（机械设计及理论专业论文）新型电动千斤顶设计制造的研究.pdf

摘要摘要千斤顶作为一种传统顶举重物的工具，在建筑、铁路、医疗、汽车维修等各领域均得到广泛的应用。本文主要针对汽车用千斤顶的设计与制造技术进行了研究。本文首先综合分析了国内外汽车用千斤项的发展现状和结构特点，讨论了开发新型汽车用千斤顶的意义。在综合分析比较各种现有汽车用千斤顶方案特点的基础上，提出了电动手动快速切换千斤顶的设计方案。设计过程中，采用遗传算法来对汽车千斤顶进行优化设计，并对千斤顶的各项设计参数进行了优化计算。本文主要完成了以下工作：对选定的汽车用千斤项方案进行了概念设计和详细设计，同时用面向对象语言v i s u a l c + + 开发了基于遗传算法的千斤项优化计算程序。该软件可以支持千斤顶举臂和齿轮传动系统目标方程的优化计算。在软件开发过程中，充分考虑到程序的可移植性、可扩展性，同时考虑到界面的简单性和友好性，不仅内嵌了优化案例以供使用者参考，还将优化结果采用两种形式输出：数据统计图和连续曲线图。本文还完成了课题研究所需的建模工作，使用三维软件对新型千斤项主要零部件及系统建立了三维几何模型，同时也建立了适用于优化计算的数学模型。为了验证所开发优化程序的可行性和实用性，本文还使用m a t l a b 优化工具箱对所建模型进行优化计算，并对两种计算方法得到的结果进行了比较。结果证明遗传算法优化计算程序能更有效地满足物体的优化设计要求，具有一定的研究意义和实际应用价值。最后，根据优化设计结果制作了新型汽车用千斤项，应用结果表明该新型千斤顶与现有同类产品比较，降低了生产成本，改善了性能指标。优化后的新型千斤顶在满足性能强度要求的前提下，单台可节省材料约2 2 0 克。据国家统计局统计信息显示，我国个人汽车保有量1 9 9 9 年已达5 3 4 万辆，2 0 0 2 年国内轿车年产销量均突破1 0 0 万辆，2 0 0 3 年有继续增长的趋势。我国汽配企业不仅供应国内市场的需求，每年还生产出口约5 0 0 万台汽车用千斤顶到世界各国。考虑到每年我国生产制造的汽车用千斤项产量巨大，若能采用本文提出的方法设计制造该产品，则可大量节约材料成本，其经济效益十分可观。同时，优化后的产品在降低生产成本的前提下，其可靠性和稳定性方面也有了一定的提高。关键词：汽车用千斤项；优化设计；遗传算法华南理工大学工学硕士学位论文a b s t r a c ta sat r a d i t i o n a lt o o lo fl i f t i n gh e a v y ，j a c ki sw i d e l yu s e di na l lk i n d so ff i e l d ss u c ha sa r c h i t e c t u r e ，r a i l w a y ，m e d i c a la n dg a r a g es y s t e m as e r i e so fr e s e a r c hm a i nf o rb u m p e rj a c kw e r ec a r r i e dt h r o u g hi nt h i sp a p e r t h ep r e s e n ts t a t u s ，a sw e l la st h es t r u c t u r e s ，o fb u m p e rj a c k si nh o m ea n do v e r s e a si sa n a l y z e ds y n t h e t i c a l l yi nt h ep a p e r a n dt h e nt h ei m p o r t a n c eo fd e v e l o p i n gn e wb u m p e rj a c ku n d e rt h ec u r r e n tc i r c u m s t a n c e si sa l s od e m o n s t r a t e d o n en e wp r o j e c ta b o u tj a c k ，w h i c hc a ns u p p o r te i t h e re l e c t r i co rm a n u a ld r i v i n gm o d e ，i sp u tf o r w a r da f t e rc o m p a r i n gv a r i o u sc u r r e n te x i s t i n gp r o j e c t s o n ek i n do fn e wo p t i m i z i n gm e t h o dc a l l e dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i su s e dt oo p t i m i z et h eb u m p e rja c ks t r u c t u r e t h em a j o rw o r ki sa sf o l l o w i n g ：t h ec o n c e p t u a la n dd e t a i l e dd e s i g n sf o rt h ec h o s e np r o j e c to fb u m p e rj a c ka r ec o m p l e t e d ，a n dt h e nt h ec o m p u t e r - a i d - a n a l y s i ss u c ha sm e c h a n i c a la n a l y s i sa n dk i n e m a t i ca n a l y s i sa r ea c c o m p l i s h e d t h eo b j e c t o r i e n t e d v i s u a lc + + p r o g r a ml a n g u a g ei su s e dt od e v e l o pt h en e wo p t i m i z i n gs y s t e mb a s e do nt h eg af o rb u m p e rj a c k i ts u p p o r t st h ef o l l o w i n go p t i m i z e dc a l c u l a t i o n sa st h ea r ma n dg e a rt r a n s m i s s i o ns y s t e mo fb u m p e rj a c k d u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n i n g ，t h et r a n s p l a n t a t i o na n de x p a n s i b i l i t y t o g e t h e rw i t ht h es i m p l ea n df r i e n d l yi n t e r f a c ea r ew e l lc o n s i d e r e di nt h es y s t e m i td o e sn o to n l ys u p p l yr e f e r e n c e st oh o wt ou s et h es y s t e mw i t hc a l c u l a t i n gc a s e s ，b u ta l s op r o v i d et w ok i n d so fo u t p u t t i n gf o r m ：o n ei sd a t a ，a n dt h eo t h e ri sc u r v e t h ep h y s i c a lt h r e e d i m e n s i o nm o d e l s ，a sw e l la st h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fm a i np a r t so ft h eb u m p e rj a c ka r eb u i l tu pi nt h ep a p e r a tt h es a m et i m e ，t h em a t l a bo p t i m i z i n gt o o l b o xi sa l s ou s e dt os o l v et h eo p t i m i z i n gp r o b l e m s a n di ti sc o m p a r e dw i t hg ao p t i m i z i n gr e s u l tt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h es o f t w a r es y s t e m t h er e s u l tp r o v e dt h a tt h eg ai sm o r ee f f i c i e n tt h a nm a t l a bo p t i m i z i n gt o o l b o xa n dw o r t ht or e s e a r c h i n ga n db e i n gp u ti n t op r a c t i c e f i n a l l yt h eo p t i m i z e dp r o d u c t sa r ep r o d u c e d ，a n di ts h o w st h a tt h ec o s to ft h ep r o d u c t sa f t e ro p t i m i z i n gi sr e d u c e d ；m o r e o v e rt h er e l a t i v ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e d t w oh u n d r e da n dt w e n t yg r a mm a t e r i a lo fe a c hb u m p e rj a c ki ss a v e d a c c o r d i n gt ot h ed a t ap r o v i d e db yt h en a t i o n a lb u r e a uo fs t a t i s t i c so fc h i n a ，t h e r ew e r eu pt o5 ，3 4 0 ，0 0 0s a l o o nc a r st o1 9 9 9 t h et u r n o u ta n ds a l eo fs a l o o nc a ri n2 0 0 2h a v ea l r e a d yb r o k e nt h r o u g h1 ，0 0 0 ，0 0 0 a n di ti sg o i n gu pi n2 0 0 3 c h i n e s ec o m p a n i e si ip r o v i d eb u m p e rj a c k sn o to n l yf o rd o m e s t i cm a r k e t ，b u ta l s of o ri n t e r n a t i o n a lm a r k e t t h e r ea r e5 ，0 0 0 ，0 0 0b u m p e rj a c k st oe x p o r te a c hy e a r i nv i e wo ft h et r e m e n d o u so u t p u to fb u m p e rj a c k s ，ag r e a td e a lo fc o s tc a nb es a v e di fa d o p t i n gt h ed e s i g nm e t h o dp u tt o r w a r di nt h ep a p e r ，a n dt h e ni tw i l lb r i n gg r e a tb e n e f i tt ot h eh o m ec o m p a n i e s a tt h es a m et i m e ，t h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ep r o d u c ta r ei m p r o v e d k e y w o r d s ：b u m p e rj a c k ；o p t i m i z i n gd e s i g n ；g a1 1 1华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：昧感e l 期：舻；年石月舌e l学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。( 请在以上相应方框内打“”)作者签名：薛葭导师签名：铆【1 j日期：计哆年占月6e 1日期：伽z 年6 月【1 日第一章绪论第一章绪论1 1 本课题研究的意义本课题的主要任务是探讨已有的汽车用千斤顶技术，设计开发一种新型的电动手动快速切换汽车用千斤顶，并将现代设计方法运用于汽车用千斤顶设计，提高其使用性能，降低生成成本。千斤顶对于人们来说并不陌生，日常生产实践中经常会遇到这样一些情况：例如需要将重物如车辆、大型设备、井下轨道等在没有起吊设备的情况下移动或抬起它们，而仅靠人工操作是非常困难甚至根本无法实现的，这就需要用到千斤项。由此可见，千斤顶与人们的生活密切相关。作为一种传统顶举重物的工具，千斤顶在建筑、铁路、医疗、汽车维修等各领域均得到了广泛的应用。目前，在生产实践中使用着以下各种各样的千斤项；( 1 ) 在建筑领域中应用的千斤顶主要有钢绞线千斤顶m 、松卡式千斤顶e 2 、穿心式千斤顶、掩护支架平衡千斤顶、预应力前卡式千斤顶、预应力张拉式千斤顶 32 、窄空间小吨位千斤顶等；( 2 ) 在汽车运输维修部门应用的千斤顶有螺旋千斤顶、液压千斤顶、充气千斤顶等：( 3 ) 在医疗卫生部门应用的有x 线刀机械微调千斤顶“，；( 4 ) 除此以外还有应用在其他领域的些千斤项。由于使用对象的差别和使用场合的不同，在汽车维修领域也有各种各样不同类型的产品出现。汽车用千斤顶的分类方法如下：( 1 ) 按汽车用千斤顶的结构特点分类，可分为立式千斤顶、卧式千斤顶和剪式千斤顶。目前开发出的立式千斤顶多为手动方式，它是一种常用的顶举或提升重物的轻小型起重设备，广泛应用于起重、运输、装卸、安装及某些特殊工艺操作m 。这种立式千斤顶技术成熟，但在送入车下起顶部位和起顶时，由于操作者不能完全在车外部进行操作，因此操作不便。卧式千斤顶由油泵、工作油缸、顶臂、承力盘、手柄、侧板和轮子组成，使用时可以让用户在车外方便地操作。它的起顶高度低可达高度高，上升速度也较快，但起重吨位较低，本身尺寸较大，目前常用的有以下几种卧式千斤顶：轻型：用于轿车随车工具或自各外出以供急需，由于对象固定，因而可设计得小巧、轻便。用于随车工具或私人车库维修设备，属不定期使用，故并不强调牢固耐用。华南理工大学工学硕士学位论文中型：用于一般汽车维修工具，供修理汽车用，由于对象范围广，使用频度高，故要求操作方便快速，稳定性好，并要求一定寿命。重型：用于有较大周转场地的维修或事故抢救。由于使用条件限制，因而要求数量不是很多，从而单价高、使用频度高，因此这种千斤顶一般须有使用寿命的要求( 一般不低于2 0 0 次) f 6 】。剪式千斤顶的外形如图l l 所示，它是一种原理卧式千斤顶m 。剪式千斤顶有机械式的，也有液压式的。机械剪式千斤顶整个系统般由上下举臂、丝杆和底座组成。若是电动剪式千斤顶，则还有电机、减速箱和固定板；液压剪式千斤顶则在底座上设有油室及油路连通机构。剪式千斤顶一般有手动和电动两种操作方式。图1 1 剪式千斤顶示意图f i g u r e1 - ls c h e m a t i cd i a g r a mo fs c i s s o rj a c kf 2 ) 根据汽车用千斤顶动力来源的不同，可分为手动千斤顶、电动千斤项和电动手动两用千斤顶。手动千斤顶的动力来源是人力驱动。虽然制造简单，价格低廉，但由于使用时必须用手不断操作才能升降套简或举臂，所以费时费力，使用极其不便。如前面提到的立式千斤顶和卧式千斤项太都是手动方式。电动千斤顶的动力来源是电动机驱动。使用时直接利用汽车自备电源，驱动直流电机，通过适当的控制电路来实现所需要的功能，代替手工操作控制千斤顶的升降。因此相对手动千斤顶来说它提高了工作效率，避免了重复繁重的体力劳动，为司机创造出一种方便、高效、省力的修车环境和条件。但是单纯的电动千斤顶同样存在着局限性，如当电动装置损坏或者由于别的原因而导致电动装置无法工作时千斤顶就无法使用。电动手动两用千斤顶的动力来源既可以是电动机驱动又可以是人力驱动。用2第一草绪论户可以根据实际情况选择不同的驱动方式。这种功能实现的关键是电动方式与手动方式的切换装置。它既可吐克服手动千斤项的低效、费力、不便等缺点，又可以拥有单纯电动千斤顶所无法具有的广泛实用性优点。所以现在大多数用户已经不再使用传统的手动千斤顶，转而使用电动或电动手动两用千斤项。现在已经开发出的电动千斤顶种类较多，有机械式的，也有液压式的；有直接控制式的f 8 j ，也有红外遥控式的m 。( 3 ) 根据汽车用千斤项传动类型的不同，可分为机械传动千斤顶和液压传动千斤顶。机械传动千斤顶是通过机械装置来实现千斤项的传动功能，如立式螺旋千斤顶。工作时千斤顶的螺母固定，利用手柄直接驱动螺杆作螺旋运动，从而将螺杆端部承力盘上的重物顶起。立式螺旋千斤顶除了采用手柄直接驱动螺杆的传统方式以外，还有以齿轮传动( 圆柱直齿或锥齿轮) 来驱动螺杆的方式。液压千斤项则是通过液压装置来实现千斤顶的传动功能。它将密封在油缸中的液体作为介质，把液压能转换为机械能，从而将重物向上项起。液压千斤顶结构简单，体积小，重量轻，自润滑性好，举升力大，易于维修，但同时制造精度要求较高，效率低，操作不当时支点易滑脱，存在不安全因素m ，。若出现泄漏现象将引起举升汽车的下降，保险系数降低，使用其举升时易受部位和地方的限制。综上所述，虽然已有多种汽车用千斤顶，但这些产品大多利用传统设计方法，存在进一步改进设计、提高性能、降低成本的可能。另一方面，随着社会经济的发展，人们消费水平的提高，用户需求也在发生着巨大的变化。消费者将不再仅仅追求产品的结实、耐用、安全，而进一步关注产品的功能、经济、美学等特性1 1 2 。就汽车用千斤顶来说，随着人们生活质量的提高，人们也对产品提出了更高的要求，千斤项应当在满足功能要求的前提下向轻便化、美观化、经济化发展。目前世界轿车产量一年在4 0 0 0 万台以上，每辆车应当配备一台千斤顶，以便在途中更换轮胎时使用，以此计算，每年全世界的汽车用千斤顶需求量就达4 0 0 0 万台u ”。随着我国国民经济的发展，近几年汽车用量也大幅增长，为千斤顶制造商提供了极好的发展机遇。据国家统计局统计资料显示，2 0 0 2 年全国轿车产销量分别为1 0 6 2 4 万辆和1 0 5 8 万辆，比上年增长5 2 8 和5 0 4 】。2 0 0 3年全国汽车需求量约为3 8 0 万辆，国产轿车需求1 4 3 5 万辆，如果每辆轿车配备一台千斤顶，则汽车用千斤顶就达到百万台以上的产量，再加上出口数量的提高，其总产量十分可观。庞大的汽车销售市场，孕育着汽车随车工具的巨大市场。千斤顶作为汽车保养、维修所不可缺少的主要举升工具，市场前景也非常看好。据业内人士预测，本世纪该行业将进入新一轮竞争。但是传统的千斤顶( 如螺旋式、华南理工大学工学硕士学位论文液压式等) ，多为手动操作，费时费力，劳动条件差且安全性低；而目前使用的电动千斤顶又大多结构复杂、体积大、重量重、工作稳定性较差且生产成本高，需要加以改进。随着计算机、信息技术的广泛应用，在产品设计中运用计算机辅助设计方法( 用计算机完成绘图、模拟、优化和其他数值分析等任务) 来进行概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机绘图等己成为常用设计方法m ，。同时，计算机科学的高速发展也使优化设计过程变得更简单易行。我们可以根据数学模型的特性，选择适当的优化设计计算方法，获得最优设计方案。而对我国当前千斤顶设计制造技术水平比较落后，激烈的市场竞争和巨大的市场潜力同时存在的情形，有必要将现代设计方法应用到传统产品( 如千斤项)开发过程中，以提高我国千斤顶设计制造技术的水平。1 。2 国内外千斤顶技术的发展状况1 2 1 国外发展情况早在2 0 世纪4 0 年代，卧式千斤顶就已经开始在国外的汽车维修部门使用，但由于当时设计和使用上的原因，其尺寸较大，承载量较低。后来随着社会需求量的增大以及千斤顶本身技术的发展，卧式千斤顶逐渐向小型化发展。在9 0 年代初国外绝大部分用户已以卧式千斤顶替代了立式千斤顶m 。在9 0 年代后期国外研制出了充气千斤顶m ，和便携式液压千斤顶等新型千斤顶。充气千斤顶是由保加利亚汽车运输研究所发明的，它用有弹性而又非常坚固的橡胶制成。使用时，用软管将千斤顶连在汽车的排气管上，经过1 5 2 0 秒，汽车千斤顶鼓起，成为圆柱体。这种千斤项可以把1 5 t 重的汽车顶起7 0 c m 。p o w e r r i s e r i i 型便携式液压千斤顶则可用于所有类型的铁道车辆，包括装运三层汽车的货车、联运车以及高车顶车辆。同时它具有一个将负载定位的机械锁定环、一个三维机械手、一个全封闭构架以及一个用于防止杂质进入液压系统的外置过滤器i t7 | 。t r u c kj a c k 型便携式液压千斤顶则可用于对已断裂的货车转向架弹簧进行侠速的现场维修。该千斤顶能在现场从侧面对装有7 0 1 2 5 t 级转向架的大多数卸载货车进行维修，并能完全由转向架侧架支撑住。它适用于车间或轨道上无需使用钢轨、道碴或轨枕作支承的情况u “。1 2 2 国内发展情况我国千斤顶技术起步较晚，由于历史的原因，直到1 9 7 9 年才接触到类似于国外雕式于斤顶这样的产品。4第一章绪论经过多年设计与制造的实践，除了卧式千斤项以外，我国还研制出了新型折叠式液压千斤顼n ”、新型剪式千斤顶、快速升降千斤顶、多用千斤顶、便携式电( 手) 动汽车用千斤顶、单动式千斤顶、双动式千斤顶、薄型千斤项、超薄型千斤项、空心千斤顶、实心千斤顶、柱塞千斤顶、高吨位千斤项等多种千斤顶n m 。便携式电( 手) 动汽车用千斤顶是一种多用千斤顶，配合电动扳手( 便携式电动汽车轮胎专用拆装扳手) 使用，即为电动千斤顶；单独使用可作手动千斤项使用。配有专用撬棒，既可做手工拆装螺栓，也可配合千斤顶使用。薄型千斤顶体积小，并具有良好的工作能力。超薄型千斤顶体积进一步减小，并可产生更大的工作能力，特别适合在空问位置狭窄的地方使用。单动式空心柱塞千斤顶，不但具有举升功能，还有拉伸功能。单动式实心柱塞千斤顶是常规通用型，可应用于设备维修、安装及常规工业生产中。经过我国自行研发生产，我国生产的汽车用千斤顶产品在外形、使用、承载力、寿命等方面都得到了很大的改进，有些已经达到甚至超过了国外同类产品。目前我国的汽配企业不仅供应国内市场的需要，每年还出口约5 0 0 万台汽车用千斤顶到世界各地m ，。虽然如此，仔细分析千斤顶设计制造的技术水平，采用先进技术不足，仍存在较大的改进空间。1 3 本课题的主要研究任务鉴于当前汽车用千斤顶技术的现状，本课题主要研制一种结构简单、体积小、重量轻、安全高效且生产成本低的新型电动手动快速切换便携式千斤顶。本课题的主要任务如下：i 新型千斤顶的概念设计和详细设计通过阅读大量国内外相关文献，在对国内外汽车用千斤顶技术的现状和特点进行综合分析的基础上，对新型千斤顶进行概念设计，确定可行的新型千斤顶设计方案；在概念设计基础上对新型千斤顶的关键部件进行详细设计，主要包括对千斤顶顶举结构、传动系统以及控制电路的设计。2 新型千斤顶的计算机辅助分析本文对新型千斤项进行计算机辅助分析，包括力学分析和运动学分析，并建立相关数学模型。在此基础上对千斤顶的运动状况和力学特性进行计算机数值模拟，使其更加直观、准确。同时本文还使用p r o e n g i n e e r 对千斤顶主要零部件及华南理工大学工学硕士学位论文系统进行三维建模。3 新型千斤顶结构优化计算程序的开发本文以降低生产成本为总体目标建立关键零部件( 系统) 的优化数学模型，对举臂和传动系统进行优化计算。选择遗传算法和m a t l a b 优化工具箱两种方法来对新建模型进行优化计算，开发基于遗传算法的千斤顶优化计算程序，并对计算结果进行分析。4 新型千斤顶试制与试验研究根据优化设计结果制造新型千斤顶，与优化前的样机进行比较，作出技术经济分析，并对千斤顶进行了性能试验，主要包括千斤顶顶举变形试验等。验证了新型千斤项能够达到预定的性能指标，与优化前样机相比，在节约了成本的同时可靠性有了一定程度的提高。6第二章新型千斤项的概念设计2 1 概述第二章新型千斤顶的概念设计在机械产品开发过程中，概念设计是非常关键和重要的阶段m 。它首先需要仔细分析所研究的问题，并通过归纳、抽象等方法拟定功能结构，选择或设计合适的工作原理，进行产品的初始方案设计，为产品进一步的详细设计打好基础。对于本文来说，所研究的主要问题就是针对目前汽车用千斤顶市场的实际情况，研究开发出一种新型的便携式汽车随车千斤顶，要求这种千斤顶具有电动手动快速切换的功能，同时应尽可能使结构简单、体积小、重量轻且生产成本低。2 2 典型汽车用千斤项特点比较1 立式千斤顶如绪论中所述立式千斤顼虽然技术比较成熟，但在送入车下起顶部位和起项时，操作者不能在汽车外部进行操作，造成使用不便。而且它的起顶高度比较高，不适合底盘很低的小轿车使用，限制了其应用范围。因此在设计制造新型千斤顶时不采用立式结构。2 卧式千斤顶卧式千斤顶在使用时可以让用户在车外方便地操作，同时它的起顶高度低，可达高度高，上升速度也较快，很好地克服了立式千斤顶存在的不足。但是由于卧式千斤项自身结构的特点，也存在着尺寸较大、起重吨位较低等不足。3 剪式千斤顶剪式千斤顶分液压式和机械式两种传动方式。普通液压式剪式千斤顶具有结构简单，体积小，重量轻，自润滑性好，举升力大，便于维修等优点，但同时具有效率低，存在不安全因素等缺点。虽然采用改进之后的结构可以克服上述不足，但同时又会增加设备的制造难度和成本；而且液压千斤顶存在液压油容易泄漏，造成环境污染等问题。所以本课题不采用液压传动方式。机械式剪式千斤顶能够稳定、安全、迅速、可靠地将车辆或重物举起，同时还具有起顶高度低、可达高度高、起重吨位太、尺寸紧凑等优点，适合作为各种车辆的修车必备工具而随车携带1 2 3 。7华南理工大学工学硕士学位论文表2 一l 为现有各种汽车用千斤顶设计方案的详细比较 t 4 - 2 7 。表2 - 1 现有千斤顶设计方案比较表t a b l e2 - lc o m p a r a b l et a b l eo fe x i s t i n gj a c kd e s i g n2 3 新型千斤顶的设计方案确定和论证随着小轿车的逐渐普及，用户范围也相应扩大。以往多为男士司机，而现在不乏女士驾车，甚至也有一部分年纪较大的人士经常使用车辆。因此过去笨重难看、操作困难的汽车用千斤顶已无法完全满足市场需求。因此所开发设计的新型汽车用千斤顶必须要求结构简单、体积小、重量轻、安全高效、电动手动快速切换且生产成本低。通过上述分析可知，现有多种方案各有优点，但都存在着一定的不足，为满足本项目的设计要求，拟采用机械剪式电动手动快速切换千斤顶的设计方案，见8华南理工大学工学硕士学位论文该方案操作简单，制造方便，可降低生产成本，且有如下优点：( 1 ) 性能良好：起顶高度低，可达高度高；( 2 ) 结构简单：重量轻，坚固耐用，成本低；( 3 ，操作方便；电动时操作者只需按下开关盒上相应的控制按钮就能控制千斤项的升降；手动时直接转动手柄即可实现千斤项的升降：电动手动切换时只需拧松项紧螺母，使中间传动齿轮在弹簧弹力作用下自动弹出，脱开与主驱动齿轮和双联齿轮2的啮合状态即可实现。鉴于以上优点，本课题中自行设计的新型电动手动快速切换千斤顶可以作为各种轿车的修车必备工具随车携带。-_-一第四级第兰级第二识第级l 一小齿轮2 一双联齿轮13 - 双联齿轮24 - 中间传动齿轮5 一主驱动齿轮图2 2 新型千斤顶电动手动切换系统简图f i g u r e2 - 2s c h e m a t i cd r a w i n go fs w i t c h i n gs e t ( e l e c t r i cv s m a n u a l ) f o rn e wj a c k2 4 本章小节本章对典型汽车用千斤顶的已有设计方案迸行了优缺点分析和眈较，提出了新型电动手动快速切换千斤顶的设计方案，并对本文提出的新型设计方案进行了详细介绍和论证。创新之处在于所设计的新型电动手动快速切换方式( 中间传动齿轮在弹簧弹力作用下直接脱开啮合状态) 克服了已有电动千斤顶中电动手动转换装置结构复杂、造价高的缺点，从而使本文自行设计的新型电动手动快速切换千斤顶具有性能良好、结构简单和操作方便的优点。1 0第三章新型千斤项关键部件的详细设计第三章新型千斤顶关键部件的详细设计3 1 新型千斤顶的主要设计参数3 1 1 新型千斤顶的主要设计技术指标汽车用千斤顶作为汽车的举升工具，其主要功能是承受汽车车身重量。由汽车用千斤顶通常使用情况可知其实际承载一般不超过车身重量的一半，由于通常的小轿车车身重量在2 0 0 0 k g 以下，因此为了使设计的产品具有普遍适用性，将其最大承受载荷设计为1 0 0 0 k g 。其具体技术指标如下：( 1 ) 最大承受载荷：1 0 0 0 k g( 2 ) 最低高度：1 6 5 m m( 3 ) 起升高度：2 2 0 m m( 4 ) 最大高度：3 8 5 m m( 5 ) 驱动方式：手动，电动( 6 ) 净重：5 k g( 7 ) 外型尺寸：4 5 7 2 4 8 1 6 6 ( m m 3 )3 1 2 新型千斤顶的主要使用条件( 1 ) 承载载荷不能长时间超过1 0 0 0 k g( 2 ) 驱动电压不能超过直流1 2 v( 3 ) 注意防锈( 4 ) 顶车时选好承重点( 5 ) 千斤顶应安放在平整的可以承重的路面3 2 新型千斤顶运动与受力分析3 2 1 千斤顶运动分析3 2 1 1 千斤顶运动模型的建立对于所选设计方案，根据汽车用千斤顶实际运动情况可知，螺杆运动副一端为铰接副，另外一端为移动副。当电动机带动螺杆转动或手动使螺杆转动时，联接螺母相对于螺杆作水平运动并带动举臂升降( 螺杆顺时针转动时，联接螺母相对于螺杆向着靠近铰接端运动，举臂上升；螺杆逆时针转动时，联接螺母相对于华南理工大学工学硕士学位论文螺杆向着远离铰接端运动，举臂下降) 。此时随着举臂的升降，螺杆本身也存在着水平运动和垂直运动。电动机和固定板同样随着千斤顶举臂的升降而一起升降，而支撑底座始终保持不动。由此可以建立机构运动模型图。如图3 1 所示，以底座d 为坐标原点( 0 ，0 ) ，设螺杆与举臂的夹角为a ( 0 。 a 9 0 。) ，臂长为l ，则铰接点a 和移动副c点的坐标分别为k 息：l x ny l ) = ( - l c o s a l s i m z )c 荣：( x bt o ) = ( l c o s a l s j n a )项举重物支承点b 处坐标为b 善：( 盖by 。) = ( o 2 l s i n a )a图3 - 1 千斤顶运动模型图f i g u r e3 - ls c h e m a t i cd r a w i n go fj a c km o v e m e n tm o d e l3 2 1 2 千斤顶运动速度分析主要分析a 、b 、c 三点运动速度。a 点与c 点相对于千斤项纵向轴线对称，其运动情况相同，因此只需分析c 点即可。1c 点分析由点的速度合成定理可知n 8 1 ，动点c 在某瞬时的绝对速度等于它在该瞬时的牵连速度与相对速度的矢量和。设c 点的绝对速度为叱，牵连速度为e e ，相对速度为 ，则第三章新型千斤硕关键部件的详细设计v “= v r + v e设螺杆导程为s ( m m ) ，表示螺纹上任点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离。螺距为p ( m m ) ，螺纹线数为x ，螺杆转速为n ( r m i n ) ，螺母相对于螺杆的轴向速度为v ( m m s ) ，则s = p x ( 对于单线螺纹，工= 1 )v = s n t 6 0 = n p l 6 0在实际运动中，螺杆随着a 点水平向右运动，c 点相对于螺杆水平向左运动。当螺杆转动一圈，螺母相对于螺杆的轴向位移为s ( m m ) ，a 点和c 点各有位移s 2 ，因此c 点相对于螺杆水平向左运动的速度应为螺杆速度的一半，即v r = v 1 2 = n p 1 2 0由速度合成图可知：= v r l s i n o r所以瓦。西而n p ( 3 - 1 )2 8 点分析：由理论力学知识可知，举臂可以视为一刚体，从而可用刚体的平面运动方法加以分析求解。平面图形内任一点的速度等于基点的速度与该点随图形绕基点转动的速度的矢量和，则b 点运动速度合成分析如图3 2 所示。c图3 - 2b 点运动速度合成图f i g u r e3 - 2d r a w i n go fc o m p l e xv e l o c i t yt obp o i n t1 3华南理工大学工学颂士学位论文以c 点为基点求b 点的速度，则致= 毪+ 3 - 2 )式中，吃表示基点c 的绝对速度，即霞= 吃。褥式( 3 - 2 ) 嚣壤分剩黪x ，y 麓投影，褥1 2 叱鼬时眦( 3 3 ) = y c c 0 8 1 z + c o s o t、又邋为= 趣，= l o j z ，强。旗( t y a 举甓长度) ，提v s = 巩c 0 8 0 e将式( 3 - 1 ) 代入上式锝= n p c t g a l 6 0( 3 - 4 )其孛b 点上升速度，m m s站一螺抒转速，r r a i np 螺杆嫘距，m m口一螺杼与举臂必角，度 。)b 点速度为在螺秆转速为n ( r m i n ) ，螺距为p 的情况下，当螺秆与举臀夹角为口的对刻千斤顶顶超重物上升豹速度。由式( 3 - 4 ) 可以看出，千斤顶顶举重物上升的速度隧口增大而减小。由予在千斤顶上升过程中，螺秆岛举臂夹角逐渐增大，因此千斤顶顶举重物的速度逐渐变小，在极限位置停止运动。b 点运动速度图觅胬3 3 。鼍量链穗肇苷图3 - 3b 点运动速度图f i g u r e 3 3v e l o c i t yd r a w i n go fbp o i n t1 4第三章新型千斤项关键部件的详细设计3 2 2 千斤顶受力分析32 2 1 千斤顶受力模型的建立千斤顶支承点b 受到顶举重物的压力g ，两上举臂受压力，方向沿着举臂轴线向里，所以举臂对支承点b 的顶举力为反作用力，方向沿着举臂向外，与重物对支承点b 的压力平衡，顶举重物不断上升，见图3 4 。以杆二为研究对象，它受到来自于重物( 通过b 点作用在杆二端部) 的约束力和来自于螺杆移动副的约束力，由于它只在两个力作用下平衡，因此是二力杆。由二力杆的性质可知这两个力必定沿二力作用点的连线，等值、反向。其它举臂可以此类推。两上举臂( 抒一和耔二) 分别受车鑫向压力霉和乏，由力的作用与反作用可知，杆一和杆二对支承点b 的作用力分别为王和瓦，方向沿着举臂轴线向外。与重物对支承点的压力g 形成三力平衡。螺杆作连续转动，并且在水平方向上运动，形成移动副。通过螺杆的转动，带动举臂不断上升，举臂( 杆二和杆三) 受到移动副旌加的沿着举臂轴线向里的，压力五和瓦，所以举臂对移动副的反作用力为己和t ，方向沿着举臂轴线向外，与螺杆对移动副的拉力f 形成平衡力。千斤顶受力分析模型见图3 4 。a图3 - 4 千斤顶受力模型f i g u r e 3 4s c h e m a t i cd r a w i n go fp r e s s e dj a c km o d e l1 5华南理工大学工学硕士学位论文3 2 2 2 千斤顶受力分析1 节点b ：如图3 - 4 所示，千斤项起重量为g ，b 点受到重物的压力g 和杆一、杆二，的反作用力i 和己，此三力平衡，平衡方程如下：，互s i n g + 瓦s i n g = g2 节点c ：，在螺杆连接处的c 点受至h 杆二、杆三的沿着举臂轴线向外的反作用力五和，e ，同时还受到螺杆轴向拉力f ，此三力平衡，平衡方程如下lc o s g - f 五c o s 口= f式中：，r l = 瓦= 瓦= = r联立以上两式，得t = g ( 2 s i n a )( 3 - 5 )f = g c t g a( 3 - 6 )式中：，一螺杆受到的轴向拉力，n卜举臂受到的轴向压力，no 一被顶举重物的重量，n味一螺杆与举臂的夹角，度( 0 c t 9 0 )由式3 - 6 可知，当a 不断增大，f 不断减小，所以初始位置时，螺杆受力最大，应该按初始位置进行校核。3 2 3 千斤顶运动与受力分析的数值模拟根据前面对千斤项运动和受力的分析，可知道千斤项运动到不同位置时举臂受到的压力丁和螺杆受到的拉力f 的值。但由于该值时刻变化，如果采用手工计算，计算量大且准确性低。因此使用计算机来模拟千斤顶顶举重物的运动和受力情况。以旺为变量，a c t 为步长，则可以由此画出曲线图，使人能直观地看出1 6第三章薪黧手厅 耍关键帮辞静详维设诗千斤镶螺轷期举譬的运动及受力变化情况。图3 5 为千斤顶运动刻最低极限位擞的示意图；图3 - 6 为千斤顶运动到媛高极限位置的示意圈；图3 7 为举臀和螺秆受力姻线图。圈3 5 千斤项最低极限位置模拟图f i g u r e3 - 5n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nl o w e s tp o s i t i o n图3 - 6 千斤顶最高极限位置模拟图f i g u r e3 - 6n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nu p m o s tp o s i t i o n1 7华南理工大学工学硕士学位论文图3 7 举臂与螺杆受力曲线图f i g u r e3 - 7g r a p h so fp r e s s e ds c r e w a r l n由受力曲线图可以看出千斤项举臂和螺杆的受力情况是在千斤顶顶举汽车过程中随着螺杆与举臂的夹角口增大而减小的，该曲线图大致可以分为以下几段：( 1 ) 开始段( 0 。2 5 。) ，曲线斜率大，螺杆受力大于举臂受力n = 0 。时，f _ 一，t - + 一这发生在曲线开始一段内斜率大而且变化快，反映出螺杆和举臂最初受力大而且受力变化较快。( 2 ) 中间段( 2 5 。6 0 。) ，曲线斜率较小，螺杆受力大于举臂受力，在口等于6 d 。处，螺杆与举臂受力相等。a = 4 5 。时，f g ，t = 0 7 0 7 ( 7a = 6 0 。时，f = 强o 5 7 7 ( 3( 3 ) 结束段( 6 0 9 0 。) ，曲线斜率小，螺杆受力小于举臂受力。a - - - - 9 0 。时，f ，o ，r = 詈从以上分析可以看出，在n 2 5 。时千斤顶举臂和螺杆受力均非常大，因此设计时一般不把千斤顶起始顶举位置定在位 2 5 。以下，而应该把起始项举位置限定于受力曲线开始微小变化的地方，如将千斤顶起始顶举高度设计为1 6 5 m m ，1 8第三章新型千斤顶关键部件的详细设计即螺杆与举臂的夹角q 大约2 5 。位置处。3 3 新型千斤顶的部件设计3 3 1 螺旋传动装置螺旋传动平稳，选择适当的导程角可以使机构具有自锁性，能获得很大的减速比和力的增益。但同时其机械效率低，具有自锁性的螺旋机构的效率一般低于5 0 。由于汽车千斤顶的主要用途是在汽车维修时使用，要求将汽车顶起并稳定在某一位置，因此需要千斤顶的螺旋传动具有传递动力和自锁功能。根据千斤顶自身的使用场合和螺旋传动的特点，选用滑动螺旋，单头梯形螺纹，螺纹具有较小的导程及导程角。所设计的千斤顶结构中的螺旋机构部分由螺杆、螺母和底座组成。螺杆为主动件，作回转运动；螺母为从动件，作轴向移动。整个螺旋传动将旋转运动变成直线运动，同时进行能量和力的传递一。对于一般的传力螺纹，其主要失效形式是螺纹表面的磨损，螺杆的拉断( 或受压时丧失稳定) 或剪断以及螺纹根部的剪断及弯断。设计时通常以耐磨性计算和强度计算确定螺旋传动的主要尺寸m ，。根据实际需要，汽车用千斤顶作为汽车的举升工具必须承受汽车车身很大的重量。根据一般的小轿车车身重量和汽车用千斤顶通常使用情况可知，汽车用千斤顶额定承受载荷设计为1 0 0 0 k g 具有普遍的适应性。以额定承载1 0 0 0 k g 计算，螺杆最大轴向载荷为2 1 0 1 0 4 n 。这需要螺杆材料具有较高的强度和良好的加工性，螺杆材料选4 5 号钢，调质处理，材料屈服极限o s 为3 6 0 m p a ，材料许用应力【a 】为2 3 5m p a 。对螺杆主要从耐磨性、自锁性和稳定性三方面来计算和校验。计算结果如下：公称直径：d = 1 4 蚴螺杆中径：d 2 = 1 3m i l l螺距：p = 2 m m螺纹升角：舻= 2 8 。螺杆效率：灯- - 3 1 3 3 3 2 减速装置对于减速系统，由前述已确定的传动方案可知，本设计中的传动部分由一系列轴线相对于机架位置均固定的外啮合标准直齿圆柱齿轮组成，属于定轴轮系( 普通轮系) ，见图3 8 。1 9华南理工大学工学硕士学位论文1 电动机2 轴l3 - 轴24 。轴35 轴套6 螺杆7 一主驱动齿轮8 手柄架9 一固定板1 0 一中间传动齿轮“双联齿轮21 2 双联齿轮l1 3 小齿轮图3 8 千斤顶减速装置示意图f i g u r e3 8s c h e m a t i cd r a w i n go fr e d u c e ri ns c i s s o rj a c k本减速装置设计的主要任务