四柱式升降机设计与仿真研究

四柱式升降机设计与仿真研究

周炜

上海灵铭机器人科技有限公司，上海市闵行区，201101

摘要：四柱式升降机是一款汽车维修和4S店都能用到的设备，其举重大、安全性能强，适用于小型车SUV的保养以及维修。本研究设计了一款四柱式升降机并进行了仿真研究。

关键词：液压系统；solidworks；四柱式升降机

1引言

汽车维修时升降机作为重要工具，减少了工人的体力劳动，以及维修的效率。本研究设计一款使用4S店、维修工厂维修和保养等使用的四柱式升降机，设计要求车辆重4500kg，适用于大多数的汽车。操作简单，使用时不会因为承重过大而发生变形。升降平台可以迅速、安全、平稳有效的提升和下降。

2总体方案

本次设计的是普通四柱液压升降机。其结构主要由承车跑板、横梁、立柱、液压缸等主要结构构成。传动系统由液压系统来驱动和控制的升降机构的四柱式升降机,由液压油缸来推动钢丝绳，使横梁上大滚轮沿立柱滚动，实现承车跑板的上下运动。

3 四柱式汽车升降机的结构设计

3.1 承车跑板的设计与计算

承车跑板上放置的是汽车，为了放置汽车更加安全稳定的停放在承车跑板上，所以它的粗糙度一定要大，防止发生滑动，要加上防滑突块。跑板的宽度不能太小，宽度至少要为车胎宽度的1.5倍。

承车跑板的长度为4300mm，由于大部分汽车两轮胎之间距离约为1.6m，所以两承车跑板之间的距离取1.6m。承车跑板的截面如图3.2所示。汽车前后轮距是2.9m。钢板和槽钢组合焊接成承车跑板，为考虑利益最大化，以及汽车的稳定性，根据表3.1槽钢规格型号表所示选用型号为18B，其理论质量为/m，截面系数152；根据花纹钢板规格表钢板选用花纹钢板，图案为扁豆型，厚度2.5，理论质量为/m。

对承车跑板进行受力分析如图1所示，F1、F2是横梁对承车跑板支撑的力，FN1、FN2是汽车停在承载跑板上两个轮对承车跑板的压力。因为AB与EF在横梁中心之外，假设那里不受力。

图1承车跑板受力分析图

由于，均布载荷：

                                                                 （3-1）

                                             （3-2）

                                                                                                       （3-3）

所以：

                                     （3-4）

在BC段中：（0≤x≤0.56m）

                          （3-5）

                                  （3-6）

在CD段中：（0.56m≤x≤3.46m）

                              （3-7）

                            （3-8）

在DE段中：（3.46m≤x≤4.02m）

                                   （3-9）

              （3-10）

图2 剪力图、弯矩图

由图2中弯矩图可知：G点（X=2.01）所处为危险截面

（3-11）

所要承受的最大弯曲应力为：

                                           （3-12）

安全系数取7

将要选取的材料的抗弯强度

                                         （3-13）

查工程手册可得

可以选用Q235（A），其抗弯强度

检验剪切应力强度

由图2当中的剪力图可知：

许用剪切应力为

剪切应力强度

                                    （3-14）

所以满足条件

3.2 横梁的设计与计算

横梁用来连接承车跑板和立柱，横梁采用空心钢，中间放置机械自锁机构，承车跑板与横梁由螺栓来连接。

横梁的长度为2800mm（左右轮胎相距1.6m，为了方便维修时可以方便车门的开关留出0.6m的开关车门空间），选用的材料为空心方钢，初选型号4矩形空心方钢为边长B=120mm，壁厚H=8mm，理论重量26.84kg/m，截面系数137.23。

图3横梁受力分析图

由于：均布载荷q：

q=p

=26.84N/m=263.032N/m                                                                                           （3-15）

                                        （3-16）

                     （3-17）

所以：

==（）

                                （3-18）

横梁由立柱支撑，并且承载着承车跑板。对横梁进行受力分析，如图3，AB、CD段为了考虑汽车在承车跑板上时可以打开车门的距离，BC段是左右轮胎的距离。FN3、FN4是立柱对横梁的支撑，F3、F4是承车跑板对横梁的压力。

应用截面法：（设距离为x，向上为正，向下为负；顺时针为负，逆时针为正）

在AB段中（左立柱到承车跑板）

-263.032                                       （3-19）

                            （3-20）

在BC段中（承车跑板间的距离）

                          （3-21）

         （3-22）

在CD段中（右立柱到承车跑板）

                               （3-23）

             （3-24）

图4 横梁剪力图 弯矩图

由图4中的弯矩图可以看出危险截面在E（X=1.4）处。其中

7723.578                                                  （3-25）

因此：最大弯曲应力：

                                        （3-26）

由于升降机的下面有工人在维修，所以安全系数应取K=7

抗弯强度（

MPa                                         （3-27）

经过查工程材料手册可得：

可以选用Q235A，其抗弯强度Pa

检验剪应力强度

                                             （3-28）

许用应力为

满足条件  

3.3 立柱的设计与计算

四柱式升降机有四根立柱，整个的重量几乎都是由升降机四根立柱来支撑的。立柱中间空的部分是来放举升装置的。

立柱在工作时，会受到保险锁止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。因此在两种力的共同作用下，使柱子产生了内向弯的趋势，底部的焊口在拉力的作用下有受拉伸的迹象，因此在柱的底部增加加强筋。在立柱上还安装了一个液压泵站和一个电控箱。

立柱的高度为2500mm，立柱之间的长度为4300mm，柱宽280mm，厚度10mm。

初选的材料为Q235A的，（Q235屈服极限为，A代表耐温）其弹性模量206GP（根据《机械设计手册》）比例极限：200MPa， 

527.124                                           （3-29）

   A                      （3-30）

压杆柔度：

=

≈101                                             （3-31）

由于立柱一端固定，一端自由。根据《材料力学》，得长度因素为

惯性半径i：

=（3-32）

＝                                                （3-33）

由于

所以采用欧拉公式

                                      （3-34）

由临界应力，得  

                     （3-35）

工作载荷F：

（3-36）

压杆的工作安全系数：

                                         （3-37）

由于关于安全稳定的，一般取7以上即可

3.4 传动部分的确定

图5中，1为钢丝绳、2为跑板非对称定滑轮、3为液压缸、4为活塞杆、5为跑板对

图5钢丝绳俯视图走向图

称定滑轮、6为立柱滑轮、。其工作原理:活塞杆受油液压力的作用下延长或缩收，缩收可以让车辆上升，延长可以让车辆下降，定滑轮得作用是改变方向的。

因为每根柱子上都有钢丝绳所以钢丝绳的受力F：

                   （3-38）

拟选用钢丝绳6×19S的型号，直径取0.9cm，查表得钢丝绳质量

所以每一根钢丝绳所要承受的拉应力为：

                                        （3-39）

安全系数K=7，则

                    （3-40）

                                   （3-41）

因此所选的钢丝绳合适，型号为：6×19S

3.6 液压系统的确定

液压系统的工作原理：汽车升降机的运动主要靠液压缸完成。液压缸放立柱内，液压缸活塞杆铰链滑轮，钢丝绳的一端固定，一端和滑轮联接，当液压缸的活塞升起时，就会带动横梁上升，根据滑轮的原理，液压缸上升的高度是横梁上升的两倍，汽车也会上升或下降。根据升降机的整体大小确定承车跑板和横梁的重量，查机械手册得液压缸的大径=90mm，小径=63mm

4三维立体建模

应用solidworks进行三维建模

图6四柱式举升机三维建

4结语

四柱式升降机拥有较强的稳定性，适用性也比较广，操作空间大，举重载荷大。本文设计的一款经济型较高的升降机十分有意义。

参考文献：

[1]官忠范主编.液压传动系统（第3版）[M].北京:机械工业出版社,1997.

[2]魏媛，李锋主编.材料力学[M].北京：机械工业出版社, 2019.09.