汽车电动液压千斤顶设计 摘要 液压举升机是利用了液压传动的基础原理即机械能与液压能之间的相互转换。汽车电动液压千斤顶是典型的液压传动的设备。本次设计的千斤顶不仅仅具备传统液压千斤顶所具有结构紧密相连、体积小、重量轻、携带方便、性能可靠等优点，被大范围的应用于汽车维修等流动性起重的作业；还利用汽车自带的12V电源为电动机供电，电动机带动齿轮油泵产生液压油使液压缸举升，减少了驾驶员的劳动强度。本次设计参考其他千斤顶的设计的具体方案，对汽车电动液压举升机的结构做了详细布置，并对举升缸进行了详细设计和计算，而且根据所选的液压缸及举升速度等设计了齿轮泵，匹配了电动机。 关键字：液压传动；千斤顶；电动齿轮油泵；汽车举升； Abstract Hydraulic lifting machine is the use of the basic principle of hydraulic transmission is mechanical energy and hydraulic energy conversion between. Automobile electric hydraulic jack is a typical equipment of hydraulic transmission. Jack this design has not only the traditional hydraulic jack has compact structure, small volume, light weight, carrying convenient, reliable performance, are widely used in automotive repair and other liquidity lifting operation; also used the 12V power car comes to power an electric motor, the motor drives the gear oil pump of hydraulic oil hydraulic cylinder lifting, reduce the labor intensity of the driver. Design the design reference other jack, the structure of electric hydraulic lifting machine for automobile to do a detailed arrangement, and the lifting cylinder are calculated and design in detail, and according to the selected hydraulic cylinder and the lifting speed gear pump design, matching the motor. Keywords：hydraulic transmission； jack;；electric gear pump ；auto lifting； 目录 汽车电动液压千斤顶设计 I 摘要 I Abstract II 目录 III 第1章 绪论 1 1.1、 液压传动的应用场景范围的基础原理 1 1.2、 国内外千斤顶发展状况 1 第2章 总体设计的具体方案 4 2.1、 液压千斤顶的原理图 4 2.2、 汽车电动液压千斤顶的组成 6 2.3、 液压传动的优缺点 7 第3章 液压千斤顶结构设计 9 3.1、 液压缸设计 9 3.2、 活塞杆设计 14 3.3、 液压缸其他部件设计 17 3.4、 液压控制阀的设计 18 第4章 齿轮泵设计与校核 20 4.1、 齿轮泵的工作原理 20 4.2、 齿轮泵的结构特点 21 4.3、 困油现象及卸荷 22 4.4、 齿轮参数的确定与校核 23 4.5、 确定卸荷槽形状和尺寸 26 4.6、 主轴的设计计算 27 4.7、 键的尺寸设计及强度计算 28 4.8、 电动机的选择 29 第5章 总结 i 致谢 i 参考文献: ii 绪论 液压传动的应用场景范围的基础原理 液压传动有许多突出的优点，因此它的应用十分普遍，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。 液压传动的基础原理是在密闭的容器内，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和物理运动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。 在液压传动中，液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系统，分析它的工作过程，可以清楚的了解液压传动的基础原理。 国内外千斤顶发展状况 早在20 世纪40 年代，卧式千斤顶就慢慢的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。后来跟着社会需求量的增大以及千斤顶本身技术的发展，在90 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。在90 年后期国外研制出了充气千斤顶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，汽车将千斤顶鼓起成为圆柱体。这种千斤顶可以把115t 重的汽车顶起70cm。Power-Riser Ⅱ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。另外一种名为Truck Jack 的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做维修，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承。 国内发展状况 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。但是经过全面改进和重新设计，在外形好看,使用起来更便捷,承载力大，寿命长等方面,都超过了国外的同种类型的产品，并且迅速打入欧美市场。经过多年设计与制造的实践，除了卧式千斤顶以外，我国的千斤顶还规格齐全，形成系列新产品。? 随着我们国家汽车工业的加快速度进行发展，汽车随车千斤顶的要求也慢慢变得高；同时随市场竞争的加剧，用户想要的一直在变化，将迫使千斤顶的设计质量要逐步的提升，以适应用户的需求。用户喜欢的、市场需要的千斤顶将不仅要求重量轻，携带方便，外形好看，使用可靠，还会对千斤顶的进一步自动化，甚至智能化都有所要求。如何充分的利用经济、情报、技术、生产等各类原理知识，使千斤顶的设计工作真正优化？如何在设计过程中充分的发挥设计人员的创造性劳动和集体智慧，提升产品的使用价值及企业、社会的经济效益？?如何在知识经济的时代充分的利用各种有利因素，对资源进行相对有效整合等等都将是我们面临着又一定要解决的重要的问题。 课题的研究内容及解决的主体问题? 1．了解传统液压千斤顶的研究现状，和液压千斤顶在国内外的使用情况，以及存在的一些问题。? 2．了解传统液压千斤顶的组成和液压千斤顶的详细构造、各个零件的尺寸功能和组装方法。? 3．对汽车电动液压千斤顶进行详细的设计工作。? 研究思路及方法? 1．在图书馆和网络上查询相关的书籍，了解相关的知识。 ?2．与指导老师和同学交流相关的知识、经验。 ?3．制定详细的汽车电动液压千斤顶的设计目标。? 4．计算液压千斤顶以及各个零件的详细数据。? 5．通过AutoCAD软件进行汽车电动液压千斤顶的装配图以及零件图的绘制，并利用solidworks辅助设计软件对汽车电动液压千斤顶建立模型，验证设计的可行性。 总体设计的具体方案 液压千斤顶的原理图 图2-1 液压千斤顶工作原理图 如图2-1液压千斤顶的工作原理图为传统的手压式液压千斤顶的工作原理图，如该原理图所示大缸体3和大活塞4组成举升缸；杠杆手柄6、小缸体8、活塞7、单向阀5和9组成手动液压泵。活塞和缸体之间保持良好的配合关系，又能实现可靠的密封。当抬起手柄6，使小活塞7向上移动，活塞下腔密封容积增大形成局部线打开，油箱中的油在大气压力的作用下通过吸油管进入活塞下腔，完成一次吸油动作。 当用力压下手柄时，活塞7下移，其下腔密封容积减小，油压升高，单向阀9关闭，单向阀5打开，油液进入举升缸下腔，驱动活塞4使重物G上升一段距离，完成一次压油动作。反复地抬、压手柄，就能使油液不断地被压入举升缸，使重物不断升高，达到起重的目的。如将放油阀2旋转90°（在实物上放油阀旋转角度是能改变的），活塞4可以在自重和外力的作用下实现回程。这就是液压千斤顶的工作过程。 本次设计的汽车电动液压千斤顶是基于传统的手压式液压千斤顶的工作原理，但在进油方式上从传统的手压式改进为采用电动机带动齿轮油泵的方式，为了可以携带和使用起来更便捷，所以选用的电机采用车载12V电源。本次设计的汽车电动液压千斤顶的总布置如图2-2所示： 图2-2 汽车电动液压千斤顶布置图 汽车电动液压千斤顶的组成 液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分所组成。 (1).动力元件（油泵） 它的作用是把液压油利用原动机（电动机）所产生的机械能转换成液压能，是液压传动系统中的动力部分。 (2).执行元件（油缸） 它的作用是将液体的液压能转又重新转换成机械能，达到我们所希望举升重物的效果。其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。 (3).控制元件 包括压力阀、流量阀和方向阀等，它们的作用是根据自身的需求无级调节液压动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。 (4).辅助元件 除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件及油箱等，它们同样十分重要。因为本次设计最简单，所以在考虑辅助元件时没有太多的考虑。 (5).工作介质 工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。 液压千斤顶特点 液压传动的优缺点 液压传动的优点 体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的10％～20%。因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速，且调速范围最大可达1：2000(一般为1：100)换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，常规使用的寿命长操纵控制简便，自动化程度高容易实现过载保护液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用液压传动的缺点 使用液压传动对维护的要求高，工作油要从始至终保持清洁对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本比较高液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作，一般工作时候的温度在-15~60℃范围内较合适液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低 液压缸主要参数及尺寸的确定 工作负载的计算 （式3-1） （式3-2） 式中，：液压缸轴线方向上的外作用力 （N） ：液压缸轴线方向上的重力 （N） ：运动部件的摩擦力 （N） ：运动部件的惯性力 （N） ：液压缸的工作负载 （N） 液压缸轴线方向上的外作用力为千斤顶上的重物的力。 所以 注：G取 由于千斤顶的压力主要在垂直方向，且缸壁上由液压油润滑，所以千斤顶液压缸内的活塞杆与液压缸壁之间的摩擦可忽略。即=0N。 运动物体的惯性力只考虑千斤顶上重物的惯性力。 所以： (根据现有千斤顶的设计速度，设其活塞杆上升的速度为5mm/s， 由于设计的液压缸的举升高度为160mm，所以液压缸的上班时间为32s）. 根据以上所得，根据式3-1所示，故总负载力为： 液压缸工作所承受的压力的选定： 由以上得到工作负载R，再根据下表得R在10000到20000N之间，所以选择系统压力为3MPa。 表3-1 液压系统压力推荐表 负载（N） 5000 500—1000 1000—20000 20000—30000 30000-50000 〉50000 工作所承受的压力（MPa） 0.8-1 1.5-2 2.5-3 3-4 4-5 .5 液压缸内径的确定： 液压缸内径D根据最大总负载和选取的工作所承受的压力而定，对于单杆液压缸而言，根据负载大小选择系统压力表计算，计算公式如下： （式3-3） 其中： D为液压缸内径； F为液压千斤顶总负载力（KN）； P为液压千斤顶的工作所承受的压力(MPa)。 根据公式3-3可得：D为活塞杆直径 所以： 根据表3-2，选择液压缸内径为100mm。 表3-2 液压缸内径系列（GB/T2348-1993） 缸壁厚度：δ? A.?当时，按薄壁筒计算：? （式3-4） —?缸壁厚度?(m)? —试验压力（MPa）? 当工作所承受的压力≤16MPa时??=1.5p? 当工作所承受的压力≥16MPa时???=1.25p? [σ]—缸体材料的许用应力（MPa）? 表3-3 缸体材料许用应力表 缸体材料 锻钢 铸钢 球墨铸铁 铸铁 钢管 许用应力 100~120MPa 100~110MPa 80~90MPa 60MPa 100~110MPa 根据公式3-4所示： 经过计算的缸壁厚度=18.75mm。 按工程机械???P≤16MPa?无缝管20号，P﹥16MPa无缝管45号，参考液压缸外缸径推荐表3-4所示： 表3-4 液压缸外缸径推荐表 确认液压缸的外径为133mm。 液压缸的长度 液压缸的长度一般由工作行程长度确定，但还需要注意制造工艺性和经济性，一般L(10-30)D L：是液压缸长度; D：是缸体外径。 经过计算，液压缸的长度L1m时符合标准要求，具体长度应该要依据设计具体设计。 液压缸缸底厚度计算 对于缸底有空的计算式为： （式3-5） 其中D为液压缸内径m; 由上可知D=0.1m —试验压力（MPa）;由上可知=1.5P=4.5 MPa. 油口直径m。 [σ]—缸体材料的许用应力（MPa） 缸盖采用45号钢，查表3-2知[σ]=120 MPa。 由式3-5知： 考虑到油管为5mm,所以液压缸缸底厚度h=25mm. 缸盖厚度的设计 H为法兰厚度（m）; F为法兰受力总和（N）; P为系统工作所承受的压力（Pa） 为螺孔分布圆直径（m） 为密封环平均直径（m） 为法兰材料许用应力（Pa） 缸盖厚度为10mm 大液压缸的推力验算 当液压缸的基本信息参数确定后，能够最终靠以下计算实际在做的工作推力。 （式3-4） 式中，A：活塞有效工处面积： F：液压缸工作所承受的压力。 所以， 在大液压缸的实际在做的工作推力： 经过计算，液压缸的推力符合 活塞杆设计 液压缸的流量计算 在液压缸的基本信息参数确定后，能够最终靠以下计算实际在做的工作流量。 （式3-4） 式中，V：液压缸工作速度： A：液压缸有效工作面积。 根据速度比要求确定活塞杆直径： （式3-5） 为速度比 根据表3-5 推荐选用速度比，选定=1.33 表3-5 推荐选用速度比 工作所承受的压力P(MPa) 10 12.5~20 20 速度比 1.33 1.46~2 2 表3-6 活塞杆外径尺寸推荐表 根据活塞杆外径尺寸推荐表3-6可知，活塞杆内径可选择d=70mm 活塞杆的直径验算 按简单的拉压强度计算 （ 式3-4） 为活塞材料的许用应力，活塞杆材质采用球墨铸铁，由表3-2得，=80MPa。 为活塞输出力，由以上可知=23.55KN 由此可知，活塞的直径,契合设计要求。 最小导向长度的确定 式中，H：最小导向长度（m） L:液压缸最大工作行程（m） D：液压缸内径（m） 所以 取H=58mm 液压缸油口直径计算 根据活塞的最高运动速度V和最高流速，计算公式如式3-5所示。 （式3-5） 为活塞输出的最高速度m/min； 为油口流速m/min, =30m/min 油口直径m D为液压缸内径m; 液压缸主要零件的材料和技术方面的要求 零件名 材料 技术方面的要求 缸体 45号无缝钢管 A.内径圆度 B.缸体与端部用螺纹连接 C.为防止腐蚀和提高寿命，内表面镀铬，层厚30—50mm 缸盖 45号钢 A.D ，D2 d3的同轴度小于0.03mm B.导向室表面粗糙度大于3.2um 活塞 耐磨铸铁 A.D精加工后热处理，调质硬度HB217-255，必要时高频焠火45—50 B. 表面直线号钢 液压缸其他部件设计 活塞与缸体的密封方式 密封方式选用O形橡胶密封圈，这类密封为挤压密封，结构相对比较简单，安装便捷，空间小，使用范围广，适用所选系统的工作所承受的压力。 活塞与缸体的密封图如图3-1所示。 图3-1 密封方式 根据《简明机械零件设计手册》表19-16 通用O型橡胶密封圈，选择O型圈97.5*1.8。 油箱的设计 立式千斤顶的外管主要的作为是用来储存多余的液压油，在无电动源作用的情况下，外管起了一个油箱的作用。 由上可知道内管的内径为D=100mm H=165mm 油箱的容量 (式3-6) 为油缸底面积 为油缸举升高度。 而油箱的容积 (式3-6) 为油箱的外径 为液压缸的外径 由(式3-5)和(式3-6)得： 由上式得：=105mm 液压缸壁厚h=16.5mm 取油箱外径为8mm 所以取=130mm 材料和液压缸相同 液压控制阀的设计 方向控制阀 方向控制阀是控制液压系统中油液流动方向的，它为单向阀和换向阀两类。单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。本次设计采用了普通单向阀。 普通单向阀 普通单向阀简称单向阀，它的作用是使用油液只能沿一个方向流动，不许反向倒流。图3-2所示为直通式单向阀的结构及图形符号。压力油从p1流入时，克服弹簧3作用在阀芯2上的力，使阀芯2向右移动，打开阀口，油液从p1口流向p2口。当压力油从p2口流人时，液压力和弹簧力将阀芯压紧在阀座上，使阀口关闭，液流不能通过。 图3-2单向阀 1、 阀体；2、阀芯；3、弹簧 单向阀的弹簧主要用来克服阀芯的摩擦阻力和惯性力，使阀芯可靠复位，为了减小压力损失，弹簧钢度较小，一般单向阀的开启为0.03 MPa～0.05 MPa（如换上刚度较大的弹簧，使阀的开启压力达到0.2 MPa～0.6 MPa，便可当背压阀使用）。 液控单向阀 图3-3 液控单向阀 单向阀是流体只能沿进水口流动，出水口介质却无法回流的装置。所以液压单向阀也可以称为止回阀。 如图3-3所示是一个可控的单向阀，图左，当A压力大于B时，压力推动单向阀芯克服弹簧作用力，介质可以由A流向B。而当B压力大于A时，在介质压力和弹簧共同作用下，单向阀芯只会紧闭，介质无法由B流向A。 当X有压力时，控制活塞向右移动，推开单向阀芯，使A、B可以互通。 单纯的单向阀没有X通路和控制活塞。 齿轮泵设计与校核 齿轮泵的工作原理 外啮合齿轮泵的工作原理图如图4-1所示： 图4-1外啮合齿轮泵工作原理图 由图4-1可见，这种泵的壳体内装有一对外啮合齿轮。由于齿轮端面与壳体 端盖之间的缝隙很小，齿轮齿顶与壳体内表面的间隙也很小，因此能看成将齿轮泵壳体内分隔成 左、右两个密封容腔。当齿轮按图示方向旋转时，右侧的齿轮逐渐脱离啮合，露出齿间。因此这 一侧的密封容腔的体积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下经泵的吸油 口进入这个腔体，因此这个容腔称为吸油腔。随着齿轮的转动，每个齿间中的油液从右侧被带到 了左侧。在左侧的密封容腔中，轮齿逐渐进入啮合,使左侧密封容腔的体积逐渐减小，把齿间的油 液从压油口挤压输出的容腔称为压油腔。当齿轮泵不断地旋转时

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