王彦奇 顾俊翔（上海工程技术大学汽车学院车辆工程系）
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电动千斤顶设计与制造技术进行了研究。
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关键词 ：应力轿车千斤顶直流电动机运动仿真
1 轿车千斤顶的现状和有限元的应用
隐式有限元多采用增量迭代数值算法。这种方法对涉及有限应变和任意大旋转的非线性问题在很大范围上都为无条件稳定。对数值精确度的考虑通常限制了计算量的增加。这就是隐式求解相对显式计算的优点。通常隐式求解的计算量（时间步长）要比显式计算过程减少100 到10000 倍。在本课题中，利用FEM 和NX Nastran 分析千斤顶的装配图的结构强度是否满足初始设计要求，对千斤顶的使用是十分关键的。
2 模型的基本构成
2.1 剪式千斤顶的基本模型本机构采用人工摇动手柄，手柄带动螺杆转动，通过螺旋副运动带动整个机构的运转。为了满足以上工作要求，螺杆、螺母和支撑臂以及整体结构必须保证具有足够的强度、耐磨性，能自锁，稳定性合格。2.2 模型基本方案以及设计初始数据如图1 初始数据：顶起重量6000N，最低高度80mm，最高高度270mm，臂长120mm 左右，起始受力高度150mm，此时螺纹副轴向力根据理论力学得出F=13625N。
2.3 模型螺纹副基本方案螺杆结构：传动螺旋通常采用牙型为矩形、梯形、锯齿形的右旋螺纹。特殊情况下也采用左旋螺纹，如为了符合操作习惯，车床横向进给丝杠螺纹即采用左旋螺纹。
螺纹副常用材料如表1。
2.3.1 方案一
①选择材料和许用应力。由于是单侧受力形式，所以千斤顶采用30毅锯齿形螺纹螺旋传动。螺杆则采用45﹟钢，调质处理；查机械设计手册表得σs=360MPa，由机械设计表12-1-10 得许用应力σp=σs/（3~5）=360/3~5=120~72，手动可取σp=100MPa。
由于千斤顶静止时受拉，所以不需要进行螺杆稳定性校核。
2.3.2 方案二
选择材料和许用应力。由于是单侧手受力形式，所以千斤顶采用30毅锯齿形螺纹螺旋传动。
螺杆则采用40Cr 钢，调质处理；查机械设计手册表得σs=550MPa，由机械设计表12-1-10 得σp=σs（/ 3~5）=550/3~5=183~110MPa，手动可取σp=150MPa。
由于螺母与螺杆存在滑动磨损，故采用强度高、耐磨、摩擦系数小的铸铝青铜ZCuAl10Fe3，由表12-1-10 可得螺母材料的许用弯曲应力为σbp=40~60MPa， 可取50MPa；许用切应力为τp=30~40MPa，取35MPa。
千斤顶螺旋系手动低速，由表12-1-9 查得pp=18~25MPa，取21MPa
根据方案一得出：取d=D=16mm，d2=D2=14.5mm，d3=12.53mm，D1=13，P=2mm 的30毅锯齿形螺纹，中等精度，螺旋副标记为B16×2-7H/7e。
螺母高度H=ψd2=1.5×14.5mm=21.75mm，螺纹圈数z=H/P=21.75/2=10.875 圈，α=2β=30毅。
2.4 综合考虑考虑到价钱以及螺纹加工等因素，螺杆采用45# 钢。螺母采用铸铝青铜。
2.4.1 零件设计。根据计算的数据以及收集的数据利用UG 画出零件图，最后得出模型的装配图。
2.4.2 装配零件。利用UG 把得到的零件转配在一起，得到的总的装配尺寸：360×70×80mm。
3 模型的运动分析
3.1 模型的运动分析方案根据建立好的装配图模型来制作UG 的运动分析，利用UG 中的运动仿真模块进行结构的运动检查和追踪结构的运动状况以及干涉现象。
3.2 设置连杆整个机构定义8 个连杆，12 个运动副，其中9 个旋转副，一个滑块副，一个柱面副以及1 个螺纹副。在观察UG 运动分析动画时并未得到干涉结果，机构正常运作。
4 电动机部分设计
4.1 传动系统设计齿轮传动是机械传动最主要的一类传动，应用非常广泛。就装置类型来说，齿轮传动有开式、半开式及闭式之分。针对汽车用千斤顶的适用场合及实际情况，选择闭式齿轮传动装置。
根据千斤顶的运动特点，螺杆的转速相对于直流电动机的转速低很多，因此必须在直流电动机和螺杆之间用减速机构连接。为满足千斤顶性能要求，且工作可靠，结构简单，尺寸紧凑，加工方便，成本低廉，效率高，必须选用合理的传动方案。本设计中采用四级齿轮传动。直流电动机自带一减速比40 的行星齿轮系减速器，减速后通过电机———行星输出轴上的小齿轮输出，再经过多级齿轮减速，由最终输出轴输出所要求的扭矩和转速。
根据传动比分配的原则：各级传动比应在合理的范围内，以符合传动型式的特点，使结构紧凑、合理。传动装置中各级传动间应尺寸协调，结构均匀，各传动件不发生干涉碰撞。结合千斤顶的结构特点，近似取：第一级传动比i1为3.6；第二级传动比i2 为2.0；第三级传动比i3 为1.8；第四级传动比i4 为2.3。
由于齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形等，因此在设计齿轮时必须保持齿轮传动在具体的工作情况下有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。
4.2 电动机的选择
4.2援1 电动机类型的选择。在产品中选择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系统的性能的好坏。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、和电动机的结构模式。考虑到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，所以选择直流电动机，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）。
4.2.2 电动机功率的确定。根据千斤顶额定载重量2000kg，上升速度1.5mm/s，得P= F*V=30W。
根据前面计算，螺纹效率为n1=31.3%，取减速器的效率为n2=0.95，电动机自带减速装置的效率为n3=0.95，则Pe=P/(n1*n2*n3)=107W。
根据千斤顶的重量和速度，选择功率为120W 的直流电动机。
4.3 控制电路设计在通常采用电力拖动的系统可以借助电动机的正反转来实现设备正反方向的两种运动。而电动机转向可以随着控制信号电压的极性（或相位）而变化，因此将控制电源的极性改变，就可以使直流电动机转向。由于接触器是在外界输入信号下能够自动地接通或断开带有负载的主电路的制动控制电器，利用这个特性可以方便地接通和断开电动机的正向工作电路和反向工作电路，从而控制电动机正反转。
本设计中的控制需要两个直流接触器来完成。正向接触器FKM 接通正向工作电路；反向接触器RKM 接通反向工作电路。
此电路具有连锁保护，使其中任一接触器工作时，另一接触器即失效不能工作。为此采用电气连锁。当按下FSB 按钮后，接触器FKM 动作，使电机正转。FKM 除有一动合触点将其自锁外，另有一动断触点串联在接触器RKM 线圈的控制回路内，它此时断开。因此，若再按下RSB 按钮，接触器RKM 受FKM 的动断触点连锁不能动作，这样就防止了电源短路的故障。采用复位按钮可以不用先按停止按钮，而直接反向。
5 结论
本课题以电动式家用轿车千斤顶为研究内容，应用UG NX 和NX NASTRAN，以运动分析和有限元方法为基础，对家用轿车的千斤顶进行设计和计算机的运动和结构受力仿真。首先研究剪式千斤顶的基本结构。利用UG 进行初始的结构确定，再对千斤顶中主要的螺纹副进行计算，确定基本的螺纹副结构。再利用UG 进行零件的设计来进行零件的装配。最后运用UG 进行机构的运动分析，观察机构的运动情况和检查干涉现象。电动手动两用千斤顶的动力来源可以是电动机驱动也可以是人力驱动。可以根据实际情况选择不同的驱动方式。这种功能实现的关键是电动方式与手动方式的切换装置。它既可以克服手动千斤顶的低效，费力，不便等缺点，又可以拥有单纯电动千斤顶所无法具有的广泛实用性优点。
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