí)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(lái)生成的，零件的設(shè)計(jì)過(guò)程就是特征的累積過(guò)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(duì)號(hào)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(shí)對(duì)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(duì)號(hào)完成
圖4.4 舉升臂草繪后的圖形
完成基礎(chǔ)特征，拉伸長(zhǎng)度為20mm。
圖4.5 拉伸實(shí)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(guò)程，其實(shí)是一個(gè)通過(guò)Pro/E指定零件間約束的過(guò)程。通過(guò)指定零件間的約束，確定零件的裝配位置關(guān)系來(lái)完成裝配圖。利用Pro/E，在約束不足或是約束過(guò)度時(shí)，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(guò)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(yùn)動(dòng)情況是否合乎設(shè)計(jì)要求[22]。同時(shí)在生成裝配體過(guò)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(gè)對(duì)話框，通過(guò)裝配操控板如圖4.7，用戶可以更簡(jiǎn)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(duì)零件進(jìn)行約束，從空間角度來(lái)說(shuō)，即是在X，Y，Z三個(gè)方向限制零件，約束零件的6個(gè)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(shí)，默認(rèn)設(shè)置將選擇“自動(dòng)”放置約束。從組件和元件中選擇一對(duì)有效參照后，系統(tǒng)將自動(dòng)選擇適合該指定對(duì)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(dòng)、匹配、對(duì)齊、插入、坐標(biāo)系、相切、線上點(diǎn)、曲面上的點(diǎn)、曲面上的邊、固定和缺省。
4.3.2 Pro/E實(shí)體建模后的整體裝配圖
1、 舉升機(jī)底座
圖4.8 底座實(shí)體模型
2、 上、下舉升臂
設(shè)計(jì)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(lái)。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(cè)下臂
3、舉升機(jī)平臺(tái)
圖4.13 剪刀式舉升機(jī)平臺(tái)
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(yùn)動(dòng)情況是否合乎設(shè)計(jì)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(dòng)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(guò) Pro/ENGINEER對(duì)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(dòng)、匹配、對(duì)齊、插入、坐標(biāo)系、相切、線上點(diǎn)、曲面上的點(diǎn)、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(guò)對(duì)裝配后的零件進(jìn)行全局干涉檢查，說(shuō)明我們所設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)初期時(shí)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(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(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[13]。
5.2 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：
1、Pro/E與ANSYS集成接口
ANSYS在默認(rèn)的情況下是不能直接對(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[13]:鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開(kāi)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5.1 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5.2 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。運(yùn)行Pro/E打開(kāi)某零件三維模型圖，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(kāi)，點(diǎn)擊Plot下的Volume，則模型導(dǎo)入成功。
圖5.3 導(dǎo)入界面
2、通過(guò)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(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..