基于ANSYS的双柱式汽车举升机设计.docx

第1章 绪 论

1.1 选题背景、研究目的和意义
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，各种维修设备的需求迅速扩大， 汽车举升机是维修厂必备的，也是最重要的维修机械。汽车举升机一般分为立柱式和剪式两种，无论哪一种，它的作用都是将需要维修的汽车水平提升到合适的高度，以便于维修工人在汽车底盘下方对汽车进行维修，正因为维修人员要在汽车的下面，因此要求举升机一定要安全可靠，否则一旦发生危险，后果不堪设想。因此，对汽车举升机的安全性进行研究将具有重大的意义。
目前使用的汽车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、立柱或拖臂变形、单侧托臂突然下落、板式链断裂、液压油路爆裂、汽车拖垫打滑等，经过对失效的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。因此，如何提高汽车举升机设计上的稳定性及可靠性是摆在我们面前的一个重要研究课题。
计算机仿真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，它是建造物理样机之前，通过建立机械系统的数字模型（即虚拟样机）进行仿真分析，并用图形显示该系统在真实工作条件下的运动特性，辅助修改设计方案。本课题研究利用计算机仿真技术，对汽车举升机进行强度、刚度、稳定性、可靠性及动态特性等方面进行研究与分析，修正设计上存在的缺陷，不仅可以为汽车举升机的设计制造提供重要的理论依据，而且对于提高举升机的安全性具有重大的现实意义。该项目的研究方法，也可应用于汽车举升机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，与此同时该方法还可以被同类产品所应用与借鉴，经济效益和社会效益显著。

1.2 国内外研究现状
随着汽车行业的蓬勃发展，汽车修理行业也迎来巨大的市场需求。在维修领域中，常以汽车举升机作为重要工具。它的作用都是将需要维修的汽车水平提升到合适的高度，以便于维修工人在汽车底盘下方对汽车进行维修，正因为维修人员要在汽车的下面，因此要求举升机一定要安全可靠，否则一旦发生危险，后果不堪设想。我国生产的举升机性能还不算稳定。举升时存在保险不可靠、举升不平衡、钢丝绳断裂、横梁脱落等。是影响举升安全的不稳定因素。因此加强举升机的安全性和稳定性是我国举升机行业迫切解决的问题。而本课题研究运用虚拟样机技术对车辆举升设备的虚拟设计，在产品制造之前运用ANSYS软件进行仿真研究，可以发现并更正设计缺陷，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率，为生产实际提供理论支持[2]。
举升机在汽车维修养护中发挥着至关重要的作用，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。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。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，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。因此，进一步提高产品性能与可靠性，是国内举升机任重道远且亟需改进的地方。
计算机仿真技术在一些发达国家,如美国、德国、日本等已得到广泛应用,应用领域从汽车制造业、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,计算机仿真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。但从我国目前的情况来看,计算机仿真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。我国对于计算机仿真技术的应用领域和技术水平还很低,但是却有很大的提升空间。计算机仿真技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化计算机软件来实现的。目前，在我国还没有出现利用计算机仿真技术对汽车举升机进行研究，只有将汽车举升机的工程实践和计算机仿真技术结合起来，才能真正加快汽车举升机产品的发展历程，为此，本课题基于计算机仿真平台，应用当前CAD/CAE领域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仿真研究与分析，可以代替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。
1.3 举升机的发展方向与前景
对汽车维修保养行业而言，举升机一定要安全可靠、维护简单，否则在一定程度上会影响工作效率。而传统的机械式举升机安全性较差，所需的维护工作较多，已基本被液压式举升机取代。它具有安全性能好、维护周期长以及工作效率高等优点。
国内汽车举升机品牌繁多，质量高低参差不齐，除少数大型专业化企业具有较强的研发队伍、完备地制造设施、完善地质量监控手段外，大多数生产厂场地狭小、制造设施落后、监控手段单一。
国内举升机结构上大同小异，在安全保护上也比较雷同。主要零部件有立柱、升降臂、液压动力单元、油缸、保险。在安全保护装置上，不能做到在任何时候都能起到作用。在智能化、人性化上涉及较少。
国外举升机在结构、选材上比国内有优势外，在安全性上有比较明显的优势。国外举升机在钢丝绳断裂、油管爆裂、下降过程意外情况等可能情况的安全研究和应用都有涉足。
随着汽车技术开发的日新月异，举升机在设计方面越来越智能化和人性化，将会向遥控、电脑控制方向发展。同时随着技术的不断成熟，其标准也将逐步统一化。技术先进、质量稳定的产品将占领市场。

1.4 研究内容和研究方法
1.4.1 研究内容
主要内容如下。
（1）双柱式汽车举升机而为总体结构设计及校核；
（2）双柱式举升机Pro/E三维实体模型，并进行虚拟装配及干涉检查；
（3）举升机关键零件ANSYS有限元分析；
（4）举升机液压控制系统设计。
1.4.2 研究方法
（1）深入研究双柱式汽车举升机的结构形式、工作原理及力学特性，建立双柱式举升机的数学模型，合理选取仿真分析的研究平台；
（2）以三维建模软件Pro/E为图形平台，建立双柱式汽车举升机的三维实体模型并进行虚拟装配及干涉检查；
（3）将双柱式汽车举升机三维实体模型通过专用模型数据转换接口导入ANSYS，获得不同压力场的应力、应变及位移分布状况，具体流程如图1.1所示。
通过上述研究方法，进一步提高举升机的稳定性及安全性，可以代替举升机物理样机的前期试验，为举升机设计提供理论参考[10]。
转换接口

N
仿真结论分析

撰写设计说明书

是否合理

N
N
是否合理

Y
Y
Pro/E整机装配及干涉检查

调研、收集资料及总体方案论证
汽车举升机结构设计及校核
ANSYS有限元分析

Pro/E三维实体建模

图1.1 举升机设计流程图

第2章 双柱式汽车举升机结构设计

2.1 双柱式举升机概述
2.1.1 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[1]。
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。

2.1.2 汽车举升机的主要参数
双柱式举升机、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2.1所示。
表2.1 汽车举升机的主要参数

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
普通式双柱
2.5-4 T
1700-1800mm
110-180mm
50-70 Sec
20-60 Sec
龙门式双柱
2.5-4 T
1700-1800mm
110-180mm
50-70 Sec
20-60 Sec
四立柱式
2.5-4.5 T
1700-1800mm
110-180mm
50-70 Sec
20-60 Sec
双柱式汽车举升机的结构形式有多种，QJY04-02B型举升机系是指液压驱动的双柱举升机[13]。此类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3.2吨；在载重3.2吨情况下，由最低位置举升到最高位置需60秒；当拉下操纵杆使溢流阀接通，3.2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2.2 KW；举升臂在最低位置时的举升高度为120mm，最大举升高度为1750mm，工作行程为1730mm。

2.2 双柱式汽车举升机的主要结构与要求
双柱式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。
2.2.1 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。
（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。

2.3 双柱式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。如下图2.1所示：

图2.1 双柱式举升机的结构示意图

本次设计的是由液压驱动的QJY04-02B型双柱式汽车举升机。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。QJY04-02B型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。

2.4 举升装置
本次设计的双柱式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2.2所示：

图2.2 驱动举升装置示意图

图2.2是本次设计的双柱式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2.3是双柱式汽车举升机的举升装置的结构图：

图2.3 双柱式汽车举升机的举升装置结构图

从图中可以看到，双柱式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。

2.5 立柱
双柱式汽车举升机的立柱有两个，分别是左、右两边各一个立柱。图2.4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。

图2.4 左立柱的俯视图

2.6 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2.5所示：

1— 托臂原始工作位置，2—托臂伸长后的工作位置
图2.5 非对称式托臂的工作范围示意图
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2.6所示：

图2.6 非对称式托臂的结构图

2.7 平衡机构
由于双柱式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2.7所示：

图2.7 单个立柱内钢丝绳的走向示意图

2.8 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2.8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。

1— 电磁铁，2—保险孔板，3—保险孔支撑座
图2.8 电磁铁安全锁
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。

2.9 本章小结
本章主要进行双柱式汽车举升机设备总体方案的选择，通过将现有举升机构的结构形式、驱动方式以及传动机构进行了对比，最终选定采用双柱结构的举升类设备，通过液压驱动，工作平稳，操作方便，噪声低，内部设有升程自锁保护保险装置，安全可靠，占地空间小，是举升机的理想设备。

第3章 双柱式汽车举升机校核计算

3.1 双柱式举升机立柱的结构分析和验算
3.1.1 主立柱的截面特性分析与计算
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3.1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[16]：

图3.1 举升机主立柱横截面示意图

∴重心C到相应边的距离e：
(3.1)

整个截面形心C在对称轴Y上的位置则为：
(3.2)
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3.1），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：
(3.3)

、、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：
(3.4)

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3.2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”、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8 mm，高800mm
滑台体积：
摇臂座尺寸：采用100×100方钢，壁厚8 mm，长440mm
摇臂座体积：
托臂近似尺寸：采用100×100方钢，壁厚8 mm，长（800＋310）＝1110mm
托臂体积：
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3.2中，单侧托臂受到的最大载荷为1.6吨，加上自重，托臂端部受力为1666.37kg,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
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1600kg，加上滑台部件的自重，托臂端部受力大小为1666.37kg，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：

图3.3 普通式双柱举升机主立柱受力情况示意图

RHX=0 RHY=FBY=1666.37kg

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。
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=2600mm b=2415mm a=185mm

由F2引起的弯矩图和剪力图见图3.5：

图3.5 立柱上F2作用力及其弯矩图和剪力图

l=2600mm b=1890mm a=710mm

由FBY产生的M引起的弯矩图见图3.6：

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。

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： (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，将 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)
（2）
（往内弯）由F1引起的绕度：

（3）由M引起的绕度：
(3.20)
（往外弯）此植可忽略不计。
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： (3.21)
(3.22)
静矩计算：
（2）大臂截面尺寸：92×92方钢，壁厚8mm，a=92,b=76
惯性矩：

3.2.2 托臂部分强度核算
图3.9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：
图3.10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，各个截面的截面如图3.11：

(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

保险系数较小可满足强度要求。
（3）C截面：
A1=12cm2
yA1=92+15/2+60=15.95cm
A2=26.88cm2
yA2=4.6cm
A3=60×10=6cm2
yA3=92+60/2=12.2cm
yC=(12×15.95+26.88×4.6+6×12.2)/(12+26.88+6)=8.56cm
IA1=50×153/2+(15.95-8.56)2×12=641.73cm4
IA2=(924-764)/12+(8.56-4.6)2×16.88=759.875cm4
IA3=1*63/12+(12.2-8.56)2×6=183.615cm4
所以IA总=IA1+IA2+IA3=1585.22cm4
W=I总/8.65=1585.22/8.65=183.26cm3
MC=1666.37×94=194238.78kgcm

满足强度要求。
（4）D截面：
惯性矩：I=318.976cm4 ； W=69.342cm3
MD=1666.37×53=109517.61kgcm

,保险系数较小可满足强度要求。

3.2.3 从托臂处考虑挠度情况
托臂亦相当于一个悬臂梁，端部受力P＝1666.37kg，托臂部件由大臂和小臂组成，将从大臂和小臂处分别考虑：
小臂端部处挠度： （3.23）
大臂端部处挠度：经受力分析，大臂端部受一个力P＝2066.37kg和一个弯矩 M＝2066.37×70＝144645.9kgcm；

（3.24）
因载荷引起的挠度为：

因托臂的大小臂之间有1mm间隙，由此产生挠度：
主立柱的弯曲绕度使滑台产生转动，滑台的转动又使托臂有一定的下沉量，经计算，。
故托臂端部总下沉量为：

在举升机行业标准中，此值满足距立柱最远点的托臂支承面下沉量要求。

3.3 钢丝绳的选用
3.3.1 钢丝绳用途
钢丝绳是一种挠性零件,具有强度高、自重轻、弹性好、运行平稳适合于高速、远距离、换向传力以及极少突然破断的优点。用途：用于各种起重机械上。卷扬机的牵引绳等。用作设备运输时的捆绑绳，起重对象的溜绳、拖拉绳，起重设备的锚固绳。
3.3.2 钢丝绳材料
钢丝绳的钢丝要求有很高的强度和韧性，通常由含碳量0.5%～0.8%的优质碳钢，经过多次的冷拔工艺制成的，其直径为0.3～2.0mm。钢丝的公称抗拉强度一般为1400～2000N/[5]。
1、 按钢丝绳绕制次数分
表3.1 钢丝绳按绕制次数分类
分类
特点
用途

双捻（多股）
先由钢丝绕成股，再由股围绕绳芯绕成绳。这种钢丝绳的绕性受绳芯材料影响很大，比单绕绳挠性好

起重机械中广泛应用

2、 按股绳截面形状分
表3.2 钢丝绳按股绳截面形状分类
分类
特点
用途
圆股
股绳截面形状是圆形
广泛应用

3、 按钢丝绳中丝与丝的接触状态分
表3.3 钢丝绳按丝与丝的接触状态分类
分类
特点
用途

线接触
由不同直径钢丝捻制而成，股内各层之间钢丝全长上平行捻制，各层钢丝螺距相等，钢丝之间呈线状接触，这种钢丝绳消除了点接触的二次弯曲应力，能降低工作时总的弯曲应力，耐疲劳性能好。结构紧密，金属断面利用系数高。使用寿命长，比普通钢丝绳寿命高1～2倍

广泛应用

4、 按钢丝绳绕制方法分
表3.4 钢丝绳按绕制方法分类
分类
特点
用途

交互捻
钢丝绕成股的方向和股捻成绳的方向相反称为交互捻。如绳右捻，股左捻，称为右交互捻，绳左捻，股右捻，称为左交互捻。这种钢丝绳的缺点是僵性较大，使用寿命较低，但不容易松散和扭转

在起重机械中广泛应用

5、 按钢丝绳绳芯分
表3.5 钢丝绳按绳芯分类
分类
特点
用途
纤维芯
具有较高挠性和弹性，不能耐高温，不能承受横向压力
起重机械广泛应用
3.3.3 钢丝绳直径的确定
表3.6 钢丝绳直径

直径（mm）

钢丝总断面积
（mm2）

参考质量
（kg/100m）
安全因数
3.5
5
6
许用拉力(KN)
6.2
14.32
13.53
4.86
3.4
2.8
11.0
43.57
40.96
19.7
13.8
11.5
14.0
72.49
68.50
24.5
17.2
14.3
根据钢丝绳选用原则（《起重工机具》[8]），本设计宜采用线接触钢丝绳6X(19)，6W(19)，8X(19)，8W(19)等（GB1102—74）。本双柱式汽车举升机采用钢丝绳起吊方式提升动力端，所以选用619—11.0—1850类型钢丝绳。
钢丝绳的允许拉力 S= （3.25）
钢丝绳的破断拉力 =52 （3.26）
式中： d—钢丝绳直径，mm;
——钢丝公称抗拉强度；
由于本双柱式举升机丝绳提升过程与起重机相似，所以属起重机械，由于工作载荷不大，所以是轻级机械。根据《起重工机具》
钢丝绳上的破断拉力由式（3.25）得 =52
=52
=6847.17kg
起重时，安全系数k=5,则许用拉力由式（3.24）得
S=
=
而实际钢丝绳承重（以主立柱为准）1166Kg

所以选用619—11.0—1850类型钢丝绳合理[8]。

3.4 本章小结
本章对双柱式汽车举升机结构特点做了初步的选择，工作原理进行了阐述，主要参数对双柱式举升类设备的主要技术参数进行了确定，并进行了计算和强度、刚度、挠度的校核。完成举升机的实体建模，对钢丝绳做了详细说明，钢丝绳做了具体的选定并进行了校验。

第4章 双柱式举升机液压控制系统设计

4.1 双柱式举升机液压控制系统工作原理
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4.1：

图4.1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

4.2 液压系统组成
4.2.1 液压系统组成
液压系统主要由液压发生机构、液压执行机构、液压控制调节机构和辅助装置等四大部分组成[13]。
1、液压发生机构—油泵
它是由液压系统中供给有压力油的装置和压力传动的机械动力。它的作用是将原动机输入的机械能转换为流动液体的压力能。液压发生机构在液压系统中的位置和作用如图4.2所示。
2、液压执行机构—油缸
它是液压传动的执行机构又称液压机，其作用是将液能变为机械能的转换装置，这种装置有两种。此双柱式举升机所采用的是液体压力能转变为直线往复运动机械能的单作用推力油缸。它既能节省动力、又能频繁地进行换向。

液压控制装置
方向阀压力阀
液压发生装置
泵

液压执行机构
缸——活塞

图4.2 液压系统方框图像
3、液压控制调节装置——各种液压控制阀
它是由来控制和调解液压系统中液油流动，方向、压力、流量和满足工况要求的装置。根据用途和特点控制可分为三类。方向控制阀用来控制液压系统中的油流方向和经由路径；根据实际情况利用单向阀或换向阀的作用来改变执行机构的运动方向和工作顺序；压力控制阀（包括溢流阀、减压阀和顺序阀等）用来控制液压系统的压力以满足执行机构所需要的动力或对液压系统起安全保护作用；流量控制阀（包括节流阀、调速阀、分流和集流阀），用来控制和调节液压系统中的流量，以满足执行机构工作时运动速度的要求。
由于液压系统控制阀种