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机械原理课程设计
设计题目：
汽车举升机设计
第1章绪论.....................................3-4
1.1设计课题的目的及意义…………………………………3
1.2设计内容及设计方法……………………………………3-4
第2章举升机方案的拟定……………………………………4-5
第3章剪式举升机的设计…………………………………5-10
3.1剪式举升机的结构设计…………………………………5-9
3.2剪式举升机液压系统和电气系统的设计………………9-10
第4章双柱液压举升机的设计……………………………11-16
4.1双柱液压举升机的结构设计……………………………11-15
4.2双柱液压举升机液压系统设计…………………………16
第5章结论………………………………………………16-17
参考文献……………………………………………………17
第1章绪论
1.1设计课题的目的及意义
本设计采用计算机CAD/CAE对剪刀式举升机、子母剪刀式举升机、双柱式举升机进行结构设计，提高产品的综合性能和安全可靠性。
计算机CAD/CAE技术是一种崭新的产品开发技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展的一项计算机辅助工程技术。
该技术一出现，立即受到了工业发达国家的有关科研机构和企业公司的极大重视，许多著名的制造厂商纷纷将计算机仿真技术引入各自的产品开发，取得了良好的经济效益。
现今，在我国利用CAD/CAE技术对汽车举升机进行设计研究还尚未见成果发表。
只有将汽车举升机的工程实践和计算机CAD/CAE技术结合起来，才能真正加快汽车举升机产品的发展历程，为此，本课题基于计算机CAD/CAE技术平台，利用当前CAD/CAE领域内应用比较广泛的三维软件Pro/E、有限元软件ANSYS进行汽车举升机的强度、刚度、稳定性及动态特性等方面的计算机有限元分析与研究，可以代替剪刀式举升机物理样机的前期试验，为我国汽车举升机产品的设计、技术开发方面提供更多的理论参考，进一步提高国产汽车举升机的稳定性和可靠性，提高产品的市场竞争力。
该设计的研究方法，也可应用于汽车举升机及其他新产品的研究开发中，可以缩短新产品研制周期，减少研制经费，提高设计精度和效率，对于国内举升机的发展具有重大的现实意义。
1.2设计内容及设计方法
1.2.1设计内容
本设计在考虑典型的汽车举升机的结构形式和实际工况条件基础上，依据有限元、虚拟装配技术及结构优化设计等理论，建立举升机Pro/E三维实体模型，并进行虚拟装配，将关键零部件模型导入ANSYS软件进行有限元分析，获得举升机在载荷工况作用下的应力、应变及变形状况，进一步提高举升机的稳定性及安全性。
设计中我们研究的主要内容如下：
（1）举升机工作原理与结构形式的研究与分析；
（2）举升机二维结构设计；
1.2.2设计方法
资料收集及总体方案制定→举升机工作原理与结构形式分析→举升机二维结构设计（对各个机构零件进行强度分析）→整机虚拟装配→撰写设计说明书。
第2章举升机方案的拟定
1常用汽车举升机的结构类型
目前，全国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。
2分析各类举升机的优缺点
（1）按照举升机的举升装置来进行简单的分析对比。
①丝杠螺母举升式:
整体结构相对较简单，自锁性好，传动比较平稳；但丝杠制作的精度要求较高，而且举升的时候丝杠承受的压力较大，极易磨损，所以寿命一般不是很长，也不能举升过大质量的重物。
②链条传动举升式：
该结构传动平稳，也有较好的自锁性；但结构较复杂，整体外观尺寸较大，不适合作为小型汽车的举升机。
③液压缸举升式：
整体结构比较简单，体积较小，有大的驱动力，传动平稳且易于控制，使用寿命较长；液压系统零件的精度要求较高，自锁性不好，需要添加机械自锁系统[1]。
④齿轮齿条举升式：
此类举升式举升机的零件易于加工，生产成本较低，有较好的自锁性；但整体构造比较复杂，且不易举升过重的重物。
（2）拟定合适的方案
对比上面四类举升装置，采用优势比较明显的液压缸举升式作为本设计题目的动力驱动方案。
采用液压驱动设计两种常见结构的举升机：
剪式举升机和双柱式举升机。
目前举升机类的产品大部分是采用液压缸缸举升式作为驱动，随着现在制造技术的日益进步，液压系统能更加安全、平稳、有效的工作，所以这也是各类举升机采用此方案的根本原因。
第3章剪式举升机设计
3.1剪式举升机的结构设计
（1）举升机结构确定
此次设计所要举升的重量为3.5t以下的轿车，所以采用剪式液压驱动举升机就完全可以。
为了适合大小维修厂，对地基没有过多要求，地面安装即可。
整体结构形式如图3.1所示。
剪式液压平板举升机由机架、液压系统、电气三部分组成。
设置限位装置、升程自锁保护装置等以保证举升机安全使用，保障维修工人的生命安全。
举升机由电气系统控制，由液压系统输出液压油作为动力驱动活塞杆伸缩，带动举升臂上升、下降、锁止。
举升机一侧上下端为固定铰支座，举升臂由销连接固定在铰支座上。
另一侧上下端为滑轮滑动，举升臂通过轴与滑轮连接。
举升机在工作过程中，以固定铰支座一侧为支点，滑轮向内或向外滑动，使举升机上升下降，当达到适当的举升位置时，利用液压缸上的机械锁锁止。
子母剪式举升机使用方便，结构简单，占地面积小，适用于大多数轿车、汽车的检测、维修及保养，安全可靠。
（2）举升机各零部件之间的连接关系
举升机的工作是靠液压缸活塞杆的运动实现举升下降的[2]。
液压缸固定在下外侧举升臂上通过轴连接，活塞杆作用在上端轴上，轴直接连接两举升臂。
如图3.1所示，活塞杆向外伸出时，带动举升臂向上运动。
各举升臂必须相互联系，采用螺栓连接，图中左侧用轴连接，因各铰接处均有摩擦，所以采用润滑脂润滑。
举升臂向上运动时，通过轴带动滑轮滑动，举升臂、轴与滑轮之间需使用键进行周向固定，力才能相互传递，滑轮轴上还放有套筒，并采用锁止螺钉进行轴向固定，轴两端用弹性挡圈固定，防止臂和滑轮外移；连接螺栓处用止动垫圈固定锁止；固定铰支座处用销链接，销通过锁止螺钉锁止；底座通过地脚螺栓固定于地面上；这样举升机才能正常工作。
图3.1剪式举升机整体结构形式
（3）确定剪刀式举升机的各结构尺寸[3]
①剪式举升机已知的主要技术参数如表3.1所示
表3.1主要技术参数
技术数据
数值
单位
举升重量
2500
kg
举升高度
2000
mm
提升时间
60
S
要求举升机的提升速度是经1min时间内举升机能升高到2m，并且举升机在各高度工作时，都能自锁。
②举升机压缩到最低位置时各部分尺寸
（1）举升平台
由于车身全部停于平台台面，所以平台尺寸应大于汽车轴距，根据一般轿车轴距为2.6m左右，轿车轮胎直径一般不超过700mm，故取3200mm合适，外型高为70mm，实厚为15mm。
（2）举升臂
因剪平台长La=3200mm，固定铰支座和滑动滚轮分别放于平台下，降低到最低点时举升臂不能超出平台边缘，取支座距平台边缘的距离为150mm。
则固定铰支座与滑动滚轮之间距离Lb=3200-150*2=2900mm。
举升机压缩到最低位置时，举升机高为350mm,（底座到平台面的距离）。
底座厚为15mm，滚轮直径D=50mm，滚轮处轴径Dz=24mm，为了避免滚轮直接磨损底座，设计时，加工滚轮滑道，滑道厚为10mm，滑道宽35mm，滑道长为750mm。
上下两滚轮之间的距离为Hd=300-15*2-10-50*2=160mm根据勾股定理求举升臂长L,求得L=2904mm，设举升臂宽110mm，厚为20mm。
（3）举升机升高到2.0m时尺寸变化
举升机向上举升时，滑轮向内侧滚动，液压系统向上伸缩，固定铰支座和滑动铰支座之间距离缩短，平台与底座之间距离越来越大。
举升机升高到2.0m时，举升机上下两滑轮之间的距离为Hg=2000-15*2-50*2-10=1860mm因举升臂长L=2904mm，固定铰接处与滑轮之间的距离为Lb,由勾股定理得Lb=2230mm。
因为我们的举升臂宽为110mm，所以连接处螺栓轴径适当取Ds=30mm，滑动滚轮处轴径取Dz=15mm，滑轮总宽为30mm，与滑道实际接触尺寸为25mm，另外5mm为阶梯凸台,直接与举升臂接触，减小摩擦。
（4）举升机在地面上安装尺寸
考虑到维修厂的地面情况，剪刀式举升机平放于地面就可以，采用地脚螺栓固定，举升机两端各焊接一三角台，便于汽车上升。
根据轿车宽为1.75m，前后轮距平均为1.5m，左右两轮台内侧边缘之间的距离为800mm，举升机之间要有一定的距离供维修工人走动，为了满足以上尺寸要求，举升机平台之间的距离取900mm,平台长3200mm，举升机左右结构完全相同，设备控制箱可以左右互换。
（5）举升机平台运动仿真
建立举升机的三维模型（如图3.2），根据已知数据算出平台上升及下降的速度为27.3mm/s，利用solidworks软件对此运动进行仿真，得出液压缸的线性速度、线性位移及线性加速度的图解（如图3.3,3.4,3.5）。
图3.2剪式举升机三维模型
图3.3液压缸的线性速度
图3.4液压缸的线性位移
图3.5液压缸的线性加速度
（6）电机的选用
剪式举升机举升重量2.5t，举升机自身及其附件的重量再加上一部分的余量为0.7t，所以取m=3.2t。
举升平台上方放有汽车时，设计上升速度为V。
S=2000-300=1700mm，V=S/t=28.4（mm/s）=1.7（m/min）
载车板上升功率:
P=F×V=3200×10×1.7／60W=907W
因选用液压泵来驱动举升机，柱塞液压泵的效率一般都在60%以上，考虑其他的机械能量损失，选用2.5KW的电机比较合适[4]。
表3.2剪刀式举升机主要技术参数
举升重量
2500kg
举升高度
300—2000mm
实际上升高度
1700mm
总宽
2000mm
总长
3200mm
平台长/宽
3200/550mm
举升臂长
2904mm
平台间宽
900mm
上升时间
60s
下降时间
60s
电机功率
2.5KW
电源
220V/380V/50Hz
额定油压
18MPa
整机重量
1390kg
滑轮移动距离
670mm
3.2剪式举升机液压系统和电气系统的设计
（1）液压系统的设计
在设计过程中，要保证汽车被水平举起而不发生侧偏，两侧举升机上升过程中必须始终保持同一高度，活塞的运行速度必须时刻保持相等。
举升机液压回路必须同步。
举升机的液压回路如图3.2所示，主要有两部分组成：
机械锁回路、升降回路。
图3.2汽车举升机液压控制回路
1.左机械锁液压缸2.右机械锁液压缸3.两位三通电磁阀4.液压泵5.溢流阀
6.三位四通电磁阀7.普通调速阀8.比例调速阀9..左升降缸10.右升降缸
（2）电气系统设计
气系统主要控制两侧举升机的同步上升、下降。
达到所需位置后，举升机都能安全锁止。
开关示意图和控制电路图如下：
图3.3举升机主控制电路图及说明控制电路图
第4章双柱液压举升机的设计
4.1双柱液压举升机的结构设计
（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（图4.1），图4.1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[5]。
图4.1驱动举升装置示意图
图4.2是普通式双柱汽车举升机的举升装置的结构图：
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。
图4.2双柱汽车举升机的举升装置结构图
（2）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4.3所示：
图4.3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
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4.4所示：
图4.4非对称式托臂的结构图
（3）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，这样才能真正的平衡。
单个立柱里的钢丝绳的走向如图4.5所示：
图4.5单个立柱内钢丝绳的走向示意图
（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。
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4.6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。
图4.6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。
（5）立柱举升臂的运动仿真
建立立柱举升机的三维模型，通过计算得出立柱举升臂的上升下降速度为23mm/s，通过solidworks运动仿真得出该举升臂的速度、位移、加速度的图解（如图4.7,4.8,4.9）。
图4.7举升臂的线性速度
图4.8举升臂的线性位移
图4.9举升臂的线性加速度
4.2双柱液压举升机液压系统设计
启动电动机按钮后电机起动并带动油泵从油箱中吸入压力油送到举升缸中使活塞杆移动，此时安全溢流阀关闭。
此阀的压力在出厂前已经调好，以保证起重的额定载荷的要求。
当系统中压力超过极限时，自动溢流卸油阀松开，起动按钮停止供油，提升结束，开始作业工作。
如果拉动滑台上两个机械安全锁后再按手动式下降阀便开始卸油下降，其工作原理图见图4.7：
图4.7液压系统工作原理图
1-齿轮泵，2-电动机，3-滤油器，4-单向阀，5-溢流阀，6-手动式下降阀，7-伺服限流阀，8-软管，9-防油管爆裂阀，10-举升缸，11-液位计，12-空气滤清
第5章结论
本次设计的剪刀式举升机有机架、液压系统和电气系统等三大主要结构。
其中，机架主要包括平台、举升臂、底座三部分；液压系统包括:
高压齿轮泵及液压缸；电气系统包括:
液压泵用电动机、控制开关及电控箱。
剪刀式举升机的设计实际上源于理发店的升降椅，其主要作用就是为汽车发动机、底盘、变速器等养护和维修提供方便。
在使用中要保证同步举升，其结构特点是利用液压系统驱动两只油缸，推动举升臂，带动滑轮内移举升汽车，两侧举升机完全一致，可以左右互换。
考虑到使用的广泛性，对安装地基没有过多要求，可以地面安装，也可藏地安装。
这样无论大型维修厂，还是小型维修厂，都可使用，安全可靠经济。
双柱式举升机是采用以液压驱动、液压缸为举升装置以及钢丝绳为同步装置的双柱汽车举升机，液压驱动是由液压系统以及电箱组成的，同时它的支撑机构是非对称式的托臂。
通过电磁铁安全锁将立柱内的滑台固定住，起到保护的作用。
参考文献
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高等教育出版社,20XX.（11）:
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