济南大学泉城学院
毕 业 设 计
题 目 小型车用电动液压千斤顶设计
学 院 工学院
专 业 机械设计制造及其自动化
班 级 1302班
学 生
学 号 2013011262
指导教师
二〇一七年五月十六日
摘 要
液压千斤顶是液压系统的典型应用，其工作原理为帕斯卡原理。 本课题设计的
千斤顶为车用电动液压千斤顶，要求其在满足工作要求的情况下还要便于携带。本论文通过对车用电动液压千斤顶原理的分析，设计了一种采用凸轮机构驱动、底板供油的总体方案。通过对该液压系统的分析，确定了系统的工作压力，并根据工作载荷对电机进行了选择。液压缸和底板油路的设计是本课题的主要部分，与管联接相比，利用底板传递油液减少了很多管接头和管路，简化了系统。为了防止电机的过载，在底板油路设计中加入了安全阀。
关键词：汽车；电动；液压；千斤顶；
ABSTRACT
Hydraulic jack is a typical application of the principle of hydraulic system. It works
based on hectopascals principle. The design issues for a electric hydraulic jack, not only to meet the requirements to its function ,but also to its portability. According to the analysis of hydraulic transmission, a general solution with cam-driven and bottom oil supplying mechanism is selected from a variety of solutions. The design of Hydraulic cylinder and the bottom oil system is the main part of this design. Compared with the tube connected transmission, bottom transmission reduces a lot of joints and pipes. In order to guarantee the safety of the motor, a safety valve is used in the bottom oil system.
Key words：car；electric power system；Hydraulic system；jack
目 录
摘要 ........................................................................................................................................ I ABSTRACT .......................................................................................................................... II
1 前言 ................................................................................................................................... 1
1.1 课题研究的目的和意义 ........................................................................................ 1
1.2 课题的国内外发展研究现状 ................................................................................ 2
1.3 课题研究的主要内容 ............................................................................................ 3
2 电动液压千斤顶概论 ....................................................................................................... 4
2.1 液压千斤顶工作原理 ............................................................................................ 4
2.2 设计要求 ................................................................................................................ 4
2.3 确定总体方案 ........................................................................................................ 5
2.3.1 液压油回路的设计 ..................................................................................... 5
2.3.2 总体结构设计 ............................................................................................. 5
2.3.3 底板油路设计 ............................................................................................. 6
2.3.4 顶升液压缸设计 ......................................................................................... 7
2.3.5 柱塞缸设计 ................................................................................................. 8
2.4 电动液压千斤顶使用注意事项 ............................................................................ 9
3 参数的确定 ..................................................................................................................... 10
3.1 电机的选择 .......................................................................................................... 10
3.2 顶升液压缸参数的确定 ...................................................................................... 12
3.2.1 液压缸的输出力 ....................................................................................... 13
3.2.2 液压缸工作过程的阻力 ........................................................................... 13
3.2.3 液压缸的输出速度 ................................................................................... 13
3.2.4 液压缸的上升时间 ................................................................................... 13
3.2.5 液压缸的储油量 ....................................................................................... 14
3.2.6 液压缸的输出功率 ................................................................................... 15
3.2.7 液压缸缸筒厚度的计算 ........................................................................... 15
3.2.8 液压缸油口直径的计算 ........................................................................... 16
3.2.9 缸底厚度的计算 ....................................................................................... 16
3.3 吸油缸参数的确定 .............................................................................................. 17
3.3.1 吸油缸速度的计算 ................................................................................... 17
3.3.2 作用于吸油缸柱塞上的力 ....................................................................... 17
3.3.3 吸油缸壁厚的计算 ................................................................................... 18
3.3.4 油口直径的确定 ....................................................................................... 18
3.3.5 缸底厚度的计算 ....................................................................................... 19
3.4 油箱的设计 .......................................................................................................... 19
3.5 密封圈的选择 ...................................................................................................... 22
3.6 弹簧的设计 .......................................................................................................... 22
3.6.1 单向阀弹簧的设计 ................................................................................... 22
3.6.2 柱塞弹簧的设计 ....................................................................................... 23
3.6.3 安全阀弹簧的设计 ................................................................................... 24
3.7 键的选择 .............................................................................................................. 26
4.1 缸体技术要求 ...................................................................................................... 27
4.2 缸盖技术要求 ...................................................................................................... 28
5 强度校核 ......................................................................................................................... 29
5.1 缸体和缸盖焊接强度校核 .................................................................................. 29
5.2 缸头螺纹联接处的强度校核 .............................................................................. 30
5.3 底座的校核 .......................................................................................................... 31
5.4 柱塞缸体的校核 .................................................................................................. 32
6 结论 ................................................................................................................................. 33
参考文献 ............................................................................................................................. 34
致谢 ..................................................................................................................................... 35
1 前言
1.1 课题研究的目的和意义
随着生活水平的发展，汽车在生活中的作用越来越重要。不管是生活中的出行旅
游，或是工作上的拉货载重等，汽车的使用都是必不可少。截止目前，我国机动车保
有量达2.23亿辆。虽然使用量很高，但是损耗的情况也不容小觑。这就造成我们现实中的维修数据也必然是个庞大的数字。所以设计一个简单易用、操作方便的千斤顶势在必行。传统的千斤顶比较笨重而且个人操作比较困难，所以一种起重工具液压千斤顶大量涌现于市场。液压千斤顶是根据帕斯卡原理工作，由大油缸和大活塞组成举升液压缸，杠杆手柄、小油缸、小活塞两个不同单向阀组成手动液压泵。它的工作情况是提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀打开，通过吸油管从油箱中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀关闭，单向阀打开，下腔的油液经管道输入举升油缸的下腔，迫使大活塞向上移动，顶起重物。再次提起手柄吸油时，单向阀自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开截止阀举升缸下腔的油液通过管道截止阀流回油箱，重物就向下移动[1]。
千斤顶分为机械千斤顶和液压千斤顶两种，原理各有不同。从原理上来说，液压
千斤顶所基于的原理为帕斯卡原理，即：液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同压力，就可以达到一个变换的目的。我们常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。机械千斤顶采用机械原理，以往复扳动手柄，拔爪即推动棘轮间隙回转，小伞齿
轮带动大伞齿轮、使举重螺杆旋转，从而使升降套筒获得起升或下降，而达到起重拉力的功能[2]。但是不如液压千斤顶简易。
千斤顶采用液压传动的优点：
（1）由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动
机构，这是比机械传动优越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，在挖
掘机等重型工程机械上，已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。
（2）液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如，相同功率液压马达的
体积为电动机的12%～13%。液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机
和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W(牛/瓦),发电机和电动机
则约为0.03N/W。
（3）可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级
调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。
（4）传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，金属切削机
床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。
（5）液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行
润滑，因此使用寿命长。
（6）液压传动容易实现自动化——借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和
电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。
随着生活水平的发展，设计人性化的产品越来越受到人们的喜爱。电动液压千斤
顶采用液压传动，与机械手动千斤顶相比，具有携带方便、运行平稳、简单使用等优点。目前液压技术日趋完善且被应用于各个领域，与液压传动相关的产品成本也将逐渐降低，因此，低成本的电动液压千斤顶具有巨大的市场。
1.2 课题的国内外发展研究现状
液压传动相对于机械传动是一门新的学科，但相对于计算机等新技术，有是一门
较老的技术。17世纪帕斯卡提出静压传递原理，18世纪英国制成世界上第一台水压机，液压传动距今已有二百多年的历史。只是早期没有成熟的液压传动技术和液压元件，使之没有得到普遍的应用。随着科学技术的普遍发展，各行各业对传动技术有了更高的需求，特别是在第二次世界大战期间，由于军事上迫切地需要反应快、重量轻、功率大的各种武器设备，而液压传动技术满足了这一要求，所以使液压传动技术获得了快速发展。战后的液压传动技术迅速的转向了其他各个部门，并发展为完整的自动化技术，得到了更为广泛的应用。据统计，发达国家95%的工程机械、90%的数控加工中心，95%以上的自动生产线均采用了液压传动。新型液压元件和液压系统的计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术、基于绿色制造的水介质传动技术以及污染控制方面，也是当前液压技术发展和研究的方向。
我国的液压技术开始于1952年，液压元件最初应用于机床和锻压设备，后来应
用于工程机械。1964年，我国从国外引进液压元件生产技术，同时自行设计液压产
品，经过多年的艰苦探索和发展，特别是20世纪80年代初期引进美国、日本、德国
的先进技术和设备，使我国的液压技术水平登上一个新的台阶。目前我国已形成了门类齐全的标准化、系列化和通用化的液压元件系列产品。我国在消化、吸收国外先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量的可靠性以及新技术应用的研究，积极采用新的国际标准来不断调整产品结构；而对一些性能差的液压件产品采取逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术特别是控制技术和计算机技术的发展，液压传动与控制技术将得到进一步发展，应用范围将更加广泛。现在，液
压技术被广泛应用于各个领域，液压千斤顶的设计也越来越趋向人性化，目前，国内外的千斤顶在性能满足要求的同时，还要考虑千斤顶操作的灵活方便。根据实际需要，目前市场的千斤顶有齿条千斤顶、机械千斤顶、液压千斤顶和充气千斤顶几类。最适合车用的千斤顶还是液压千斤顶。
1.3 课题研究的主要内容
（1）根据千斤顶的方案来设计电动液压千斤顶的总体方案。
（2）根据实际的工作情况来设计液压千斤顶的具体结构，确定主要的零部件的
参数，并对千斤顶的零件、材料等进行强度校核。
（3）用绘图软件来绘制二维零件图及总体装配图以便于观察。
2 电动液压千斤顶概论
2.1 液压千斤顶工作原理
图2.1 液压千斤顶工作原理图
1—杠杆手柄；2—小油缸；3—小活塞；4，7—单向阀；5—吸油管；6，10—管道
8—大活塞；9—大油缸；11—截止阀；12—油箱
如图2.1所示是液压千斤顶的工作原理图。图上的8大活塞与9大油缸组成液压缸，1杠杆手柄和2小油缸、3小活塞、4，7单向阀组成液压泵。如提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时4单向阀打开，通过5吸油管从12油箱中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，4单向阀关闭，7单向阀打开，下腔的油液经6管道输入举升9油缸的下腔，迫使8大活塞向上移动，顶起重物。再次提起手柄吸油时，7单向阀自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开11截止阀，举升缸下腔的油液通过10管道、11截止阀流回油箱，重物就向下移动。这就是液压千斤顶的工作原理[3]。
在本次设计中，考虑到手动液压千斤顶的操作麻烦和不省力，所以将小活塞驱动由手动改为电动，并利用汽车点烟器上的电源，通过电机来带动合适的偏心轮机构驱动活塞上下运动，从而为液压缸提供充足的油液。
2.2 设计要求
本课题的设计要求
（1）设计一个两级的液压缸。
（2）考虑到小型车的重量和承载，设计千斤顶顶起的重量约为1.0t。
（3）结合实际情况根据小型车的底盘条件，千斤顶的顶升高度大约为150mm。
（4）千斤顶的驱动电机要求为12V的直流电压。
2.3 确定总体方案
2.3.1 液压油回路的设计
图2.2 液压回路原理图
根据液压千斤顶工作原理，结合本课题设计的要求以及布置情况等，设计的液压千斤顶液压油回路原理图如图2.2所示。图中的液压泵准备采用单向柱塞泵，通过偏心轮驱动柱塞反复运动，吸油行程柱塞泵通过单向阀2从油箱吸油，压油行程中单向阀2关闭，单向阀1打开，液压油输出到顶升液压缸将负载顶起，顶升到所需位置时，切断电机的电源，柱塞泵停止运动，单向阀1和二位二通电磁阀都处于关闭的位置，阻止了液压油流回油箱，负载保持在所需位置不动。当负载需要放回时候，只需要操纵控制器上的相应开关，打开二位二通电磁阀，油液便可流入油箱。为了防止电机及液压系统过载损坏，所以在油路中设计了安全阀，当出现管路堵塞或其它情况使油压过大时，液压油便打开安全阀流回油箱。
图中所示的油路：
进油路：单向阀2→液压泵→单向阀1→液压缸左腔
回油路：液压缸左腔→二位二通电磁换向阀→油箱
2.3.2 总体结构设计
此次设计的液压千斤顶结构如2.3图所示：
图2.3 液压千斤顶结构图
该电动液压千斤顶由12V直流电机、偏心轮机构、柱塞缸、两级顶升液压缸和若干控制阀及操纵控制器等组成。大小活塞和两级液压缸体组成顶升液压缸。工作时，将电源插头插入汽车点烟器上，按下操纵控制器上的开关，12V直流电机带动偏心轮机构驱动柱塞往复运动，当电动机偏心轮机构使柱塞向右移动时候，柱塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时联接油箱油路上的弹簧小球使油路相通，柱塞缸通过吸油管将液压油吸入腔内。柱塞左移时，柱塞下腔压力升高，弹簧小球使油关闭，下腔的油液经管道输入顶升油缸的下腔，迫使大活塞向上移动，顶起重物。柱塞再次右移时，与顶升液压缸相连接的弹簧小球使大液压缸的油口自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。不断地使柱塞往复运动，就能不断地把油液压入顶升缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开二位二通电磁阀，顶升缸下腔的油液通过管道、电磁阀流回油箱，重物就向下移动[4]。这就是液压千斤顶内部的工作情况。 2.3.3 底板油路设计
为了携带方便并考虑到汽车空间路面地形等问题，设计的千斤顶结构尺寸不能太大。在传动比一定的情况下，设计的柱塞缸尺寸一般会比较小，若用管联接，则管的内径较小，并且管路的油压损失较大。液压油一般较稠，管的内径小使管路较易堵塞，影响千斤顶的正常工作。采用底板油路不仅减少了许多管部件，和管联接方面的许多麻烦，简化了系统，同时也使油路的内径增大不少。设计底板装配如图2.4所示。
图2.4 底板装配图
底板的设计过程中必须充分考虑加工的可行性。当柱塞杆向外运动时，柱塞缸内的压力变小而油箱内的压力很高，导致弹簧球1被顶开，弹簧2将油路封住，此时液压油吸入液压缸。当柱塞杆下压时，柱塞缸内的压力变大，弹簧球1将油路关闭，弹簧2被顶开，使油液被压入顶升液压缸。当负载需要放回时，将二位二通电磁阀打开，液压油便可以进入油箱。当油路某处堵塞时，系统内的油压将增大，此时上端的安全阀弹簧被顶开，油液通过安全阀流回油箱内[5]。 2.3.4 顶升液压缸设计
顶升液压缸其结构如图2.5所示
图2.5 顶升液压缸结构图
为了减小液压千斤顶的结构外形尺寸，便于方便携带，本次设计的顶升液压缸采用两级活塞驱动。第一级液压缸的活塞杆是第二级的缸体，伸出时，可以获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的尺寸外形结构。第一级液压缸缸体与缸底采用焊接的技术，缸体与缸头采用螺纹联接。第二级活塞与活塞杆采用整体式。活塞与缸体间采用O形密封圈密封；为了使千斤顶使用简单安全方便，在活塞杆端部用螺纹件联接了一个凹槽部件与轿车上相应的凸起配合，支撑轿车达到所预期效果。千斤顶在工作过程中，液压油首先进入第一级活塞液压缸体内，第一级活塞开始升起，并达到最顶端，然后第二级开始被顶出，此时第二级活塞缸内的压力比第一级增大一部分，从而保证负载逐渐升起到预定的位置[6]。 2.3.5 柱塞缸设计
柱塞缸结构如图2.6所示
图2.6 柱塞缸结构图
本次设计的柱塞缸由柱塞、弹簧、密封工作腔等组成，其工作原理是依据电动机带动凸轮机构驱动柱塞杆左右往复移动，依靠密封工作腔容积大小交替变化来实现的，它是一种将机械能转换为液压能的能量转换装置，为液压系统提供具有一定压力和流量的液体，是液压系统的重要组成部分。其性能的好坏直接影响液压系统工作的
可靠性和稳定性。柱塞杆的往复运动产生容积的变化配合相应的单向阀进行吸油和压油。一般柱塞和缸体内孔都是圆柱表面，容易得到高精度的配合，密封性较好，因此效率通常会比较高。
2.4 电动液压千斤顶使用注意事项
（1）使用前，应将蓄电池充足电，避免使用过程中电力不足。
（2）顶升汽车时，要将发动机熄火，将变速器置于空档位置并拉紧手刹制动。 （3）必要时，可以用发电机发电助力。此时使发动机工作，但一定要将变速器置于空档，防止汽车移动伤人。汽车举起后，应将发动机立即熄火。 （4）切勿超过额定负荷。
（5）使用中请将车辆靠边停放，竖立安全警告标志，提醒过往车辆注意安全。 （6）使用中要与被升降车辆保持垂直避免倾斜操作。
3 参数的确定
3.1 电机的选择
图3.1 电机
根据系统的具体情况并结合实际使用情况,参考有关的设计手册，确定系统压力p＝12.5MPa,液压缸的最大支撑重量F=1.0⨯10N 设定第二级液压缸的上升速度v=0.005m/s 则根据公式：
1
πd2p=F4
4
(3.1)
式中 d——液压缸内径，mm； p——系统工作压力，MPa； F——最大支撑重量，N。
d=
=31.9mm，取d＝32mm
此时液压缸内的压力为：
p=
此时的流量：
F12πd4
=12.4M4Pa
1
Q=πd2v=4.019⨯10-6m3
4
此时液压缸用来支撑重物的功率为：
P功＝pQ
(3.2) (3.3)
P＝电机
P功
2
ηmηv
式中 P——电机的额定功率，W； 电机
ηm——机械损失，即由于摩擦而使功率的损失，在本系统中近似认为两个液压 缸的效率相同，故用ηm，一般ηm＝0.9。本系统ηm取0.9.
2
ηv——容量损失，因内泄漏、气穴和油液在高压下受压缩而造成的流量上的损
失，内泄露则是主要原因，本设计取ηv=1。 带入相关数据可得：
PW 功＝pQ=50
P＝电机
取P=70W 电机
根据机械设计手册及网上查阅相关资料，选择为12v直流电机、70W、n=30r/min。 验算电机是否满足第一级的要求：
查机械设计手册初步选择第一级内径 d=50mm,则对应的外径取D=60mm。 第一级的上升平均速度为：
P功
2
ηmηv
=61.7W
v1=
Q12πd4
(3.4)
式中 Q——系统的流量，m；
d——液压缸内径，mm； v1——上升速度，m/s。 带入数据可得： v1=根据P=Fv可得：
F=
3
Q12πd4
=0.00205m/s
Pη2ηv电机m
v1
(3.5)
式中 F——负载力，N；
P——电机的额定功率，W； 电机 ηm——机械损失；
ηv——容量损失。
F=
Pη2ηv
电机m
v1
=2.77⨯104N
满足设计要求，同时也说明电机的选择合理。 此时系统的工作压力： p=
F12πd4
=5.1MPa
3.2 顶升液压缸参数的确定
采用两级伸缩式套筒液压缸[7]，本课题设计要求伸缩量为150mm，所以采用二级液压缸即可，查机械手册定第一级行程h1=90mm,第二级行程h2=63mm,该类型的液压缸运动时，其输出速度和输出力都是变化的，原理图如下：
图3.2 顶升液压缸原理图
3.2.1 液压缸的输出力
液压缸的输出力为顶起重物的重力，即负载力。根据本课题的要求，千斤顶要求顶起的重量为1.0t，即最大负载是F=1.0⨯104N。 3.2.2 液压缸工作过程的阻力
液压缸工作中除了要克服负载的力外，还受到惯性力、运动部件的摩擦阻力、运动部件的自重和回油背压阻力等力的作用。本次设计中利用液压缸的效率来近似决定液压缸等各部件的结构尺寸，因此，对各阻力的大小等不再做详细的研究[8]。 3.2.3 液压缸的输出速度
单杆活塞式液压缸和柱塞式液压缸外伸时的速度
v=
Q
A
(3.6)
A=
π
4
d2
式中 v——活塞的外伸速度，m/s；
Q ——进入液压缸的流量，m3/s； A ——活塞的作用面积，m2；
d ——活塞直径，m。 第二级液压缸的速度定为v2＝0.005m/s 3.2.4 液压缸的上升时间
t=
VAs= QQ
(3.7)
活塞杆伸出时
A=
式中 t——液压缸的作用时间，s；
V——液压缸的容积，m3； A——液压缸的作用面积，m2； s——液压缸行程，m；
Q——进入（或流出）液压缸的流量，m3/s。 液压缸上升时间为第一级和第二级的时间之和即 t=t1+t2
t1——第一级的运动时间，s； t2——第二级的运动时间，s。
在本次设计中，查询机械设计手册，定第一级的行程为h1＝90mm，第二级的行程为h2＝63mm。则
t=t1+t2=
3.2.5 液压缸的储油量
液压缸的储油量
V=Ah
(3.8)
π
4
d2
h1h2
+=56.5s v1v2
式中 V——液压缸的储油量，m3；
A——液压缸的作用面积，m2； h——液压缸行程，m。
根据公式的液压缸的储油量为：V=Ah=2.27⨯10-4m3
3.2.6 液压缸的输出功率
液压缸的输出功率
N=Fv
(3.9)
式中 N——液压缸的输出功率,W；
F——液压缸的输出力,N； v——液压缸的输出速度,m/s。
液压缸的最大输出功率为：N=Fv=1.0⨯104⨯0.00324=32.4W 3.2.7 液压缸缸筒厚度的计算
本次设计中采用标准的液压缸外径，查询机械设计手册知:第一级液压缸的参数选为d1=50mm，D1=60mm。
参数如表3.1所示：
表3.1 工程机械用液压缸外径系列
缸径 mm P≤16 20 25 31.5
MPa
40 50 50 54 54 50 60 60 63.5 63.5 63 76 76 83 83 80 95 95 102 102 90 108 108 114 114 100 121 121 127 127
第二级按中等壁厚计算 当3.2≤
δ=
d
缸径
mm P≤16 20 25 31.5
MPa
110 133 133 133 140 125 146 146 152 152 140 168 168 168 168 160 194 194 194 194 180 219 219 219 219 200 245 245 245 245
δ
pyd(2.3σ-py)ψ
+c
(3.10)
式中 ψ——强度系数，对于无缝钢管，ψ＝1；
C——计入壁厚公差及腐蚀的附加厚度，通常圆整到标准厚度值。 py——试验压力，当p
液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度v和油口最高液流速度v0而定[9]。本次设计中，最大速度不好确定，由电机带动的偏心轮的运动规律知，可选取平均速度的2倍代替。已知液压缸的第二级平均速度为0.005m/s.即可取v=0.01m/s.管内液体的流动速度定为v0＝2m/s。
d0=0.13 (3.11)
式中 d0——液压缸油口直径，m； d ——液压缸直径，m；
v ——液压缸最大输出速度，m/s； v0——油口液流速度，m/s。
带入相关数值得：d0=0.13=0.13⨯63=0.58mm 根据加工和实际的需要，取油口直径d0＝4mm 3.2.9 缸底厚度的计算
图3.3 有孔平行缸底
本设计采用的是平行缸底,当缸底有油口时：
h=0.433 (3.12)
式中 h——缸底的厚度，mm；
d——液压缸内径，mm； d0——缸底油口直径，mm； py——试验压力，py＝1.5P MPa； [σ]——缸底材料的需用应力，MPa。 根据上述公式：
h=0.433=0.433⨯50=9.75mm
取整d=10mm。
3.3 吸油缸参数的确定
3.3.1 吸油缸速度的计算
该液压缸选择柱塞式类型，选定内径d=10mm。由于液压缸的流量相同，即
Av=Av11
式中 A——吸油缸的柱塞面积，m； v——吸油缸的柱塞运动速度，m/s； A1——起升液压缸的第一级内径面积，m2； v1——起升液压缸的第一级的上升速度，m/s。 则带入数据得:
A1v10.052⨯0.00205
==0.05m/s v=A0.012
2
(3.13)
3.3.2 作用于吸油缸柱塞上的力
已知液压系统中最大压力为p=12.44MPa,则作用于柱塞上的力：
1
F=pA=12.44⨯106⨯⨯3.14⨯0.012=1008N
4
吸油缸的行程
系统的流量与柱塞的行程、柱塞的面积以及电机的转速有关，其关系如下：
1
πd2hn=Q
4
式中 d——吸油缸的内径，mm； h——柱塞的行程，mm； n——电机的转速，r/s； Q——系统的流量，m3。 根据上述公式：
h=
Q12πdn4
=10.2mm
3.3.3 吸油缸壁厚的计算
按中等的壁厚计算，当3.2≤
δ=
式中 ψ——强度系数，对于无缝钢管，ψ＝1；
c——计入壁厚公差及腐蚀的附加厚度，通常圆整到标准厚度值。 带入相关数值得：
d
δ
Pyd(2.3[σ]-py)ψ
+c
δ＝0.112＋c
取δ＝3mm。 3.3.4 油口直径的确定
液压缸油口直径应该根据活塞最高运动速度和油口最高液流速度而定。所以在本次的设计中，最大速度不好确定，由电机带动的偏心轮的运动规律知，可选取平均速度的2倍代替。已知吸油缸的平均速度为0.08m/s.即可取v =0.16m/s.管内液体的流动速度定为v0＝2m/s.由油口的直径计算公式：
d0=0.13
式中 d0——吸油缸油口内径，m； d ——吸油缸直径，m；
v ——吸油缸最大输出速度，m/s； v0——油口液流速度，m/s。 带入相关数值得：
d0=0.13=0.13⨯10⨯=0.29mm 取油口直径d0＝4mm。 3.3.5 缸底厚度的计算
本设计采用的是平行缸底,当缸有油口时：
h=0.433
式中 h——缸底的厚度，mm； d——液压缸内径，mm；
py——试验压力，py＝1.5P，MPa； [σ]——缸底材料的需用应力，MPa。 根据上述公式：
h=0.433=0.433⨯10⨯
=2.43mm
取d=3mm。
3.4 油箱的设计
首先油箱容量的计算
油箱容量与系统的流量有关，一般容量可取最大流量的3-5倍。另外，油箱容量
大小可从散热角度去考虑[10]。
A）系统发热量的计算
在液压系统中，凡系统中的损失都变成了热能散发出来，在一个周期中不同工况其效率是不同的，因此损失的量也不同，在本次设计中，近似认为每个工况的效率相同，一个周期发热的功率计算公式为：
式中 H——一个周期的平均发热功率，W； T——一个周期时间，s；
Ni——第i个工况的输入功率，W； ηi——第i个工况的效率； ti——第i个工况的持续时间，s。
B） 散热量计算
当忽略系统中其他地方的散热，只考虑到油箱散热时，即系统的总发热功率H全部由油箱散热来考虑
[11]
1H=
T
∑N(1-η)t
i
i
i=1
n
i
=13.3W
(3.14)
。这时油箱的散热面积A的计算公式为
A=
H
k∆t
(3.15)
式中 A——油箱的散热面积，m2； H——油箱需要散热的热功率，W；
∆t——油温（一般以55C考虑）与周围环境温度的温差， C；
K——散热系数。因油箱周围通风条件的好坏而不同，通风很差时K＝8～9，良好时K=15～17.5，风扇强行冷却时K＝20～23，强迫水冷时110～175。 本次设计选择K=9,此时散热面积为：
A=
C）油箱容量的计算
H
=0.0269m2 k∆t
设油箱的长、宽、高比值为a:b:c=1:1:1 ,边长分别为at、bt、ct时，t的计算公
式为：
t=
（3.16）
式中 A——散热面积，m2。 代入数据可得：
t=
则油箱的容积为：
V=389cm3
由顶升液压缸的容积为V=227cm3知，油箱中油量一般为油箱的80％，因为故知
=0.073m
油箱的容积可取为283cm3，综合油箱的其他形状，取油箱的容积为400cm3。
则油箱的设计如下3.4图所示：
图3.4 油箱
1—吸油管；2—网式滤油器；3—滤油网；4—通气孔；5—回油管；6—顶盖；7—油面指示器；
8、10—隔板 ；9—放油塞
3.5 密封圈的选择
根据系统压力以及活塞的运动速度，本课题设计选择O形橡胶密封圈[12]，其有关图形和尺寸公差如下：
d1=50mm时，d2=1.80±0.09mm，内径d1的公差为±0.53mm； d1=32mm时，d2=1.80±0.09mm，内径的d1公差为±0.53mm。
相关参数参照《机械设计手册》通用橡胶密封圈公差及尺寸（GB3452.1-1992ISO3601/-1988） 如图3.5所示：
图3.5 O形橡胶密封圈
3.6 弹簧的设计
3.6.1 单向阀弹簧的设计
此设计是要求弹簧充当单向阀的作用，所以不需要弹簧具有很大的弹性系数，但是要求弹簧具有一定的刚度条件，即在有外载荷的作用下，弹簧一定不能发生失效变形[13]。其设计如下：
图3.6 圆柱螺旋压缩弹簧的结构参数
根据公式 ：
τ=K
式中 P——弹簧负荷，N；
D——弹簧中径，mm；
d——弹簧材料直径，mm；
4C-10.615D
+ K——屈服系数，K=，其中C=为绕度比。 4C+4Cd
根据油口的直径确定弹簧的外径D= 3 mm， C=8，则d=0.375 mm，[τ]=50MPa， K=0.937，取P=1N。
8D
p=30.46MPa
πd3.6.2 柱塞弹簧的设计
查阅相关资料确定弹簧的材料选择为弹簧钢，弹簧的作用是将活塞杆推回，且为横向的推动，其推力初步定为P=1N，其切应力根据相关资料查询确定为100MPa，
D
初步定绕度比C=＝7。
d
由此初步确定弹簧材料直径d 由C=
D
知D=7d d
8D2
PN/mm 3
πd
（3.17）
τ=K
8D56KP
P= 32
πdπd
d=
式中 P——弹簧负荷，N；
D——弹簧中径，mm；
d——弹簧材料直径，mm；
4C-10.615D
+ K——屈服系数，K=，其中C=为绕度比。 4C+4Cd当C=7时，K=0.932。
d=
=0.4mm 则取d=0.4mm
则D=7d=2.8mm。
根据柱塞的设计要求可知，柱塞的行程为10.2mm，所以弹簧的变形量F=10.2mm。 根据弹簧的变形量公式：
8D3nF=P mm 4
Gd
（3.18）
式中 P——弹簧负荷，N；
D——弹簧中径，mm；
d——弹簧材料直径，mm； n——弹簧有效圈数； G——材料切变模量，MPa； F——弹簧的变形量，mm。
查参数资料知G=1⨯104MPa
Gd4F1⨯1010⨯0.01⨯(0.4⨯10-3)4n===15
8PD38⨯1⨯(2.8⨯10-3)3
3.6.3 安全阀弹簧的设计
图3.7 弹簧
安全阀弹簧的作用是限制系统的最大压力，当系统压力超过一定压力值时，油液将安全阀弹簧顶开，并通过安全阀流回油箱。安全阀弹簧选择为圆柱螺旋压缩弹簧，其材料强度要求相对较高。从安全和实际的工作角度来考虑，安全阀能承受的最大的压力要稍微大于系统的最大压力，但是又不能超过最大压力太多，否则达不到保护系统的作用[14]。
系统的压力为中压，根据压力选择弹簧的材料为硅锰弹簧钢，因为系统的最大压力为12.44MPa，故取安全阀弹簧的最大承受压力为15MPa，其切应力根据相关资料
D
查询确定为100MPa，初步定绕度比C=＝5。
d
由此初步确定弹簧材料直径d
D
由C=知D=5d，故由：
d
8D40KPτ=K3P=
2
πdπd
d=
1
式中 P——弹簧负荷，N；P=πd2p
4
压
=47.1N；
p压——安全阀溢流的最小压力； D——弹簧中径，mm；
d——弹簧材料直径，mm；
4C-10.615D
+ K——屈服系数，K=，其中C=为绕度比。 4C+4Cd
当C=5时，K=0.915 弹簧的作用
d=则D=5d=9mm。
=1.74mm 取d= 1.8mm
3.7 键的选择
本次设计选用的键为平键，其结构图如下
图3.8 平键联接的剖面和尺寸
4 技术要求
4.1 缸体技术要求
A）缸体端部的联接结构采用焊接。如下图：
图4.1 缸体
B） 缸体的材料
常采用20、35、45号无缝钢，因20号钢机械性能略低，且不能调质，所以应用较少，当缸筒与缸底，缸头，管接头或耳轴等件需焊接时，则应采用焊接性能较好的35钢，粗加工后调质[15]。一般情况下，均采用45号钢，并调质到241 285HB。
缸体毛坯液可采用锻钢、铸钢或者铸铁件。铸钢可采用ZG35B等材料，铸铁可采用HT200-HT350间的几个牌号或球墨铸铁[16]。本次设计中考虑到千斤顶结构要小巧，因此选择的材料要较好，才能满足设计性能要求，故选择45钢。 C） 缸体的技术要求如下
（1）缸体内径采用H8配合。本次设计采用的粗糙度为Ra1.6，且均需珩磨。
图4.2 耳环型、柱塞型缸体
（2）本次设计中缸体内径d的公差值可按9，10或11级精度选取，圆柱度公差值应按8级精度选取。
（3）缸体端面T的垂直度公差值按7级精度选取。
（4）缸体与缸头采用螺纹联接，螺纹取6级精度的公制螺纹。
（5）缸体带有耳环或销轴，孔径D1或轴线d2的中心线对缸体内孔轴线的垂直度公差值按9级精度选取。
（6）为了放置腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀厚度为30 40um的铬层。镀后进行珩磨或抛光。
4.2 缸盖技术要求
（1）缸盖的材料
液压缸的缸盖可选用35钢，45号锻钢或ZG35，ZG45铸钢HT200,HT300,HT350铸铁等材料[17]。本次选用的是45钢。 （2）缸盖的技术要求
直径d(基本尺寸同缸径)、D2（活塞杆的缓冲孔）、D3（基本尺寸同活塞杆密封圈外径）的圆柱度公差值，按10级精度选取。D2、D3与d的同轴度公差值为0.03mm。端面A、B与直径d轴心线的垂直度公差值，按7级精度选取。导向孔的表面粗糙度为Ra1.25um。
图4.3 缸盖
5 强度校核
这里仅对主要零部件的强度进行校核计算，以及一些焊接部位的校核计算。只需校核缸体与缸底焊接处的强度、螺纹联结处的强度、安全阀弹簧的强度等。
5.1 缸体和缸盖焊接强度校核
缸盖连接计算
液压缸缸底采用对焊，图如下
图5.1 缸底对焊
焊缝的拉应力为：
σ=
F
4
（5.1）
(D12-D22)η
式中 d——液压缸直径，mm； D1——液压缸外径，mm； D2——焊缝底径，mm；
η——焊接效率，通常取η＝0.7； F——液压缸输出的最大推力，N。
D1=95mm, 取D2=85mm 则 σ=
F
=
1.0⨯104
=10.1MPa
4
(D12-D22)η
4
(0.0952-0.0852)⨯0.7
5.2 缸头螺纹联接处的强度校核
缸体与缸盖用螺纹联接时，图如下：
图5.2 螺纹联接
刚体螺纹处的拉应力为：
σ=
KF
4
(d12-d22)
螺纹处的切应力为：
τ=
k1kFd0
0.2(D13-d13)
（5.2）
合成应力为：
σn=≤[σ]
π
4
（5.3）
式中 F——缸体螺纹处所受的压力，N；F=
1008N.
d1——液压缸内径，mm； D1——液压缸外径，mm；
d2p，在压强最大时F最大，最大为
d0——螺纹外径，mm；
K——螺纹拧紧系数，静载时，取K=1.25-1.5,动载时取K=2.5-4.0 K1——螺纹内摩擦系数，一般取K1＝0.12 σ——螺纹处的拉应力，MPa； τ——螺纹处的切应力，MPa；
σn——合成应力，MPa；
[σ]——螺纹材料的许用应力，MPa；[σ]= σs——螺纹材料的屈服极限，MPa； n ——安全系数，通常取n=1.5-2.5。
取K=2.5, K1=0.12, [σ]=80MPa将相关数据带入公式知
拉应力 σ=
σs
n
KF
4
=
(d12-d22)
2.5⨯1008⨯4
=20.58MPa 22
3014（0.016-0.01）
切应力 τ=
k1kFd00.12⨯2.5⨯1008⨯0.018==8.8MPa 3333
0.2(D1-d1)0.2(0.016-0.01)
合成应力同时查阅相关资料得：
σn==25.61MPa≤[σ]
5.3 底座的校核
底座承受的是柱塞缸的横向切应力，其大小为
式中 τ——横向切应力，MPa；
F——柱塞对底座的压力，N； h ——支座宽度，m；
b——支座长度，m。
F1008==2.52MPa≤[τ] 代入数据可得: τ=
hb0.01⨯0.04
τ=
F hb
（5.4）
满足要求。
5.4 柱塞缸体的校核
柱塞缸缸壁较薄，作用与缸体上的力较大，故需要校核强度，缸体受到的力为拉力，校核如下：
σ=
式中 σ——缸体横向拉应力，MPa；
F——缸体受到的横向拉力，N； d1——缸体外径，m；
d——缸体内径，m。
FF
代入数据可得： σ===8.23MPa≤[σ]
1A
π(d12-d2)4
所以，满足所需要求。
FF
=
1A
π(d12-d2)4
6 结 论
本次设计的电动液压千斤顶满足设计者的要求，即重量轻、操作方便、省时省力、方便个人及家庭使用。在本次设计中采用了液压传动以及机械设计和结构材料方面等帆方面的知识。根据液压、千斤顶的工作情况、汽车结构等各方面来进行零件和材料等各方面进行选择和校核。用来保证设计的液压千斤顶能满足使用者的要求。在课题的进行中运用CAD、SW等软件来进行平面以及三维绘图，来保证设计的合理性、可行性。
根据千斤顶的工作原理和设计要求 ，确定了千斤顶的结构采用了凸轮机构驱动和底板油路的设计。在对底板油路进行时设计时考虑到过载要加入安全阀，保护了系统。通过对液压系统的分析，确定该系统的工作压力，结合设计的要求对电机进行了选择。根据设计要求计算确定了顶升缸和液压缸的壁厚等参数并进行了校核验算等。通过查询表选择了密封圈和键等。最后确定了缸体的材料和技术要求。
液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小，传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。而且液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于制造和推广使用所以液压千斤顶的优点很多，它的使用也越来越多。
通过本次毕业设计，培养我思考问题和解决问题的能力。对今后的工作将有很大的帮助，对一名即将踏入社会的大学生起到了很重要的指导作用。设计中一定存在不少问题，请老师和同学批评指正。
参 考 文 献
[1] 周士昌. 液压系统设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.
[2] 章宏甲, 黄宜, 王积伟. 液压与气压传动[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000. [3] 贾铭新. 液压传动与控制[M]. 北京: 国防工业出版社, 2001. [4] 朱文坚, 黄平, 吴昌林. 机械设计[M], 北京: 高等教育出版社, 2005. [5] 国外机床液压技术发展趋向概述[J].机床与液压,1972,01:28-53.
[6] 汪大鹏.试论对《液压传动》教材的研究与创新[J].机电产品开发与创新,2004,02:16-18. [7] 范士娟,杨超.液压系统故障诊断方法综述[J].机床与液压,2009,05:188-192+195. [8] 陈燕，欧阳加强.千斤顶技术的研究现状与展望[J].现代机械2002
[9] 严桃平 ,王建胜;液压千斤顶结构与油路的改进设计[J];工程机械;2002年03期 [10] 王忠诚,液压千斤顶的设计与标定[J].现代机械1992 [11] 李武;立柱、千斤顶结构分析[J];煤矿机械;2002年12期 [12] 邓克.多功能综合液压实验台的研制[J].液压与气动2008
[13] 张志伟.液压综合教学实验台在《液压传动》实验教学中的应用[J].装备制造技术2007 [14] 姜继海,于斌,李晨光,靳军.液压传动教学实验中的液压泵性能实验[J].机床与液
压,2010,(10):61－63.
[15] 伦冠德.机动车传统液压千斤顶系统改进[J].拖拉机与农用运输2006
[16] 武永利.机械制造技术新发展及其在我国的研究和应用[J].机械制造与自动化，2003，（1） [17] 王世敬，温筠.现代机械制造技术及其发展趋势[J].石油机械，2002，（11）.
[18] Hosein Marzi. Modular Neural Network Architecture for Precise Condition Monitoring. INSTR
UMENTAION AND MEASUREMENT. 2008
[19] Jacques Lamothe,Khaled Hadj-Hamou,Michel Aldanondo. An optimization model for selecting a
product family and designing its supply chain. European Journal of Operational Research 169 (2006) 1030–1047
[20] Daniel Collado-Ruiz,Hesamedin Ostad-Ahmad-Ghorabi. Comparing LCA results out of
competing products: developing reference ranges from a product family approach. Journal of Cleaner Production 18 (2010) 355–364
[21] Inbuilt Hydraulic Jack in Automobile Vehicles.International Journal of Innovations in Engineering
and Technology.Vol.2 Issue 2 April 2013
致 谢
时间如白驹过隙一闪而逝。大学四年就在这次的毕业设计中匆匆而逝，还来不及感概就要步入社会了。回想大一的参观实习，大二的金工实习，大三的实践认知好像还在昨天似的。这些实习都是学校安排我们在对步入社会前的考察。所以这最后一次的设计就是对我们大学四年的综合考察了，提前让我们知道工作学习的不易。
为了完成这次毕业设计同学们都非常的认真，为了获取相应的知识点大家每天都在图书馆、网上疯狂的搜索以便能够在第一时间获得第一手的资料。完成了这次设计我要感谢苏炜老师，因为在这此设计中她教会了我如何去设计、怎样设计、需要满足哪些要求等等。经过他的精心指导、耐心教导、严格要求。我终于定时完成了本次设计。我还要感谢各位机械组定时检查的老师，他们给我们方便的环境和想要的资料。让我们有便利的条件。
俗话说“三人行，必有我师”。所以我感谢在此次设计中帮助我的同学们，正是由于和他们的帮助和探讨，所以才能在平常设计中及时指出我的错误并给予我建议以便我更正。
最后再一次感谢那些帮助我的人，正是由于你们的帮助，才得以毕业设计的完成。感谢苏炜老师，感谢这一组的同学。并对论文检阅老师的辛苦劳动表示深深的敬意。