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对剪刀式举升机进行结构

第1章绪论

1.1选择背景、研究目的及意义

近年来，我国汽车业蓬勃发展,尤其是轿车行业，多年来轿车进入普通家庭的梦想已经成为现实，汽车维修行业也随之得到大力发展，汽车举升机是现代汽车维修作业中必不可少的设备，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。

它的主要作用就是为发动机、底盘、变速器等养护和维修提供方便。

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。

举升机一般有柱式、剪式的，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。

目前，使用的汽车剪刀式举升机可能发生汽车坠落的原因较多，有安装基础不牢、自锁装置失效、举升臂变形、两侧举升臂上升速度不等、液压油路爆裂、汽车拖垫打滑等，经过对失效的剪刀式举升机进行检测分析发现,这些事故的主要原因往往是设计上存在着缺陷，如果做工不好或者设计不好就容易导致台面不平、导致单边升降等危险发生，因此，进一步提高剪刀式举升机产品的性能与可靠性，是国内举升机任重道远且亟需改进的地方。

本设计采用计算机CAD/CAE对剪刀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。

计算机CAD/CAE技术在一些发达国家,如美国、德国、日本等已得到广泛应用，应用领域极广，如汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、医学及工程咨询等多方面。

目前,计算机CAD/CAE技术已在我国得到了应用与推广，主要在汽车、航天航空、武器制造、机械工程等方面。

而从我国目前的情况来看,计算机CAD/CAE技术主要在汽车制造业和武器装备制造业中应用较为广泛,但只停留在初步应用阶段。

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国内外研究现状

1.2.1举升机的发展历史

汽车举升机在世界上已经有了70年历史。

1925年在美国生产的第一台汽车举升机，它是一种由气动控制的单柱举升机，由于当时采用的气压较低，因而缸体较大；同时采用皮革进行密封，因而压缩空气驱动时的弹跳严重且又不稳定。

直到10年以后，即1935年这种单柱举升机才在美国以外的其它地方开始采用。

发展至今经历了许多的变化改进，种类也比较多，一般有柱式、剪式，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。

其中剪式举升机使用方便，占地空间较小，受到很多实力雄厚的特约维修站的欢迎，这也是未来举升机的发展方向。

在市场上可以看到的型式各异、尺寸不同的举升机中，有一些特别适合于从事特殊类型的维修作业，也有少数的举升机适合进行一些其它的维修作业。

1.2.2国内外研究状况目前，发达国家（如美国）生产的汽车举升机质量较好、性能较稳定、设备操作简单，在经销商中口碑良好。

我国的汽车举升机是20世纪90年代依据国外的产品技术生产的，国内最早研究剪式举升机的是上海宝得宝，1999年开始，宝得宝机型比较笨重，主要的质量问题集中在油管易爆和平台不同步，2000年后质量有了改进。

但由于不是批量，所以价格偏高。

到现在举升机市场已经拥有近百个中外品牌，产品系列成百上千。

然而国内汽车举升机虽然也相对定型，但很多产品性能还不够稳定，故障多，可靠性差，外观不够美观，在产品设计、技术开发等方面都还有很多地方有待改进。

剪刀式举升机是一个使用较广的举升机，在最近几年所有新销售的举升机中，至少二分之一都是这种类型的。

这种设计之所以很流行，有几方面的原因的：

一就是这种举升机安装起来很快，不需要大范围的开挖，也不需要对维修厂的整体布局进行一些永久性的变动。

二是功能的多样性，它适用于大多数轿车的维修和保养。

三是剪式举升机使用方便，占地空间较小。

四是经济实惠，剪式举升机较为精密。

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）都适用。

1.3研究内容及研究方法

1.3.1研究内容

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ANSY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）剪刀式举升机工作原理与结构形式的研究与分析;

（2）剪刀式举升机二维结构设计；

（3）剪刀式举升机Pro/E三维建模与虚拟装配；

（4）剪刀式举升机关键部件ANSYS有限元分析

1.3.2研究方法

撰写设计说明书

第2章剪刀式举升机结构设计

2.1举升机结构确定

2.1.1举升机整体结构形式及基本组成

此次课题设计的内容为剪刀式举升机，剪刀式举升机的发展较迅速，种类也很齐全按照剪刀的大小分为大剪式举升机（又叫子母式），还有小剪（单剪）举升机；按照驱动形式又可分为机械式、液压式、气液驱动式；按照安装形式又可以分为藏地安装，地面安装。

因为此次设计所要举升的重量为3t以下的轿车，所以采用小剪式液压驱动

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2.1所示

图2.1剪刀式举升机整体结构形式

剪刀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。

剪刀式举升机有两组完全相同的举升机构，分别放于左右两侧车轮之间，因两侧结构完全相同，可以左右互换。

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，带动两侧举升臂同时上升、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[2]。

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。

剪刀式举升机使用方便，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[3]0

2.1.2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。

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2.1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。

2.2确定剪刀式举升机的各结构尺寸

2.2.1建立轿车模型

为使举升机使用范围广，本设计首先建立了一个轿车模型[1]0根据表2.1所列车身

参数信息。

表2.1参数信息

车身信车型

长丰帕杰罗3.0GLS手动

上海大众劲取

车身长/宽/高（mm）

4830/1895/1885

4200/1650/1465

前轮距

1575

1460

后轮距

1560

1460

轴距

2775

2460

前轮规格

215/60R16

195/55R15

后轮规格

215/60R16

195/55R15

根据丰田和大众轿车的车身信息确定一个使用较广的车模：

它的车身参数是：

车身

长4.7m，宽1.75m,高1.5m,轴距2.1m，前后轮距平均为1.5m，车自重1.5t，该轿车模型集丰田轿车外型，奥迪外型，大众车系于一体，具有较广的代表性。

2.2.2剪刀式举升机主要结构尺寸确定

1、剪刀式举升机已知的主要技术参数如表2.2所示

表2.2主要技术参数

技术数据

数值

单位

举升重量

举升高度

350~2000

提升时间

要求举升机的提升速度是经1min时间内举升机能升高到2m,实际升高1.65m,并且举升机在各高度工作时，都能自锁。

设计过程中参考了广力牌GL3.0/A小剪式举升机，上海繁宝剪式举升机，JumboLiftNT剪式举升平台。

2、举升机压缩到最低位置时各部分尺寸

1）支撑平台尺寸

因剪刀式举升机放于两轮胎之间的下部，所以举升机在使用过程中要保证举升机不能与轮胎发生干涉［2］。

根据轿车轴距为2.6m，轿车轮胎直径一般不超过700mm，为避免干涉，举升机平台两端与轮胎边缘要有一定距离，取平台边距轮胎边缘之间距离为150mm，则平台外型长La=2600-3502-1502=1600mm。

平台宽一般为500mm~600mm左右，我们取平台宽为Bp=550mm。

举升时，重量作用在整个平台上，力并不集中，所以平台不宜过厚，增加举升机重量，取外型高为70mm，实厚为15mm，只在四周加工

凸台边缘，平台尺寸如图2.2所示。

■11

L.1———__-

1500

图2.2平台尺寸

2）举升臂尺寸

因平台长La=1600mm,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，与汽车相干涉，所以固定铰支座和滑动滚轮要与平台有一定的距离，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=1600-1502=1300mm。

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）。

如图2.3

所示底座厚为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=350-152-352=250mm根据勾股定理求举升臂长L,

L二（Lb2（号0）2求得L=1306mm,举升臂宽110mm，厚为20mm。

图2.3举升机压缩到最低点时的状态

3、举升机升高到2m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2m时，举升机上下两

滑轮之间的距离为Hg=2000-15*2-35*2=1900mm因举升臂长L=1306mm,固定铰接处与滑轮之间的距离为Lb,由勾股定理得Lb二」L2（1罗0）2，则Lb=896.15mm,滑动轮滑

动距离Lx=1300-896.15=403.75mm举升机升高到2m时，结构状态如图2.4所示

图2.4升高到2m时举升机主视图和左视图

因我们的举升臂宽为110mm，所以连接处螺栓轴径适当取Ds=30mm,滑动滚轮处轴径取Dz=24mm,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。

2.3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，

举升机两端各焊接一二角台，便于汽车上升

根据轿车宽为1.75m,刖后轮距平均为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1600mm，举升机左右结构完全相同，设备控制箱可以左右互换。

如果举升机平台直接与汽车底盘接触，对汽车底盘磨损严重，所以平台上端放硬质橡胶，硬质橡胶块距边缘为20mm,则硬质橡胶长Lj=510mm，宽Bj=150mm。

举升机在地面安装情况如图2.5所示。

qiin

▲

图2.5举升机占地情况及安装示意图

2.4电机的选用

0.7t，

剪刀式举升机举升重量3t，举升机自身及其附件的重量再加上一部分的余量为

所以取W=3.7t。

举升平台上方放有汽车时，设计上升速度为Vw=S

S=2000-350=1650（mm）

165

1162=0.0275m/s=1.65m/min

FwVw

PW=

由公式（2.1）得

Vw=

（2.1）

载车板上升功率：

（2.2）

Fw=m

（2.3）

其中m=3.7kg,g=10N/kg由公式（3.3）

Fw=3.710=37KN

Vw取1.65m/min

由公式（2.2）得PW=37X1.65=1.02（KW）

2.5剪刀式举升机各部件重量

查《工程材料手册》所知，举升、起重机械的板形材料多用Q275钢。

Q275钢的材

料性能如下：

表2.3Q275钢材料性能

弹性模量

泊松比

抗拉强度

密度

200-220/GPa

0.3

490—610/MPa

7.85g/cm3

质量基本计算公式[9]:

WFL（2.4）

1000

式中：

W（kg）表示钢的理论质量

F（mm2）型钢截面积

L（m）——钢材的长度

p（g/cm3）所用材料钢的密度

1、平台的质量

Wp7.85（1.61555025580.552250.5421.54530220.81035）-^

1000

116.37kg

因平台加工有较薄的边缘，所以计算时数据较多，后续计算中我们取平台质量为

Wp=120kg

2、举升臂的质量

Wb7.85（1.30611020）22.55kg

1000

在实际运用中，连接处都加工有加强肋，连接处还携带一些附件所以取举升臂质量为23kg。

左侧和右侧举升机完全相同，每侧共有八个举升臂，则举升臂重量和为

Wbz

238184kg

3、底座重量

在实图中举升机底座并非实体，但为了计算方便，我们按实体计算，则

7.85（1.615550）103.62kg，我们取底座重量为Wd=104kg。

举升机总重

1000

Wz2Wp2Wb2Wd800kg。

整理前面计算的数据如表2.4

表2.4剪刀式举升机主要技术参数

举升重量

3000kg

举升高度

350—2000mm

实际上升高度

1650mm

总宽

2000mm

总长

2060mm

平台长/宽

1600/550mm

举升臂长

1306mm

平台间宽

900mm

上升时间

50s

下降时间

40s

电机功率

1.2KW

电源

220V/380V/50HZ

额定油压

18MPa

整机重量

800kg

滑轮移动距离

896.15mm

2.6本章小结

本章主要将剪刀式举升机的外型尺寸，各部分结构尺寸，各结构的安装位置确

定出来，为后续的设计工作做好准备。

在设计过程中我们参考了广力牌GL3.0/A小

剪式举升机，上海繁宝剪式举升机，JumboLiftNT剪式举升平台的设计，并根据

现今社会上使用普遍的轿车种类的车身结构尺寸，确定了我所设计的剪刀式举升机的组成结构，包括控制机构、传动机构、执行机构，还有所需的零部件。

本章还叙述了剪刀式举升机是如何运动的，实现举升，将车举到我们希望的高度。

第3章剪刀式举升机机构建模

3.1剪刀式举升机构力学模型

剪刀式举升机构具有结构紧凑、承载量大、通过性强和操控性好的特点，因此在现代物流、航空装卸、大型设备的制造与维护中得到广泛应用。

剪刀式举升机构作为举升平台钢结构的关键组成部分，其力学特性对平台性能产生直接影响。

对于剪刀式举升机构来说，影响其力学性能的关键因素是举升油缸的安装位置。

计算、分析剪刀式起升机构的传

统方法通常为手工试算或整体有限元分析方法。

但手工试算法精度不高，效率低;整体有

限元分析法较适用于后期的验算分析，但在设计分析初期，存在建模困难和较难快速调整模型参数的问题。

在建立力学模型时，我们利用MATLAB软件所具有的强大矩阵计算功

能，对影响剪刀式起升机构力学特性的关键参数展开研究，从而得到剪刀式举升机构的力

学模型［5］。

3.1.1举升机构力学模型建立与分析

举升机之所以斜置，是因为举升机右侧为固定铰支座，左侧为滑动铰支座，平台上放有荷载，举升机上升过程中，荷载重心相对前移，在高空中容易前翻，对工作人员十分危险，斜置安装可以抵制荷载前翻的情况。

安装情况如图3.1，图中F4与F6作用点分别对应平台和底座的固定铰支座位置，F3与F5作用点分别对应平台和底座的滑动铰支座位置。

图3.1力学方案示意图

为分析方便，我们将平台钢结构和平台有效载荷之和简化为W1,剪刀式举升机构自

重载荷为W3，油缸自重载荷为Wcy根据分析，假设举升臂机构自重载荷为W3和油缸自重载荷为Wcy忽略不计。

如图所示，根据上一章所定举升臂两端销孔中心连线长度为L,L=1306mm其与水平线夹角为a淀义d为液压缸下安装点与举升臂中心销孔距离

（平行于举升臂），f为上安装点与举升臂端销孔的距离，定义上下两铰接点高度为Hg,定义滑动铰支座与固定铰支座之间的距离为Lb,根据几何关系，液压缸轴线与水平线夹角

B与a有以下函数关系:

tan

（3.1）

LtandLf

由式（3.1）可知，液压缸轴线与水平线夹角B是d、f、的函数，而当d、f这2个参数确定

时，在举升机构升降过程中B随a变化。

平台和剪刀式举升机构建立其力学模型如图3.2

所示。

为平台简化模型［5］。

1■斗

图3.2平台简化模型

假定W1作用于平台中心位置，则当平台起升，剪刀机构变幅带动滑轮内移时，则W1、

F3>F4和a有如下关系［15］（B近似等于L/2）

F3F4W1

（3.2）

F3LeosF40W1B

（3.3）

图3.3剪刀机构外载情况

图3.2和图3.3为剪刀举升机构力学模型图。

剪叉举升机构外载状况如图3.3所示。

为计算剪刀式举升机构内每个支架铰接点的内力和油缸推力，以研究该机构各内力、油缸

推力与a角之间的关系，并找出其最恶劣工况，我们将该机构拆分为4个独立的隔离体，分

-Lc

cos

sin

-—）sin（+）

（1

cos

-1

cos

sin

cos

2s..、

-F

cos

—sin（+）

在上面的矩阵中，设Lc=cosa,Ls=sina。

由于油缸的自重忽略不计，故设F=F3=F4=F5=F3=W1/4。

以上矩阵给出了外载、剪刀式举升机构几何参数与油缸推力及各剪刀举升臂受力的相互关系，为剪刀式举升机构的设计计算及关键参数的研究提供理论依据。

通过编写的MATLAE程序矩阵解以上多元方程得以下结果：

别对应该机构从上到下的各段剪叉杆[5],如图3.4所示。

图3.4各剪杆受力分析图

该图使用的符号说明如下：

Kx为剪叉机构各铰接点内力,x=1,2,3?

8;其中奇数为该铰接点丫方向受力，偶数为对应铰接点X方向受力；Fx为作用在剪刀式举升臂机构上的外力,x=3,4,5,6;P为液压缸的推力。

据此,在不考虑摩擦力的情况下，建立力学平衡方程如下面矩阵所示[5]:

（3.4）

4Lcos

2sin（）fsin（）Lsin（）L

3.1.2举升机构关键参数研究与确定

分析前述剪刀式举升机构，发现Pmax和油缸轴线与支架梁之间的夹角（9-a）有较大关系。

给定载荷下，起升油缸夹角越小，则所需推力越大。

由式（3.4）可知,起升油缸的最小夹角由d,f这2个关键的几何参数决定［5］。

因此，上述4个关键参数可在一定范围内调整而不产生干涉。

根据剪刀式举升机构力学模型式及编制的MATLAB运算程序，在d,f这2

个关键几何参数允许调整的范围内进行计算，研究它们与起升油缸推力Pmax的关系。

经对d,f这2个关键参数的研究，结合防止机构几何干涉，并且不发生死角现象及制造工艺方面的考虑，确定其值:

d=170mm,f=500mm。

3.1.3计算液压缸的推力

1、举升机升高到2m时液压缸的推力

举升机升高到2m时，tana=2=95046.67丘由式（3.1）得72.78°

Lb896

举升机的重心不变F3和F4之间的距离为896mm，由式（3.2）和（3.3）求得F3

=11.7509KN,则F4=4.45KN将f=500mm、d=250mm、

46.675°、

72.78°、F=F3

=11.7509KN代入式（3.4）中，我们得到

2、举升机在最低点时液压缸的推力

P=136.643KN。

根据图（3.3）所示的举升机结构尺寸,

可求出a角度

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