双铰接剪叉式液压升降台的设计概览

第一章绪论

汽车举升机是现代汽车维修作业中必不可少的设备，它的主要作用就是为发动机、底盘、变速器等养护和维修提供方便。举升机的从上世纪20年代开始使用，发展至今经历了许多的变化改进，种类也比较多，一般有柱式、剪式，其驱动方式有链条传动，液压传动，气压传动等。本章就从举升机的产生、发展以及制造工艺等方面进行简单的介绍。

1.1 举升机的发展简史

汽车举升机在世界上已经有了70年历史。1925年在美国生产的第一台汽车举升机，它是一种由气动控制的单柱举升机，由于当时采用的气压较低，因而缸体较大；同时采用皮革进行密封，因而压缩空气驱动时的弹跳严重且又不稳定。直到10年以后，即1935年这种单柱举升机才在美国以外的其它地方开始采用。

1966年，一家德国公司生产出第一台双柱举升机，这是举升机设计上的又一突破性进展，但是直到1977这种举升机才在德国以外的其它国家出现。现在双柱举升机在市场上以占据牢固的地位，其销量还在持续增长。它和四柱举升机相比，既有优点，也有缺点，以下将作一简要说明。

我们所见到的绝大多数举升机均采用固定安装方式。在举升前汽车必须驶上举升机。在移动式举升机方面也有几项成功设计，如剪式举升机、菱架式举升机等。但这类举升机仍存在两个主要问题，接近汽车下部较难；在车间移动举升机时难逾越地面上的障碍物。当然，可移动性是这类举升机的突出优点。现在固定安装的单柱、双柱、四柱举升机已在维修现场广泛采用，而移动式举升机却相对要少得多。

最初设计单柱举升机外，车辆较大，其底盘也能明显辨认，因而汽车检修区远远大于举升器件。而今绝大多数汽车均为“紧凑型”或“半紧凑型”，导致汽车检修区域接近主要举升机器件而不便操作。但在南美洲却属例外，那里仍然采用较大的车辆，这可能是单柱举升机在该地区的市场上仍然受到欢迎的重要原因。单柱举升机有两大优点：当其下降后，不致成维修车间的障碍物；汽车可在举升机上转动。但美国却受到了责难，主要是举升机的旋转会带来撞击操作人员的危险。单柱举升机的主要缺点是：第一，它需要在车间的地面挖掘一个相当大的坑穴后才能安装；其次，它只能为使用提供车轮支撑方式；第三，使用时难于接近汽车下部的一些重要检修区域。举升用的油缸潜藏在地下也给维修带来两大问题：第一是检修这些零部件颇为困难；其次是由于油缸所处的环境条件差，容易生锈，特别是地下水位较高时更是如此。

双柱举升机（包括液压式或机械式），均具有以下优点：第一，检修汽车下部具有很高的可接近性（几乎达到100%）；其次，采用车轮自由型的方式支撑汽车，因而拆卸车轮时不需

要其它辅助性的举升措施；第三，结构紧凑，占地面小。双柱举升机的缺点是：第一为确保安全，安置举升机时要求非常严格，否则在举升过程中容易摇晃或颠覆；第二，由于举升机常采用车轮自由型的方式支撑汽车，如需采取车轮支撑型的方式维修汽车则甚感不便，如检查悬挂系统、检查转向机构间隙或进行车轮定位检验等；第三，由于举升臂和立柱承受悬臂或载荷所产生的巨大应力，其承力件易于磨损，因而双柱举升机的安全工作寿命一般要比四柱举升机低。

四柱举升机有四根立柱、两根横梁、用于支撑汽车的两个台板。举升前，汽车很容易正确无误地驶上四柱举升机的台板。由于台板内侧设备有凸缘，当汽车驶上台板时也不致坠入其间的空隙中。车轮支撑型四柱举升机的优点是：第一，举升机装载汽车时勿需较高的技术，操作也很简便；第二，承载时非常稳定；第三，支撑载荷受力简单，应力较低，从而延长了设备的使用寿命；第四，由于具有较高的使用价值，从经济上来看也是合算的；第五，易于维修；第六，在车间现场进行安装也较方便，只要地面平坦，其混凝土厚度能够固牢立柱的地脚螺栓即可。四柱举升机的缺点是：和双柱举升机相比，战地面积教大，对汽车检修区域可接近性较差。

解放后，特别是改革开放以来，我国的汽车维修行业有了很大的发展，为之服务的汽车维修设备行业已成为我国的新兴行业不断发展壮大。各种举升机设备如雨后春笋，不断涌现，质量不断提高，销量逐年增加。

有人说，对于汽车维修企业来说，汽车举升机可能是除厂房而外的最重要的投资，因为它具有至关重要和不可替代的作用，甚至直接影响到汽车维修业务的兴衰。汽车举升机是汽车维修设备行业的支柱设备之一，让我们生产出更多、更好、更受用户欢迎的汽车举升机，为汽车维修企业服务。

1.2 汽车举升机的设计特点

（1）举升机台板降到下位时，与地面应尽可能在同一平面上，为达到此目的，虽然可在地面上挖掘凹坑，但需增加投资费用，也破坏了车间地面的平整性。为此，在保证强度和刚度的前提下，应尽可能降低举升机台板和横梁的高度；这样，既便于汽车驶上举升机，又使驶上台板的斜面长度尽可能短，节约车间的占地。在条件许可时，举升机台板（或横梁）应选择专用型钢或用钢板拆弯成形。

（2）正确选择传动方式。采用机械传动（螺母、螺杆）或液压传动（油缸），均

用电动机驱动。机械传动的成本较高，耗能较多，但安全性较好。经验证明：机械传动的能耗为液压传动所需能耗的两倍（在举升载荷、举升时间均相同的条件下）。机械式举升机的螺母、螺栓磨损较快，而液压式举升机的维修量却相对要小些。虽然液压式举升机的技术难度较大，但多数零部件（液压泵、液压缸、阀门、密封元件等）均可外购或外协，当然一

定要选用优资产品。

（3）丝绳的选择。为了减少滑轮直径从而缩小寄生机立柱的断面尺寸，应该选用高柔度的钢丝绳。钢丝绳应有较高的安全系数，一般应达8。为此，应增加钢丝绳钢丝的数目。如英国某公司3t系列的举升机所采用的钢丝绳的直径为9mm，两根并列，每根37股，每股6根钢丝。滑轮通常用钢材制成，而该公司采用玻璃纤维与尼龙混合制成（50%的玻璃纤维、50%的尼龙）。这样，不仅价格便宜，还能减轻钢丝绳的磨损，延长其使用寿命。

1.3 汽车举升机的安全保证措施

今天全世界都对在危险作业环境下工作的人们的安全寄予极大的关注。汽车举升机具有潜在的危险，因为人们要在其下面工作；当其升降时如不小心，也会碰伤手足。近年来不少国家还制定了专门性法规，以防止或至少使安全事故的可能性降低到最低限度。

汽车举升机的安全保证措施主要从两方面着手：一方面从设计制造方面采取措施，好提高汽车举升机的安全技术特性；另一方面则应在使用维修过程中遵循严格的操作规程，保证汽车举升机能在良好的技术状态下正确地运行。现分别说明与后。

1.3.1 设计制造方面的安全保证措施

当今世界上的许多先进技术，如自动控制\光电开关等，已广泛应用到各种安全装置的设计领域，因而在设计制造举升机时，应结合产品的特点，积极采用先进可靠实用的现代安全技术。以下仅列举多数举升机普遍采用的安全措施。

（1）举升机应能经受超负荷试验(包括举升和支撑)，一般应为最大举升能力的125%此时举升机的构件不得有任何永久性的变形和损坏。

（2）所有的操作控制机构均采用“双重保险”，以防误操作，即举升机运行前必需操作两个控制机构(或按钮开关)后才能驱动。

（3）所有的控制电路均采用失效保护，即任何单个元件失效，也不会使举升机坠或上升所造成非常危险的局面。

（4）所有的举升机器件均应有第二支撑系统。原有的提升系统失效时，它能自动进行有效的支撑。

（5）所有的柔性提升手段，如钢丝绳，链条等，均应有足够的安全系数，并在制造厂设置的保护罩内传动。

（6）所有的运动零件均应有防护装置，以免撞击操作人员的任何部位，特别是手，足，衣服等。

（7）所有举升机的设计均应把举升重物滑移的可能性降低到最低限度。

1.3.2 使用维护方面的安全保证措施

使用维护方面的安全保证措施涉及的范围很广，包括举升机有使用前的准备工作，举升汽车时应该注意的事项，承载时的稳定性，降下汽车时的注意事项，日常和定期维修检查工作等。虽然汽车举升机已有70年的历史，其设计原理并无多大改变;但如果忽视安全要求，超载使用，疏忽大意，仍然会造成严重事故，甚至发生人身伤亡。因此安全问题一定要引起使用单位和操作人员的高度重视。首先，应选购那些安全性能良好的汽车举升机，另外，还应认真学习和理解说明书中的各项安全注意事项并认真贯切执行。这里仅就使用维护举升机时普遍应当注意的事项说明于后。

（1）使用中的举升机每天都应进行检查。发现有效故障或零部件损坏时，不得再使用。维修时应采用该举升机的制造厂所提供的配件，不得随意代替或自制。

（2）举升机不得超载使用。每台举升机的额定载荷均注明在设备的铭牌上。特别要注意防止偏载，即整机虽未超载而某一举升臂确已超过允许的额定载荷。故欲举升那些前后轴载荷严重分配不均的汽车时应特别注意，能满足要求的才能装载使用。

（3）安置汽车和使用举升机均应由经过培训并经考核合格的人员操作。

（4）举升汽车时，车内不得有人。举升机升降和使用时，顾客和无关人员应远离举升机。

（5）举升机区域内不得有任何障碍物，如油脂、废物、瓦砾等。

（6）当汽车驶上举升机前，应清除通道，不得驶过或撞击举升臂，连接器，车轴支撑器等，以防损坏举升机或汽车。

（7）在举升机上承载汽车时应仔细操作。将举升机的支撑器安置到汽车制造厂推荐的举升机逞力接触点。只有当支撑器与汽车上的承力点接触严密后才能将举升机升起;对其接触的严密性进行认真检查后，才能将汽车举升到需要的工作高度。

（8）要注意某些汽车上的零部件由于移动或安装位置的不同会引起重心的急剧变化，从而导致举升汽车时的不稳定。

（9）举升机降下前，应将汽车下面的工具箱，台架及其它设备全部移开。要降下举升机前，还必须松开锁紧装置。

注意:如欲在汽车下面进行维修作业时，应将举升机提升到足够的高度，以便锁紧装置啮合。

第2章剪叉式升降台的应用及其受力分析的讨论

2.1剪叉式升降平台的三种结构形式

本讨论的目的通过分析气液动类的剪叉式升降平台机构特点，论述了设计时应注意的问题及其应用范围。气液动剪叉式升降平台具有制造容易、价格低廉、坚实耐用、便于维修保养等特点。在民航、交通运输、冶金、汽车制造等行业逐渐得到广泛应用。本设计中主要侧重于小型家用液压式的升降平台。在设计气液动剪叉式升降平台的过程中，一般我们会考虑如下三种设计方案，如简图2-1所示：

图2-1 三种剪叉式升降台结构简图

图中表示气液动剪叉式升降平台的三种结构形式。长度相等的两根支撑杆AB和MN铰接于二杆的中点E，两杆的M、A端分别铰接于平板和机架上，两杆的B、N端分别与两滚轮铰接，并可在上平板和机架上的导向槽内滚动。图中的三种结构形式的不同之处在于驱动件液压缸的安装位置不同。

图a中的驱动液压缸的下不固定在机架上，上部的活塞杆以球头与上平板球窝接触。液压缸通过活塞杆使上平板铅直升降。

图b中的卧式液压缸活塞杆与支撑杆MN铰接于N处。液压缸驱动活塞杆控制平台铅直升降。

图c中的液压缸缸体尾部与机架铰接于G处，活塞杆头部与支撑杆AB铰接于F处。液压缸驱动活塞杆可控制平台铅直升降。

按照液压缸的安装形式，称图a的形式为直立固定剪叉式结构，图b的形式为水平固定剪叉式，图c的形式为双铰接剪叉式结构。

直立固定剪叉式结构，液压缸的行程等于平台的升降行程，整体结构尺寸庞大，且球铰链加工负载，在实际种应用较少。

水平固定剪叉式机构，通过分析计算可知，平台的升降行程大于液压缸的行程，在应用过程中可以实现快速控制升降的目的，但不足之处是活塞杆受到横向力的作用，影响密封件的使用寿命。而且活塞杆所承受的载荷力要比实际平台上的载荷力要大的多。所以实际也很少采用。

双铰接剪叉式结构避免了上述缺点。结构比较合理，平台的升降行程可以达到液压缸行程的二倍以上。因此，在工程实际中逐渐得到广泛的应用。本设计就重点对双铰接剪叉式结构形式加以分析、论述。

2.2 双铰接剪叉式升降平台机构的位置参数计算

由图2-2可知

图2-2位置参数示意图

21/2

sin (1cos ),CL CL H l l

ββ-== （1） 222()cos ;2T C l TC

β+-= （2） 上式中：

H ——任意位置时升降平台的高度；

C ——任意位置时铰接点F 到液压铰接点G 的距离；

L ——支撑杆的长度；

l ——支撑杆固定铰支点A 到铰接点F 的距离；

T ——机架长度（A 到G 点的距离）；

β——活塞杆与水平线的夹角。

以下相同。

将（2）式代入（1）式，并整理得

222

21/2[()]2H L T C l l C l TC

+-=-。 （3） 设00/,/,C C H H λθ==代入（3）式得

222

1/20000

()[()2]2H T C l L l C l T C θλλλ+-=-。 （4） 在（4）式中，

0H ——升降平台的初始高度；

0C ——液压缸初始长度。

双铰接剪叉式升降平台机构的运动参数计算：

图2-3 运动参数示意图

图中，F V 是F 点的绝对速度；B V 是B 点绝对速度；1ω是AB 支撑杆的速度；

1V 是液压缸活塞平均相对速度；2V 是升降平台升降速度。由图2-3可知：

1111112,

sin()sin(),

,sin()

cos cos ,sin()F F B B V l V V l V L V L l V L V V l ωαβωαβωαβαααβ==+=+==+==+

21cos sin()

V L V l ααβ=+。 （5） 在（5）式中，

1V ——液压缸活塞平均相对运动速度；

2V ——升降平台升降速度；

α——支撑杆与水平线的夹角。

以下相同。

2.3 双铰接剪叉式升降平台机构的动力参数计算

图2-4动力参数示意图

图中，P 是由液压缸作用于活塞杆上的推力，Q 是升降平台所承受的重力载荷。通过分析机构受力情况并进行计算（过程省略）得出：

升降平台上升时

cos cos sin cos tan [tan ()()]sin()222cos sin cos Q L f L b fb b P b fb l f αααααααβααα

-+=++++-+-； （6）

升降平台下降时

cos cos sin cos tan [tan ()()]sin()222cos sin cos Q L f L b fb b P b fb l f αααααααβααα

-+=++++-+-（6）、（7）式中，

P ——液压缸作用于活塞杆的推力；

Q ——升降平台所承受的重力载荷；

f ——滚动摩擦系数；

b ——载荷Q 的作用线到上平板左铰支点M 的水平距离。

由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算，或忽略不计，由（6）、（7）式简化为：

cos sin()

P L Q l ααβ=+。 （8） 2.4 剪叉式升降平台机构设计时应注意的问题

由式（5）和（8）可知：当α、β增大时，21/V V 值随之减小；当α、β减小时，P/Q 值

随之增大。在确定整体结构值随之减小；当α、β减小时，P/Q 值随之增大，在液压缸行程不变的情况下，升降平台升降行程会减小；反之，则会使液压缸行程受力增大。因此设计时应综合考虑升降行程与液压缸受力两个因素。在满足升降行程及整体结构尺寸的前提下，选取较高的α、β初始值。而且在整个机构中AB 支撑杆是主要受力杆件，承受有最大的弯矩，所以应重点对其进行强度校核。

液压缸可采用单作用缸也可以采用双作用缸，不过要看具体情况。一般我们都采用单作用柱塞缸，因为采用这样的缸比较经济，而且总体泄漏量少，密封件寿命长。采用单作用柱塞缸时考虑到在空载荷时，上平板的自重应能克服液压缸活塞与缸体间的密封阻力。否则，会导致升降平台降不下来。

2.5 针对性比较小实例：

如某自动生产线上， 需设计一种升降平台，要求升降平台最大升降行程应大于620mm ，升降平台面最低高度应小于300mm ，最大承重载荷0050kg

根据实际使用要求，我们选取了单作用柱塞缸式液压缸。液压缸初始长度0C =595mm ；最大行程max S =320mm 。升降太机构尺寸：升降台面最低高度0H =281mm;机架长度T=1 200;支撑杆长度L=1 230.5mm.

按照上述尺寸，结合以上公式分别对双铰接剪叉式和水平固定剪叉式两种结构形式进行了计算。计算结果见表1、表2和统计图2-5（其中滚动摩擦忽略不计）。水平固定剪叉式结构公式如下：

221/2[()];

2tan cos H L T S P l fb Q L αα

=--=+ 。 其中，S ——液压缸的实际行程，T ——机架长度（A 点到G 点的距离）。