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可四輪定位四柱式汽車舉升機(jī)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 國(guó)外的情況和發(fā)展趨勢(shì)
汽車舉升機(jī)在世界上已經(jīng)有了80多年歷史。1925年美國(guó)生產(chǎn)了第一臺(tái)汽車舉升機(jī),它是由氣動(dòng)控制的,如圖1.1所示。由于采用的氣壓比較低,所以缸體較大,同時(shí)采用皮革用來密封,所以壓縮空氣驅(qū)動(dòng)時(shí)的彈跳較嚴(yán)重且不穩(wěn)定。等到10年后,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被采用。
圖 1.1 單柱舉升機(jī)
1937年美國(guó)另一家公司生產(chǎn)了第一臺(tái)四柱舉升機(jī),隨后在美國(guó)一家公司也生產(chǎn)出類似的舉升機(jī),如圖1.2所示。這兩種舉升機(jī)均由螺旋驅(qū)動(dòng),
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圖 1.2 四柱舉升機(jī)
其方案是:每一根立柱內(nèi)都有一顆螺母及螺桿,由裝在地面上的鏈條連起來實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動(dòng),此四柱舉升機(jī)在市場(chǎng)上并沒有獲得成功,而單柱舉升機(jī)卻繼續(xù)得到普遍的應(yīng)用。1948年Joseph Bardbury & Sohs 生產(chǎn)出該公司的第一舉升機(jī),其方案是:在四柱舉升機(jī)的一個(gè)主柱內(nèi)裝有一套螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),舉升臺(tái)板的其它三個(gè)角落通過鋼絲繩與動(dòng)力主柱相連。1950年Bardbury將機(jī)械式螺旋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)改成液壓機(jī)構(gòu),只裝有一個(gè)液壓缸,其他立柱通過鋼絲繩連接從而實(shí)現(xiàn)同步舉升,由于當(dāng)時(shí)的液壓壓力尚未超過35～40Kg/cm2因而第一臺(tái)液壓舉升機(jī)體積比較大。五十年代初單柱舉升機(jī)在歐洲市場(chǎng)上的銷量驟減,而四柱舉升機(jī)卻居于主導(dǎo)地位;但是在美國(guó)單柱舉升機(jī)卻繼續(xù)受到人們的青睞。1956年Borg Warner 和Plessey生產(chǎn)液壓壓力能達(dá)到140～175Kg/cm2的液壓齒輪泵;由此, Bardbury又生產(chǎn)出雙功能舉升機(jī),這在舉升機(jī)的設(shè)計(jì)上是一個(gè)突破性跨越。此舉升機(jī)可以用兩種方式支撐汽車:車輪支撐型;車輪自由型。此發(fā)明在市場(chǎng)上很受歡迎。到1960年在英國(guó)的市場(chǎng)上使用率竟達(dá)75%。1961年Bardbury生產(chǎn)出四柱舉升機(jī)改進(jìn)后的車輪自由系統(tǒng),而且在全世界17個(gè)國(guó)家獲得了專利。但在南美洲仍然流行單柱舉升機(jī),只是已將其改為液壓傳動(dòng)。
1966年,一家德國(guó)公司生產(chǎn)出第一臺(tái)雙柱舉升機(jī),如圖1.3所示。這是
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圖 1.3 雙柱舉升機(jī)
舉升機(jī)設(shè)計(jì)上的又有了一個(gè)重要進(jìn)展,但是直到1977年這種舉升機(jī)才在德國(guó)以外的其它國(guó)家出現(xiàn)?，F(xiàn)在雙柱舉升機(jī)在市場(chǎng)上已占據(jù)穩(wěn)定的地位,其銷量還在繼續(xù)上升。它和四柱舉升機(jī)相比,既有優(yōu)點(diǎn),也有缺點(diǎn),以下將作簡(jiǎn)要說明。
我們所見到的絕大多數(shù)舉升機(jī)都采用固定安裝的方式,在舉升前汽車必須駛上舉升臺(tái)。在移動(dòng)式舉升機(jī)方面也有幾項(xiàng)成功突破,如簡(jiǎn)式舉升機(jī)、菱架式舉升機(jī)等。但這類舉升機(jī)還存在兩個(gè)重要問題:接近汽車下部難,在車間移動(dòng)舉升機(jī)時(shí)難逾越地面上的障礙物。當(dāng)然,可移動(dòng)性是這類舉升機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在固定安裝的單柱、雙柱、四柱舉升機(jī)已在維修現(xiàn)場(chǎng)廣泛采用,而移動(dòng)式舉升機(jī)卻相對(duì)要少得多。
最初設(shè)計(jì)單柱舉升機(jī),車輛體積都較大,其底盤能明顯分辨,因而汽車檢修區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于舉升器件?，F(xiàn)在絕大多數(shù)汽車均為“緊湊型”或“半緊湊型”,導(dǎo)致汽車檢修區(qū)域接近主要舉升機(jī)器件不便。但在南美洲卻有例外,那里仍然采用較大的車輛,這可能是單柱舉升機(jī)在該地區(qū)的市場(chǎng)上仍然繼續(xù)受到歡迎的重要原因。單柱舉升機(jī)有兩大優(yōu)點(diǎn):當(dāng)其下降后,不會(huì)成為維修車間的障礙物;汽車可在舉升機(jī)上自由的轉(zhuǎn)。但美國(guó)卻遇到了困難,主要是舉升機(jī)的旋轉(zhuǎn)會(huì)帶來撞擊操作人員的危險(xiǎn)。單柱舉升機(jī)的主要缺點(diǎn)是:第一,它需要在車間的地面挖掘一個(gè)相當(dāng)大的洞后才能安裝;其次,它只能提供車輪支撐方式;第三,使用時(shí)難接近汽車下部的一些檢修區(qū)域。舉升機(jī)用的主油缸潛藏在地下也給維修帶來兩大問題:第一是檢修這些零部件較為困難;其次是油缸所處的環(huán)境條件差,容易生銹,特別是地下水位較高時(shí)。
雙柱舉升機(jī)(包括液壓式和機(jī)械式),都有以下的優(yōu)點(diǎn):第一,檢修汽車下部具有很高的可接近性(幾乎達(dá)到100%);而且,采用車輪自由型的方式支撐車輛,所以拆卸
車輪時(shí)不需要其它輔助性的舉升方法;第三,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小。雙柱舉升機(jī)的缺點(diǎn)是:第一,為確保安全,安置舉升機(jī)時(shí)的要求非常嚴(yán)格,否則在舉升過程中容易搖晃或顛覆;第二,由于此舉升機(jī)常采用車輪自由型的方式支撐汽車,如果需采取車輪支撐型的方式維修汽車則會(huì)產(chǎn)生不便,如檢查懸掛系統(tǒng)、檢查轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)間隙或進(jìn)行車輪定位檢驗(yàn)等;第三,由于舉升臂和立柱承受懸臂或載荷所產(chǎn)生的巨大應(yīng)力,其承力件容易受到磨損。因而雙柱舉升機(jī)沒有四柱舉升機(jī)的使用壽命長(zhǎng)。
如圖1.2所示,四柱舉升機(jī)有四根立柱、兩根橫梁、用于支撐汽車的兩個(gè)平臺(tái)。舉升前,汽車很容易準(zhǔn)確駛上四柱舉升機(jī)的臺(tái)板。由于臺(tái)板內(nèi)側(cè)設(shè)備有凸緣,當(dāng)汽車駛上臺(tái)板時(shí)也不致于底下,車輪支承型四柱舉升機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是:第一,舉升機(jī)裝載汽車時(shí)不需要較高的操作,操作又很簡(jiǎn)單;第二,承載時(shí)比較穩(wěn)定;第三，支承載荷受力簡(jiǎn)單,應(yīng)力較低,從而延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命;第四,由于具有較高的使用價(jià)值,從經(jīng)濟(jì)上來看也是合算的;第五,易于維修;第六,在車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝也較方便，只要地面平坦,其混凝土厚度能夠牢固立柱的地腳螺栓就行。四柱舉升機(jī)的缺點(diǎn)是:和雙柱舉升機(jī)相比,占地面積較大,對(duì)汽車檢修區(qū)域的可接近性差。
1.2 國(guó)內(nèi)的情況和發(fā)展趨勢(shì)
由于我國(guó)汽車維修檢測(cè)設(shè)備行業(yè)起步晚、起點(diǎn)低，整體上還是比較落后的。舉升機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小、經(jīng)濟(jì)技術(shù)力量不足、各食其力、缺乏專業(yè)分工和廣泛合作；技術(shù)吸收、運(yùn)用、開發(fā)、創(chuàng)新能力不夠；抄襲、偽造現(xiàn)象和短期行為嚴(yán)重；市場(chǎng)營(yíng)銷及服務(wù)水平低等問題還普遍存在，從而導(dǎo)致全行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理,質(zhì)量不高。
對(duì)于汽車維修企業(yè)來說，汽車舉升機(jī)可能是除廠房外的最重要的投資,因?yàn)樗哂蟹浅Ｖ匾淖饔?，甚至直接影響到汽車維修業(yè)務(wù)的興敗。汽車舉升機(jī)是汽車維修設(shè)備行業(yè)的支柱設(shè)備之一,讓我們生產(chǎn)出更多、更好、更受用戶歡迎的汽車舉升機(jī),為汽車維修企業(yè)服務(wù)。
1.3 設(shè)計(jì)的依據(jù)及意義
進(jìn)入21世紀(jì)，轎車舉升機(jī)作為轎車保養(yǎng)設(shè)備的一種，隨著近幾年我國(guó)的轎車行業(yè)發(fā)展，在轎車維修行業(yè)較廣泛的應(yīng)用，維修業(yè)也發(fā)展到室內(nèi)和室外維修，舉升機(jī)在汽車的維護(hù)行業(yè)有著非常巨大的作用，無論保養(yǎng)小修還是整車大修，都需要它。在各種規(guī)模的維修保養(yǎng)企業(yè)公司中，無論是維修多種車型的綜合型修理廠，還是經(jīng)營(yíng)范圍單一的汽車店，基本都擁有舉升機(jī)。舉升機(jī)的重要性和遍及性，決定了它是一種備受汽車行業(yè)人員重視的設(shè)備。而隨著我國(guó)轎車數(shù)量的增加，作為維修保養(yǎng)的須具備的一種工具，舉升機(jī)有廣泛的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。私人購(gòu)買成為購(gòu)車的主要來源，售后市場(chǎng)也將得到蓬勃的發(fā)展，舉升機(jī)在未來的需求量也將不斷增加，據(jù)業(yè)內(nèi)專家估測(cè)，在未來三年內(nèi)，舉升機(jī)市場(chǎng)將保持在8％～12％的增長(zhǎng)率。因此，設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)單實(shí)用的舉升機(jī)有很大前景，也能增加轎車維修行業(yè)的工具，減少轎車維修工人體力勞動(dòng)，增加維修的效率。
1.4 轎車舉升機(jī)的分類
轎車舉升機(jī)產(chǎn)品種類較多，動(dòng)力形式一般有液壓和機(jī)械兩種形式，有的二次舉升采用的是氣動(dòng)。結(jié)構(gòu)類型有:單柱式，雙柱式，四柱式和剪式等結(jié)構(gòu)（如圖1.1-1.4），雙柱式有的采用門式結(jié)構(gòu)，有的四柱式舉升機(jī)作為四輪定位設(shè)備配套使用，剪式舉升機(jī)一般為移動(dòng)式的。而選擇單柱、雙柱還是四柱的舉升機(jī)，或是選擇立式、剪式、平板式還是子母式，或是幾種類型相結(jié)合的舉升機(jī)，車間結(jié)構(gòu)布局和維修中的具體需要來確定采用哪種舉升機(jī)，比如舉升機(jī)在車間的占地面積和高度，舉升機(jī)在維修和養(yǎng)護(hù)中的具體用途，以及是否要與四輪定位儀配套使用等。而轎車舉升機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)也將朝著自動(dòng)化，智能化發(fā)展。機(jī)械式舉升機(jī)被液壓式舉升機(jī)取代。對(duì)轎車保養(yǎng)行業(yè)而言，舉升機(jī)一定要安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單，否則在一定程度上會(huì)影響工作效率。而傳統(tǒng)的機(jī)械式舉升機(jī)安全性較差，所需的維護(hù)工作較多，被液壓式舉升機(jī)取代也是大勢(shì)所趨。據(jù)有人調(diào)查，訪談舉升機(jī)生產(chǎn)廠商，全部轉(zhuǎn)向了當(dāng)前主流產(chǎn)品即液壓式舉升機(jī)，它具有安全性能好、維護(hù)周期長(zhǎng)以及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品質(zhì)量智能將不斷提高。隨著技術(shù)開發(fā)的提高，舉升機(jī)在設(shè)計(jì)方面越來越智能化和人性化，將會(huì)向遙控、電腦控制方向發(fā)展。同時(shí)隨著技術(shù)的不斷成熟，其標(biāo)準(zhǔn)也將慢慢統(tǒng)一化。技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品將主導(dǎo)市場(chǎng)。
圖1.4 四柱上油缸式舉升機(jī)
圖1.5 四柱下油缸式舉升機(jī)
圖1.6 剪式舉升機(jī)
2 課題分析
2.1 設(shè)計(jì)技術(shù)要求
最大舉升質(zhì)量4000公斤；最大舉升高度1700毫米；可用于四輪定位的四柱式舉升機(jī)；符合汽車舉升機(jī)行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)
2.2.1 舉升機(jī)臺(tái)板降到下位時(shí),與地面應(yīng)盡可能在同一平面上
為達(dá)到此目的,雖然可在地面上挖掘坑洞,但還增加投資費(fèi)用,也破壞了車間地面的水平性。為此,在保證強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)下,應(yīng)盡可能降低舉升機(jī)臺(tái)板和橫梁的高度;這樣既便于汽車駛上舉升機(jī),又使駛上臺(tái)板的斜面長(zhǎng)度盡可能短,節(jié)約車間的占地。在條件許可時(shí)舉升機(jī)臺(tái)板(或橫梁)應(yīng)選擇專用型鋼或用鋼板折彎成形。
2.2.2 正確選擇傳動(dòng)方式
采用機(jī)械傳動(dòng)(螺母、螺絲)或液壓傳動(dòng)(油缸),都采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)的成本較高,耗能較多，但安全性較好。現(xiàn)實(shí)證明:機(jī)械傳動(dòng)的耗能為液壓傳動(dòng)所需耗能的兩倍(在舉升載荷、舉升時(shí)間均相同的條件下)。機(jī)械示舉升機(jī)的螺母、螺栓磨損較快,而液壓示舉升機(jī)的維修量卻相對(duì)要小些。雖然液壓示舉升機(jī)的技術(shù)難度較大,但多數(shù)的零部件(液壓泵、液壓缸、閥門、密封元件等)均可從外面購(gòu)買,當(dāng)然一定要選用優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。
2.2.3 汽車舉升機(jī)的安全保證措施
如今全世界都對(duì)在危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境下工作的人員的安全投以極大的關(guān)注。汽車舉升機(jī)具有潛在的危險(xiǎn),因?yàn)槿藗円谄湎旅婀ぷ鳎?dāng)其升降時(shí)如不小心,也會(huì)碰傷手足。近年來不少國(guó)家還制定了專門性法規(guī),以防止或至少使安全事故的可能性降低到最低限度。
汽車舉升機(jī)的安全保證措施主要應(yīng)從兩方面著手:一方面應(yīng)從設(shè)計(jì)制造方面采取措施,好提高汽車舉升機(jī)的安全技術(shù)特性;另一方面則應(yīng)在使用維修過程中遵循嚴(yán)格的操作程序,保證汽車舉升機(jī)能在好的技術(shù)狀態(tài)下正確的運(yùn)行。
3 方案論證
3.1 純機(jī)械結(jié)構(gòu)
由齒輪——齒條結(jié)構(gòu)做主動(dòng)力結(jié)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪與固結(jié)在升降板上的齒條嚙合，帶動(dòng)齒條上下運(yùn)動(dòng) 從而達(dá)到舉升的目的。簡(jiǎn)單示意圖如圖3.1，具體過程如圖3.2所示。
圖3.1 結(jié)構(gòu)示意圖
汽車
升降板
齒條
齒輪
電動(dòng)機(jī)
限位開關(guān)
圖 3.2 系統(tǒng)框圖
此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，傳動(dòng)精度高，響應(yīng)快等，但也存在著十分巨大的問題：第一，由于是四柱舉升，按照上面結(jié)構(gòu)，勢(shì)必要在每個(gè)柱上都設(shè)計(jì)此結(jié)構(gòu)，并需配置4個(gè)電動(dòng)機(jī)，不僅增加額外重量，而且經(jīng)濟(jì)性也不好，同時(shí)對(duì)同步舉升存在缺陷。第二，由于是齒輪——齒條嚙合的舉升，所以汽車的重量都由輪齒間的嚙合力平衡，對(duì)齒輪齒條的剛度要求很高，而且長(zhǎng)期負(fù)載，容易產(chǎn)生疲勞失效。
3.2 液壓結(jié)構(gòu)
由液壓結(jié)構(gòu)帶動(dòng)剛索來回運(yùn)動(dòng)，剛索的另一端經(jīng)過滑輪連接在立柱上，液壓缸安裝在平板上，由于剛索的伸縮，產(chǎn)生反作用力，舉升汽車。具體過程如圖3.3所示。
上升
剛索
上限位開關(guān)
升降板
液壓結(jié)構(gòu)
下降
下限位開關(guān)
圖3.3 系統(tǒng)框圖
PLC程序
優(yōu)點(diǎn)：
1) 液壓傳動(dòng)可以輸出大的推力或大轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動(dòng) 2) 液壓傳動(dòng)能很方便地實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大，且可在系統(tǒng)運(yùn)行過程中調(diào)速。 3) 在相同功率條件下，液壓傳動(dòng)裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。液壓元件之間可采用管道連接、或采用集成式連接，其布局、安裝有很大的靈活性，可以構(gòu)成用其它傳動(dòng)方式難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。 4) 液壓傳動(dòng)能使執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)十分穩(wěn)定，可使運(yùn)動(dòng)部件換向時(shí)無換向沖擊。而且由于其反應(yīng)速度快，故可實(shí)現(xiàn)頻繁換向。 5) 操作簡(jiǎn)單，調(diào)整控制方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。特別是和機(jī)、電聯(lián)合使用時(shí)，能方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)。 6) 液壓系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，使用安全、可靠。由于各液壓元件中的運(yùn)動(dòng)件均在油液中工作，能自行潤(rùn)滑，故元件的使用壽命長(zhǎng)。 7) 液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造、維修和推廣使用。主要缺點(diǎn)：
（1）由于液體流動(dòng)的阻力損失和泄漏比較大,所以效率比較低。如果處理不適當(dāng),泄漏不僅會(huì)污染場(chǎng)地,而且還可能引起火災(zāi)和爆炸事故。
（2）工作性能易受溫度變化的影響,因此不宜在很高或很低的溫度條件下工作
通過綜合考慮和對(duì)比，利用液壓結(jié)構(gòu)在汽車舉升機(jī)構(gòu)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。
4 機(jī)械部件設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 舉升機(jī)運(yùn)動(dòng)過程原理
四柱舉升機(jī)由液壓驅(qū)動(dòng)，通過滑輪與鋼絲繩傳遞應(yīng)力，具體運(yùn)動(dòng)流程見圖4.1：
電動(dòng)機(jī)
液壓缸
鋼絲繩
平 板
圖4.1 簡(jiǎn)單示意流程圖
在上述流程中，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓缸排液，與鋼絲繩連接的液壓桿縮回，通過滑輪的變向，使平板受到向上的的舉升力，平板被向上舉升。同樣的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸注液，液壓桿伸出，此時(shí)平板仍然受向上的力，只是鋼絲繩在伸長(zhǎng)，平板受重力作用自動(dòng)下降。
簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)示意圖見下圖4.2：
圖4.2 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖
由以上結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可得：
（1）因?yàn)槠桨宓呐e升、下降是由液壓桿的來回運(yùn)動(dòng)控制，所以平板的最大舉升高度主要受液壓桿初始長(zhǎng)度的影響，安裝的時(shí)候液壓桿初始長(zhǎng)度1米的話，最大舉升高度也為1米。
（2） 立柱內(nèi)固定點(diǎn)實(shí)則為立柱蓋上與鋼絲繩連接的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)可以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，（示意圖上為上移或下移固定點(diǎn)）使得被四個(gè)立柱支撐的平板在同一水平面內(nèi)。
4.2 立柱設(shè)計(jì)計(jì)算
整個(gè)立柱體相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁，可畫出立柱的彎矩圖和剪力圖。
由F1引起的彎矩圖和剪力圖見（圖4.3）：
圖4.3立柱上F1作用力及其彎矩圖和剪力圖
l=2600mm b=2415mm a=185mm （4.1）
由F2引起的彎矩圖和剪力圖見（圖4.4）：
圖4.4 立柱上F2作用力及其彎矩圖和剪力圖
l=2600mm b=1890mm a=710mm
（4.2）
由FBY產(chǎn)生的M引起的彎矩圖見（圖4.5）：
圖4.5立柱上M作用力及其彎矩圖
（4.3）
綜上所述，立柱受力彎矩圖和合成剪力圖如（圖4.6）所示。
圖4.6立柱受力的合成彎矩圖和合成剪力圖
從圖中可以得出
在截面C處，剪力為最大（QC=2640.5kg），彎矩為最大（MC=1386262.5kg）,所以此處為危險(xiǎn)截面。前面計(jì)算已得，抗彎截面模數(shù)為：
(4.4)
截面上半部分靜矩S＝171.24cm3，
(4.5)
以下進(jìn)行強(qiáng)度校核：
（1）校核正應(yīng)力強(qiáng)度：
(4.6)
許用應(yīng)力選： (4.7)
，滿足強(qiáng)度條件。
（2）校核剪應(yīng)力強(qiáng)度：
(4.8)
選，而許用應(yīng)力
(4.9)
，滿足強(qiáng)度條件。
（3）折算應(yīng)力強(qiáng)度校核：
主立柱橫截面上的最大正應(yīng)力產(chǎn)生在離中性軸最遠(yuǎn)的端處，而最大剪應(yīng)力則產(chǎn)生在中性軸上，雖然通過上面的校核說明在這兩處的強(qiáng)度都是滿足要求的，但是因?yàn)樵诮孛鍯處，M和Q都具有最大值，正應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較大，因此這里的主應(yīng)力就比較大，有必要根據(jù)適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度理論進(jìn)行折算應(yīng)力校核，取該截面邊緣處某點(diǎn)K來進(jìn)行計(jì)算：
(4.10)
(4.11)
（4.12）
由于點(diǎn)K處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，立柱的材料采用的30鋼是塑性材料，可以采用第四強(qiáng)度理論[20]，將 的數(shù)值代入，用統(tǒng)計(jì)平均剪應(yīng)力理論對(duì)此應(yīng)力狀態(tài)建立的強(qiáng)度條件為：
(4.13)
所以
即 (4.14)
∴按第四強(qiáng)度理論所算得的折算應(yīng)力也滿足許用強(qiáng)度要求。
4.3 梁設(shè)計(jì)計(jì)算
梁力學(xué)上可簡(jiǎn)化為下圖4.7：
圖4.7 梁受力圖
圖中：
L——梁的有效長(zhǎng)度，mm
G——梁的自重，N
a——梁的支架到承受橋上重力一端的距離，mm
c——架在梁上，橋與梁接觸的有效寬度，mm
由設(shè)計(jì)過程，可得：
a = 250mm
c = 500mm
L = 3000mm
q = 20N/mm
G = 842.4N
由計(jì)算來看，自重相對(duì)于梁上所受外力很少，為簡(jiǎn)化后面計(jì)算，忽略自重，對(duì)最終計(jì)算結(jié)果基本無影響。
現(xiàn)計(jì)算過程如下：
由梁的平衡條件可得：
由梁的受力情況繪出梁上的剪力及彎矩圖，如圖4.8
圖4.8 彎矩圖
由圖得：
——梁上最大剪力
——梁上最大彎矩
4.3.1 強(qiáng)度校核
梁的截面尺寸如圖4.9：
圖4.9 梁截面圖
由設(shè)計(jì)過程可得：
=150mm
=50mm
所以：
（4.15）
所以截面對(duì)形心軸的慣性矩
（4.16）
（4.17）
（4.18）
（4.19）
由于45#
所以此梁滿足強(qiáng)度要求。
4.3.2 剛度校核
在q的作用下，梁產(chǎn)生的最大擾度為于中點(diǎn)，則
（4.20）
其中：
E=210Mpa 材料的彈性模量
b = a+c/2
所以
符合剛度要求。
4.4 橋身設(shè)計(jì)計(jì)算
橋身可簡(jiǎn)化為下圖4.10：
圖4.10 橋身受力圖
其中 C ，D兩點(diǎn)看作車輪與橋身的接觸點(diǎn)
橋身與梁的接觸面簡(jiǎn)化為A ，B兩點(diǎn)
由設(shè)計(jì)過程得：
L1=2500mm
L2=1025mm
L=4550mm
G=10000N 單個(gè)車輪上的車重
由平衡條件可得梁對(duì)橋升的反力：
由橋身的受力情況繪出橋身上的剪力及彎矩圖，如圖4.11：
圖4.11 彎矩圖
由圖得：
——梁上最大剪力
——梁上最大彎矩
4.4.1 強(qiáng)度校核
橋身的截面尺寸如圖4.12：
圖4.12 橋身截面圖
由設(shè)計(jì)過程可得：
所以：
（4.21）
所以截面對(duì)形心軸的慣性矩
（4.22）
（4.23）
（4.24）
（4.25）
由于45#
所以此梁滿足強(qiáng)度要求。
4.4.2 剛度校核
在q的作用下，梁產(chǎn)生的最大擾度位于中點(diǎn)，則由
（4.26）
其中：
E=210Mpa 材料的彈性模量
b = a+c/2
所以
符合剛度要求。
4.5 鋼絲繩的選取
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》，按GB/T8706-1988選擇圓鋼絲繩
求鋼絲繩的直徑：
根據(jù)舉升機(jī)的使用條件分析得到機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別M4，查表c=0.095
所以d=c√F=0.095*84.69=8.04mm,取直徑為8mm
繩的類型為6*7（6個(gè)圓股每股外層絲可到7根），經(jīng)計(jì)算查表得，選擇纖維芯鋼絲繩
表4-1 鋼絲繩
機(jī)構(gòu)工作級(jí)別
選擇系數(shù) C值
最小安全系數(shù)n
鋼絲公稱抗拉強(qiáng)度σb/MPa
1550
1700
1850
M1~M3
0.093
0.089
0.085
4
M4
0.099
0.095
0.091
4.5
M5
0.104
0.100
0.096
5
M6
0.114
0.109
0.106
6
M7
0.123
0.118
0.113
7
M8
0.140
0.134
0.128
9
4.6鋼絲繩與吊環(huán)的聯(lián)結(jié)方法
采用繩卡固定法，原理就是采用套換與騎馬螺栓固定，如下圖：
圖4.13 鋼絲繩
根據(jù)鋼絲繩8mm的直徑能承受2869.12kg的重量，這已可以舉升2000kg的轎車加其他重量。
4.7 滑輪軸承的選用及校核
下表4.2是截取的一段深溝球軸承的尺寸參數(shù)
在本設(shè)計(jì)中，舉升機(jī)的舉升重量為5T，共有四個(gè)立柱內(nèi)滑輪分別承受1.25T的重量。所以在選用軸承時(shí)擬選用6406這一型號(hào)。
6406具體參數(shù)如下：
名稱＝深溝球軸承
標(biāo)準(zhǔn)=GB/T276-1994
軸承代號(hào)=6406
基本尺寸\d(mm)=30
基本尺寸\D(mm)=90
基本尺寸\B(mm)=23
安裝尺寸\damin(mm)=39
安裝尺寸\Damax(mm)=81
安裝尺寸\rasmax(mm)=1.5
基本額定載荷\Cr(kN)=47.5
基本額定載荷\Cor(kN)=24.5
極限轉(zhuǎn)速\脂(r/min)=8000
極限轉(zhuǎn)速\油(r/min)=10000
重量(kg)=0.71
軸承額定載荷：
每個(gè)軸承實(shí)際載荷：
安全系數(shù)為： （4.27）
符合要求。
5 液壓系統(tǒng)
5.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)要求：
額定舉升重量：G1=4000 kg
液壓缸有效工作行程：L2=1500 mm
全行程上升時(shí)間： t1<=60s
全行程下降時(shí)間： t2>=20s
液壓缸參數(shù)：
選用“HCS-80-拉”型液壓缸，主要尺寸：
缸體外徑 D=95 mm
活塞直徑 d1=80 mm
活塞桿直徑 d2=30mm
活塞最大行程 Lm=1750 mm
液壓缸工作壓力計(jì)算：
（5.1）
液壓泵流量選擇：
升降速度：
上升速度 （5.2）
下降速度 由限流閥調(diào)節(jié)
升降時(shí)間：
上升時(shí)間 （5.3）
下降時(shí)間 由限流閥調(diào)節(jié)
液壓缸動(dòng)力單元功率計(jì)算：
(5.4)
其中 為液壓泵的總效率 本設(shè)計(jì)中取 0.7
所以 P=0.973KW
所以選定電動(dòng)機(jī)功率為=1.1KW 可選用型號(hào) Y802-2
活塞缸強(qiáng)度驗(yàn)算
根據(jù)活塞桿只受拉力作用的工作情況，演算公式為：
(5.5)
（5.6）
其中：=530MPa 材料抗拉強(qiáng)度
n = 5 安全系數(shù)
所以，
活塞實(shí)際直徑 滿足強(qiáng)度要求。
5.2 液壓系統(tǒng)工作原理
如圖所示為升舉機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖，葉片泵3由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從油箱1經(jīng)過濾器2吸油，葉片泵排出的壓力油經(jīng)過溢流閥4，液壓泵的工作壓力由溢流閥限定，油表5顯示工作壓力，壓力油經(jīng)單向閥6到電磁換向閥，當(dāng)處于圖中所示位置時(shí)，壓力油經(jīng)過節(jié)流閥8到液壓缸9右側(cè)，液壓缸左側(cè)油由于壓力作用流進(jìn)油箱由此活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，,活塞桿也停止工作，保持不動(dòng)。當(dāng)電磁換向閥7由于電磁作用向右移動(dòng)后，電動(dòng)機(jī)工作，壓力油進(jìn)入液壓缸左側(cè)，液壓缸右側(cè)油經(jīng)單向閥8流回油箱，由此活塞向右運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
1.油箱 2.過濾器 3.葉片泵4溢流閥 5壓力表 6單向閥 7電磁換向閥
8.節(jié)流閥 9.液壓缸
圖5.1 液壓原理圖
6 電氣控制原理
舉升機(jī)是通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這必然要涉及電氣控制。本設(shè)計(jì)采用繼電器控制原理，通過繼電器盒幾個(gè)開關(guān)元件達(dá)到簡(jiǎn)單控制的目的。
下圖6.1紀(jì)委所設(shè)計(jì)的控制原理圖，其原理:
閉合SB2時(shí),KM1線圈得電,KM1開關(guān)閉和形成回路,形成自鎖從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖6.1 電氣原理圖
7 安全裝置
安全控制機(jī)構(gòu)的控制原理是基于如下圖7.1結(jié)構(gòu)的：
圖7.1 安全裝置
電磁鐵繼電器結(jié)構(gòu)上就安裝在 1 處。初始電磁鐵不得電，結(jié)構(gòu)處于圖示狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)閉合，繼電器得電，電磁鐵吸引活動(dòng)擋板向左移動(dòng)，彈簧推動(dòng)安全板也向左移動(dòng)，與凸臺(tái)接觸或者擱置于凸臺(tái)上，安全機(jī)構(gòu)起作用。當(dāng)開關(guān)斷開，電磁鐵失去吸引力，活動(dòng)擋板向左移動(dòng)，回到初始位置，安全斑與凸臺(tái)分離，安全機(jī)構(gòu)失去作用，舉升機(jī)可下降。
8 結(jié)論
（1）計(jì)算結(jié)果表明預(yù)定方案基本可行。
（2）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。
（3）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、尺寸緊湊、容易制造、生產(chǎn)成本低、容易組織生產(chǎn)。
（4）所選液壓缸的行程、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，且整個(gè)行程上升時(shí)間小于60s。
（5）電氣控制設(shè)計(jì)使舉升機(jī)簡(jiǎn)單易操作。
（6）預(yù)定的技術(shù)路線是成功的，設(shè)計(jì)步驟是合理的。
9 致謝
在指導(dǎo)老師林承德的多次指導(dǎo)下完稿,感激之情,溢于言表。在寫說明書的過程中，得到了許多同學(xué)的幫助和指導(dǎo)，林老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的專業(yè)知識(shí)和無私的奉獻(xiàn)精神令我很感動(dòng)，在這我要對(duì)指導(dǎo)老師表達(dá)衷心的敬意和謝意。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅提高了我自己的認(rèn)知能力，豐富了閱歷，更鍛煉了我的觀察能力，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我四年來所學(xué)到的課本知識(shí)得到了升華。
對(duì)于設(shè)計(jì)中存在的各種不足，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指教。
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