车用千斤顶的逆向设计及运动仿真

车用千斤顶的逆向设计及运动仿真摘要：本论文主要设计的是对现有的液压千斤顶进行逆向设计及运动仿真,查阅文献和相关资料后对逆向工程有了简单的了解，采用实物逆向的方法，在实验中选取了自动三坐标测量机对千斤顶的的零件进行了扫描得到了各零件的点云图，同时利用HEADER激光扫描测量软件对所得到的点云图进行专业的数据分析，去除多余的噪音点，完成各零件特殊曲面的拼制，为之后个零件的建模做好准备。在绘制出各零件的CAD图及装配图之后，利用3D扫描软件建立三维模型，重建一个液压千斤顶并对其进行优化设计，最后用三维软件对液压千斤顶进行运动仿真，更直观的表现千斤顶的运动状态。关键字：液压，逆向设计，液压缸，手柄IReverseDesignandMotionSimulationofVehicleJackAbstract：Inthispaper,themaindesignoftheexistinghydraulicjackisaboutthejack,sreversedesignandmotionsimulation,understandingthereverseengineeringsimplyafterareviewofrelatedliteratureanddata,intheexperimentselectedautomaticcoordinatemeasuringmachine(CMM)thejackpartsscannedthevariouspartsofthepointcloudbyusingtherealreversemethod.Atthesametime,theheaderlaserscanningmeasurementsoftwareprofessionaldataanalysisoftheobtainedpointcloudtoremovetheexcessnoise,completepartsofspecialsurfacesofidentikitformodelingofpartsready.AfterdrawingtheCADdiagramandtheassemblydrawingofeachpart,the3Dmodelisbuiltbyusing3Dscanningsoftware,reconstructionofahydraulicjackandtheoptimizeddesign,finallythehydraulicjack,smotionsimulationiscompletingby3Dscanningsoftware,thismethodcanintuitiveperformancethemovementofthejack.Keyword：Hydraulic,Reversedesign,Hydrauliccylinder,ThehandleII目录1前言.11.1研究的目的及研究意义.11.2液压千斤顶的国内外发展状况.11.3目前存在的问题.21.4主要研究内容.22逆向工程.42.1逆向工程简介.42.2逆向工程的特点.62.3逆向工程设计方法及实验.62.4实验总结.103液压千斤顶的总体设计方案.113.1液压千斤顶的工作原理.113.2千斤顶的优缺点.123.3千斤顶各零件的测绘以及分析.123.4千斤顶的优化方案.144液压千斤顶的零件图及装配图.164.1液压千斤顶的零件图设计.164.2液压千斤顶的三维模型实体设计.184.3装配图设计.19结论.20参考文献.21致谢.2201前言1.1研究的目的及研究意义设计目的：现如今汽车行业飞速发展，作为最便捷的交通工具，无论是现实生活还是实际生产中，汽车都会是最重要的研发生产交通工具也是广大民众最需求的，因而避免不了汽车会出现各种各样的故障需要维修，液压千斤顶是每辆汽车随车携带的必不可少的维修工具之一，解决了汽车维修的很多麻烦。液压千斤顶结构简单、重量轻、举力大，所以制造精度要求会比较高，若出现漏油时，就无法保证液压传动的精确性，本设计将采用逆向设计对现有的千斤顶进行数据测量以及分析，完成对千斤顶的完善改进，使其更方便人民使用。另外，查阅文献了解液压千斤顶的工作原理，巩固绘图软件的使用后绘制其零件图以及装配图，同时也加深了课本中有关液压传动以及机械基础理论知识的理解。设计意义：1）了解逆向工程的设计方法，采用逆向设计完成液压千斤顶的改善。2）熟悉液压传动的工作原理以及其设计过程。掌握机械设计的主要程序.3）培养综合运用所学知识的能力，能够独立的解决简单的工程问题。4）通过查阅机械设计守则以及相关资料，正确的掌握了国家的标准规范。1.2液压千斤顶的国内外发展情况国外发展情况：国外的一些汽车维修部门早在20世纪40年代维修汽车中使用了千斤顶，最初研发使用的是卧式千斤顶，由于技术上的不完善，这种千斤顶体积大、举重力也低，使用起来也不方便，随着社会的发展技术也在不断地完善，人们对千斤顶的需求也越来越高。之后的便携式液压千斤顶和充气式千斤顶在90年代也就相继研发生产了，Power-riser便携式液压千斤顶适用于所有不同类型铁道车辆的使用，另外一种TruckJack的便携式液压千斤顶用于断裂的货车转向架弹簧快速维修中，该千斤顶适用于车间或轨道上无需使用轨枕作承。1国内发展情况：我国的千斤顶投入市场的使用比较晚，直到改革开放后随着人们生活水平的不断提高，对千斤顶的需求也越来越大，促使了国内对千斤顶的使用与改进，上世纪九十年代后，国内千斤顶进入了快速发展时期，经过多年的技术发展我国对千斤顶有了全面的了解并重新设计，研发形成了自己的系列产品，还迅速打入了欧美市场。总而言之，国内的千斤顶完成了由规模小、品种单一、水平低、供不应求到千斤顶质量显著提高、拥有了相当的规模和水平的转变。在千斤顶领域，初步满足了国民经济发展的需求。1.3目前存在的问题实际生活生产中，液压千斤顶会出现各种各样的故障，千斤顶无法顶升或顶升缓慢、千斤顶顶升后却无法持压、千斤顶无法回缩或回缩缓慢、液压油的泄露等这些都是经常遇到的故障，正确的使用千斤顶定期的对其进行检查维修会大大增长千斤顶的使用寿命。液压油是液压千斤顶的血液，液压油具有抗氧、防绣和耐磨等性能，液压油的选则好坏关系到液压千斤顶的使用寿命以及它的工作效率，在国内，液压系统的拥有相比国外发达国家有一定的差距，很多单位考虑到液压油的价钱是否适宜以及其粘度大小，都忽略了液压油的抗氧、耐磨等性能。早些年对于液压系统漏油严重的通常用润滑油作为补充，使用润滑油会对液压系统有一定的阻力，近些年来，随着液压技术的进步表现，液压油的单位也普遍发展。因此，如何避免液压千斤顶的漏油现象以及液压油的选则是目前液压千斤顶还需要改善进步的关键。1.4论文主要研究的内容在查阅资料，制定千斤顶的设计方案后，分析扫描的零件三维坐标点云图并进行优化设计，其次利用3D扫描建立三维模型，完成运动仿真，最后绘制所属部件的零件图及装配图，撰写完成毕业论文。本论文的主要结构框架如图1.1所示。2图1.1论文框架图32逆向工程2.1逆向工程简介2.1.1逆向工程概念逆向工程又叫逆向技术，该技术是对目标产品通过逆向分析及研究，通过实验、绘制、分析后得出该产品的组织结构、技术规格、处理流程及功能特性等设计要素，最终制造出功能相近，更实用、美观、完善的产品。逆向技术最初源于军事及商业领域中的硬件制造分析。该技术的主要目的是，在无法轻易地获取必要的生产技术要求下，直接对现有的成品进行分析来推到产品更完善的设计原理。逆向技术在机械领域的应用中，主要有以下几个方面：对现有零件复制，再现原产品的设计方案；当无法获取原始产品设计时，用于对已有产品的仿制改善设计；复制设备中个别损坏磨损的零件用于维修；在美学设计重要的领域中，经常采用真实比例的泥塑或木制模型来评估设计的效果，然后通过逆向技术进行设计。另外逆向工程在医学、考古等其他领域有着很重要的作用。作为一种开拓性、创新性的新技术，其意义不仅仅是复制，更重要的实现产品的二次创新完善1。现实中，很多人都误认为逆向工程会严重侵害产品所有者的知识产权。但在实际应用中，通过逆向工程设计出来的产品更受欢迎并大规模研发使用，反而会保护所有者的知识产权。逆向工程的工作流程图如图2.1所示。图2.1逆向工程工作流程图4其实施步骤如下：（1）准备工作：实验设计之前一定要对产品模型有整体的分析，详细对产品的主要零件的特征区规划自己的思路，初步确定产品的曲面类型，之后来选择逆向实验所要用的仪器以及软件。（2）产品原型的数字化：逆向设计的测量对象有三个方面，每个方面的测量对象的特点都不同，因此所要选择的扫描方法和和仪器也会不同。本论是利用三坐标测量机利用激光扫描头来获取产品表面的三维坐标值。（3）划分产品的几何特征：在对生成的三维数据进行完善时，需要划分产品的几何特征，把一些相似的特征划分在一个区域，这是最常用的一种划分方法，还有一种划分方法是通过零件的边界进行划分。（4）零件CAD图的完善：将已经测量好的零件三维数据在CAD软件中进行分析处理，对零件的表面以及特殊的曲面进行专业的拟合设计，完成各零件的CAD图，这是产品二次创新的基础。（5）零件CAD图的校验：由于测量所得到的特殊曲面的点云图三维坐标存在误差，所以需要对各零件的CAD图进行检查修正，才可继续对产品进行优化设计。2.1.2逆向工程的出现及发展趋势20世纪60年代，日本为了发展和振兴国内经济，探索出了一条可以快速发展经济的捷径，即对国外先进技术以及先进产品的消化、吸收、改进和挖掘，逆向设计的概念由此诞生。目前数据获取中测量手段的应用过程仍是一个孤立的行为，测量过程中对后续的数据处理和模型建立，甚至快速加工的要求很少考虑。根据几何外形或者后续处理的要求进行特定方式的扫描是逆向工程很重要的发展趋势。高精度化、自动化、非接触式测量、使用现代化这类技术将是三坐标测量设备的主要发展趋势。另外大规模散乱数据处理过程的高精确性和智能化也是数据预处理的主要方向，特别是特征技术的提取应用。曲面重构的速度和精度一直是阻碍逆向工程进步的难题，在以后的研究中，曲面重构技术将有以下发展趋势：曲面重构智能化，通过散乱数据直接进行曲面重构并自动补偿残缺数据，使重构曲面逼近真实曲面；对测量数据中包含5的几何特征的智能识别和智能提取，以达到对对象模型更高层次的结构特征信息的表达；特征几何的自动分离、拼接。在现代网络宽带下，逆向工程与网络的协同设计和数字化技术的集成实现上百万测量点的快速重建和传输曲面模型，大大推动了逆向工程的集成化进程。2.2逆向工程的特点逆向工程是对原有实物的仿制与改善，相对于其他设计，有以下优点：（1）产品的设计周期短：在正向设计中，科技人员必须对产品有一个概念性的规划，不仅要花费大量的时间与实践在产品的模具成型以及技术要求上，而对于逆向设计，由于已经拥有了原产品，在模具成型上会方便很多，所以会大量减少产品设计的周期，所需要做的就是对产品进行改进设计。（2）产品的设计更成熟可靠：对于正向设计，由于面对创新的挑战，所要设计的产品有着很大的风险，即使设计人员经验丰富，也避免不了设计的失误甚至失败，而逆向设计仅对已有的产品进行改进，设计人员会有很大的把握，没什么风险，设计的产品更成熟可靠。（3）产品的设计成品低：逆向设计出来的产品只需要简单的试验与测试完成技术要求后就可进行生产研发，不同于正向设计需要经过繁琐的试验来测量统计产品的稳定等要求，设计周期以及成本都远超于逆向设计。（4）产品的传承性更好：传承性是逆向设计最大的特点了，他不仅保留了原产品的优势，而且相对于原产品更是改进完善了很多，所以逆向工程在各个领域都有了不错的发展2。2.3逆向工程的设计方法及实验2.3.1实物逆向逆向对象从工程技术角度看，可分为三类：实物逆向、影响逆向、软件逆向，本论文设计的对象是车用千斤顶，所以采用的是实物逆向技术。在实物逆向的技术中，本论文实验采取的是非接触式测量的方法来获取个零件三维坐标的点云图，非接触6式测量中利用激光探头的扫描能大大提高三维坐标测量的精度，尤其是零件的特殊曲面，同时测量的效率也非常的可观。另外非接触式测量还有超声波、核磁共振等测量方法，相比接触式测量，更能快速准确的捕捉零件的三维坐标值。实物逆向中涉及到很多工作，其中最重要的两个工作即逆向分析与逆向设计。其一般过程如图2.2所示。图2.2实物逆向流程图2.3.2实验操作本次实验使用的是学校购买的Curiser三坐标测量机。此三坐标测量机是雷顿公司为满足大尺寸零部件测量而研发设计的机型。通过采用专业软件辅助设计、有限元分析、动态特性与力学分析、余空间误差检测与补偿等先进手段和方法，制造出具有高刚性、高精度、高稳定性的新一代全自动测量机，而被广泛的应用于大型模具、检具、汽车部件、航空等领域。Curiser系列三坐标采用L型高架桥式设计结构，保证了测量空间宽敞的同时，使测量机在运行空间的角摆、垂直度变化达到最小化，提高了测量机的测量精度和精度稳定性。在用三坐标测量机对零件进行扫描后获得点云图后，再利用HEADER激光扫描测量软件对其进行优化设计，由于第一次使用这款软件，在操作上面不太熟悉，因此7扫描出来的图形辨识度不高，由于时间的限制，后续加工处理只是象征性地进行了一些操作，但软件的强大功能确实给了我们很大的启迪。以下是利用三坐标测量机扫描的螺母零件图如图2.3所示。图2.3千斤顶螺母的扫描图利用三坐标测量机扫描的螺杆零件图如图2.4所示。图2.4千斤顶螺杆的扫描图8利用HEADER激光扫描测量软件处理后的螺母零件图如图2.5所示。图2.5处理后的螺母零件图利用HEADER激光扫描测量软件处理后的螺杆零件图如图2.6所示。9图2.6处理后的螺杆零件图2.4实验总结：实验中应该注意的事项：（1）扫描时一定要保证扫描工件台的干净清洁，否则会影响三维坐标的测量。（2）正确连接安装激光扫描头，插拔接线时要先断开电源，保证设备接地良好。（3）开始扫描时，正确的规定扫描路径，扫描过程中不能移动零件位置知道扫描结束。（4）扫描完成后扫描头一定要回位，并卸下激光扫描头存放安全位置。逆向工程存在的问题：现如今逆向工程已经应用到各领域产品的设计发展，经过多年的发展总结，逆向工程的关键技术取得了很大的突破，许多先进的测量技术在不同方面减小了零件的测量误差，但仍有很多问题需要解决，主要表现在以下几个方面：（1）噪声点的突破：在实际的测量测绘中，由于人为的因素造成的误差会带来很多的噪声点，即使采用逆向设计的非接触式测量高科技测量手段，由于室内光线以及外界磁场等因素的影响，在激光测量、电磁测量中都避免不了带来的噪声点，所以怎样更多的避免减少噪声点是未来关键技术的重要突破。（2）测量坐标的变换：由于三坐标测量机本身的不完善，在测量时需要对零件点云图的坐标方位进行变换，为了测量方便，这方面还有待提高。（3）特征提取：由于重建CAD建模软件的限制，在零件特殊曲面的建模上无法全面完整的体现特殊曲面的特性，这样对产品的改进完善的设计就会造成一定的影响，这方面也是需要以后进一步改进3。103液压千斤顶的设计方案3.1液压千斤顶的原理3.1.1液压千斤顶的组成液压千斤顶的重要组成部分：液压千斤顶是由手柄、大小液压缸、大小活塞、单向阀、回油阀、油箱以及液压油组成。液压千斤顶通过液压能和机械能的相互转换以及各组成零件的紧密协调，实现对重物的举升。动力元件（手柄）：手动摇动手柄提供机械能，是液压传动中的动力元件。执行元件（两个油缸）：完成液压能以及机械能之间的相互转换。控制元件（单向阀和回流阀）：主要控制液压系统中工作介质的流量以及流向4。3.1.2液压千斤顶原理图液压千斤顶的工作原理如图3.1所示。图3.1液压千斤顶的工作原理图1-杠杆手柄2-小活塞3-小缸体4-单向阀5-单向阀6-大缸体7-大活塞8-重物9-放油阀10-油箱11液压千斤顶的工作方式：人为的向上摇动手柄1会带动小活塞2向上移动，这样小液压缸3中会形成局部真空，油液会从油箱中通过单向阀4流入到小液压缸中，然后再人为的向下摇摆手柄1，单向阀4会阻止油液的流动，同时油液会通过单向阀5流入到大液压缸6中，油液的流入会推动大活塞6向上运动，此过程就是液压能与机械能的相互转换，往复的摇摆手柄1，就会实现重物的举升，在完成举升后，通过扭动回油阀9，就会使大液压中的油液回到油箱中。3.2液压千斤顶的优缺点优点：其结构简单易于维修；体积小、重量轻携带方便；输出推力大、举升力大；不挑剔工作环境；使用寿命长久。缺点：举升起始高度和最终高度有限制；液压油经常出现泄漏。3.3千斤顶各零件的测绘以及分析3.2.1大小液压钢的测绘：经过实验测绘得到大液压缸的主要参数见表格3.1。表3.1大液压缸测绘数据项目大缸筒外径大活塞杆直径进出油口连接压力（9800N）（mm）（mm）公称直径（mm）接头连接大缸筒内径109（mm）15410920M221.512经过实验测绘得到小液压缸的主要参数见表格3.25。表3.2小液压缸测绘数据大液压缸主要零件的材料及技术要求见表格3.3。表3.3零件材料技术要求千斤顶负载的的选定：通过千斤顶液压缸工作压力表与负载的对比表可以推断选则见表格3.46。表3.4负载与工作压力对比表项目缸筒外径活塞杆直径进出油口连接压力(139N)（mm）（mm）公称直径（mm）接头连接小缸筒内径11（mm）2188M51.5零件缸体缸盖活塞活塞杆材料45号无缝钢管45号钢耐磨铸铁45号钢技术要求内径圆度缸体与端部用螺纹连接内表面镀铬（层厚30-50mm），防止腐蚀提高寿命。缸体与缸盖的同轴度小于0.03mm精加工后热处理，调质硬度HB217-255，必要时高频焠火活塞与活塞杆的连接方式采用销钉链接。负载（N）5000500010001000020000200003000030000-5000050000工作压力（N）0.8-11.5-22.5-33-44-5.5133.4千斤顶的优化方案3.4.1油箱的优化设计：（1）油箱体油箱体一般由A3钢板焊接而成，取钢板厚度36mm，箱体大者取大值。油箱分为固定式和移动式两种，前者应用较多，本次油箱设计也用固定式。油箱下部焊接底脚，其厚度为油箱侧壁厚度的23倍。中小型油箱箱体侧壁为整块钢板，大型油箱在隔板垂直的一个侧壁上常常开清洗孔，以便于清洗油箱。本次焊接的方式吧油箱与两个液压缸的外表面焊接在一起。（2）油箱隔板为了使吸油区和压油区分开，便于回油中杂质的沉淀，油箱中常设置隔板。隔板的安装方式主要有两种，回油区的油液按一定方向流动，即有利于回油中的杂质和气泡的分离，又有利于散热。有些回油经隔板上方溢流至吸油区，或经过金属网进入吸油区，更有利于杂质及气泡的分离。隔板的位置，一般使吸油区的容积为油箱容积的1/21/3，隔板的高度约为最低油面的1/2（或油液面的3/4），隔板的厚度等于或稍大于油箱侧壁厚度。（3）油箱盖油箱盖多用铸铁或钢板两种材料制造。在油箱盖上应考虑下列通孔：吸油管孔，回油箱孔、通大气孔（孔口应有空气滤清器或气体过滤装置）、测温孔带有滤油网的注油口，以及安装液压集成装置的安装孔。目前使用的泵站系统，往往将液压泵、液压泵电机及集成块装置安装在油箱盖上，这种油箱结构紧凑，但产生的噪音较大，当箱盖上安装油泵和电机时，箱盖的厚度应是油箱侧壁厚度的34倍。由于本设计不用泵，所以不用集成片。（4）油箱底部油箱底部一般为倾斜状，以便于排油，底部最低处有排油口，要注意排油口与基础面的距离一般不得小于150mm。焊接结构油箱，箱底用A3钢板，其厚度等于或稍大于箱体侧壁钢板的厚度7。3.4.2邮箱防噪音优化14防噪音问题是现代化机械装备设计中必须考虑的问题之一。油路系统的噪音源，以泵站为首，因此，进行油箱设计时，应从以下几个方面着手减轻噪音：（1）箱体及箱盖的材质，在条件允许的情况下，用铸铁代替钢板，以利于吸振；（2）箱体与箱盖间增加防震橡皮垫；（3）用地脚螺栓将油箱牢固定在基础上；（4）吸油区与回油区之间增设一层60100的金属网，以及方便分离回油油液中的气泡；（5）油泵排油口用橡胶软管与阀类元件相连接；（6）回油管接头振动噪音较大时，改变回油管直径或增设一条回油管，使每个回油管接头的通路减少8。注意事项：（1）吸油管端部的滤油器与油箱底面的距离不小于20mm，在条件允许的时候，油箱盖的吸油管孔应比滤油器的直径稍大，以便对滤油器进行清洗与更换；（2）吸油管、回油管都应插入最低油以下，管端一般斜切45，并使斜面向着油箱侧壁。管口与箱底，箱壁的距离均不得小于管径的3倍。池油管一般不插入油口。（3）大型油箱的箱体与箱盖应有加强簕，以保证刚度。（4）油箱内部应涂耐油防锈漆9。154液压千斤顶的零件图以及装配图4.1液压千斤顶零件图设计液压千斤顶隔套CAD截图如图4.1所示。4图4.1隔套CAD图液压千斤顶外筒实体模型如图4.2所示。图4.2外筒模型液压千斤顶的外筒由于要有足够的强度冲击韧性和良好的焊接性能，所以外筒采用1645钢制造。液压千斤顶后缸盖CAD截图如图4.3所示。图4.3后缸盖CAD图活塞杆实体图，如图4.4所示。图4.4活塞杆实体图17活塞杆的运动是由于液体的压力作用而产生的，它的作用是支撑起重物。4.2液压千斤顶三维模型实体设计液压千斤顶模型图，如图4.5所示：图4.5千斤顶实体模型它的工作原理是用力抬起右边的手柄使小液压缸里进入液压油，在用力的压手柄，然而小液压缸的液压油就通过单向阀和油管进入左边的内管；由于液压油的进入从而导致里面的压强增大，随着压强的增大从而活塞杆向上运动，也就支撑起了重物。184.3液压千斤顶装配图设计液压千斤顶装配图如图4.6所示。图4.6液压千斤顶的装配图192020结论经过了几个月的精心准备后，终于顺利完成了论文的撰写，这几个月里有了老师的辅导以及同学们的援手帮助，让自己受益匪浅，不仅充实自己专业理论知识的技能，更是锻炼了自己实验操作的能力，学会自己独立的去思考解决问题，这在自己今后的工作中是最宝贵的经验。我的论文设计的是车用千斤顶的逆向设计及运动仿真。首先，自己查阅资料文献对逆向工程有了一定的了解，对现有的千斤顶进行了拆分之后，对其零件进行了初步的分析规划，掌握了液压千斤顶的工作原理，对特殊曲面进行了规划后在张老师的精心辅导下，用三坐标测量机对其零件进行了激光扫描，得到点云图后用HEADER激光扫描软件进行了优化，并绘制了各零件的CAD图以及液压千斤顶的装配图，让自己对CAD制图软件的使用更透彻，由于所学知识浅薄能力有限，设计出来的液压千斤顶可能会有一些误差，希望老师们多多包涵。经过此论文撰写后，让我意识到了之后的工作中一定要踏踏实实，稳步前进，时刻保持上进的心态，这样才能拥有属于自己的天地。21参考文献1杨可桢，程光蕴机械设计基础M高等教育出版社；2013.06：53-76.2西北工业大学机械原理及机械零件教研室机械