cc578改2 基于Solidworks的電動千斤頂設計

本科畢業(yè)論文（設計）基于Solidworks的電動千斤頂設計學院：理工學院專業(yè)：汽車服務工程屆別：學號：姓名：羅超峰指導教師：2024年11月

畢業(yè)論文（設計）聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計）是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文（設計）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全了解有關保障、使用畢業(yè)論文（設計）的規(guī)定，同意學校保留并向有關畢業(yè)論文（設計）管理機構送交論文（設計）的復印件和電子版。同意省級優(yōu)秀畢業(yè)論文（設計）評選機構將本畢業(yè)論文（設計）通過影印、縮印、掃描等方式進行保存、摘編或匯編；同意本論文（設計）被編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索和查閱。本畢業(yè)論文（設計）內(nèi)容不涉及國家機密。論文（設計）題目：基于Solidworks的電動千斤頂設計學院：理工學院學號：學生：緒論研究背景及意義隨著工業(yè)和汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，對于起重和支撐設備的需求日益增長。電動千斤頂作為一種便攜式起重工具，在汽車維修、工業(yè)搬運和建筑施工等領域扮演著重要角色。其設計和性能的優(yōu)劣直接關系到工作效率和使用安全。與傳統(tǒng)的手動千斤頂相比，電動千斤頂以其省力、高效的特點，逐漸成為市場的新寵。本文提出了一種新型臥式電動千斤頂?shù)脑O計方案，旨在解決傳統(tǒng)千斤頂存在的操作費力、效率低下等問題。該千斤頂具有起頂高度低、可達高度高、上升速度快的特點，同時動力輸入裝置支持電動與手動的快速切換，以適應不同使用場景。設計中特別考慮了女士用戶的需求，力求實現(xiàn)低制造成本、操作簡便和廣泛的應用范圍，對汽車保養(yǎng)和維修行業(yè)具有重要的實際意義。在設計過程中，本文采用了Solidworks軟件進行三維建模和運動仿真。Solidworks是一款功能強大的計算機輔助設計（CAD）軟件，它能夠幫助設計師快速構建精確的三維模型，并進行詳盡的運動分析。通過Solidworks，設計師可以直觀地觀察千斤頂各部件的運動情況，及時發(fā)現(xiàn)設計中的問題并進行優(yōu)化，從而提高設計質量和效率。新型臥式電動千斤頂?shù)脑O計采用了模塊化思想，各部件之間通過標準化接口連接，便于生產(chǎn)和維護。在動力系統(tǒng)方面，設計中采用了高效電機和減速機構，確保了千斤頂在提供足夠起升力的同時，還能保持較快的上升速度。此外，手動操作模式的設計使得在電力不足或緊急情況下，用戶仍能通過手動泵來操作千斤頂，保證了使用的靈活性和可靠性。在安全性能方面，新型千斤頂設計了多重安全保護措施，包括過載保護、自動鎖定裝置和緊急下降按鈕等。這些安全特性能夠有效防止意外事故的發(fā)生，保障使用者的安全。通過Solidworks軟件的運動仿真功能，本文對千斤頂?shù)膫鲃酉到y(tǒng)進行了虛擬樣機技術分析。仿真結果表明，設計的千斤頂在不同負載條件下均能穩(wěn)定工作，且具有良好的動態(tài)響應特性。仿真分析為千斤頂?shù)膬?yōu)化設計提供了科學依據(jù)，有助于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本。綜上所述，本文設計的新型臥式電動千斤頂不僅滿足了現(xiàn)代工業(yè)和汽車維修行業(yè)對高效、安全起重設備的需求，而且通過Solidworks軟件的應用，實現(xiàn)了設計的創(chuàng)新和優(yōu)化。該設計具有實際應用價值和廣闊的市場前景，對推動起重設備行業(yè)的發(fā)展具有積極的推動作用。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著技術的不斷進步，國內(nèi)外學者對千斤頂?shù)脑O計、制造和應用進行了廣泛而深入的研究，旨在提高其性能、效率和智能化水平。在千斤頂?shù)念愋脱芯糠矫妫簼龋?024）針對現(xiàn)有夾片更換效率低的問題，設計了一種新型提升千斤頂，該千斤頂通過改進夾片結構，顯著提升了更換效率，減少了操作時間。張軍等（2023）則對薄煤層液壓支架抬底千斤頂進行了設計與改進，通過優(yōu)化液壓系統(tǒng)，提高了千斤頂在狹小空間內(nèi)的工作性能。Faulve（2024）設計了一種用于輕型車輛的螺旋千斤頂，該千斤頂結構緊湊，操作簡便，適用于多種輕型車輛。在結構優(yōu)化方面，岳瑩瑩（2022）對某特種汽車千斤頂連接橫梁進行了優(yōu)化設計，通過有限元分析和實驗驗證，提高了橫梁的承載能力和穩(wěn)定性。鄒函滔（2022）對汽車驅動橋千斤頂支座成型工藝進行了改進及模具設計，有效提升了支座的制造精度和使用壽命。方學武（2022）設計了電動螺旋液壓千斤頂，該千斤頂結合了電動和液壓兩種驅動方式，實現(xiàn)了更高效的提升能力。性能提升方面，王文菁（2022）設計了裝載車液壓千斤頂電控系統(tǒng)，通過引入先進的電子控制技術，提高了千斤頂?shù)目刂凭群晚憫俣?。李彬?022）構建了推桿、千斤頂負載測試系統(tǒng)，為千斤頂?shù)男阅軠y試提供了更為精確和可靠的手段。Faulve（2024）設計了一種用于輕型車輛的螺旋千斤頂，該千斤頂采用創(chuàng)新的螺旋升降機制，使得操作更加簡便快捷，大大提高了更換輪胎的效率。其輕巧的設計和高強度材料確保了在各種路況下都能穩(wěn)定可靠地工作。Guan等（2022）設計了一種新型車載液壓千斤頂，該千斤頂采用了先進的材料和結構設計，具有更高的承載能力和穩(wěn)定性，同時體積更小，重量更輕，便于攜帶和使用。智能化控制方面，陳燕和歐陽加強（2022）對千斤頂技術的研究現(xiàn)狀與展望進行了論述，指出智能化控制是千斤頂技術發(fā)展的重要趨勢。陳黎旭和熊廣友（2022）對汽車電動千斤頂減速雙聯(lián)齒輪進行了試制，通過引入智能控制技術，實現(xiàn)了千斤頂?shù)木_控制和故障自診斷功能。綜上所述，國內(nèi)外學者對千斤頂?shù)难芯恐饕性谠O計優(yōu)化、性能提升、智能化控制等方面。這些研究不僅提高了千斤頂?shù)膶嵱眯院桶踩?，也為千斤頂技術的未來發(fā)展指明了方向。未來的研究應繼續(xù)關注千斤頂?shù)闹悄芑?、環(huán)?；约芭c新材料、新技術的結合，以滿足日益增長的市場需求和環(huán)保要求。研究內(nèi)容與方法針對女性用戶對汽車千斤頂?shù)氖褂眯枨?，本研究設計了一種新型臥式千斤頂。該千斤頂具備低起頂高度、快速上升速度，動力輸入裝置可靈活實現(xiàn)電動與手動的快速切換，且具有低制造成本、操作簡便以及廣泛的應用范圍。研究重點對螺桿機構和齒輪機構進行了設計及校核，并在Solidworks集成設計環(huán)境中構建了千斤頂各零部件的三維模型及傳動系統(tǒng)的三維模型。采用Solidworks軟件進行了機構運動仿真與干涉檢查，為千斤頂傳動系統(tǒng)的虛擬樣機技術及優(yōu)化設計提供了技術支撐。本研究采用參數(shù)化設計方法，利用Solidworks軟件完成三維建模與仿真。通過Solidworks軟件對千斤頂傳動系統(tǒng)進行運動仿真和干涉檢查，確保設計符合實際工作需求。此外，依據(jù)設計規(guī)范，對關鍵部件進行了耐磨性、強度、自鎖性和穩(wěn)定性計算，確保了千斤頂?shù)男阅芘c可靠性。新型臥式千斤頂結構設計設計要求千斤頂作為一種廣泛應用于工業(yè)和日常生活中的重要機械設備，其設計必須滿足一系列嚴格的技術要求，以確保其在實際應用中能夠高效、安全地執(zhí)行任務。具體而言，新型臥式千斤頂?shù)慕Y構設計需遵循以下要求：(1)功能性與可靠性千斤頂?shù)氖滓蝿帐菍崿F(xiàn)重物的垂直舉起，因此，其頂舉機構的設計必須高效且可靠。螺旋機構由于其結構簡單、傳動平穩(wěn)且具有一定的自鎖性，常被選為頂舉機構的核心。同時，傳動機構的選擇需考慮傳動效率、傳動比以及結構緊湊性等因素，齒輪機構因其傳動平穩(wěn)、承載能力強且易于實現(xiàn)多級傳動，成為了一種優(yōu)選方案。動力輸入裝置的設計應便于操作，且能確保足夠的輸入力矩，以驅動整個系統(tǒng)的運行。在功能性方面，千斤頂還需具備自鎖功能，以防止在停止操作后重物意外下降，確保操作的安全性。(2)性能與穩(wěn)定性在性能要求上，千斤頂需在工作過程中展現(xiàn)出平穩(wěn)的動作特性，減少振動和沖擊，以保護被舉升物體及周圍環(huán)境。此外，千斤頂還需具備良好的增力性能，能夠在較小的輸入力下產(chǎn)生較大的頂舉力，以適應不同負載的需求。在承受最大負載以及實現(xiàn)最大行程時，千斤頂?shù)姆€(wěn)定性尤為關鍵，需通過合理的結構設計及材料選擇來確保其在極端工況下的穩(wěn)定工作。(3)便攜性與適應性考慮到千斤頂在多種環(huán)境下的應用需求，其設計還需注重便攜性和適應性。千斤頂?shù)捏w積和重量應控制在合理范圍內(nèi)，以便于攜帶和搬運。同時，其結構設計應具有一定的靈活性，能夠適應不同工作環(huán)境和負載條件的變化。(4)強度與耐磨性在結構設計過程中，必須對傳動零件及機構進行強度計算，以確保其能夠承受預期的工作負載而不發(fā)生破壞。此外，由于千斤頂在使用過程中會經(jīng)歷頻繁的摩擦和磨損，因此耐磨性計算也是必不可少的。通過合理的材料選擇、表面處理和潤滑方式，可以有效提高千斤頂?shù)哪湍バ?，延長其使用壽命。(5)自鎖性與穩(wěn)定性分析自鎖性是千斤頂設計中的一個重要指標，它關系到千斤頂在停止操作后能否保持鎖定狀態(tài)，防止重物下滑。因此，在設計中需對自鎖機構進行詳細的計算和分析，確保其具有足夠的自鎖力。同時，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析也是必不可少的，包括頂舉件的穩(wěn)定性、結構的整體穩(wěn)定性以及在不同工況下的動態(tài)穩(wěn)定性等。通過有限元分析、模態(tài)分析等方法，可以對千斤頂?shù)姆€(wěn)定性進行全面評估和優(yōu)化。綜上所述，新型臥式千斤頂?shù)慕Y構設計需綜合考慮功能性、性能、便攜性、強度、耐磨性、自鎖性和穩(wěn)定性等多方面因素，以確保其在實際應用中能夠高效、安全、可靠地完成任務。結構與工作原理在深入探討新型臥式千斤頂?shù)脑O計方案之前，首先需要對傳統(tǒng)千斤頂?shù)墓ぷ髟砑捌渚窒扌杂幸粋€清晰的認識。傳統(tǒng)臥式千斤頂，無論是手動還是電動類型，都各有其特點與不足。手動千斤頂雖然結構簡單、成本低廉，但在操作時需要較大的力量輸入，對于體力較弱的使用者而言，這無疑增加了操作的難度和勞動強度。而電動千斤頂則通過電機驅動，顯著提高了工作效率，減輕了操作者的體力負擔。然而，電動千斤頂高度依賴于電力供應，一旦電源不足或中斷，千斤頂將無法正常工作，這在實際應用中可能帶來諸多不便。針對傳統(tǒng)千斤頂?shù)倪@些局限性，本研究提出了一種新型臥式千斤頂設計方案，旨在融合手動與電動千斤頂?shù)膬?yōu)點，實現(xiàn)電動與手動模式的快速切換，從而滿足不同工作環(huán)境下的需求。這一設計方案的核心在于電動與手動一體化結構的創(chuàng)新，它使得千斤頂既能在電力充足時實現(xiàn)高效電動操作，又能在無電或電力不足的情況下通過手動操作繼續(xù)工作，大大提高了千斤頂?shù)倪m用性和靈活性。新型臥式千斤頂系統(tǒng)主要由電機、減速箱、上下舉臂、固定板和底座等關鍵部件組成。這些部件相互協(xié)作，共同構成了千斤頂?shù)闹黧w結構，確保了千斤頂?shù)姆€(wěn)定性和功能性。圖2.1新型臥式千斤頂結構圖電機作為電動千斤頂?shù)膭恿υ?，其性能直接影響到千斤頂?shù)墓ぷ餍屎褪褂脡勖?。在新型臥式千斤頂中，選用了高效能、低噪音的直流電機作為動力源。該電機具有體積小、重量輕、啟動扭矩大等優(yōu)點，非常適合用于千斤頂這類需要頻繁啟停和承受較大負載的設備。減速箱的設計則是實現(xiàn)電機轉速降低和扭矩增大的關鍵。在新型臥式千斤頂中，采用了一種緊湊而高效的齒輪減速箱。該減速箱通過多級齒輪傳動，將電機的高速低扭矩輸出轉換為低速高扭矩輸出，從而滿足了螺桿驅動的需求。同時，減速箱內(nèi)部采用了精密的齒輪加工和潤滑系統(tǒng)，確保了傳動的平穩(wěn)性和耐久性。圖2.2新型臥式千斤齒輪箱結構圖上下舉臂是千斤頂中負責承受和傳遞負載的關鍵部件。在新型臥式千斤頂中，采用了高強度、高韌性的合金鋼材料來制造上下舉臂。這種材料不僅具有優(yōu)異的力學性能，而且易于加工和焊接，能夠滿足千斤頂在各種工況下的使用要求。固定板則用于連接上下舉臂和底座，確保千斤頂在工作過程中的穩(wěn)定性和安全性。在固定板的設計中，充分考慮了千斤頂?shù)氖褂铆h(huán)境和負載特性，采用了合理的結構和尺寸設計，確保了固定板的強度和剛度。底座是千斤頂?shù)幕A支撐部件，它承受著整個設備的重量和負載。在新型臥式千斤頂中，采用了厚實的鋼板作為底座材料，并通過合理的結構設計和焊接工藝確保了底座的穩(wěn)定性和耐用性。此外，底座上還設計了多個安裝孔和定位孔，以便于千斤頂與其他設備的連接和固定。新型臥式千斤頂?shù)墓ぷ髟碇饕陔妱优c手動模式的快速切換機制。在電動模式下，電機通過減速箱驅動螺桿旋轉，從而實現(xiàn)千斤頂?shù)捻斊鸷突芈溥^程。而在手動模式下，則通過手搖手柄架直接驅動螺桿旋轉。在電動工作模式下，當電機啟動時，其輸出軸開始旋轉。通過減速箱的減速增扭作用，電機的轉速被顯著降低，而扭矩則得到大幅提升。減速箱的輸出軸與螺桿相連，當減速箱輸出軸旋轉時，螺桿也隨之旋轉。由于螺桿與上下舉臂之間通過螺紋連接，因此螺桿的旋轉會帶動上下舉臂進行升降運動，從而實現(xiàn)千斤頂?shù)捻斊鸸δ?。當需要回落時，只需改變電機的旋轉方向即可。在手動工作模式下，當電力供應不足或需要手動操作時，可以通過將齒輪軸手柄插入減速箱的定位孔中來實現(xiàn)手動驅動。此時，手柄的旋轉會直接帶動減速箱的輸出軸和螺桿旋轉，進而實現(xiàn)千斤頂?shù)捻斊鸷突芈涔δ?。這種手動操作方式簡單直觀，無需額外的電力供應，非常適合在緊急情況下使用。電動與手動模式的快速切換是新型臥式千斤頂?shù)囊淮髣?chuàng)新點。為了實現(xiàn)這一功能，在減速箱上設計了特殊的定位孔和手柄插槽。當需要切換工作模式時，只需將手柄從插槽中取出或插入即可輕松實現(xiàn)。這種切換方式不僅操作簡便快捷，而且結構緊湊可靠，確保了千斤頂在各種工況下的穩(wěn)定性和安全性。在新型臥式千斤頂?shù)脑O計中，充分考慮了設備的安全可靠性。首先，在整體結構設計上，采用了合理的布局和尺寸設計，確保了千斤頂在各種工況下的穩(wěn)定性和耐用性。其次，在關鍵部件的選材和制造工藝上，嚴格遵循相關標準和規(guī)范，確保了部件的質量和性能。此外，還特別注重了設備的潤滑和密封設計，以防止灰塵、水分等雜質進入設備內(nèi)部造成損壞或故障。在減速箱的設計中，采用了精密的齒輪加工和潤滑系統(tǒng)來確保傳動的平穩(wěn)性和耐久性。同時，還設置了過載保護裝置來防止因負載過大而導致的設備損壞或安全事故。當負載超過設定值時，過載保護裝置會自動切斷電源或限制電機的輸出扭矩，從而保護設備免受損壞。在手柄和舉臂的設計中，也充分考慮了操作者的安全和舒適性。手柄采用了符合人體工學的設計，使得操作者在長時間操作時也能保持舒適的手感。同時，舉臂的設計也充分考慮了負載的均勻分布和穩(wěn)定性，確保了操作過程中的安全性和可靠性。螺旋機構設計螺旋傳動千斤頂?shù)脑O計需滿足頂升重量800kg的要求，并配備直流12V的供電電源。該千斤頂?shù)淖畹臀恢酶叨葹?13mm，最高位置高度為385mm，頂舉高度為272mm。在螺旋傳動設計中，梯形螺紋被廣泛應用于臥式千斤頂中，螺桿是其核心零件，同時也是常見的失效構件。螺桿的主要失效形式包括螺紋表面的磨損、螺桿的拉斷或剪斷，以及螺紋根部的剪斷和彎斷。為確保千斤頂?shù)男阅芘c可靠性，設計過程中需對螺旋傳動的耐磨性和強度進行詳細計算，以確定其主要尺寸參數(shù)。耐磨性計算主要考慮螺紋表面的材料特性、載荷條件和滑動速度等因素，以確保在長期使用過程中，螺紋表面的磨損降至最低。同時，強度計算涉及螺桿在承受最大載荷時的抗剪、抗拉和抗彎能力，以確保在極限工作條件下，螺桿不會發(fā)生斷裂或變形。通過精確的耐磨性和強度計算，可以確保螺旋傳動千斤頂在滿足頂升重量和高度要求的同時，具有良好的工作性能和較長的使用壽命。表2.1螺旋機構設計關鍵數(shù)據(jù)和尺寸類別(Category)參數(shù)(Parameter)數(shù)值(Value)單位(Unit)螺桿尺寸(ScrewSize)直徑(Diameter,d)14mm螺距(Pitch,p)2mm中徑(MeanDiameter,d2)13mm螺紋圈數(shù)(ThreadTurns,n)11圈螺母高度(NutHeight,H)32mm行程和高度(Stroke&Height)最低位置高度(Min.Height)113mm最高位置高度(Max.Height)385mm頂舉高度(LiftingHeight)272mm材料屬性(MaterialProperties)螺桿材料(ScrewMaterial)45號鋼-屈服強度(YieldStrength)360N/mm2螺母材料(NutMaterial)45號鋼-（1）選材和許用應力螺桿材料選用45號鋼，調(diào)質處理后屈服強度為360N/mm2，安全系數(shù)取3至5，計算得到許用應力范圍為120至72N/mm2，此處取120N/mm2；螺母材料亦選用45號鋼，其許用抗彎強度范圍為100至120N/mm2，取110N/mm2，許用剪切應力為60N/mm2；接觸應力[p]取值范圍為7.5至13N/mm2，此處取13N/mm2。（2）耐磨性中徑計算按耐磨性計算，計算中徑d2得12.8mm：(2.1)依據(jù)GB5796.3-86標準，可選梯形螺紋參數(shù)為d=14mm，p=2mm，d2=13mm，D4=14.5mm，d3=11.5mm，D1=12mm，中等精度；螺母高度H取φd2，計算得31.2mm，取32mm，則螺紋圈數(shù)n為H/P，計算得10.7圈。（3）自鎖性計算自鎖性計算為：(2.2)由于為單頭螺紋，導程S等于P，即2mm，計算螺紋升角λ為2.8度；取摩擦系數(shù)f為0.15，摩擦角α為30度，計算得摩擦角ρ'為8.82度，由于λ小于ρ'，自鎖性可靠。（4）螺桿強度驗算螺桿強度驗算為：(2.3)計算螺紋摩擦力矩Mt1為13366Nmm，代入公式計算得σca為88N/mm2，小于許用應力[σ]，滿足強度要求。齒輪機構設計在千斤頂傳動系統(tǒng)的設計中，齒輪機構作為核心組成部分，其設計與常規(guī)齒輪機構設計有著相似之處。本文主要探討該系統(tǒng)中齒輪機構傳動比的確定，以及其對工作性能的影響。表2.2齒輪機構設計關鍵數(shù)據(jù)和尺寸類別(Category)參數(shù)(Parameter)數(shù)值(Value)單位(Unit)傳動比(GearRatio)總傳動比(TotalRatio)67.5-第一級傳動比(FirstStageRatio)3:01-第二級傳動比(SecondStageRatio)3:01-第三級傳動比(ThirdStageRatio)3:01-第四級傳動比(FourthStageRatio)2.5:1-手柄圓周力(HandleForce)連續(xù)工作狀態(tài)(ContinuousDuty)40-100N間歇工作狀態(tài)(IntermittentDuty)100-150N螺桿參數(shù)(ScrewParameter)轉矩范圍(TorqueRange)27-32N·m轉速限制(RotationSpeedLimit)少于300rpm齒輪機構的傳動比i是衡量動力傳遞效率的關鍵參數(shù)。當傳動比i大于1時，齒輪機構表現(xiàn)為增力機構。傳動比i的數(shù)值越大，操作者在頂舉一定重量的條件下所施加的力越小，從而實現(xiàn)省力效果。然而，傳動比的增大也伴隨著重物升降速度的減緩，因此在設計過程中需要在工作強度和升降速度之間做出權衡。在實際應用中，施加在手柄上的力是有限的。在連續(xù)工作狀態(tài)下，圓周力應控制在40至100牛頓之間，而在間歇工作狀態(tài)下，圓周力可達100至150牛頓。此外，考慮到螺桿所受的轉矩為27至32N·m，且螺桿轉速需少于300轉/分鐘，設計了一個總傳動比為67.5的齒輪機構。具體到各級傳動比，第一級傳動比為3:1，第二級傳動比為3:1，第三級傳動比為3:1，第四級傳動比為2.5:1。經(jīng)過計算，手柄處所需的圓周力為42牛頓，滿足了設計要求。在齒輪機構設計中，傳動比的選擇直接影響到工作強度和升降速度。較大的傳動比可以顯著降低操作者的勞動強度，但同時也導致重物升降速度的減緩。因此，在確定傳動比時，需要根據(jù)實際工作需求和使用環(huán)境進行綜合考慮。傳動比的設計還需考慮到施加在手柄上的力。在保證安全的前提下，合理地選擇傳動比，使得操作者在操作過程中所需的力符合人體工程學要求。此外，傳動比的設計還應兼顧到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保在長時間使用過程中，齒輪機構能夠穩(wěn)定運行，避免出現(xiàn)故障。傳動比的設計還需考慮螺桿的轉矩和轉速。在本設計中，螺桿轉矩為27至32N·m，轉速低于300轉/分鐘。在此條件下，選擇總傳動比為67.5的齒輪機構，不僅能夠滿足重物升降的需求，還能保證系統(tǒng)的運行效率。模型的構建與運動仿真三維模型構建在現(xiàn)代工程設計領域，計算機輔助設計（CAD）軟件已成為不可或缺的工具，其中Solidworks以其強大的三維建模和仿真功能，在機械設計領域中占據(jù)重要地位。本文利用Solidworks的多種功能來構建千斤頂?shù)娜S模型，并通過裝配和仿真分析來優(yōu)化設計。首先，千斤頂?shù)脑O計始于草圖繪制階段。在Solidworks中，設計師可以利用草圖工具繪制出千斤頂各個零件的基本輪廓。通過精確的尺寸標注和幾何約束，確保草圖的準確性和設計意圖的實現(xiàn)。隨后，通過拉伸、旋轉、放樣和掃描等實體建模工具，將二維草圖轉化為三維實體模型。這些操作不僅提高了設計效率，而且確保了零件的精確度和復雜形狀的實現(xiàn)。構建千斤頂?shù)娜S模型涉及螺旋頂舉機構、齒輪傳動機構、動力輸入裝置及機座的精細三維實體建模。該過程首先包括對各個零件的三維實體造型，進而通過虛擬裝配技術形成整機的三維模型。在三維實體建模中，本研究采納自下而上的裝配方法，即首先依據(jù)各零件的精確尺寸進行獨立建模，隨后依據(jù)零部件間的配合關系和約束關系進行裝配。本研究中，螺旋頂舉機構和齒輪傳動機構的零件均經(jīng)過詳細尺寸測量和計算，確保了模型的精確性。此外，動力輸入裝置及機座的建模同樣遵循嚴格的尺寸標準，以保證整機的穩(wěn)定性和功能性。在Solidworks環(huán)境下，采用草圖繪制、拉伸、旋轉、放樣及掃描等建模功能，精確構建千斤頂各零件的三維模型。通過草圖繪制，首先繪制出零件的基本輪廓，隨后利用拉伸命令沿草圖平面垂直方向生成實體，實現(xiàn)零件的高度構建。旋轉功能則用于將草圖沿指定軸線旋轉生成實體，適用于對稱結構的零件建模。此外，放樣功能通過連接多個草圖或曲線，形成復雜的零件形狀，尤其適用于千斤頂中曲線變化較為復雜的結構。掃描功能則通過沿路徑掃描一個或多個草圖來生成實體，適用于創(chuàng)建千斤頂中具有規(guī)律變化的零件形狀。Solidworks環(huán)境下千斤頂?shù)娜S模型構建過程如下：步驟一：草圖繪制螺旋頂舉機構草圖繪制：螺旋直徑D=50mm，螺距P=10mm，長度L=200mm。尺寸標注：精確標注螺旋直徑、螺距及長度。幾何約束：設置同心、平行等約束條件，確保草圖準確性。齒輪傳動機構草圖繪制：大齒輪齒數(shù)z1=40，模數(shù)m=5，小齒輪齒數(shù)z2=20。尺寸標注：精確標注齒輪齒數(shù)、模數(shù)及中心距。幾何約束：設置齒輪間的嚙合約束。動力輸入裝置及機座草圖繪制：輸入軸直徑d=30mm，長度l=150mm；機座長寬高分別為L=300mm，W=200mm，H=100mm。尺寸標注：精確標注輸入軸直徑、長度及機座的尺寸。幾何約束：設置軸與機座的裝配約束。步驟二：實體建模螺旋頂舉機構建模：使用“拉伸”功能，沿草圖平面垂直方向拉伸螺旋輪廓，生成螺旋實體，拉伸深度=200mm。齒輪傳動機構建模：使用“旋轉”功能，將齒輪草圖沿中心軸線旋轉360度，生成齒輪實體。旋轉角度=360°。動力輸入裝置及機座建模：使用“拉伸”功能，將輸入軸草圖拉伸成實體。拉伸深度=150mm。使用“拉伸”功能，將機座草圖拉伸成實體，拉伸深度=100mm。步驟三：放樣與掃描建模對于千斤頂中曲線變化復雜的結構，采用“放樣”功能連接多個草圖曲線，形成復雜形狀的實體。對于具有規(guī)律變化的零件，如導軌結構，采用“掃描”功能沿路徑掃描草圖，生成實體。步驟四：虛擬裝配在Solidworks裝配環(huán)境中，將各個零件按照實際裝配關系進行虛擬裝配。設置零件間的配合關系（如同軸、平行、面接觸等）和約束條件，確保裝配精度。通過虛擬裝配，檢查各零件間的干涉情況，并進行必要的調(diào)整。運動仿真分析完成整機裝配后，通過模擬機構運動，本研究進一步進行了運動干涉檢查，以評估各部件在運動過程中的相互作用和潛在沖突。該檢查對于確保千斤頂在實際工作中的可靠性和安全性至關重要。通過運動仿真分析，可以及時發(fā)現(xiàn)設計中的不足，并進行相應的優(yōu)化調(diào)整，從而提高整機的性能和工作效率。通過應用裝配功能中的重合、平行、同軸以及齒輪配合等命令，實現(xiàn)了精確的模型裝配。圖3.2展示了該裝配模型。圖3.2裝配模型具體操作過程中，首先利用重合命令確保關鍵部件在空間位置上完全對應，以達到預期的配合效果。隨后，通過平行命令調(diào)整部件的相對位置，確保其在同一平面內(nèi)保持平行關系，從而滿足設計要求。同軸命令的使用，則進一步確保了旋轉部件的軸線對齊，提升了旋轉部件的運動精度。最后，通過齒輪配合命令，對齒輪組件進行了精確裝配，保證了齒輪間的正常嚙合與運動。在機械結構設計中，零件之間的配合關系至關重要。為此，本文通過生成爆炸視圖（見圖3.3），詳細展示了各零件的空間布局及其相互配合關系，并進一步通過動畫形式，演示了裝配與拆卸過程。圖3.3千斤頂爆炸圖利用Solidworks，本文對千斤頂?shù)墓ぷ鬟^程進行了仿真分析。手柄設計采用齒輪軸結構，如圖3.4所示。圖3.4齒輪箱結構仿真過程中，不僅模擬了千斤頂頂舉重物的上升與下降動作，還成功生成了avi格式的動畫文件，清晰地展示了各構件的運動軌跡及其相對運動狀況。通過爆炸視圖、動畫演示以及Solidworks軟件仿真，可以深入分析了千斤頂?shù)慕Y構設計和工作過程。關鍵技術與優(yōu)化在電動模式下，動力源自電機，通過齒輪系傳遞至螺桿。螺桿的旋轉運動能夠驅動舉臂上升，實現(xiàn)重物的舉起，并具備自鎖功能，確保重物穩(wěn)定。當電機反向旋轉時，齒輪系促使舉臂下行，從而實現(xiàn)重物的放置。在手動模式下，手柄插入齒輪箱的定位孔中，即可完成模式切換。此時，手柄直接驅動齒輪軸旋轉，進而通過齒輪系將動力傳遞至螺桿，完成重物的頂舉操作。值得注意的是，在手動模式下，電機的阻力相對較小，因此不會顯著增加手柄的輸入力矩，從而保證了操作的便捷性和效率。設計充分利用了齒輪系的高效傳動特性，以及螺桿的自鎖功能，實現(xiàn)了重物舉放的精確控制。在電動模式下，電機作為動力源，能夠提供穩(wěn)定的動力輸出，確保舉臂運動的平穩(wěn)性和可靠性。而在手動模式下，手柄的介入使得操作者能夠直接控制舉臂的運動，提高了操作的直觀性和靈活性。此外，設計在手柄與齒輪箱之間的連接結構上進行了優(yōu)化，使得模式切換過程簡潔明了，無需復雜操作。這種設計不僅降低了操作難度，還提高了設備的使用壽命和安全性。新型臥式千斤頂?shù)挠邢拊治稣w有限元分析在ro_ENGINEER_5.0軟件中，首先完成對臥式千斤頂三維實體模型的精確建立。這一步驟涉及對千斤頂?shù)母鱾€部件進行詳細的幾何建模，確保其尺寸、形狀和比例與實際產(chǎn)品一致。建模完成后，將臥式千斤頂?shù)娜S模型保存為igs格式，以便后續(xù)導入模塊。將igs格式的臥式千斤頂三維模型導入ANSYSWorkbench的DesignModeler（DM）模塊中。導入后的臥式千斤頂模型在DesignModeler中，可以對模型進行進一步的檢查和調(diào)整，以確保其準確性和完整性。為了更準確地模擬臥式千斤頂在實際工況下的受力情況，需要對缸體內(nèi)與油液接觸的部分進行載荷施加。為此，利用DesignModeler中的切片工具對缸體內(nèi)進行切片處理。切片的目的在于區(qū)分缸體內(nèi)受壓部分與不受壓部分，從而能夠更精確地定義和施加載荷。在對臥式千斤頂進行模型導入與材料參數(shù)編輯后，網(wǎng)格劃分成為構建有限元分析模型的關鍵步驟。ANSYSWorkbench提供了多種網(wǎng)格類型，鑒于臥式千斤頂?shù)娜S實體特性，選擇三維網(wǎng)格進行劃分是理所當然的。在三維網(wǎng)格中，四面體單元因其高靈活性和強適應性，尤其適合處理復雜幾何形狀，而六面體單元則在計算精度和效率上更勝一籌，但處理復雜形狀時較為棘手。針對四面體單元，10節(jié)點類型作為應力單元，能更精確地模擬應力分布，而4節(jié)點類型則更側重于應變分析。綜合臥式千斤頂?shù)膶嶋H受力情況和應力分布特點，本文選用10節(jié)點四面體單元進行有限元分析。在網(wǎng)格劃分時，還需平衡網(wǎng)格大小和密度，以確保分析精度與計算量的合理折衷，這需要根據(jù)千斤頂?shù)膸缀涡螤?、受力特性和計算資源等因素進行綜合考量。具體步驟如下：步驟一：三維實體模型建立軟件平臺：ro_ENGINEER_5.0軟件。任務：建立臥式千斤頂?shù)娜S實體模型。關鍵數(shù)據(jù)：螺旋頂舉機構：螺旋直徑D=50mm，螺距P=10mm，長度L=200mm。齒輪傳動機構：大齒輪齒數(shù)z1=40，模數(shù)m=5；小齒輪齒數(shù)z2=20。動力輸入裝置：輸入軸直徑d=30mm，長度l=150mm。機座：長寬高分別為L=300mm，W=200mm，H=100mm。輸出：將模型保存為igs格式。步驟二：模型導入與調(diào)整軟件平臺：ANSYSWorkbench的DesignModeler（DM）模塊。任務：將igs格式的臥式千斤頂三維模型導入DesignModeler。操作：對模型進行進一步檢查和調(diào)整，確保準確性和完整性。步驟三：載荷施加準備工具：DesignModeler中的切片工具。任務：對缸體內(nèi)與油液接觸的部分進行切片處理。目的：區(qū)分缸體內(nèi)受壓部分與不受壓部分，以更精確地定義和施加載荷。步驟四：網(wǎng)格劃分軟件平臺：ANSYSWorkbench。任務：對臥式千斤頂?shù)娜S模型進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型選擇：三維網(wǎng)格：鑒于臥式千斤頂?shù)娜S實體特性。單元類型：選擇10節(jié)點四面體單元。理由：能更精確地模擬應力分布，適合臥式千斤頂?shù)膶嶋H受力情況。網(wǎng)格大小與密度：根據(jù)千斤頂?shù)膸缀涡螤?、受力特性和計算資源等因素進行綜合考量，平衡分析精度與計算量?；钊麠U耳環(huán)有限元分析根據(jù)臥式千斤頂中耳環(huán)的實際結構，在Pro_ENGINEER_5.0軟件中完成對耳環(huán)三維模型的精確建立。所建的耳環(huán)模型特點在于活塞桿直徑設定為D=85mm，而耳環(huán)的孔徑則精確地為61mm。在模型建立并驗證無誤后，將其保存為XT格式，以便后續(xù)無縫導入ANSYSWorkbench中的DesignModeler（DM）模塊進行進一步的有限元分析和優(yōu)化設計。圖4.1千斤頂耳環(huán)三維模型在編輯材料參數(shù)時，確定耳環(huán)材料為45號鋼。為了提升有限元分析的精確度，對其進行了網(wǎng)格劃分。具體地，將網(wǎng)格尺寸細化為5mm，并選用了四面體結構單元。經(jīng)過這樣的處理，得到了一個包含116329個總單元和52146個總節(jié)點的精細網(wǎng)格模型。圖4.2耳環(huán)網(wǎng)格劃分在試驗壓力作用下，臥式千斤頂耳環(huán)的變形情況。主要變形集中在活塞桿，因壓力作用產(chǎn)生了一定的位移變形，最大變形量達到0.05mm。盡管耳環(huán)處也發(fā)生了一定程度的變形，但形變量相對較小。這一結果表明，該臥式千斤頂耳環(huán)的結構設計合理，能夠承受試驗壓力，滿足既定的性能要求。整體變形云圖如圖4.3所示。圖4.3千斤頂耳環(huán)整體變形云圖穩(wěn)定性分析在ANSYSWorkbench中，首先創(chuàng)建一個靜力學分析項目，并關聯(lián)了一個線性屈曲分析。隨后，在DesignModeler模塊中，構建臥式千斤頂?shù)募氶L桿模型，為其設定了外徑D=85mm和內(nèi)徑d=32mm的截面屬性。退出DesignModeler后，在靜力學系統(tǒng)中查看了engineeringdata，并定義了材料屬性：活塞桿采用40Cr材料，設定彈性模量E=210GPa，泊松比設為0.277。針對細長桿模型，選用Beam單元類型，該單元能準確考慮剪切變形對模型的影響，適用于處理線性及非線性大應變和大角度轉動問題。接著，將模型等分為30等份進行網(wǎng)格劃分，以便于進行特征值屈服分析，即臥式千斤頂?shù)姆€(wěn)定性評估。在設定邊界條件時，約束了模型一端的X、Y、Z方向平移及X方向轉動，另一端則約束了Y、Z方向位移及X方向轉動，并在端點上施加了1N的力以模擬形變時承受的力。隨后，基于靜力學分析進行了特征值屈服分析，設定模態(tài)數(shù)為6，分析結果如圖4.4所示。根據(jù)模態(tài)分析結果圖觀察到，對于臥式千斤頂?shù)募氶L桿模型，在6階模態(tài)分析中，1階與2階模態(tài)基本一致，3階與4階模態(tài)也相似，而5階與6階模態(tài)則大致相同。這種模態(tài)的相似性源于細長桿截面的中心對稱性，即截面為圓形，因此它關于Y軸和Z軸轉動的臨界狀態(tài)是相同的。若細長桿的截面為矩形，由于矩形的長寬不同，這6階模態(tài)將會各不相同，從而導致各階模態(tài)所得的臨界載荷也會有所差異。在等截面法應用于臥式千斤頂?shù)奶卣髦登治鲋?，其臨界載荷的計算是通過所施加的力與1階模態(tài)的乘積得出的?；谶@一方法，臥式千斤頂特征值屈曲分析所得的臨界載荷為1344.1kN。圖4.4屈曲分析形變圖相關性能試驗在空載工況下，使臥式千斤頂?shù)幕钊麠U進行伸出與收回的全程往復運動3次。此試驗旨在驗證活塞桿的伸縮長度是否符合設計要求，并檢查臥式千斤頂是否存在滲漏或爬行等異?，F(xiàn)象?？紤]到臥式千斤頂通常使用乳化液作為工作介質，其密封性能對于防止泄漏、減少資源浪費及環(huán)境保護至關重要。因此，需進行密封性能試驗。根據(jù)臥式千斤頂?shù)募夹g要求，在活塞桿伸縮至最小長度時，對有桿腔施加低壓（如2MPa）進行保壓測試；在活塞桿伸縮至最大長度時，對無桿腔施加高壓（如34MPa）進行保壓測試，兩次測試均持續(xù)5分鐘，以評估其密封性能。對臥式千斤頂進行中心過載性能試驗，以驗證其在極端條件下的承載能力和穩(wěn)定性。該試驗涵蓋三種工況：最小長度（千斤頂全縮回）的全縮回壓縮試驗、3/4行程處的動載過載試驗以及最大長度（千斤頂完全伸出）的中心加載試驗。每種工況均需進行5分鐘的過載測試，所施加的壓力需達到規(guī)定的工作倍數(shù)（如表3-5所示，假設參數(shù)已根據(jù)臥式千斤頂特性調(diào)整）。試驗結束后，需檢查千斤頂是否存在破壞或永久變形等異?，F(xiàn)象，并記錄試驗過程中的壓力變化。表4.1中心過載性能試驗參數(shù)千斤頂工況壓力(MPa)壓力倍數(shù)試驗后壓力最小長度63200%62.53/4行程處47150%46.6最大長度47150%46.5試驗結束后，臥式千斤頂在允許范圍內(nèi)存在較小壓降，且經(jīng)三坐標儀測量后未發(fā)現(xiàn)破壞或永久變形等異?，F(xiàn)象，則可判定該臥式千斤頂結構設計合理，各元件均符合技術要求。結論本研究設計了一種新型臥式千斤頂，該千斤頂具備低起頂高度、快速上升速度，動力輸入裝置可靈活實現(xiàn)電動與手動的快速切換，且具有低制造成本、操作簡便以及廣泛的應用范圍