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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 選擇背景、研究目的及意義
隨著我國(guó)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，大中城市的建設(shè)日新月異，對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)需求更將旺盛進(jìn)而對(duì)高位舉升車的需求也是與日俱增。高空作業(yè)車的發(fā)展與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平密切相關(guān)，據(jù)國(guó)外高空作業(yè)機(jī)械專業(yè)媒體雜志《Access International》報(bào)道，經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，需求量越大，并且單位GDP需求量也越大，這也恰恰說明我國(guó)高空作業(yè)車友非常廣闊的發(fā)展前景。高空作業(yè)車主要用于電力、路燈維護(hù)、市政、園林、通信、機(jī)場(chǎng)、造（修）船、交通、廣告、攝影等高空作業(yè)領(lǐng)域。在國(guó)外，很多高空作業(yè)車都可以用作搬家等。高空作業(yè)車的底盤分通用型和專用型，采用通用型底盤的高空作業(yè)車具有機(jī)動(dòng)靈活，能快速移動(dòng)，作業(yè)高度較高，采用專用地盤的高空作業(yè)車適用于固定作業(yè)場(chǎng)所，具有微動(dòng)形式，擴(kuò)大作業(yè)半徑等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用針對(duì)性。
因此，通過對(duì)現(xiàn)有高位舉升車產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研，詳細(xì)的進(jìn)行使用情況、故障情況調(diào)查，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)改裝優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，并通過測(cè)繪，應(yīng)用當(dāng)前CAD/CAE領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的三維軟件Pro/E、有限元軟件ANSYS，進(jìn)行汽車舉升機(jī)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面的計(jì)算機(jī)仿真研究與分析進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高汽車舉升機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。
課題的目的：通過對(duì)學(xué)校高位舉升路燈維護(hù)車的使用情況的調(diào)研，了解設(shè)計(jì)其過程中出現(xiàn)的問題，并提出改進(jìn)方案，用增加自動(dòng)限制幅度、高度、載荷、角度、支腿的穩(wěn)定性等安全措施提高學(xué)校高位舉升路燈為回車的安全性，并運(yùn)用材料力學(xué)、理論力學(xué)的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法，在滿足材料強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的條件下，設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安全的金屬結(jié)構(gòu)，優(yōu)化車輛的設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)缺陷，完善設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)學(xué)校高位路燈維護(hù)車的改裝，從而研制出一種高穩(wěn)定性、高可靠性、高適用性的好產(chǎn)品。
課題的意義：意義通過對(duì)學(xué)校高位路燈維護(hù)車的改裝設(shè)計(jì)究能夠使學(xué)生了解專用汽車改裝設(shè)計(jì)方法，通過本課題的研究，學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)的汽車構(gòu)造，專用汽車改造，汽車?yán)碚?，汽車設(shè)計(jì)等專業(yè)知識(shí)，加深對(duì)汽車專業(yè)技能的理解理論課程的實(shí)踐總結(jié)，獲得一定的工程設(shè)計(jì)工作方法。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 舉升機(jī)的發(fā)展歷史
國(guó)內(nèi)高空作業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)于20世紀(jì)70年代末開始起步展，只有大約三十年的發(fā)展歷史，雖然起步晚，但由于高空作業(yè)機(jī)械制造企業(yè)的努力，已逐步走向穩(wěn)定的發(fā)展軌道。國(guó)外高空作業(yè)機(jī)械新興行業(yè)，是在工程起重機(jī)械基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)，只有二十幾年的歷史。目前，專業(yè)生產(chǎn)高空作業(yè)機(jī)械的公司比較少。近年來，由于汽車起重機(jī)銷售量下降及市場(chǎng)平淡，一批汽車起重機(jī)制造公司相繼發(fā)展高空作業(yè)機(jī)械，但總計(jì)年產(chǎn)量仍不能滿足市場(chǎng)需求，正處于發(fā)展時(shí)期。
1.2.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，專用車輛已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，并發(fā)揮著越來越重要的作用。作為專用車輛中最高端的產(chǎn)品類型之一，高空作業(yè)車的產(chǎn)品數(shù)量和性能質(zhì)量的需求也在不斷提高。高位舉升路燈維護(hù)車屬于高空作業(yè)車高空作業(yè)車是運(yùn)送人員和器材到現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)行空中作業(yè)的專用車輛。
高空作業(yè)車通常是由動(dòng)力裝置、工作機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)四個(gè)部分組成。動(dòng)力裝置是高空作業(yè)車的動(dòng)力源。車載式高空作業(yè)車一般直接采用汽車底盤發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的動(dòng)力源。自行式高空作業(yè)車的動(dòng)力裝置有內(nèi)燃機(jī)式和電動(dòng)式兩種；高空作業(yè)車的工作機(jī)構(gòu)一般包括行走、回轉(zhuǎn)、舉升、調(diào)平四個(gè)基本部分；作業(yè)臂、回轉(zhuǎn)臺(tái)、車架等金屬結(jié)構(gòu)式高空作業(yè)車的骨架；高空作業(yè)車控制系統(tǒng)一般包括操縱裝置和安全裝置，是用來解決各機(jī)構(gòu)如何運(yùn)動(dòng)的問題。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的高空作業(yè)車質(zhì)量較好、性能較穩(wěn)定、設(shè)備操作簡(jiǎn)單，工作臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在經(jīng)銷商中口碑良好，并選用高強(qiáng)度的特殊合金材料，因而工作臂截面小，一些非受力見或受力較小件采用合金材質(zhì)材料，有效地降低了整車的質(zhì)量，提高了底盤的使用性能，與國(guó)產(chǎn)高空作業(yè)車產(chǎn)品相比，相同作業(yè)高度更加輕盈小巧。并采用多種作業(yè)斗調(diào)平方式，作業(yè)高度小于30m的一般采用自重式、機(jī)械式和液壓式的調(diào)平方法；高于30 m的一般采用電、液調(diào)平方式，產(chǎn)品進(jìn)一步智能化。
然而國(guó)內(nèi)高位舉升車行業(yè)起步較晚，相比而言，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造的高空作業(yè)機(jī)械同國(guó)外同類型產(chǎn)品的差距，主要表現(xiàn)為技術(shù)含量低、大型的較少、結(jié)構(gòu)笨重、作業(yè)時(shí)微動(dòng)性能差等問題。我國(guó)高空作業(yè)車是從20世紀(jì)60年代開始研制，70年代才推出商業(yè)化樣機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在，雖然也相對(duì)定型，但很多產(chǎn)品性能還不夠穩(wěn)定，故障多，可靠性差，外觀不夠美觀等重要原因?qū)е挛覈?guó)高空作業(yè)產(chǎn)品難以在國(guó)際市場(chǎng)上立足，因此我國(guó)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)等方面都還有很多地方有待改進(jìn)，有必要通過對(duì)我國(guó)高位舉升車產(chǎn)品與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行分析比較，找出原因和不足，提高自己的檔次，進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能與可靠性，是國(guó)內(nèi)高位舉升車設(shè)計(jì)制造上任重道遠(yuǎn)且亟需改進(jìn)的地方。隨著城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)方面有重要作用的高位舉升車也迎來巨大的市場(chǎng)需求。高位舉升車在城市基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)上電力、路燈維護(hù)、市政、園林、通信、機(jī)場(chǎng)、造（修）船、交通、廣告、攝影等高空作業(yè)領(lǐng)域的重要工具。它的作用是將人員和器材舉高到合適高度，以便于維修工人能在路燈的下面對(duì)路燈進(jìn)行維修。正因?yàn)榫S修人員要被舉到高處，因此要求高位舉升路燈維護(hù)車一定要安全可靠，否則一旦發(fā)生危險(xiǎn)，后果不堪設(shè)想。因此，通過增加自動(dòng)限制幅度、高度、載荷、角度、支腿的穩(wěn)定性等安全措施，對(duì)高空作業(yè)車車的安全性進(jìn)行研究將具有重大的意義。本課題研究對(duì)高空作業(yè)車的舉升部分虛擬設(shè)計(jì)，解決過去對(duì)高空作業(yè)車結(jié)構(gòu)分析研究方法以靜力學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用材料力學(xué)、理論力學(xué)的理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法，在滿足材料強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的條件下，設(shè)計(jì)既經(jīng)濟(jì)又安全的金屬結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中存大許多不定因素，如材料強(qiáng)度、起重機(jī)承受載荷的大小、方向、位置等，也無法準(zhǔn)確了解有關(guān)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)，因此難以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)是否滿足實(shí)際使用要求。有限元分析方法是現(xiàn)在常用的結(jié)構(gòu)分析方法。該方法通過合理建模，施加相應(yīng)的邊界條件，通過計(jì)算即可獲得作業(yè)臂受力和變形情況，對(duì)不符合設(shè)計(jì)要求的部分可以方便地進(jìn)行修改。在產(chǎn)品制造之前運(yùn)用ANSYS進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計(jì)缺陷，完善設(shè)計(jì)方案，縮短開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，為生產(chǎn)實(shí)際提供理論支持，讓企業(yè)以最低的開發(fā)成本研制產(chǎn)品，為企業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)滿足市場(chǎng)對(duì)高空作業(yè)車的個(gè)性化需求，同時(shí)縮短國(guó)內(nèi)產(chǎn)品于國(guó)外優(yōu)秀產(chǎn)品的差距。
1.3 研究?jī)?nèi)容及研究方法
1.3.1 研究?jī)?nèi)容
1、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容
進(jìn)行學(xué)校高位舉升路燈維護(hù)車使用情況、故障情況調(diào)查，進(jìn)行總體改裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì);
進(jìn)行使用情況、故障情況調(diào)查；
設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容：測(cè)量繪制底盤、舉升結(jié)構(gòu)圖；
進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)改裝優(yōu)化方案設(shè)計(jì)；
進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋以及車輪的選型和校核；
進(jìn)行學(xué)校高位舉升路燈維護(hù)車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性校核，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配；
進(jìn)行舉升結(jié)構(gòu)、吊斗機(jī)構(gòu)、自鎖結(jié)構(gòu)車廂與底盤連接結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)與校核；
繪制設(shè)計(jì)總圖和上述部分的結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖。
取力器及傳動(dòng)系統(tǒng)、舉升機(jī)構(gòu)、舉升液壓系統(tǒng)。
要求完成整車性能分析計(jì)算，以評(píng)價(jià)和分析整車設(shè)計(jì)情況，針對(duì)性能分析結(jié)構(gòu)如有必要進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。
2、擬解決的主要問題
設(shè)計(jì)總體分為兩個(gè)方面：機(jī)械舉升部分（包括舉升臂的選材、外形尺寸的確定、鉸接點(diǎn)的選擇和機(jī)構(gòu)的調(diào)平等）；相關(guān)輔助系統(tǒng)部分（包括轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)計(jì)算，作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)等）。
1.3.2 研究方法
第2章 高空作業(yè)車總體方案分析
高空作業(yè)車主由動(dòng)力傳動(dòng)裝置、工作裝置（支腿機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、作業(yè)平臺(tái)及調(diào)平機(jī)構(gòu)）和液壓系統(tǒng)等組成。
2.1 動(dòng)力傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)與分析
2.1.1 設(shè)計(jì)要求
1、研究的基本內(nèi)容
改裝對(duì)象：學(xué)校高位舉升路燈維護(hù)車；舉升高度：10.79米，吊斗負(fù)荷：200kg；進(jìn)行使用情況、故障情況調(diào)查；
設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及分析、校核：
1、 測(cè)量繪制底盤、舉升結(jié)構(gòu)圖；
2、 進(jìn)行使用情況、故障情況調(diào)查；
3、 進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)改裝優(yōu)化方案設(shè)計(jì)；
4、 進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋以及車輪的選型和校核；
5、 進(jìn)行學(xué)校高位舉升路燈維護(hù)車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性校核，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配；
6、 進(jìn)行舉升結(jié)構(gòu)、吊斗機(jī)構(gòu)、自鎖結(jié)構(gòu)車廂與底盤連接結(jié)構(gòu)等的設(shè)計(jì)與校核；
繪制設(shè)計(jì)總圖和上述部分的結(jié)構(gòu)裝配圖、零件圖。
2.1.2 高空作業(yè)車動(dòng)力傳動(dòng)裝置類型
1、內(nèi)燃機(jī)——機(jī)械傳動(dòng)
這種傳動(dòng)方式僅在用途單一的高空作業(yè)汽車上使用，如用于電力設(shè)施維修的垂直升降式高空作業(yè)汽車多采用這種形式。動(dòng)力源為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力經(jīng)變速器傳出后，還要經(jīng)分動(dòng)器、離合器、減速器、卷?yè)P(yáng)機(jī)、滑輪以及鋼絲繩等傳遞到工作裝置，傳動(dòng)路線長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。
2、內(nèi)燃機(jī)——電力傳動(dòng)
這種傳動(dòng)方式的路線是汽車發(fā)動(dòng)機(jī) → 發(fā)電機(jī) → 電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)各工作裝置運(yùn)轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是利用直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良工作特性，使高空作業(yè)汽車獲得好的作業(yè)性能。但這些傳動(dòng)裝置質(zhì)量較大，價(jià)格昂貴。
3、電力——機(jī)械傳動(dòng)
這種傳動(dòng)方式是利用外接電源或車載電源（蓄電池），通過電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳遞到各工作裝置。由于電動(dòng)機(jī)具有逆轉(zhuǎn)性和在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速等特點(diǎn)，并且各機(jī)構(gòu)可由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)和操縱機(jī)構(gòu)，而且噪聲小、污染少，適用在外接電源方便或流動(dòng)性不大的場(chǎng)地作業(yè)。
4、內(nèi)燃機(jī)——液壓傳動(dòng)
大部分高空作業(yè)汽車都采用這種工作方式，它可充分利用液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，并且易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速和運(yùn)動(dòng)方向的變換，傳動(dòng)平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單、方便、省力、能防止過載。
綜上所述，通過以上各種動(dòng)力傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性、適用范圍以及操作性能等多方面性能的分析，將動(dòng)力傳動(dòng)裝置選定為內(nèi)燃機(jī)——液壓傳動(dòng)的形式。
2.2高空作業(yè)車工作裝置設(shè)計(jì)
高空作業(yè)汽車的工作裝置包括支腿機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、作業(yè)平臺(tái)及調(diào)平機(jī)構(gòu)、操作及安全保護(hù)裝置等。
2.2.1支腿機(jī)構(gòu)
支腿機(jī)構(gòu)是大多數(shù)高空作業(yè)汽車所必備的工作裝置，目前均采用液壓支腿。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速。
1、單缸雙支腿
是用一個(gè)雙作用液壓缸來驅(qū)動(dòng)兩側(cè)支腿伸縮的。這種支腿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但液壓缸行程長(zhǎng)，且是浮置于箱形長(zhǎng)槽內(nèi)，動(dòng)作慢，強(qiáng)度差，一般較少采用。
2、雙缸雙支腿
其各支腿均由單獨(dú)的液壓缸驅(qū)動(dòng)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作迅速，制成效能高等特點(diǎn)。
3、四支腿
其中兩個(gè)支腿安裝在汽車的后部，另兩個(gè)支腿安裝在前后輪之間。在作業(yè)車的兩側(cè)，一般具有操縱桿，可使前、后、左、右4個(gè)液壓支腿單獨(dú)地伸出或縮回，所以即使在不平整或傾斜的地面上，也能把車調(diào)整到水平狀態(tài)，提高了整車作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。
液壓支腿按其結(jié)構(gòu)形式又可分為：蛙式支腿、H式支腿和X式支腿。
（1）蛙式支腿
圖2.1為一種蛙式支腿的結(jié)構(gòu)示意圖，支腿的伸縮動(dòng)作由一個(gè)液壓缸完成。在運(yùn)動(dòng)過程中，支腿除有垂直位移△y外，在接地過程中還有水平位移△x（如圖2.2）。這種支腿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液壓缸數(shù)少，一支腿一液壓缸，結(jié)構(gòu)質(zhì)量小。但支腿在伸出過程中受搖臂尺寸的限制，支腿的跨距（圖2.2中的2a）不能很大，調(diào)平性能較差，且在支反力變化過程中有爬移現(xiàn)象。
（2）H式支腿
如圖2.3所示，這種形式的支腿對(duì)地面適應(yīng)性好，易于調(diào)平，且在支反力變化過程中無爬移現(xiàn)象，是高空作業(yè)車較理想的支腿形式。H式支腿由兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)即水平推力液壓缸和垂直的支撐液壓缸。這種支腿形式的穩(wěn)定性良好。
圖2.1 蛙式支腿 圖2.2 H式支腿
綜上所述，因?yàn)樗闹煌饶茉诓黄秸蛢A斜路面也能夠把車調(diào)整為水平狀態(tài)，所以選擇四支腿形式，選擇蛙型支腿機(jī)構(gòu)作為本次設(shè)計(jì)的支腿機(jī)構(gòu)，如圖2.1所示。
2.2.2 舉升機(jī)構(gòu)
舉升機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)的升降和變幅，其結(jié)構(gòu)形式有直升式和動(dòng)臂式。
直升式按傳統(tǒng)方式，可分為液壓和機(jī)械傳動(dòng)；按結(jié)構(gòu)形式可分為交叉剪刀式和套筒式。其結(jié)構(gòu)型式分為交叉剪刀式、套筒式、伸縮臂式和折疊臂式。
動(dòng)臂式舉升機(jī)構(gòu)可分為伸縮臂式或直臂式、折疊臂式或曲臂式、伸縮和折疊合成的混合臂式等。
1、伸縮臂式舉升機(jī)構(gòu)
伸縮臂式舉升機(jī)構(gòu)由多節(jié)套裝、可伸縮的箱型臂構(gòu)成，如圖2.3（a）所示。它包括基本臂和伸縮臂兩部分。伸縮臂可為一節(jié)或多節(jié)，各節(jié)間裝有液壓缸。液壓缸工作時(shí)，各節(jié)臂在液壓缸活塞桿的推動(dòng)下可沿導(dǎo)向元件（滑塊）上、下滑動(dòng)，從而改變臂架的長(zhǎng)度。整個(gè)臂架系統(tǒng)支承在液壓缸底部的鉸支座和變幅液壓缸的兩端。通過變幅液壓缸活塞桿的伸縮實(shí)現(xiàn)臂架擺動(dòng)，從而達(dá)到變幅與升降的目的。這種型式的臂架其最大作業(yè)高度可達(dá)60～80米。由于伸縮臂式舉升機(jī)構(gòu)可獲得較大的作業(yè)高度和變幅，因此，被廣泛的應(yīng)用于各種高空作業(yè)汽車上。但是，這種作業(yè)車的越障能力差。
2、折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)
折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)由多節(jié)箱形臂折疊而成，如圖2.3（b）所示。這種型式一般采用2～3節(jié)折疊臂組成。其折疊的方式可分為上折式和下折式兩種。各節(jié)臂的折疊和展開運(yùn)動(dòng)由各節(jié)間液壓缸完成。這種型式的舉升機(jī)構(gòu)可完成一定高度和幅度的作業(yè)，另外，下折式還可完成地平面以下的空間作業(yè)（如立交橋下橋梁的維修與裝飾），擴(kuò)大了高空作業(yè)汽車的作業(yè)范圍。由于折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)具有靈活多樣、適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以，應(yīng)用非常廣泛。
3、交叉剪刀式舉升機(jī)構(gòu)
交叉剪刀式舉升機(jī)構(gòu)是按交叉布置，鉸接成剪刀型的連桿框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)改變連桿交叉的角度時(shí)即實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，如圖2.3（c）所示。連桿交叉角度的改變，可通過液壓油缸活塞桿的伸縮或鋼絲繩的收放來實(shí)現(xiàn)。這種舉升機(jī)構(gòu)能完成較低高度的作業(yè)，工作平穩(wěn)，作業(yè)平臺(tái)較大，被廣泛的應(yīng)用于飛機(jī)、船舶制造、室內(nèi)維修、清潔電車線路維修等作業(yè)場(chǎng)地。但是，這種作業(yè)車越障能力差、工作范圍小。
4、套筒式舉升機(jī)構(gòu)
套筒式舉升機(jī)構(gòu)通過多節(jié)套筒的伸縮完成升降運(yùn)動(dòng)，如圖2.3(d)所示。驅(qū)動(dòng)方式也可采用液壓傳動(dòng)或鋼絲繩滑輪傳動(dòng)，這種垂直升降式舉升機(jī)構(gòu)作業(yè)高度有限，工作范圍小，但作業(yè)車平臺(tái)較大，且支撐穩(wěn)定。
(a) 伸縮式 (b) 折疊式 (c) 交叉剪式 (d) 套筒式 （e）混合式
圖2.3高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
5、混合臂式舉升機(jī)構(gòu)
舉升機(jī)構(gòu)由折疊臂式和伸縮臂式混合組成，如圖2.5（e）所示。他結(jié)合了上述兩種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，該形式一般設(shè)有上、下兩個(gè)工作臂，其中一個(gè)可設(shè)置幾節(jié)伸縮臂。作業(yè)時(shí)利用利用上下兩臂伸距的組合，使該機(jī)構(gòu)具有更大的作業(yè)空間。但此種形式成本很高一般情況下不采用此形式。
綜上所述，由于折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)較交叉剪刀式和套筒式的工作范圍大、越障能力好，且折疊式舉升機(jī)構(gòu)較伸縮臂式舉升機(jī)構(gòu)來說具有靈活多樣、適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。所以高空作業(yè)車的舉升機(jī)構(gòu)選定為折疊式舉升機(jī)構(gòu)。
2.2.3作業(yè)平臺(tái)及調(diào)平機(jī)構(gòu)
調(diào)平機(jī)構(gòu)是高空作業(yè)汽車的重要組成部分，直接影響著整機(jī)的工作性能，平臺(tái)的工作高度越大，調(diào)平機(jī)構(gòu)對(duì)整機(jī)性能的影響越突出。根據(jù)高空作業(yè)車的作業(yè)要求，在設(shè)計(jì)上對(duì)平衡機(jī)構(gòu)有：較高的安全可靠性；自動(dòng)調(diào)節(jié)作業(yè)斗平衡；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于裝配和維護(hù)保養(yǎng)；機(jī)構(gòu)重量盡量輕，工藝性好；技術(shù)上先進(jìn)，有較高的平衡精度等幾項(xiàng)要求。
為了使作業(yè)平臺(tái)的底平面在作業(yè)過程中始終保持水平，高空作業(yè)車上裝有式作業(yè)平臺(tái)保持水平的自動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)如圖2.4，主要有以下幾種：
（a） （b） （c）
(a)重力式調(diào)頻機(jī)構(gòu) （b）四桿調(diào)平機(jī)構(gòu) （c）等容積液壓缸調(diào)平機(jī)構(gòu)
圖2.4 作業(yè)斗的平衡機(jī)構(gòu)
1、自重平衡式該機(jī)構(gòu)
如圖2.4（a）所示，是將吊臂與平臺(tái)的兩連接鉸點(diǎn)所形成的軸線設(shè)置在平臺(tái)重心所在的縱向平面內(nèi)，且與水平面平行，利用吊臂上下擺動(dòng)變幅時(shí)平臺(tái)和載荷的自重始終垂直向下的原理，使平臺(tái)保持水平。其最大的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但在調(diào)平過程中，平臺(tái)容易擺動(dòng)，現(xiàn)以很少被采用。
2、 機(jī)械調(diào)平式機(jī)構(gòu)
機(jī)械調(diào)平根據(jù)所采用機(jī)構(gòu)的不同又可分為：四連桿、鋼絲繩、鏈條調(diào)平機(jī)構(gòu)等。四連桿調(diào)平機(jī)構(gòu)它是采用平行四邊形的原理所構(gòu)成的，如圖2.5（b）所示。在兩個(gè)四邊形連桿機(jī)構(gòu)中，相互間有一個(gè)公共邊聯(lián)接構(gòu)成運(yùn)動(dòng)中始終相互平行的連桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是平衡精度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整和維修,用于折曲臂型式.制造簡(jiǎn)單，工作可靠，使用非常廣泛，所以本設(shè)計(jì)采用四連桿調(diào)平方式。
（a）自重調(diào)平 （b）四連桿調(diào)平
圖2.5 調(diào)平系統(tǒng)示意圖
3、電液調(diào)平式
電液式調(diào)平機(jī)構(gòu)是從作業(yè)平臺(tái)上直接獲取水平度誤差的電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理和液壓控制裝置實(shí)現(xiàn)調(diào)平目的。它集電子控制、液壓控制一體化，適合于大高度的折臂與伸縮臂混合式的高空作業(yè)車自動(dòng)調(diào)平裝置。電液控制具有較高的控制精度，但由于采用液壓伺服或比例控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，安裝、調(diào)試?yán)щy，制造成本較高，因此應(yīng)用范受到限制。
4、液壓調(diào)平式
該調(diào)平裝置由上下的兩個(gè)液壓缸組成，下調(diào)平液壓缸的缸體和活塞桿分別鉸接于轉(zhuǎn)臺(tái)和伸縮臂之上，上調(diào)平液壓缸的缸體和活塞桿分別鉸接于伸縮臂和作業(yè)斗之上。通過油路1將上調(diào)平液壓缸的無桿腔和下調(diào)平液壓缸的無桿腔連通，將上調(diào)平液壓缸的有桿腔和下調(diào)平液壓缸的有桿腔連通，在不考慮系統(tǒng)泄露的情況下，由于上調(diào)平液壓缸和下調(diào)平液壓缸采用相同規(guī)格的液壓缸，故兩個(gè)調(diào)平液壓缸的活塞桿將同步動(dòng)作，只是活塞桿的運(yùn)動(dòng)的方向剛好相反。該調(diào)平系統(tǒng)中下調(diào)平液壓缸為主動(dòng)缸，當(dāng)伸縮臂在伸縮油缸的驅(qū)動(dòng)下繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，伸縮臂同時(shí)通過鉸點(diǎn)帶動(dòng)下調(diào)平液壓缸活塞桿伸出或縮回，而上調(diào)平液壓缸也會(huì)同步的縮回或伸出。因此通過合理的設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)平。作中靜液壓系統(tǒng)由于密封和接頭等處存在泄露，長(zhǎng)期工作后會(huì)給平臺(tái)帶來傾斜，需要在液壓系統(tǒng)上設(shè)置補(bǔ)油回路。
機(jī)械調(diào)平中最常見的為平行四邊形變形原理的四連桿機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、舉升高度高、擺動(dòng)幅度小等，但增加了自重，使用材料增多，并且舉升過程中更多的功耗要浪費(fèi)在自重上面；重力調(diào)平系統(tǒng)，簡(jiǎn)單、實(shí)用，但舉升的高度要降低很多，而且擺動(dòng)幅度比較大；電子調(diào)平系統(tǒng)屬于高科技產(chǎn)品，使資源消耗減少，但無形成本增多。在這里選擇四連桿調(diào)平方式。
2.2.4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
回轉(zhuǎn)平臺(tái)，俗稱為轉(zhuǎn)臺(tái)，是由回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成的。常見的轉(zhuǎn)臺(tái)形式有:框架式、單板加肋式、單墻大箱式、箱形立板式和箱形積木式等。
根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的不同，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可分為：機(jī)械驅(qū)動(dòng)式、電力驅(qū)動(dòng)式和液壓驅(qū)動(dòng)式。
根據(jù)回轉(zhuǎn)支撐的結(jié)構(gòu)不同，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可分為轉(zhuǎn)柱式、立柱式和轉(zhuǎn)盤式，其中轉(zhuǎn)盤式是一種較常用的形式。
轉(zhuǎn)盤式回轉(zhuǎn)支撐裝置又可分為兩種：支撐滾輪式和滾動(dòng)軸承式。支撐滾輪式回轉(zhuǎn)支撐裝置增大了轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)裝置的高度，且質(zhì)量增加，成本增大；滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支撐裝置是目前應(yīng)用最多的一種，它是在普通滾動(dòng)軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于放大了的滾動(dòng)軸承。其優(yōu)點(diǎn)是回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩小，承載能力大，高度低。由于回轉(zhuǎn)支撐裝置的高度降低，可以降低整車的質(zhì)心，從而增大了汽車的穩(wěn)定性。
目前高空作業(yè)車應(yīng)用較多的是交叉滾柱式轉(zhuǎn)盤 如圖2.6所示，滾子的接觸角一般為45°，相鄰的滾子軸線交叉排列，即相鄰的兩圓柱滾子軸線成90°交叉。這不但使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能承受軸向和徑向載荷，而且還能承受翻傾力矩。此外，和滾球轉(zhuǎn)盤相比，這種滾道是平面，加工工藝比較簡(jiǎn)單，容易達(dá)到加工要求。本次設(shè)計(jì)采用交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)。
(a) 外齒式 (b) 內(nèi)齒式
圖2.8 交叉圓柱滾子轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)
2.3本章小結(jié)
本章主要對(duì)所要設(shè)計(jì)的GKT-13路燈安裝車的支腿機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及其它附屬裝置的形式進(jìn)行了方案的比較分析后選擇了最適合的方案。最后確定了GKT-13路燈安裝車各工作裝置的類型。其中：舉升機(jī)構(gòu)選擇折臂式；支腿機(jī)構(gòu)選擇蛙式支腿；動(dòng)力傳動(dòng)裝置選定為內(nèi)燃機(jī)——液壓傳動(dòng)形式；作業(yè)平臺(tái)選擇平行四桿調(diào)平機(jī)構(gòu)；回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)選擇交叉滾柱式。
第3章 舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 確定尺寸及材料
其整個(gè)舉升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)如圖，其中AB、BC、CD為承重臂，DH為基礎(chǔ)臂，A’B’、C’D’為調(diào)平輔助臂，I、II為液壓缸，E、F、G、H分別為液壓缸與基礎(chǔ)臂及承重臂的絞接點(diǎn)。
圖3.1 舉升機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖
工作原理：在平行四邊形AA`B`B中，通過控制液壓缸I的長(zhǎng)度來控制的角度，從而使點(diǎn)A以AB為半徑，B點(diǎn)為圓心作圓弧運(yùn)動(dòng)；在平行四邊形CC’D’D中，通過控制液壓缸II的長(zhǎng)度來控制的角度，從而使點(diǎn)C以CD為半徑，D點(diǎn)為圓心作圓弧運(yùn)動(dòng)。平行四邊形AA`B`B與平行四邊形CC`D`D共用一條公共邊B`C`,平行四邊形CC`D`D的另一條邊DD`為基礎(chǔ)臂，只要液壓缸I增長(zhǎng)，A點(diǎn)就升高，液壓缸II增長(zhǎng)，C點(diǎn)就升高。由此只要控制液壓缸I和II就能控制A點(diǎn)的高度。
3.2外形尺寸確定
如圖3.2所示，初步設(shè)定臂CD與臂DO所成的最大角度為150°，臂CB與臂AB所成的最大角為135°。DO長(zhǎng)2200mm，DC長(zhǎng)3000mm，BC長(zhǎng)2200mm，AB長(zhǎng)4500mm。
圖3.2 舉升臂全升圖
綜上所述，可以推出整個(gè)機(jī)構(gòu)的外形參數(shù)，如表3.1、3.2所示。
表3.1 理論長(zhǎng)度參數(shù) 單位：mm
最小高度
最大高度
整體長(zhǎng)
2200
10200
3600
4500
2200
3000
2200
表3.2 理論角度參數(shù)
最大值
最小值
AB與BC的角度
135 °
53 °
CD與OD的角度
150 °
43 °
表3.1中的參數(shù)都為理論尺寸（即未開孔的尺寸），在實(shí)際加工中，為了使各臂連接起來，要留出一段長(zhǎng)度用來鉆孔穿銷，因此每個(gè)臂的每一個(gè)端面都要留有50mm的余量，表3.3既為各臂的實(shí)際參數(shù).
表3.3 實(shí)際長(zhǎng)度參數(shù) 單位：m
4600
4600
2700
3100
3100
2250
根據(jù)以往設(shè)計(jì)實(shí)例及設(shè)計(jì)需求，初步選定冷拔無縫矩形鋼管作為承重臂，具體參數(shù)見表3.4。根據(jù)表3.1即可計(jì)算出各承重臂的質(zhì)量。
臂AB重量：
=×=4600×24.517 kg＝112.8kg
臂A`B`重量：
=×=4600×8.594 kg=39.5kg
臂B`C`重量：
=×=2700×45.3 kg =122.3kg
臂CD重量：
=×=3100×34.0 kg＝105.4kg
臂C`D`重量：
=×=3100×6.710 kg＝20.8kg
臂DO重量：
=×=2250×56.3 kg＝126.7kg
表3.4 材料參數(shù)
基本尺寸
截面面積 F
理論質(zhì)量 G
kg/m
慣性矩
截面模數(shù)
長(zhǎng)
寬
厚
AB
180
100
6
31.232
24.517
1809.531
523.767
145.503
104.753
A`B`
90
60
4
10.947
8.594
117.499
62.387
26.111
20.795
B`C`
200
150
9
57.67
45.3
3170
2020
317
270
CD
200
100
8
43.2
34.0
2091
705
209
141
C`D`
70
50
4
8.547
6.710
54.663
32.210
15.618
12.884
DO
220
150
10
71.7
56.3
5687
2584
455
345
繪制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及部分參數(shù)計(jì)算
表3.1為圖3.2中的基本參數(shù)，由直角三角形中的角度公式可以得出：
α＝arctan＝arctan0.25＝14°
β＝arctan＝arctan0.11＝6.3°
γ＝arctan＝arctan0.33＝18.5°
θ＝arctan＝arctan0.17＝9.5°
BE＝=41.2cm
BF==90.5cm
DG==31.6cm
DH==91.2cm
圖3.3 各臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
表3.2 各臂中的基本參數(shù)
長(zhǎng)度
AB
BE’
EE’
BC
BF’
FF’
CD
DG’
GG’
DO
DH’
HH’
mm
4500
40
20
2200
1800
25
3000
300
25
2200
1900
30
3.3 受力分析
1、對(duì)臂AB進(jìn)行受力分析
(1)當(dāng)臂AB水平時(shí)，見圖3.4
圖3.4臂AB水平位置受力分析圖
∠EBF=90°-α-β=90°-14°-6.3°=69.7°
∵EF= =1600mm
S△BEF = S△BEF
∴h＝＝900mm
相對(duì)B點(diǎn)進(jìn)行受力分析
＝×＋×－×h＝0 ＝24kN
液壓缸與水平所成的角度為72.5°
B受力為
＝8.35kN
＝13.45kN
＝16.65kN
(2) 當(dāng)臂AB舉至最高位置時(shí)，見圖3.5
圖3.5 臂AB最高位置受力分析圖
∠EBF=150°-α-β=150°-14°-6.3°=120°
∵EF= =2100mm
S△BEF = S△BEF
∴h＝＝650mm
相對(duì)B點(diǎn)進(jìn)行受力分析
＝××sin30°＋××sin30°－×h＝0
＝21.3kN
液壓缸與水平所成的角度為
68.5°
B受力為
＝4.0kN
＝22.3kN
＝24.5kN
2、對(duì)臂B`C`進(jìn)行受力分析
當(dāng)臂AB水平時(shí)臂B`C`所受力最大，見圖3.6
圖3.6 臂B’C’受力分析圖
＝7.5kN
＝0 －＝0
＝23.7kN
＝23.7kN
又＝＝5.28kN
＝＝22.2kN
∴＝＝31kN
＝32.3KN
3、對(duì)臂CD進(jìn)行受力分析
(1)當(dāng)各臂位置如圖3.7所示時(shí)，液壓缸II所受的壓力最大。
圖3.7 臂CD受力分析圖
∴＝90°-18.5°-9.5°＝73°
＝1800mm
又
＝685mm
＝16.4kN
液壓缸II與水平方向所成的角度為
＝＝68.3°
對(duì)D點(diǎn)受力分析
＝0
＝0
經(jīng)計(jì)算 ＝16.2kN
＝19.3kN
＝25.2kN
(2)當(dāng)各臂位置如圖3.8所示時(shí)，液壓缸II所受的拉力最大
圖3.8 臂CD受力分析圖
∴＝135°－18.5°－9.5°＝107°
＝1800mm
又
＝454mm
＝－8.4kN
液壓缸II與水平方向所成的角度為
＝＝82.4°
對(duì)D點(diǎn)受力分析
＝0
＝0
＝21.3kN
＝12.3kN
＝24.3kN
=48.5kN
3.4 強(qiáng)度校核
1、臂AB的強(qiáng)度校核
當(dāng)臂AB水平時(shí)，剪切應(yīng)力及剪切彎矩最大，由第二章可知＝3kN，
q＝12.5kN/m，AE=4300m,BE=500mm
由于B點(diǎn)為固定轉(zhuǎn)軸，因此假設(shè)B點(diǎn)轉(zhuǎn)矩為零得出下式
＝×＋×－×BE＝0
求得： ＝14.75kN
=－3－0.225×2.2＝11.3kN
所以B點(diǎn)的彎矩為
=7.15
圖3.9臂AB受力分析圖及剪切力及彎矩圖
已知、、由表3.6中查得，由表3.6中查得＝18kN
根據(jù)公式
< (3.1)
< (3.2)
因此臂AB的強(qiáng)度符合要求。
2、臂B`C`的強(qiáng)度校核
由于臂B`C`垂直地面，所以臂上所承受的彎矩全部來自于臂AB的重力及A點(diǎn)的載荷，因此當(dāng)臂AB水平時(shí)B`C`上所受的彎矩最大。
＝3kN，q＝225N/m，AB=2.2m當(dāng)臂AB水平時(shí)臂所受力最大，見圖3.6
= =7.15
＝0
－＝0
＝17.3kN
＝17.3kN
又＝＝4.14kN
＝＝17.7kN
∴＝＝25kN
＝28.1kN
剪切力及彎矩如圖3.10所示
已知、、由表3.4中查得，由表
3.6中查得＝28.1kN
根據(jù)公式
<
<
因此，臂B`C`強(qiáng)度符合要求。
圖3.10 臂B`C`受力分析圖及彎矩圖
3、臂CD的強(qiáng)度校核
當(dāng)臂AB、CD都水平時(shí)，臂CD所受的彎矩最大，如圖3.11，先以D點(diǎn)為參考點(diǎn)
＝6.2kN
液壓缸II與水平方向所成的角度為
＝＝79.4°
對(duì)D點(diǎn)受力分析
＝0
＝0
＝16.2kN
＝19.3kN
＝25.2kN
圖3.11 CD剪切力及彎矩圖
已知已知、、由表3.2中查得，由表3.6中查得＝35.4kN
根據(jù)公式
<
<
因此，臂CD強(qiáng)度符合要求。
3.5 計(jì)算銷的直徑
為了使加工的標(biāo)準(zhǔn)化，均采用相同直徑的銷，根據(jù)此機(jī)構(gòu)中的最大剪切力＝42.3kN，根據(jù)公式
d (3.3)
其中＝80MPa 計(jì)算得出d0.021m=21mm
為了安全起見，取d＝40mm。
3.6 本章小結(jié)
本章的主要任務(wù)就是確定GKT-13型高空作業(yè)車各作業(yè)臂的參數(shù)。通過查閱了機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)等書籍，利用相關(guān)計(jì)算公式和材料信息，確定了各臂的使用材料、實(shí)際外形尺寸和理論質(zhì)量，繪制了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，并對(duì)各臂進(jìn)行了系統(tǒng)的受力分析，通過大量計(jì)算和理論推證得出了各絞接點(diǎn)的最大受力情況及液壓缸的長(zhǎng)度和升程。利用前面計(jì)算的數(shù)據(jù)，對(duì)主要承重的舉升臂進(jìn)行了彎曲校核和剪切校核；根據(jù)絞接點(diǎn)的剪切力，計(jì)算出了銷軸的最小直徑為21mm，最終選定Q235鋼板作為工作臂等機(jī)構(gòu)的金屬材料。
第4章 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算與校核
4.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的支撐設(shè)計(jì)
按照有關(guān)ZBT520001-1986專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，高空作業(yè)車的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)能進(jìn)行正反兩個(gè)方向的360°回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)速度不大于2r/min，回轉(zhuǎn)過程中的起動(dòng)、回轉(zhuǎn)、制動(dòng)要平穩(wěn)、準(zhǔn)確、無抖動(dòng)、晃動(dòng)現(xiàn)象，微動(dòng)性能良好。
目前應(yīng)用較多的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是交叉圓柱滾子支撐裝置如圖4.1所示，圓柱滾子的接觸角一般為45°，相鄰的兩圓柱滾子軸線成90°交叉。這不但使回轉(zhuǎn)裝置能承受軸向和徑向載荷，而且還能承受翻傾力矩。
4.1.1 圓柱滾子的最大載荷計(jì)算
圓柱滾子在工作時(shí)要受到三種作用載荷，如圖4.2所示。第一種為軸向力Q，即垂直力，它由轉(zhuǎn)臺(tái)及舉升機(jī)構(gòu)的重量、舉升貨物的重量以及升降時(shí)的慣性力等組成；第二種為徑向力H，即水平力，該力由舉升裝置及轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)離心力、風(fēng)載荷及回轉(zhuǎn)齒輪的嚙合力而產(chǎn)生；第三種為翻傾力矩Mov，它由軸向力和徑向力的偏心作用而引起。
圖4.1圓柱滾子外載荷及承載最大的滾子位置 圖4.2 圓柱滾子內(nèi)圈受力圖
將方向交叉的兩組圓柱滾子，用Ⅰ和Ⅱ組表示。假定每組的圓柱滾子數(shù)目各占一半，并作一對(duì)一的間隔排列，則組圓柱滾子在A點(diǎn)受力最大，如圖4.1所示。
其中任一圓柱滾子的最大法向載荷FImax為:
（4.1）
式中：
——由軸向力Q引起的Ⅰ組任一圓柱滾子最大法向載荷，N；
——由徑向力H引起的Ⅰ組任一圓柱滾子上最大法向載荷，N；
——由傾翻力矩MOV引起的Ⅰ組任一圓柱滾子上最大法向載荷，N。
對(duì)內(nèi)圈作受力分析，如圖4.1所示，由力系平衡條件可以求得FIQ和FIH。
為求得FIM，可以近似地把座圈看成直徑為D的圓圈，如圖4.2所示，并假定圓柱滾子對(duì)座圈的壓力在座圈上連續(xù)分布，按圓柱滾子接觸壓力沿圓圈弧長(zhǎng)的比壓，列出平衡方程可求得FIM值。
對(duì)于Ⅱ組圓柱滾子，處于圖4.1中B位置時(shí)受到的載荷最大。此時(shí)滾子不承受由水平力傳來的載荷，且由于軸向力Q引起的法向載荷與翻傾力矩MOV引起的法向載荷方向相反，因此Ⅱ組中任一圓柱滾子的最大法向載荷為：
（4.2）
4.1.2 確定圓柱滾子的允許載荷
根據(jù)赫茨公式，滾道與圓柱滾子的線接觸應(yīng)力為：
（4.3）
式中：
F ——圓柱滾子在接觸線上的法向載荷，N；
E ——材料的彈性模量，一般滾道材料采用碳素鋼或低碳合金鋼，圓柱滾子材料采用軸承鋼。故可取E＝2.1×105MPa；
L ——圓柱滾子與滾道的有效長(zhǎng)度，一般情況可取L=0.85d，m；
∑ρ ——圓柱滾子與滾道接觸表面的主曲率之和；
D ——圓柱滾子直徑，m。
用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或低碳合金鋼軋制或鍛造成的座圈，其滾道表面的熱處理硬度為HRC59～60，在一般工作條件下，可取許用接觸應(yīng)力值[]為1800Pa[14]。
依據(jù)所選用的許用應(yīng)力值[]，由式(4.11)便可求得圓柱滾子的允許載荷[F],F=7000N。
4.1.3滾動(dòng)體總數(shù)目的計(jì)算
（4.4）
式中 D ——滾盤的中心直徑1（m）；
d ——滾動(dòng)體的直徑10(mm)；
b ——隔離套的厚度19（mm）
通過計(jì)算確定滾動(dòng)體的數(shù)目為n=106個(gè), 滾盤的中心直徑D=1m.滾動(dòng)體的直徑為d=0.01m
4.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)計(jì)算
4.2.1 計(jì)算工況及載荷
回轉(zhuǎn)支承裝置承受回轉(zhuǎn)平臺(tái)上的全部載荷，作用在回轉(zhuǎn)支承裝置上的垂直力有臂架自重，配重，上車其它部分重量等。水平力有沿著臂架方向的風(fēng)力，回轉(zhuǎn)時(shí)的離心力和垂直于臂架平面內(nèi)的制動(dòng)切向慣性力，重物的離心力，切向慣性力起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分自重的離心力，切向慣性力等。
1. 回轉(zhuǎn)阻力矩
高空作業(yè)車回轉(zhuǎn)時(shí)需要克服的回轉(zhuǎn)阻力矩T為：
（4.5）
式中 ——回轉(zhuǎn)支撐裝置中的摩擦阻力矩；
——風(fēng)阻力矩；
——慣性阻力矩，僅出現(xiàn)回轉(zhuǎn)和制動(dòng)時(shí)。
（1） 摩擦阻力矩
1.柱式回轉(zhuǎn)支撐裝置
式中 ——水平滾輪的摩擦阻力矩；
——徑向軸承的摩擦阻力矩；
——止推軸承的摩擦阻力矩。
（1） 水平滾輪的摩擦阻力矩
（4.7）
式中 ——全部水平滾輪輪壓之和；
——當(dāng)滾道固定、水平滾輪沿滾道做行星運(yùn)動(dòng)時(shí)，為水平滾輪中心圓直徑；
——摩擦阻力系數(shù)，計(jì)算試可取（滾動(dòng)軸承），（滑動(dòng)軸承）。
（2） 徑向軸承的摩擦阻力
（4.8）
式中 ——徑向軸承所受的水平力（N)；
——徑向軸承的摩擦系數(shù)，；
——競(jìng)相軸承的內(nèi)徑（m）。
（3） 止推軸承的摩擦阻力矩
（4.9）
式中 ——止推軸承所受的垂直力（N)；
——止推軸承的摩擦系數(shù)，；
——止推軸承內(nèi)徑與外徑的平均值（m）。
2.滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支撐裝置
摩擦阻力矩可根據(jù)如下公式計(jì)算：
（4.10）
式中 ——回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，（滾球式），（滾柱式）
——滾道平均直徑
——摩擦阻力系數(shù)，計(jì)算試可?。L動(dòng)軸承），（滑動(dòng)軸承）。
——全部滾球或滾柱所承受的總壓力（N)，其計(jì)算方法如下。
當(dāng)回轉(zhuǎn)支撐裝置中的滾動(dòng)體所承受壓力方向一致時(shí)：
（4.11）
式中 ——回轉(zhuǎn)支撐裝置所受的總垂直力（軸向力）；
——回轉(zhuǎn)支撐裝置所受的總水平力（徑向力）；
——滾動(dòng)體的壓力角。
（二）風(fēng)阻力矩
臂架與風(fēng)向垂直時(shí)，由風(fēng)力產(chǎn)生的阻力矩達(dá)到最大值
（4.12）
式中 ——物品受的風(fēng)力，根據(jù)不同的計(jì)算要求，由計(jì)算風(fēng)壓或與作業(yè)平臺(tái)迎風(fēng)面積的乘機(jī)獲得；
——高空作業(yè)車的作業(yè)幅度；
——回轉(zhuǎn)部分受的風(fēng)力；
——風(fēng)力作用線至回轉(zhuǎn)中心線的距離。
等效風(fēng)阻力矩為：
（4.13）
（三）慣性阻力矩
高空作業(yè)車回轉(zhuǎn)時(shí)的慣性阻力矩，由繞回轉(zhuǎn)中心線回轉(zhuǎn)的物品慣性阻力矩和回轉(zhuǎn)部分的慣性阻力矩,以及機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分的慣性阻力矩組成：
（4.14）
式中 ——物品對(duì)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；
——作業(yè)臂各部件和構(gòu)件繞回轉(zhuǎn)中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；
——回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度2r/s；
——機(jī)構(gòu)啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間4s。
根據(jù)，高空作業(yè)車的回轉(zhuǎn)阻力扭矩約為
4.2.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)功率計(jì)算
回轉(zhuǎn)馬達(dá)最大回轉(zhuǎn)功率
（4.15）
式中 —系數(shù)液壓馬達(dá)取1 —馬達(dá)數(shù)
—液壓馬達(dá)取1 —回轉(zhuǎn)速度N=2r/min
—機(jī)械總效率 T—回轉(zhuǎn)阻力矩（）
高空作業(yè)車的回轉(zhuǎn)阻力功率為
4.2.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)驗(yàn)算
選擇液壓馬達(dá)選擇公司型號(hào)為型馬達(dá)，馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)，額定壓力：，最大輸出扭矩，機(jī)械效率，功率為。
回轉(zhuǎn)減速機(jī)為自己設(shè)計(jì)，采用為三級(jí)減速機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)線路為；
液壓馬達(dá)→聯(lián)軸器→蝸桿渦輪減速器→軸A→圓柱齒輪減速器→
軸B→齒輪齒圈減速器。
傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比：
（4.17）
馬達(dá)克服的最大阻力矩：
（4.18）
回轉(zhuǎn)馬達(dá)最大輸出扭矩、輸出功率均大于實(shí)際輸出，故液壓馬達(dá)選擇公司型號(hào)為型馬達(dá)滿足回轉(zhuǎn)要求。
4.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器的關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)計(jì)算
4.3.1 第一級(jí)減速器渦輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
閉式普通圓柱蝸桿傳動(dòng), 已知：蝸桿輸入功率P=7kW，轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)比i=9.750，雙向轉(zhuǎn)動(dòng), 載荷平穩(wěn)，輕微沖擊,要求使用壽命5年，每年工作300天，每天工作8小時(shí)。
（1）選擇傳動(dòng)的類型和精度等級(jí)
考慮到傳遞功率不大，轉(zhuǎn)速低，選用ZA(阿基米德)蝸桿，精度8級(jí)GB10089～88
（2）選擇材料,確定許用應(yīng)力
表面淬火硬度45---55HRC，蝸輪齒圈用鑄錫青銅ZCUSN10P1，金屬模鑄造，在文獻(xiàn)中分別查得[]=220MPa，[]=56 MPa ，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
壽命系數(shù)
許用應(yīng)力
（3）選擇蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)
根據(jù)傳動(dòng)比，參考文獻(xiàn)[12]中取=4，則。
（4）按蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（4.19）
1）確定載荷系數(shù)K。由文獻(xiàn)[12]選取使用系數(shù)=0.9，由于載荷一般平穩(wěn)，所以選取=1，因速度不高選取=1.1，則
計(jì)算作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩。按由文獻(xiàn)[12]初取效率則
3）確定彈性系數(shù)。查文獻(xiàn)查的[12]得,
4）計(jì)算。確定模數(shù)和蝸桿分度圓直徑
（4.20）
5）確定中心距
（4.21）
（5）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
1）計(jì)算蝸桿導(dǎo)程角
（4.22）
2）計(jì)算蝸輪當(dāng)量齒數(shù)
（4.23）
3）確定齒形系數(shù)
4）確定螺旋角系數(shù)
5）校核彎曲強(qiáng)度
彎曲強(qiáng)度滿足要求。
（6）蝸輪和蝸桿主要幾何尺寸計(jì)算
1）蝸桿分度圓直徑
蝸桿直徑系數(shù)
（4.24）
蝸桿齒頂圓直徑
（4.25）
蝸桿齒根圓直徑
（4.26）
蝸桿導(dǎo)程角
（4.27）
蝸桿軸向齒距
（4.28）
蝸桿導(dǎo)程
（4.29）
蝸桿軸向齒厚
（4.30）
2）蝸輪
蝸輪分度圓直徑
（4.31）
蝸輪喉圓直徑
（4.32）
蝸輪齒根圓直徑
（4.33）
經(jīng)過計(jì)算第一級(jí)渦輪蝸桿減速器的具體參數(shù)如下：
蝸桿類型 普通圓柱蝸桿ZA型(阿基米德)
中心距 a=80 mm
蝸桿軸向模數(shù) mx= 3.15 mm
蝸桿、蝸輪分度圓直徑 d1=35.500mm d2=122.850mm
蝸桿頭數(shù) z1= 4
蝸輪齒數(shù) z2= 39
實(shí)際傳動(dòng)比 i =9.750
蝸桿直徑系數(shù) q=11.2698
蝸輪變位系數(shù) x2=0.2619
蝸桿分度圓柱導(dǎo)程角 γ=19.541°
蝸桿節(jié)圓柱導(dǎo)程角 γ'=18.735°
蝸桿軸向齒形角 α=20.000°
蝸桿(輪)法向齒形角 αn=18.932°
頂隙 c=0.630mm
蝸桿、蝸輪齒頂高 ha1=3.150mm ha2=3.975mm
蝸桿、蝸輪齒根高 hf1=3.780mm hf2=2.955mm
蝸桿、蝸輪節(jié)圓直徑 d1p=37.150mm d2p=122.850mm
蝸桿、蝸輪頂圓直徑 da1=41.800mm da2=130.800mm
蝸桿、蝸輪根圓直徑 df1=27.940mm f2=116.940mm
軸向間距 px=9.896mm
蝸桿軸向齒厚 sx=4.948mm
蝸桿法向齒厚 sn=4.663mm
蝸桿分度圓法向弦齒高 ha1_=3.150mm
蝸桿螺紋部分長(zhǎng)度 b1=53.235mm
蝸輪最大外圓直徑 da2max=133.950mm
蝸輪輪緣寬度 b2=31.000mm
蝸輪咽喉母圓半徑 rg2=14.600mm
蝸輪齒根圓弧半徑 rf2=21.530mm
4.3.2第二級(jí)齒輪減速器的計(jì)算
已知輸入功率kW，小齒輪轉(zhuǎn)速，齒數(shù)比。
（1）選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1）選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)
2）考慮此減速器的功率較大，故大、小齒輪都選用硬齒面。由參考文獻(xiàn)[12]選得大、小齒輪的材料均為40，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48-55。
3）選取精度等級(jí)。因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削，故初選7級(jí)精度
4）因?yàn)槭情]式硬齒面齒輪傳動(dòng)，故選小齒輪齒數(shù)Z1=19，大齒輪齒數(shù)Z2=u Z1=95
（2）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（4.34）
由文獻(xiàn)[12]計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即
確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值