电动千斤顶设计.docx

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电动千斤顶设计

电动千斤顶设计

设计（论文）主要内容：

千斤顶是汽车必备的常规维护工具之一。

目前汽车用千斤顶,使用时既费力，安全性也较差，特别是不适合女性使用。

本毕业设计要求设计汽车用电动千斤顶，利用电机，依托汽车电池电源作为动力来源,通过控制开关,自由均匀平稳升降千斤顶机械部分，在汽车更换轮胎时省时省力，避免传统千斤顶的操作危险，方便安全。

要求可调节高度范围广，适用于各种车况。

要求完成的主要任务:

（1）电动千斤顶能耗与功率计算；

（2）电动千斤顶电机选型；

（3）机械传动部分设计；

（4）安全保护设计；

（5）样机制做。

摘要I

ABSTRACTII

绪论1

1.1本课题研究的意义1

1.2国内外千斤顶技术的发展状况3

1.2.1国外发展情况.3

1.2.2国内发展情况.4

1.3本课题的主要研究任务4

1.3.1电动千斤顶的概念设计和详细设计5

1.3.2电动千斤顶的计算机辅助分析5

1.3.3电动千斤顶试制与试验研究5

2．结构设计5

2.1概述5

2.2电动千斤顶的设计方案确定和论证5

3方案选择6

3.1蓄电池的放电控制方案的选择6

3.1.1蓄电池放电特性6

3.1.2单片机控制恒流放电7

3.1.3数据处理8

3.1.4系统软件设计及实验结果9

3.2直流电机转速控制方案的选择11

3.2.1直流电机的介绍11

3.2.2设计方案比较与分析12

3.2.3系统分析与设计13

3.2.4测试结果与分析17

4.千斤顶关键部件的详细设计17

4.1电动千斤顶的主要设计参数17

4.1.1电动千斤顶的主要设计技术指标17

4.1.2电动千斤顶的主要使用条件18

4.2电动千斤顶的部件设计18

4.2.1螺旋传动装置.18

4.2.2减速装置.19

5.电动千斤顶模型的仿真与调试21

5.1主程序21

5.2计算机的模型仿真21

5.2.1关于仿真软件Proteus21

5.2.2Proteus软件的调试与仿真22

5.2.3仿真电路模型.22

结束语23

致谢25

参考文献26

附录错误！

未定义书签。

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。

本论文首先综合分析了国内外汽车用千斤顶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，提出了电动千斤顶的设计方案。

设计过程中，采用单片机控制电动机转速来对汽车千斤顶进行优化设计。

本毕业设计要求设计汽车用电动千斤顶，利用电机，依托汽车电池电源作为动力来源,通过控制开关,自由均匀平稳升降千斤顶机械部分，在汽车更换轮胎时

省时省力，避免传统千斤顶的操作危险，方便安全。

要求可调节高度范围广，适用于各种车况。

最后，根据设计结果制作了新型汽车用千斤顶，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220克。

据国家统计局统计信

息显示，我国个人汽车保有量1999年己达534万辆，2002年国内轿车年产销量均突破100万辆，2003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500万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顶产量巨大，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：

电动千斤顶；蓄电池；单片机控制

ABSTRACT

Asatraditionaltoolofliftingheavy,jackiswidelyusedinallkindsoffieldssuch

asarchitecture,railway,medicalandgaragesystem.Aseriesofresearchmainforbumperjackwerecarriedthroughinthispaper.

Thepresentstatus,aswellasthestructures,ofbumperjacksinhomeandoverseasisanalyzedsyntheticallyinthepaper.Andthentheimportanceofdevelopingnewbumperjackunderthecurrentcircumstancesisalsodemonstrated.Onenewprojectaboutjack,whichcansupportelectricdrivingmode,isputforwardaftercomparingvariouscurrentexistingprojects.OnekindofnewoptimizingmethodcalledGeneticAlgorithm（GA）isusedtooptimizethebumperjackstructure.

Finallytheoptimizedproductsareproduced,anditshowsthatthecostoftheproductsafteroptimizingisreduced;moreovertherelativeperformanceisimproved.

Twohundredandtwentygrammaterialofeachbumperjackissaved.AccordingtothedataprovidedbytheNationalBureauofStatisticsofChina,therewereupto5,340,000

salooncarsto1999.Theturnoutandsaleofsalooncarin2002havealreadybrokenthrough1,000,000.Anditisgoingupin2003.Chinesecompaniesprovidebumperjacksnotonlyfordomesticmarket,butalsoforinternationalmarket

Thereare5,000,000bumperjackstoexporteachyear.Inviewofthetremendousoutputofbumperjacks,agreatdealofcostcanbesavedifadoptingthedesignmethod

putforwardinthepaper,andthenitwillbringgreatbenefittothehomecompanies.At

thesametime,thereliabilityandstabilityoftheproductareimproved

Keywords:

bumperjack;accumulatorcell；SCMcontrol

绪论

1.1本课题研究的意义

本课题的主要任务是探讨己有的汽车用千斤顶技术[1]，设计开发一种新型的电动的汽车用千斤顶，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，这就需要用到千斤顶。

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、松卡式千斤顶、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，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一些千斤顶。

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。

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备外出以供急需，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。

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，并要求有一定的寿命。

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，因而这种千斤顶一般须有使用寿命

的要求（一般不低于200次）。

剪式千斤顶的外型如图1-1所示⑵。

它是一种原理卧式千斤顶。

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一般由上下举臂，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结构。

剪式千斤顶一般有电动和手动两种操作方

式。

在本设计中我们采用的是电动控制千斤顶正转反转的方式。

图1-1剪式千斤顶

（2）根据汽车用千斤顶动力来源的不同，可以分为手动千斤顶，电动千斤顶和

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筒或举臂，所以费时费力，使用极其不方便。

如

前面提到的立式千斤顶和卧式千斤顶大都是手动方式。

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，为司机特别是女性司机创造出一种方便，高效，省力的修车环境和条件。

电动手动两用千斤顶集合了以上两者的优点。

（3）根据汽车用千斤顶传动类型的不同，可以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顶的传动功能，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。

液压千斤顶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，把液压能转化为机械能，从而将重物向上顶起。

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，但同时造成精度要求较高，效率低，操作不当时支点易滑落，存在不安全因素。

若出现泄露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，虽然已经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。

另外一方面，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。

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，千斤顶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。

传统的千斤顶（如液压式等），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阴。

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（如千斤顶）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20世纪40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90年代初国外绝大部分用户己以卧式千斤顶替代了立式千斤顶[3]。

在90年代后期国外研制出了充气千斤顶阴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一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15-20秒，汽车千斤顶鼓起，成为圆柱体。

这种千斤顶可以把1.5t重的汽车项起70cm.

Power-Riser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.TruckJack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快速的现场维修。

该千斤顶能在现场从侧面对装有70-125t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.

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1979年才接触到类似于国外卧式千斤顶这样的产品。

经过多年设计与制造的实践，除了卧式千斤顶以外，我国还研制出了新型折叠式液压千斤顶、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、薄型千斤顶、超薄型千斤顶、空心千斤顶、实心千斤顶、柱塞千斤顶、高吨位千斤顶等多种千斤顶.

便携式电动汽车用千斤顶是一种多用千斤顶[4]，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，特别适合在空间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500万台汽车用千斤顶到世界各地。

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便携式千斤顶。

本课题的主要任务如

下:

1.3.1电动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，确定可行的电动千斤顶设

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。

1.3.2电动千斤顶的计算机辅助分析

本文对新型千斤顶进行计算机辅助分析，本系统编程部分工作采用KELI-C51

语言完成,采用Protues软件对其进行仿真[5]

1.3.3电动千斤顶试制与试验研究

析，并对千斤顶进行了性能试验，主要利用千电动斤顶模型。

验证了电动千斤顶能够达到预定的性能指标。

2．结构设计

2.1

。

它首先需要仔

，选择或设计合适

概述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控制的功能，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电动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己无法完全满足市场需求。

因此所开发设计的新型汽车用电动千斤顶必须要求结构简单、体积小、重量轻、安全高效、电动控制且生产成本低。

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千斤顶的设计方案[6]，见图2-1。

该千斤顶属于小轿车用顶举装置，整个系统由电动机、减速箱、传动螺杆、上下举臂、固定板,齿轮和底座组成。

1-电动机2-上举臂3-传动螺杆4-下举臂5-底座6-减速箱

图2-1剪式电动千斤顶示意图

电动时，利用汽车自备电源（直流12V）驱动微型直流电动机，使小齿轮转动。

通过一组外啮合直齿圆柱齿轮减速器（由双联齿轮1,双联齿轮2,中间传动齿轮以及主驱动齿轮组成）减速后带动固定在主驱动齿轮上的螺杆转动，使联接螺母沿螺

杆往复螺旋移动，从而实现千斤顶的顶起、回落过程（此过程由电动机的正反转实

现）•

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；

3方案选择

3.1蓄电池的放电控制方案的选择

3.1.1蓄电池放电特性

蓄电池放电特性中涉及电解液相对密度、端电压随放电时间的变化规律。

蓄

电池单格电池端电压随时间的变化规律一般分为三个阶段，值得关注的是第一和第

三阶段，在蓄电池开始放电时,首先消耗的是极板空隙内有限的硫酸，极板空隙内电解液密度迅速下降，端电压也迅速下降；在蓄电池放电的第三阶段，极板表面已成大

量硫酸铅，堵塞了极板空隙，电解液渗透能力下降，电解液密度及端电压迅速下降，此

时应停止放电，否则,端电压在短时间内将急剧下降到零，致使蓄电池过度放电，使用

寿命缩短甚至报废。

如果在蓄电池接近放电终了切断放电电流，蓄电池电动势还会

适当回升。

对蓄电池放电的第一阶段控制有助于控制“汽车自燃”现象；对第三阶段的控制则有助于延长蓄电池的使用寿命。

蓄电池放电控制装置中，蓄电池放电终了电压的设置，针对不同系统（如启动系、

照明系）应选不同的值。

环境温度对蓄电池放电特性的影响表现在以下两个方面:

蓄电池端电压，随电解液温度的降低而降低，温度越低，蓄电池电压下降越快；电解液

温度越低，蓄电池容量越小。

可见蓄电池放电控制装置必须考虑环境温度的影响。

以前的放电设备主要使用可变电阻、电阻盘、碳棒、水槽等，需要人工调节放

电电流，工作繁重，劳动强度大，另外电阻放电还很难实现放电电流的连续调节。

为解决上述问题，研制了智能型蓄电池恒流放电装置，便携式、智能化的设计使放

电测试工作变得简捷、轻松，大大降低了专业维护人员的劳动强度，也提高了放电

测试的科学性和智能化。

本设计中给出了一种智能化机载蓄电池放电测试系统，实现了恒流放电。

3.1.2单片机控制恒流放电

3.1.2.1恒流的实现

本系统采用PWM方式实现了对机载蓄电池恒流放电控制⑺o系统主回路用一

个大功率小阻值的电阻和一个高频的开关管IGBT并联当回路电流与所设定的电

流的差值大于一定值时，通过PID增量式控制算法改变PWM的占空比，从而改

变回路电流的大小，这样实现了系统的恒流放电控制。

3.1.2.2控制系统的结构

整个系统主要由三部分来实现：

数据采集、数据处理和恒流控制。

（系统）前级

信号经过信号调理板进行滤波、放大等处理后送到PCI数据采集卡，由数据采集

卡传送到计算机，完成信号的采集，计算机对数据进行处理、界面显示等，然后

计算机把对回路电流的调节控制信号传给单片机，由单片机输出相应的PWM波控

制开关管IGBT开断，实现回路的恒流控制。

整个系统采用模块化设计，便于设计和调试，并且提高了可靠性，系统整体

框图如图3-1所示：

图3-1系统整体框图

3.123数据采集

要采集的信号为所有单体的电压端信号、蓄电池组的总电压信号、主回路的电流信号、恒流负载的温度信号等，这些信号具有类型不一、幅值差别大的特点，并且数据量大，尤其在放电拐点后需要较高的采集速度。

设计采用AVR单片机

AT89C51作为微处理器实现数据采集⑹o

采集的信号经过滤波、放大等适当调理后，模拟开关选择其中的一路信号进

行采样保持和A/D转换，依次对各路信号进行采集。

单片机用一个数据存储器将每次采集的数据进行存贮然后通过串口把A/D转换后的缓存数据传逻到计算机，

完成对各路信号的采集。

数据采集部分与计算机的接口采用数据采集卡PCI一64ADoPCI总线是高性

能局部总线，工作频率0-33MHZ，可同时支持多组外围设备，可以满足本系统数

据采集