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畢業(yè)設計（論文）任務書
一、學生姓名：程品軼 學號：12010231
二、題目：液壓升降機運動學和力學分析及三維造型
三、專題題目：
四、題目來源：科學技術*、生產實踐*、社會經濟*、自擬R、經典*、其它*
課題難度：適中*、較難R
五、結業(yè)方式：設計*、論文R
六、主要內容：
1.液壓升降機的研究
2.虛擬樣機技術研究和ProE軟件學習
3.液壓升降機方案設計和分析
4.液壓升降機運動學和力學分析
5.液壓升降機三維造型
七、主要(技術)要求：
1．開題報告3000∽4000字
2．升降機上升高度
3．升降機載荷要求
4．升降機性能安全
八、日程安排：
第一學期：
第14周～第16周: 查閱資料、初步研究、撰寫并完成開題報告
第二學期：
第1周～第2周: 翻譯外文、熟悉軟件
第3∽5周，液壓升降機運動學和力學分析
第6∽8周，基于ProE的升降機關鍵部件造型
第9∽11周，完成升降機虛擬樣機總體裝配設計
第12∽13周，整理論文，準備答辯
九、主要參考文獻和書目：
[1] 補充
[2]
[3]
[4] ProE軟件應用
指導教師1簽字： 年 月 日
指導教師2簽字： 年 月 日
學 生 簽 字： 年 月 日
系負責人章： 年 月 日
I
北京科技大學天津學院本科生畢業(yè)設計（論文）
本科生畢業(yè)設計(論文)
題 目:
液壓升降機運動學和
力學分析及三維造型
英文題目:
Kinematics and mechanics analysis and
three dimensional modeling of hydraulic lift
系 :
專 業(yè):
班 級:
學 生:
學 號:
指導教師1:
職稱:
指導教師2:
職稱:
-1-
聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得研究結果。論文在引用他人已經發(fā)表或撰寫的研究成果時，已經作了明確的標識；除此之外，論文中不包括其他人已經發(fā)表或撰寫的研究成果，均為獨立完成。其它同志對本文所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表達了謝意。
學生簽名：_____________ 年 月 日
導師1簽名：___________ 年 月 日
導師2簽名：___________ 年 月 日
北京科技大學天津學院本科生畢業(yè)設計（論文）
摘 要
升降機是一種將人或者貨物升降到某一高度的升降設備。在工廠、自動倉庫等物流系統(tǒng)中進行垂直輸送時，升降機上往往還裝有各種平面輸送設備，作為不同高度輸送線的連接裝置。一般采用液壓驅動，故稱液壓升降機。
本次本是對液壓升降機進行設計，首先確定了該液壓升降機結構的結構；接著調查汽車尺寸建立汽車模型以確定升降機的整體結構尺寸；其次建立了升降機構的力學模型并對升降機構不同位置狀態(tài)進行了受力分析及校核桿件、銷軸、螺栓的強度是否滿足要求；然后對該剪式液壓升降機的液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)進行了設計；最后采用AutoCAD軟件繪制了該液壓升降機的裝配圖及主要零部件圖，并構建了Pro/E的三維模型及運動仿真。
通過本次設計，鞏固了大學所學專業(yè)知識，如：機械原理、機械設計、材料力學、公差與互換性理論、機械制圖等；掌握了起重機械產品的設計方法并能夠熟練使用AutoCAD、Pro/E機械設計軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。
關鍵詞：液壓；升降機；剪式；三維
-46-
Kinematics and mechanics analysis and
three dimensional modeling of hydraulic lift
Abstract
A lift is a lifting device to lift a person or goods to a height. In the factory, automatic warehouse and other logistics system for vertical transportation, the elevator is often also equipped with a variety of plane transportation equipment, as a different height of the transmission line of the connection device. It generally adopts hydraulic drive, hydraulic lift.
The design of hydraulic elevator, first determine the structure of the hydraulic elevator structure; then survey - sized car vehicle model was established to determine the overall structure and dimension of the elevator; secondly, establishing the mechanics model of the lifting mechanism and of lifting mechanism of different position state of by force analysis and checking of the bar, a pin shaft, bolt strength whether meet the requirements; then the scissors hydraulic lifts, hydraulic system and electrical control system design. Finally, the software AutoCAD to draw the assembly drawing of the hydraulic elevator and main parts figure, and the construction of the three dimensional modeling and motion simulation of Pro / E.
Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD, Pro / E mechanical design software, for future work in life is of great significance.
Key words: Hydraulic; Lift; Shear type; Three dimensional
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
引 言 3
1 緒 論 4
1.1研究背景及意義 4
1.1.1研究背景 4
1.1.2研究意義 4
1.2升降機概述 4
1.2.1升降機定義 4
1.2.2液壓升降機的作用 4
1.2.3液壓升降機的特點 5
1.3國內外研究現(xiàn)狀 5
1.3.1國外 5
1.3.2國內 5
2總體結構方案及參數選定 7
2.1 升降機結構確定 7
2.2 確定各結構尺寸 8
2.2.1 建立轎車模型 8
2.2.2主要結構尺寸確定 8
2.3初定電機功率 10
2.4平臺與叉桿的設計計算 11
2.4.1確定平臺的結構材料及尺寸 11
2.4.2確定叉桿的結構材料及尺寸 12
3 受力分析與校核計算 17
3.1位置參數計算 17
3.2動力參數計算 19
3.3液壓缸布置方式的分析 20
3.4強度校核計算 23
3.4.1叉桿 23
3.4.2橫軸 26
3.4.3連接螺栓的校核 27
4 液壓、電氣系統(tǒng)的設計與選擇 30
4.1液壓系統(tǒng)設計與選擇 30
4.1.1液壓系統(tǒng)設計要求 30
4.1.2液壓系統(tǒng)的設計 30
4.2液壓缸的計算與選型 31
4.2.1 液壓缸的安裝位置 32
4.2.2液壓缸推力及行程的確定 32
4.2.3液壓缸的選型 33
4.3液壓泵的計算與選型 33
4.3.1 液壓泵工作壓力的計算 33
4.3.2 液壓泵功率的計算 34
4.3.3 油泵流量的計算 34
4.3.4 油泵的選型 35
4.4電氣系統(tǒng)設計 35
4.4.1 電氣系統(tǒng)控制設計 35
4.4.2電動機的選擇與驗算 37
5 基于Pro/E的三維設計 39
5.1 Pro/E軟件概述 39
5.2三維模型設計 40
5.2.1底座 40
5.2.2平臺 41
5.2.3支架 41
5.2.4油缸 42
5.3三維裝配設計 42
結 論 43
參 考 文 獻 44
致 謝 45
引 言
升降機是一種將人或者貨物升降到某一高度的升降設備。在工廠、自動倉庫等物流系統(tǒng)中進行垂直輸送時，升降機上往往還裝有各種平面輸送設備，作為不同高度輸送線的連接裝置。一般采用液壓驅動，故稱液壓升降機。除作為不同高度的貨物輸送外，廣泛應用于高空的安裝、維修等作業(yè)。升降機包括：固定升降機、牽引式升降機、車載式升降機、導軌式升降機和特殊形式的升降機等。
液壓升降機廣泛適用于汽車、集裝箱、模具制造，木材加工，化工灌裝等各類工業(yè)企業(yè)及生產流水線，滿足不同作業(yè)高度的升降需求，同時可配裝各類臺面形式（如滾筒、轉盤、轉向、傾翻、伸縮），配合各種控制方式（分動、聯(lián)動、防爆），具有升降平穩(wěn)準確、頻繁啟動、載重量大等特點，有效解決工業(yè)企業(yè)中各類升降作業(yè)難點，使生產作業(yè)輕松自如。
要是通過液壓油的壓力傳動從而實現(xiàn)升降的功能,它的剪叉機械結構，使升降機起升有較高的穩(wěn)定性，寬大的作業(yè)平臺和較高的承載能力，使高空作業(yè)范圍更大、并適合多人同時作業(yè)。它使高空作業(yè)效率更高，安全更保障。
1 緒 論
1.1研究背景及意義
1.1.1研究背景
工程機械是我國裝備工業(yè)的重要組成部分。為了保證各種工程建設高速度、高質量、低成本施工的進行，工程機械是重要手段?，F(xiàn)代化建設速度的快慢取決于工程建設的速度。工程機械發(fā)展水平的高低直接影響工程建設的速度，因此工程機械是世界工業(yè)發(fā)達國家的重點發(fā)展行業(yè)。我國的機械工業(yè)發(fā)展較晚，基礎較差，但是經過多年的努力，從無到有，從模仿一般的小型機械到自主研發(fā)制造大型精密設備，我國的工程機械行業(yè)不斷地發(fā)展為一個機械產品門類齊全，產品技術具有先進水平的工業(yè)體系[15]。
剪叉式液壓升降臺具有結構簡單、承載量大、安裝空間小、自動化程度高且易于實現(xiàn)集中控制等特點，因此在現(xiàn)代物流、航空、自動化生產線等場合中得到廣泛應用[17]。剪叉式升降平臺是應用非常廣泛的一種升降裝置，剪叉式升降平臺的結構決定了其功能和特點，具有結構穩(wěn)固、運行可靠、安全高效、故障率低、維護方便等一系列優(yōu)點，因此廣泛用于車站、碼頭、橋梁、大廳、廠房、室內外機械安裝、設備維修、建筑保養(yǎng)等場合。
1.1.2研究意義
升降機不論是在工業(yè)生產還是我們的日常生活中都有著非常重要的作用。給我們帶來許多便捷、便利。升降機有許多特色的功能，電梯在我們生活中的好多地方都會用到，升降機就如電梯的性能大同小異，我們在升降機的使用過程中也可以針對自己的需求對升降機的具體參數進行設置。升降機在我們生產中的應用非常普遍，可見升降機在我們的生活中的重要性。然而在我們生產中升降機也有著非常重要的作用，尤其是貨物高空操作。
1.2升降機概述
1.2.1升降機定義
升降機是一種將人或者貨物升降到某一高度的升降設備。在工廠、自動倉庫等物流系統(tǒng)中進行垂直輸送時，升降機上往往還裝有各種平面輸送設備，作為不同高度輸送線的連接裝置。一般采用液壓驅動，故稱液壓升降機。除作為不同高度的貨物輸送外，廣泛應用于高空的安裝、維修等作業(yè)。升降機包括：固定升降機、牽引式升降機、車載式升降機、導軌式升降機和特殊形式的升降機等。
1.2.2液壓升降機的作用
液壓升降機廣泛適用于汽車、集裝箱、模具制造，木材加工，化工灌裝等各類工業(yè)企業(yè)及生產流水線，滿足不同作業(yè)高度的升降需求，同時可配裝各類臺面形式（如滾筒、轉盤、轉向、傾翻、伸縮），配合各種控制方式（分動、聯(lián)動、防爆），具有升降平穩(wěn)準確、頻繁啟動、載重量大等特點，有效解決工業(yè)企業(yè)中各類升降作業(yè)難點，使生產作業(yè)輕松自如。
1.2.3液壓升降機的特點
升降平臺升降系統(tǒng)是靠液壓驅動的，所以叫做液壓升降臺。是一種多功能的裝卸機械設備。它主要廣泛適用于模具制造，化工罐裝以及集裝箱，汽車之類的各種工廠企業(yè)及生產流水線。液壓升降平臺可以滿足于不同作業(yè)高度的升降需求，配裝各類臺面形式，采用合適的控制方式，使得升降是平穩(wěn)準確，可以頻繁啟動，且承載量大，從而能夠有效的解決工業(yè)企業(yè)中各類升降作業(yè)時的難題，方便生產。
1.3國內外研究現(xiàn)狀
1.3.1國外
當前國外制造升降平臺的國家比較多，如意大利、芬蘭、美國、英國等國家。國外升降平臺生產在有的國家已有幾十年的歷史，升降平臺在機械產品中占有相當大的比重。根據叉臂的數量分單節(jié)和多節(jié)升降平臺，還有固定式（圖1.1）、超低式（圖1.2）、移動式（圖1.3）等各種型式。目前升降平臺的驅動力多用液壓驅動，在倉庫、航空、工業(yè)、碼頭等場所廣泛運用。特別在高空作業(yè)升降平臺及商業(yè)貨物平臺中己形成系列化的生產，如英國起重有限公司，他們根據各類倉庫的裝卸需求，生產適應商業(yè)貨物系統(tǒng)方面不同型號的升降平臺，大部分高空作業(yè)搬運作業(yè)其技術先進。還有Geda公司的Multilift系列施工升降平臺，這臺施工升降機可以通過電子顯示裝置對“高度預定控制系統(tǒng)”進行操作。通過該系統(tǒng)，要使升降平臺輕松地停靠在不同高度，操作員只需簡單的按鈕操作就可。該升降平臺配有嵌入式的控制裝置，使升降平臺的急停急走不再發(fā)生。美國專家Hashem 等根據剪叉式液壓升降機的特點提出采用并聯(lián)連接剪叉臂的結構形式，之前的升降機主要是串聯(lián)連接剪叉臂，串聯(lián)連接限制了其工作臺面的增加，并聯(lián)連接不僅可以增加工作面積，還能夠大大增加其穩(wěn)定性[1-2]。
1.3.2國內
隨著中國城鎮(zhèn)化的擴展，道路，橋梁等基礎設施的建設不斷增多，需求不斷擴大，升降平臺以及升降機的種類需求也不斷增加。而且近幾年，液壓升降平臺發(fā)展正處在一個發(fā)展的高峰期，并且逐步向產業(yè)化和集群模式發(fā)展。
現(xiàn)在不管是在建筑工地、市政施工、企業(yè)、工業(yè)、工廠、裝潢、酒店還是私家庭院，升降機以及是到處可見，使用也是非常廣泛。因此，升降平臺市場發(fā)展前景廣闊。我國升降平臺市場進入高速發(fā)展階段，有望保持高速發(fā)展態(tài)勢。
目前國外生產升降機比較知名的企業(yè)有愛知公式、JLG公司和 Alter 公司等。在國內主要有山東濟陽和江蘇鎮(zhèn)江兩大生產基地。比較知名的國內企業(yè)有徐州重工，浙江定力和京城重工等企業(yè) [6]。
國內的升降平臺的制造起步比國外的晚，但是近幾年的發(fā)展相對較為迅速，主要表現(xiàn)在產品種類的不斷增加。如沈陽北方交通中共集團研制了 54m 的高空消防救援車。目前，徐州重型機械有限公司正在研發(fā) 80m 的高空消防車，在此之前，它已經成功研制了 22-68m 的高空消防救援車。杭州愛知公司也研發(fā)完成了絕緣型高空作業(yè)車。
在剪叉機構的強度、剛度方面的研究，郭克希等人通過對剪叉式機構的演變方式的分析對比，得到了變異剪叉結構，并對該結構進行了研究，通過對該空間展開式剪叉機構的強度分析，得出了該機構的關鍵結構尺寸，從而設計出一種新型的能夠廣泛應用于各種特殊的場合的機動平臺[9]。胡小舟等人分析了剪叉式升降機的受力，建立了其力學模型，然后利用 Matlab 軟件進行分析，研究了影響油缸最大推力的關鍵參數[10]。張榮敏等人對剪叉機構的結構參數進行了分析，并利用 ANSYS /APDL 的優(yōu)化設計模塊對剪叉臂進行結構優(yōu)化分析，得出剪叉臂的最優(yōu)參數[11]。鄧宏光等人根據剪叉式升降平臺的結構特征，建立了起升結構的力學方程，并確定了起升結構的關鍵參數[12]。
2總體結構方案及參數選定
2.1 升降機結構確定
此次課題設計的內容為剪切式液壓升降機，剪切式升降機的發(fā)展較迅速，種類也很齊全。按照剪切的大小分為大剪式升降機（又叫子母式），還有小剪（單剪）升降機 ；按照驅動形式又可分為機械式、液壓式、氣液驅動式；按照安裝形式又可以分為藏地安裝，地面安裝。因為此次設計所要舉升的重量為2t以下的轎車 ，所以采用小剪式液壓驅動升降機就完全可以。為了適合大小維修廠，對地基沒有過多要求，地面安裝即可。整體結構形式如圖2.1所示。
圖2.1 液壓升降機整體結構形式
剪切式液壓平板升降機由機架、液壓系統(tǒng)、電氣三部分組成。設置限位裝置、升程自鎖保護裝置等以保證升降機安全使用，保障維修工人的生命安全。剪切式升降機有兩組完全相同的升降機構，分別放于左右兩側車輪之間，因兩側結構完全相同，可以左右互換。升降機由電氣系統(tǒng)控制，由液壓系統(tǒng)輸出液壓油作為動力驅動活塞桿伸縮，帶動兩側舉升臂同時上升、下降、鎖止[2]。
升降機一側上下端為固定鉸支座，舉升臂由銷連接固定在鉸支座上。另一側上下端為滑輪滑動，舉升臂通過軸與滑輪連接。升降機在工作過程中，以固定鉸支座一側為支點，滑輪向內或向外滑動，使升降機上升下降，當達到適當的舉升位置時，利用液壓缸上的機械鎖鎖止。剪切式升降機使用方便，結構簡單，占地面積小，適用于大多數轎車、汽車的檢測、維修及保養(yǎng)，安全可靠[3]。
2.2 確定各結構尺寸
2.2.1 建立轎車模型
根據豐田和大眾轎車的車身信息確定一個使用較廣的車模：它的車身參數有車身長4.7m，寬1.75m，高1.5m，軸距2.1m，前后輪距平均為1.5m，車自重1.5t，該轎車模型集豐田轎車外型，奧迪外型，大眾車系于一體，具有較廣的代表性。
2.2.2主要結構尺寸確定
（1）剪切式升降機已知的主要技術參數如表2.2所示
表2.2 主要技術參數
技術數據
數值
單位
舉升重量
3
T
舉升高度
350~2000
Mm
提升時間
60
S
要求升降機的提升速度是經1min時間內升降機能升高到1m，實際升高1.65m，并且升降機在各高度工作時，都能自鎖。
設計過程中參考了廣力牌GL3.0/A小剪式升降機，上海繁寶剪式升降機，Jumbo Lift NT 剪式舉升平臺的外形及運動形式。
（2）升降機各部分尺寸
（a）支撐平臺尺寸
因剪切式升降機放于兩輪胎之間的下部，所以升降機在使用過程中要保證升降機不能與輪胎發(fā)生干涉[2]。根據轎車軸距為2.6m，轎車輪胎直徑一般不超過700mm，為避免干涉，升降機平臺兩端與輪胎邊緣要有一定距離，取平臺邊距輪胎邊緣之間距離為150mm，則平臺外型長。平臺寬一般為500mm~600mm左右，我們取平臺寬為Bp=550mm。舉升時，重量作用在整個平臺上，力并不集中，所以平臺不宜過厚，增加升降機重量，取外型高為70mm，實厚為15mm，只在四周加工凸臺邊緣，平臺尺寸如圖2.2所示。
圖2.2 平臺尺寸
（b）舉升臂尺寸
因平臺長La=1600mm，固定鉸支座和滑動滾輪分別放于平臺下，降低到最低點時舉升臂不能超出平臺邊緣，與汽車相干涉，所以固定鉸支座和滑動滾輪要與平臺有一定的距離，取支座距平臺邊緣的距離為150mm。則固定鉸支座與滑動滾輪之間距離。
升降機壓縮到最低位置時，升降機高為350mm,(底座到平臺面的距離)。 如圖2.3所示底座厚為15mm，滾輪直徑D=50mm ，滾輪處軸徑Dz=24mm ，為了避免滾輪直接磨損底座，設計時，加工滾輪滑道，滑道厚為10mm，滑道寬35mm，滑道長為750mm。上下兩滾輪之間的距離為根據勾股定理求舉升臂長L , 求得L=1306mm，舉升臂寬110mm，厚為20mm。
圖2.3 升降機壓縮到最低點時的狀態(tài)
（3）升降機升高到1m時尺寸變化
升降機向上舉升時，滑輪向內側滾動，液壓系統(tǒng)向上伸縮，固定鉸支座和滑動鉸支座之間距離縮短，平臺與底座之間距離越來越大。升降機升高到1m時，升降機上下兩滑輪之間的距離為，因舉升臂長L=1306mm，固定鉸接處與滑輪之間的距離為Lb,由勾股定理得 ，則Lb=896.15mm，滑動輪滑動距離Lx=1300-896.15=403.75mm。升降機升高到1m時，結構狀態(tài)如圖2.4所示。
圖2.4 升高到 1m 時升降機主視圖和左視圖
因我們的舉升臂寬為110mm，所以連接處螺栓軸徑適當取Ds=30mm，滑動滾輪處
軸徑取Dz=24mm，滑輪總寬為30mm，與滑道實際接觸尺寸為25mm，另外5mm為階梯凸臺,直接與舉升臂接觸，減小摩擦。
2.3初定電機功率
剪切式升降機舉升重量2t，升降機自身及其附件的重量再加上一部分的余量為0.8t，所以取 W=3.8t 。初定電機功率，不考慮工作過程損失。
舉升平臺上方放有汽車時，設計上升速度為 Vw = （2.2）
S=2000-350 =1650 (mm)
由公式（2.2）得 Vw= =0.0275m/s=1.65m/min
載車板上升功率 Pw= （2.3）
Fw=mg （2.4）
其中m=4.6kg，g=10N/kg 由公式（2.4）
Fw =3.810 =38 KN
Vw取1.65 m/min
由公式（2.3）得 Pw= =1.04（KW） 取
整理前面計算的數據如表2.4。
表2.4 剪切式升降機主要技術參數
舉升重量
2000kg
舉升高度
350—2000mm
實際上升高度
1650mm
總寬
2000mm
總長
2060mm
平臺長/寬
1600/550mm
舉升臂長
1306mm
平臺間寬
900mm
上升時間
50s
下降時間
40s
電機功率
1.1KW
電源
220V/380V/50Hz
額定油壓
18MPa
整機重量
800kg
滑輪移動距離
896.15mm
2.4平臺與叉桿的設計計算
2.4.1確定平臺的結構材料及尺寸
平臺位于升降臺的最上部，是支撐件的組成部分。汽車能夠在升降臺上平穩(wěn)的停放就是平臺起了關鍵的作用。在進行維修作業(yè)之前首先得駛上平臺。需要說明的是平臺并不是一個簡單的鋼板，而是在下面有滑道，因為升降臺叉桿臂上有滑輪，滑道的作用就是使滑輪在滑道內來回滑動，使升降臺完成舉升和回落動作。下底板也如此，如下圖4-1。
圖4-1 下底板結構簡圖
根據上面汽車尺寸參數，確定平臺的長度為2600mm，寬度450mm，材料采用熱軋鋼板。其形狀見圖紙。需要說明的是平臺并不是一個簡單的鋼板，而是在下面有滑道，因為升降臺叉桿臂上有滑輪，滑道的作用就是使滑輪在滑道內來回滑動，使升降臺完成舉升和回落動作。
叉桿是升降臺最主要的舉升部件，是主要的受力機構。對其設計的成功與否關系到整個設計工作的成敗，選材45號鋼，熱軋鋼板。叉桿的外形圖如圖4-2所示。
圖4-2 叉桿的外形圖
2.4.2確定叉桿的結構材料及尺寸
對支撐叉桿進行受力分析：
首先定義每根桿的名稱編號，如圖4-3：
圖4-3 支撐叉桿受力分析圖
對于桿3、桿4的活動鉸聯(lián)接在水平方向上除了摩擦力沒有其它外力，所以可以忽略不計，現(xiàn)在只考慮其豎直方向上的受力就可以了。經過分析桿3的受力情況如圖：
計算其最大彎矩及軸向力：
經力學分析，當升降臺處于最低位置，時，所受彎矩最大，如圖。
當升降臺處于最高位置，時，軸向力最大，如圖
，（正值為拉力，負值為壓力）。
桿4受力情況同桿3。
下面再分析一下桿1,對桿1作受力分析，如圖
對D點做力矩分析：，可得 = -110.1N。
計算彎矩，由上圖可轉化成下圖來分析：
根據以上條件畫彎矩圖，如下：
圖4-4 桿1彎矩圖
由此圖可知，桿1的最大彎矩在C點。經計算當時，有最大值，即擁有最大彎矩，同樣此時也擁有最大的軸向力。首先將，W=9800N，P=11.6W（P與W的關系值根據上述的公式求得）代入以上各式，求得的值如下圖：
則。
計算軸向力，同樣將桿1的受力分析圖再轉化為軸向力圖分析，如圖：
經分析計算，CD段受到的軸向壓縮力最大，。由于剛剛計算出的桿3與桿4的最大彎矩和最大軸向力都小于桿1的值，故不對桿3桿4計算工作應力。計算桿1該狀態(tài)下的工作應力，設叉桿橫截面積A=bh,如圖：
則該狀態(tài)下的工作應力為
其中， ——叉桿實際工作應力,
——材料許用應力，
——材料的極限應力，對于45號鋼，為340Mpa
n——安全系數,一般為大于1的值，這里取n=2。
根據經驗初選h=0.1m。
由此式可以看出彎矩對工作應力的影響較軸向力要顯著的多，所以在計算時應以最大彎矩為主要計算對象。桿1所承受的最大工作應力。桿1的C截面擁有最大彎矩，即可以認為C截面擁有最大的工作應力。我們按照最大工作應力來選取合適的叉桿截面。將h=0.1m代入上式：
最大工作應力。這里取，即叉桿的橫截面為10025。
3 受力分析與校核計算
3.1位置參數計算
由圖3-1可知
圖3-1位置參數示意圖
（1）
（2）
上式中：
H——任意位置時升降平臺的高度；
C——任意位置時鉸接點F到液壓鉸接點G的距離；
L——支撐桿的長度；
——支撐桿固定鉸支點A到鉸接點F的距離；
T——機架長度（A到G點的距離）；
——活塞桿與水平線的夾角。
以下相同。
將（2）式代入（1）式，并整理得
。 （3）
設代入（3）式得
。 （4）
在（4）式中，
——升降平臺的初始高度；
——液壓缸初始長度。
雙鉸接剪叉式升降平臺機構的運動參數計算：
圖3-2 運動參數示意圖
圖中，是F點的絕對速度；是B點絕對速度；是AB支撐桿的速度；
是液壓缸活塞平均相對速度；是升降平臺升降速度。由圖3可知：
（5）
在（5）式中，
——液壓缸活塞平均相對運動速度；
——升降平臺升降速度；
——支撐桿與水平線的夾角。
以下相同。
3.2動力參數計算
圖3-3動力參數示意圖
圖中，P是由液壓缸作用于活塞桿上的推力，Q是升降平臺所承受的重力載荷。通過分析機構受力情況并進行計算（過程省略）得出：
升降平臺上升時
； （6）
升降平臺下降時
（6）、（7）式中，
P——液壓缸作用于活塞桿的推力；
Q——升降平臺所承受的重力載荷；
f——滾動摩擦系數；
b——載荷Q的作用線到上平板左鉸支點M的水平距離。
由于滾動輪與導向槽之間為滾動摩擦，摩擦系數很?。╢=0.01）,為簡化計算，或忽略不計，由（6）、（7）式簡化為：
。 （8）
3.3液壓缸布置方式的分析
從直觀的角度分析考慮，如下圖：
圖3-4液壓缸工作示意圖
我們可以從圖上看出，液壓缸的尾部是連接在右側支撐桿活動的區(qū)域的，液壓缸的頭部是連接在桿1的右端（偏向桿1的活動鉸連接）。因此，我們針對實際升降臺剪叉機構中液壓缸常用的布置方式存在的問題，提出了另一種相對布置方式，將液壓缸布置在與之相對稱的左側，即與剪叉機構的固定支點在同一側，來進一步分析討論。
（1）問題的提出
液壓缸驅動的剪叉機構再各種升降臺中廣泛應用，因安裝的空間不同，其折合后的高度也必然就不同，所以液壓缸在剪叉機構內的布置要受到折合后高度的約束。根據文獻《甘肅大學學報》的有關液壓缸驅動剪叉機構的運動學及動力學分析一章，得知在這種布置方式的情況下，如圖：
圖3-5 液壓缸布置在左側
液壓缸活塞運動速度與臺面升降速度的關系式為
（1）
活塞推力與臺面荷重的關系式為
（2）
式中，
以上兩式的推導基于工程中常用的液壓缸布置方式，即液壓缸下支點與剪叉機構的固定支點在同一側，如上圖。這種布置方式的優(yōu)點是液壓缸的有效行程比較短，這在臺面升程范圍比較大的場合較為適用。存在的問題是在剪叉機構折合后的高度h較小的情況下（即角較?。枰簤焊椎耐屏⒋蟠笤黾?。在液壓缸最高工作壓力限定的情況下，這將使得所用的液壓缸的直徑增大，以致在折合后的剪叉機構中難以布置；或采用兩個直徑較小的液壓缸取代一個大直徑的液壓缸，不過這將增加一對液壓缸的支座，同時帶來機械加工、液壓缸安裝以及液壓系統(tǒng)的復雜性，加大了整個裝置的成本。
（2）兩種布置方式的分析和比較
為了解決以上提出的問題，可考慮將液壓缸反向布置（即采用第一種設計方案），計算一下該方案的有關參數再將兩者作以比較。
如圖：
圖3-6液壓缸布置在右側
這里仍用瞬時速度中心法來求解活塞運動速度。桿ＦＤ上Ｄ點、Ａ點的瞬時轉動中心為F點，D點、A點的速度為：
臺面升降速度：
Ａ點的運動速度：
活塞運動速度：
（３）
式中，
依據虛位移原理有：
（４）
由圖２分析可得：
經變分后：
代入式（４），整理后得活塞推力：
（５）
式（３）和式（５）的正確性可以用機械能守恒原理來證明，即
將式（５）與式（２）進行比較，再各參數都相同的條件下，顯然，液壓缸布置再右側時的推力較液壓缸布置在左側時??；而式（３）與式（１）比較，則液壓缸布置在右側時的活塞速度較液壓缸布置在左側時高。可見，活塞推力的減小是以活塞速度的提高為代價換來的。
液壓缸布置在剪叉機構的右側，使得液壓缸的活塞推力減小，這就可以選用直徑較小的液壓缸，有利于液壓缸在剪叉機構中的布置；帶來的問題是液壓缸的有效行程較長，如果臺面升程范圍不大，液壓缸行程的增加也是有限的。
3.4強度校核計算
3.4.1叉桿
對支撐叉桿進行受力分析
首先定義每根桿的名稱編號，如圖：
對于桿3、桿4的活動鉸聯(lián)接在水平方向上除了摩擦力沒有其它外力，所以可以忽略不計，現(xiàn)在只考慮其豎直方向上的受力就可以了。經過分析桿3的受力情況如圖：
計算其最大彎矩及軸向力：
經力學分析，當升降臺處于最低位置，時，所受彎矩最大，如圖。
當升降臺處于最高位置，時，軸向力最大，如圖
，（正值為拉力，負值為壓力）。
桿4受力情況同桿3。
下面再分析一下桿1,對桿1作受力分析，如圖
對D點做力矩分析：，可得 = -110.1N。
計算彎矩，由上圖可轉化成下圖來分析：
根據以上條件畫彎矩圖，如下：
由此圖可知，桿1的最大彎矩在C點。經計算當時，有最大值，即擁有最大彎矩，同樣此時也擁有最大的軸向力。首先將，W=9800N，P=11.6W（P與W的關系值根據上述的公式求得）代入以上各式，求得的值如下圖：
則。
計算軸向力，同樣將桿1的受力分析圖再轉化為軸向力圖分析，如圖：
經分析計算，CD段受到的軸向壓縮力最大，。由于剛剛計算出的桿3與桿4的最大彎矩和最大軸向力都小于桿1的值，故不對桿3桿4計算工作應力。計算桿1該狀態(tài)下的工作應力，設叉桿橫截面積A=bh,如圖：
則該狀態(tài)下的工作應力為
其中， ——叉桿實際工作應力,
——材料許用應力，
——材料的極限應力，對于45號鋼，為340Mpa
n——安全系數,一般為大于1的值，這里取n=2。
根據經驗初選h=0.1m。
由此式可以看出彎矩對工作應力的影響較軸向力要顯著的多，所以在計算時應以最大彎矩為主要計算對象。桿1所承受的最大工作應力。桿1的C截面擁有最大彎矩，即可以認為C截面擁有最大的工作應力。我們按照最大工作應力來選取合適的叉桿截面。將h=0.1m代入上式：
最大工作應力。這里取，即叉桿的橫截面為10025。
3.4.2橫軸
選取套聯(lián)在活塞桿端部的橫軸，根據總體結構布局確定橫軸長度需要220mm，由于是單耳環(huán)聯(lián)接，其內徑CD=50，橫軸的外徑也應為50mm,但考慮到二者需要相對滑動，應使橫軸的外徑略小于50mm,這里取d=48mm。單耳環(huán)的寬度值EW=60mm。將叉桿要聯(lián)接到橫軸處的孔進行加長處理，使兩者接觸面積適當的增大以減小彎曲應力及及剪應力。因此可按下圖分析橫軸所受應力：
當時，P=113680N，可求得。作用于橫軸上的力P是均勻分布的，分布距離為60mm，故集度為：，截面O上的最大彎矩為，截面C和D上的剪力（這里沒有考慮剪力與彎矩的正負）。
其彎曲應力為
剪應力
對于其它幾個銷軸，由于所受的應力都小于上述值，在不改變材料的基礎上選擇直徑各為35mm、40mm是完全可以的，這里就不一一校核了。
3.4.3連接螺栓的校核
螺栓在升降機中起連接作用，主要承受剪切變形。校核時只考慮剪切變形就可以。以下是對圖2.4中的1、3、4處的螺栓進行強度校核。螺栓材料為Q235-A鋼，許用剪切應力[]=98MPa。
（1）1處螺栓受的剪切力如圖3.15所示
圖3.15 1處螺栓所受剪切力圖
（a）升降機在最低點時螺栓剪切力強度計算
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
根據第三強度理論 =53.89MPa
滿足強度要求。
（b）舉升到1m時螺栓剪切力強度計算
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
根據第三強度理論
經計算滿足強度要求。
（2）3處螺栓受的剪切力如圖3.16所示
圖3.16 3處螺栓所受剪切力圖
（a）升降機在最低點時螺栓剪切力強度計算
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
根據第三強度理論
經計算滿足強度要求
（b）舉升到1m時螺栓剪切力強度計算
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
根據第三強度理論
經計算滿足強度要求。
（3）5處螺栓受的剪切力如圖3.17所示
圖3.17 5處螺栓所受的剪切力圖
（a）升降機在最低點時螺栓剪切力強度計算
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
根據第三強度理論
經計算滿足強度要求
（b）舉升到1m時螺栓剪切力強度計算
水平方向承受的應力為
豎直方向承受的應力為
根據第三強度理論
經計算滿足強度要求。校核后的結果表明螺栓材料為Q235鋼是符合要求的。
4 液壓、電氣系統(tǒng)的設計與選擇
4.1液壓系統(tǒng)設計與選擇
4.1.1液壓系統(tǒng)設計要求
液壓升降機液壓系統(tǒng)，除要求能在一定的范圍內從汽車兩側將汽車同步舉升和下降外，還要求其能使汽車在任意高度停止并保持不動。以便不同身高的工人，在維修不同位置時可以任意調整高度，最方便的進行維修。因此，液壓系統(tǒng)必須具有定位保持功能。另外，因汽車的重量較大，一但液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，升降機舉升臂在汽車重力的作用下會迅速下滑，可能會對車下維修工人的生命安全造成威脅，升降機上面的汽車也有被摔壞的危險。所以，為了防止這樣的情況發(fā)生，升降機必須具有機械鎖裝置。機械鎖由分別安裝在舉升油缸外側和活塞桿頂部與舉升臂相聯(lián)的銷軸上的兩根鋸齒形齒條組成。安裝在油缸外側的齒條固定不動，而安裝在銷軸上的齒條則隨活塞桿上下移動，并且能繞銷軸做一定角度的擺動，已實現(xiàn)兩根齒條的分離和嚙合。當舉升臂處于定位狀態(tài)或液壓系統(tǒng)出現(xiàn)障礙、油壓低于一定數值時，動齒條就會在自身重力和彈簧力的作用下與靜齒條嚙合，機械鎖鎖死，使舉升臂不會下滑，這樣就確保維修工人和汽車不會出現(xiàn)危險。
4.1.2液壓系統(tǒng)的設計
在設計過程中，要保證汽車被水平舉起而不發(fā)生側偏，兩側升降機上升過程中必須始終保持同一高度，活塞的運行速度必須時刻保持相等。升降機液壓回路必須同步。 升降機的液壓回路[16]如圖4.1所示，主要有兩部分組成：機械鎖回路、升降回路。
1.左機械鎖液壓缸 2.右機械鎖液壓缸3. 兩位三通電磁閥 4.濾油器 5.液壓泵 6.溢流閥
7.三位四通電磁閥 8.普通調速閥 9.比例調速閥 10. 左升降缸 11.右升降缸
圖4.1 液壓升降機液壓控制回路
（1）機械鎖回路
機械鎖回路由油缸1、油缸2和兩位三通電磁閥3組成。當電磁閥YA1得電時，兩位三通電磁閥3左位工作，壓力油進入液壓缸1、2下腔，驅動活塞向上移動，將機械鎖打開，此時舉升臂可自由上升或下降。
當YA1失電時，兩位三通閥處于右位工作時，油缸下腔與郵箱直接相通，腔內油壓為零時，油缸活塞在缸內彈簧和機械鎖動齒條自重的作用下收回，機械鎖閉合，舉升臂被鎖住，不能移動。此時工人可以進行各種維修工作。
（2）升降回路
升降回路由三位四通閥7、普通調速閥8、比例調速閥9、左升降液壓缸10、右升降液壓缸11組成。當三位四通閥7的YA2得電時，YA3失電時，油液上升，通過調速閥到達缸10、11。當YA2失電時，YA3得電時，兩油缸下降。
液壓升降機液壓控制回路是用電液比例調速閥控制的同步回路，回路中使用了一個普通調速閥8和一個比例調速閥9.它們裝在由多個單向閥組成的橋式回路中，并分別控制著液壓缸10、11的運動，當兩個活塞出現(xiàn)位置誤差時，檢測裝置就會發(fā)出信號，調節(jié)比例調速閥的開度，使液壓缸11的活塞跟上液壓缸10的運動而實現(xiàn)同步。這種回路的同步精度較高位置精度可達0.5mm，費用低，系統(tǒng)對環(huán)境適應性強。下面是剪切式升降機液壓控制回路進行總結后的工作行程表6.1。
表4.1工作行程表
電磁鐵
升降機上升
升降機下降
YA1
+
+
YA2
+
-
YA3
-
+
4.2液壓缸的計算與選型
油缸是液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件，也是升降機構的直接動力來源。通常油缸分為活塞式和浮拄式兩類。活塞式均為單向作用，其缸體長度大而伸縮長度小、使用油壓低（一般不超過14MPa）。浮拄式為多級伸縮式油缸，一般有2～5個伸縮節(jié)，其結構緊湊，并具有短而粗、伸縮長度大、使用油壓高（可達35MPa），易于安裝布置等優(yōu)點。剪切式升降機多采用活塞式液壓缸，動力源直接輸送。
4.2.1 液壓缸的安裝位置
由第三章對升降機力學結構模型的分析與建立，設計中已經大致確定出液壓缸的安裝位置。d為液壓缸下安裝點與舉升臂中心銷孔距離(平行于舉升臂) , f為上安裝點與舉升臂端銷孔的距離, d= 250mm, f = 500mm。舉升臂與水平面的夾角為α，液壓缸與水平方向之間的夾角為θ 由tanα=
升降機在最低點時，舉升重量均勻分布在平臺上。但當升降機開始工作向上舉升時，左側滑輪向內側移動，上升過程中舉升重量不變，但相對升降機豎直向上的作用力方向，舉升重物的質心前移，為防止發(fā)生前翻狀況，液壓缸活塞桿端作用在滑動輪所在一側的上方舉升臂上。左側也為轎車的車頭方向。升降機在最低位置時，液壓缸的安裝如圖4.2所示。
圖4.2 液壓缸的安裝方向
4.2.2液壓缸推力及行程的確定
由前面的計算可知，液壓缸所需的最大的推力為 P=324.08KN。
液壓缸行程的確定 ：我們所設計的升降機從最低位置350mm升高到2000mm，實際
上升行程為1650mm。因升降機活塞桿與水平方向夾角θ與α有如下關系：，當升降機在最低點時液壓缸的長度。當升降機達到2000mm時， tanα== 經計算得液壓缸總長度為 ，則液壓缸活塞桿伸長量為395mm，取400mm，即液壓缸的行程為400mm。（Hg=1900mm f=500mm d=170mm L=1306mm Lb=896mm）
4.2.3液壓缸的選型
根據上述計算的液壓缸安裝距Sc和液壓缸所需的最大推力P=324.08KN，查閱資料[9]升降機構液壓缸選用雙作用單級活塞桿缸HSG-L-180/90-E2231-400-337。這種工程用液壓缸主要用于各種工程機械、起重機械及礦山機械等的液壓傳動。
4.3液壓泵的計算與選型
升降機構常用油泵分為齒輪油泵與柱塞泵兩類。齒輪泵多為外嚙合式，在相同體積下齒輪泵比柱塞泵流量大但油壓低。柱塞泵最大特點是油壓高（油壓范圍16～35MPa），且在最低轉速下仍能產生全油壓，固可縮短舉升時間。中輕型升降機構上多采用齒輪泵，重型升降機構常采用柱塞泵，此次設計選用齒輪泵。
4.3.1 液壓泵工作壓力的計算
（6.1）
式中[14]:——液壓泵的最大工作壓力 （N/m2）；
——液壓缸的最大工作壓力，（Mpa）；
Mpa （6.2）
式中：——油缸最大作用力（N）；
——油缸橫截面積（m2）。
由式（6.2）解得
MPa
為液壓泵的出油口到缸進油口處的壓力損失。用調速閥及管路復雜的系統(tǒng)
這里取,
則=26.484MPa。
4.3.2 液壓泵功率的計算
當忽略輸送管路及液壓缸中的能量損失時，液壓泵的輸出功率應等于液壓缸的輸入功率又等于液壓缸的輸出功率。但在實際工作中，機械損失和能量損失是不可避免的，在計算中，必須要考慮。液壓泵的輸出功率為：
（6.3）
式中：0——液壓泵的輸出功率（W）
——液壓缸的輸出功率 (W)
V——液壓缸勻速伸長的速度 (m/s)
——液壓泵輸出到液壓缸的端的機械損失，取0.75[9]；
——液壓缸中及管路能量損失，取0.7[9]；
——舉升時間(s)，取t=60s。
由式（6.3）得 =12.346kW
液壓泵的輸入功率： （6.4）
式中：P——液壓泵的輸入功率
——液壓泵的總效率，因我們所設計的升降機屬于中輕型升降機，選擇齒輪泵即可。齒輪泵的總效率一般為0.6~0.7，取0.65。
則由式（6.4）得到輸入功率為。
4.3.3 油泵流量的計算
液壓泵的輸入功率與流量有如下關系
（6.5）
式中： Pp——油泵最大工作壓力，(N/m2)；
——液壓泵的流量（m3/s）；
——液壓泵的總效率,=0.65[14]。
4.3.4 油泵的選型
根據上述計算輸入的功率P、、的值，查閱資料[9]，選擇P197-G50型號的高壓齒輪泵。額定工作壓力為28MPa，最大為28 MPa，工作轉速為2400r/min，輸入功率為65.9KW,油泵排量為50ml/r,液壓泵質量為14.3Kg。 P7600 、P5100、P3100、P237、P197型高壓齒輪泵，廣泛用于各種工程機械、升降機械、起重機械、壓路機、裝載機、推土機。具有體積小壓力高、排量大、噪聲低、性能好、壽命長等優(yōu)點。
4.4電氣系統(tǒng)設計
任何復雜的控制線路，都是由一些元器件和單元電路組成。常用的控制電器有組合開關、按鈕、交流接觸器、中間繼電器、熱繼電器、熔斷器、自動空氣斷路器。
4.4.1 電氣系統(tǒng)控制設計
電氣系統(tǒng)主要控制兩側升降機的同步上升、下降。達到所需位置后，升降機都能安全鎖止。開關示意圖和控制電路圖如下：
圖4.3 電氣系統(tǒng)開關示意圖
圖4.4 升降機主控制電路圖及說明控制電路圖
表4.2 升降機主控制線路的電器元件目錄表
符號
名稱及用途
符號
名稱及用途
Q1
三相組合開關
作電源引入及短路保護用
FU1
熔斷器
作短路保護作用
FR
熱繼電器
作電動機過載保護作用
KM
交流接觸器
作電動機起動、停止用
KA1
動合開關
控制機械鎖的打開與閉合
KM0
吸引線圈
SB0
總開關按鈕
SB3
升降機下降按鈕
SB1
升降機上升按鈕
SQ
動斷開關
作上升限位保護用
SB2
鎖止按鈕
KT
延時開關
機械鎖上升下降緩沖作用
C
接三相電動機
N
接地端
M
電動機
（1）上升
按動上升SB1按鈕，此時電機M立即啟動運轉，機械鎖打開，平臺會立即上升。松開上升按鈕SB1，該機將立即停止上升。
電路：總開關SB0閉合——按下SB1 ——KA1接通機械鎖打開—— KM01線圈通電—— KM主觸點閉合—— 電動機正轉;
——升降機上升到規(guī)定位置—— SB1斷開——按下SB2——KA1接通機械鎖閉合——KM02線圈斷電進行鎖止。
（2）下降
當按下下降按鈕SB3時，剪切式升降機先立即上升，等延時約1~2秒鐘自動轉為下降(這樣可以保證在下降前將保險爪從保險齒條內抬起而不被卡住)。在下降的同時，保險爪將因兩位三通電磁閥YA1通電打開而自動抬起，此時，電動機M也同時停止運轉。
電路：按下SB3按鈕——KA1接通機械鎖打開——KM03線圈通電——KM主觸點閉合——電動機反轉——升降機下降到規(guī)定位置——SB3斷開——按下SB2——KA1接通機械鎖閉合——KM02線圈斷電進行鎖止
4.4.2電動機的選擇與驗算
（1）電動機選擇
計算升降機構額定起重量時的靜載荷功率Nj
Nj=(Q+ G0)V/60 （6.6）
式中： Q——額定舉升重量，N；
G0——升降機構自重，N；
V——舉升速度，m/min；
——效率=0.5。
Q=30000N ，，
得Nj=2.09 KW
根據Nj查電動機產品目錄選取電動機相應的額定功率Ne，并滿足
Nekd Nj （6.7）
式中 kd——系數，見表6.3所示。
我們按滿載情況算 Kd=1.0 Ne 2.09 KW
根據額定功率Ne值及液壓泵的轉速，選擇YZR132N2-6額定功率4.0，轉速為900r/min的電動機。因升降機經常啟動，制動，要求電動機的轉動慣量小和過載能力大，因此選用YZR系列三相異步電動機是符合要求的，在電動機與液壓泵之間采用帶輪傳動，改變傳動比，就可以滿足液壓泵要求的轉速。
表6.3 系數kd
電動機型號
升降機工作特性及機構工作范圍
kd
JZR2、YZR、JZRH
M1～M6級
0.75～0.85
M7級
0.85～0.95
M8級
1.0～1.1
滿載（1～3m/min），經常滿載
0.9～1.0
JZ、YZ
M1～M6級及防爆機構
0.9
Y
M1～M6級及某些特殊機構
1.0
（2）電動機可靠性的驗算
通常升降機構的起動緩沖時間約為1～5s較合適，大舉升重量或速度較高時取較大值。當計算的起動時間小于1s，可改選小一點的電動機，或者仍用原選電動機，而采用增加起動機電阻的方法，從電氣設計上改變電動機的平均起動力矩來延長起動時間。
5 基于Pro/E的三維設計
5.1 Pro/E軟件概述
Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今主流的CA