子母剪式举升机.docx

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子母剪式举升机

子母剪式举升机设计

[摘要]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，CAD作图，并进行虚拟装配，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。

[关键词]子母剪式举升机Pro/ECAD

Sheartypeelevatormachinedesign

Authors:

ChuBin

（Grade07,Class1,Majormachinedesignmanufactureandautormation，schoolofMechanicalEngineering，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，Shaanxi）

Tutor:

HeYaJuan

Abstract：

Thedesignofthecarliftinconsideringthestructureofthetypicalformandonthebasisofactualworkingconditions,basedonfiniteelementmethod,structuraloptimizationofvirtualassemblytechnologyanddesigntheory,theLiftPro/Ethree-dimensionalsolidmodel,CADMapping,andthevirtualassembly,accesstolifttheloadunderconditionsofstress,strainanddeformationconditions,tofurtherimprovethestabilityandsafetyoflift.

Keywords：

PictureScissorLiftPro/ECAD

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将近90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）子母剪式举升机工作原理与结构形式的研究与分析；

（2）子母剪式举升机二维结构设计；

1.3.2研究方法

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子母剪式举升机，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4.5t以下的轿车，所以采用子母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子母剪式举升机整体结构形式

子母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。

2.1.2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

子母剪式举升机主要结构尺寸确定

1、子母剪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

4.5

T

举升高度

265~2000

mm

提升时间

60

S

设上升时间为1min。

实际升高1.15m，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）支撑平台尺寸

大剪举升平台

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3000mm合适，外型高为70mm，实厚为15mm。

小剪举升平台

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，举升机小剪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

。

平台宽一般为600mm左右，我们取平台宽为Bp=610mm。

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50mm，实厚为10mm，只在四周加工凸台边缘。

2）举升臂尺寸

大剪举升臂

因大剪平台长La=3000mm，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=3000-150*2=2700mm

举升机压缩到最低位置时，举升机高为265mm,（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=2705mm，设举升臂宽110mm，厚为20mm。

小剪举升臂

因为小剪平台La=1600mm，固定铰支座和滑动滚轮分别放于平台下，大剪平台内，降至最低点时，内嵌于大剪平台内，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

。

举升机压缩到最低位置时，举升机高度为300mm,底座厚10mm，滚轮直径D=30mm，设计时，加工滚轮滑道，滑道厚为2mm，滑道宽35mm，滑道长为750mm。

上下两滚轮之间的距离为Hd=300-10x2-17x2=246mm,根据勾股定理求举升臂长L,求得L=1306mm，设臂宽90mm，厚为15mm。

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，大剪举升机升高1300mm，大剪举升机上下两滑轮之间的距离为Hg=1300-15*2-50*2-10=1160mm因举升臂长L=2705mm，固定铰接处与滑轮之间的距离为Lb,由勾股定理得Lb=2444mm。

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。

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。

图2.5举升机占地情况及安装示意图

2.4电机的选用

子母剪式举升机举升重量4.5t，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W=5.2t。

举升平台上方放有汽车时，设计上升速度为Vw=

（2.1）

S=2000-265=1735（mm）

由公式（2.1）得Vw=1.7-/60=0.0283m/s=1.70m/min

载车板上升功率:

Pw=Fw

Vw/60（2.2）

Fw=m

g（2.3）

其中m=4.2t，g=10N/kg由公式（3.3）

Fw=4.2

10=42KN

Vw取1.70m/min

由公式（2.2）得Pw=42

1.70/60=1.190（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]：

（2.4）

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

ρ（g/cm3）——所用材料钢的密度

1、平台的质量

Wp=7.85*3.0*15*550/1000=194Kg

因平台加工有较薄的边缘，所以计算时数据较多，取1.5倍余量，则实际质量Wp=194*1.5=290kg。

2、举升臂的质量

Wb=7.85*2.7*110*20/1000=51.81kg

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51.81kg。

左侧和右侧举升机完全相同，每侧共有四个举升臂，则举升臂重量和为Wbz=51.81*4=207.24Kg，取整Wbz=210Kg

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Wd=7.85*3*15*550/1000=194.29kg，我们取底座重量为Wd=195kg。

举升机总重Wz=2*（Wp+Wb+Wd）=1390kg。

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

4500kg

举升高度

265—2000mm

实际上升高度

1735mm

总宽

2250mm

总长

5548mm

平台长/宽

4800/610mm

举升臂长

2705mm

平台间宽

1030mm

上升时间

60s

下降时间

40s

电机功率

1.19KW

电源

380V/50Hz

额定油压

18MPa

整机重量

1390kg

滑轮移动距离

260mm

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。

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α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

3.1.2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，tanα=

得α=46.675o由式（3.1）得

举升机的重心不变F3和F4之间的距离为1103mm，由式（3.2）和（3.3）求得F3=11.705KN，则F4=4.45KN。

将f=500mm、d=250mm、α=46.675o、

、F=F3=11.7509KN代入式（3.4）中，我们得到P=136.643KN。

2、举升机在最低点时液压缸的推力

根据图（3.3）所示的举升机结构尺寸，可求出α角度,tanα=

再根据式（3.1），

解得

将α=5.49°、θ=16.22°、L=1306mm、f=500mm、d=250mm代入到式（3.4）中，解得

液压缸的最大推力为P=324.08KN。

由前面分析可知，举升机在最低点时，此时液压缸的推力是整个举升过程中所需推力最大值，选择液压系统时根据推力最大值确定。

3.2举升机的力学分析与计算

剪刀式举升机是一种可以广泛用于维修厂的举升机，具有结构紧凑、外形美观、操作简便等特点，只需用此种安全可靠的举升设备将汽车举升到一定的高度，即可实现对汽车的发动机、底盘、变速器等进行养护和维修功能。

随着我国私家车保有量越来越大，此种型式的举升机需求量也会日益增大。

本机主要性能参数为：

额定举升载荷4.5t；在载重3.5t情况下，由最低位置举升到最高位置需60s；当按下下降按钮使三位四通阀右位接通，车辆由最高位置降到最低位置需40s；电动机功率1.02kW；举升机在最低位置时的举升高度为350mm，最大举升高度为1500mm，工作行程为1150mm。

剪刀式举升机的结构型式有多种，本设计中的举升机结构系指液压驱动的小剪式举升机构。

举升机构的传动系统为液压系统驱动和控制，由举升臂内安装的液压油缸实现上下运动，推动连接两侧举升臂的轴，使安装在上下位置的滑轮沿滑道滚动，实现举升机的上下移动。

设备的主要部分有：

控制机构、传动机构、执行机构、平衡机构和安全锁机构。

分析剪式举升机不同举升高度的受力情况可知，在给定载荷下,举升机举升到不同高度时，所需油缸推力不同，各举升臂与轴所受的力也不同。

为分析方便，在计算过程中，我们只分析举手机最低点和举升到最高位置的受力情况即可。

3.2.1举升机最低状态时，各臂受力情况

1、与平台接触处的两铰接点的力学分析与计算

由前一节分析可知，举升机在最低点时，举升机重量均匀的分布在平台上，平台钢结构和平台有效载荷之和Wz1所产生的重力直接作用在滑动铰支座和固定铰支座上。

在最低点时，举升臂并不水平放置。

存在一很小的角度α。

tanα=

因α很小，所以计算过程中我们可以将Wz1近似看成作用在平台中心位置，Wz1为举升重量与平台重量之和，即

WZ1=（3.5t+Wp）

g=（3.5+0.29

2）

10=37.9kNg取10N/kg

因举升重量和平台质量之和由两侧举升机共同承受，所以代入式（3.2）和（3.3）中的W1只是Wz1的一半，W1=19.0kN解得F3=F4=9.5KN

2、计算各举升臂的受力

图3.5举升臂受力图

图3.5为杆1的受力情况，F3作用处为滑动铰支座，根据受力分析图列力和力矩平衡方程。

方程如下:

F3*1350+F5*1350=K6*80K1=9.5-K5

F3*1350+K2*80=K1*1350解得K2=16.9*K5-160.6

K2+K6=0K5=K5

K1+K5=F3K6=160.6-16.9*K5

分析计算结果，我们可以看到，k1,k2,k6三个未知量都与k5有关，只要确定出k5，其他就都能解出。

观察图3-1力学方案示意图，我们能够很快分析出，举升重量全部作用在平台上，在举升机起升瞬间，k5铰接孔处竖直方向分力很小，几乎为零，对杆件只起连接作用，我们将k5取0N。

3.2.2举升机举升到最高位置时，各臂受力情况

举升机升高到2.0m时，举升机向内滑动260mm，两脚支座之间的距离为896.15mm。

上下两滑轮之间的距离为1160mm。

举升臂与水平方向夹角为α=46.675o、液压缸与水平方向夹角为

，液压缸推力P=136.643KN。

分析和计算方法同上。

解得F3=13.5

F3*1350+F5*1350=K6*580K1=13.5-K5

F3*1350+K2*580=K1*1350解得K2=2.3*K5-31.4

K2+K6=0K5=K5

K1+K5=F3K6=31.4-2.3*K5

因举升到2.0m时，举升臂与水平方向夹角为α=46.675o，所以竖直方向力和水平方向力应近似相等。

取

。

则K1=13.5

K2=-34.1

3