车用电动液压千斤顶结构设计.doc
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本科毕业设计说明书（论文）第34页共33页
1绪论
1.1课题研究的目的和意义
据统计，国内的轿车保有量2005年已达到900余万辆,在现实生活中，轿车、吉普在路途上换胎一直是驾车者们一件头痛的事，尤其是在酷热的夏天和严寒而绵绵细雨的冬天，半个多时晨换下胎来，不仅身心劳累，且浑身油泥。
随着技术与经济的发展，一种起重工具液压千斤顶大量涌现于市场，其构造简单、操作方便，修理汽车、拖拉机等可用它将车身顶起，方便修理。
液压千斤顶是根据帕斯卡原理工作，它由油箱、大小不同的两个压力油缸、单向阀等几个部分组成。
工作时，提起小活塞将油吸入小压力油缸，当压下小活塞时将油液压进大压力油缸。
通过两个单向阀门的控制，小活塞对油的压强传递给大活塞，将重物顶起来。
小活塞不断地往复动作，就可以把重物顶到一定的高度。
工作完毕，打开关截止阀，使大压力油缸和油箱连通。
这时，只要在大活塞上稍加压力，大活塞即可下落，油回到油箱中去。
千斤顶分为机械千斤顶和液压千斤顶两种，原理各有不同。
从原理上来说，液压千斤顶所基于的原理为帕斯卡原理，在比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。
通过液体的传递可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。
机械千斤顶采用机械原理，以往复扳动手柄，拔爪即推动棘轮间隙回转，小伞齿轮带动大伞齿轮、使举重螺杆旋转，从而使升降套筒获得起升或下降，而达到起重拉力的功能。
但不如液压千斤顶简易。
千斤顶采用液压传动的优点：
（1）由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。
（2）液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。
（3）传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。
（4）液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。
（5）液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。
随着生活水平的发展，设计人性化的产品越来越受到人们的喜爱。
电动液压千斤顶采用液压传动，与机械手动千斤顶相比，具有使用携带方便、运行平稳等优点。
目前液压技术日趋完善且被应用于各个领域，与液压传动相关的产品成本也将逐渐降低，因此，低成本的电动液压千斤顶具有巨大的市场。
1.2课题的国内外发展研究现状
自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史。
直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。
在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。
第二次世界大战结束后，战后液压技术迅速转向民用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动生产线。
本世纪60年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。
因此，液压传动真正的发展也只是近三四十年的事。
当前液压技术正向迅速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。
同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。
我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备上，后来又用于拖拉机和工程机械。
现在，我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、生产技术以及进行自行设计，现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。
现在，液压技术被广泛应用与各个领域，液压千斤顶的设计也越来越趋向人性化，目前，国内外的千斤顶在性能满足要求的同时，还要考虑千斤顶操作的灵活方便。
根据实际需要，目前市场的千斤顶有YZ系列千斤顶、超薄型千斤顶、自锁式千斤顶等类型。
千斤顶还分为电动千斤顶和手动千斤顶。
电动千斤顶一般以液压系统为基础进行设计，具有顶起重量大、起升平稳、操作方便等优点。
手动千斤顶以螺纹千斤顶为代表，通过螺纹传动来顶起重物。
1.3课题研究的主要内容
（1）根据千斤顶的设计电动液压千斤顶的总体方案。
（2）根据工作情况设计液压千斤顶的具体结构，确定主要零部件的参数，对千斤顶的零件进行强度检验。
（3）绘制二维零件图及总体装配图。
2电动液压千斤顶概论
2.1液压千斤顶工作原理
图2.1液压千斤顶工作原理图
1—杠杆手柄2—小油缸3—小活塞4，7—单向阀5—吸油管6，10—管道
8—大活塞9—大油缸11—截止阀12—油箱
图2.1是液压千斤顶的工作原理图。
大油缸9和大活塞8组成举升液压缸。
杠杆手柄1、小油缸2、小活塞3、单向阀4和7组成手动液压泵。
如提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀4打开，通过吸油管5从油箱12中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，下腔的油液经管道6输入举升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移动，顶起重物。
再次提起手柄吸油时，单向阀7自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。
不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。
如果打开截止阀11，举升缸下腔的油液通过管道10、截止阀11流回油箱，重物就向下移动。
这就是液压千斤顶的工作原理。
在本次设计中，为使液压千斤顶的操作更加省力，将小活塞驱动由手动改为电动，利用汽车点烟器上的电源，通过电机带动合适的偏心轮机构驱动活塞上下运动。
2.2设计要求
本课题的设计要求
（1）设计一个两级的液压缸。
（2）千斤顶顶起的重量为1.0t。
（3）千斤顶的顶升高度为150mm。
（4）千斤顶的驱动电机要求电压为12V直流电压。
2.3确定总体方案
2.3.1液压回路设计
图2.2液压回路原理图
根据液压千斤顶工作原理图2.1，结合本课题设计要求及布置情况，设计的液压千斤顶液压回路原理图如图2.2所示。
图中液压泵拟采用单向柱塞泵，通过偏心轮驱动柱塞往复运动，吸油行程柱塞泵通过单向阀2从油箱吸油，压油行程中单向阀2关闭，单向阀1打开，液压油输出到顶升液压缸将负载顶起，顶升到所需位置时，切断电机电源，柱塞泵停止运动，单向阀1和二位二通电磁阀都处于关闭位置，阻止了液压油流回油箱，负载保持在所需位置不动。
当负载需要放回时，只需操纵控制器上的相应开关，打开二位二通电磁阀，油液便可流入油箱。
为了防止电机及液压系统过载损坏，在油路中设计了安全阀，当出现管路堵塞或其它情况使油压过大时，液压油便打开安全阀流回油箱。
2.3.2总体结构设计
本次设计的千斤顶结构如图2.3所示。
图2.3液压千斤顶结构图
该电动液压千斤顶由12V直流电机、偏心轮机构、柱塞缸、两级顶升液压缸和若干控制阀及操纵控制器等组成。
大小活塞和两级液压缸体组成顶升液压缸。
工作时，将电源插头插入汽车点烟器上插座，按下操纵控制器上的开关，12V直流电机带动偏心轮机构驱动柱塞往复运动，当电动机偏心轮机构使柱塞向右移动时，柱塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时联接油箱油路上的弹簧小球使油路相通，柱塞缸通过吸油管将液压油吸入腔内。
柱塞左移时，柱塞下腔压力升高，弹簧小球使油关闭，下腔的油液经管道输入顶升油缸的下腔，迫使大活塞向上移动，顶起重物。
柱塞再次右移时，与顶升液压缸相连接的弹簧小球使大液压缸的油口自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。
不断地使柱塞往复运动，就能不断地把油液压入顶升缸下腔，使重物逐渐地升起。
如果打开二位二通电磁阀，顶升缸下腔的油液通过管道、电磁阀流回油箱，重物就向下移动。
2.3.3底板油路设计
为了携带方便，千斤顶的结构尺寸不能太大。
在传动比一定的情况下，设计的柱塞缸的尺寸一般较小，若用管联接，管的内径较小，管路的油压损失较大。
液压油一般较稠，管的内径小使管路较易堵塞，影响千斤顶正常工作。
采用底板油路不仅减少了许多管部件，以及管联接方面的许多麻烦，简化了系统，同时也使油路的内径增大。
设计的底板油路如图2.4所示。
图2.4底板装配图
底板的设计过程中充分考虑了加工的可行性。
柱塞杆向外运动时，柱塞缸内的压力变小，弹簧球1被顶开，弹簧球2将油路封住，此时液压油吸入液压缸。
柱塞杆下压时，柱塞缸内的压力变大，弹簧球1将油路关闭，弹簧球2被顶开，油液被压入顶升液压缸。
当负载需要放回时，将二位二通电磁阀打开，液压油便可进入油箱。
当油路某处堵塞时，系统内的油压将增大，此时上端的安全阀弹簧被顶开，油液通过安全阀流回油箱。
2.3.4顶升液压缸设计
顶升液压缸设计其结构图如图2.5所示
图2.5顶升液压缸结构图
为了减小液压千斤顶的外形尺寸，便于携带，本次设计的顶升液压缸采用两级活塞驱动。
第一级液压缸的活塞杆是第二级的缸筒，伸出时，可以获得较长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸。
第一级液压缸缸体与缸底采用焊接，缸体与缸头采用螺纹联接。
第二级活塞与活塞杆采用整体式。
活塞与缸体间采用O形密封圈密封；为了使千斤顶使用安全方便，在活塞杆端部用螺纹件联接了一个凹槽部件与轿车上相应的凸起配合，支撑轿车。
千斤顶在工作过程中，第一级活塞升到最高时，第二级开始顶出，此时系统内的压力较第一级增大。
2.3.5柱塞缸设计
柱塞缸结构图如图2.6所示
图2.6柱塞缸结构图
本次设计的柱塞缸由柱塞、弹簧、密封工作腔等组成，其工作原理是依靠密封工作腔容积大小交替变化来实现的，它是一种将机械能转换为液压能的能量转换装置，它为液压系统提供具有一定压力和流量的液体，是液压系统的重要组成部分。
其性能的好坏直接影响液压系统工作的可靠性和稳定性。
柱塞杆的往复运动产生容积的变化配合相应的单向阀进行吸油和压油。
一般柱塞和缸体内孔都是圆柱表面，容易得到高精度的配合，密封性较好，因此效率一般较高。
2.4电动液压千斤顶使用注意事项
1）使用前，应将蓄电池充足电，以免电力不足。
2）举升汽车时，应使发动机熄火，将变速器置于空档位置并拉紧手制动。
3）必要时，可以用发电机发电助力，此时使发动机工作，但一定要将变速器置于空档，防止汽车移动伤人。
汽车举起后，应将发动机立即熄火。
4）在汽车底下工作时，必须把汽车用可靠的支撑物安全稳妥地支撑住，以保证安。
3参数确定
3.1电机选择
图3.1电机
根据系统的具体情况,参考有关设计手册，确定系统压力p＝12.5MPa,液压缸的最大支撑重量F=1.010N
设定第二级液压缸的上升速度v=0.005m/s
则根据公式
（3.1）
式中 d——液压缸内径，mm；
p——系统工作压力，MPa；
F——最大支撑重量 ，N。
取d＝32mm
此时液压缸内的压力
流量
Q——系统的流量，。
此时液压缸用来支撑重物的功率为
（3.2）
（3.3）
式中——电机的额定功率，W；
——机械损失，即由于摩擦而使功率的损失，本系统中近似认为两个液压缸的效率相同，故用，一般＝0.9。
本系统取0.9.
——容量损失因内泄漏、气穴和油液在高压下受压缩而造成的流量上的损失，内泄露是主要原因，本设计取=1。
带入相关数据可得
取=70W
根据机械设计手册及网上相关资料查询，选择电机为12v直流、70W、n=30r/min。
验算电机是否满足第一级的要求：
查机械设计手册初步选择第一级内径d=50mm,则对应的外径取D=60mm。
第一级的上升平均速度为
（3.4）
式中Q——系统的流量，；
d——液压缸内径，mm；
——上升速度，m/s。
带入数据可得
根据可得
（3.5）
式中 F——负载力，N；
——电机的额定功率，W；
——机械损失；
——容量损失。
满足设计要求，同时也说明电机的选择合理
此时系统的工作压力
3.2顶升液压缸参数的确定
采用伸缩式套筒液压缸，本课题设计要求伸缩量为150mm，所以采用二级液压缸即可，该类型的液压缸运动时，其输出速度和输出力都是变化的，其原理图如下
图3.2顶升液压缸原理图
3.2.1液压缸的输出力
液压缸的输出力为顶起重物的重力，即负载力。
根据本课题的要求，千斤顶要求顶起的重量为1.0t，即最大负载是F=。
3.2.2液压缸工作过程中的阻力
液压缸工作中除了要克服负载力外，还受到惯性力、运动部件的摩擦阻力、运动部件的自重、回油背压阻力等作用。
本次设计利用液压缸的效率来近似决定液压缸各部件的尺寸,因此，对各阻力的大小等不再做详细的研究。
3.2.3液压缸的输出速度
单杆活塞式液压缸和柱塞式液压缸外伸时的速度
（3.6）
式中 v——活塞的外伸速度，m/s；
Q——进入液压缸的流量，；
A——活塞的作用面积，；
d——活塞直径，m。
第二级液压缸的速度定为＝0.002m/s
由上述公式知：
第一级液压缸的速度为
3.2.4液压缸的上升时间
（3.7）
活塞杆伸出时
式中 t——液压缸的作用时间，s；
V——液压缸的容积，；
A——液压缸的作用面积，；
s——液压缸行程，m；
Q——进入（或流出）液压缸的流量，。
液压缸上升时间为第一级和第二级的时间之和即
——第一级的运动时间，s；
——第二级的运动时间，s。
在本次设计中，查机械设计手册，定第一级的行程为＝90mm，第二级的行程为＝63mm。
则
3.2.5液压缸的储油量
液压缸的储油量
（3.8）
式中 V——液压缸的储油量，；
A——液压缸的作用面积，；
s——液压缸行程，m。
根据公式的液压缸的储油量为
3.2.6液压缸输出功率
液压缸的输出功率
（3.9）
式中 N——液压缸的输出功率，W；
F——液压缸的输出力，N；
v——液压缸的输出速度，m/s。
液压缸的最大输出功率为
3.2.7液压缸缸筒厚度计算
本次设计中采用标准液压缸外径，查机械设计手册知:
第一级液压缸的参数选为，。
参数表如表3.1所示
表3.1工程机械用液压缸外径系列
缸径
mm
液压缸外径mm
缸径
mm
液压缸外径mm
P≤16
MPa
20
25
31.5
P≤16
MPa
20
25
31.5
40
50
63
80
90
100
50
60
76
95
108
121
50
60
76
95
108
121
54
63.5
83
102
114
127
54
63.5.
83
102
114
127
110
125
140
160
180
200
133
146
168
194
219
245
133
146
168
194
219
245
133
152
168
194
219
245
140
152
168
194
219
245
第二级按中等壁厚计算当时，液压缸缸筒厚度，此时
（3.10）
式中 ——强度系数，对于无缝钢管，＝1；
C——计入壁厚公差及腐蚀的附加厚度，通常圆整到标准厚度值。
——试验压力，p<16MP时，＝1.5P MPa
3.2.8液压缸油口直径的计算
液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度v和油口最高液流速度而定。
本次设计中，最大速度不好确定，由电机带动的偏心轮的运动规律，可选取平均速度的2倍代替。
已知液压缸的第二级平均速度为0.005m/s.即可取v=0.01m/s.管内液体的流动速度定为＝2m/s。
（3.11）
式中 ——液压缸油口直径，m；
d——液压缸直径，m；
v——液压缸最大输出速度，m/s；
——油口液流速度，m/s。
根据加工的需要，取油口直径＝4mm
3.2.9缸底厚度的计算
图3.3有孔平行缸底
本设计采用的是平行缸底,当缸底有油口时:
（3.12）
式中 h——缸底的厚度，mm；
d——液压缸内径，mm；
——缸底油口直径，mm；
——试验压力，＝1.5P MPa；
[]——缸底材料的需用应力，MPa。
根据上述公式
取d=10mm
3.3吸油缸参数的计算
3.3.1吸油缸速度计算
该液压缸选择柱塞式类型，选定内径d=10mm。
根据液压缸的流量相同。
即
（3.13）
式中 A——吸油缸的柱塞面积，；
——吸油缸的柱塞运动速度，m/s；
——起升液压缸的第一级内径面积，；
——起升液压缸的第一级的上升速度，m/s。
则
3.3.2作用于吸油缸柱塞上的力
已知液压系统中最大压力为p=12.44MP,则作用于柱塞上的力
吸油缸的行程
系统的流量与柱塞的行程、柱塞的面积以及电机的转速有关，其关系如下
式中 d——吸油缸的内径，mm；
h——柱塞的行程，mm；
n——电机的转速，r/s；
Q——系统的流量，。
根据上述公式：
3.3.3吸油缸壁厚的计算
按中等壁厚计算，当时，吸油缸缸筒属于中等壁厚，此时
式中 ——强度系数，对于无缝钢管，＝1；
c——计入壁厚公差及腐蚀的附加厚度，通常圆整到标准厚度值。
带入相关数值得：
＝0.112＋c
取＝3mm。
3.3.4油口直径的确定
液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度v和油口最高液流速度而定。
本次设计中，最大速度不好确定，由电机带动的偏心轮的运动规律，可选取平均速度的2倍代替。
已知吸油缸的平均速度为0.08m/s.即可取v=0.16m/s.管内液体的流动速度定为＝2m/s.由油口的直径计算公式
式中 ——吸油缸油口内径，m；
d——吸油缸直径，m；
v——吸油缸最大输出速度，m/s；
——油口液流速度，m/s。
取油口直径＝4mm
3.3.5缸底厚度的计算
本设计采用的是平行缸底,当缸有油口时
式中 h——缸底的厚度，mm；
d——液压缸内径，mm；
——试验压力，＝1.5P. MPa；
[]——缸底材料的需用应力，MPa。
根据上述公式
取d=3mm
3.4油箱的设计
图3.4油箱
1—吸油管 2—网式滤油器 3—滤油网 4—通气孔 5—回油管 6—顶盖 7—油面指示器 8、10—隔板 9—放油塞
油箱容量的计算
油箱容量与系统的流量有关，一般容量可取最大流量的3-5倍。
另外，油箱容量大小可从散热角度去设计。
a）系统发热量计算 在液压系统中，凡系统中的损失都变成热能散发出来，在一个周期中，每一个工况其效率不同，因此损失也不同，在本次设计中，近似认为每个工况的效率相同，一个周期发热的功率计算公式为：
（3.14）
式中 H——一个周期的平均发热功率，W；
T——一个周期时间，s；
——第i个工况的输入功率，W；
——第i个工况的效率；
——第i个工况的持续时间，s。
b）散热量计算
当忽略系统中其他地方的散热，只考虑油箱散热时，即系统的总发热功率H全部由油箱散热来考虑。
这时油箱的散热面积A的计算公式为
（3.16）
式中 A——油箱的散热面积，；
H——油箱需要散热的热功率，W；
——油温（一般以55考虑）与周围环境温度的温差，；
K——散热系数。
与油箱周围通风条件的好坏而不同，通风很差时K＝8～9，良好时K=15～17.5，风扇强行冷却时K＝20～23，强迫水冷时110～175。
本次设计选择K=9,此时散热面积为：
0.0269
c油箱容量的计算
设油箱的长、宽、高比值为a:
b:
c=1:
1:
1,边长分别为at、bt、ct时，t的计算公式为
（3.17）
式中A——散热面积，。
代入数据可得
则油箱的容积为V=389
由顶升液压缸的容积为V=227知，油箱中油量一般为油箱的80％，因为故知油箱的容积可取为283，综合油箱的其他形状，取油箱的容积为400。
3.5密封圈的选择
根据系统压力以及活塞的运动速度，本课题设计选择O形橡胶密封圈，其有关图形和尺寸公差如
时，。
内径的公差为
时，。
内径的公差为
如图3.5所示
图3.5O形橡胶密封圈
相关参数如表3.2所示
表3.2O形橡胶密封圈公差及尺寸
d1
d2
d1
d2
内径
公差
1.80
±
0.08
2.65
±
0.09
3.55
±
0.10
5.30
±
0.13
7.00
±
0.15
内径
公差
1.80
±
0.08
2.65
±
0.09
3.55
±
0.10
5.30
±
0.13
7.00
±
0.15
14.0
15.0
16.0
17.0
18.0
±0.17
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51.5
53.0
54.5
56.0
58.0
60.0
61.5
63.0
65.0
67.0
69.0
71.0
73.0
75.0
77.0
80.0
±
0.44
±
0.53
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19.0
20.0
21.2
22.4
23.5
25.0
25.8
26.5
28.0
30.0
±0.22
31.5
32.5
33.5
82.5
85.0
3.6弹簧的设计
3.6.1单向阀弹簧的设计
此设计要求弹簧充当单向阀的作用，不需要弹簧有很大的弹性系数，但要求弹簧有一定的刚度，在外载荷的作用下，弹簧不能发生失效变形。
设计如下
图3.6圆柱螺旋压缩弹簧的结构参数
根据公式
（3.18）
式中 P——弹簧负荷，MPa；
D——弹簧中径，mm；
d——弹簧材料直径，mm；
K——屈服系数，，其中为绕度比。
根据油口的直径确定弹簧的外径D=3mm， C=8,则d=0.375mm，，K=0.937，取P=1N。
则<50MPa，满足要求。
3.6.2柱塞弹簧的设计
弹簧的材料选择为弹簧钢，弹簧的作用是将活塞杆推回，且推动为横向推动，其推力初步定为P=1N，其切应力根据相关资料查询
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