家用汽车电动液压千斤顶的设计

周广智

（聊城鑫泰机床有限公司，聊城 252000）

家用汽车电动液压千斤顶的设计

周广智

（聊城鑫泰机床有限公司，聊城 252000）

本文与普通液压千斤顶不同之处在于其通过综合的优化设计，添加电能驱动，从而实现传统液压千斤顶的电动工作，以突出其在使用过程中轻便灵活、安全可靠的优点，满足用户基本的需求。

电动 液压 千斤顶

1 液压千斤顶的工作原理

本文设计的电动液压千斤顶由24V直流电动机、偏心轮机构、柱塞缸、两级伸缩式柱塞缸和多个液压控制阀体及操作控制器等原件组成。使用时，把电动液压千斤顶的电源插头与轿车蓄电瓶连接，通过直流驱动电动机转动，电动机带动泵体往复运动，液压泵压入油液，油液经回路管道进入缸体，产生推力使柱塞往右慢慢运动。在此同时，连接油箱的液压油回路上的管道内具有弹性的小球打开，缸体通过吸油管回路管道将液压油液吸入缸体中[1]。柱塞杆往左移动时，缸体的左半部分油腔液压油油压增大，这时与油箱联通的小球产生作用，阻塞管道，而与两级伸缩式套筒油缸的弹簧小球打开，油液经管道回路输入顶升两级伸缩式套筒油缸的下腔，迫使大活塞向上运动，顶起车辆。活塞杆再次右移时，与两级伸缩式套筒油缸相联接的油路上的弹簧小球堵塞管道。柱塞杆来回不停地移动，就能不断地把油液压入两级伸缩式套筒油缸下腔，汽车逐渐升起。如果汽车被顶举到合适的位置，这时候若打开电磁换向阀，液压油便经过二位二通电磁换向阀和管道回路回到油箱。

2 底板油路设计

板的设计过程充分考虑了机械加工的可行性。图1为底板油路设计图，柱塞杆向右移动时，柱塞缸内的油压减小，而油箱内的油压很高，导致弹簧小球被顶开。而两级伸缩式套筒油缸比柱塞缸内的油压高，弹簧小球2将堵塞联接两级伸缩式套筒油缸的管道，此时液压油吸入柱塞缸内。柱塞杆向左移动时，柱塞缸内的压力变大，油箱内的油压不高，导致弹簧小球把油路堵塞[2]。而两级伸缩式套筒油缸比柱塞缸内的油压相对低，弹簧小球2将打开联接两级伸缩式套筒油缸的管道，液压油被压入两级伸缩式套筒油缸，从而抬升负载的高度。当负载需放回时，将二位二通电磁换向阀打开，液压油经过管道和二位二通电磁换向阀流进油箱。如果油路出现堵塞现象时，系统内的油压将增大，此时底板的安全阀被顶开，油液流进油箱。

图1 底板油路设计

3 柱塞缸设计

柱塞缸体结构示意图如图2所示。本次设计的柱塞缸体由密封工作腔体、柱塞组成。为了减小液压缸千斤顶的外形尺寸，便于携带，本次设计的千斤顶液压缸体采用两级活塞驱动。第一级活塞缸的活塞是第二级活塞缸的缸体，伸出时可以获得很长的工作行程，缩回时保持很小的外形结构。当压力油从无杆腔进入时，活塞有效面积最大的缸筒开始伸出，当行至终点时，活塞有效面积次之的缸筒开始伸出。伸缩式液压伸出的顺序是由大到小依次伸出，可获得很长的工作行程，外伸缸筒有效面积越小，伸出速度越快[3]。因此，伸出速度有慢变快，相应的液压推力由大变小；这种推力、速度的变化规律，正适合各种自动装卸机械对推力和速度的要求。而缩回的顺序一般是由小到大依次缩回，缩回时的轴向长度较短，占用空间较小，结构紧凑。常用于工程机械和其他行走机械，如起重机、翻斗汽车等的液压系统。

图2 两级伸缩式液压缸结构图

4 电机选择

按照设计的电动液压千斤顶使用有关要求，并查找对照机械类设计手册，系统工作的最大力为F=2.0×104N；确定系统的压力p=25.0MPa；假定第二级液压缸的上升速度V=0.01m/s；依照GB2348—80标准中标准值选用原则，取d=32mm；系统流量Q=8.038×10-4m3。

此时液压缸用来支撑汽车的功率为：

式中，p电机为电机的额定功率，单位W；ŋm为机械损失，一般取0.9；ŋv为容量损失，取1。

带入数据，得电机额定功率p电机=250W。根据机械设计手册和有关知识查询，选用电压为24V、直流、额定功率250W、转速n=60r/min的电动机[4]。

5 确定顶升液压缸的参数

此次设计要求液压缸的实际伸缩量大概是200mm。因此，经考虑推算，决定使用伸缩式套筒液压缸。本次课题设计中，在查阅有关机械设计手册后，确定液压缸的第一级行程为h1=110mm，第二级行程h1=100mm。伸缩式液压缸缸体在运动过程中的运动速度和输出力都在不断发生变化。

6 液压缸的缸筒厚度计算

本次设计中采用标准液压缸的外径，查机械设计手册知道，第一级液压缸的参数选为d=50mm，D=60mm。

筒厚度此时为：

式中，φ为强度系数，φ=1；c为计入厚度公差及腐蚀的附属厚度；py为实验压力，p＜16MPa，py=1.5pMPa。

7 活塞杆设计计算

液压缸在工作时，对运动的速度比没有要求。按照相关经验公式，取杆的直径，结合表1液压缸工作压力与活塞杆直径的数据，取d=22.4mm。根据《机械设计手册》液压缸活塞杆的外径尺寸系列，活塞杆的外径圆为18mm[5]。

表1 液压缸工作压力与活塞杆直径

8 强度校核

这里仅对主要零件的强度进行计算，以及一些焊接部位的计算进行校核。

（1）缸体与缸盖焊接强度校核。缸底连接缸底用对焊，如图3所示。

图3 缸底对焊

焊缝的拉应力为：

式中，D1为液压缸外径，D1=60mm；D2为焊缝底径，D2=42mm；F为液压缸输出的最大推力，单位N；ŋ为焊接效率，通常取0.7。

（2）柱塞缸缸体强度校核。柱塞缸缸壁较薄，作用与缸体上的力较大，故需要校核，缸体受到的力为拉力，校核如下：

式中，σ为缸体横向拉应力，单位MPa；F为缸体受到的横向拉力，单位N；d1为缸体外径，单位mm；d为缸体的内径，单位mm。满足设计要求。

（3）活塞杆校核。在本次设计中，活塞杆主要受到压缩，所以主要对活塞杆压缩时的杆压力进行校核。

式中，σ为活塞杆的压缩变形的应力，单位N；F为柱塞杆承受的最大压力，单位N；A为柱塞杆截面面积，单位m；其中活塞杆承受的最大压力为20000N。满足设计要求。

9 结论

按照相关要求，利用课余时间查找相关资料及结合本科所学专业知识，在指导老师的帮助下，如期保质保量地完成了使用性能好、体积小、重量轻、操作方便好的小型车用电动液压千斤顶。经过查询和参考查阅有关机械类的设计资料和液压与气压传动方面的文献资料后，依据液压千斤顶的基本工作原理，通过明确设计目标，经过一系列计算，一步步完成了此次优化设计的电动液压千斤顶的电机的选用、千斤顶的液压缸缸体外型和相应部位的零件的结构外型设计、使用材料的选用，然后又对主要零件结构进行了一系列的校核计算。

[1]左键民.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]湛从昌.液压可靠性与故障诊断[J].液压传动优点，2012，12（2）：11-13.

[3]张坚.液压故障排除400问[M].长沙：湖南科学技术出版社，2009.

[4]马履中.机械原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，2010.

Household Car Electric Hydraulic Jack Design

ZHOU Guangzhi
(Liaocheng xintai machine tool co., LTD,Liaocheng 252000)

Iain in its different from common hydraulic jack through integrated optimization design,add the motor, so as to realize the electric work of traditional hydraulic jack.The design prominent in the process of using lightweight flexible,safe and reliable,and meet the needs of user base.

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