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四柱汽车举升机设计说明书
学校代码：
10410
本科毕业设计
题目：
四柱汽车举升机
学院：
姓名：
学号：
专业：
工程机械运用于维护
班级：
指导教师：
1绪论
1.1设计的依据及意义
进入21世纪，轿车举升机作为轿车保养产品的一种，随着近几年我国的轿车行业发展，在轿车维修行较广泛的应用，适用业有了于室内和室外实现对轿车的维修，装配，检测，清洗和停车。
举升机在汽车维修养护中发挥着至关重要的作用，无论整车大修，还是小修保养，都离不开它。
在规模各异的维修养护企业中，无论是维修多种车型的综合类修理厂，还是经营范围单一的街边店（如轮胎店），几乎都配备有举升机。
举升机的重要性和普及性，决定了它是一种备受专业人士和经营管理者重视的设备。
而随着我国轿车数量的巨增，作为维修保养的须具备的一种工具，举升机有广泛的市场和应用前途。
私人购买成为购车的主流，售后市场也将得到蓬勃发展，举升机在未来的需求量也将不断增加，据业内专家预测，在未来三年内，举升机市场将维持在8％～12％的增长率。
因此，设计出一款简单实用的举升机有很大利润，也能增加轿车维修行业的工具，减少轿车维修工人体力劳动，增加维修效率。
1.2轿车举升机的分类
轿车举升机产品种类较多，提升动力一般有液压和机械两种形式，有的二次举升采用气动。
结构类型有单柱式，双柱式，四柱式和剪式等结构（如图1.1-1.4），双柱式有的采用门式结构，有的四柱式举升机作为四轮定位设备配套使用，剪式举升机一般为移动式的。
而选择单柱、双柱还是四柱的举升机，或是选择立式、剪式、平板式还是子母式，或是几种类型相结合的举升机，主要是根据车间结构布局和维修中的具体需要来确定，比如举升机在车间的占地面积和高度，举升机在维修和养护中的具体用途，以及是否要与四轮定位仪配套使用等。
而轿车举升机的发展趋势也将朝着自动化，智能化发展。
机械式举升机基本被液压式举升机取代。
对轿车保养行业而言，举升机一定要安全可靠、维护简单，否则在一定程度上会影响工作效率。
而传统的机械式举升机安全性较差，所需的维护工作较多，被液压式举升机取代也是大势所趋。
据有人调查，访谈举升机生产厂商，全部转向了当前主流产品即液压式举升机，它具有安全性能好、维护周期长以及工作效率高等优点。
产品智能化将不断提高。
随着技术开发的日薪月异，举升机在设计方面越来越智能化和人性化，将会向遥控、电脑控制方向发展。
同时随着技术的不断成熟，其标准也将逐步统一化。
技术先进、质量稳定的产品将占领市场。
图1.1四柱上油缸式举升机
图1.2四柱下油缸式举升机
图1.3剪式举升机
图1.4液压式双柱举升机
其总的来说分类表如下表1.1：
表1.1举升机的分类
2举升机设计的方案拟定
2.1举升机的基本情况
2.1.1分析比较各类举升机的特点
举升机在上面众多的类型中，各种类型各有各的优点和缺点。
下面就分析各种举升机的特点：
1）双柱举升机双柱举升机分为机械式和液压式，机械式举升机流行于1992-1998年间，期间生产的厂家也很多，该举升机的特点是同步性好，但由于机械磨损维护成本高（经常需要更换螺母以及轴承），因此该类型的举升机已开始逐渐淘汰。
液压式举升机维护成本低，油缸使用5－10年没问题，液压举升机分为两种一种是单缸举升机，一种是双缸举升
单缸液压举升机特点：
同步性好，不存在颠簸现象，有底板，举升机得扭力靠底板抵消，安全性好。
双缸液压举升机特点：
双缸举升机分为龙门式举升机和薄地板举升机，由于是双缸，同步问题难以解决，往往靠两根钢丝绳来平衡，油缸以及钢丝绳要调整得松紧一致，举升机就可以同步。
薄地板举升机没了地板是为了最大节省材料，去掉底板，使得立柱得扭力靠地面来抵消，所以对地基要求很高。
若是有横梁（龙门举升机）就靠横梁抵消。
值得一提的是目前举升机的保险解锁方式的不一样,导致使用者的劳动强度不一样,目前大部分保险解锁均为手动解锁,这样员工需要跑来跑去拉保险每上升一点就要拉保险才能下降,然而电动解锁只需一个按钮就可解锁,这类举升机将成为以后举升机的主流产品。
2）四柱举升机四柱举升机按结构分为上油缸式以及下油缸式，上油缸式指油缸置于立柱顶部（带横梁），下油缸式指油缸置于平板下面。
上油缸四柱举升机：
上油缸四柱举升机主要依靠四根链条拉起四个角，拉力油缸置于顶部，这种结构简单，但自重增加。
二次举升为手动或气动，修理工需要跑到底下操作，这对于经常使用二次举升得用户不方便和不安全，保险装置为气动装置，若没有气源则比较麻烦。
本机型也适合四轮定位用，因为有一四轮定位档位，可以调整，可以确保水平。
下油缸四柱举升机：
下油缸四柱举升机主要依靠四根粗钢索拉起四角，拉力油缸置于平板下面，通过6个圆盘将力传达四面。
这种结构比较紧凑，自重降低，二次举升一般为电动液压，和主泵连接在一起，只要转动转换阀即可，升降速度快，保险装置为楔块式，四个楔块利用拉杆联动，扳动拉杆就可打开保险装置，方便耐用。
本机型容易调水平，适合四轮定位用。
3）剪式举升机剪式举升机分为大剪（子母式），小剪（单剪）举升机，超薄系列举升机。
小剪举升机：
该类型主要用于汽车维修保养，安全性高，操作方便。
挖槽后与地面相平。
大剪举升机：
大剪举升机涌出比较多，是配合四轮定位仪的最佳设备，并可以作为汽车维修，轮胎，底盘检修用。
可以挖槽，也可以直接安装在地面上。
超薄系列剪式举升机：
超薄系列剪式举升机无需挖槽，适用于任何修理厂，有一些楼板上不适合安装二柱举升机以及普通四柱举升机，而本机器与楼板接触面广，这样可以安装在任何可以开车的楼板上面，解决客户场地问题。
这类机器是今后的主流产品，国外大规模使用本类产品。
总的来说，剪式举升机是较为精密的仪器，如果做工不好或者设计不好都容易导致台面不平，单边升降等危险的发生，大部分用户用该类型的举升机是用来作为四轮定位仪的平台，这样设计该类型则需要求更加严格。
2.1.2汽车举升机的主要参数
普通式双柱举升机、龙门式双柱举升机和四立柱式举升机这三种目前市场上主要的汽车举升机的主要技术参数统计如表2.1所示。
额定举升质量最大举升高度盘距地高度全程上升时间全程下降时间
普通式双柱2.5-4T1700-1800mm110-180mm50-70Sec20-60Sec
龙门式双柱2.5-4T1700-1800mm110-180mm50-70Sec20-60Sec
四立柱式2.5-4.5T1700-1800mm110-180mm50-70Sec20-60Sec
表2.1汽车举升机的主要参数
2.2汽车举升机的主要结构与要求
2.2.1举升机的结构形式
主要有：
（1）整体结构形式
（2）举升方式（3）驱动方式（4）平衡方式（5）保险与保护方式
2.2.2举升装置的要求
在我国的规定中讲到举升机的设备安装电器系统的绝缘、耐压和保护电路的连续性要符合GB5226（机械安全机械电气设备）的有关规定。
而在欧美地区同样也有其相应的明文规定。
举升机的设计中液压系统的设计也是至关重要的。
在欧洲地区液压缸、气缸、管路及接头受调压阀设定的最大压力的限制。
他们至少应承受该压力的2倍（采用液压驱动时）或是该压力的3倍（采用气压驱动时）并且要没有永久变形。
软管、气袋、膜盒的尺寸在设计时应使之承受至少3倍的调压阀设定的最大压力值的爆破压力。
我国对举升机的性能要求也比较繁多，例如：
（1）举升机应设有限制行程限位装置，如有需要则该装置应动作灵敏、安全可靠。
（2）液压系统工作应平稳、无振动、无爬行现象。
（3）液压式举升机除液压系统能自锁外还应没有机械锁止装置。
（4）机械式举升机任意时刻都能安全自锁。
（5）举升机正常运行时的噪音不得超过80dB。
（6）举升机工作环境温度为0—40℃，全行程连续举升额定质量20次，油温不得高于60℃。
（7）在试验台上对液压系统施高150%的额定使用压力，维持2min，不允许有永久变形、漏油及其他异常现象。
（8）在无故障工作基础上，机械式举升机的使用继续进行到3000次，则液压举升机可以继续进行到9000次，以安全可靠为前提，检查零部件损坏程度，允许更换损坏件，允许添加润滑剂
2.3普通式双柱汽车举升机结构方案的确定
设计的课题参数为：
1，额定重量：
2吨。
2，举升高度范围：
100mm至1750mm。
立柱宽度：
3440mm。
通过对汽车举升机的结构的认识和了解，确定了本次设计的举升机的总体方案。
如下图2.1所示：
图2.1举升机示意图
本次设计的是由液压驱动的普通式四柱汽车举升机。
它的结构主要包括以下几个部分：
立柱、承车跑板、横梁。
普通式四柱汽车举升机的举升机构的传动系统是由液压系统来驱动和控制的，由承车跑板下安装的液压油缸来推动连接立柱与横梁的钢丝绳，使横梁上安装的大滚轮沿立柱滚动，实现承车跑板的上下移动。
3普通式四柱汽车举升机的结构设计
3.1立柱
普通式四柱汽车举升机的立柱有四个，分别是左、右两边各两个立柱。
下图是主边立柱的俯视图。
整个举升机的重量几乎都是由立柱来支撑的，因此它必须要有一定的强度和刚度。
立柱中间的空间是用来放置举升装置以及滑台部件的。
整个立柱部分的行位公差要求也比较高，如图水平方向的立柱臂和垂直方向的立柱壁要求要保持一定的直线度和平行度，立柱内外表面还要有一定的粗糙度等。
3.2横梁
横梁是四柱举升机的部件，它连接着立柱和承车跑板，有了横梁的连接才使举升机成为很好的一个整体。
横梁的结构是空心的方钢，其中含有非常重要的机械自锁结构，同时承车跑板是通过螺栓连接在横梁上。
横梁受到的力也比较大，在横梁的端部还安装有定滑轮，所以它也要求有一定的强度和适当的粗糙度。
它的三视图如下图：
3.3承车跑板
承车跑板是用来停放汽车的部件，因为要停放汽车所以它的粗糙度就不能太小，故在跑板的表面加有一些凸起的防滑块，在CAD制图中未画出。
跑板的宽度也不能过小，宽度至少是轮胎的1.5倍，由于要停放几吨的汽车其强度也有一定的要求，下图为其的俯视图：
3.4保险机构
汽车举升机是一种对安全性能要求特别高的举升设备。
通常设有多种保险装置和保护，分别有液压回路的保压、机械锁止保险装置、机械自锁装置、举升过载保护、冲顶保护、防滑等等。
本次设计中采用液压回路的保压和机械自锁装置来进行保险。
机械自锁主要是通过四个楔形挡块与立柱中的走道相卡，通过摇杆与钢丝绳的连接来控制其与立柱走道的接触,其俯视图如下图：
上图1为连杆、2为手柄、3为自锁挡板、4为保险摇板
3.5支撑结构
支撑结构是由液压缸、钢丝绳、定滑轮组成。
其原理为液压缸与钢丝绳连接再通过定滑轮改变钢丝绳的走向，钢丝绳通过专用索具与立柱和活塞杆连接，由于所有的重量都是由钢丝绳来承担，所以钢丝绳要有足够的抗拉强度，其钢丝绳的俯视图走向如下图所示：
上图1为立柱滑轮、2为跑板对称定滑轮、3为活塞杆、4为液压缸、5为跑板非对称定滑轮、6为钢丝绳。
其工作原理：
活塞杆在油液压力的作用下伸长或缩短，缩短使汽车上升，伸长使汽车下降，定滑轮起到改变钢丝绳方向的作用。
由于是单缸作用使左右承板运动一致从而避免了不协调的运动。
此系统要求液压缸的压力要做够大。
4举升机立柱的结构分析和验算
4.1主立柱的截面特性分析与计算
主立柱体是举升机主要的受力承重部件。
举升机立柱在工作时受来自于保险锁机构处因承重的压力和升降滑台滚轮作用在立柱上的弯矩。
因此，立柱在这两种力的作用下，有向内弯的变形趋势，底部焊口在拉压应力的作用下有开裂的倾向，故立柱底部与底座处焊有加强筋。
立柱壳体用钢板整体压制成形，其内部相应位置焊有保险装置支承板，用于锁定状态时受力和承重，下部与底座焊接。
其中主立柱体上还装有液压泵站和电气控制箱。
主立柱作为主要的承重部件，先对其截面特征进行分析，主要是确定立柱截面形心的位置和截面的惯性矩。
4.2举升机主立柱受力情况分析
立柱受力情况（见图），F1和F2是滑台通过滚轮作用在立柱上的力（图示为最高位置），FBX和FBY为滑台作用在立柱上的支承力（压力），RHX、RHY和MH为底部支座反力。
针对立柱受力情况，经计算得：
普通式四柱举升机主立柱受力情况示意图
RHX=0RHY=FBY=1066.37kg
4.3普通式四柱举升机主立柱强度校核计算
从图4.3看出，整个立柱体相当于一个悬臂梁，可画出立柱的弯矩图和剪力图。
由F1引起的弯矩图和剪力图见（图4.4）：
图4.4立柱上F1作用力及其弯矩图和剪力图
l=2600mmb=2415mma=185mm
由F2引起的弯矩图和剪力图见（图4.5）：
图4.5立柱上F2作用力及其弯矩图和剪力图
l=2600mmb=1890mma=710mm
由FBY产生的M引起的弯矩图见（图4.6）：
图4.6立柱上M作用力及其弯矩图
综上所述，立柱受力的合成弯矩图和合成剪力图如（图4.7）所示。
图4.7立柱受力的合成弯矩图和合成剪力图
从图中可以得出
在截面C处，剪力最大（QC=2640.5kg），弯矩最大（MC=1386262.5kg）,所以此处是危险截面。
前面计算已经得到
，抗弯截面模数为：
………………………………………（4.8）
截面上半部分静矩S＝171.24cm3，
…………（4.9）
以下进行强度校核：
（1）校核正应力强度：
………………（4.10）
许用应力选：
…………………………（4.11）
，满足强度条件。
（2）校核剪应力强度：
…………………（4.12）
选
，而许用应力
………（4.13）
，满足强度条件。
（3）折算应力强度校核：
主立柱横截面上的最大正应力
产生在离中性轴最远的边缘处，而最大剪应力
则产生在中性轴上，虽然通过上面的校核说明在这两处的强度都是满足要求的，但是因为在截面C处，M和Q都具有最大值，正应力和剪应力都比较大，因此这里的主应力就比较大，有必要根据适当的强度理论进行折算应力校核，取该截面边缘处某点K进行计算：
……………………（4.14）
………………………………（4.15）
由于点K处在复杂应力状态，立柱体材料采用的30钢是塑性材料，可以采用第四强度理论[20]，将
的数值代入，用统计平均剪应力理论对此应力状态建立的强度条件为：
…………………（4.16）
所以
即
…………………………………………………（4.17）
∴按第四强度理论所算得的折算应力也满足许用强度要求。
5各轴的确定
在普通四柱举升机中轴都是与滑轮连接的，且滑轮又是与钢丝绳连接，所以轴受到了比较大的力和弯矩，在选择轴的尺寸时要进行计算确定。
5.1对称滑轮轴的确定
由分析得此轴只受到弯矩的作用，其受力如下图所示：
其中G1=2GG2=G3=G
XZ方向：
FAZ-G1-G3+FCZ=0··················①
XY方向：
FAY+G2+FCY=0···················②
以A为中心XZ面弯矩：
G1*AB+G3*AC-FCZ*AD=0······③
XY面弯矩：
-G2*AC-FCY*AD=0·········④
根据以上方程得：
FCZ=59757.1N
FCY=-37624.9N
FAZ=86315.9N
FAY=-11066.1N
求弯矩弯矩XZ面，其弯矩图如下图
AB段：
MAB=FAZ*X
BC段：
MBC=FAZ*X-G1（X-AB）
CD段：
MCD=FAZ*X-G1（X-AB）-G3（X-AC）
由上方程得MAB=2157.9MBC=4415.4MCD=0
弯矩XY面，其弯矩图如下图
AC段：
MAC=FAY*X
CD段：
MCD=FAY*X+G2*（X-AC）
由上方程得MAC=-940.6MCD=0
再根据轴的直径确定公式确定轴的直径：
5.2其它轴径的确定
根据以上类似的计算可求出非对称滑轮轴直径d=24mm
立柱上的滑轮直径d=20mm
6液压系统
6.1液压缸参数的设定
通过计算初定参数为：
缸体长度L=1700mm
工作行程l=1650mm
活塞杆直径d=63mm
计算长度l′=L+l=3350mm
柔性系数m=85
末端条件系数n=2
6.2液压缸的选定
6.2.1液压缸大小的确定
液压缸的工作压力为跑板和横梁的重力加上举升的重力，即：
F=G+2000㎏其中G为跑板和横梁的重力
根据举升机的整体大小确定跑板和横梁的重量：
m跑板=83*0.8*410*7.85*2=427.4㎏m横梁=8*14*0.8*314*7.85*2=441.7㎏
所以m总=m跑板+m横梁=869.1㎏
G总=869.1㎏*10=8691N
G=G总+G车=8691N+20000N=28691N
由上所计算的数据查机械设计手册得液压缸的大径D=90mm,小径d=63mm
6.2.2液压缸的安装方法
液压缸的安装方式为尾部销轴式（可见机械设计手册得液压缸安装方法篇章）
6.3液压系统的工作原理及示意图
1——定量液压泵;2——先导式溢流阀;3——二位二通电磁换向阀;4——压力表;5——三位四电磁换向阀;6、7——液控单向阀;8——液压缸
如图所示为升举机的液压系统原理图.系统采用定量液压泵1供油,系统压力;由先导式溢流阀2设定并由压力表4显示,系统卸荷由二位二通电磁换向阀3控制.液压缸的运动方向由三位四通电磁阀5控制。
本液压系统设有二级液控单向阀（6、7）,以保证液压泵停机或其他故障时液压缸不因泄漏而影响举升的安全可靠性,液压缸附近的两个按纽控制盒,用于控制缸的升降。
系统的动作顺序与原理如下:
1）举升按上升按钮,电动机驱动液压泵1空载启动,延迟3s后电磁铁1YA通电使换向阀3切换至右位，液压泵1由卸荷转为升压。
同时，电磁铁2YA通电使换向阀5切换至左位，液压泵1的压力油经阀5、6、7进入缸8的无杆腔，液压缸8上升，有杆腔经换向阀5向油箱排油。
2）停位松开上升按钮，电磁铁1YA、2YA断电使换向阀3和5复位，液压泵1卸荷，液压缸8停止并保持在既定位置；3min后电机自动停止。
3）下降按下降按钮，使电机驱动液压泵1启动，延迟3s后电磁铁1YA、3YA通电使换向阀3切换至右位，换向阀5切换至右位，液压泵的压力油经阀5进入缸8的有杆腔，同时反向导通液控单向阀6、7液压缸8下降，无杆腔的油液经阀5排回油箱。
4）停止松开下降按钮,各电磁铁均断电,液压缸8停止,电动机驱动液压泵卸荷空载运转,3min后液压泵自动停机。
7钢丝绳及滑轮的选用
7.1求钢丝绳的直径
根据《机械设计师手册》，按GB/T8706-1988选择圆钢丝绳
求钢丝绳的直径：
根据举升机的使用条件分析知机构的工作级别为M4，查下表c=0.095
所以d=c√F=0.095*84.69=8.04mm,在这取直径为8mm
绳的类型为6*7（6个圆股每股外层丝可到7根），经计算查表得，选择纤维芯钢丝绳
机构工作级别
选择系数C值
最小安全系数n
钢丝公称抗拉强度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
7.2钢丝绳与吊环的联结方法
采用绳卡固定法，原理就是采用套换与骑马螺栓固定，如下图：
根据钢丝绳8mm的直径能承受2869.12kg的重量，这已足够举升2000kg的轿车加其他重量。
7.3确定滑轮的直径
查表可得滑轮的尺寸：
Dmin=hd=18*8=144mm
常数h=18为按标准表来选取，其中的安全系数为5。
由表可得：
D=144，R=5，C=11结构如图：
上面滑轮的材料是用一般的铸铝合金，它们的抗拉强度一般只有137-245MPa，硬度也不大，只有50-90HB。
由于上面的选用的滑轮在整个设计的轿车举升机中尺寸过大，这样不方便整体设计，为了减少滑轮的直径，滑轮的材料选用为40Cr的钢，其抗拉强度为981MPa，屈服强度为：
785MPa。
这样滑轮的材料比原来的强了6-7倍，在满足材料的力学强度下，滑轮的参数减少为：
D=86，C=20，A=20。
7.4滑轮直径与钢丝绳直径匹配关系
（查手册：
机械工业出版社，《机械设计手册》新版第2本,第八篇，表8.1-64）.
7.5滑轮形式
按JB/T9005.3－1999标准，滑轮共分A、B、C、D、E、F六种形式。
结构比较好而密封严密的为A型和B型。
7.6滑轮技术条件.
7．6.1材料选择
由于滑轮是与钢丝绳连接，承受着比较大的力，再根据机械设计手册查询选择45钢
7.6.2外观
滑轮表面应光华平整，应去除尖棱和冒口，滑轮不得有影响使用性能和有损外观的缺陷（如气孔、裂纹、疏松、铸疤等）。
7.6.3热处理
滑轮应进行调质处理，以消除铸造或焊接应力。
7.6.4其他
滑轮的加工部位（内孔、绳槽表面等）和隔环的外露部位应涂抹抗腐蚀的防锈油；不加工部位应涂防锈漆。
7.6.5滑轮强度计算
小型铸造滑轮的强度，决定于铸造工艺条件。
一般不进行强度计算。
对于大尺寸的焊接滑轮，则必须进行强度计算。
7.7钢丝绳长度的确定
在举升系统中一共有四根钢丝绳，标注见下图
钢丝绳的长度分别为：
A=672+165+170=1007mm
B=4276+165+170=4611mm
C=2132=+165+170=2467mm
D=4276+2132+165+170=6743mm
上面各绳的计算都是粗略的计算，为了在安装时避免钢丝绳长度不足，现确定各钢丝绳的长度A=1107mmB=4711mmC=2567mmD=6843mm
8其它标准件的选定
8.1弹簧的选择
根据弹簧的工作条件，再由机械设计手册GB/T1239-1992查询选用冷卷拉伸弹簧（L），代号Lv，端部结构形式为长臂半圆钩环，直径规格为C级
8.2螺栓的选择
由螺栓的工作条件再根据机械设计手册GB5-76选用六角头螺栓，其基本参数为d=16mms=24mmH=10mmD=27.7mmr=1mmL=108mm
8.3螺母的选择
由螺母的工作条件分析，再根据机械设计手册查询
8.3.1活塞杆上的螺母选择
根据机械设计手册GB/T6171选用六角螺母，其参数为m=38mmdw=69.5mmd=48mm
8.3.2固定跑板的螺母选择
根据机械设计手册GB52-76选用六角螺母，其参数为d=16mms=24mm
D=27.7mmH=13mm
8.4垫片的选择
根据机械设计手册GB97-76选择开口式垫圈，其基本参数为d=16mm
D=38mms=2mm
9装配要求及使用说明
9.1地基要求
地基的尺寸是根据整个举升机
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