汽车双柱举升机设计设计计算.docx
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汽车双柱举升机设计设计计算
第1章方案的拟定
1.1举升机的基本情况……………………………………………………………1
1.2汽车举升机的主要结构与要求………………………………………………2
1.3结构方案的确定………………………………………………………………3
1.4，普通式双普通式双柱汽车举升机设计的性能参数………………………4
2结构设计
2.1举升装置………………………………………………………………………5
2.2立柱……………………………………………………………………………6
2.3支撑机构………………………………………………………………………7
2.4平衡机构………………………………………………………………………9
2.5保险机构………………………………………………………………………10
3普通式双柱汽车举升机的强刚度分析与验算
3.1主立柱的特性分析与计算……………………………………………………12
3.2托臂部分的强度校核…………………………………………………………23
4液压系统设计
4.1液压原理图设计………………………………………………………………28
4.2液压元件的选用………………………………………………………………31
4.3液压缸活塞杆受压校核………………………………………………………33
5、利用SolidWorks软件进行三维建模应力分析
5.1利用SolidWorks软件进行应力分析的过程…………………………………35
5.2对立柱进行simulation分析…………………………………………………36
5.3对液压杆进行simulation分析………………………………………………38
设计项目
计算与说明
结果
设计项目
计算与说明
结果
第1章方案的拟定
1.1举升机的基本情况
1.1.2汽车举升机的主要参数
普通式液压双柱汽车举升机设计
第1章举升机的方案拟定
1.1举升机的基本情况
1.1.1常用汽车举升机的结构类型
目前，全国生产汽车举升机的厂家较多，生产的举升机的形式也比较繁多，有双柱式举升机、四柱式、剪式、组合移动汽车式等。
仅从举升机的外型来分类的基本形式就有：
普通双柱式、龙门双柱式、四立柱式、剪式、移动式和单立柱式等汽车举升机
按照举升机的举升装置的形式分类也有很多种，包括丝杠螺母举升式、链条传动举升式、液压缸举升式、齿轮齿条举升式等举升机。
从举升机的驱动方式分，主要有：
电机驱动式举升机和液压驱动式举升机。
1.1.2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1-2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
设计项目
计算与说明
结果
1.2汽车举升机的主要结构与要求
普通式双柱
2.5-4T
1700-1800mm
110-180mm
50-70Sec
20-60Sec
龙门式双柱
2.5-4T
1700-1800mm
110-180mm
50-70Sec
20-60Sec
四立柱式
2.5-4.5T
1700-1800mm
110-180mm
50-70Sec
20-60Sec
表1-2汽车举升机的主要参数
1.2汽车举升机的主要结构与要求
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；（6）托盘结构。
1.2.1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都要符合GB5226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。
设计项目
计算与说明
结果
1.3结构方案的确定
（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。
1.3普通式双柱汽车举升机结构方案的确定
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。
本次设计的是由液压驱动的普通式双柱汽车举升机。
它的结构主要包括以下几个部分：
举升装置、同步驱动装置、立柱和托臂。
普通式双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，由两边两个立柱里安装的液压油缸来推动连接立柱与滑台的链条，使滑台上安装的大滚轮沿立柱滚动，实现滑台的上下移动。
用钢丝绳作为同步装置来保持整个举升机的同步性。
托臂与立柱内的滑台相连，当滑台上下移动时就带动托臂一起移动。
设计项目
计算与说明
结果
1.4，普通式双普通式双柱汽车举升机设计的性能参数
第2章结构设计
2.1举升装置
1.4，普通式双普通式双柱汽车举升机设计的性能参数
本次设计的举升机的主要性能参数为：
额定举升载荷：
4吨；
在载重4吨情况下，由最低位置举升到最高位置所需时间：
50秒；
当拉下操纵杆使溢流阀接通，4吨轿车由最高位置降到最低位置所需时间不小于60秒；
电动机功率2.2KW；
举升臂在最低位置时的举升高度为120mm；
最大举升高度：
1850mm；
工作行程：
1730mm。
第2章普通式双柱汽车举升机的结构设计
2.1举升装置
本次设计的举升机的举升装置是由液压系统以及电箱组成的。
通过电箱的开关启动电动机来控制液压单元，液压油进出液压缸，并通过链条连接液压缸和滑台来带动整个设备的举升动作，如图2.1所示：
设计项目
计算与说明
结果
图2-1驱动举升装置示意图
图2.1是本次设计的普通式双柱汽车举升机的驱动装置及举升装置的示意图，从图中可以看到左右两边立柱内的两个举升装置是通过液压软管来连接的，它的一个不足的地方就是左右两个液压缸在开始举升时有一个时间差，这会导致因左右两边的举升速度不一样而举升不平衡。
因此，我们在液压举升的基础上增加了钢丝绳的同步装置，用这样的同步装置来弥补液压缸带来的缺点。
图2.2是普通式双柱汽车举升机的举升装置的结构图：
设计项目
计算与说明
结果
2.2立柱
图2-2普通式双柱汽车举升机的举升装置结构图
从图中可以看到，普通式双柱汽车举升机的举升装置是将链条镶嵌在滑轮槽内来带动液压杆达到举升的目的。
2.2立柱
普通式双柱汽车举升机的立柱有两个，分别是左、右两边各一个立柱。
图2.3是左边立柱的俯视图。
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。
（强刚度的设计计算在第四章）。
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。
设计项目
计算与说明
结果
2.3支撑机构
图2-3左立柱的俯视图
2.3支撑机构
托臂部分是属于举升机的支撑机构。
当汽车进入到举升机的范围里时，整个支撑机构就通过改变摇臂的角度或方向来改变托臂的整个工作范围的宽度。
本次设计的支撑机构是非对称式的托臂，这样设计增加了托臂的宽度，实质就等于增加了托臂的工作范围，而且左右两侧的托臂的臂长都是有一定的伸缩性的。
如图2.4所示：
图2-4非对称式托臂的工作范围示意图
1—托臂原始工作位置，2—托臂伸长后的工作位置
设计项目
计算与说明
结果
2.4
平衡机构
其中，图中方格阴影部分就是托臂的工作范围。
托臂未伸长前的工作范围按照轨迹1来运动；托臂伸长后的工作范围按照轨迹2来运动；而且，图中的轨迹1和2是托臂的两个极限位置，在1和2的范围内，托臂的长度是可以伸缩的。
但是由于托臂属于支撑机构，它是要承受一定的重量的，所以本次设计采用非对称式的结构就更能保证托臂的强刚度了。
非对称式托臂的详细结构如下图2.5所示：
图2-5非对称式托臂的结构图
2.4平衡机构
由于举升机在上升或下降时必须要采用强制性的平衡装置来确保汽车整体的水平位置保持一致，所以本次设计采用了钢丝绳来作为整个举升机的平衡机构。
本次设计所采用的是在单个立柱内安装两副左右对称的钢丝绳，但是在这个单个立柱里面的钢丝绳的走向确是两个相反的方向，用户可以通过改变钢丝绳的张力来使左右两边的滑台在抬升的过程中保持平衡。
要注意的是两边确定的钢丝绳的张力必须一致，这样才能真正的平
设计项目
计算与说明
结果
2.5保险机构
衡。
单个立柱里的钢丝绳的走向如图2.6所示：
图2-6单个立柱内钢丝绳的走向示意图
2.5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措施：
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。
机械自锁是指失去驱动力后，利用机械机构的重力（被驱动物体的阻力）来自动阻碍其运动的保护[10]。
本次设计中电磁铁安全锁机构的组成是：
在两个滑台上均有安装安全卡位条，当汽车升起后，卡位条与电磁铁连接的支撑板构成机械自锁机构，由于两个立柱上均装有电磁铁安全锁，如图2.7所示，并且这两个安全锁所装的位置不在同一直线上而是互相错开在对角线上，起到双保险的作用。
设计项目
计算与说明
结果
3普通式双柱汽车举升机的强刚度分析与验算
3.1主立柱特性分析与计算
3.1.1主立柱的截面特性分析与计算
图2-7电磁铁安全锁
1—电磁铁，2—保险孔板，3—保险孔支撑座
作为保险装置的电磁铁安全锁是由好几个零件组成的。
其中主要的几个零件包括：
保险孔板、保险孔支撑座和电磁铁。
当电磁铁得电将保险孔支撑座吸住时，它和锁紧板之间没有接触，此时的举升机处于保险打开状态，整个滑台可以自由地上下移动。
当电磁铁失电时，保险孔支撑座处于图示状态，此时的保险孔支撑座将与滑台上的锁紧板互相顶住，使滑台固定在一个位置而不能上下移动，起到保险的作用。
3普通式双柱汽车举升机的强刚度分析与验算
双柱式汽车举升机的结构形式有多种，此次设计的举升机构的传动系统由液压系统驱动和控制的，通过两立柱内安装的液压油缸实现上下运动，推动连接立柱与滑台的链条，使滑台上安装的大滚轮沿立柱滚动，实现滑台的上下移动。
举升设备的主要部分有：
举升机构、支承机构、平衡机构和电磁铁安全锁机构。
本次设计的举升机的主要性能参数为：
额定举升载荷4吨；在载重4吨情况下，由最低位置举升到最高位置需50秒；当拉下操纵杆使溢流阀接通，4吨轿车由最高位置降到最低位置所需时间不小于60秒；电动机功率2.2KW；举升臂在最低位置时的举升高度为120mm，最大举升高度为1850mm，工作行程为
设计项目
计算与说明
结果
3.1.1.1确定立柱截面形心和中性轴的位置
1730mm。
3.1主立柱特性分析与计算
3.1.1主立柱的截面特性分析与计算[5]
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。
其中一个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。
3.1.1.1确定立柱截面形心和中性轴的位置
将整个截面分为A1、A2、A3三个部分，取与截面底边互相重合的Z′轴为参考轴（见图4.1举升机主立柱横截面示意图），Z1、Z2、Z3分别为三个组合截面的中性轴，则三个截面的面积及其形心至Z＇轴的距离分别为：
图3-1举升机主立柱横截面示意图
设计项目
计算与说明
结果
3.1.1.2确定惯性矩
∴重心C到相应边的距离e：
[19]………………（4.1）
整个截面形心C在对称轴Y上的位置则为：
…（4.2）
3.1.1.2确定惯性矩
设三截面的形心分别为C1、C2、C3，其形心轴为Z1、Z2、Z3（图4.1），它们距Z轴的距离分别为：
由平行移轴公式，三截面对中性轴Z的惯性矩分别为：
…………（4.3）
设计项目
计算与说明
结果
3.1.1.3立柱静矩S的计算
3.1.2主立柱的强度分析与验算
、
、
为三截面对各自心轴Z1、Z2、Z3的惯性矩，将三截面对中性轴Z的惯性矩相加，可得立柱整个截面对中性轴Z的惯性矩
：
3.1.1.3立柱静矩S的计算：
（1）立柱整个截面上半部分的静矩S1：
………………（4.4）
其中
、
、
分别为三截面各自的静矩，所以立柱整个截面上半部分的静矩S为：
（2）立柱整个截面下半部分的静矩S2：
3.1.2主立柱的强度分析与验算
举升机工作时，其托臂将汽车举升至一定高度后锁定，举升机直接承载处位于托臂端部，故应先对滑台部件进行受力分析（见图4.2滑台部件受力情况示意图）：
在分析之前，对滑台部件进行了调查。
其中本次设计的滑台部件的组成之一是大滑轮，滑轮的种类形状有很多，有“两个大圆柱滚轮型”、“四个顶角处是采用四个小滚轮型
设计项目
计算与说明
结果
3.1.2.1滑台部件受力情况分析
”、还有最原始的“四个角用四个橡胶滑块”或是“用两个滑块代替两个大圆柱滚轮”，但是用的较多的是“采用两个大圆柱滚轮”的形式，如果采用其他类型的滚轮例如用滑块来代替滚轮，那么整个滑台就不容易锁定，容易滑动；除此之外就是同步性的问题也不容易解决。
图3-2滑台部件受力情况示意图
3.1.2.1滑台部件受力情况分析
滑台部件自身重量近似估算如下：
滑台组合件尺寸：
采用160×160方钢，壁厚8mm，高800mm
滑台体积：
摇臂座尺寸：
采用100×100方钢，壁厚8mm，长440mm
摇臂座体积：
托臂近似尺寸：
采用100×100方钢，壁厚8mm，长（800＋310）＝1110mm
托臂体积：
设计项目
计算与说明
结果
钢材比重选取：
所以，滑台部件、摇臂座和托臂的重量为
将滑台、摇臂座和托臂一起考虑
图4.2中，单侧托臂受到的最大载荷为2吨，加上自重，托臂端部受力为2066.37kg,F1和F2是立柱通过滚轮给予的反力，FBX和FBY为保险支承板给予的支承力，B处为支承点，假定自重全部集中在负载处，有：
……………………………（3.5）
……………………………（3.6）
……………………………………………………（3.7）
由式3.7得，
，代入式3.6
假定
设计项目
计算与说明
结果
3.1.2.2举升机主立柱受力情况分析
则由式3.5得：
综上所述，考虑滑台部件中滑台、摇臂座和托臂的总自重，假定自重全部集中在负载处，近似估算值为66.37kg。
单侧托臂受到的最大载荷为2000kg，加上滑台部件的自重，托臂端部受力大小为2066.37kg，F1和F2是立柱通过滚轮给予的反力，F1=F2，FBX和FBY为保险支承板给予的支承力，B处是支承点位置，则：
。
3.1.2.2举升机主立柱受力情况分析
主立柱受力情况（见图3.3普通式双柱举升机主立柱受力情况示意图），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：
RHX=0RHY=FBY=2066.37kg
3.1.2.3普通式双柱举升机主立柱强度校核计算
从图3.3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。
设计项目
计算与说明
结果
图3-3普通式双柱举升机主立柱受力情况示意图
由F1引起的弯矩图和剪力图见图3.4：
图3-4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3.5：
设计项目
计算与说明
结果
图3-5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3-6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3.7所示。
设计项目
计算与说明
结果
（1）校核正应力强度
（2）校核剪应力强度：
图3-7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=5234.804kg），弯矩最大（MC=2748272.1kg）,所以此处是危险截面。
前面计算已经得到
，抗弯截面模数为：
………………………………………（3.8）
截面上半部分静矩S＝171.24cm3，
…………（3.9）
以下进行强度校核：
（1）校核正应力强度：
………………（3.10）
许用应力选：
设计项目
计算与说明
结果
（3）折算应力强度校核
…………………………（3.11）
，满足强度条件。
（2）校核剪应力强度：
…………………（3.12）
选
，而许用应力
………（3.13）
，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：
……………………（3.14）
………………………………（3.15）
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
满足强度条件
设计项目
计算与说明
结果
3.1.3主立柱的刚度计算
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：
…………………（3.16）
所以
即
…………………………………………………（3.17）
∴按第四强度理论所算得的折算应力也满足许用强度要求。
3.1.3主立柱的刚度计算
用迭加法：
（1）
由F2引起的绕度：
（往外弯）用式
………………………（3.18）
E：
弹性模量的选择：
碳钢取：
196－206Gpa
取201Gpa=20.1×106N/cm2
=
=
…（3.19）
满足许用强度要求
设计项目
计算与说明
结果
3.2托臂部分的强度校核
3.2.1托臂部分截面特性
3.2.2托臂部分强度核算
（2）
（往内弯）由F1引起的绕度：
（3）由M引起的绕度：
………………………（4.20）
（往外弯）此值可忽略不计。
实际往内弯的绕度
3.2托臂部分的强度校核
3.2.1托臂部分截面特性
托臂部分截面属于变截面，以下先计算截面特性数据：
（1）小臂截面尺寸：
70×70方钢，壁厚8mm，a=70,b=54
惯性矩：
…………………………（4.21）
……………………………（4.22）
静矩计算：
（2）大臂截面尺寸：
92×92方钢，壁厚8mm，a=92,b=76
S=23.192
设计项目
计算与说明
结果
惯性矩：
3.2.2托臂部分强度核算
图示为左后托臂部件图：
图3-9左后托臂部件图
图中的A、B、C、D分别对应着托臂示意图中的A、B、C、D四个截面：
下图是托臂示意图：
图3-10托臂示意图
按照A,B,C,D几个典型截面进行分析，各个截面的截面图如下：
设计项目
计算与说明
结果
（a）A-A截面（b）B-B截面（同D-D截面）（c）C-C截面
图3.11典型截面示意图
（1）A截面：
惯性矩：
I=129.225cm4；Wx=36.92cm3
保险系数较小可满足强度要求。
（2）B截面：
92×92方钢
A1=80×15=1200mm2
yA1=92+15/2=99.5mm
A2=92×92-76×76=8464-5776=2688mm2
yA2=92/2=46mm
YC=（1200×99.5+2688×46）/（1200+2688）=243048/3888=62.51mm
IA1=80×153/2+（99.5-62.51）2×1200=1664412.12mm4
IA2=（924-764）/12+（62.51-46）2×2688=392.46cm4
所以
cm4
W=89.41cm3
满足强度要求
满足强度要求
设计项目
计算与说明
结果
3.
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