[Zohreh Gholami]

طراحي بالابر دو ستونه اتومبيل و بالابرها در تعميرگاه هاي وسايل نقليه موتوري


فهرست
1- مقدمه
2- تئوري پروژه
3- طراحي اجزاي بالابر
   3-1- بازوهاي كشويي
      3-1-1- چگونگي توزيع نيروي وزن اتومبيل بر روي بازوها و تعين طول آنها
      3-1-2- طراحي بازوي بزرگتر
      3-1-3- طراحي كشوئي بازوي بزرگتر
      3-1-4- طراحي بازوي كوچكتر
      3-1-5- طراحي كشوئي بازوي كوچكتر
   3-2- پين متصل كننده بازو به ناوداني
   3-3- ناوداني ته بازوها
   3-4- طراحي پيچ انتقال قدرت

[Zohreh Gholami]

1- مقدمه
امروزه بالابرها تحول بزرگي در صنايع حتي امور مختلف روزمره ايجاد كرده اند كه آسانسورها پركاربردترين بالابرهايي است كه با آنها سروكار داريم. البته بالابرهاي صنعتي كه امروزه به طور مشخص در كارگاههاي تعمير خودرو و در پاركينگها و در كنار خيابانها براي پارك خودرو و ديگر وسايل نقليه بكار مي روند، هر كدام بنا بر استفاده مورد نياز از آنها طراحي خاصي دارند. مبحثي كه در اين مجال به آن معطوف شده ايم طراحي بالابرهايي است كه در تعميرگاههاي وسايل نقليه موتوري از آن استفاده مي شود. اين نوع بالابرها (و همه بالابرها) بر اساس وزنهاي مختلف طراحي مي شوند. همچنين براي موارد استفاده و جبران بعضي محدوديت ها به صورت تك ستونه، دو ستونه و چهار ستونه نيز طراحي مي گردند. البته لزوم استفاده از اين نوع بالابرها در داخل تعميرگاهها نيز متفاوت است. برخي براي تعميرات لازم در زير اتومبيل استفاده مي شوند كه ارتفاع بالابري زيادي دارند و برخي ديگر فقط براي تعويض چرخها طراحي مي گردند و ارتفاع بالابري كمتري نسبت به نوع قبلي دارند. لازم به ذكر است كه در گذشته از چال در كارگاهها براي تعميرات قسمت زيرين اتومبيل استفاده مي شد(البته در تعميرگاههاي قديمي هنوز از اين شيوه براي تعمير اتومبيل ها استفاده مي شود).


2- تئوري پروژه
اين پروژه كه تقريباً با صرف 900 نفر ساعت سعي كرده است تا به تمامي جوانب يك طراحي اصولي و منطقي با تمام فرضيات مستدل و معقول در اجزاي مختلف يك بالابر توجه شود. در اين به طراحي كامل يك بالابر دو ستونه پرداخته شده است. مولفه مهم قابل ذكر در اين بالابر استفاده از پيچ انتقال قدرت براي بالابردن اتومبيل است. مكانيزم آن به اين صورت است كه پيچ در جاي خود مي چرخد و مهره اي را كه بوسيله مكانيزمي مرتبط به بازوهاست، بالا يا پائين مي برد. البته روش ديگري كه مي تواند اين وظيفه را با چنين مكانيزمي انجام دهد، اين است كه پيچ بطرف يافت مي شود. در اين Joyce بالا يا پائين حركت كند. اين روش در جكهاي پيچ وچرخدنده حلزوني مجال، به مكانيزمي با روش اول پرداخته شده است. مشخصات بالابر مورد نظر در شكل زير ذكر شده است.

شكل شماتيك اين بالابر در زير نمايش داده شده است.

قسمت هاي مختلف قابل مشاهده در بالابر به شرح زير مي باشد:
1. بازوهاي كشويي
2. پين متصل كننده بازو به ناوداني
3. ناوداني ته بازوها
4. رابط بازوها به پيچ انتقال قدرت (مهره)
5. پيچ انتقال قدرت
6. ياتاقان هاي لغزشي داخل ستون
7. ستون بالابر
8. عضو رزوه شده متصل به پيچ قدرت (مهره اصلي)



اجزاي قابل طراحي ديگري كه در اين پروژه به آنها توجه شده است، به قرار زير است:
ياتاقان هاي غلتشي دو سر پيچ قدرت
پوليها و تسمه هاي انتقال توان از موتور به پيچ قدرت
چرخ زنجير و زنجير انتقال دهنده توان از يك پيچ به پيچ قدرت ديگر
صفحه ستونها
پيچهاي متصل كننده صفحه ستونها به زمين

[Zohreh Gholami]

3- طراحي اجزاي بالابر
حال به بحث و طراحي اعضاي مختلف بالابر كه در بالا بدان اشاره شد، مي پردازيم.

3-1- بازوهاي كشويي
3-1-1- چگونگي توزيع نيروي وزن اتومبيل بر روي بازوها و تعين طول آنها
در اين پروژه، بازوها بر اساس موقعيت مركز جرم وسيله نقليه طراحي مي شوند. با توجه به اينكه در اتومبيل ها مركز جرم به اكسل جلو نزديكتر است، پس براي آنكه گشتاور كمتري روي بازوها و در نتيجه ستون قرار بگيرد، لذا طراحي بازوها به گونه اي انجام مي گيرد كه آنها در حداقل و حداكثر مقدار خودشان با هم تفاوت داشته باشند. بر اين اساس بازويي كه قرار است در نزديكي اكسل عقب اتومبيل قرار بگيرد بايد طول بيشتري را نسبت به بازوي مجاور خود داشته باشد.

اتومبيل در هر وضعيتي قرار بگيرد و بازوها به هر اندازه دلخواهي كه باز شوند، همواره دو گشتاور خمشي بر ستون وارد مي كنند. تنها يك حالت بهينه وجود دارد كه يكي از اين گشتاورها برابر صفر مي شود. در اين پروژه طول بازوها بر اساس اين حالت بهينه طراحي شده اند.

مطابق شكل 4 خطهاي OA و OB   نشان دهنده بازوهاي بالابر هستند. فرض كنيد فاصله مركز جرم   اتومبيل تا وسط ستون (نقطه O) برابر x باشد.M1 و  M2 گشتاورهاي ناشي از وزن اتومبيل بر روي بازوهاست كه بر ستون اعمال مي شود.

حال براي اينكه گشتاور برآيند در راستاي محور y برابر صفر شود بايد:

d فاصله بين ستون تا بدنه اتومبيل است
لذا بهترين حالت قرار گرفتن اتومبيل آن است كه مركز جرم آن دقيقاً روبروي وسط ستون قرار بگيرد. حال با علم به اين نكته، ابعاد و بازوها به روش زير طراحي شده اند:

اگر a و b بيشترين مقدار خود را اتخاذ كنند (تقريباً مجموعشان دو متر شود) با در نظر گرفتن بزرگترين پارامترهاي موجود در شكل بيشترين طول بازوي OB را برابر و حداقل مقدار طول بازوي r2 را برابر در نظر مي گيريم. بدين منظور كه اگر بازوي سمت راست و سمت چپ به مقدار اندازه هاي فوق باز شوند، اتومبيل خود بخود طوري قرار مي گيرد كه مركز جرم آن روبروي ستون قرار گيرد (توجه شود كه انتخاب اين مقادير، براي رسيدن به حالت بهينه اي است كه براي سنگين ترين وسيله نقليه در نظر گرفته شده است).

حال همان وضعيت شكل 4 را در نظر بگيريد بگونه اي كه مركز جرم در نزديكي بازوي كوچك قرار دارد. ولي اينبار بازوي كوچك در حال بزرگتر شدن و به موازات آن بازوي بزرگ در حال كوچك شدن خواهد بود. با ادامه اين روند مي توان به بدترين حالت ممكن رسيد يعني حالتي كه بازوي كوچك به اندازة حداكثر مقدار بازوي بزرگ افزايش يابد. بنابراين لازم است براي جلوگيري از اين حالت براي حداكثر مقدار بازوي كوچك محدوديت قائل شد. اين محدوديت را حالتي قرار مي دهيم. كه طول دو بازو با هم برابر شوند. مطابق شكل 3

[Zohreh Gholami]

بر اين اساس طول دو بازو و زاوية بين آنها برابر مقادير ذيل خواهند بود.

از ديگر مزيت هاي اين حالت اين است كه اگر اتومبيل بر عكس حالت فوق قرار بگيرد مقدار گشتاور برايند حاصله روي ستون هيچ تغييري نخواهد كرد بنابراين زماني كه طول دو بازو با هم برابر باشند هيچ محدوديتي در قرار گرفتن اتومبيل روي بالابر وجود نخواهد داشت. توجه شود كه براي رسيدن به حالت بهينه با يك محدوديت روبرو هستيم و آن اين است كه همواره بايد چرخهاي جلوي اتومبيل در نزديكي بازوي كوچك قرار بگيرد. ولي ممكن است بر اساس بي توجهي كه توسط تعميركاران صورت مي گيرد، عكس اين حالت رخ بدهد كه در اين حالت اگر بازوها در حالت بهينه قبلي قرار گرفته باشند با بدترين حالت ممكن روبرو خواهيم شد:

بنابراين حالت اخير كه بيشترين مقدار گشتاور را روي ستون و بازوها ايجاد مي كند مبناي طراحي بالابر خواهد بود (با اين وجود بايد متذكر شوند كه اكسل جلوي وسيله نقليه بطرف بازوي كوچك قرار گيرد).

بنابراين طبق اين طراحي مقدار حداقل وحداكثر بازوها به قرار زير خواهد بود:

البته لازم به ذكر است كه انتخاب يك كمينه براي دو بازو به سليقة طراح بستگي دارد. اما مقادير بيشينه نبايد از عبارات داده شده براي طول بيشينه براي هر بازو تجاوز كند.


3-1-2- طراحي بازوي بزرگتر
تحليل
چون مبناي محاسبات طراحي بر ماكزيمم طول بازوي بزرگتر قرار دارد، پس ابتدا گشتاور اعمالي به اين بازو را محاسبه كرده سپس پروفيلي حدس زده و در آن تسليم را بررسي مي كنيم. قبل از هر چيز چند نكته قابل ذكر است. اول اينكه مقدار خمش بايد در نقطه خطرناك بازو محاسبه گردد. دوم اينكه براي استحكام بيشتر از دو قوطي مشابه بر روي هم در انتهاي بازو بعنوان لچكي استفاده شده است. كه با كم شدن طول بازو مقطع به يك قوطي مي رسد. ضمناً بازوها از فولاد st 52-3 (طبق استاندارد DIN شماره ماده 1.0570 می باشد) با استحکام تسلیم 355MPa انتخاب شده اند. شماره پروفيلها نيز از استاندارد DIN 59411 انتخاب شده اند. مهمترين نقش در انتخاب قوطي ضريب طراحي است. چون در اين دستگاه سعي بر طراحي دقيق بوده و مواد از جنس نرم (Ductile) هستند و ضمناً مواد ريخته گري شده و جان پرسنل در خطر است، ضريب طراحي مانند زير است:

همانطور كه در فرمول نيز مشخص شده ضريب نهايي مربوط به شوك در حين راه اندازي دستگاه مي باشد. دليل انتخاب اين عدد، شوك آرام بدليل وجود تسمه و موتور الكتريكي در دستگاه بالابر مي باشد.

[Zohreh Gholami]

محاسبات
مقدار M اعمال شده بر بازو عبارتست از

مقطع خمش خطرناك در شكل 6 مشخص است.

حال سعي و خطا را آغاز مي كنيم.
ابتدا پروفیل 4*60*120 را در نظر بگيريد. كه مقدار a*b*t را نشان می دهد. ممان اینرسی مجموعه حول تار خنثي برابر

است. با جايگذاري اين مقدار در رابطه تنش خمشي، مقدار تنش محاسبه مي شود.

با توجه به ضريب طراحي و مقدار تنش تسليم اين پروفيل قابل قبول نيست. در اينصورت پروفيل ديگري بايد حدس زد. اين بار پروفيل 4*80*140 را در نظر بگيريد. بر اين اساس داريم:

اين پروفيل نيز قابل قبول نيست. زيرا:

حال پروفيل 6.3*80*140 را در نظر بگیرید. بنابراین

بعد از مطمئن شدن از تنش قائم با تنش برشي ناشي از نيروي عرضي كه در سرتاسر بازو قرار دارد نيز چك شود. لازم به ذكر است كه مقدار تنش برشي بر روي تار خنثي بيشينه است. بنابراين محاسبات را پي مي گيريم.

با اين حساب اين قوطي را مي پذيريم.
بعد از يافتن شماره قوطي مي بايست طول لچكي محاسبه گردد(شكل 7 را ببينيد).

مقدار گشتاور در ابتداي لچگي برابر است با:

[Zohreh Gholami]

3-1-3- طراحي كشوئي بازوي بزرگتر
همانطور كه در بخش قبل گفته شد، طول اوليه بازوي بزرگتر 0.9m است و بقیه 0.6m طول كشوئي بازو مي باشد. اين كشوئي بايد پروفيل كوچكتري داشته باشد تا به راحتي در كشوئي بزرگتر رفت و آمد كند. از طرف ديگر بايد در برابر گشتاور اعمال شده به آن تسليم نشود. پس حداقل مقدار ( I/c(s را براي اينكه قوطي به تسليم برسد را مي يابيم (توجه شود كه ماكزيمم شماره اي كه مي توان انتخاب كرد 6.3*60*120 است زيرا شمارة بزرگتر در داخل قوطي ديگر قرار نمي گيرد).

با عنايت به اينكه بالاترين شماره پروفيلي كه مي توان حدس زد، داراي s=38600 می باشد، برای تقويت اين قوطي از دو ورق با ابعاد مقطع 126*3mm كه در بالا و پائين آن قرار مي گيرند، استفاده مي كنيم. در اينصورت باتوجه به شكل 8 ممان اينرسي و در نتيجه s مقادير ذيل را اتخاذ مي كنند.

بنابراين پروفيل داخلي نيز طراحي شد.


3-1-4- طراحي بازوي كوچكتر
تحليل
همانطور كه در بخش قبل گفته شد حداقل و حداكثر طول بازوي كوچك بترتيب برابر 0.7 و 1.1m مي باشد.البته در اينجا براي كشوئي بزرگتر همان قوطي 80*140 انتخاب شده است. زيرا هم تقارن در سيستم رعايت شده و هم طول ناوداني كه در بخش هاي بعد بدان اشاره خواهد شد، براساس بازوي بزرگتر كه خطرناكتر نيز هست، طراحي شده است. فقط حداقل ضخامت پروفيل با اين ابعاد داده شده بايد محاسبه گردد. بعد از يافتن ضخامت حداقل طول لچكي بدست مي آيد. در نهايت نيز ابعاد قوطي كشوئي كوچكتر محاسبه خواهد شد. كلاً تحليل و محاسبات براي بازوي كوچك دقيقاً مانند بازوي بزرگ است. تنها تفاوت در مقدار گشتاورها و نيروهاست.



محاسبات
ابتدا گشتاور اعمالي به اين بازو برابر مقدار زير است.

مقدار ممان اينرسي براي پروفيل با حداقل ضخامت (4*80*140) برابر:

است. مقدار تنش نيز برابر است با

پس پروفيل فوق را براي كشوئي بزرگتر قابل قبول است. حال بايد مقدار طول لچكي تعيين شود. محاسبات دقيقاً مشابه بازوي بزرگتر است. اگر طول اين لچكي را برابر 1 فرض كنيم مقدار آن اينگونه محاسبه مي گردد.

[Zohreh Gholami]

5-1-3- طراحي كشوئي بازوي كوچكتر
در اينجا نيز شبيه بازوي بزرگ بعد از محاسبه گشتاور بايد حداقل s براي جلوگيري از تسليم تعيين شود. توجه كنيد كه كشوئي داراي طول 0.4m است.

در اين حالت پروفيل 6.3*60*120 با s=38.6cm3 جوابگو خواهد بود.


3-2- پين متصل كننده بازو به ناوداني
تحليل
اين پين دقيقاً در انتهاي بازوها قرار دارد وظيفه اش نگهداشتن بازو، ايجاد حركت چرخشي در بازوها و انتقال نيرو و گشتاور از بازوها به ناوداني نگه دارندة، مي باشد. اين پينها بوسيلة غلافي كه در اطرافشان قرار دارد و به قوطيها متصلند، محافظت مي شوند. وظيفة اين غلاف پخش نيرو در امتداد طولي و شعاعي پين است. مزيت اين امر جلوگيري از ايجاد نيروهاي متمركز در راستاي طولي پين است. نمونه اي از اين غلاف را در شكل 9 [4] مشاهده مي كنيد.

در اين پروژه نيز مبناي تحليلها بر الهام از اين موضوع قرار گرفته است. منظور از تحليل در پين بدست آوردن حداقل قطر است. با استفاده از تحليلهاي برش، لهيدگي و كندگي روابطي بر حسب D استخراج مي شود كه بيشترين قطر جواب مورد نظر خواهد بود. تركيب بندي قوطيها و غلاف وپين در شكل 10 نشان داده شده است.

شكل شماتيكي از دياگرام نيروهاي وارد بر پين در شكل 11 زير نشان داده شده است.

در اين شكل F نيروي وارده از طرف ناوداني، F1 برآيند نيروهاي گستردة وارده از طرف غلاف و 2L ارتفاع دو قوطي يا ارتفاع ناوداني مي باشد.

[Zohreh Gholami]

محاسبات
گشتاور ايجاد شده در انتهاي بازوي بزرگ برابر است با:

با توجه به شكل 11 نیروهای F1 و F از روابط ذيل بدست مي آيند(در اينجا فاصله بين قوطي و ناوداني ناچيز فرض شده است).

برش پين
با توجه به شكل مقطع برش بين نيروهای F1 و F قرار دارد. بنابراين مقدار تنش برشي برابر است با:

كه در اين رابطه Sy)p تنش تسليم پين مي باشد. نوع فولادي كه براي پين در نظر گرفته شده فولاد 1.0401 یا C15 با استحكام تسليم 355MPa می باشد.

(توجه كنيد كه ضريب طراحي همان مقداري است كه در قسمت طراحي بازوها محاسبه شد. زيرا همه آن موارد در اينجا نيز صادق است).



لهيدگي بازو
توزيع نيرو در مقطع لهيدگي بازو در شكل 12 نشان داده شده است.

با توجه به شكل تنش اعمالي به مقطع برابر

است. در اين رابطه Sy)b تنش تسليم قوطي است كه در قسمت قبل بيان شد.


كندگي بازو
چون كندگي در بازو تنش زيادي را مي طلبد، از بحث در مورد آن اجتناب مي كنيم. فقط لازم بذكر است كه تنش اعمالي بيك قوطي بصورت خطي از يك مقدار بيشينه تا صفر تغيير ميكند.



نتيجه
چون پروفيل انتخابي 6.3*80*140 مي باشد، از تحليل برش و لهيدگي محدوده D با جايگذاري در روابط فوق بدست مي آيد.
تحلیل برش:       D ≥ 48mm
تحلیل لهیدگی:   D ≥ 15mm


پس مقدار قابل قبول D=45mm مي باشد. با توجه به موارد گفته شده براي تلرانسها در، H7/n6 را براي پين و غلاف آن در نظر مي گيريم.

[Zohreh Gholami]

3-3- ناوداني ته بازوها
تحليل
براي ناوداني ته بازوها فقط لهيدگي مقطعي كه پين قرار دارد مد نظر است زيرا همانطور كه در تحليل پين نيز گفته شد، براي كندگي در مقطع سوراخ نيروي زيادي لازم است كه از تحليل آن صرفنظر مي كنيم. منظور از تحليل براي اين قسمت بدست آوردن كمترين ضخامت در ناوداني است. ابعاد ديگر ناوداني نكته طراحي خاصي ندارد. چون بوسيله شكل دهي ورقي كه ضخامت آنرا بدست آورده ايم، ابعاد مورد نظر را ايجاد مي كنيم.


محاسبات
تنش لهيدگي در سوراخ برابر است با:

توجه كنيد كه F همان نيروي محاسبه شده در قسمت طراحي پين است. ضمناً مقدار تنش تسلیم (Sy) همان 800MPa در نظر گرفته شده است. ضريب طراحي نيز همان مقدار 4 اختیار شده است. دليل اين امر نيز در قسمت طراحي بازوها بيان شده است.

پس مقدار t اينگونه بدست مي آيد.

طبق استاندارد DIN 1545 ضخامت استاندارد برابر 10mm خواهد بود. ابعاد ديگر ناوداني در شکل های 13 و 14 نشان داده شده اند.

4-3- طراحي پيچ انتقال قدرت
تحليل
پيچ انتقال قدرت، وسيله اي است كه در ماشين ها براي تغيير حركت زاويه اي به حركت خطي بكار مي رود ومعمولا براي تسهيل در انتقال توان استفاده مي شود. نوع پيچ انتقال قدرتي كه براي طراحي بالابر استفاده مي شود پيچ دندانه ذوزنق هاي با زاويه Acme) 29o ) می باشد و چون تمامي وزن اتومبيل توسط هر دو پيچ انتقال قدرت كه در ستونها قرار دارند، تحمل مي شود لذا بايد وزن اتومبيل را بين دو پيچ تقسيم كرد. اين پيچ ها تحت بار مركزي قرار دارند. لذا احتمال كمانش در آنها وجود دارد. بنابراين قبل از تحليل تنش هاي موجود روي بدنه پيچ و دندانه هاي آن لازم است كه ابتدا كمانش آن بررسي شود. از آنجايي كه ابتدا و انتهاي پيچ در درون ياتاقان قرار مي گيرد، آنرا بصورت دو سر در گير در نظر مي گيريم. حال محاسبات را پي مي گيريم:


محاسبات
ابتدا با استفاده از فرمول داده شده در [3] حداقل قطر را براي جلوگيري از كمانش را استخراج می کنیم. مقدار C ، 1،2 اتخاذ شده است (پيچ مانند ستون بلند فرض شده است)

لازم به ذكر است كه پيچ از فولاد st 52-3 (1.0570 تولید شده است. Cc نسبت باریکی بحرانی نام دارد. حال بايد بررسي شود كه آيا در نظر گرفتن اين پيچ بعنوان ستون بلند فرض صحيحي بوده است يا خير لذا:

بنابراين فرض در نظر گرفته شده صحيح مي باشد.

[Zohreh Gholami]

بعد از بررسي كمانش پيچ مي بايست تنشهاي بوجود آمده در پيچ نيز تحليل گردد. پيچي كه قطري نزديك به قطر استاندارد دارد، پيچ (3/4 )1 است كه مشخصات كامل آن در زير آمده است:

براي بررسي تنش هاي ايجاد شده روي بدنه پيچ ابتدا از تنش برشي شروع مي كنيم. براي اينكار بايد مقدار گشتاور پيچشي لازم روي پيچ را تعيين شود. لذا (ضريب اصطكاك برابر 0,15 در نظر گرفته شده است:

بنابراين تنش برشي روي پيچ برابر است با:

تنش فشاري ناشي از وزن نيز از رابطة زير محاسبه مي شود:

تنش ناشي از خمش از فرمول زير قابل محاسبه است (رزوه اولي درگير با مهره 0,38 وزن را تحمل مي كند):