基于虚拟样机的剪式举升机建模及分析与轻量化探讨

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:硕博论文网 点击次数:
论文字数:42155 论文编号:sb2022022114581743723 日期:2022-02-28 来源:硕博论文网
本文是一篇工程硕士论文,本文通过对举升机构整体的分析,完成了很多部件的优化设计与分析。主要是液压系统和刀臂机构的分析,但是举升机构的组成机构和系统非常的繁多和复杂并没有进行深入的研究,随着科学技术的进步,研究人员可以继续对举升机构的其他构成部位进行系统的仿真模拟分析,实现智能化的互联,实现语音操纵或者使用互联网大数据功能根据实际需求自动调节举升高度,期待未来有更好的发展。

第 1 章 绪论

1.1 举升机构研究背景和意义
2009 年中国超越日本成为全球最大的汽车生产国,而汽车维修的需求也与日俱增。起重机械是汽车维修行业最关键、最重要的组成部分。无论车辆在进行检修还是保养,起重机械在这个过程中都起着至关重要的作用。在各种规模的维修企业中,大到大型的专业修理厂,小到马路边上的维修店铺,几乎所有的维修企业都配备了起重机械。
汽车举升机作为汽修行业中最基本、最重要的设备之一,它根据维修需求,将汽车举升到一定高度,以便于维修工人从汽车底部对汽车进行维修。
我国在上世纪 80 年代从国外引进汽车举升机,并通过本土化设计后开始自主生产,到了 21 世纪,我国的举升机产量有了大幅提高,凭借良好的质量和低廉的价格,已经广泛销售往欧美和非洲等地。全球比较著名的汽车举升机品牌有Rotary(路特利),其前身路特利举升机公司于 1925 年制造出了世界上第一台液压汽车举升机。国内比较著名品牌有上海元征、上海序达等品牌,主要生产双柱、四柱和剪式举升机,但是市场占有率较小,主要走中低端路线,价格主要在6000-23000 元左右。国产举升机品牌在大型式举升机举升机方面有质量好、价格低、经济实用等特点,但在大型剪式举升机的轻量化设计方面仍有待提高。
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1.2 剪式举升机的简介与国内外研究现状
1.2.1 剪式举升机的简介
传统举升机构有多种,一般根据其传动方式可以分为机械式传动和液压式传动,机械传动的缺点是容易使螺母滑落或者发生丝杠,容易发生卡死等故障,所以一般使用较少,但是价格便宜。随着汽车工业发展的需求,目前广泛采用的是液压式举升机,因为液压式举升机使用安全性高,举升过程平稳,日常保养简单,工作效率得到了很大的提升,只是其成本比机械式举升机高。但随着现代工艺的日趋成熟,液压式举升机的生产成本将不断降低,考虑其综合性能,必将占据市场的主导地位。
液压举升机主要按照结构类别来区分。其中剪式举升机在目前市场上运用较多。
剪式举升机在各种举升机构中应用最为广泛,主要是因为它灵活轻便、制造成本低、占地空间小、安全性高、可操作性行强。剪式举升机包括了双剪式、单剪式、子母式、超薄系列,本文主要研究的是双剪式举升机,如图 1-1 所示。
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第 2 章 剪式举升机的机体建模

2.1 剪式举升机的设计要求
本文将根据设计要求,对目前市场上的剪式举升机进行重新的结构设计和液压系统设计,使其符合对大型汽车的维修工作需求。华东理工大学的浦昕炜解决了剪式举升机最低起升高度的问题,吕硕对剪式举升机进行了数字化分析,解决了平稳性问题。李志敏对剪式举升机进行了失效性研究解决了油缸爆炸问题,王玉玲对剪式举升机进行了同步性改造,李国慧等人为剪式举升机设计了自动调平系统,本文的创新之处是针对剪式举升机本身进行重新分析和设计,然后进行轻量化研究,让剪式举升机更加符合超薄超轻的理念,符合现代化的使用要求。
剪式举升机式依靠液压力驱动液压缸使得举升机抬升汽车达到维修高度。其设计要求是节省材料,占用空间少,最低上车高度尽可能低,安全环保,经济效益高,适用性广泛。其基本设计要求是:
(1)使用时最低上车高度不能超过 150mm。上车高度过高会增加汽车开上平台的难度,不利于经济环保性;高度过高也会增加起升引导板的长度,制造成本会提高。
(2)最高举升高度不能低于 1800mm,考虑到成年男性自身身高,除此之外,还要留有一定的观察距离;
(3)额定举升质量不小于 5 吨,因为市场上大部分大中型汽车的总重量在3-4 吨左右。举升机构本身有自重约 0.5 吨,安全系数为 1.5,国家标准规定汽车举升机安全系数不得小于 1.5。
(4)为了避免人员受伤害,需要拥有安全的保险机构,可以在遇到紧急情况下维修人员可以及时逃脱。
本文设计的剪式举升机是由中间轴相连的两个左右独立式剪式举升机构成。左右之间的间距可以根据实际汽车的轴距通过调整中间轴的距离来调整。在汽车上车之前会有一个引导板,在举升机抬升一定高度后下降引导板来使汽车能够稳定的开上平台。其驱动该举升机为一个额定功率 2.2kw 的电机。
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2.2 剪式举升机结构分析与设计
剪式升降平台由三种:双铰接、水平固定和直立固定。本文采取的是第一种双铰接剪式升降平台的设计方案。
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根据对目前市场中主流汽车举升机的调查和研究,存在的问题主要是同步和安全问题,因此,在重新设计剪式举升机的液压系统设计主要针对机械锁回路、同步举升回路和补油回路进行改进。
(1)机械锁回路
机械锁回路由机械锁液压缸和两位三通电磁换向阀组成,液压缸分别控制两个举升臂机械锁的开关,若两位三通阀 3 常态工作位时,油缸下腔和油箱直接相连,油腔内无油压。液压油缸活塞在液压缸内的弹簧以及机械锁动齿条自重的作用下收回,机械锁关上,锁住了举升机的举升臂,不可以移动。若电磁铁 YA1得电,则两位三通阀 3 左端工作,液压缸的下腔流入压力油,导致活塞向上运动,将机械锁打开,此时举升臂可以自由的上升或下降。
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第 3 章 剪式举升机的动力学仿真分析................................27
3.1 剪式举升机动力学仿真的目的......................................27
3.2 举升机构运动装置设计..........................................27
第 4 章 剪式举升机重要部件的分析设计与轻量化研究...................39
4.1 剪式举升机下底板的分析与轻量化设计..........................39
4.1.1 剪式举升机下底板分析...............................................39
4.1.2 剪式举升机下底板有限元分析......................................40
第 5 章 剪式举升机刀臂结构的轻量化设计.......................................50
5.1 拓扑优化的基本概念..................................................50
5.2 剪式举升机上内刀臂组的拓扑优化分析.....................................50

第 5 章 剪式举升机刀臂结构的轻量化设计

5.1 拓扑优化的基本概念
传统的结构设计主要是根据技术要求和设计人员自身经验完成,当设计完成时候,再将设计之后的零件进行校核,检查其是否可靠,但是对于零部件的布局、尺寸、材料的选择方面不够细致,可能导致设计出现冗余,增加零部件质量和成本。
随着计算机技术和计算机软件的发展,逐渐可以通过现代计算机软件技术来进行优化设计的方法。优化设计方法的出现改变了以往被动设计的局面,通过在计算机上设计施加约束条件,来计算出目标要求的相关参数。
拓扑优化是在给定一个设计域内,结合边界条件,通过计算机技术求解出结构内材料的最优解。完成拓扑优化后,可以更具拓扑优化的结果对零部件的形状和尺寸进行合理优化。
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结语

随着家用轿车的逐年增长,汽车修理产业正在逐步扩大,维修设备正处于一个飞速发展的阶段,本文将根据设计要求,对目前市场上的剪式举升机进行重新的结构设计和液压系统设计,使其符合对大型汽车的维修工作需求。
为了开发出适用性广,维修方便,占地面积小,环保节能又节省材料,经济效益高的举升机结构,本文采用三维模型将设计的举升机构画出,对其各个部位进行分析和计算,通过导入 ADMAS/influent 对其进行动力学分析,导入 ANSYSWorkbench 软件进行仿真模拟分析通过优化来得到满足条件的举升机构。
根据设计要求,本文所研究的剪式举升机必须要达到最低上车高度是133mm,最高举升高度为 1926mm,额定举升质量可以达到 5 吨,拥有安全的保险机构。我们首先用三维画图软件画出了原有的举升机三维图。
第二章内容首先明确举升机的设计要求,并对举升机构和液压系统进行重新设计。然后用 Solid Works 三维画图软件分别对其建模并加以简要说明,后期导入到 ADMAS/influent 软件中进行分析,初步验证其符合建模要求。
第三章内容主要是对举升机构进行整体和局部的动力学仿真,首先建立运动规律方程,然后通过 ADMAS/influent 仿真添加载荷和约束副,并分别阐述举升机上升和下降过程,最后将模拟的结果制成示意图,通过分析验证其运动规律是否符合运动方程所描述的规律。
第四章内容主要对上下面板进行受力分析以及承重载荷的仿真模拟分析,并在替换材料得到优化以后进行验证,最后对保险齿条进行优化,在改进尺寸参数的优化以后再进行 ANSYS 仿真,验证优化是否达到要求。
我们在最后一章中先用 ADMAS/influent 对刀臂结构进行动力学分析算出在哪一时刻受到最大的应力,在此瞬时状态下分析其材料的强度和刚度符不符合剪式举升机样机所要达到的效果,结果发现刀臂过于安全,这样就会浪费材料,所以我们通过受力分析和导入到 ANSYS Workbench 软件中进行仿真模拟和优化,通过静力学线性关系算出刀臂长度与受载荷的最佳关系,减小刀臂的宽度,符合轻量化设计的目的。
参考文献(略)

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