千斤頂設(shè)計(jì)【機(jī)械式剪式電動(dòng)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)】【說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE+仿真】,機(jī)械式剪式電動(dòng)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì),說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE+仿真,千斤頂設(shè)計(jì)【機(jī)械式剪式電動(dòng)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)】【說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE+仿真】,千斤頂,設(shè)計(jì),機(jī)械式,電動(dòng),說(shuō)明書(shū),仿單,cad,proe,仿真 摘要 千斤頂作為一種傳統(tǒng)頂舉重物的工具，在建筑、鐵路、醫(yī)療、汽車(chē)維修等各領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。本文主要針對(duì)汽車(chē)用千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)與制造技術(shù)進(jìn)行了研究。 本文首先綜合分析了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)用千斤項(xiàng)的發(fā)展現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，討論了開(kāi)發(fā)新型汽車(chē)用千斤頂?shù)囊饬x。在綜合分析比較各種現(xiàn)有汽車(chē)用千斤頂方案特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了電動(dòng)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用遺傳算法來(lái)對(duì)汽車(chē)千斤頂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)千斤頂?shù)捻斉e臂和齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)目標(biāo)方程的優(yōu)化計(jì)算。最后校核優(yōu)化結(jié)果，證明優(yōu)化結(jié)果是可靠的。 本文還完成了課題研究所需的建模工作，使用三維軟件對(duì)新型千斤項(xiàng)主要零部件及系統(tǒng)建立了三維幾何模型，同時(shí)也建立了適用于優(yōu)化計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。 目錄 摘要 1 第一章 緒論 2 1.1本課題研究的意義 2 1.2國(guó)內(nèi)外外千斤頂技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 6 1.2.1國(guó)外發(fā)展情況 6 1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況 7 第二章 千斤頂關(guān)鍵部件的詳細(xì)設(shè)計(jì) 10 2.1千斤頂?shù)闹饕O(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 10 2.2千斤頂運(yùn)動(dòng)與受力分析 11 2.2.1千斤頂運(yùn)動(dòng)分析 11 2.2.2千斤頂受力分析 14 第三章 千斤頂?shù)牟考O(shè)計(jì) 17 3.1螺旋傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算校核 17 3.1.1耐磨性計(jì)算 18 3.1.2螺桿的強(qiáng)度計(jì)算 19 3.1.3螺桿的穩(wěn)定性計(jì)算 20 3.2減速裝置設(shè)計(jì)計(jì)算校核 21 3.2.1傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 3.2.2電動(dòng)機(jī)選擇 23 3.2.3保護(hù)裝置 24 第四章 舉臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算 26 4.1設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù) 26 4.2約束條件 26 4.3優(yōu)化計(jì)算及結(jié)果 28 第五章 齒輪傳動(dòng)優(yōu)化計(jì)算 29 5.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立 29 5.2設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù) 29 5.3約束條件 30 5.4優(yōu)化計(jì)算及結(jié)果 32 5.5齒輪強(qiáng)度校核 33 5.5.1齒輪1強(qiáng)度校核 33 5.5.2大齒輪2強(qiáng)度校核 36 5.5.3小齒輪3強(qiáng)度校核 38 結(jié)論 40 參考文獻(xiàn) 41 第一章 緒論 1.1本課題研究的意義 本課題的主要任務(wù)是探討已有的汽車(chē)用千斤頂技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種新型的電動(dòng)汽車(chē)用千斤頂，并將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法運(yùn)用于汽車(chē)用千斤頂設(shè)計(jì)，提高其使用性能，降低生成成本。 千斤頂對(duì)于人們來(lái)說(shuō)并不陌生，日常生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到這樣一些情況：例如需要將重物如車(chē)輛、大型設(shè)備、井下軌道等在沒(méi)有起吊設(shè)備的情況下移動(dòng)或抬起它們，而僅靠人工操作是非常困難甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，這就需要用到千斤項(xiàng)。 由此可見(jiàn)，千斤頂與人們的生活密切相關(guān)。作為一種傳統(tǒng)頂舉重物的工具，千斤頂在建筑、鐵路、醫(yī)療、汽車(chē)維修等各領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。目前，在生產(chǎn)實(shí)踐中使用著以下各種各樣的千斤項(xiàng)； (1)在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用的千斤頂主要有鋼絞線千斤頂[1]、松卡式千斤頂[2]、穿心式千斤頂、掩護(hù)支架平衡千斤頂、預(yù)應(yīng)力前卡式千斤頂、預(yù)應(yīng)力張拉式千斤頂[3]、窄空間小噸位千斤頂?shù)龋? (2)在汽車(chē)運(yùn)輸維修部門(mén)應(yīng)用的千斤頂有螺旋千斤頂、剪式千斤頂、液壓千斤頂、充氣千斤頂?shù)龋? (3)在醫(yī)療衛(wèi)生部門(mén)應(yīng)用的有X線刀機(jī)械微調(diào)千斤頂[4]； (4)除此以外還有應(yīng)用在其他領(lǐng)域的一些千斤項(xiàng)。 由于使用對(duì)象的差別和使用場(chǎng)合的不同，在汽車(chē)維修領(lǐng)域也有各種各樣不同類(lèi)型的產(chǎn)品出現(xiàn)。汽車(chē)用千斤頂?shù)姆诸?lèi)方法如下： (1)按汽車(chē)用千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)，可分為立式千斤頂、臥式千斤頂和剪式千斤頂。 目前開(kāi)發(fā)出的立式千斤頂多為手動(dòng)方式，它是一種常用的頂舉或提升重物的輕小型起重設(shè)備，廣泛應(yīng)用于起重、運(yùn)輸、裝卸、安裝及某些特殊工藝操作[5]。這種立式千斤頂技術(shù)成熟，但在送入車(chē)下起頂部位和起頂時(shí)，由于操作者不能完全在車(chē)外部進(jìn)行操作，因此操作不便。 臥式千斤頂由油泵、工作油缸、頂臂、承力盤(pán)、手柄、側(cè)板和輪子組成，使用時(shí)可以讓用戶在車(chē)外方便地操作。它的起頂高度低．可達(dá)高度高，上升速度也較快，但起重噸位較低，本身尺寸較大，目前常用的有以下幾種臥式千斤頂： 輕型：用于轎車(chē)隨車(chē)工具或自各外出以供急需，由于對(duì)象固定，因而可設(shè)計(jì)得小巧、輕便。用于隨車(chē)工具或私人車(chē)庫(kù)維修設(shè)備，屬不定期使用，故并不強(qiáng)調(diào)牢固耐用。 中型：用于一般汽車(chē)維修工具，供修理汽車(chē)用，由于對(duì)象范圍廣，使用頻度高，故要求操作方便快速，穩(wěn)定性好，并要求一定壽命。 重型：用于有較大周轉(zhuǎn)場(chǎng)地的維修或事故搶救。由于使用條件限制，因而要求數(shù)量不是很多，從而單價(jià)高、使用頻度高，因此這種千斤頂一般須有使用壽命的要求(一般不低于200次)[6]。 剪式千斤頂是一種原理臥式千斤頂。剪式千斤頂有機(jī)械式的，也有液壓式的。機(jī)械剪式千斤頂整個(gè)系統(tǒng)一般由上下舉臂、絲桿和底座組成。若是電動(dòng)剪式千斤頂，則還有電機(jī)、減速箱和固定板；液壓剪式千斤頂則在底座上設(shè)有油室及油路連通機(jī)構(gòu)。剪式千斤頂一般有手動(dòng)和電動(dòng)兩種操作方式。 (2)根據(jù)汽車(chē)用千斤頂動(dòng)力來(lái)源的不同，可分為手動(dòng)千斤頂、電動(dòng)千斤項(xiàng)和電動(dòng)手動(dòng)兩用千斤頂。手動(dòng)千斤頂?shù)膭?dòng)力來(lái)源是人力驅(qū)動(dòng)。雖然制造簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但由于使用時(shí)必須用手不斷操作才能升降套簡(jiǎn)或舉臂，所以費(fèi)時(shí)費(fèi)力，使用極其不便。如前面提到的立式千斤頂和臥式千斤項(xiàng)太都是手動(dòng)方式。 電動(dòng)千斤頂?shù)膭?dòng)力來(lái)源是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。使用時(shí)直接利用汽車(chē)自備電源，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂齐娐穪?lái)實(shí)現(xiàn)所需要的功能，代替手工操作控制千斤頂?shù)纳怠Ｒ虼讼鄬?duì)手動(dòng)千斤頂來(lái)說(shuō)它提高了工作效率，避免了重復(fù)繁重的體力勞動(dòng)，為司機(jī)創(chuàng)造出一種方便、高效、省力的修車(chē)環(huán)境和條件。但是單純的電動(dòng)千斤頂同樣存在著局限性，如當(dāng)電動(dòng)裝置損壞或者由于別的原因而導(dǎo)致電動(dòng)裝置無(wú)法工作時(shí)千斤頂就無(wú)法使用。 電動(dòng)手動(dòng)兩用千斤頂?shù)膭?dòng)力來(lái)源既可以是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)又可以是人力驅(qū)動(dòng)。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的驅(qū)動(dòng)方式。這種功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是電動(dòng)方式與手動(dòng)方式的切換裝置。它既可吐克服手動(dòng)千斤項(xiàng)的低效、費(fèi)力、不便等缺點(diǎn)，又可以擁有單純電動(dòng)千斤頂所無(wú)法具有的廣泛實(shí)用性優(yōu)點(diǎn)。所以現(xiàn)在大多數(shù)用戶已經(jīng)不再使用傳統(tǒng)的手動(dòng)千斤頂，轉(zhuǎn)而使用電動(dòng)或電動(dòng)手動(dòng)兩用千斤項(xiàng)?，F(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出的電動(dòng)千斤頂種類(lèi)較多，有機(jī)械式的，也有液壓式的；有直接控制式的[8]，也有紅外遙控式的m。 (3)根據(jù)汽車(chē)用千斤項(xiàng)傳動(dòng)類(lèi)型的不同，可分為機(jī)械傳動(dòng)千斤頂和液壓傳動(dòng)千斤頂。 機(jī)械傳動(dòng)千斤頂是通過(guò)機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)千斤項(xiàng)的傳動(dòng)功能，如立式螺旋千斤頂。工作時(shí)千斤頂?shù)穆菽腹潭ǎ檬直苯域?qū)動(dòng)螺桿作螺旋運(yùn)動(dòng)，從而將螺桿端部承力盤(pán)上的重物頂起。立式螺旋千斤頂除了采用手柄直接驅(qū)動(dòng)螺桿的傳統(tǒng)方式以外，還有以齒輪傳動(dòng)(圓柱直齒或錐齒輪)來(lái)驅(qū)動(dòng)螺桿的方式。 液壓千斤項(xiàng)則是通過(guò)液壓裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)膫鲃?dòng)功能。它將密封在油缸中的液體作為介質(zhì)，把液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而將重物向上項(xiàng)起[10]。液壓千斤頂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，自潤(rùn)滑性好，舉升力大，易于維修，但同時(shí)制造精度要求較高，效率低，操作不當(dāng)時(shí)支點(diǎn)易滑脫，存在不安全因素[11]。若出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象將引起舉升汽車(chē)的下降，保險(xiǎn)系數(shù)降低，使用其舉升時(shí)易受部位和地方的限制。 綜上所述，雖然已有多種汽車(chē)用千斤頂，但這些產(chǎn)品大多利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，存在進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高性能、降低成本的可能。 另一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們消費(fèi)水平的提高，用戶需求也在發(fā)生著巨大的變化。消費(fèi)者將不再僅僅追求產(chǎn)品的結(jié)實(shí)、耐用、安全，而進(jìn)一步關(guān)注產(chǎn)品的功能、經(jīng)濟(jì)、美學(xué)等特性[12]。就汽車(chē)用千斤頂來(lái)說(shuō)，隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們也對(duì)產(chǎn)品提出了更高的要求，千斤項(xiàng)應(yīng)當(dāng)在滿足功能要求的前提下向輕便化、美觀化、經(jīng)濟(jì)化發(fā)展。 1.2國(guó)內(nèi)外外千斤頂技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1國(guó)外發(fā)展情況 早在20世紀(jì)40年代，式千斤頂就已經(jīng)開(kāi)始在國(guó)外的汽車(chē)維修部門(mén)使用，但由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和使用上的原因，其尺寸較大，承載量較低。后來(lái)隨著社會(huì)需求量的增大以及千斤頂本身技術(shù)的發(fā)展，臥式千斤頂逐漸向小型化發(fā)展。在90年代初國(guó)外絕大部分用戶已以臥式千斤頂替代了立式千斤頂[6]。 在90年代后期國(guó)外研制出了充氣千斤頂m，和便攜式液壓千斤頂?shù)刃滦颓Ы镯敗３錃馇Ы镯斒怯杀＜永麃啞?chē)運(yùn)輸研究所發(fā)明的，它用有彈性而又非常堅(jiān)固的橡膠制成。Truck Jack型便攜式液壓千斤頂則可用于對(duì)已斷裂的貨車(chē)轉(zhuǎn)向架彈簧進(jìn)行俠速的現(xiàn)場(chǎng)維修。該千斤頂能在現(xiàn)場(chǎng)從側(cè)面對(duì)裝有70—125t級(jí)轉(zhuǎn)向架的大多數(shù)卸載貨車(chē)進(jìn)行維修，并能完全由轉(zhuǎn)向架側(cè)架支撐住。它適用于車(chē)間或軌道上無(wú)需使用鋼軌、道碴或軌枕作支承的情況[18]。 1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展情況 我國(guó)千斤頂技術(shù)起步較晚，由于歷史的原因，直到1979年才接觸到類(lèi)似于國(guó)外臥式千斤頂這樣的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)多年設(shè)計(jì)與制造的實(shí)踐，除了臥式千斤項(xiàng)以外，我國(guó)還研制出了新型折疊式液壓千斤頊、新型剪式千斤頂、快速升降千斤頂、多用千斤頂、便攜式電(手)動(dòng)汽車(chē)用千斤頂、單動(dòng)式千斤頂、雙動(dòng)式千斤頂、薄型千斤項(xiàng)、超薄型千斤項(xiàng)、空心千斤頂、實(shí)心千斤頂、柱塞千斤頂、高噸位千斤項(xiàng)等多種千斤頂[20]。 經(jīng)過(guò)我國(guó)自行研發(fā)生產(chǎn)，我國(guó)生產(chǎn)的汽車(chē)用千斤頂產(chǎn)品在外形、使用、承載力、壽命等方面都得到了很大的改進(jìn)，有些已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。目前我國(guó)的汽配企業(yè)不僅供應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，每年還出口約500萬(wàn)臺(tái)汽車(chē)用千斤頂?shù)绞澜绺鞯豙21]。雖然如此，仔細(xì)分析千斤頂設(shè)計(jì)制造的技術(shù)水平，采用先進(jìn)技術(shù)不足，仍存在較大的改進(jìn)空間。 典型汽車(chē)用千斤項(xiàng)特點(diǎn)比較（有幾種千斤頂?shù)谋容^） 1.2.2.1立式千斤頂 如緒論中所述．立式千斤頊雖然技術(shù)比較成熟，但在送入車(chē)下起頂部位和起項(xiàng)時(shí)，操作者不能在汽車(chē)外部進(jìn)行操作，造成使用不便。而且它的起頂高度比較高，不適合底盤(pán)很低的小轎車(chē)使用，限制了其應(yīng)用范圍。因此在設(shè)計(jì)制造新型千 斤頂時(shí)不采用立式結(jié)構(gòu)。 1.2.2.2臥式千斤頂 臥式千斤頂在使用時(shí)可以讓用戶在車(chē)外方便地操作，同時(shí)它的起頂高度低，可達(dá)高度高，上升速度也較快，很好地克服了立式千斤頂存在的不足。但是由于臥式千斤項(xiàng)自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，也存在著尺寸較大、起重噸位較低等不足。 1.2.2.3剪式千斤頂 剪式千斤頂分液壓式和機(jī)械式兩種傳動(dòng)方式。普通液壓式剪式千斤頂具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，自潤(rùn)滑性好，舉升力大，便于維修等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有效率低，存在不安全因素等缺點(diǎn)。雖然采用改進(jìn)之后的結(jié)構(gòu)可以克服上述不足，但同時(shí)又會(huì)增加設(shè)備的制造難度和成本；而且液壓千斤頂存在液壓油容易泄漏，造成環(huán)境污染等問(wèn)題。所以本課題不采用液壓傳動(dòng)方式。 機(jī)械式剪式千斤頂能夠穩(wěn)定、安全、迅速、可靠地將車(chē)輛或重物舉起，同時(shí)還具有起頂高度低、可達(dá)高度高、起重噸位太、尺寸緊湊等優(yōu)點(diǎn)，適合作為各種車(chē)輛的修車(chē)必備工具而隨車(chē)攜帶123]。表1-l為現(xiàn)有各種汽車(chē)用千斤頂設(shè)計(jì)方案的詳細(xì)比較[t4-27]。 方案名稱(chēng) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 紅外線遙控千斤頂 可以實(shí)現(xiàn)一定距離內(nèi)的遙控操作 遙控距離有限制靈敏度不高 行星減速器遙控電動(dòng)千斤頂 自動(dòng)化程度較高，可自動(dòng)停止升降運(yùn)動(dòng) 手動(dòng)操作時(shí)需將減速器和電機(jī)拆卸下來(lái) 普通電動(dòng)千斤頂 由撥叉實(shí)現(xiàn)電動(dòng)手動(dòng)切換 撥叉裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造成本高 臥式千斤頂 能夠穩(wěn)定迅速安全的將重物舉起 起頂噸位較低、尺寸較大 普通液壓千斤頂 輸出推力大重量輕體積小 效率低存在不安全因素 通過(guò)上述分析可知，現(xiàn)有多種方案各有優(yōu)點(diǎn)，但都存在著一定的不足，為滿足本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，擬采用機(jī)械剪式電動(dòng)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)方案，該方案操作簡(jiǎn)單，制造方便，可降低生產(chǎn)成本，且有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)性能良好：起頂高度低，可達(dá)高度高； (2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：重量輕，堅(jiān)固耐用，成本低； (3)操作方便。 第二章 千斤頂關(guān)鍵部件的詳細(xì)設(shè)計(jì) 2.1千斤頂?shù)闹饕O(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) 汽車(chē)用千斤頂作為汽車(chē)的舉升工具，其主要功能是承受汽車(chē)車(chē)身重量。由汽車(chē)用千斤頂通常使用情況可知其實(shí)際承載一般不超過(guò)車(chē)身重量的一半，由于通常的小轎車(chē)車(chē)身重量在2000kg以下，因此為了使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有普遍適用性，將其最大承受載荷設(shè)計(jì)為1000kg。 轎車(chē)底盤(pán)離地距一般為12-17cm高，城市SUV的離地距一般是16-20cm。將其最低高度設(shè)計(jì)為165mm。 其具體技術(shù)指標(biāo)如下： (1)最大承受載荷：1000kg (2)最低高度：165mm (3)起升高度：220mm (4)最大高度：385mm (5)驅(qū)動(dòng)方式：電動(dòng) (6)凈重：5kg (7)外型尺寸：457×248×166(mm3) 千斤頂?shù)闹饕褂脳l件： (1)承載載荷不能長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)1000kg (2)驅(qū)動(dòng)電壓不能超過(guò)直流12V (3)注意防銹 (4)頂車(chē)時(shí)選好承重點(diǎn) (5)千斤頂應(yīng)安放在平整的可以承重的路面 2.2千斤頂運(yùn)動(dòng)與受力分析 2.2.1千斤頂運(yùn)動(dòng)分析 2.2.1.1千斤頂運(yùn)動(dòng)模型的建立 對(duì)于所選設(shè)計(jì)方案，根據(jù)汽車(chē)用千斤頂實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況可知，螺桿運(yùn)動(dòng)副一端為鉸接副，另外一端為移動(dòng)副。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)或手動(dòng)使螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聯(lián)接螺母相對(duì)于螺桿作水平運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)舉臂升降(螺桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聯(lián)接螺母相對(duì)于螺桿向著靠近鉸接端運(yùn)動(dòng)，舉臂上升；螺桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聯(lián)接螺母相對(duì)于螺桿向著遠(yuǎn)離鉸接端運(yùn)動(dòng)，舉臂下降)。此時(shí)隨著舉臂的升降，螺桿本身也存在著水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)和固定板同樣隨著千斤頂舉臂的升降而一起升降，而支撐底座始終保持不動(dòng)。 由此可以建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型圖。如圖2—1所示，以底座D為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0)，設(shè)螺桿與舉臂的夾角為α(0<α<90。)，臂長(zhǎng)為L(zhǎng)，則鉸接點(diǎn)A和移動(dòng)副C點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 A點(diǎn)：（xA,yA)=(-Lcosα,Lsinα) C點(diǎn)：（xC,yC)=(Lcosα,Lsinα) 項(xiàng)舉重物支承點(diǎn)B處坐標(biāo)為 B點(diǎn)：（xB,yB)=(O,2Lsinα) 圖2-1千斤頂運(yùn)動(dòng)模型圖 2.2.1.2千斤頂運(yùn)動(dòng)速度分析 主要分析A、B、C三點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度。A點(diǎn)與C點(diǎn)相對(duì)于千斤項(xiàng)縱向軸線對(duì)稱(chēng)，其運(yùn)動(dòng)情況相同，因此只需分析C點(diǎn)即可。 1 c點(diǎn)分析 由點(diǎn)的速度合成定理可知[28]，動(dòng)點(diǎn)C在某瞬時(shí)的絕對(duì)速度等于它在該瞬時(shí)的牽連速度與相對(duì)速度的矢量和。設(shè)C點(diǎn)的絕對(duì)速度為，牽連速度為，相對(duì)速度為，則 設(shè)螺桿導(dǎo)程為S(mm)，表示螺紋上任一點(diǎn)沿同一條螺旋線轉(zhuǎn)一周所移動(dòng)的軸向距離。螺距為P(mm)，螺紋線數(shù)為x，螺桿轉(zhuǎn)速為n(r／min)，螺母相對(duì)于螺桿的軸向速度為V(mm／s)，則 S=px(對(duì)于單線螺紋，x=1) V=Sn/60=np/60 在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，A點(diǎn)相對(duì)于螺桿水平向右運(yùn)動(dòng)，C點(diǎn)相對(duì)于螺桿水平向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，螺母相對(duì)于螺桿的軸向位移為S(mm)，A點(diǎn)和C點(diǎn)各有位移S／2，因此C點(diǎn)相對(duì)于螺桿水平向左運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)為螺桿速度的一半，即 =V/2=np／120 由速度合成圖可知： 所以 (3-1) 2．B點(diǎn)分析： 由理論力學(xué)知識(shí)可知，舉臂可以視為一剛體，從而可用剛體的平面運(yùn)動(dòng)方法加以分析求解。平面圖形內(nèi)任一點(diǎn)的速度等于基點(diǎn)的速度與該點(diǎn)隨圖形繞基點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度的矢量和。 以C點(diǎn)為基點(diǎn)求B點(diǎn)的速度，則 （3-2) 式中，表示基點(diǎn)C的絕對(duì)速度。 將式(3-2) 兩端分別對(duì)x，y軸投影，得 (3-3) 又因?yàn)椋?L為舉臂長(zhǎng)度，得 將式(3-1)代入上式，得 (3-4) 式中 ——B點(diǎn)上升速度，mm／s； n——螺旋轉(zhuǎn)速，r／rain； p——螺桿螺距，mm； ——螺桿與舉臂夾角，度（。） B點(diǎn)速度為在螺桿轉(zhuǎn)速為n(r／min)，螺距為P的情況下，當(dāng)螺桿與舉臂夾角為的時(shí)候，千斤頂頂舉重物上升的速度。由式(3-4)可以看出，千斤頂頂舉重物上升的速度隨著的增大而減小。由于在千斤頂上升過(guò)程中，螺桿與舉臂夾角逐漸增大，因此千斤頂頂舉重物的速度逐漸變小，在極限位置停止運(yùn)動(dòng)。 2.2.2千斤頂受力分析 2.2.2.1千斤頂受力模型的建立 千斤頂支承點(diǎn)B受到頂舉重物的壓力G，兩上舉臂受壓力，方向沿著舉臂軸線向里，所以舉臂對(duì)支承點(diǎn)B的頂舉力為反作用力，方向沿著舉臂向外，與重物對(duì)支承點(diǎn)B的壓力平衡，頂舉重物不斷上升，見(jiàn)圖3—4。以桿2為研究對(duì)象，它受到來(lái)自于重物(通過(guò)B點(diǎn)作用在桿2端部)的約束力和來(lái)自于螺桿移動(dòng)副的約束力，由于它只在兩個(gè)力作用下平衡，因此是二力桿。由二力桿的性質(zhì)可知這兩個(gè)力必定沿二力作用點(diǎn)的連線，等值、反向。其它舉臂可以此類(lèi)推。兩上舉臂(桿1和桿2)分別受軸向壓力T1和T2，由力的作用與反作用可知，桿1和桿2對(duì)支承點(diǎn)B的作用力分別為T(mén)1和T2，方向沿著舉臂軸線向外。與重物對(duì)支承點(diǎn)的壓力G形成三力平衡。 圖2-2千斤頂受力模型 2.2.2.2千斤頂?shù)男ｒ?yàn) 如圖2-2所示，千斤項(xiàng)起重量為G，B點(diǎn)受到重物的壓力G和桿1、桿2的反作用力和，此三力平衡，平衡方程如下： 在螺桿連接處的C點(diǎn)受到桿2、桿3的沿著舉臂軸線向外的反作用力和，同時(shí)還受到螺桿軸向拉力F，此三力平衡，平衡方程如下： 式中： ====T 聯(lián)立以上兩式，得 T=G／(2sinα) (3-5) F=Gctgα (3-6) 式中： F——螺桿受到的軸向拉力，N T——舉臂受到的軸向壓力，N G——被頂舉重物的重量，N α——螺桿與舉臂的夾角，度(0<α<90) 由式3-6可知，當(dāng)α不斷增大，F(xiàn)不斷減小，所以初始位置時(shí)，螺桿受力最大，應(yīng)該按初始位置進(jìn)行校核。 根據(jù)公式3-6可知，在α<25。時(shí)千斤頂舉臂和螺桿受力均非常大，因此設(shè)計(jì)時(shí)一般不把千斤頂起始頂舉位置定在位α<25。以下，而應(yīng)該把起始項(xiàng)舉位置限定于受力曲線開(kāi)始微小變化的地方即α>25。故先將千斤頂起始頂舉高度h1設(shè)計(jì)為165mm，α=25。 則桿長(zhǎng)L= h1/2sin(α)=195mm 根據(jù)三角形兩邊之和大于第三邊定理，千斤頂?shù)淖畲箜斉e高度h2=385mm<2L=390。 所以千斤頂能夠?qū)崿F(xiàn)最大頂舉高度h2=385mm。 第三章 千斤頂?shù)牟考O(shè)計(jì) 3.1螺旋傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算校核 螺旋傳動(dòng)平穩(wěn)，選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)程角可以使機(jī)構(gòu)具有自鎖性，能獲得很大的減速比和力的增益。但同時(shí)其機(jī)械效率低，具有自鎖性的螺旋機(jī)構(gòu)的效率一般低于50％。由于汽車(chē)千斤頂?shù)闹饕猛臼窃谄?chē)維修時(shí)使用，要求將汽車(chē)頂起并穩(wěn)定在某一位置，因此需要千斤頂?shù)穆菪齻鲃?dòng)具有傳遞動(dòng)力和自鎖功能。根據(jù)千斤頂自身的使用場(chǎng)合和螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)，選用滑動(dòng)螺旋，單頭梯形螺紋，螺紋具有較小的導(dǎo)程及導(dǎo)程角。所設(shè)計(jì)的千斤頂結(jié)構(gòu)中的螺旋機(jī)構(gòu)部分由螺桿、螺母和底座組成。螺桿為主動(dòng)件，作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；螺母為從動(dòng)件，作軸向移動(dòng)。整個(gè)螺旋傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行能量和力的傳遞。 對(duì)于一般的傳力螺紋，其主要失效形式是螺紋表面的磨損，螺桿的拉斷(或受壓時(shí)喪失穩(wěn)定)或剪斷以及螺紋根部的剪斷及彎斷。設(shè)計(jì)時(shí)通常以耐磨性計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算確定螺旋傳動(dòng)的主要尺寸。 根據(jù)實(shí)際需要，汽車(chē)用千斤頂作為汽車(chē)的舉升工具．必須承受汽車(chē)車(chē)身很大的重量。根據(jù)一般的小轎車(chē)車(chē)身重量和汽車(chē)用千斤頂通常使用情況可知，汽車(chē)用千斤頂額定承受載荷設(shè)計(jì)為1000kg具有普遍的適應(yīng)性。以額定承載1000kg計(jì)算，根據(jù)公式3-6可知，螺桿最大軸向載荷為F=Gctgα，當(dāng)α=25時(shí)，F(xiàn)最大F=2.1×104N。 這需要螺桿材料具有較高的強(qiáng)度和良好的加工性，初選螺桿材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，材料屈服極限σs為360MPa，根據(jù)公式 [σ]= σs/3~5得 [σ]= σs/3.6=100MPa 又因?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為低速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.5可知 [p]=11~18MPa，取15MPa。 3.1.1耐磨性計(jì)算 滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤(rùn)滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過(guò)度磨損。因此，滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算，主要是限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力[p]。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，螺紋工作面上的耐磨性條件為 ???(5－43) ?上式可作為校核計(jì)算用。為了導(dǎo)出設(shè)計(jì)計(jì)算式，令ф=H/d2， 則H=фd2，代入式（5－43）引整理后可得 ???????5－44 對(duì)于矩形和梯形螺紋，h＝0.5P，則 ???????5－46 螺母高度 ???????????????????????????? H=фd2 式中：[p]——材料的許用壓力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.5可知，當(dāng)?shù)退龠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)[p] =18~25MPa，取[p]=21 MPa； Ф——一般取1.2～3.5，取ф=2。 ?? 故取公稱(chēng)直徑d=20mm，螺距P=2，中徑d2=19mm。 根據(jù)公式算得螺紋中徑d2后 螺母高度 ???????????? H=фd2=38mm 故選用的螺紋滿足耐磨性條件。 3.1.2螺桿的強(qiáng)度計(jì)算 ??受力較大的螺桿需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺桿工作時(shí)承受軸向壓力（或拉力）Q和扭矩T的作用。螺桿危險(xiǎn)截面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力；又有切應(yīng)力。因此校核螺桿強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力σca，其強(qiáng)度條件為 式中： A — 螺桿螺紋段的危險(xiǎn)截面面積。 WT—螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)， dl—— 螺桿螺紋小徑，mm； T——螺桿所受的扭矩， N·mm； ［σ］——螺桿材料許用應(yīng)力，[σ]=100 Mpa； y——螺紋升角，y=arctg( P/（πd2）)=1.947； ——摩擦角，； ——螺紋傾角，； f——摩擦系數(shù),查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.7可知， f=0.08~0.10，取f=0.9。 ?3.1.3螺桿的穩(wěn)定性計(jì)算 對(duì)于長(zhǎng)徑比大的受壓螺桿，當(dāng)軸向壓力Q大于某一臨界值時(shí)，螺桿就會(huì)突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力Q必須小于臨界載荷Q。。則螺桿的穩(wěn)定性條件為 ?Ssc=Qc/Q=≥Ss =2.5～4.0 式中：Ssc——螺桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)； ???Ss——螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，對(duì)于傳導(dǎo)螺旋，Ss＝2.5～4.0。 ???Qc——螺桿的臨界載荷，根據(jù)螺桿的柔度λS值的大小選用不同的公式計(jì)算。λS=μl/i,i=d1/4； μ——螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表12-1-5取0.7； l——螺桿的工作長(zhǎng)度，mm，螺桿危險(xiǎn)截面面積 λS=μl/i=0.7x354x4/19=52.17； 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表12-1-4，和表1-1-127得 λS <λ2=60 則可以不必進(jìn)行穩(wěn)定性校核，滿足穩(wěn)定性條件。 效率η=0.95tany/ tan(y+ )=25.3% 3.2減速裝置設(shè)計(jì)計(jì)算校核 對(duì)于減速系統(tǒng)，由前述已確定的傳動(dòng)方案可知，本設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)部分由一系列軸線相對(duì)于機(jī)架位置均固定的外嚙合標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪組成，屬于定軸輪系。 1- 電動(dòng)機(jī) 2-軸l 3-軸2 4-軸套 5-螺桿 6-主驅(qū)動(dòng)齒輪 7-中間傳動(dòng)齒輪 8-驅(qū)動(dòng)齒輪 圖3-8千斤頂減速裝置示意圖 3.2.1傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最主要的一類(lèi)傳動(dòng)，應(yīng)用非常廣泛。就裝置型式來(lái)說(shuō)，齒輪傳動(dòng)有開(kāi)式、半開(kāi)式及閉式之分13”。針對(duì)汽車(chē)用千斤頂?shù)氖褂脠?chǎng)合及實(shí)際情況，選擇閉式齒輪傳動(dòng)裝置。 根據(jù)千斤頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，螺桿的轉(zhuǎn)速相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低很多，因此必須在直流電動(dòng)機(jī)和螺桿之間用減速機(jī)構(gòu)連接。為滿足千斤頂性能要求，且工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，加工方便，成本低廉，效率高，必須選用合理的傳動(dòng)方案。本設(shè)計(jì)中擬采用四級(jí)齒輪傳動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)自帶一減速比為40的行星齒輪系減速器，減速后通過(guò)電機(jī)一行星輸出軸上的小齒輪輸出，再經(jīng)過(guò)多級(jí)齒輪傳動(dòng)減速，由最終輸出軸輸出所要求的扭矩和轉(zhuǎn)速。 根據(jù)傳動(dòng)比分配的原則：各級(jí)傳動(dòng)比應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，以符合傳動(dòng)型式的特點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)緊湊、合理。傳動(dòng)裝置中各級(jí)傳動(dòng)間應(yīng)尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)均勻，各傳動(dòng)件不發(fā)生干涉碰撞。結(jié)合千斤項(xiàng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，近似取： 第1級(jí)傳動(dòng)比i1為：2.1 第2級(jí)傳動(dòng)比i2為；2.1 由于齒輪的失效形式主要有輪齒折斷、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合和塑性變形等。因此在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)必須保證齒輪傳動(dòng)在具體的工作情況下有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個(gè)工作壽命期間不致失效。對(duì)于閉式齒輪傳動(dòng)，通常以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。由于汽車(chē)用千斤頂并不要求傳動(dòng)精度非常高，考慮到成本、體積等綜合因素，所有齒輪均選用漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪，9級(jí)精度，材料選用45號(hào)鋼。由此初選各級(jí)齒輪傳動(dòng)的參數(shù)見(jiàn)表3.1。 表3.1齒輪傳動(dòng)主要幾何參數(shù) 壓力角 模數(shù) 齒輪齒數(shù) 齒寬系數(shù) m Z2 Z3 20 1 19 40 84 0.8 3.2.2電動(dòng)機(jī)選擇 3.2.2.1電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇 在產(chǎn)品中選用合適的電動(dòng)機(jī)非常重要。考慮到新型電動(dòng)千斤頂主要用于小轎車(chē)的頂舉，并可能在使用過(guò)程中頻繁啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)等，所以選用直流電動(dòng)機(jī)，電源電壓采用12V(直接使用汽車(chē)點(diǎn)煙器輸出電壓，方便用戶操作)。 3.2.2.2電動(dòng)機(jī)功率的確定 根據(jù)千斤頂額定載重量1000kg，取上升最大速度為1.5mm／s，得P=FV=14.7W根據(jù)前面計(jì)算，螺桿效率為η1=25.3％，取減速器的效率為η2=0.95，電動(dòng)機(jī)自帶減速裝置的效率為η3=0.95，則 P。=P／(η1η2η3)=64.37W 根據(jù)千斤頂頂舉重量和速度要求需要選用型號(hào)為GDM-15SP-15SGN的直流電動(dòng)機(jī)。 表3-1 電機(jī)參數(shù) 電壓 功率 轉(zhuǎn)速 減速比 輸出轉(zhuǎn)速 GDM-12SP-12SGN 12V 100W 1800rpm/min 20 90 3.2.3保護(hù)裝置 過(guò)載保護(hù)顧名思義即載荷（負(fù)載）超出某一限定值，為了維護(hù)機(jī)器及設(shè)備的安全而進(jìn)行的保護(hù)。我們所指的過(guò)載保護(hù)裝置主要是針對(duì)于機(jī)器和設(shè)備的扭矩進(jìn)行保護(hù)的扭矩限制器、扭矩保持器、對(duì)機(jī)器及設(shè)備軸向載荷（包括拉力和推力）過(guò)載進(jìn)行保護(hù)的直線限力器，對(duì)電機(jī)過(guò)載進(jìn)行保護(hù)的電氣式過(guò)載保護(hù)器。 扭矩限制器又稱(chēng)安全離合器、安全聯(lián)軸器，常用于安裝在動(dòng)力傳動(dòng)的主、被動(dòng)側(cè)之間，當(dāng)發(fā)生過(guò)載故障時(shí)（扭矩超過(guò)設(shè)定值），扭矩限制器便會(huì)產(chǎn)生分離，從而有效保護(hù)了驅(qū)動(dòng)機(jī)械（如電機(jī)、減速機(jī)、伺服馬達(dá)）以及負(fù)載，常見(jiàn)形式為：磨擦式扭矩限制器以及滾珠式扭矩限制器。扭矩限制器的安裝結(jié)構(gòu)形式有：軸-軸、軸-法蘭、軸-同步帶輪、軸-鏈輪、軸-齒輪、軸-帶輪等。 扭矩保持器是一種摩擦型的扭矩限制器，當(dāng)傳遞扭矩達(dá)到設(shè)定值時(shí)，扭矩保持器打滑，與普通的摩擦離合器不同的是主要用于低速時(shí)的滑移使用場(chǎng)合，能夠達(dá)到很高的控制精度，如收放卷的張力控制、滾子輸送的間歇打滑、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的緩沖制動(dòng)、擰螺絲機(jī)構(gòu)、擰螺母機(jī)構(gòu)、擰閥門(mén)機(jī)構(gòu)等設(shè)備上的扭矩控制。 電式的過(guò)載保護(hù)器是通過(guò)監(jiān)視電流而迅速檢測(cè)出電機(jī)過(guò)載。它不同于電機(jī)的過(guò)載保護(hù)器如熱繼電器、熔斷器等，而是用于設(shè)備保護(hù)的過(guò)載保護(hù)器。與熱繼電器相比其反應(yīng)時(shí)間更為迅速，不到其反應(yīng)時(shí)間的1/5，電機(jī)過(guò)載保護(hù)器的電流在稍微超過(guò)預(yù)設(shè)電流時(shí)不會(huì)動(dòng)作，即使工作其動(dòng)作也會(huì)很緩慢。 電流沖擊繼電式的過(guò)載保護(hù)器，能通過(guò)監(jiān)視電流而迅速檢測(cè)出電機(jī)過(guò)載，從而能使昂貴的設(shè)備避免損壞。它不同于電機(jī)的過(guò)載保護(hù)器如熱繼電器、熔斷器等，而是用于設(shè)備保護(hù)的過(guò)載保護(hù)器。與熱繼電器相比其反應(yīng)時(shí)間更為迅速，不到其反應(yīng)時(shí)間的1/5，電機(jī)過(guò)載保護(hù)器的電流在稍微超過(guò)預(yù)設(shè)電流時(shí)不會(huì)動(dòng)作，即使工作其動(dòng)作也會(huì)很緩慢。目前有模擬式和數(shù)字顯示式兩大類(lèi)，其主要優(yōu)點(diǎn)有：a.?價(jià)格便宜；b.?檢測(cè)精度高；c.?反應(yīng)時(shí)間迅速，動(dòng)作準(zhǔn)確；d.?使用壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)次以上；f:易于安裝于現(xiàn)有設(shè)備上而不需做大的改動(dòng)。? 由于千斤頂結(jié)構(gòu)緊湊不易裝設(shè)大的機(jī)械式扭矩限制器，故本次設(shè)計(jì)采用電流過(guò)載保護(hù)方式，根據(jù)GDM-15SPGDM-15SGN(U)直流電動(dòng)機(jī)的電壓和電流。選用克雷KL/ST-101E電流過(guò)載保護(hù)器，額定工作電流（A）為最小5A~ 15A，最大電流為16A，工作電壓（V）為 12V。 第四章 舉臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算 舉臂是汽車(chē)用千斤頂重要的工作部件，也是直接頂舉汽車(chē)的機(jī)構(gòu)。由以上可知，千斤頂設(shè)計(jì)參數(shù)為：最低起頂高度為ho=165mm，最大項(xiàng)升高度為hl=385mm，工作高度為h=220mm。因舉臂長(zhǎng)度和舉臂板厚的優(yōu)化空間極小，設(shè)定舉臂長(zhǎng)度L=195mm，舉臂厚度t=2mm(如圖4—1所示)。 4.1設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù) 以舉臂的橫截面寬度(d1)和高度(d2)為設(shè)計(jì)變量，即 從減輕重量、節(jié)省材料和降低成本考慮，應(yīng)以頂舉機(jī)構(gòu)(舉臂)體積最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)如下： 式中： x1——舉臂寬度(mm)； x2——舉臂高度(mm)； L——舉臂長(zhǎng)度(mm)，L為常量，取值為L(zhǎng)=195mm； t——舉臂板厚(ram)，t為常量，取值為t=2mm。 4.2約束條件 根據(jù)實(shí)際情況，舉臂模型可以簡(jiǎn)化為鉸支的簡(jiǎn)單桁架結(jié)構(gòu)，舉臂則可理想化為二力桿。由于舉臂只受軸向載荷的作用，故校核時(shí)只需考慮其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。為了研究的方便，將載荷理想化為靜載荷。按初步設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分別給出合理的邊界： 從而舉臂約束條件如下： (1)邊界約束 (2)穩(wěn)定性約束 式中： ——舉臂柔度； L——舉臂長(zhǎng)度； ——舉臂橫截面最小慣性矩(mm4)； A——舉臂橫截面面積(mm2)； t——板厚，取t=2mm； 具體參數(shù)取值如下： =3.8 m=235MPa k=0.00668MPa (3)強(qiáng)度約束 ——材料許用壓力，=235MPa ； P——舉臂所受最大載荷(N)，； G——頂舉物重，G=9.8x103N ； ——舉臂與螺桿最小夾角， 。 4.3優(yōu)化計(jì)算及結(jié)果 采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給定種群大小population(N)為200、遺傳的代數(shù)generation(gen)為200；初始化父代種群，采用隨機(jī)取值的方法賦值，目標(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù)Multi-objective(M)為3，決策變量的個(gè)數(shù)Variable (V)為3；設(shè)定其雜交率為0.9，變異率為0.1；優(yōu)化結(jié)果如表所示。 表 優(yōu)化結(jié)果 x1(mm) x2(mm) 舉臂體積(mm2) 原始數(shù)據(jù) 38 28 35100 優(yōu)化數(shù)據(jù) 32.1542 32.92 31378 用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后,目標(biāo)函數(shù)得到優(yōu)化，函數(shù)值由原始方案的35100mm3下降到優(yōu)化后的31378mm3，減少了3722mm3，即單條舉臂體積減小10．6％。本設(shè)計(jì)方案中的汽車(chē)用千斤頂共有四條對(duì)稱(chēng)的舉臂，因此單臺(tái)千斤頂總共可以減少用料14888 mm3，約120克?？梢?jiàn)采用遺傳算法對(duì)千斤頂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后舉臂體積得到降低，從而節(jié)省了材料，降低了產(chǎn)品成本。故最終選取x1為33mm，x2為33mm。 第五章 齒輪傳動(dòng)優(yōu)化計(jì)算 5.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立 由前述可知本方案的傳動(dòng)系統(tǒng)由四級(jí)漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪構(gòu)成，所有齒輪均選用45號(hào)鋼，9級(jí)加工精度。主動(dòng)齒輪調(diào)質(zhì)處理，硬度為HB230，從動(dòng)齒輪正火處理，硬度為HB200。齒輪在軸上非對(duì)稱(chēng)分布，工作載荷平穩(wěn)。第k級(jí)傳動(dòng)(k=l，2，3，4)的傳遞功率為Pk，轉(zhuǎn)速為nk，傳動(dòng)比為ik (見(jiàn)圖3-8)。 5.2設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù) 一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案只用一組設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)組合來(lái)表示。一般在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中常取模數(shù)、主動(dòng)輪齒數(shù)、最小齒寬(或齒寬系數(shù))等作為設(shè)計(jì)變量。根據(jù)設(shè)計(jì)變量選擇原則，本設(shè)計(jì)變量選為i——第一組齒輪的傳動(dòng)比；m——齒輪模數(shù)； ——主動(dòng)輪齒數(shù)；——主動(dòng)齒輪齒寬系數(shù)。 需要指出的是，在設(shè)計(jì)變量中，齒數(shù)為整型變量，模數(shù)m，為離散變量，為連續(xù)變量。在設(shè)計(jì)中，將整型變量和離散變量視為連續(xù)變量處理，運(yùn)算結(jié)束后再進(jìn)行圓整。 齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)通常分為三類(lèi)：最小的體積(重量)；最大的承載能力；最低的制造費(fèi)用。而本文對(duì)于漸開(kāi)線圓柱齒輪傳動(dòng)在滿足設(shè)計(jì)要求和性能條件下，主要從結(jié)構(gòu)緊湊、減輕重量、節(jié)省材料和降低成本考慮，故以系統(tǒng)體積最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在工作條件和材料選定的情況下．可用傳動(dòng)主、從動(dòng)齒輪體積之和來(lái)衡量。若齒輪體積最小，則整個(gè)裝置傳動(dòng)部分的體積也最小。 考慮到制造、裝配等誤差。且為了充分利用從動(dòng)輪的齒寬，則增加主動(dòng)輪的齒寬，通常取b1=1.2b2，亦即b2=0.83 b1。為齒寬系數(shù)， =b／d。根據(jù)體積最小準(zhǔn)則，則整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為 按規(guī)范設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主動(dòng)齒輪齒數(shù)一般在lO～25，模數(shù)和齒寬系數(shù)的邊界設(shè)置如下： 5.3約束條件 5.3.1齒輪接觸疲勞強(qiáng)度條件 式中 ——工況系數(shù)，《查機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9可知，對(duì)于從動(dòng)機(jī)械、原動(dòng)機(jī)工作均勻平穩(wěn)，=1； ——?jiǎng)虞d系數(shù)，《查機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9可知，對(duì)于齒輪1，，齒輪2，，齒輪4，齒輪4，； ——載荷分布不均勻系數(shù)，當(dāng)軸承相對(duì)齒輪為非對(duì)稱(chēng)布置、且軸的剛度較小時(shí)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.11可知，， 式中A=1.17，B=0.16，C=0.61。整理后得 ZH——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.16可知，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時(shí)。ZH=2.5； ZE——材料彈性系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.12可知，對(duì)于鋼齒輪，ZE=189.8MPa； Ze——重合度系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，，初選重合度 ，則； ——許用接觸應(yīng)力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，當(dāng)初選許用應(yīng)力時(shí) MPa ——失效概率為1%時(shí)，試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，查查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.18，取=600MPa。 ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，； ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪軸的傳遞功率，，W； ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min)，； ——各級(jí)齒輪傳動(dòng)效率，=O.99； 其中no=90r／min, i1=1.8，i2=2．3。 5.3.2齒輪彎曲強(qiáng)度條件 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表14-1-101可知，齒輪彎曲應(yīng)力 式中： ——齒形系數(shù)2.57； ——應(yīng)力修正系數(shù)2.58； 依據(jù)主動(dòng)齒輪齒數(shù)一般在lO～25，初步估算齒數(shù)范圍，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.21，初定主動(dòng)齒輪齒形系數(shù)、應(yīng)力修正系數(shù)如表所示； ——許用彎曲應(yīng)力查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，當(dāng)初選許用應(yīng)力時(shí) MPa ——失效概率為1%時(shí)，試驗(yàn)齒根的彎曲疲勞極限，查查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.23，取=480MPa。 5.4優(yōu)化計(jì)算及結(jié)果 采用遺傳算法分別對(duì)每組齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給定種群大小population(N)為200、遺傳的代數(shù)generation(gen)為200；初始化父代種群，采用隨機(jī)取值的方法賦值，目標(biāo)函數(shù)個(gè)數(shù)Multi-objective(M)為3，決策變量的個(gè)數(shù)Variable (V)為3；設(shè)定其雜交率為0.9，變異率為0.1；優(yōu)化結(jié)果如表所示。 表 優(yōu)化結(jié)果 傳統(tǒng)設(shè)計(jì) 優(yōu)化結(jié)果 圓整 模數(shù) m 2 2.0406 2 齒數(shù) z1 19 17.51 18 傳動(dòng)比 i 2.1 1.7821 1.8 齒寬系數(shù) 0.8 0.71 0.71 體積 1176900 696350 用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后,目標(biāo)函數(shù)得到優(yōu)化，函數(shù)值由原始方案的1176900mm3下降到優(yōu)化后的696350mm3，減少了480550mm3，即單條舉臂體積減小43.8％。 5.5齒輪強(qiáng)度校核 根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,取m1=2 ,z1=18,z2=32,z3=74，齒寬系數(shù)為0.71。 5.5.1齒輪1強(qiáng)度校核 5.5.1.1齒輪接觸疲勞強(qiáng)度條件 477.83MPa 式中 ——工況系數(shù)，《查機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9可知，對(duì)于從動(dòng)機(jī)械、原動(dòng)機(jī)工作均勻平穩(wěn)，=1； ——?jiǎng)虞d系數(shù)，《查機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9可知，對(duì)于齒輪轉(zhuǎn)速不高最高線速度為齒輪1的速度，,取。 ——載荷分布不均勻系數(shù)，當(dāng)軸承相對(duì)齒輪為非對(duì)稱(chēng)布置、且軸的剛度較小時(shí)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.11可知，， 式中A=1.17，B=0.16，C=0.61。整理后得 =1.497 ZH——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.16可知，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時(shí)。ZH=2.5； ZE——材料彈性系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.12可知，對(duì)于鋼齒輪，ZE=189.8MPa； Ze——重合度系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，，初選重合度 ，則； ——許用接觸應(yīng)力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，當(dāng)初選許用應(yīng)力時(shí) MPa ——失效概率為1%時(shí)，試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，查查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.18，取=600MPa。 ——接觸壽命系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12.18，取=1； ——最小安全系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.14，取=1.1。 ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，； ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪軸的傳遞功率， ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min)，； ——各級(jí)齒輪傳動(dòng)效率，=O.99； 其中no=90r／min,i1=1.8，i2=2.3。 5.5.1.2齒輪彎曲強(qiáng)度條件 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表14-1-101可知，齒輪彎曲應(yīng)力 式中： ——齒形系數(shù)2.57； ——應(yīng)力修正系數(shù)1.58； ——許用彎曲應(yīng)力查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，當(dāng)初選許用應(yīng)力時(shí) MPa ——失效概率為1%時(shí)，試驗(yàn)齒根的彎曲疲勞極限，查查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.23，取=460MPa。 5.5.2大齒輪2強(qiáng)度校核 5.5.2.1齒輪接觸疲勞強(qiáng)度條件 269.09MPa 式中 ——工況系數(shù)，《查機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9可知，對(duì)于從動(dòng)機(jī)械、原動(dòng)機(jī)工作均勻平穩(wěn)，=1； ——?jiǎng)虞d系數(shù)，《查機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9可知，對(duì)于齒輪轉(zhuǎn)速不高最高線速度為齒輪1的速度，取。 ——載荷分布不均勻系數(shù)，當(dāng)軸承相對(duì)齒輪為非對(duì)稱(chēng)布置、且軸的剛度較小時(shí)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.11可知，， 式中A=1.17，B=0.16，C=0.61。整理后得 =1.497 ZH——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.16可知，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時(shí)。ZH=2.5； ZE——材料彈性系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.12可知，對(duì)于鋼齒輪，ZE=189.8MPa； Ze——重合度系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，，初選重合度 ，則； ——許用接觸應(yīng)力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，當(dāng)初選許用應(yīng)力時(shí) MPa ——失效概率為1%時(shí)，試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，查查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.18，取=600MPa。 ——接觸壽命系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12.18，取=1； ——最小安全系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.14，取=1.1。 ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，； ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪軸的傳遞功率， ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min)，； ——各級(jí)齒輪傳動(dòng)效率，=O.99； 其中no=90r／min， i1=1.8，i2=2.3。 5.5.2.2齒輪彎曲強(qiáng)度條件 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表14-1-101可知，齒輪彎曲應(yīng)力 式中： ——齒形系數(shù)2.57； ——應(yīng)力修正系數(shù)1.58； ——許用彎曲應(yīng)力查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，當(dāng)初選許用應(yīng)力時(shí) MPa ——失效概率為1%時(shí)，試驗(yàn)齒根的彎曲疲勞極限，查查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.23，取=460MPa。 5.5.3小齒輪3強(qiáng)度校核 5.5.3.1齒輪接觸疲勞強(qiáng)度條件 111.6MPa 式中 ——工況系數(shù)，《查機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9可知，對(duì)于從動(dòng)機(jī)械、原動(dòng)機(jī)工作均勻平穩(wěn)，=1； ——?jiǎng)虞d系數(shù)，《查機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.9可知，對(duì)于齒輪轉(zhuǎn)速不高最高線速度為齒輪1的速度，取。 ——載荷分布不均勻系數(shù)，當(dāng)軸承相對(duì)齒輪為非對(duì)稱(chēng)布置、且軸的剛度較小時(shí)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.11可知，， 式中A=1.17，B=0.16，C=0.61。整理后得 =1.497 ZH——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.16可知，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時(shí)。ZH=2.5； ZE——材料彈性系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.12可知，對(duì)于鋼齒輪，ZE=189.8MPa； Ze——重合度系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，，初選重合度 ，則； ——許用接觸應(yīng)力，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，當(dāng)初選許用應(yīng)力時(shí) MPa ——失效概率為1%時(shí)，試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，查查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.18，取=600MPa。 ——接觸壽命系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖12.18，取=1； ——最小安全系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.14，取=1.1。 ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，； ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪軸的傳遞功率， ——第k級(jí)傳動(dòng)的主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min)，； ——各級(jí)齒輪傳動(dòng)效率，=O.99； 其中no=90r／min，i1=1.8，i2=2.3。 5.5.3.2齒輪彎曲強(qiáng)度條件 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表14-1-101可知，齒輪彎曲應(yīng)力 式中： ——齒形系數(shù)1.57； ——應(yīng)力修正系數(shù)1.58； ——許用彎曲應(yīng)力查《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知，當(dāng)初選許用應(yīng)力時(shí) MPa ——失效概率為1%時(shí)，試驗(yàn)齒根的彎曲疲勞極限，查查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表12.23，取=460MPa。 結(jié)論 本文系統(tǒng)地分析了國(guó)內(nèi)外汽車(chē)用千斤頂?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)實(shí)際需要和當(dāng)前技術(shù)水平，提出了電動(dòng)千斤頂?shù)目傮w設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等原理，建立了優(yōu)化的數(shù)學(xué)和物理模型，對(duì)方案進(jìn)行了計(jì)算機(jī)優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車(chē)用千斤頂。本課題具體所做的主要工作有以下幾個(gè)方面： (1)對(duì)典型汽車(chē)用千斤頂?shù)囊延性O(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析和比較，提出了電動(dòng)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)方案。 (2)對(duì)新型汽車(chē)用于斤頂方案進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)新型千斤頂進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助分析，包括力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。本文還使用Pro／Engiricer對(duì)新型千斤頂主要零部件及系統(tǒng)進(jìn)行了三維建模。 (3)結(jié)合現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法對(duì)新型千斤頂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了遺傳算法實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)膬?yōu)化計(jì)算，并對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果證明遺傳算法優(yōu)化計(jì)算程序能更有效地滿足物體的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，具有一定的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 (4)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核檢驗(yàn)，證明優(yōu)化結(jié)果是可靠的。 參考文獻(xiàn) [1]黃軼逸．鋼絞線千斤項(xiàng)起重系統(tǒng)．建筑機(jī)械．2000， (8)：17 [2]徐祥興．SQD型松卡式千斤頂及成套技術(shù)的應(yīng)用．特種結(jié)構(gòu)．1998，15(4)：38～4l [3]陳瑜、劉春及．x線刀機(jī)械微調(diào)千斤頂．中國(guó)醫(yī)療器械雜志．1996，(5)：304 [4]鄭培杰．手柄驅(qū)動(dòng)螺桿式螺旋千斤頂?shù)挠?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)．1992，(3)：7～9 [5]韓風(fēng)卿．臥式千斤頂及其某些設(shè)計(jì)問(wèn)題.機(jī)電工程．1990， (4)：1-4 [6]黃承梯.直接傳動(dòng)式電動(dòng)千斤頂.北京市專(zhuān)利事務(wù)所，99241854．2 鐘書(shū)云、何礎(chǔ)堅(jiān)、詹欣紆、彭錫斌.電動(dòng)遙控千斤頂．中山市專(zhuān)利事務(wù)所．98233672．1 [7]李賢焱.液壓傳動(dòng)及控制.重慶大學(xué)出版社，1993 [8]任海軍.液壓千斤頂油路系統(tǒng)的改進(jìn)。液壓與氣動(dòng)．1999， (3)：41 [9]肖忠文．現(xiàn)代設(shè)計(jì)與發(fā)展趨勢(shì)．長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)．2002，16(2)：46～48 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