自用家庭泊车升降装置设计.docx

昆 明 学 院 2013 届毕业设计（论文） 设计（论文）题目 自用家庭泊车升降装置设计 子课题题目 举升重量：2吨；举升速度：0.5米/ 分钟；举升高度：1.7米，双柱式结构姓 名 学 号 所 属 院（系） 自动控制与机械工程学院 专业年级 指导教师 2013 年 12 月自用家庭泊车升降装置设计摘 要双柱式自用家庭泊车系统采用单缸液压举升装置，依靠一个液压缸提供托举力，再靠拖臂的刚性连接来实现同步上升和下降，这种设计结构简单，布局合理，采用一个单向柱塞缸，一个供油机构，两个单向阀，一个电控单元，一个电磁阀等共同控制，由于采用单缸，且不用大精度，所以采用机械同步，用单向柱塞缸也省去了换向阀，使用密封的装置控制停机下沉，再加上定量阀和单向阀的组合，更能控制下沉。液压传动的柱式举升机是目前举升机的主要形式。它是利用安装于柱子内部的液压缸推动滑台部件实现升降功能。这种设计不用考虑复杂同步问题，且设计成本低廉，维修简单。关键词：单液压缸，电控单元，机械同步。自用家庭泊车升降装置设计AbstractDouble column occupied home parking system adopts hydraulic lifting cylinderdevice, rely on a hydraulic cylinder provide support force, and then rely on the trailing arm rigid connection to realize synchronous rise and fall, this design has the advantages of simple structure, reasonable layout, using asingle plunger cylinder, an oil supply mechanism, two one-way valve, an electronic control unit electromagnetic valve, a common control, because of the single cylinder, and do not have high precision, so adopting the mechanical synchronous, with unidirectional piston cylinder also eliminates thereversing valve, the use of sealed device control stop sinking, combined withquantitative valve and check valve, can control the sinking. Post lift hydraulic transmission is the main form of lifting machine. It is installed in the hydraulic cylinder with internal impetus slide column components to achieve the lifting function. This design without considering the complex synchronization problem,and the design of low cost, simple repair. Keywords: Single hydraulic cylinder， electronic control unit，mechanical synchronization自用家庭泊车升降装置设计目 录第一章 绪论.61.1 前言.61.2 自用家庭泊车系统概述.6第二章 工艺参数和工况分析.72.1工艺参数.72.2工况分析.72.3举升装置要求.7第三章 举升机的方案拟定.83.1.1常用汽车举升机的结构类型.83.1.2汽车举升机的主要参数.83.2举升机方案的确定.8第四章 自用家庭泊车升降装置的结构设计.94.1举升装置.94.2立柱.104.3拖盘支撑结构.104.4平衡机构.114.5保险机构.11第五章 自用家庭泊车升降装置刚强度的分析与计算.135.1立柱的结构分析和验算.135.1.1立柱的截面特性分析与验算.135.1.1.1确定立柱截面形心和中性轴的位置.135.1.1.2确定惯性矩.145.1.1.3立柱静距S的计算.155.1.2立柱的强度分析.165.1.2.1滑台部件受力情况分析.165.1.2.2主立柱受力情况分析.185.1.2.3主立柱强度校核计算.18自用家庭泊车升降装置设计目 录5.1.3立柱刚度计算.225.2拖盘部分的强度校核.235.2.1拖盘部分截面特性.235.2.2拖盘部分计算.235.2.2.1拟定托盘托举质量.235.2.2.2托盘主体结构的材料选择.245.2.2.3托盘强度计算.255.2.3拖臂扰度情况.285.2.4导轨的选择.285.3钢丝绳的选择和计算.295.4限位装置的选定.29第六章 液压系统的计算.306.1液压系统的工作原理.306.2液压活塞杆受压校核.316.2.1液压缸活塞杆强度验算.316.2.2液压缸活塞杆受压稳定性校核.316.2.3活塞与活塞杆的计算.326.2.4活塞与缸筒的密封结构.336.2.5活塞杆的结构.336.3液压缸流量计算.336.4液压系统的选择.346.4.1油路循环方式的选择.346.4.1.1确定油路循环的方式.356.4.2油泵的选择.356.4.2.1额定流量.356.4.2.2泵的最高工作压力.356.4.2.3电机功率的确定.36第七章 设计结论与总结.39自用家庭泊车升降装置设计目 录7.1设计结论.397.2总结.40参考文献.41辞谢.43自用家庭泊车升降装置设计第一章 绪论1.1 前言近年国民经济的发展和人民生活水平的提高,我国汽车拥有量急剧增长,城市中有限的地面已经无法提供足够的停车车位,停车问题已成为许多大城市亟待解决的难题,建造立体停车库无疑是解决这一难题的重要途径。汽车举升机是用以支撑汽车底盘或车身的某一部分，使汽车升降的设备。它在汽车维修保养和车库停靠中发挥至关重要的作用，无论是整车大修还是小修保养，车库停车升降都离不开它。选择液压升降系统是因其功率重量比大、易实现无级调速以及安全可靠等优势在车库上得到广泛应用。因此, 设计成本较低、高效、可靠、节能的液压系统对推进液压技术在立体停车工程中的应用有重要意义，比如垂直升降停车场，横移式停车场和立体停车场等等，双柱式举升机是一种广泛用于轿车等小型车泊车的举升设备。随着轿车工业的发展和轿车等小型车的使用日趋普及，泊车时，此种型式的举升机需求量也会日益增大。本次设计的主要任务是液压升降机的设计，升降机是一种升降性能好，适用范围广的举升机构。它采用全液压系统控制，采用液压系统有以下特点：（1）在同等的体积下，液压装置能比其他装置产生更多的动力，在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑，液压马达的体积和重量只有同等功率电机的12%。（2）液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动，制动和频繁的换向。（3）液压装置可在大范围内实现无级调速，（调速范围可达到2000），还可以在运行的过程中实现调速。（4）液压传动易于实现自动化，他对液体压力，流量和流动方向易于进行调解或控制。（5）液压装置易于实现过载保护。自用家庭泊车升降装置设计（6）液压元件以实现了标准化，系列化，通用化，压也系统的设计制造和使用都比较方便。第二章 工艺参数和工况分析 该升降台主要有两部分组成：机械系统和液压系统。机械机构主要起传递和支撑作用，液压系统主要提供动力，他们两者共同作用实现升降机的功能。2.3举升机要求 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040，全行程连续举升额定质量20次，油温不得高于60。自用家庭泊车升降装置设计（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。第三章 举升机的方案拟定3.1举升机的基本情况3.1.1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。 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。3.1.2汽车举升机的主要参数 普通式双柱举升机、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3.1所示。 表3.1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 龙门式双柱 2.5-4 T 1700-1800mm 110-180mm 50-70 Sec 20-60 四立柱式 2.5-4.5 T 1700-1800mm 110-180mm 50-70 Sec 20-60 3.2举升机方案的确定 通过对举升机的了解，确定了采用龙门双柱式的结构。自用家庭泊车升降装置设计第四章 自用家庭泊车升降装置的结构设计4.1举升装置 举升装置通过电控单元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4.1就是该装置的简图；液压缸带动镶嵌在滑轮槽内的链条实现举升，由于采用的是单缸，仅仅考托盘的刚性连接还不够来托举，且不安全，所以还要钢丝绳来做牵引和同步，如图4.2. 图4.1液压缸 图4.2钢丝绳连接方式自用家庭泊车升降装置设计4.2立柱普通式双柱汽车举升机的立柱有两个，左、右两边各一个立柱。图2.3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。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。如图4.3为立柱俯视图 图4.3支柱俯视图4.3拖盘支撑结构自用家庭泊车升降装置设计 4.4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。4.5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4.5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。自用家庭泊车升降装置设计图4.5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。自用家庭泊车升降装置设计第五章 自用家庭泊车升降装置刚强度的分析与计算 本次设计的自用家庭泊车升降装置的传动系统由液压系统驱动和控制的，通过一侧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并且带动钢丝绳的位移使另一侧的大滚轮也跟着滚动，从而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。主要参数：举升最大高度1.7m，最大载重量2吨,最大速度0.5m/分钟。5.1立柱的结构分析和验算5.1.1主立柱的截面特性分析与验算 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。所以，立柱在这两种力的共同作用下，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，因此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，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。5.1.1.1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轴为参考轴如图5.1，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： 自用家庭泊车升降装置设计图5.1举升机主立柱横截面示意图 重心C到相应边的距离e：19 (5.1)整个截面形心C在对称轴Y上的位置则为：(5.2)5.1.1.2 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5.1），它们距Z轴的距离分别为：自用家庭泊车升降装置设计由平行移轴公式，三截面对中性轴Z的惯性矩分别为： (5.3) 、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： 5.1.1.3 立柱静矩S的计算：（1）立柱整个截面上半部分的静矩S1： (4.4) 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： 自用家庭泊车升降装置设计5.1.2立柱的强度分析与验算 举升机工作主要的受力部位在拖臂的端部，所以先对滑台部件进行受理分析，如图5.2。滑台主要部件选用的是滑轮，相比别的滑块之类的滑台，这个使用比较的简单和方便固定锁死。 图5.2滑台部件受力情况示意图5.1.2.1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160160方钢，壁厚8 mm，高800mm滑台体积： 摇臂座尺寸：采用100100方钢，壁厚8 mm，长440mm摇臂座体积： 托臂近似尺寸：采用100100方钢，壁厚8 mm，长（800310）1110mm托臂体积：钢材比重选取：自用家庭泊车升降装置设计所以，滑台部件、摇臂座和托臂的重量为 将滑台、摇臂座和托臂所有部件一起考虑图5.2中，单侧托臂受到的最大载荷为1吨，加上自重，托臂端部受力为1066.37kg,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： (5.5) (5.6) (5.7) 由式5.7得，代入式5.6 假定 则由式5.5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1000kg，加上滑台部件的自重，托臂端部受力大小为1066.37kg，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：自用家庭泊车升降装置设计5.1.2.2主立柱受力情况分析 主立柱受力情况（见图5.3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5.3普通式双柱举升机主立柱受力情况示意图RHX=0 RHY=FBY=1066.37kg 5.1.2.3 主立柱强度校核计算 从图5.3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5.4： 自用家庭泊车升降装置设计 图5.4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5.5：图5.5 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4.6：图5.6立柱上M作用力及其弯矩图自用家庭泊车升降装置设计 综上所述，立柱受力的合成弯矩图和合成剪力图如图4.7所示。图5.7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： (5.8)截面上半部分静矩S171.24cm3， (5.9)以下进行强度校核：（1）校核正应力强度： (5.10)自用家庭泊车升降装置设计许用应力选； (5.11)，满足强度条件。（2）校核剪应力强度：(5.12)选，而许用应力(5.13)，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：(5.14)(5.15) 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20，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： (5.16)所以 即 (5.17)按第四强度理论所算得的折算应力也满足许用强度要求。自用家庭泊车升降装置设计5.1.3立柱的刚度计算用迭加法：（1） 由F2引起的绕度：（往外弯）用式： (5.18)E：弹性模量的选择：碳钢取：196206Gpa取201Gpa=20.1106N/cm2= (5.19)（2） （往内弯）由F1引起的绕度： （3）由M引起的绕度： (5.20)（往外弯）此植可忽略不计。实际往内弯的绕度自用家庭泊车升降装置设计5.2.1托举部分截面特性托举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：7070方钢，壁厚8mm，a=70,b=54惯性矩： (5.21) (5.22)静矩计算：（2）大臂截面尺寸：9292方钢，壁厚8mm，a=92,b=76惯性矩： 5.2.2 托盘调查大众普遍型轿车参数，参数由表3-1确定本课题轿车的几何参数为：车身长为小于5000mm，车身宽为小于1900mm，车身高为小于1700mm,总重是小于1600Kg。托盘为载车容器，其尺寸应该大于轿车的尺寸，故托盘的尺寸初步定为：长L=5400mm,宽W=2500mm.为了保证托盘的自由运动，左右两个立柱间的距离应该大于托盘的宽度，因为这样既有利于轿车的存取，也有利于托盘的安放，所以把左右两个立柱间的距离定为2700mm,车库总长度为8500mm ,宽度为5800mm，高4440mm,单个车位尺寸为长5600m，宽2700m，高2000m,这是托盘和车库框架的大体尺寸。自用家庭泊车升降装置设计轿车普遍的尺寸与质量：轿车等级品牌列举长(mm)宽(mm)高(mm)质量(kg)微型车346016181465870355014951530897 小型车长安CX203900171015701100标志2074260168014681079紧凑车型雪铁龙C442731769145813154308172514531255中型车马自达64670178014351386凯美瑞4825182014851490大型车凯尊4965185014751500标志6074902183514421570多用途车林肯MKT4980171217001580本田时韵4570169515901410越野车丰田RAV44630185517001495本田CRV4570182016801475跑车保时捷9114435180813101505宝马Z44239179012841480表3-15.2.2.2 托盘主体结构的材料选择托盘示意简图见零件图（A1）（1）外框空心钢管的选择选用的结构用冷弯矩形空心钢管（GB-6728-86）选择的尺寸180100,壁厚t=4.00,理论重量16.758/m.（2）托盘中用于承载汽车的钢板的选择 根据GB3277-82，选择菱形花纹钢板，以增大汽车轮胎与钢板之间的摩擦力。厚度5,宽420,其它钢板，如承载用的平行与水平面的钢板。根据（GB709-88），选择厚度5。对于钢板厚度 4, 理论重量 31.4/m2 菱形花纹钢板 厚度 4, 理论重量33.4/m2 自用家庭泊车升降装置设计(3)角钢的选择根据GB9787-88选择碳素钢Q235-A，尺寸为50*50*5的热轧钢等，边角钢理论重量1.822/m.(4)托盘整体采用焊接的方法： 焊缝均采用手工电弧焊，焊缝不能有透、熔、蚀等缺陷，修刺倒棱，综上所述得出菱形钢板 宽W=0.47m 长L=5.4m 矩形钢管 长L=5.4m 中间钢板 宽W=1.4m 长L=5.4m 角钢 长L=2.5m得出： 矩形钢管：M2=16.758/m45.4m=361.97 中间钢板：M3=31.4/m25.4m1.4m=237 菱形钢板：M4=33.4/m220.47m5.4m=169 角钢： M5=1.822/m22.4m=8.7 其它重量：M7= 3所以上层托盘总重量为M总=M1+M2+M3+M4+M5+M6+M7 =779.由于底层托盘上有滚轮和齿条：估算滚轮重量M滚=0.84=3.2齿条采用45号钢，淬火，密度为7.9103/m3长度为L=2150，宽度为W=100,高度为H=60M齿条=2150100607.9103/m310-12=101.91底层托盘总重量为=779+101.91kg=880故底层托盘的重量初步定为880.图中的A、B、C分别对应着托臂示意图中的A、B、C四个截面：自用家庭泊车升降装置设计下图是托盘下梁的示意图：图4.10横梁纵梁示意图按照A,B,C几个典型截面进行分析，各个截面的截面图如下： (a) A-A截面 (b) B-B截面（同D-D截面） (c) C-C截面图4.10典型的截面示意图（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=8015=1200mm2 yA1=92+15/2=99.5mm A2=9292-7676=8464-5776=2688mm2 yA2=92/2=46mm YC=(120099.5+268846)/(1200+2688)=243048/3888=62.51mm IA1=80153/2+(99.5