双柱机械式汽车举升机设计

摘 要双柱机械式汽车举升机通过支撑汽车底盘或车身的某一部分，是使汽车升降的设备。汽车举升机在维修保养中发挥至关重要的作用，无论是整车大修还是小修保养，都离不开他。机械式汽车举升机作为整个汽车举升机中的一员，他有着其他举升机不具有的优势，例如它的工作范围广，可以维修高顶棚车辆，工作占用空间小等。本文较全面的介绍了举升机的种类，在确定所要设计的方案之后，针对举升机的结构及特点要求进行了设计与说明。具体说，涉及原动机分析选择，带传动分析设计，螺旋传动分析设计，导轨分析选择，支撑悬臂应力校核，锁紧机构的选择。本课题所设计的是双柱机械式汽车举升机。关键字：螺旋传动；带传动；汽车举升机；弯曲应力ABSTRACT Two-sided mechanical automobile lift machine is equipment to make the car lifting by supporting a certain part of the automobile chassis or body. Automobile lift machine play a crucial role in maintenance of both the vehicle overhaul and minor repair and maintenance, which cannot be replaced. Mechanical lifters is a member of the car lifting machine family, it has advantages that other lifting machine does not have, such as its work scope is wide, being capable of repairing vehicles with high ceiling, work space is small, etc. This paper comprehensively introduces the classification of the lifting machine and design the lift and make illustration based on the structure and characteristics of the lifting machine after deciding design scheme. Specifically, the paper involves the analysis of motor, belt transmission, screw transmission and guide rail, stress checking of cantilever and the choice of the locking mechanism. This topic is a design of two-sided mechanical automobile lift machine.Keywords: screw transmission; belt transmission; automobile lift; bending stress湖南科技大学本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪论1 1.1 汽车举升机简介及发展概况1 1.2 汽车举升机分类2第2章 举升机设计任务和总体方案设计5 2.1 举升机设计任务5 2.2 举升机总体方案设计5 2.2.1 拟定设计方案5 2.2.2 确定总体设计方案6第三章 原动机分析选择9 3.1原动机的计算选择9 3.1.1 选择原动机类型和结构9 3.1.2原动机转速选择及功率计算9第四章 带传动分析设计10 4.1 带传动简介及类型选择10 4.2 带传动设计计算10 4.2.1 带传动设计初始条件10 4.2.2 带传动主要失效形式和设计依据11 4.2.3 带传动设计计算11 4.2.4 带轮结构设计12第五章 举升机构分析设计14 5.1 举升机构的分析选择14 5.2 滑动螺旋副的设计计算16 5.2.1 材料的选择16 5.2.2 耐磨性16 5.2.3 验算自锁17 5.2.4 螺杆强度：校核当量应力18 5.2.5 螺纹牙强度18 5.2.6 螺杆的稳定性18 5.2.7 横向振动-验算临界转速19 5.2.8 驱动转矩和效率19第六章 支撑机构结构分析设计20 6.1 支撑机构结构设计20 6.2 支撑机构应力校核21 6.2.1 校核弯曲切应力21 6.2.2 校核弯曲正应力22第七章 导轨结构分析设计24 7.1 导轨类型分析选择24 7.2 直线运动系统载荷计算25 7.3 滚动直线导轨副寿命计算26 7.3.1 寿命计算的基本公式26 7.3.2 滚动导轨副的寿命计算及选用规格27第八章 锁紧机构分析设计30 8.1 锁紧机构的必要性30 8.2 锁紧机构原理分析30 8.3 锁紧机构的选择32 8.4 锁紧机构的校核33第九章 螺栓连接件的校核35 9.1 升降台与剖分式螺母套的螺纹校核35 9.2 箱体与地基的螺纹校核36第十章 结论39参考文献40致谢41i - -第一章 绪论1.1 汽车举升机简介及发展概况汽车举升机在汽车保养和维修行业中占有重要地位。汽车举升机根据保养维修工况，将需要保养或维修的汽车可靠安全地从地面举升至另一合适高度，以便于工人的保养维修工作的设备。因此，汽车举升机具有至关重要及难以替代的作用，是汽车保养维修行业中最基本的维修设备之一。早在20世纪初期，汽车维修特别是汽车底盘维修时，汽车维修技术工人一般通过钻到车底下进行故障诊断与维修，但是这种维修方法空间比较狭小、光线比较阴暗，并且不利于维修人员长时间在车底作业，导致维修效率很低。 最初出现的举升机由电力驱动，可以把汽车升到空中，但是举升的高度不高。到了20世纪20年代，Weaver和Manley等生产的汽车举升机最大举升高度可以达到4英尺，并且可以根据工况需求在最高高度下对举升高度进行任意调整，举升机通过支撑车轴把汽车举升起来，这样保证了汽车被举起后车轮可以自由转动。 在1925年，美国的Rotary 公司创始人Lunati 偶然受到理发师座椅原理的启发，制造出世界上第一台液压举升机，这使修理汽车变得更加容易。 之后又出现了单柱框架接触式举升机，它保证了工作人员可以方便地对 4 个车轮维修，但是该设计方案的代价是牺牲了车底空间 ，使得工作人员无法对车底的某些部位进行维修。随后两柱举升机的出现使得技师可以方便维修汽车底盘区域的故障。随着科学技术的发展，制造厂家逐渐把举升技术和自动化控制技术结合在一起，通过电子设备来控制举升机的举升动作，同时设计开发了多种成熟的安全保障装置,使工作人员具有执行各种维修操作的能力。中国的汽车举升机起步较晚，直到20 世纪 80 年代初才根据外国的技术生产。 汽车举升机因为便于技师维修工作，所以逐渐代替了以前常用的地沟模式。 并且随着我国汽车工业的繁荣，随之形成了 一个庞大的汽车周边市场，汽车举升机的市场扩大迅速。 到了2000 年，举升机产品形式和种类已发展到各式各样，并且成为汽车维修行业取得二级维修资质必备的汽修设备。 随着我国汽车保有量的不断增多，私人购买汽车成为主流，汽车售后市场得到蓬勃发展，汽车举升机成为一种使用频率极高而且几乎不可或缺的汽车维修设备。自从中国加入WTO后，中国汽车维修业受到的影响是巨大的。外国汽车厂商为适应售后服务的要求, 外国维修业开始相继进入中国市场, 外国汽车维修业的进军给中国汽车维修市场提供了一个较为先进和高效的国际技术环境, 这对促进国内汽车维修业的更新改造、加速汽车维修业技术进步是一个机遇, 必然会起到良好的推动作用。现代汽车维修方式必然代替传统汽车的维修方式、维修制度和经营模式。以往的汽车维修通常就是维修谈维修, 而现代汽车维修是集汽车销售、零件销售、资讯及售后服务四位为一体。维修对象的高科技化、维修设备现代化、维修咨询网络化、维修诊断专业化、维修管理多样化及服务对象的社会化将是现代汽修的新趋势。国外汽车维修企业通过汽车服务贸易的形式进入国内市场, 这使我国汽车维修行业面临严峻挑战, 而在汽车维修企业发展要素中, 管理、技术、装配和信息将起主导作用。提倡汽车维修行业的服务优质化、品牌化、数字化，势在必行。1.2 汽车举升机分类 汽车举升机有多种类型, 根据传动方式一般可分为机械传动和液压传动, 其主要性能对比见表1-1。其中机械传动举升机由于其结构特点容易发生丝杠或工作螺母滑扣, 导致所举汽车跌落或丝杠卡死等故障, 存在很大的安全隐患。液压传动举升机由于其性能优势逐渐成为主流的举升机产品类型。表1.1 根据传动方式分类种类名称优点缺点机械传动举升机结构简单, 价格便宜机械磨损大，易发生汽车跌落液压传动举升机安全性能好、运 行平稳、维护简单以及工作效率高成本高近年来，随着材料学科和其他相关学科的发展，机械式汽车举升机开始展显出新的活力。图1.1是现在正在销售的德国康索举升设备。图1.1 德国康索举升设备根据结构类型来分，有双柱式、四柱式和剪式，其主要性能对比见表1-2。 机械式举升机：同步性虽好，但机械维护成本高（需要换铜螺母及轴承）。机械传动可以是钢丝或链条，但这样设计有一个缺点：如果钢丝或者链条在工作中有略微伸长，就会导致升降时拖架的移动不能同步。液压式举升机：维护成本较低，单缸同步性好，但是双缸同步性较差。液压式细分又可分为单缸式和双缸式，单缸又分两种：老单缸和新单缸，双缸又分龙门式和无地板式。单缸同步性虽好，但油缸机械式连接在对面立柱的托架上。双柱式液压举升机：液压举升，维修较少。质量较稳定，下降时需要两边拉开保险才能下降。油缸置于下部比较占用下面的空间。四柱式举升机：四柱式同时具有双柱式液压举升机的特点和实现四轮定位的检测，安装升举更加方便，一般在中大型的修理场中有广泛的应用。四柱式举升机见图1.2。图1.2 四柱式举升机剪式举升机：举升平稳，安全性高，但是剪式举升机的精度要求高，容易卡死。剪式举升机见图1.3。图1.3 剪式汽车举升机表1.2 根据结构类型分类种类名称优点缺点双柱式举升机同步性好，占地面积较小机械式机械磨损较大；液压是成本高；四柱式举升机适合四轮定位结构的使用占地面积较大剪式举升机安全性高，操作简单；空间利用率高精度要求较高，易发生举升平台不平衡，单边升降第2章 举升机设计任务和总体方案设计第三章 原动机选择及运动学分析第四章 带传动分析设计4.1带传动简介及类型选择带传动是利用张紧在带轮上的传动带，借助带和带轮间的摩擦或啮合来传递运和力 的。带传动具有传动平稳、结构简单、造价低廉、不需润滑和能缓传动吸振等优点，在机械传动中被广泛的应用1。根据带传动原理不同,带传动可分为摩擦型和啮合型两大类,前者过载可以打滑,但传动比不准确(滑动率在2%以下);后者可保证同步传动。根据带的形状可分为平带传动，v带传动和同步带传动。根据用途，有一般工业用途、汽车用和农机用之分1。带传动的功率损失方式共有四种：滞后损失、滑动损失、空气阻力和轴承摩擦损失。鉴于上述功率损失，带传动的效率约在0.80.98范围内，根据带的种类而定。各种类带传动的效率如表4.1。表4.1 各类带传动的效率带的种类效率（）平带8398有张紧轮的平带8095 普通V带帘布结构绳芯结构87929296窄V带9095多楔带9297同步带9398 根据汽车举升机的工况条件和第三章电机的容量，选择效率较高、最常见的普通V带传动，结构为绳芯结构。绳芯结构的普通V带当量摩擦因数大，工作面与轮槽粘附着好，允许包角小、传动比大、预紧力小，而且带体较柔软，曲挠疲劳性好。4.2带传动设计计算4.2.1带传动设计初始条件根据第三章的总体分析，确定带传动设计的初始条件，见表4.2。表4.2 带传动设计初始条件项目值单位电机功率2.2Kw大带轮转速n2940R/min小带轮转速n1240R/min4.2.2带传动主要失效形式和设计依据 1)带在带轮上打滑，不能传递动力 2）带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断 3）带的工作面磨损保证带传动在工作中不打滑，并具有一定的疲劳强度和使用寿命是V带传动设计的主要依据，也是靠摩擦传动的其他带传动设计的主要依据。4.2.3带传动设计计算1、 设计功率 KA - 工况系数，由于举升机载荷变化较大并且一般每天工作小时数不大于10 小时，查表取1.1 P - 传递的功率， P = 2.2 * 0.96 = 2.11kw2、 选定带型 根据设计功率Pd和小带轮带速n1选取带型为A型。3、 传动比 4、 小带轮基准直径 为提高V带的寿命，原则上宜选取较大的直径，但由于立柱空间的限制，现选择小带轮基准直径。5、 大带轮基准直径 ，按机械设计手册选取大带轮基准直径标准值。6、 带速 dp1 - 大带轮的节圆直径，通常带轮的节圆直径可视为基准直径 对于普通V带，满足条件。7、 初定轴间距 ，所以8、 所需基准长度 ，其中，按机械设计手册选取基准长度9、 实际轴间距 安装时所需最小轴间距： 10、 小带轮包角 11、 单根V带传递额定功率 根据带型、dd1和n1查表线性插求得。12、 传动比i 1的额定功率增量 根据带型、dd1和n1查表线性插求得。13、 V带根数 ，取4根V带式中，Ka - 小带轮包角修正系数，查表取0.85， KL - 带长修正系数，查表取0.93。4.2.4 带轮结构设计1、 带轮设计要求设计带轮时，应使其结构便于制造，质量分布均匀，重量轻，并避免由于铸造应力产生过大的内应力。V 5m/s时要进行静平衡，V 25m/s时则应进行动平衡。轮槽工作表面应光滑，以减少V带的磨损。2、 带轮材料带轮材料常采用灰铸铁、钢、铝合金或工程材料等。灰铸铁应用最广，当v30m/s时用HT200，v2545m/s，则宜采用孕育铸铁或铸钢，也可采用钢板冲压-焊接带轮。小功率传动可用铸铝或塑料。3、 带轮的结构带轮由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成。轮辐部分有实心、孔板和椭圆轮辐等三种。通过查找机械手册，确定小带轮为实心轮，大带轮为孔板轮，材料都为HT200。 第五章 举升机构分析设计5.1举升机构的分析选择 螺旋传动的基本原理是通过螺杆和螺母的旋合传递运动和动力。螺旋传动主要是将旋转运动变成直线运动，可以以较小的力矩获得很大的推力，或者用作调整零件的相互位置。当螺旋传动不自锁时，也可以将直线运动转化为旋转运动。根据螺纹副摩擦性质不同，可分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋传动，各类螺旋传动的特点和应用举例见表5.1。表5.1 各类螺旋传动的特点和应用2种类滑动螺旋传动滚动螺旋传动静压螺旋传动特点1. 摩擦阻力大，传动效率低2. 结构简单，加工方便3. 易于自锁4. 运转平稳，但低速或微调时可能出现爬行5. 螺纹有侧向间隙，反向时有空程6. 磨损快1. 摩擦阻力小，传动效率高2. 结构复杂，制造困难3. 具有传动可逆性4. 运转平稳，起动时无颤动，低速时不爬行5. 抗冲击性能较差6. 工作寿命长，不易发生故障1. 摩擦阻力极小，传动效率高2. 螺母结构复杂3. 具有传动可逆性4. 工作平稳，无爬行现象5. 反向时无空程6. 磨损小，寿命长7. 需要一套压力稳定、温度恒定、过滤要求较高的供油系统应用举例金属切削机床的进给、分度机构的螺旋传动，摩擦压力机，千斤顶的传力螺旋金属切削机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋等精密机床的进给、分度机构的传动螺旋根据双柱机械式汽车举升机的应用行业和工作条件及螺旋传动的特点和应用，选择滑动螺旋传动作为汽车举升机的举升机构。滑动螺旋副常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹或矩形螺纹等，三种主要螺纹的特点和应用见表5.2表5.2 三种螺纹副的螺纹种类、特点和应用2种类特点应用梯形螺纹牙根强度高，螺纹的工艺性好；内外螺纹以锥面贴合，对中性好，不易松动；采用剖分式螺母，可以调整和消除间隙；效率较低用于传力螺旋和传动螺旋如金属切削机床的丝杆、载重螺旋式起重机锯齿形螺纹外螺纹牙根处有相当大的圆角，减小了应力集中，提高了动载强度；大径处无间隙，便于对中；和梯形螺纹一样都有螺纹强度高、工艺性好的特点，但有更高的效率用于单向受力的传力螺旋，如水压机的传力螺旋、火炮的炮栓机构矩形螺纹传动效率高，但精度制造困难；螺纹强度比梯形螺纹和锯齿形螺纹低，对中精度低，螺纹副磨损后的间隙难以补偿与修复用于传力螺旋和传动螺旋，如一般起重机根据双柱机械式汽车举升机的应用行业和工作条件及螺旋副的特点和应用，此汽车举升机的滑动螺旋传动的螺纹副选择梯形螺纹，为保证螺旋副的自锁性，取螺纹头数为单头螺纹。 滑动螺纹传动的螺母结构通常有三种，分别是整体螺母、组合螺母和剖分式螺母，三种螺母结构的特点见表5.3。表5.3 三种螺母结构的特点种类整体螺母组合螺母剖分式螺母特点结构简单，但由于磨损产生的轴向间隙不能补偿，只适用于精度较低的螺旋传动结构复杂，但可以定期的调整，以消除轴向间隙，避免反向转动的空程结构较复杂，但可以补偿旋合螺纹的磨损虽然组合螺母和剖分式螺母有补偿间隙、避免反转空程或补偿磨损的优点，但是组合螺母和剖分式螺母结构过于复杂，且剖分式螺母主要运用于传导螺旋中，所以本举升机选择整体螺母。组合螺母结构见图5.1，其中1 - 固定螺钉；2 - 调整螺钉；3 - 调整楔块。剖分式螺母机构见图5.2。图5.1 组合式螺母结构图图5.2 剖分式螺母结构图总结，此双柱机械式汽车举升机选择滑动螺旋传动，梯形螺纹和整体螺母作为举升机构。5.2滑动螺旋副的设计计算根据上一节分析，滑动螺旋副采用梯形螺纹，整体螺母结构，额定举升质量3000kg，最大举升高度2000mm，全程t1min。5.2.1 材料的选择螺杆和螺母材料除应具有足够的强度和良好的加工性能外，相互旋合应具有交的的摩擦系数和较高的耐磨性。所以，本汽车举升机的螺杆应进行热处理，以保证其耐磨性。对于中等精度的一般传动，螺杆材料选择45钢，热处理过程为：预备热处理：正火（170200HBS）；最终热处理：调质（220250HBS）。传统螺母材料选择铝青铜ZCuAl10Fe3Mn2，该材料和钢制螺杆配合，摩擦系数低，强度高，适用于重载、低速传动。5.2.2耐磨性滑动螺旋副的失效主要是螺纹磨损，因此螺杆的直径和螺母高度通常是根据耐磨性计算确定的。1、螺杆中径 矩形螺纹 = 0.8；F-单柱轴向载荷，1.5为安全系数p-许用压强，取15值根据螺母的形式选定，整体母取2.53.5由于要同时满足螺杆的耐磨性、自锁性、螺杆强度、螺纹牙强度、螺杆稳定性和横向振动等设计要求，所以螺杆中径d2取35mm，再由标准中选取公称直径d = 40和螺距 P = 10。2、螺母高度 3、旋合圈数4、螺纹的工作高度梯形螺纹h = 0.5P = 0.510 = 55、工作压强 5.2.3验算自锁 要求自锁的螺杆应校核其自锁性。 5.2.4螺杆强度：校核当量应力 传力螺旋应校核螺杆危险截面的强度； 其中，驱动转矩5.2.5螺纹牙强度 青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核螺纹牙的抗剪和抗弯强度。1. 螺纹牙底宽度梯形螺纹2. 螺杆抗剪强度 3. 螺杆抗弯强度 4. 螺母抗剪强度 5. 螺母抗弯强度 5.2.6螺杆的稳定性 当螺杆受压力，其长径比又很大时，容易产生侧向弯曲，应校核其稳定性，其直径也可按稳定性确定。螺杆的端部结构采用两端固定，取长度系数=0.5。螺杆的最大工作长度l = 2000mm。螺杆危险截面的轴惯性矩。螺杆危险截面的惯性半径。E为螺杆的弹性模量，对于钢，取E=2.06e5。当时,螺杆的临界载荷为：则，满足条件。5.2.7横向振动-验算临界转速转速高的长螺杆，可能产生横向振动，还应校核其临界转速。 n = 240r/min 0.8nc = 255r/min ，满足条件。lc - 螺杆两支承间的最大距离，取lc = 2300 mm1 - 系数，与螺杆的端部固定结构有关，查表去4.7305.2.8 驱动转矩和效率 第六章 支撑机构结构分析设计6.1 支撑机构结构设计 升降台的悬臂部分是属于本汽车举升机的支撑机构。当目标汽车进入到汽车举升机的范围里时，整个支撑机构就通过改变悬臂的角度和长度来改变悬臂的整个工作范围的宽度。本汽车举升机设计的支撑机构为对称式悬臂，这样设计有利于保持维修汽车的稳定，使立柱中各机构的受力更均匀，同时又满足了各类汽车所需的距离，如图6.1所示：图6.1 对称式悬臂的工作范围示意图其中，图中方格阴影部分就是悬臂的工作范围，能够满足各类轿车的宽度。图6.2 悬臂结构图悬臂采用两段式，可以自由伸长或缩短，伸缩范围为250mm，见图6.2。悬臂材料选择Q235焊接而成。6.2 支撑机构的应力校核本节将通过简化模型对支撑结构进行校核，整个悬臂可以简化为一悬臂梁，施加载荷在悬臂梁的末端，悬臂梁截面为一空心矩形。下面将分别校核悬臂弯曲正应力和弯曲切应力。6.2.1 校核弯曲切应力通过查阅材料力学可知，弯曲切应力的计算公式为： 式中，Fs - 横截面上的剪力； b - 截面宽度； Iz - 整个截面对中性轴的惯性矩； S*z - 截面上距中性轴为y的横线以外部分面积对中性轴的静距。1） 计算Fs 由本举升机的设计要求，悬臂末端Fs = 7450N。2） 计算Iz图6.3 为应用SolidWorks截面参数命令得到的悬臂截面参数，由此可得： 图6.3 悬臂截面参数3） 计算S*z由公式可知，要计算Sz，先要求出截面上距中性轴为y的横线以外部分面积和形心坐标。计算可以利用组合法，见图6.4。由于截面关于Y轴对称，因此计算只计算Y轴左侧。图6.4 组合法计算形心坐标所以化简可得：所以悬臂的弯曲切应力为：所以为y = 0时，0.6=141Mpa，满足条件。6.2.2 校核弯曲正应力通过查阅材料力学可知，悬臂的弯曲正应力计算公式为：，式中，Mmax - 悬臂最大弯矩； W - 抗弯截面系数，与截面的几何形状有关； Iz - 整个截面对中性轴的惯性矩；y - 截面上距中性轴为y的横线。通过上一小节的计算可知，Iz = 3631840mm4；支撑悬臂的最长距离为1010mm，所以Mmax = 1010*7450 = 7524.5Nm。再由以上公式可以计算出悬臂的弯曲正应力为： ，满足条件。第七章 导轨结构分析设计7.1导轨类型分析选择常用的三种直线运动导轨基本性能见表7.1。滚动直线导轨的运行速度已达200m/min。在欧美各国2/3以上的高速数控机床都采用了滚动直线导轨。它已在各种现代机械设备中得到越来越广泛的应用3。表7.1 直线运动导轨基本性能比较运动形式滑动导轨滚动直线导轨静压导轨摩擦因数=0.04-0.06=0.003-0.005=0.0005-0.001运行速度低速低速高速中速高速刚度高较高较低寿命三者相近可靠性高较高较差根据本汽车举升机的工况条件，选择滚动直线导轨。滚动直线导轨有四方向等载荷型、轻载荷型、分离型、径向型和交叉滚柱V型直线导轨副。本汽车举升机选择四方向等载荷型。四方向等载荷型滚动直线导轨副结构简图见图7.1。这种类型的滚动直线导轨具有以下特点：1） 滚动体与圆弧沟槽相接触，与点接触相比承载能力大，刚性好；2） 摩擦因数小，一般小于0.005，仅为滑动导轨副的1/201/50，节省动力，可以承受上下左右四个方向的载荷。3） 磨损小，寿命长，安装、维修、润滑简便。运动灵活、无冲击，在低速微量进给时，能很好地控制位置尺寸。4） 导轨两侧各有互成45的两列承载滚珠，刚性好，可以承受冲击及重载，用途较广，如加工中心、数控机床、机器人、机械手等。图7.1 四方向等载荷型滚动直线导轨副结构简图综上所述，本汽车举升机的导轨选择四方向等载荷滚动直线导轨副。7.2 直线运动系统载荷计算 直线运动系统所承受的载荷受工件重力及重心位置的变化、驱动力F及工作阻力R作用位置的变化、启动及停止时加速或减速引起的速度变化等因素的影响而发生变化。通过查找机械设计手册，以下为四滑块工作台直线运动系统载荷计算方法。图7.2 直线运动系统受载情况计算示意图上图直线运动系统受载计算模型适用于立式导轨匀速运动或静止的受载计算，常见于工业用立式机械手、自动喷涂机械、起重机等场合。本汽车举升机由于举升速度小，计算中忽略启动及停止时因惯性力引起的载荷变化，计算公式如下：式中： W - 外加载荷 P1、P2、. - 垂直于运动平面的支反力 P1T、P2T、. - 平行于运动平面且垂直于导轨的支反力，下同 F - 驱动（推）力 根据第三章的总体设计，本汽车举升机的左右对称中心线与导轨中心线的距离为1515mm，由轿车车宽（见表7.2)可计算出外加载荷作用线据导轨中心线的最长距离为690mm。直线运动系统载荷示意图见图7.3。表7.2 轿车车体车宽（单位：mm）小型轿车中小型轿车中型轿车大型轿车165170175190图7.3直线运动载荷示意图本双柱机械式汽车举升机导轨设置为左右立柱各一根导轨，每根导轨两个滑块，共4个滑块，根据直线运动系统受载计算公式可以求得： 7.3 滚动直线导轨副寿命计算滚动功能部件的主要失效形式是滚动元件与滚动轨道的疲劳点蚀与塑性变形，其相应的计算准则为寿命（或动载荷）计算和静载荷计算。某些滚动功能部件还具有滚动体循环装置，循环装置的失效主要靠正确的制造、安装与使用维护来避免。7.3.1寿命计算的基本公式直线运动滚动功能部件寿命计算的基本公式如下：滚动体为球时： （7-3-1）式中L - 额定寿命，指一组同样的直线运动滚动部件，在相同条件下运行，其数量的90%不发生疲劳时所能达到的总运行里程，km；C - 基本额定动载荷，指垂直于运动方向且大小不变地作用于一组同样的直线运动滚动功能部件上使额定寿命为L = 50km（对球形滚动体）时的载荷，kN；P - 计算载荷，指直线运动滚动功能部件所承受的垂直于运动方向的载荷，kN；fH - 硬度系数，一般厂家滚动元件及滚动轨道表面的实际硬度均在58HRC以上，fH均可取1；fT - 温度系数；fC - 接触系数；fW - 载荷系数。用小时数表示的额定寿命Lh为： （7-3-2）式中l - 直线运动部件单向行程长度，m；n - 直线运动部件每分钟往返次数，1/min。7.3.2 滚动导轨副的寿命计算及选用规格本双柱机械式汽车举升机的设计工作寿命为五年，按每年300天计算，则共有工作小时数：根据公式（7-3-2）可得： 式中 l - 直线运动部件单相行程长度，取l = 2m n - 直线运动部件每分钟往返次数，根据实际情况，按一次修车15min 计算，则每分钟往返次数为1/15。再根据公式（7-3-1）可得: 式中 fH - 硬度系数，取值为1 fT - 温度系数，工作温度100，取值为1； fC - 接触系数，每根导轨上两个滑块，取值为0.81； fW - 载荷系数，无外部冲击或振荡的低速运动场合，速度小于15m/min， 取值为1.1。通过查找机械设计手册，选用规格为25，基本额定动载荷为17.7KN的四方向等载荷型直线导轨副,导轨副详细参数见图7.4和图7.5。图7.4 直线导轨滑块结构图7.5 直线导轨副详细参数第八章 锁紧机构分析设计8.1 锁紧机构的必要性汽车举升机的升降悬臂升到预定高度后, 必须采用锁紧装置将升降悬臂锁定, 使其在维修过程中不会因为技工维修过程中的振动而使汽车掉落或剧烈振动。汽车举升机的稳定性以及锁紧机构设计合理, 对维修技工的安全具有重要的保护作用。能否设计出经济且安全的锁紧机构是举升机生产厂家提高市场竞争力的又一重要因素。在现有技术中, 有下列几种锁紧机构：1） 部分厂家在机械结构上设置包含电磁铁、弹簧或制动板的锁紧机构。电磁铁锁紧装置,由于电磁铁的设计制造质量问题不一,易使电磁铁工作噪声过大, 而且容易出现被烧毁等问题, 给用户带来各种安全隐患。2） 包含弹簧的锁紧装置, 常常因为扭转弹簧本身的制造缺陷、使用寿命等方面从根本上降低了举升机锁紧性能, 给举升机的使用带来很大的安全隐患。3） 在汽车举升机立柱的不同高度上分别设置若干止动板以及升降悬臂末端部对应于止动板处则分别设置有可以转动的锁钩, 当升降悬臂需作上下运动时, 锁钩同时向内缩进或升降臂停止运动时, 锁钩则可以向外伸出并钩住止动板的顶部, 防止升降悬臂和车辆沿立柱下滑。但此类升降悬臂锁紧装置易受结构设计的限制, 使得锁钩不能承受过大的载荷, 容易影响汽车举升机的最大承载能力；同时, 由于汽车举升机的升降悬臂在作上下运动时, 其相对应的锁钩会受外力作用而向里收缩, 然而需定位时, 其外作用力撤去, 此时锁钩依靠自重伸出, 使锁钩与止动板相扣并将升降悬臂定位, 但是由于这种结构的锁钩有可能在伸出时不能全部及时复位, 因此此类汽车举升机也容易产生各种事故隐患。 8.2 锁紧机构的原理分析为了解决上述锁紧机构可能产生的问题，本汽车举升机采用一种不需要额外夹紧力就能使升降悬臂被安全地锁紧在适当位置的简单却有效的技术。升降平台包括两个特殊的圆环装配件，它们通过两个锥形环的简单物理接触产生的力来卡紧圆柱轴。当平台升降时，内部非金属圆环不会与圆柱轴接触，所以不会影响平台自由升降，如图8.1。图8.1 平台升降时锁紧机构原理图图8.2 平台升至设计高度时锁紧机构原理图当平台被升至设计高度时，停止传动力，整个平台的所有重量都施加在外圆环上，使其产生一个向下的力，这个力通过斜楔的作用传递给内部圆环一个水平方向的力。于是，平台被牢固的锁紧，如图8.2。平台越重，产生的夹紧力也就越大。这个技术的优点是轴不需要开槽或螺纹，并且成本也得到降低。8.3 锁紧机构的选择在实际生产中，已经有采用类似原理的锁紧机构，导轨（光轴）钳制器便是其一。导轨钳制器是指直接夹紧直线导轨或者光轴的直线运动辅助配件。NBK公司的导轨钳制器结构如图8.3。图8.3 导轨钳制器结构图本汽车举升机选用这种适用于固定Z轴（垂直轴）上使用的导轨钳制器，防止升降悬臂滑落；制动动力为气压，并且为常闭（Normally Closed）型，即当不供给气压时，钳制器依靠特殊弹簧的作用力等夹紧导轨，当向常闭型导轨钳制器供给气压后，解除夹紧。根据本汽车举升机的设计举升质量3000kg及导轨钳制器的型号表，选择保持力为18000N，型号为RBPS-2600的导轨钳制器，具体尺寸性能见图8.4。图8.4 RBPS-2800尺寸性能8.4 锁紧机构的校核上节选择导轨钳制器的主要依据是导轨钳制器的保持力，而没有考虑到与导轨钳制器配合的直径为28的光轴。由于光轴属于细长杆件，细长杆件受压时时可能会导致压杆失稳，所以本节将校核光轴的稳定性。1） 选择校核公式当压杆柔度大于等于极限柔度时，称为大柔度压杆，此时可以使用欧拉公式；若压杆的柔度小于极限柔度，此时欧拉公式已不再适用，工程中对于这类压杆的计算，一般采用以实验结果为依据的经验公式，有两种常用的经验公式：直线公式和抛物线公式。下面选择校核公式：光轴横截面惯性矩： 光轴横截面的惯性半径： 式中，A - 横截面面积。光轴的柔度： 式中， - 压杆的长度因数，该光轴的约束条件为两端固定，取 = 0.5。对于优质碳钢（取弹性模量E = 206GPa），压杆的柔度极限值为： 由于，所以该光轴校核使用计算压杆稳定性的欧拉公式。2) 校核压杆稳定性欧拉公式的普遍形式为：式中， I - 横截面的惯性矩； E - 材料弹性模量； - 压杆的长度因数，由压杆的约束条件决定。对需校核的光轴应用欧拉公式可得： ,通过查找机械设计手册，按抗不稳定计算的安全系数取35，所以直径为28的光轴满足条件。第九章 螺栓连接件的校核本汽车举升机有多处连接采用螺纹连接，要校核所有螺纹连接是没有必要的，本章着重选择校核升降台与剖分式螺母套的螺纹校核与箱体与地基的螺纹校核。9.1 升降台与剖分式螺母套的螺纹校核升降台与剖分式螺母的螺纹连接是通过铰制孔用螺栓抗剪切来承受载荷的。螺栓杆与孔壁之间没有间隙，接触表面承受挤压应力；而在连接接合面处，螺栓杆则承受剪切应力。因此，应分别按挤压及剪切强度条件计算。升降台与剖分式螺母螺纹连接的受力示意图见图9.1。图9.1 螺纹连接示意图计算时，我假设螺栓光杆与孔壁表面上的压力分布是均匀的，又因为这种连接所受的预紧力不大，所以不予考虑预紧力和螺纹摩擦力矩的影响。根据机械设计可知，螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为:螺栓杆的剪切强度条件为：式中：F - 螺栓所受的工作剪力，N； d0 - 螺栓剪切面的直径，mm； Lmin - 螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，mm。根据本汽车举升机的总体设计要求，额定举升高度为3t，所以每个螺栓承受的工作剪力F为：再由上述公式可得：预选择螺栓的性能等级为4.6，则屈服极限为240MPa。根据机械设计可知，螺纹连接件的许用切应力和许用挤压应力分别按下列式子确定：对于钢，取根据机械设计的表5-10，安全系数分别取。所以， 满足要求。所以，升降台与剖分式螺母套之间的螺纹连接采用铰制孔螺栓M1855，性能等级为4.6。9.2 箱体与地基的螺纹校核选择箱体与地基之间的螺纹连接采用普通螺栓连接，由于箱体所受倾覆力矩较大，为了防止接合面受压最大处被压碎或受压最小处出现间隙，本节主要校核受载后地基接合面应力的最大值不超过允许值，最小值不小于零，即有：上式中，代表受载前由于预紧力所受的挤压应力；A为接合面的面积；为加载后接合面上所产生的最大的附加挤压应力。由于地基刚性大，螺栓刚度相对较小，可用近似公式计算，式中，W是接合面的有效抗弯截面系数。接合面材料的许用挤压应力见表9.1。表9.1 连接接合面材料的许用挤压应力材料钢铸铁混凝土砖（水泥浆缝）木材/MPa0.8（0.40.5）2.03.01.52.02.04.0 根据设计，螺纹连接预选为M20，性能等级为5.6，共有9个螺栓。 根据机械设计，对于钢制螺栓连接的预紧力F0，可以按下列公式确定：碳素钢螺栓： 。此处的螺栓性能等级选择5.6，则屈服极限为300MPa。A1为螺栓危险截面面积，所以有：这里F0取47100N。由于箱体地面为一矩形，长为417mm，宽为390mm，所以抗弯截面系数为:。根据额定举升质量和举升机尺寸可以算出：。又根据汽车举升机的总体设计，箱体与地基的接合面的有效面积A = 159896mm2。 综上可得： 由上数据可知，螺栓预紧力过大，现取F0 = 20000N，再代入公式计算得： 满足条件。 所以为了防止箱体与地基接合面受压最大处被压溃和最小受压处有间隙，取螺栓预紧力F0 = 20000N。第十章 结论与建议10.1 结论通过对汽车举升机传动方式和内部结构的分析计算，依据现有举升机的传动方式和结构，选择了相对简单可靠的传动方式。同时，对主要的承重部件进行了强度以及刚度的校核；对螺旋传动装置、皮带传动装置进行了选择与校核计算，对重要螺纹连接进行了选择与校核计算；通过对锁紧安全装置的设计从而保证了设计机械的安全实用性；10.2 建议该举升机还有需要改进的地方：1、 锁紧安全机构可以不选用的气动的导轨钳制器，可以设计成电磁控制的导轨钳制器。2、 螺母材料可以采用含油MC尼龙螺母，使举升机经久耐用，噪音小，价格便宜。参 考 文 献1 机械设计手册编委会.机械设计手册单行本带传动和链传动M.北京:机械工业出版社,2007.2.2 机械设计手册编委会.机械设计手册单行本带弹簧 摩擦轮及螺旋传动 轴M.北京:机械工业出版社,2007.2.3 成大先.机械设计手册单行本轴承M.北京:化学工业出版社,2004.1.4 濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,2006.5.5 曲健俊.含油MC尼龙的摩擦磨损特性及应用J.工程塑料应用,2000,28卷（11期）:22-24页.6 上官红喜.一种双柱汽车举升机的设计J.液压与气动,2013（13期）:106-109页.6 郭武，黄泽星，吴上生.汽车举升机的发展趋势分析J.应用研究,2011:75-79页.7 刘鸿文.材料力学IM.北京:高等教育出版社,2011.1.8 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理M.北京:高等教育出版社,2006.5.9 高为国，钟利萍.机械工程材料M.长沙:中南大学出版社,2012.9.10 Neil Sclater, Nicholas P. Chironis.Mechanisms and Mechanical Devices SourcebookM.北京:机械工业出版社,2007.2.11 成大先.机械设计手册第五版第一卷M.北京:化学工业出版社,2007.11.12 成大先.机械设计手册第五版第二卷M.北京:化学工业出版社,2007.11.13 任济生，唐道武，马克新.机械设计课程设计M.徐州:中国矿业大学出版社,2008.08.致 谢首先感谢我们的学校，在设计过程中，学校给我们配备了从软件到硬件等一系列的方便，从而使我们在设计过程中能够专心的研究。在本论文的设计过程中得到了马克新导师的辅导与大力支持，使我在设计过程中解决了很多技术上的难题，在此，向马克新导师致以我诚挚的谢意。同时，在设计过程中得到了同班同学的帮助，在此向他们致以我诚挚的感谢。- 37 -