基于CADCAE技术的剪刀式汽车举升机结构设计

本科生毕业设计1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进行汽车举升机的本科生毕业设计2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。本科生毕业设计31.3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）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研究方法本科生毕业设计4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本科生毕业设计5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[2]。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。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]。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，通过轴本科生毕业设计6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]。根据表2.1所列车身参数信息。表2.1参数信息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：它的车身参数有车身长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3T举升高度350~2000Mm提升时间60S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剪式举升平台的外形及运动形式。车身信息车型长丰帕杰罗3.0GLS手动上海大众劲取车身长/宽/高（mm）4830/1895/18854200/1650/1465前轮距15751460后轮距15601460轴距27752460前轮规格215/60R16195/55R15后轮规格215/60R16195/55R15本科生毕业设计72、举升机各部分尺寸（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。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,22250L=Lb()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时尺寸变化本科生毕业设计8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=2000-152-352=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221900Lb=L()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M30的地脚螺栓固定，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