穿戴式轿车位移设计装置

王至恒

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

穿戴式轿车位移设计装置

王至恒

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

为了解决汽车遇到前后堵车不能出位，无法移出或者原地调头改道行驶这一问题，设计了一种轻便可移动式轿车举升器。首先对本设计的创新点进行大致介绍；然后根据汽车参数计算举升器所需要的基本数据；最后对其主要零部件进行尺寸确定和强度校核，检验设计的合理性。

举升器；穿戴式；轿车；便携式

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-44-03

前言

举升器作为汽车行业一种重要的工具。目前，其发展重点均为维修用举升器，不具备便携功能，更不具备家庭使用功能。在泊车用举升器方面研究较少，已经成为举升器行业发展的一个巨大的市场。

本文通过运用工程力学和机械设计的方法，对该举升器进行尺寸方面的设计，然后对该举升器进行尺寸方面的确定和危险截面强度方面的校核，以确保设计的合理性。

1 本设计的创新点

本设计装置创新优点在于四个方面：

（1）解决了先前装置不能调节宽窄的问题，使举升起不同宽度车轮的轿车成为可能；

（2）解决了先前装置不能调节轮胎直径的问题，使举升起不同直径车轮的轿车成为可能；

（3）增加了套筒和控制杆件之间的绑定系统，使该装置的锁定能够更加安全可靠。

（4）解决了先前装置必须依靠千斤顶才能举升轿车的步骤，增加了动力系统，使该装置能自行举升，操作更加方便高效。

2 举升器参数计算及总体概述

2.1 轿车的参数对设计条件的要求

为了保证设计具有普适性，轿车重量方面，重量定为2t；轮胎宽度范围在15～30cm；轮胎的直径有以下计算：185/60R14、195/55R15、205/55R16、225/40R18。轮辋14-22inch，1inch=25.4mm，高度 355.6--558.8mm，轮胎宽度165-245mm，扁平率70-40，断面高度115-100mm，外径60-80 cm。轴荷分配前轴70%，后轴30%[1]。每个前轮轴荷为70%

中的50%，后轮为30%中的50%。车轮受到的地面法向反力：以2000kg的轿车为例，前轴受到的地面法向反力为13720N，每个车轮为6860N。同理，每个后轮为2940N。故设计时应以6860N为准。

2.2 本装置的总体概述

图1 穿戴式轿车位移设计装置总装图

其中：（1）钢索，（2）U形钢索环，（3）L形左抓臂，（4）锁紧螺母，（5）螺纹套筒，（6）调整螺钉，（7）连接板，（8）侧板，（9）导筒，（10）从动锥齿轮，（11）轴向推力轴承，（12）螺杆，（13）T形定位销，（14）L形右抓臂，（15）蝶形螺母，（16）方形定位块，（17）带环螺栓，（18）直角板，（19）主动锥齿轮，（20）支撑销，（21）调整螺母，（22）支撑肋，（23）导柱，（24）底板，（25）万向轮。

3 穿戴式移动轿车举升器结构设计

3.1 螺旋传动的设计计算

人在下蹲时的手摇力F在5-15kg，取F=10×9.8N；人力输入速度应＜1m/s，取V=0.8m/s；根据各类轿车资料，取手柄旋转半径L=100mm；当需举升2000kg重量，F螺杆举升重量19600N。

螺杆和螺母均采用45钢，价格较低，可满足经济型的要求。装置的许用应力为7.5-13，取8。

螺纹公称直径d：

根据计算出的螺纹中径，然后查找公称直径以及螺距，即可完成螺杆螺纹设计。选用30°的锯齿形螺纹进行计算[2]

φ取1.5，前轮地面法向反力F=6860N，许用应力[P] =8，得d2≥15.541。设螺距P为3，d得17.488mm，根据GBT196-2003，选用中径22.052mm的螺杆较合适，此时螺杆的公称直径24，螺距3。

3.2 锥齿轮尺寸的设计计算

锥齿轮模数计算公式[3]：

m—大端模数；YFa—齿形系数；YSa—齿根应力修正系数；[σH]——应取配对齿轮中的较小许用接触应力。

锥齿轮的传动效率取0.95，滚动轴承传动效率取0.98；滑动轴承传动效率取0.97。

确定各参数值：K=1，小齿轮传动转矩T=9.55×P/ n =4.9× 109。Y=2.28，Y=1.73，[σ] =253MPa，Y Y/[σ]=

Fa SaHFaSaH 0.0155。模数m=2.15，取m=3。分度圆直径：d1=z1m=14× 3=42 mm，d2=z2m=28× 3=84mm。分锥角：δ1=arctan(1/u )=26.565°，δ=90°-26.565°=63.435°。齿轮宽度：

故主要涉及结论为：齿数z1=14，z2=28，模数m=3，压力角α=20°，变位系数x1= x2=0，分锥角δ1=26.565°、δ2=63.435°，齿宽b1= b2=14mm。小齿轮选用45Cr调质钢，大齿轮选用45调质钢。齿轮按7级精度设计。

3.3 L型抓臂及装置总长度确定

3.3.1 L形抓臂长度范围的确定

轮辋高度 355.6--558.8mm，轮胎宽度165-245mm，扁平率70-40，断面高度115-100mm，外径60-80 cm。

《阅微草堂笔记》载：御史某公性格多疑且迷信，并因此几次搬家。后来搬到一个大宅子里，又担心有鬼怪，便请和尚道士诵经度鬼、设坛驱狐，折腾数日。此宅本福邸，一通折腾后，却招来鬼魅，抛砖掷瓦，夜夜闹腾，某公只好又搬家。

抬举车轮时L型抓臂的状态如下图所示：

图2 抬举车轮时的L形抓臂状态

工作状态抽象为：

得L形抓臂长度及其固定杆长度范围为60cm-80cm。

3.3.2 抓钩长度范围的确定抓举宽窄轮胎时抓钩状态：

图4 轮胎抓举示意图

轮胎宽度15cm～30cm，故该装置的L形抓臂的抓钩的长度15cm～30cm。

3.3.3 该装置其他杆件的尺寸的确定

从图4.3知，该装置受力如悬臂梁，L形抓臂和万向轮之间的支撑板是受力最严重的地方。

3.4 重要结构的刚度、强度校核

3.4.1 螺杆-螺母传动副的刚度强度校核

（1）螺杆-螺母传动副耐磨性校核螺纹接触处的压强p校核公式为[4]

该杆件长20cm，b≥3.12cm,取b=5cm，

式中：Fa—轴向力，N；z—螺纹圈数；d2—螺纹中径，mm；h—螺纹工作高度，mm；[p]—许用压强。

得p=7.3358。满足负荷要求。

（2）螺杆-螺母自锁性校核

M24螺距3mm，中径22.052mm，升角计算公式：

得M24螺纹升角ψ=2.48°；

当量摩擦角计算公式：

当量摩擦角ρ=6.61°，ψ＜ρ。

螺杆-螺母装置可自锁，校核完毕。

3.4.2 锥齿轮疲劳强度校核

b1= b2=14mm，齿数z1=14，z2=28，模数m=3，压力角α=20°。σH=213MPa＜[σH]=253MPa。接触疲劳强度符合要求。

3.4.3 穿戴式轿车举升器其他杆件的弯曲强度校核

悬臂梁结构应校核其弯曲强度，由以下公式来校核材料的弯曲强度：

计算得到σ =336 MPa＜[σ]。该杆件确定的尺寸是安全可靠的[6]。

4 总结与展望

为缓解城市拥堵现象，设计出一款便携式穿戴式轿车位移装置，对其中的主要零部件进行尺寸的设计，并对其进行校核。验证了该装置的实用性和可靠性。

本装置市场前景巨大，经济效益可观。若能真正付诸实际生产，普及使用，能够批量生产，既可缓解一定交通堵塞问题，又可解决普遍存在的进出停车位的问题，大大提高人们的生活效率。

[1] 许洪国. 汽车运用工程[M]. 第4版. 北京：人民交通出版社, 2009.1.

[2] 濮良贵,陈国定,吴立言. 机械设计[M]. 第9版. 北京：高等教育出版社,2013.5.

[3] 闻邦椿. 汽车设计手册[M]. 第2版. 北京：机械工业出版社, 2010.1.

[4] 向柏林. 自卸车举升机构的优化设计. 汽车技术,1992.5.

[5] 西南交通大学应用力学与工程系. 工程力学[M]. 第2版. 北京：高等教育出版社,2009.1.

[6] 王望予. 汽车设计[M]. 第2版. 北京：机械工业出版社,2011.6.1.

Displacement design device for wearable car

Wang Zhiheng
( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

In order to solve the problem that car can’tcome out, be removed or turn round in traffic jam, we design a kind of portable car lift.Firstly, we generally introduce the innovation points of the design; thenwe calculate the basic data according to the parameters of the vehicle; finally, we determine the size and strength of its main parts to test the rationality of design. Keywords: Lifting jack; Wearable; Automobile; Portable

U462.1

A

1671-7988 (2017)15-44-03

王至恒（1993—），男，长安大学工程汽车学院硕士研究生，载运工具运用工程专业。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.016