雙層舉升機設計

雙層舉升機設計,雙層,舉升機,設計 XX大學 畢業(yè)設計(論文) 雙層四輪定位汽車舉升機設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 摘 要 本文首先對雙層舉升機的設計特點以及國內外發(fā)展現(xiàn)狀做了相關的概述。接著，從車廂的設計、舉升機構的設計等方面進行了雙層舉升機的總體設計。本文通過對幾種常見的舉升機構進行逐一分析與比較，然后選擇其中一種方案作為雙層舉升機的設計最終方案，然后根據(jù)這種方案進行分析與計算得出結論。最后進行了校核與驗證，得出設計結果的正確性和合理性。 關鍵字：雙層舉升機，總體布置設計，舉升機構 Abstract This paper firstly truck design features as well as the domestic and foreign development status of related. Then, from the compartment, the design of lifting mechanism of the design aspects of the overall design of Hongyan dumper. Based on several common lifting mechanism to analyze and compare, then choose one as high dump truck design final plan, then according to the schemes are analyzed and calculated. Finally carried on the verification and validation of the results obtained, the correctness and rationality of the design. Key Words: Dump truck, general layout design, lifting mechanism 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1課題研究的目的 1 1.2雙層舉升機概述 1 1.3 本課題的研究內容 2 第2章 課題總體設計 3 2.1總體布置原則 3 2.2 車廂的設計 4 2.2.1 雙層舉升機車廂的結構形式 4 2.2.2 車廂的設計規(guī)范及尺寸確定 4 2.3 舉升機構的設計 5 2.3.1 舉升機構形式的選擇 5 2.3.2 直接推動式舉升機構 5 2.3.3 連桿組合式舉升機構 6 2.4 雙層舉升機的兩種機構形式 8 2.5 雙層舉升機機構中三種液壓缸布置方式的分析比較 9 2.5.1問題的提出 9 2.5.2三種方案的分析和比較 9 2.6 總體方案確定及總體設計 11 第3章 主要分析計算 12 3.1 實例分析 12 3.1.1雙層舉升機的結構簡化 12 3.1.2機構受力分析 13 3.2 剪叉臂長度及液壓缸安裝位置的確定 16 3.3 強度校核 17 3.3.1 剪叉臂的強度校核 18 3.3.2 液壓缸底架固定橫梁的強度校核 20 3.4 軸的強度校核 23 3.4.1 內剪叉臂固定端銷軸的強度校核 23 3.4.2 液壓缸缸體尾部銷軸的強度校核 23 3.4.3 液壓缸活塞桿頭部支撐軸的強度校核 24 第2章 零件的三維造型 25 2.1 UG軟件介紹 25 2.2 三維造型設計 26 第3章 雙層舉升機的有限元研究 28 3.1雙層舉升機研究對象 28 3.2 雙層舉升機3D模型建立及處理 28 3.3單元類型以及材料的選擇 29 3.4 網(wǎng)格劃分 33 3.5施加的約束 34 3.6施加的載荷 36 3.7結果分析 37 3.8本章小結 39 第四章 雙層舉升機結構的改進與優(yōu)化 41 4.1 引言 41 4.2 探究經驗計算與有限元分析數(shù)據(jù)誤差的原因 41 4.3 降低應力的結構改進 42 4.4 本章小結 42 總結與展望 43 總結 44 參考文獻 45 致 謝 1 1 第1章 緒論 1.1課題研究的目的 隨著我國經濟的不斷發(fā)展，尤其是自2001年11月10日起，中國正式成為WTO成員國，國內市場逐漸開放。同時，我國亦確立了以擴大內需為主的經濟政策，實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略，加大對基建項目的投資力度，農林牧漁、采礦、水利、軍工、環(huán)保、商業(yè)運輸、交通、通訊、金融、機場、電力、城市建設和石油開采等行業(yè)均快速發(fā)展，使各種類型的專用車需求量大增。在廣大城鄉(xiāng)的沙場、礦山、工地及一般的土木工程等的運輸作業(yè)中，輕型農用雙層舉升機以其靈活機動、價格低廉的優(yōu)點得到了廣泛的應用。舉升機構是輕型農用雙層舉升機卸料作業(yè)的關鍵部件，它直接影響著輕型農用雙層舉升機的整車性能和舉升性能，是雙層舉升機設計時首先需要解決的問題。液動舉升機構是工程雙層舉升機常用的一種舉升機構，它實際上是一種演化形式的四連桿機構，通過外力（液壓舉升油缸施加）作用實現(xiàn)四連桿運動，從而實現(xiàn)將貨物傾卸的目的。 1.2雙層舉升機概述 雙層舉升機是利用本車發(fā)動機動力驅動液壓舉升機構，將其車廂傾斜一定角度卸貨，并依靠車廂自重使其復位的專用汽車。 雙層舉升機按其用途可分為兩大類：一類屬非公路運輸用的重型和超重型(裝載質量在20t以上)雙層舉升機。主要承擔大型礦山、水利工地等運輸任務，通常是與挖掘機配套使用。這類汽車也稱為礦用雙層舉升機。它的長度、寬度、高度以及軸荷等不受公路法規(guī)的限制，但它只能在礦山、工地上使用。另一類用于公路運輸用的輕、中、重型(裝載質量在2～20 t)普通雙層舉升機。它主要承擔砂石、泥土、煤炭等松散貨物運輸，通常是與裝載機配套使用。 某些雙層舉升機是針對專門用途設計的，故又稱專用雙層舉升機。如：擺臂式自裝卸汽車、自裝卸垃圾汽車等。圖1-1為普通雙層舉升機的結構組成。 普通雙層舉升機技裝載質量分為：輕型雙層舉升機、中型雙層舉升機和重型雙層舉升機；按運載貨物傾卸方向分為：后傾式、側傾式、三面傾式和底卸式雙層舉升機；按車廂欄板結構分為：欄板一面開啟式、欄板三面開啟式和簸箕式(即無后欄板)雙層舉升機。 隨著國內基礎設施建設需要不斷增加，雙層舉升機產量近年來一直保持較高產銷量，在專用車綜合產量中保持第一位置，但在種類、型式、材料運用方面與國外還有一定的差距。雙層舉升機繼續(xù)快速增長，銷量超過載貨汽車上升到第一位。主要原因是固定資產投資強勁增長，巨大的投資規(guī)模奠定了雙層舉升機市場需求基礎；雙層舉升機品種增加，不僅適應和滿足施工需求，同時向運輸市場發(fā)展；牽引汽車保持較快發(fā)展，已成為長距離公路運輸?shù)闹髁囆汀? 1.3 本課題的研究內容 本設計主要研究的內容有：車廂舉升機構的設計計算、車廂傾卸機構的設計計算、液壓傳動裝置選型，后進行車輛的總體布置和性能分析，并用總布置草圖表達主要底盤部件的改動和重要工作裝置的布置；最后通過正確的計算，完成部部件設計選型，達到工藝合理、小批量加工容易、成本低、可靠性高的設計要求，并附之以總裝配圖，清楚表達設計。 第2章 課題總體設計 2.1總體布置原則 在進行總體布置時應按照以下原則： 盡量避免對汽車底盤各總成位置的變動因為一些總成部件位置的變動，不僅會增加成本，而且也可能影響到整車性能。但有時為了滿足專用工作裝置的性能要求，也需要作一些改動，如截短原汽車底盤的后懸、燃油箱和備胎架的位置作適當調整等。但改變的原則是不影響整車性能。 應滿足專用工作裝置性能的要求，使專用功能得到充分發(fā)揮 例如氣卸散裝水泥罐式汽車的專用功能是利用壓縮空氣使水泥流態(tài)化后，通過管道將水泥輸送到具有一定高度和水平距離的水泥庫中。氣卸水泥的主要性能指標是水泥剩余率或剩灰率，為了降低這一指標，可將罐體布置成與水平線成一定角度，如圖2-1所示。但這樣布置會使整車質心提高，減少了側傾穩(wěn)定角，因此也可以水平布置。所以在進行總布置時，要從多方面綜合考慮。 裝載質量、軸載質量分配等參數(shù)的估算和校核 為適應汽車底盤或總成件的承載能力和整車性能要求，在總布置初步完成后應對某些參數(shù)其中最主要涉及的是裝載質量的確定和軸載質量的分配進行估算和校核，這些參數(shù)對整車性能有很大影響。若不滿足要求．應修改總體布置方案。 應避免工作裝置的布置對車架造成集中載荷。 應盡量減少專用汽車的整車整備質量，提高裝載質量。 由于專用汽車工作裝置的增加，使得專用汽車的整備質量比同類底盤的普通貨車要增加。據(jù)統(tǒng)計，一般雙層舉升機要增加耗材5％～10％，一般罐式車要增加耗材15％～25％，因此，減少整備質量，充分利用底盤的裝載質量，增大質量利用系數(shù)，是專用汽車改裝設計過程個要追求的主要指標之一。 應符合有關法規(guī)的要求 例如對整車的長、寬、高、后懸等尺寸在相關法規(guī)中部有明確的規(guī)定，一定不能超出標準的要求。 專用汽車總體布置的任務是正確選定整車參數(shù)，合理布置工作裝置和附件。使取力裝置、專用工作裝置、其它附件與所選定的汽車底盤構成相互協(xié)調和匹配的整體，達到設計任務書所提出的整車基本性能和專用性能的要求。 2.2 車廂的設計 2.2.1 雙層舉升機車廂的結構形式 車廂是用于裝載和傾卸貨物。它一般是由前欄板、左右側欄板，圖2-3為典型的底板橫剖面呈矩形的后傾式車廂結構。為避免裝載時物料下落碰壞駕駛室頂孟，通常車廂前欄板加做向上前方延伸的防護擋板。車廂底板固定在車廂底架之上。車廂的側欄板、前后欄板外側面通常布置有加強筋。 后傾式車廂廣泛用于輕、中和重型雙層舉升機。它的左右側欄板固定，后欄板左右兩端上部與側欄板餃接，后欄板借此即可開啟或關閉。 側傾式及三面傾卸式車廂欄板與底板為直角，如圖2-4所示。其欄板開啟、關閉的鉸接軸為上置式，開啟時，欄板呈自由懸垂狀，多用于有側傾要求的中型雙層舉升機。 礦用白卸汽車和重型雙層舉升機的車廂多采用簸箕式，以方便裝載，傾卸礦石、砂石等。有的簸箕式車廂采用雙層底板結構，以增加底板的強度和剛度，并可減輕自重。 2.2.2 車廂的設計規(guī)范及尺寸確定 將全金屬焊接車廂設計成等剛度體車廂是雙層舉升機設計的重點.但是很難既能保證高強度又能保證輕量化。 就整車而言，可以看成由車輪、前軸、后橋殼、懸架、車架、車廂及其橡膠緩沖塊等不同剛度單元組合而成的彈性體，受力時，將按照各自的剛度產生各自的變形，其變形量與剛度成反比，吸收的能量與剛度成正比。 車廂剛度，無論是彎曲剛度還是扭轉剛度，都會增加車架的相應剛度，兩者的剛度是相輔相成、互相補償?shù)?。當汽車前后左右車輪處于高差較大的路面，車架扭曲較大時，車廂應該有一定的扭轉隨動性。如果車相的扭轉剛度過大，當車架扭轉到一定程度時，車廂前支承緩沖塊相應的一側壓到極限位置，車廂縱梁的另一側可能離開緩沖塊，車廂前端的一大部分重量轉移到一側的車架縱梁上，縱梁可能超載損壞。如果車廂扭轉剛度過小，能與車架扭轉隨動，當車架產生較大扭曲時，車廂可能因變形過大而早期損壞。 全金屬焊接等剛度車廂設計的規(guī)范化的定量的設計計算方法并不是很完善，根據(jù)一些經驗，可以知道一些設汁規(guī)范和經驗數(shù)據(jù)： 表2.2 底盤技術參數(shù)列表 車型 CQ1113T6F23G461 駕駛室最高點距車架上翼面距離（mm） 2056 汽車底盤長（mm） 8208 駕駛室后圍距前軸（mm） 508 軸距（mm） 4600 外氣管距前軸距離（mm） 752 車架有效長度（mm） 5578 車架上平面離地高度（滿載）（mm） 1007 車架外寬（mm） 780 底盤整備質量（kg） 4080 推薦貨物重心（mm） 890 底盤軸荷前軸/后軸（kg） 1680/2400 車輛前懸/車架后懸（mm） 1548/1800 底盤最大承載質量（kg） 7320 汽車底盤總高（mm） 3060 廠定最大設計總質量（kg） 11400 2.3 舉升機構的設計 2.3.1 舉升機構形式的選擇 舉升機構分為兩大類：直推式和連桿組合式，它們均采用液體壓力作為舉升動力 直推式舉升機構利用液壓油缸直接舉升車廂傾卸。該機構布置簡單、結構緊湊、舉升效率高。但由于液壓油缸工作行程長，故一般要求采用單作用的2級或3級伸縮式套筒油缸。 2.3.2 直接推動式舉升機構 油缸直接作用在車廂底板上的舉升機構稱為直接推動式舉升機構，簡稱直推式舉升機構。按舉升點在車廂底板下表面的位置，該類舉升機構又可分為油缸中置(圖2-1a)和油缸前置(圖2-1b)兩種型式。前者油缸支在車廂中部，油缸行程較小，油缸的舉升力較大，多采用雙缸雙柱式油缸；后者的油缸支在車廂前部，油缸的舉升力較小，油缸行程較大，一般用于重型雙層舉升機上，油缸則通常采用多級伸縮油缸。 圖2-1 直接推送式舉升機構 Fig.2-1 The lifting mechanism of direct-push model 2.3.3 連桿組合式舉升機構 油缸與車廂底板之間通過連桿機構連接的舉升結構稱為連桿組合式舉升機構。生產實踐表明，連桿組臺式舉升機構具有很大的優(yōu)越性。根據(jù)油缸的安裝特點，連桿組臺式舉升機構又可分為油缸前推(后推)連桿放大式、油缸前推(后推)杠桿平衡式、油缸浮動等多種結構型式。 （1）油缸前推連桿放大式(馬勒里式)舉升機構 該種舉升機構(圖2-2所示)通過三角板與車廂底板相連，車廂的舉升支點較靠近車廂的前部，故車廂受力狀況較好；當達到最大舉升角度時，油缸幾乎處于垂直狀態(tài)，車廂上升到最置不易傾下，穩(wěn)定性好；油缸最大推力較小，油壓特性好。但整個機構較龐大，油缸在舉升過程中的擺角較大，工作行程較大。 圖2-2 前推連桿放大式舉升機構 Fig.2-2The lifting mechanism of lever magnify model from the forward （2）油缸前推杠桿平衡式舉升機構 該種舉升機構(圖2-3所示)通過拉桿與車廂底板相連，舉升支點較靠近車廂的前部，故車廂受力狀況較好；初始時拉桿幾乎是垂直頂起車廂，因此機構運動性能好。但該機構三角形連桿的幾何尺寸較大，結構不緊湊，油缸擺角較大，工作行程較大，液壓管路不易布置。 圖2-3前推杠桿平衡式舉升機構 Fig.2-3The lifting mechanism of lever balance model from the front （3）油缸后推連桿放大式(加伍德式)舉升機構 該種舉升機構(圖2-4所示)通過三角板與車廂底板相連推動車廂，啟動性能較好，并能承受較大的偏置載荷；舉升支點在車廂幾何中心附近，車廂受力狀況較好。但該機構舉升力系數(shù)較大，工作效率較低。 圖2-4 后推連桿放大式舉升機構 Fig.2-4 The lifting mechanism of lever magnitude model from the behind （4）油缸后推杠桿平衡式舉升機構 該種舉升機構(圖2-5所示)的油缸下鉸點、三角板的固定鉸點、車廂翻轉鉸點幾乎均勻分布在副車架上，減少了車架后部的集中載荷；同時，這種三點支承方式有利于改善機構的整體橫向剛性。舉升過程中油缸擺角小，機構的工作效率也較高，但機構舉升力系數(shù)較大，使相同舉升質量所需舉升力較其他舉升機構大。 圖2-5 后推杠桿平衡式舉升機構 Fig.2-5The lifting mechanism of lever balance model from the behind （5）油缸浮動式舉升機構 圖2-6 油缸浮動式舉升機構 Fig.2-6 The lifting mechanism of float model 該種機構(圖2-6所示)油缸的一端直接與車廂底板相連，另一端不是固定在車架上，而是可以隨著車廂的翻轉而運動，故稱為油缸浮動式舉升機構 該機構的拉桿也與車廂底板直接相連，舉升支點較靠近車廂的前部，故車廂受力狀況較好，工作效率較高。但該機構幾何尺寸較大，結構不緊湊,舉升過程中油缸擺角較大，使得液壓管路難于布置。 由以上分析可知，現(xiàn)在的液壓舉升機構有多種型式，每種型式的性能各有千秋，要因車而異，合理選用，選用的原則是:首先必須充分考慮車輛的使用條件和環(huán)境；其次要考慮制造工藝；最后要兼顧成本。 根據(jù)本車的使用特點和環(huán)境來看，工作條件差，用戶經常嚴重超載，經常在無路的環(huán)境中工作，塵土多，維修條件差，對價格方面的要求是造價低，性價比要求高，車輛離地間隙較大(大于200mm)，建造縱深小，選用橫向剛度好、舉升轉動圓滑、車廂骨架受力均衡、維修簡便、具有壽命長、密封工藝好、不易泄漏、制造成本低、超載能力強等優(yōu)勢的前推連桿放大式舉升機構較為合適，即小的裝載質量、大的超載系數(shù)和良好的經濟性能。 2.4 雙層舉升機的兩種機構形式 圖2-1 機構一 圖2-2 機構二 雙層舉升機的兩種機構形式如圖2-1和圖2-2所示，它們只是兩側相同機構的一側。由以上兩圖可看出，機構一（圖2-1）是全部為固定鉸支座的兩平行桿同步運動的結構，機構二（圖2-2）是兩固定鉸支座和兩個滑動鉸支座的剪叉式結構。這兩種機構都可以實現(xiàn)上板臺面升降的運動，但相比較之下，機構一有三點不足： a) 機構一在升降過程中上板不僅有豎直方向的位移變化，而且還有水平方向的位移變化，而機構二的上板在升降過程中只有豎直方向的位移變化。這樣，在總體尺寸一樣的情況下，機構二升降時所需的空間較小。 b) 機構一在升降的過程中，所載物體的質心相對機構的支撐中心的變化很大，這樣就要求更大的動力，即要求推力更大的液壓缸。結果會增加安裝尺寸和生產成本。 c) 機構一的穩(wěn)定性沒有機構二的對角雙三角的結構穩(wěn)定性好。 綜上所述，機構二較機構一更合理。所以，在結構上選擇機構二。 2.5 雙層舉升機機構中三種液壓缸布置方式的分析比較 2.5.1問題的提出 液壓缸的布置方式主要包括液壓缸對機構的作用力（動力）點位置及液壓缸的起始安裝角度等。 在機構確定的情況下，動力的作用點是關系所需動力大小的關鍵。而雙層舉升機的動力由液壓缸提供，因此，作用點的位置直接關系液壓缸的選擇。此外，液壓缸的安裝起始角度也對所需動力大小有較大影響。 總之，液壓缸的布置方式是設計的一個重要環(huán)節(jié)，是設計成功與否的關鍵之一。那么液壓缸究竟選擇怎樣的布置方式？ 2.5.2三種方案的分析和比較 以下是液壓缸的三種布置方式，如圖2-3，圖2-4，圖2-5所示，基于剪叉式機構的優(yōu)點，它們都是采用剪叉式機構，可以看做三種方案： 方案一（圖2-3）：液壓缸的一端在底座的固定鉸支座上，另一端支撐在支架1上靠近滾動鉸支座的位置。當兩支架幾乎處于水平位置時，液壓缸與底座的夾角很小，這時要把臺面升起就需要液壓缸提供很大的推力，甚至不能把臺面升起。此外，液壓缸的布置需要在底座長度比支架還更長的基礎上額外地加長底座，這樣就需要跟多的底座材料。 方案二（圖2-4）：液壓缸的一端在底座的固定鉸支座上，另一端支撐在支架1與支架2的鉸支軸上。當兩支架幾乎處于水平位置時，液壓缸與底座的夾角也很小，這時要把臺面升起也需要液壓缸提供很大的推力。雖然液壓缸推動支架的力臂會隨著臺面的升起而迅速增大，從而使所需的液壓缸的推力迅速減小。然而，同時也使液壓缸的行程增加迅速增加，最終就需要大行程的液壓缸，而液壓缸的布置需要更大的長度空間，可能在液壓缸完全收縮時支架仍不能完全收回，造成臺面的高度過高。 方案三（圖2-5）：液壓缸的一端在底座的固定鉸支座上，另一端支撐在與支架2成一定角度且同固定鉸支座的桿上。這樣，當兩支架處于水平位置時，液壓缸與底座仍有一定夾角，且>>，這時要把臺面升起所需要液壓缸提供的推力就會比前兩種布置的推力小很多。雖然液壓缸推動支架的力臂隨著臺面的升起而增大幅度沒有方案二的快，即使所需的液壓缸的推力減小更平緩。然而，同時液壓缸的行程增加也比較平緩，最終所需要的液壓缸行程也不會很大，布置液壓缸的空間也是足夠的。因此，在稍微增加了液壓缸推力的同時獲得了更多的優(yōu)點。 圖2-3 方案一 圖2-4 方案二 圖2-5 方案三 綜上所述，方案三是雙層舉升機設計的最佳方案（如圖2-5所示）。 2.6 總體方案確定及總體設計 由于該課題研究的雙層舉升機是雙層舉升機，各前述列舉的方案是一般的雙層舉升機方案。 由2.5.2可知，雙層舉升機的最佳總體方案為：機構二形式和液壓缸布置三的方式相結合。 總體結構示意圖如圖2-6所示 圖2-6 總體機構示意圖 第3章 主要分析計算 3.1 實例分析 整車整備質量是指汽車完全裝備好的質量，包括潤滑油、燃料、隨車工具、備胎等所有裝置的質量。參考同類普通雙層舉升機的整車整備質量，在此基礎上在增加車廂升高裝置的質量，便可估算雙層舉升機的整車整備質量。 主要技術指標、要求或生產綱領：電源為220V/380V/50Hz，功率為2.2KW，主機舉升重量為3.5t，舉升高度為330～1850mm，二次舉升高度為450mm。又由于車廂升高的同時，其質心向后移，因此該雙層舉升機的整車質心位置可比同類普通雙層舉升機的質量略向前移。 3.1.1雙層舉升機的結構簡化 機構的簡化結構如圖3-1所示 圖3-1 液壓機構的簡化結構 機構b、d點為固定鉸支座，a、c兩點分別可沿機構底架軌道及工作臺下方軌道水平移動，a、c兩點采用同樣的支撐結構時，其摩擦阻力系數(shù)皆為。aed，ceb桿件長度皆為，且設為無重桿件，e鉸接點位于上述兩桿件的中點。fg為液壓缸推力的作用線，其一端與底架鉸接于f點，另一端與aed桿鉸接于g點。aed，ceb與水平面得夾角為，fg線與水平面得夾角為，且∠gde=。機構面與所載工件重量合為，其作用線距b點為，顯然，現(xiàn)在機構升降過程中值不變。 3.1.2機構受力分析 1.以整體作為研究對象，如圖3-2所示 圖3-2 整體受力分析圖 將分解到a、b兩端，則有 ..........................................(3.1) .......................................(3.2) ......................................(3.3) ........................................(3.4) ..............................................(3.5) 式中：—a點所受水平方向上的力； —a點所受豎直方向上的力； —b點所受水平方向上的力； —b點所受豎直方向上的力； —c點所受水平方向上的力； —c點所受豎直方向上的力。 2.分別以aed及ceb桿為研究對象，如圖3-2和圖3-3所示 圖3-2 aed桿受力分析圖 圖3-3 ceb桿受力分析圖 列平衡方程式，有 當d點力矩平衡，即時，則 ............ (3.6) 當b點力矩平衡，即時，則 ..........................(3.7) 又aed及ceb桿的水平與豎直方向受力平衡，即有和， 當時，有 ..................................(3.8) ...........................................(3.9) 當時，有 ................................(3.10) ..........................................(3.11) 整理解得： ...........................(3.12) 【靜態(tài)時：】 ......................................(3.13) ..........................(3.14) .............................(3.15) .............(3.16) .......................................(3.17) ......................................(3.18) 式中： —液壓缸的推力； —d點所受水平方向上的力； —d點所受豎直方向上的力； —e點所受水平方向上的力； —e點所受豎直方向上的力。 3.確定角與角的函數(shù)關系 角與角的幾何關系見圖3-1 即.......................................(3.19) 4.受力分析結論 （1）各鉸點處的受力（包括油缸推力）與載荷成正比； （2）、、、、 、值隨值的增大而增大，在值確定時，這些力又與值成正比;而、值隨值的增大而減小，在值確定時，它們隨值得減小而增大； （3）在計算油缸推力時，動態(tài)值比靜態(tài)值增大了； （4）油缸的推力與值成反比； （5）力、隨值的增大而增大。 3.2 剪叉臂長度及液壓缸安裝位置的確定 1.剪叉臂的長度確定 機構的運動原理如圖3-4所示 圖3-4 機構的運動原理圖 為了使工作臺面下降至最低位置時滾輪不至于脫離滑道，剪叉臂的長度應該比底座的長度b小一些，一般可取 .............................(3.20) 由設計參數(shù)可知：，，。初選底座長度，系數(shù)為0.8，則根據(jù)式(3.20)可得剪叉臂的長度。 2.液壓缸安裝位置的確定 由圖3-4可知 ...............................(3.21) 則 所以， 即 而 初選 ，，,,，。 而液壓機構的有效垂直升降高度為 .....................(3.22) 根據(jù)，液壓缸上下交接點g、f的距離S（即液壓缸的瞬時長度）為 ............................(3.23) 液壓缸兩交接點之間的最大距離和最小距離分別為 設液壓缸的有效行程為，為了使液壓缸兩鉸接點之間的距離為最小值時，柱塞不抵到液壓缸缸底，并考慮液壓缸結構尺寸和（如圖3-6所示），一般應取 ...............................(3.24) 同樣，為了使液壓缸兩鉸接點之間的距離為最大值時，柱塞不會脫離液壓缸中的導向套，一般應取 ..............................(3.25) 式（3.24）和式（3.25）中的和根據(jù)液壓缸的具體結構決定。 圖3-6 液壓缸結構尺寸 3.3 強度校核 整個機構，受力較大的零部件有內剪叉臂，液壓缸的支撐橫梁，銷軸等，所以進行校核時，只需對這些受力較大的零件校核即可。 3.3.1 剪叉臂的強度校核 由圖3-9和圖3-10可知，內剪叉臂aed受力要遠大大于外剪叉臂bec，所以這里只校核外臂。外剪叉臂受力如圖3-1所示。又由圖4-8可知，的角度越小，則推力的值越大。若取最大值時滿足強度要求，則該剪叉臂即滿足強度要求。當機構在最低位置時，的值最小，即值最大。參照圖3-1，剪叉臂所受的力都與剪叉臂有一定的夾角，為方便受力分析，將所有的力都按沿剪叉臂方向和垂直剪叉臂方向分解，有下列式子： ...................................................................(7.1) ...................................................................(7.2) ...................................................................(7.3) ...................................................................(7.4) ............................................................................(7.5) .............................................................................(7.6) ...................................................................(7.7) .................................................................(7.8) 圖3-1 內剪叉臂aed受力圖 各力分解后的受力圖如圖3-2(a)所示，彎矩圖見圖3-2(c) 圖3-2 內剪叉臂aed的軸向及徑向分解受力圖 剪叉臂的g處由于是有一個肋板作用，可看作力作用在剪叉臂上為均布載荷。由圖3-2（c）中可知，最大彎矩發(fā)生在k點處，但需校核e、k兩點處的強度，且圖中有，，。又已知剪叉臂的橫截面寬和高分別為，，，如圖3-3所示，圖3-3（a）是e點處的截面圖，圖3-3（b）是k點處的截面圖。 e點處的抗彎截面系數(shù)為 k點處的抗彎截面系數(shù)為 圖3-3 剪叉臂e、k兩點處的截面圖 因為當時，此時e、k兩點的彎矩最大，且由式（7.8）得， ，則 選擇材料為，參照參考文獻[1]，，所以是安全的。 3.3.2 液壓缸底架固定橫梁的強度校核 液壓缸底架固定橫梁（如圖3-4所示）選擇的是60號方鋼，其受力情況如圖3-5所示；已知60號鋼的邊長為60mm，液壓缸推力作用點到坐標系O的距離為65mm，，分別為推力在X，Y軸上的分力，且，。 當液壓缸在最小角度，即工作臺在最低位置時，液壓缸推力最大，雖然此時最小，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，則。 當液壓缸在最大角度，即工作臺在最置時，雖然液壓缸推力最大，此時最 大，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，則。 圖3-4 液壓缸與底架連接的橫梁 圖3-5 液壓缸與底架連接的橫梁截面圖 把它們平移到O點后，有 （1） 對于X軸方向，其受力如圖3-6所示 圖3-6 橫梁X軸方向的受力圖 因為梁的抗彎截面系數(shù)， 所以 （2）對于Y軸方向，液壓缸固定橫梁受力如圖3-7 圖3-7 橫梁Y軸方向的受力圖 又梁的抗彎截面系數(shù)， 則 （3）當作用點平移到O點時，會產生一個扭矩，該扭矩的大小為 又，其中，此時，該扭矩對橫梁截面產生的剪切力為 參照參考文獻[7]，又由第四強度理論 帶入并化簡： 又選材料為，參照參考文獻[7]， 取安全系數(shù)為2，則，所以是安全的。 3.4 軸的強度校核 由圖分析可知，剪叉臂受力最大的地方為g點和d點，所以只需校核該兩處的銷軸即可。 3.4.1 內剪叉臂固定端銷軸的強度校核 因為銷軸較短，所以只受切應力。依圖3-2可知，剪叉臂固定端（即d點）銷軸所受的力為。當機構面處于最低位置，即時，銷軸受到的剪力最大，根據(jù)式(7.7)得。 又銷軸的直徑為，導油孔直徑為，則其橫截面積為 又銷軸受力情況見圖3-8，從圖中可知銷軸受剪力為雙剪切，又參照參考文獻[7]， 銷軸的材料為35鋼，經表面熱處理，參照參考文獻[7]，35鋼的許用應力。取安全系數(shù)為2，則有，所以滿足要求。 3.4.2 液壓缸缸體尾部銷軸的強度校核 液壓缸尾部銷軸的受的力即為液壓缸的推力，如圖3-8所示，因為銷軸較短，所以只受切應力。又銷軸的直徑為，導油孔的直徑為，則銷軸的橫截面積為 圖3-8 尾部銷軸的受力圖 參照3.2.2節(jié)，有 選擇銷軸材料為35，又35鋼的許用應力，取安全系數(shù)為2，則有 ，所以設計的銷軸滿足要求。 3.4.3 液壓缸活塞桿頭部支撐軸的強度校核 依圖3-2可知，液壓缸頭部支撐軸（即g點）所受的力為。當機構面處于最低位置，即時，液壓缸受到的推力最大，即。又銷軸的直徑為，導油孔直徑為，則其抗彎截面系數(shù)為 又銷軸受力情況見圖3-9，參照參考文獻[7]，校核軸的彎曲強度為 圖3-9 頭部支承軸的受力圖 軸的材料為鋼，經表面熱處理，參照參考文獻[7]，鋼的許用應力。所以滿足要求。 第2章 零件的三維造型 2.1 UG軟件介紹 UG（Unigraphics NX）是EDS公司出品的一個產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。Unigraphics NX針對用戶的虛擬產品設計和工藝設計的需求，提供了經過實踐驗證的解決方案。 來自UGS PLM的NX使企業(yè)能夠通過新一代數(shù)字化產品開放系統(tǒng)實現(xiàn)向產品全生命周期管理轉型的目標。NX包含了企業(yè)中應用最廣泛的集成應用套件，用于產品設計、工程和制造全范圍的開發(fā)過程。 如今制造業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)是，通過產品開發(fā)的技術創(chuàng)新，在持續(xù)的成本縮減以及收入和利潤的逐漸增加的要求之間取得平衡。為了真正地支持革新，必須評審更多的可選設計方案，而且在開發(fā)過程中必須根據(jù)以往經驗中所獲得的知識更早地做出關鍵性的決策。 NX是UGS PLM新一代數(shù)字化產品開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過過程變更來驅動產品革新。NX獨特之處是其知識管理基礎，它使得工程專業(yè)人員能夠推動革新以創(chuàng)造出更大的利潤。NX可以管理生產和系統(tǒng)性能知識，根據(jù)已知準則來確認每一設計決策。 NX建立在為客戶提供無與倫比的解決方案的成功經驗基礎之上，這些解決方案可以全面地改善設計過程的效率，削減成本，并縮短進入市場的時間。通過再一次將注意力集中于跨越整個產品生命周期的技術創(chuàng)新，NX的成功已經得到了充分的證實。這些目標使得NX通過無可匹敵的全范圍產品檢驗應用和過程自動化工具，把產品制造早期的從概念到生產的過程都集成到一個實現(xiàn)數(shù)字化管理和協(xié)同的框架中。 工業(yè)設計和風格造型 NX為那些培養(yǎng)創(chuàng)造性的產品技術革新的工業(yè)設計和風格提供了強有力的解決方案。利用NX建模，工業(yè)設計師能夠迅速地建立和改進復雜的產品形狀，并且使用先進的渲染和可視化工具來最大限度地滿足設計概念的審美要求。 產品設計 NX包括了世界上最強大、最廣泛的產品設計應用模塊。NX具有高性能的機械設計和制圖功能，為制造設計提供了高性能和靈活性，以滿足客戶設計任何復雜產品的需要。NX優(yōu)于通用的設計工具，具有專業(yè)的管路和線路設計系統(tǒng)、鈑金模塊、專用塑料設計模塊和其他行業(yè)設計所需的專業(yè)應用程序。 仿真、確認和優(yōu)化 NX允許制造商以數(shù)字化的方式仿真、確認和優(yōu)化產品及其開發(fā)過程。通過在開發(fā)周期中較早地運用數(shù)字化仿真性能，制造商可以改善產品質量，同時減少或消除對于物理樣機的昂貴耗時的設計、構建，以及對變更周期的依賴。 開發(fā)環(huán)境 NX產品開發(fā)解決方案完全支持制造商所需的各種工具，可用于管理過程并與擴展的企業(yè)共享產品信息。NX與UGS PLM的其他解決方案的完整套件無縫結合。這些對于CAD、CAM和CAE在可控環(huán)境下的協(xié)同，產品數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)字化實體模型和可視化都是一個補充。 2.2 三維造型設計 一 以model1.prt為名新建文件 打開軟件Unigraphics NX ,點擊新建圖標，在文件名空白中輸入model1,單位選擇毫米，點擊OK鍵即可建立以model1.prt 為名的新文件,如圖2-1。 圖2-3 點擊圖標，出現(xiàn)下拉菜單后點擊圖標， 接下來就可以開始三維造型過程了 車身及輪胎部件建模 車頭建模 整體建模 第3章 雙層舉升機的有限元研究 3.1雙層舉升機研究對象 本文以某廠生產的雙層舉升機為研究對象，建立了雙層舉升機的三維有限元分析模型，采用對雙層舉升機進行有限元分析，得出了雙層舉升機的應力分布情況，并與試驗結果相對比，以驗證模型和計算方法的有效性。根據(jù)有限元計算結果對雙層舉升機的可靠性進行了驗證，并對雙層舉升機進行了優(yōu)化設計，解決了原雙層舉升機可靠性低的問題。 3.2 雙層舉升機3D模型建立及處理 建立準確、可靠的計算模型，是應用有限元法進行分析的重要步驟之一。在進行有限元分析之前，應盡量按照構件真實的尺寸和外觀來建立有限元分析模型，但對結構復雜的構件，完全按照實物結構來建立計算模型，進行有限元分析有時會變得非常困難，甚至是不可能的，因此在不影響計算完整性的前提下可對構件進行適當?shù)暮喕?。計算模型簡化的結果，只能近似地反映實際情況，或者說，計算模型的計算結果在不同程度上存在著誤差。一般說來，因模型帶來的誤差遠比有限元計算方法本身帶來的誤差大得多。所以，結構的有限元計算的準確性在很大程度上取決于計算模型的準確性。 本課題研究使用UG作為研究建立3D模型，建立的3D模型如下： 建立準確、可靠的計算模型，是應用有限元法進行分析的重要步驟之一。在進行有限元分析時，應盡量按照實物來建立有限元分析模型，但對結構復雜的物體，完全按照實物結構來建立計算模型、進行有限元分析有時會變得非常困難，甚至是不可能的，因此可進行適當?shù)暮喕?。計算模型簡化的結果，只能近似地反映實際情況，或者說，計算模型的計算結果在不同程度上存在著誤差。一般來說，因模型帶來的誤差要比有限元計算方法本身的誤差大得多。所以，結構的有限元計算的準確性在很大程度上取決于計算模型的準確性。為了較準確地計算出雙層舉升機的應力情況，本文的雙層舉升機計算模型只對雙層舉升機螺栓做了簡化處理：包括將雙層舉升機大頭看成一個整體，不考慮雙層舉升機螺栓，根據(jù)雙層舉升機的實際結構尺寸建立三維計算模型，包括雙層舉升機體、雙層舉升機蓋、活塞銷、雙層舉升機頸的模型。 修改后的3D模型如下圖所示。 根據(jù)該型號工廠提供的參數(shù)得到如下條件： 表1列出了計算中采用的材料性能數(shù)據(jù)。 零件 材料 彈性模量E(N/mm2) 泊松比μ 鋼板 HT300 210000 0.27 3.3單元類型以及材料的選擇 需要把UG的模型轉化為ANSYS可以讀取的方式。選擇保存方式為*.x_t格式的文件。 1、從程序中啟動ANSYS10.0的界面。 2、打開ANSYS窗口。 3、ANSYS分析目錄一旦設定好，以后ANSYS軟件操作所產生的所有文件都將存放在此目錄下，建議對不同的分析用不同的工作目錄，這樣可確保每次分析所產生的文件不會覆蓋的危險。如果沒有指定工作目錄，默認的工作目錄為系統(tǒng)所在盤的根目錄。工作目錄設置方式有兩種： l 在進入ANSYS軟件之前通過入口選項所進行的設置； l 進入ANSYS軟件后，可通過如下方法實現(xiàn)： ? 命令方式：在命令輸入窗口中輸入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目錄）； ? GUI方式：Utility Menu>Change Directory，在彈出的對話框中填入指定的工作目錄，單擊【確定】按鈕。如圖所示。 調入我們剛才保存的*.x_t文件。 6、建立結構分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析標題）； GUI方式：Main Menu>Preference，在彈出的如圖所示的對話框中框中選取某個選項使以后出現(xiàn)的圖形界面中過濾掉與選定分析選項無關模塊的內容，本書主要講述結構分析，因此選取Structural(結構) 7、選取和定義單元.下面將給出添加單元類型具體的GUI操作路徑，對于單元的選項，由于和具體的單元類型有關，在這里將不做具體的介紹。此處以添加PLANE42單元作為例子來介紹添加單元的操作步驟。 具體操作步驟如下： 依次選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types(單元類型)對話框，如圖所示。 如果想改變單元的其他輸入選項（即上文提及的KEYOPTs）單擊【Options…】按鈕。出現(xiàn)如圖所示的element type options（單元類型選項）對話框。 確定后單擊【OK】按鈕，如有需要了解各設置的具體說明，可查看ANSYS幫助文件。 返回到如圖所示的對話框后單擊【Close】按鈕，結束單元類型的添加。 8、定義材料屬性 單擊Main>Preprocessor>Material Props>Material Models彈出定義材料屬性對話框如圖所示，填入EX： 2.1e5、PRXY：0.27，在Structural下單擊Friction Coefficient彈出如圖所示對話框，填入Mu：0.27.，至此材料屬性定義完成，下一步進入網(wǎng)格劃分。 3.4 網(wǎng)格劃分 實體建模的最終目的劃分網(wǎng)格以生成節(jié)點和單元，生成節(jié)點和單元的網(wǎng)格劃分過程分為兩個步驟：（1）定義單元屬性；（2）定義網(wǎng)格生成控制并生成網(wǎng)格。 3.5施加的約束 固定約束類型 對話框提示 3.6施加的載荷 3.7結果分析 后處理圖解 通過圖解發(fā)現(xiàn)圖示的受力部分的應力密度最大 通過圖解發(fā)現(xiàn)圖示的受力部分的最大 通過圖解發(fā)現(xiàn)圖示的受力部分的應力密度最大 3.8本章小結 文通過對雙層舉升機精確建模，進而進行受拉應力分析，得出如下結論： 通過應力云圖可以看出雙層舉升機在中心部位處屬于應力集中，最容易發(fā)生破壞。中心部位應該加工，也說明中間部位材料比較厚實的正確性和合理性質。 從而也證明了在ANSYS中進行應力應變分析的正確性，從而可以大大減少試驗費用，降低成本，為齒輪的優(yōu)化設計和可靠性設計打下堅實的的基礎，進而可以優(yōu)化結構或者優(yōu)化材料和工藝，最終實現(xiàn)結構、材料和工藝的創(chuàng)新設計。 第四章 雙層舉升機結構的改進與優(yōu)化 4.1 引言 利用有限元軟件ANSYS10.0的結構分析模塊對雙層舉升機進行有限元分析。通過建立雙層舉升機的幾何模型、有限元模型，對分析模型進行平面靜力分析和雙層舉升機分析，學會對有限元分析結果進行分析和優(yōu)化。 4.2 探究經驗計算與有限元分析數(shù)據(jù)誤差的原因 有限元作為一種數(shù)值計算方法，它的計算結果一般與真實解存在誤差 從多個方面來說。 1. 就是在有限元模擬的時候，我們都要對模型進行一些簡化，這一定或多或少影響計算精度的； 2. 有限元求解的時候，由于各個項目的差異，我們定義各種參數(shù)（和實際的一定有差異）例如滑動摩擦系數(shù)的值等等，這也會影響理論公式的計算精度； 3. 建立有限元模型的時候網(wǎng)格的劃分，熟練人員和不熟練人員的網(wǎng)格劃分有很大差別，這更是影響著求解的計算精度； 4. 有限元求解本身就是近似計算，它用近似模型替代實際模型，所以計算的最終結果一定和實際存在著一定的差別； 5. 即使有限元的計算結果正好等于實際值，但是有的實際解在實際中根本沒辦法測量或者說即使測量了由于采取的手段的詫異，它的結果也不一定非常的精確，這樣來說實際的解本身也存在誤差； 認為有限元計算的影響誤差主要有兩個， 1、幾何體離散：對于規(guī)則幾何體這種誤差可以消除，對于非規(guī)則幾何體這種誤差不能消除。 2、形函數(shù)的影響：對于線性形函數(shù)誤差可以消除，非線性形函數(shù)誤差不能消除。 1.有限元方法本身就是數(shù)值模擬方法，近似計算，誤差之一。 2,幾何模型近似，幾何模型到有限元模型，模型完全有節(jié)點組成，又是近似。 3.采用的單元本身，也是近似，也就是所說的形函數(shù)。對一個問題，采用不同的單元得到不同的結果，就體現(xiàn)了這種近似，另外即使對同一個模型，采用最適合的單元，在不同的軟件也會得到不同的結果，又體現(xiàn)了單元誤差。 例如marc，ansys，nastran，abaqus 都存在板單元，但這幾種板單元基于的假設不見得都一樣，各種軟件的相關單元并不具有完全相通性，誤差不可避免。 1 首先有限元的發(fā)展是利用現(xiàn)有的力學理論發(fā)展起來，這些理論本身就存在與實際情況存在差異，象彈性力學中其考慮為小變形，忽視了應力應變的高階量 這本身便會與實際情況存在誤差。 2 其次有限元的算法以及單元類型也會對結果造成影響，象我們使用協(xié)調模型推導處的單元函數(shù)總會使得單元偏硬 3 邊界條件和加載條件的簡化也會造成差異 以前在公司打發(fā)時間時做過一個小試驗把對稱的十字bar固定中心 計算其模態(tài)響應，雖然是很簡單的一個問題，但試驗和計算結果始終無法完全吻合，畢竟實驗時永遠不可能做到固定一點以及不偏心 所以我覺得有限元的誤差大小不是很重要，大多數(shù)情況下我們使用有限元只是給我們提供一個事務變化趨勢（只要其在合理的誤差范圍內）來指導產品的設計，改良并最終實驗驗證 4.3 降低應力的結構改進 文通過對雙層舉升機精確建模，進而進行受拉應力分析，得出如下結論： 通過應力云圖可以看出雙層舉升機在中心部位處屬于應力集中，最容易發(fā)生破壞。中心部位應該加工，也說明中間部位材料比較厚實的正確性和合理性質，加強結合部位的圓角過渡。 4.4 本章小結 本章主要是對前面各章節(jié)進行總結歸納，并比較出理論計算與ANSYS有限元分析的差異。 總結與展望 一、總結 首先通過對雙層舉升機的彈性特性進行分析，熟悉雙層舉升機的組成和類別。 通過對這些因素的分析和研究，綜合考慮各個因素，要清楚地知道所要設計的應符合的要求。 最后，運用三維設計軟件進行繪圖，并對所設計的雙層舉升機通過研究分析，本文基本上完成了預定的任務，設計出比較合理的雙層舉升機懸架。 二、今后研究方向 （1）雙層舉升機的應用未來前景如何。 （2）如何將分析應用到具體實踐當中，去指導實踐。 總結 本次畢業(yè)設計使我能綜合運用機械原理、液壓傳動、材料力學及其它所學專業(yè)課程的知識，分析和解決機械設計問題，進一步鞏固、加深和拓寬所學的知識。通過設計實踐，逐步樹立正確的設計思想，增強創(chuàng)新意識和競爭意識，熟悉掌握機械設計的一般規(guī)律，培養(yǎng)分析問題和及解決問題的能力。通過設計計算、繪圖以及運用技術標準、規(guī)范、設計手冊等相關資料，進行全面的機械設計