汽车举升油缸性能试验台加载系统设计.pdf

1/29 目录 摘要.2 Abstract.3 第一章 绪论.4 1.1 概述.4 1.2 课题背景.4 1.3 国内研究现状.4 1.4 研究目的与意义.4 1.5 课题研究的内容.5 第二章 实验台的设计思路与方案的选择.6 2.1 概述.6 2.2 试验台的设计思想.6 2.3 试验台的最终方案确定.7 第三章 加载缸各零部件的设计及验算.8 3.1 缸体组件.8 3.2 法兰设计.11 3.3 活塞设计.14 3.4 活塞杆的设计.153.5活塞杆的导向、密封.19 第四章 加载缸支承座的设计.20 4.1 方案连接部分的设计与选取.20 4.2 结构部分尺寸计算.20 第五章 液压系统的设计.23 5.1 液压系统图的拟定.23 5.2 液压元件的选择.25 结 论.27 参考文献.28 致谢.29 2/29 摘 要 多级举升油缸体是专用汽车结构中的一个主要部件，其性能好坏直接影响汽车整车的工作性能。多级举升油缸克服了现有技术中举升机利用单级油缸作为驱动系统，提升车辆至一定高度时，油缸本身及滑台的高度较高，导致整个装置稳定性较差，造成高成本的缺陷，采用多级举升油缸，结构简单稳定性能好，降低了制造成本。随着工业生产的发展，工业上大型机械越来越多，其质量也越来越大，对起重设备的要求也越来越高，统机械起重已不能满足工业的需要。工业上现在越来越多地使用液压起重设备，靠液压传动来满足大型机械的起重与安装本设计主要针对四级伸缩缸进行采举升油缸的性能试验。关键词：举升油缸；液压传动；性能试验 3/29 Abstract Multi-stage lift cylinder is a special purpose vehicle body structure of one of the main ponents,its performance directly affects the work of automobile performance.Multi-stage lift cylinders lift to overe the existing technology as the use of single-stage cylinder drive system,upgrading the vehicle to a certain height,the tank itself and the height of a high slider,leading to poor stability of the entire device,defects caused by high-cost,multi-stage lift cylinders,simple structure and stable performance,lower manufacturing costs.With the development of industrial production,more and more large-scale machinery industry,its quality is also growing,the requirements for lifting equipment have bee more sophisticated,mechanical lifting system can not meet the needs of industry.Industry are increasingly using hydraulic lifting equipment,hydraulic transmission to meet by the lifting and installation of large machinery.The design of the main telescopic cylinders for the four cylinder performance test mining lift.Key Words：Lift cylinder；hydraulic drive；performance test 第一章 绪论 4/29 1.1 概述 本章讲述了课题背景以及国内外研究现状、研究的目的与意义、课题研究内容以及与其达到的目的等等。1.2 课题背景 多级举升油缸体是专用汽车结构中的一个主要部件，其性能好坏直接影响汽车整车的工作性能。多级举升油缸克服了现有技术中举升机利用单级油缸作为驱动系统，提升车辆至一定高度时，油缸本身及滑台的高度较高，导致整个装置稳定性较差，造成高成本的缺陷，采用多级举升油缸，结构简单稳定性能好，降低了制造成本。随着工业生产的发展，工业上大型机械越来越多，其质量也越来越大，对起重设备的要求也越来越高，统机械起重已不能满足工业的需要。工业上现在越来越多地使用液压起重设备，靠液压传动来满足大型机械的起重与安装。本设计主要针对四级伸缩缸进行采举升油缸的性能实验。1.3 国内研究现状 我国的液压技术开始于 1952 年，液压元件最初应用于机床和锻压设备，后来应用于工程机械。1964 年我国从国外引进了一些液压元件生产技术，同时自行设计液压产品，经过多年的艰苦探索和发展，特别是 20 世纪 80 年代初期引进美国、日本、德国的先进技术和设备，使我国的液压技术水平上了一个新的台阶。1.4 研究目的与意义 本课题研究的目的主要是用于汽车多级举升油缸的测试。在工程上，各种汽车车箱的起升用的是多级举升油缸。液压缸的强度、刚度以及稳定性对液压缸系统的安全起着决定性作用。多级伸缩液压缸具有结构复杂，造价昂贵的特点，由于目前此类液压缸的设计并没有固定的标准，在工程上很容易发生爆裂、扭曲、折断以及其他失效方式，造成严重的损失。目前采用单一、常规的强度校核方法无法满足工程实际需要，必需结合液压缸实际工作情况采用不同方法对其强度、刚度以及稳定性进行校核。所以对液压缸进行测试具有重大意义。1.5 课题研究的内容 5/29 多级举升油缸体是汽车结构中的一个重要部件，气性能好坏直接影响汽车整车的工作性能。先针对四级伸缩缸进行采举升油缸的系能实验，实验周期：20分钟。（1）举升油缸性能实验台的总体方案设计（2）举升油缸性能试验台的加载系统结构设计 （3）液压系统设计 第二章 实验台的设计思路与方案的选择。6/29 2.1 概述 本章主要论述该实验平台的设计思想和方案的选择，最终确定实验平台的机构设计方案，最后对该实验平台的工作原理进行阐述。2.2 试验台的设计思想 根据所学的知识，查阅相关资料，对试验台的设计进行可行性分析,可以知道设计该试验台需要解决的主要问题：1.如何模拟施工现场，实现液压缸的测试。2.如何选择试验台的结构。3.如何选择连接方式。4.试验台的尺寸太大，质量大。常见的油缸试验台的系统原理如图 2-1：图 2-1 试验台系统原理图 试验台如图 2-2，在该方案中整个实验台平放，液压缸对顶，把现场中液压缸的受力通过测试缸压力的调节实现加载，已达到模拟现场，实现液压缸的测试。7/29 图 2-2 水平加载实验装置 但是如果液压缸采取对顶的加载方案，则会使得油缸性能实验台的总体尺寸过长，造成制造方面的不便，因此我们可以改变油缸的对顶结构来解决这一问题。为了解决因对顶引起的试验台长度过大的问题，我们可以使加载缸与被测缸处于不同平面内，并用滑轮和钢丝绳将被测缸和加载缸通过特定的方式连接起来，最终确定试验台的总体方案如图 2-3 所示：图 2-3 试验台总体方案设计 这种方案既避免了试验台过长的问题，又能很好的测试 4 级伸缩缸的各项性能。当被测缸进油时由于压力差驱动滑动机构向右运动，通过钢丝绳使加载缸活塞杆向左伸出，此时通过测量加载缸的力来检测被测缸的性能。而当加载缸有活塞杆一侧进油时，又能带动被测缸逐级缩回。8/29 第三章 加载缸各零部件的设计及验算 液压缸在液压系统中的作用是将液压能转变成机械能，使机械实现往复直线运动或摆动运动。本次设计中所用的加载缸为单杆双作用活塞式液压缸。3.1 缸体组件 3.1.1 缸筒结构的选择 连接方式如下图：选取法兰式连接，并且法兰和缸筒用焊接方式连接。其优点是结构简单，易选取、易装卸；缺点是外径较大，比螺纹连接的重量大。3.1.2 缸筒的要求 有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用；缸筒和法兰要良好焊接，不产生裂纹。3.1.3 缸筒材料的选取及强度给定 部分材料的机械性能如下表：9/29 本次设计选取 15MnVn 号钢 从表中可以得到：缸筒材料的屈服强度s=500MP；缸筒材料的抗拉强度b=750MP；现在利用屈服强度来引申出：缸筒材料的许用应力=s/3.5=500/4=142MP。n为安全系数，一般取n=3.5-5，这里 n=3.5。3.1.4 缸筒的计算 液压缸缸径的计算 被测缸理论推理为 800KN，额定压力为 16MPa 当液压缸的理论作用力 F 及供油压力 P 为已知时，则无活塞杆测的缸筒内径为3110)/(4pFD 查机械设计手册得到缸筒的内径系列有 4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360mm。（m）10/29 综合得缸筒内径 D=250mm。缸筒壁厚的计算 当额定压力 Pn16MPa 时，Py=1.5Pn=1.5*16=24MPa；预取=25mm，/D=0.1，此时y3P-3.2DPy=23.85，故可取=25mm。缸筒壁厚的验算 下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算：A.液压缸的额定压力为 Pn值应低于一定的极限值，保证工作安全：)()(35.0212221MPaDDDps=53.5。Pn=1653.5,满足条件。B.为了避免缸筒在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力 Pn值应与塑性变形压力有一定的比例 X 围：PLpp)42.035.0(；DDpsPL1log3.2；根据上面 2 式求得24.3887.31npMPa。Pn=16MPa，满足条件。C.为了确保液压缸安全的使用，缸筒的爆裂压力 PE应大于耐压试验压力 PT：)(log3.21MPaDDpbE；将b=750MPa带入上式得到PE=136.6MPa D.耐压试验塔里PT，是液压缸在检查质量时需要承受的试验压力。在规定时间内，液压缸在此压力PT下，全部零件不得有破坏或永久行变形等异常现象。各国规X多数定为：当额定压力PT16MPa时，PT=1.5Pn=24MPa。爆裂压力远大于耐压试验压力，因此完全满足条件。11/29 3.1.5 缸筒的加工要求 缸筒内径 D 采用 H7 级配合，表面粗糙度aR为 0.16，需要进行研磨；热处理：调制，HB240；缸筒内径 D 的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半；刚通直线度不大于 0.03mm；油口的孔口及排气口必须有倒角，不能有飞边、毛刺；在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。3.2 法兰设计 3.2.1 缸筒端部法兰厚度计算 法兰厚度根据下式进行计算)(10)(43mdrFbhLa 式中，F-法兰在缸筒最大内压下所承受的轴向力（N)Ra-法兰外圆半径(m)缸筒端部法兰厚度 缸壁厚度计算中得出最大压强：12/29 maxP=161.5=24MP 法兰承受的最大压力为：F=800000kn 接下来选取其它参数：ar=180mm Ld=30mm b=52.2mm 许用应力在选取材料的时候给出：=s/n=500/3.5MP 将以上各量带入式上得到：h=7.6mm 为保证安全，取法兰厚度为8mm。3.2.2（缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算 连接图如下：13/29 螺栓强度根据下式计算：螺纹处的拉应力为 621410ZdKFMPa；螺纹处得剪应力为 63101102.0zdKFdKMPa；合成应力 223n MPa；最大推力为 F=800000N,使用 16 个螺栓紧固缸盖，即：Z=16 螺纹外径和底径的选择：0d=20mm,1d=17mm 选取 K=2.5,K1=0.12,可求得=550MPa,=187.5MPa,n=638MPa。由以上运算结果知，应选择螺栓等级为 12.9 级：查表的得：抗拉强度极限b=1220MP 屈服极限强度s=1100MP 不妨取安全系数 n=1.5，可以得到许用应力值：=s/n=1100/1.5=733MP 再次使用式 23.322 得到：n成立 证明选用螺栓等级合适。14/29 3.3 活塞设计 3.3.1 活塞结构的设计 活塞分为整体式和组合式，组合式制作和使用比较复杂，所以在此选用整体式活塞，形式如下图：此整体式活塞中，密封环和导向套是分槽安装的。3.3.2 活塞的密封 选用 Yx 型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显著提高密封性能：、降低摩擦阻力，无爬行现象；、具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长；、安装沟槽简单，拆装简便。这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如下：3.3.3 活塞的材料 选用高强度球墨铸铁 QT600-3 15/29 3.3.4 活塞的尺寸及加工公差 选择活塞厚度为活塞杆直径的 1 倍，因为活塞杆直径是 56mm（这个在后面的活塞杆设计中会给出解释），所以活塞的厚度为 56mm。活塞的配合因为使用了组合形式的密封器件，所以要求不高，这里不加叙述。活塞外径对内孔的同轴度公差不大于 0.02mm，断面与轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度不大于外径公差之半。3.4 活塞杆的设计3.4.1 活塞杆杆体的选择 此次设计需要安装位移传感器，因此选用空心杆件，形式如下图：3.4.2 活塞杆与活塞的连接形式 此次设计采用的是锁紧螺母型连接，如下图：3.4.3 活塞杆材料和技术要求 因为没有特殊要求，所以选用 45 号钢作为活塞杆的材料，本次设计中活塞杆只承受压应力，所以不用调制处理，但淬火处理是必要的，淬火深度在 0.51mm左右。安装活塞的轴颈和外圆的同轴度公差不大于 0.01mm，保证活塞杆外圆和活塞外圆的同轴度，避免活塞与缸筒、活塞杆和导向的卡滞现象。安装活塞的轴间端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，保证活塞安装不产生歪斜。活塞杆外圆粗糙度aR选择为 0.3m。运行在低载荷情况下，所以省去了表面处理。16/29 3.4.4 活塞杆的直径计算 活塞杆的直径可以根据速比来确定 由于公称压力为 16MPa，选择其速度比为 1.46，由表上可以查得 d=140mm 3.4.5 活塞杆强度的计算 活塞杆端部的负载连接点与与液压缸支撑之间的距离为BL，如果：BL10d（显然这个是成立的）就用下式计算活塞杆强度：17/29 实际上式中的s/n 就是材料的许用应力，之前已经给出了 15MnVn 号钢的许用应力为：=s/n=500/3.5=142MP 最大推力 F=800000N 于是根据式 23.328 得到活塞杆的直径：d120mm。可知强度符合要求。3.4.6 活塞杆弯矩稳定性验算 18/29 先计算活塞杆截面的惯性矩 I=18823840m4 导向系数根据安装方式选择,取 K=1.5 将以上各量带入公式中得到活塞杆失稳力：kF=3.8810N 选取安全系数kn=5 得到最大承载力的判别式 FkF/kn=6.16710N 19/29 显然这是符合要求的，因为最大工作压力是5108N。3.5 活塞杆的导向、密封 3.5.1 导向环 选择非金属导向环，用高强度塑料制成，这种导向环的优点是摩擦阻力小、耐磨、使用寿命长、装导向环的沟槽加工简单，并且磨损后导向环易于更换。3.5.2 密封 Yx 型轴用密封圈加轴用阶梯圈组合使用，这样比起单独密封，可以减小摩擦，减少泄漏量，增加寿命。20/29 第四章 加载缸支承座的设计 4.1 方案连接部分的设计与选取 初步选定方案后，对方案经行仔细研究，各处连接拟采用螺栓连接，如图 由计算结果可知，螺钉直径过大，用于连接不太现实，于是考虑用其他的方法进行连接，这里我们采用滑槽的形式连接。4.2 结构部分尺寸计算 油缸外径 D1=300mm，油缸端部吊耳处外圆直径为 360mm，吊耳与耳环连接时，需要在缸体外 2 边各安置一个垫圈，取垫圈厚度为 10mm，则支承座 2 支撑板间的距离为 380mm，取支撑板的厚度为 40mm，经过计算满足强度要求。油缸吊耳直径为 60mm，因此可取耳环内孔直径为 60mm,耳环纵向切割，然后用螺钉连接起来，这样避免螺钉受到过大的径向力而导致零件受损。结构如下图所示：21/29 油缸支承座与试验台面的连接靠深头螺钉来试验，支承座的底座对称分布的 6个点分别安装直径为20mm的螺钉，部分尺寸及结构如下图所示:22/29 综上所述，其结构示意图如下图所示：23/29 第五章 液压系统的设计 5.1 液压系统图的拟定 拟定系统原理图是液压系统设计中最重要的一步，他从工作原理和结构组成上来具体体现设计任务中的各项要求，不需要精确计算和选择原件规格，只需要选择功能合适的原件和原理合理的基本回路组合成系统。5.1.1 被测缸液压系统图 汽车的 4 级举升油缸是单作用的伸缩缸，其工作过程存在换向，因此液压系统中必须有换向回路，可用二位三通换向阀实现，为了保证工作过程中的压力不超过一定的极限，因此必须存在调压回路，又因为要测试多个点，因此需要用比例溢流阀来实现。被测缸的液压系统图如下图所示：5.1.2 加载缸的液压系统 加载缸采用的是单干双作用的活塞式液压缸，工作过程中同样存在调压回路和换向回路，其原理图如下图所示：24/29 5.1.3 液压系统的综合 次液压系统是被测缸的液压系统和加载缸的液压系统综合所成，其原理图如下图所示：液压系统原理图 25/29 5.2 液压元件的选择 5.2.1 液压泵 液压缸在整个工作循环中的最大工作压力为 16MPa，如取进油路的压力损失为0.8MPa，则液压泵的最大工作压力Pp1=16+0.8=16.8MPa。加载缸行程6000mm，单行程用10min走完，则速度V=10mm/s，Qmax=D2V=0.45m3/s，Qp=kQmax=33L/min。根据上述要求及液压站台的要求，选取RC92050 A4VSO变量泵，公称规格为 40，公称压力为bar350，峰值压力为bar400，参数如表 3-2 5.2.2 电机的选择在此系统中的电机，实现带动液压泵转动，只需达到一定带动矩力即可，同时也降低了成本，为此可选择普通交流电机。根据上述回路的要求，选取Y250M-2 电机。额定功率 55KW，转速min/2970rn，如图 3-3 电动机的技术参数如表 3-4：26/29 电动机型号 额定功率/KW 满载转速/（r/min）堵转转矩 最大转矩 质量/kg 额定转矩 额定转矩 同步转数 3000 r/min，2 级 Y250M-2 55 2970 2.0 2.2 403 表 3-4 液压泵参数 满足系统要求。27/29 结 论 在此次毕业设计当中，通过利用专业知识和液压设计理念完成了油缸性能测试试验台的机构设计和理论分析，并完成了试验台的液压系统，实现了汽车用大型液压缸性能的测试目标。油缸性能测试试验台虽然能够顺利的完成，不过本次设计并不是完美的，其中还有较多问题需要进一步的改进、优化和完善：1.整体尺寸还是太大，加工和安装都会受到一定的限制。2.没有完全让液压缸在工况的状态下运行，可能实际的工况中有环境的影响（如风、地面震动等）。28/29 参考文献 1 Han.A.An approach to multilayer microfluidic systems with integrated electrical,optical,and mechanical functionalityM.IEEE Sensors Journal,2005：82-89.2 Schatzel.D.V.Multi-functional spacecraft structures integrating electrical and mechanical functionsM.2007 IEEE Aerospace Conference,2007：1-6.3 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册M.：高等教育,2006.5.4 曾志新，吕明.机械制造基础技术M.XX：XX 理工大学，2004.4.5 彭文生.机械设计M.XX：华中理工大学，1996.6 王信义.机电一体化技术手册M.：机械工业，1995.3 7 林荣川.液压缸的约束方式与稳定性研究J，机电技术，2006 年第 3 期.8 苏荣华等.结构仿真分析 ANSYS 应用.东北大学，2005 年 11 月第 1 版.9杨明忠等.机械设计.XX 理工大学，2001 年 10 月第一版.10液压缸试验方法.GB/T 15622-2005.致谢 29/29 本次毕业设计接近尾声，在此，我要感谢指导老师沈顺成教授。他严谨细致、一丝不苟的作风是我们学习的榜样，循循善诱的教导给我我们很多的启迪。其次，还要感谢那些在设计和生活中帮助过我的同学，对他们表示无限的感激。