小型汽车千斤顶结构设计及有限元分析优化-三维图
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小型汽车千斤顶结构设计及有限元分析优化-三维图,小型,汽车,千斤顶,结构设计,有限元分析,优化,三维
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XXX大学目录摘要1Abstract2第一章 绪论31.1本课题研究的意义31.2国内外千斤顶技术的发展现状31.2.1国外发展情况31.2.2国内发展情况41.3本课题的主要研究任务4第二章 小型电动千斤顶的结构确认及计算52.1 主要设计参数52.1.1小型车载电动千斤顶的技术参数52.1.2小型电动千斤顶的实际使用条件52.1.3千斤顶的结构形式52.2 小型电动千斤顶运动分析和受力分析62.2.1千斤顶运动分析62.2.2千斤顶受力分析92.3 小型电动千斤顶的部件设计112.3.1螺杆传动的设计112.3.2 电机的选择12第三章 小型电动千斤顶减速箱设计校核143.1减速形式的选择143.2 齿轮传动的计算与校核15第四章 顶垫的有限元分析244.1 Solidworks软件简介244.2 顶垫的有限元254.2.1 确定材料254.2.2添加夹具264.2.3 施加载荷274.2.4生成网格274.2.5运算求解284.2.6 分析结果输出28参考文献31谢词333333摘要汽车作为一款交通工具已经进入家家户户，然而在日常出行过程中可能会遇到途中爆胎的现象，在这种情况下就需要自己动手更换备胎。传统的车载千斤顶采用人力的方式进行顶升工作，对于女司机来说更换备胎比较费力。所以一种小型电动千斤顶的出现将解决上诉问题。本文设计了一种剪式的电动小型千斤顶，供电方式采用汽车12V点烟器接口供电，电机驱动两级齿轮传动减速箱传动给螺杆，通过电机的正反转来控制千斤顶的升降动作。本文首先确定小型千斤顶的结构形式，然后分析受力方式，然后选定电机，驱动传动比；再对各个关键部件进行设计计算，最后利用三维软件SOLIDWORKS对顶垫进行有限元分析，确定设计的安全可靠性。关键字:小型千斤顶，三维软件，减速比，有限元分析Abstract As a means of transportation, automobile has entered every household. However, in the process of daily travel, a flat tire may occur on the way. In this case, it is necessary to replace the spare tire by yourself. Traditional vehicle-mounted jacks use manual labor to lift, and it is difficult for female drivers to replace spare tires. So a small electric jack will solve the appeal problem.In this paper, a shear type electric small jack is designed. The power supply method adopts the automobile 12V cigarette lighter interface for power supply, and the motor drives the two-stage gear reduction box to drive the screw, so as to control the lifting action of the jack through the positive and negative rotation of the motor.This paper first determines the structure of the small jack, and then analyzes the way of force, and then selects the motor, driving transmission ratio; Then, the design and calculation of each key component are carried out. Finally, the finite element analysis of the top cushion is carried out by using the 3d software SOLIDWORKS to determine the safety and reliability of the design.Key words: small jack, 3d software, deceleration ratio, finite element analysis第一章 绪论1.1本课题研究的意义汽车作为一款交通工具已经进入家家户户，然而在日常出行过程中可能会遇到途中爆胎的现象，在这种情况下就需要自己动手更换备胎。传统的车载千斤顶采用人力的方式进行顶升工作，对于女司机来说更换备胎比较费力。所以一种小型电动千斤顶的出现将解决上诉问题。本次设计具有一定的实际运用的意义，同时是对大学四年专业课的一次练兵检验，为以后步入社会打下了坚定的基础。1.2国内外千斤顶技术的发展现状1.2.1国外发展情况早在20世纪40年代，国外汽车维修部门就已经采用了水平千斤顶，但由于设计和使用的原因，其体积较大，承载能力较低。 后来，随着社会需求的增加和千斤顶技术的发展，水平千斤顶逐渐向小型化发展。 在90年代初，大多数外国客户已经用水平千斤顶取代了垂直千斤顶。 90年代后期，国外发展了充气千斤顶和便携式液压千斤顶等新型千斤顶。 气动千斤顶是由保加利亚交通研究所发明的。 它是由柔韧但非常坚固的橡胶制成的。 使用时，用软管将千斤顶连接到汽车的排气管上。 15-20秒后，汽车千斤顶膨胀，变成一个汽缸。 这个东西可以把一辆1.5吨的车举到70厘米高。 隔水管 ii 便携式液压千斤顶可用于所有类型的铁路车辆，包括运载三层车辆的卡车、多式联运车辆和高顶车辆。 它还有一个机械锁定环来定位负载，一个三维机械手，一个完全封闭的框架和一个外部过滤器，以防止杂质进入液压系统。 卡车千斤顶便携式液压千斤顶可用于破损卡车转向架弹簧的现场维修。 大多数装有70 - 125t 型转向架的卸货车，都可以在现场一侧修理千斤顶，并且可以完全由转向架侧架支撑。 适用于不需要道碴或轨枕支撑的车间或轨道。1.2.2国内发展情况国的千斤顶技术起步较晚，由于历史原因，直到1979年才接触到类似于国外水平千斤顶这样的产品。 经过多年的设计和制造实践，除了水平千斤外，中国还研制出了新型的液压折叠千斤奥克兰千斤，新型剪刀千斤，快速起重千斤，多功能千斤，便携式电动(手动)汽车千斤，单作用千斤，双作用千斤，段落，一千斤薄超薄千斤，实心千斤，空心千斤，高吨位千斤千斤，诸如各种千斤顶。 便携式电动(手动)汽车千斤顶是一种与电动扳手(专用于便携式电动汽车轮胎拆装)配套使用的多功能千斤顶。 一次性使用可用于手动千斤顶项目。 配有特殊的撬杆，可手动拆卸和安装螺栓，也可用千斤顶使用。 薄型千斤顶体积小，工作性能好。 超薄千斤顶的尺寸进一步缩小，可以产生更大的工作能力，特别适合在狭小空间使用。 单作用空心柱塞千斤顶不仅具有举升功能，而且具有伸缩功能。 单作用实心柱塞千斤顶是一种常规的通用型，可用于设备维修、安装和常规工业生产。 经过我国的研发和生产，我国生产的汽车千斤顶在外观、使用、承载能力、寿命等方面都有了很大的提高，有的达到甚至超过了国外同类产品。 目前，中国的汽车零部件企业不仅满足国内市场的需求，而且每年向世界各地出口约500万辆千斤顶汽车。 尽管如此，还是对千斤顶的设计制造技术水平进行了细致的分析。1.3本课题的主要研究任务 本文设计了一种剪式的电动小型千斤顶，供电方式采用汽车12V点烟器接口供电，电机驱动两级齿轮传动减速箱传动给螺杆，通过电机的正反转来控制千斤顶的升降动作。本文首先确定小型千斤顶的结构形式，然后分析受力方式，然后选定电机，驱动传动比；再对各个关键部件进行设计计算，最后利用三维软件SOLIDWORKS对顶垫进行有限元分析，确定设计的安全可靠性。第二章 小型电动千斤顶的结构确认及计算2.1 主要设计参数2.1.1小型车载电动千斤顶的技术参数汽车千斤顶用于汽车在故障情况下的应急举升工作，所以其承受的重量一般为汽车重量的一半不到点。家用小轿车的实际重量一般不会超过2000kg，所以为了使设计的小型汽车千斤顶具有一定的通用型，这里我们把小型汽车千斤顶的有效载荷设计为为1000kg。其具体技术指标如下：(1)实际有效载荷：1000kg(2)闭合高度：165mm(3)有效升降高度：220mm(4)最大高度：385mm(5)驱动方式：电动(6)净重：5kg2.1.2小型电动千斤顶的实际使用条件(1)承载载荷不能长时间超过1000kg(2)驱动电压不能超过直流12V(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2.1.3千斤顶的结构形式目前市面上常用的千斤顶有三种，分别如下：1.立式千斤顶它的初始高度比较高，对于底盘低的小轿车并不适用，运用也就收到了限制。因此本次设计就不考虑用立式千斤顶的结构。2.卧式千斤顶由于卧式千斤顶其结构的显示条件，不可能做到轻巧实用，其自重比较大，一般用于汽修店，不作为车载考虑。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。2.2 小型电动千斤顶运动分析和受力分析2.2.1千斤顶运动分析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2-1所示，以底座D为坐标原点（0,0），设螺杆与举臂的夹角为，臂长为L，则铰接点A和移动副C点的坐标分别为A点：C点：顶举重物支撑点B处坐标为B点：图2-1 千斤顶运动模型图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点相对于千斤顶纵向轴线对称，其运动情况相同，因此只需分析C点即可。1) C点分析由点的速度合成定理可知，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，牵连速度为，相对速度为，则。设螺杆导程为S，表示螺纹上任一点沿同一条螺旋线转一周所移动的轴向距离。螺距为p，螺纹线数为x，螺杆转速为n，螺母相对于螺杆的轴向速度为V，则 （对于单线螺纹，x=1）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，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 由速度合成图可知： 所以 2) B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平均分解。平面图形内任一点的速度等于基点的速度与该店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2-2所示。图2-2 B点运动速度合成图以C点为基点求B点的速度，则 式中，表示基点C的绝对速度，即将上式两端分别对x，y轴投影，得 又因为，（l为举臂长度），得 最终得 其中：B点上升速度，mm/s螺杆转速，r/min螺杆螺距，mm螺杆与举臂夹角B点速度为在螺杆转速为n，螺距为p的情况下，当螺杆与举臂夹角为a的时刻千斤顶顶起重物上升的速度。由上式可以看出，千斤顶顶举重物上升的速度随a增大而减小。由于在千斤顶上升过程中，螺杆与举臂夹角逐渐增大，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。2.2.2千斤顶受力分析(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(杆一和杆二)分别受轴向压力和，由力的作用与反作用可知，杆一和杆二对支承点B的作用力分别为和，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)受到移动副施加的沿着举臂轴线向里的压力和，所以举臂对移动副的反作用力为和，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2-4。图2-4 千斤顶受力模型(2)千斤顶受力分析1. 节点B：如图3-4所示，千斤顶顶起重量为G，B点受到重物的压力G和杆一、杆二的反作用力和，此三力平衡，平衡方程如下： 2. 节点C：在螺杆连接处的C点受到杆二、杆三的沿着举臂轴线向外的反作用力和，同时还受到螺杆轴向拉力F，此三力平衡，平衡方程如下： 式中： 联立以上两式，得 式中：螺杆受到的轴向拉力，N举臂受到的轴向拉力，N被顶举重物的重量，N螺杆与举臂的夹角，度 由上式可知，当不断增大，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。2.3 小型电动千斤顶的部件设计2.3.1螺杆传动的设计螺旋传动平稳，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50%。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。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。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1000kg具有普遍的适应性。以额定承载1000kg计算，螺杆最大轴向载荷为。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45号钢，调质处理，材料屈服极限为360MPa，材料许用应力为235 MPa。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：螺纹型号：T14X22.3.2 电机的选择2电动机的选择(1)电动机类型的选择在产品中选用合适的电动机非常重要。电动机的选择主要是容量的选择。容量选择不当将会直接影响到系统的性能好坏。容量过小，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使系统效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障；容量过大，则不仅使系统成本增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数(对异步电动机而言)都会下降。因此必须根据实际需要选用合适的容量。当然除了容量的选择外，还需要根据产品系统的要求、技术经济指标和工作环境等条件来正确选择电动机的种类、电压、转速和电动机的结构型式。考虑到新型电动千斤顶主要用于小轿车的顶举，并可能在使用过程中频繁启动、反转、制动等，所以选用直流电动机，电源电压采用12V(直接使用汽车点烟器输出电压，方便用户操作)。(2)电动机功率的确定根据千斤顶额定载荷1000kg，上升速度最大1.5mm/s，得 根据前面计算，螺杆效率为，取减速器的效率为，电动机自带减速装置的效率为，则 根据千斤顶顶举重量和速度要求需要选用型号为RS-775SH-7513的直流电动机，技术参数见表2-1。表2-1 电动机参数表外形尺寸（mm）重量（g）电压空载最大效率时直径长度使用范围常用值速度（r/min）电流（A）速度（r/min）电流（A）转矩（g.cm）输出功率（w）4267320615V12V187002.21600013.6710117第三章 小型电动千斤顶减速箱设计校核3.1减速形式的选择驱动轮机械传动形式有多种，主要分为：链条传动；皮带传动；蜗杆传动和齿轮传动等。1.链条传动优点是：工况相同时，传动尺寸紧凑；没有滑动；不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷小；效率高；能在恶劣的环境中使用。缺点：瞬时速度不均匀，高速运转是传动不平稳；不易在载荷变化大和急促反向的传动中使用；工作噪音大。2皮带传动优点是：能缓和冲击；运行平稳无噪音；制造和安装精度要求低；过载时能打滑，防止其他零件的损坏。缺点：有弹性滑动和打滑，效率低不能保证准确的传动比；轴上载荷大；寿命低。3.蜗杆传动：优点：结构紧凑；工作平稳；无噪声；冲击震动小；能得到很大的单级传动比。缺点是：传动比相同下效率比齿轮低；需要用贵重的减磨材料制造。4.齿轮传动：工作可靠，使用寿命长；易于维护；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度使用范围很广。缺点是：制造复杂成本高；不宜用于轴间距的传动。比较以上传动形式，结合小型电动千斤顶的设计要求：输出转矩大传动效率高噪音小等条件，我们采用两级齿轮传动，减速比为95。减速结构如图3-1所示：图3-1 减速箱传动形式齿轮参数如下:第一级减速：, m=1,mm, ,mm,第二级减速：, m=1,mm, ,mm,3.2 齿轮传动的计算与校核设计中第一级齿轮传动的齿轮强度计算与校核，如下：1.齿面接触疲劳强度计算（1） 初步计算转矩齿数接触疲劳极限由表12.13，取由表1.7初步计算的许用接触应力 值由，取初步计算小齿轮直径取=8初步齿宽b（2） 校核计算圆周速度精度等级由表14.4选6级精度齿数z和模数m初取齿数；由表14.1，取（这里往大或往小取均可，视验算结果而定。）则使用系数由表12.9动载系数由表12.9齿间载荷分配系数由表12.10，先求由此得齿向载荷分布系数由表12.11载荷系数弹性系数由表12.12节点区域系数由图12.16接触最小安全系数由表12.14总工作时间应力循环次数由表12.15，估计，则指数原估计应力循环次数正确。接触寿命系数由图12.18许用接触应力计算结果表明，接触疲劳强度教为合适，齿轮尺寸无需调整。否则，尺寸调整后还应在进行验算。2.齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数齿间载荷分配系数由表12.10， 齿向载荷分布系数由图12.14载荷系数齿形系数由图12.21应力修正系数由图12.22弯曲疲劳极限由图12.23c弯曲最小安全系数由表12.14应力循环次数由表12.15，估计，则指数原估计应力循环次数正确弯曲寿命系数由图12.24尺寸系数由图12.25许用弯曲应力验算传动无严重过载，故不做静强度校核第二级啮合齿轮、的计算校核也采用以上步骤，通过计算知：强度均符合要求。第四章 顶垫的有限元分析4.1 Solidworks软件简介这个软件是比较先进的，是非常智能的软件，在机械行业，这个软件是3D设计的领先软件，学起来容易，用起来也容易，功能是非常多的，并且界面看上去也是不错的，用电脑画图，使用Solidworks是一个基础了。跟一般的平面制图软件来进行对比，参变量式的CAD它是有很多好的地方的，原来的CAD一般是根据一定的比例，从正面，侧面，上面的角度来对图纸进行查看，按照投影，透视效果慢慢的将这些部分都画出来，将对应的大小画出来，所以在画图的时候，需要画图人员有非常好的三维空间想象能力。要是大小有改变，那么几何图纸的大小不能有改变；要是将几何图纸改变了，那么标注的大小是不会有变化的，所以还要再画，这样一来工作量是很大的。用三维软件将草图画出来之后，将尺寸等大小还有一些别的限制条件都加进去了，那么草图就额可以进行完全定义了，这个就是所谓的参数模式。因为软件自己将有关系的属性加进去了，要是将标注的大小进行了改变，几何图形的大小自己也就跟着改变了。不需要对条件进行限制，这样一来草图就么有进行定义，这样的模式就是变量式的。Solidworks的模型组成有零件，有装配图，还有工程图纸。在零件还没有生产之前，这个图纸就是草图。通过平面图纸，三维草图，这样三维模型，还有工程图纸就都有了，要是草图上面的大小有变化，那么三维模型的大小也就改变了。软件用时是非常便利的，对于设计时候的效率来说是提高了很多。将零件开下来之后，或者是建立了一个新的零件，将草图画出来，这样基本特征也就伸长了，之后模型上就会有更加多的特征，这样一来零件也就有了。这样从别的软件就可以将曲面导入进去，将特征编写出来，零件的图纸，还有装配图纸也就都有。这就是经常用的多的办法，就是从上向下进行设计。一开始画草图的时候从文件这边开始，要设计一个新的零件，首先要把零件的文件建立起来。因为零件图纸，装配图，工程图都是有关系的，所以在这个里面，任何一个图纸有改变，别的图纸也跟着有变化。Solidworks2014能够进行自定义，点菜单栏里面的工具-选择，这样就可以对系统选项，还有文件属性进行设定了。Solidworks2014它在进行交换文件的时候功能是非常强大的，能够输进，还有输出的时候，文件的格式超过十种，可以跟CAD,PROE等等这些软件来对文件进行互相交换。Solidworks2014，在画草图的时候，可以对网格线进行显示，还能对这些网格线进行捕捉。能够把网格线跟模型的边线来进行对齐，这样一来还能将角度搞清楚。在这个软件里面，网格线的功能，还有捕捉功能基本上不用，因为这个软件是一个参变量软件，大小，还有几何关系之间的精度是满足的。4.2 顶垫的有限元顶垫是直接和汽车直接接触的重要部件，它的强度直接影响到整个千斤顶的结构稳定性，因此本次设计主要对顶垫进行有限元分析4.2.1 确定材料 零件的反应取决于其所构成的材料，程序必须知道零件材料的弹性属性，通过从材料库选择材料来给零件指派材料。所以顶垫材料选择普通碳钢。具体选择如下图4-1 所示。 图4-1 定义材料 4.2.2添加夹具在夹具选项卡中，可以定义固定约束。每个约束可以包含多个面。受约束的面在所有方向都受到约束。必须至少约束零件的一个面，以防由于刚性实体运动而导致分析失败。在对顶垫主体进行应力分析前，首先要确定其夹具固定的部分。如图4-2所示，我们模拟夹住顶垫的四个铰接孔。图4-2 添加夹具4.2.3 施加载荷顶垫我们设定载荷为最大载荷为98000N。在载荷选项卡上，可以应用力和压力载荷至模型的面，可以应用多个力至单个或多个面。由顶垫实际工况得出其受力情况见图4-3 图4-3 添加作用力4.2.4生成网格接下来需对顶垫划分网格。实体模型的网格化由两个基本阶段组成。在第一阶段，网格器将节放置于边界上，此阶段称为曲面网格化。如果第一个阶段成功，网格程序开始第二个阶段，将在内部生成节，以四面单元填充体积，并将中侧节放置于边线上。在实际操作中，我们先要选择网格的参数，如图4-4所示，将网格密度设置为良好。选择好网格参数之后，对顶垫模型生成定义的网格。图4-4 顶垫网格化 4.2.5运算求解网格化参数后点击运行，软件开始自动对算例进行计算分析，求解过程如下图4-5所示。 图4-5运行算例分析当运行结束后，就可以得到顶垫模型应力、应变、位移和安全系数等各项参数的有限元分析结果。4.2.6 分析结果输出Simulation的结果选项卡中生成的图解可以生动形象的表现出顶垫各部位的应力应变情况、位移情况及安全系数情况，如图4-6所示。结果选项卡的第一个屏幕显示顶垫所有位置的最小安全系数。对于给定的最小安全系数，Simulation程序会将可能的安全与非安全区域分别绘成蓝色与红色。顶垫主体部分有限元分析的应力、位移、应变及安全系数分布云图如图4-7至4-10所示。图4-6输出结果图4-7 安全系数图4-8 位移分布图图4-9 应变分布图图4-10 应力分布图 参考文献1黄轶逸钢绞线千斤项起重系统建筑机械2000， 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