乘用車不等臂千斤頂設(shè)計(jì)解析及應(yīng)用

李海亮，王兆清Li Hailiang，Wang Zhaoqing

乘用車不等臂千斤頂設(shè)計(jì)解析及應(yīng)用

李海亮，王兆清
Li Hailiang，Wang Zhaoqing

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

千斤頂是乘用車日常更換輪胎、簡(jiǎn)易維護(hù)必不可少的舉升工具，其使用安全性非常重要。針對(duì)普通的等臂千斤頂和不等臂千斤頂進(jìn)行分析，分析不等臂千斤頂設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出其適用范圍。

千斤頂；臂長；舉升；偏移

0 引 言

隨著生活水平的提高，汽車使用率提高，人們對(duì)乘用車隨車必備的簡(jiǎn)易輔助維修工具的使用功能及安全性的要求也提高。目前市場(chǎng)上千斤頂種類繁多，車用千斤頂在車輛輪胎出現(xiàn)爆胎或者漏氣時(shí)，可以撐起車身完成車輪總成更換，起到保證車輛行駛的作用。

通常，乘用車配的剪式千斤頂[1]有等臂千斤頂和不等臂千斤頂2種，如圖1所示[2]。

圖1 千斤頂種類

針對(duì)千斤頂臂長進(jìn)行計(jì)算解析[3-4]，分析千斤頂在起升過程中的偏移量以及與車身偏移的匹配情況。

1 不等臂千斤頂設(shè)計(jì)

假設(shè)車身的寬度為，當(dāng)某一個(gè)輪胎出現(xiàn)故障，利用千斤頂撐起車身進(jìn)行更換，從千斤頂接觸受力到車身抬高到某一高度，滿足更換輪胎要求，假設(shè)該行程段為，在抬起過程中，車身會(huì)偏轉(zhuǎn)，千斤頂?shù)闹吸c(diǎn)在水平方向出現(xiàn)長度為的位移[5]，如圖2所示。

圖2 千斤頂舉升位移偏移示意圖

由幾何關(guān)系2=2–(-)2可知高度和偏移量之間的關(guān)系，假設(shè)車輪寬度為1 600 mm，則與的關(guān)系如圖3所示。

圖3 車身偏移隨舉升高度的關(guān)系曲線

由圖3可知，舉升高度為80 mm對(duì)應(yīng)車身的橫向偏移量為2.001 mm，高度出現(xiàn)負(fù)值是由于輪胎癟氣導(dǎo)致車身下移，正常更換車輪會(huì)從水平方向即零點(diǎn)開始。

2 不等臂千斤頂原理

通常的等臂千斤頂在接觸車身舉升過程中，頂頭與車身因接觸受力不會(huì)發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，底座與地面接觸不會(huì)產(chǎn)生位移，但會(huì)使千斤頂上下支架以及鉸接位置發(fā)生偏移，導(dǎo)致穩(wěn)定性不足。

不等臂千斤頂在正常舉升過程中，其頂頭會(huì)發(fā)生水平方向平移，可根據(jù)車型舉升過程中的偏移量，合理設(shè)計(jì)不等臂千斤頂?shù)谋坶L，使千斤頂平移量和車身偏移量相等，提高其穩(wěn)定性。不等臂千斤頂桿系如圖4所示。

圖4 不等臂千斤頂桿系示意圖

由千斤頂?shù)墓ぷ髟砜芍坏缺蹢U系有如下特點(diǎn)：

（1）線段為底座鉸接銷軸，水平狀態(tài)；左下支架線段與右下支架線段通過齒輪連接，保證線段與線段的夾角∠和線段與線段的夾角∠始終相同；同理，左上支架線段與右上支架線段通過齒輪連接，保證線段與線段的夾角∠和線段與線段的夾角∠始終相同。

（2）線段是頂頭鉸接銷軸，頂頭結(jié)構(gòu)需要與車身配節(jié)，為水平狀態(tài)。為了保證舉升過程中線段時(shí)刻為水平狀態(tài)，要求左上支架線段與右下支架線段長度相等，即l=l；左下支架線段與右上支架線段長度相等，即l=l；上支架與水平的夾角和下支架與水平的夾角相等，即∠=∠。此時(shí)，六邊形確定，l=l。

對(duì)不等臂千斤頂?shù)呐e升過程進(jìn)行模擬分析，由圖2可知，點(diǎn)、點(diǎn)為千斤頂?shù)鬃膬蓚€(gè)鉸接點(diǎn)，點(diǎn)、點(diǎn)為千斤頂頂頭的2個(gè)鉸接點(diǎn)，點(diǎn)、點(diǎn)分別為千斤頂上下支架鉸接點(diǎn)。

過點(diǎn)做線段的垂線，與相交于點(diǎn)，與左下支架線段相交于點(diǎn)；過點(diǎn)做線段的垂線，與相交于點(diǎn)，線段與 ∠的平分線重合。

假設(shè)六邊形1111是舉升到某一高度后的千斤頂整體桿系位置，過1點(diǎn)做線段的垂線，與線段相交于點(diǎn)，與左下支架線段1相交于點(diǎn)；過1點(diǎn)做線段1的垂線，與線段1相交于1點(diǎn)，線段11與∠11的平分線重合。

千斤頂舉升前線段與線段之間的距離為1，舉升后線段11與線段之間的距離為2，舉升過程中，點(diǎn)變?yōu)?點(diǎn)，舉升距離=2-1，這2點(diǎn)之間的水平距離即線段長度對(duì)應(yīng)汽車舉升過程中的水平位移。

由分析可知△≌△；△111≌ △11。

假設(shè)線段長度為，線段長度為，∠為，∠1為，則

l=l=-（1）

式中：l、l為線段、線段的長度。

根據(jù)圖2、圖4幾何關(guān)系可得

1=×sin+×sin（2）

2=×sin+×sin（3）

=(-)cos-(-)cos（4）

由于千斤頂對(duì)布置空間、成本、重量等有要求，可根據(jù)實(shí)際情況假定為一個(gè)參考值或假定某一個(gè)狀態(tài)下千斤頂?shù)臋M向?qū)挾葹閰⒖贾担F(xiàn)假定點(diǎn)和點(diǎn)之間的水平距離為參考值，則

=×cos+×cos+l（5）

式中：l為線段的長度。

根據(jù)式（1）～式（5），采用MATLAB函數(shù)vpasolve可求得、和、。

3 千斤頂與車身偏移量的匹配

3.1 正常車輛千斤頂使用情況

正常車輛輪胎不存在癟氣情況，對(duì)和進(jìn)行圓整后設(shè)計(jì)千斤頂，假定千斤頂初始工作高度1=185 mm，2=265 mm，則舉升高度為80 mm，千斤頂偏移為2.001mm，此時(shí)要求千斤頂和車身偏移量相同，當(dāng)千斤頂處在基礎(chǔ)位置分別取值300 mm、340 mm、380 mm、450 mm時(shí)，千斤頂舉升偏移曲線如圖5所示。

圖5 不等臂千斤頂舉升偏移曲線

將圖5中1、2、3局部放大，如圖6～圖8所示。

圖6 L1段局部放大圖

圖7 L2段局部放大圖

圖8 L3段局部放大圖

由圖6～圖8可知，不等臂千斤頂與車身偏移僅在要求的初始接觸位置（0mm）和舉升高度位置（80mm）兩點(diǎn)位置重合，在整個(gè)舉升過程中不完全重合。千斤頂設(shè)定寬度越小，在全過程段舉升曲線越貼近實(shí)車變化曲線，反之則偏離越大，但整體變化幅度不明顯。

車輪正常不癟氣情況下，等臂千斤頂、不等臂千斤頂在舉升過程中的偏移曲線如圖9所示。與車身接觸點(diǎn)從0開始，不等臂千斤頂?shù)呐e升過程與車身偏移量有較大契合度；等臂千斤頂舉升過程不存在偏移，車身舉升越高，車身偏移與千斤頂之間的位移差異越大。

圖9 正常情況下2種千斤頂與車身偏移曲線

3.2 癟氣車輛千斤頂使用情況

車輪在癟氣情況下，千斤頂與車身接觸點(diǎn)的舉升高度初始為負(fù)值，當(dāng)千斤頂跟車身接觸后，原則上無相對(duì)位移，假設(shè)不等臂千斤頂在-80 mm處與車身接觸開始作用，則千斤頂和車身偏移如圖10所示。

圖10 癟氣情況下2種千斤頂與車身偏移曲線

由圖10可知，從初始作用到水平狀態(tài)，不等臂千斤頂?shù)呐e升偏移方向和車身的偏移方向相反，其偏移隨車身舉升逐漸變大，達(dá)到水平后，其偏移與車身偏移逐步趨于一致，但始終有偏差。

-80～80 mm若采用等臂千斤頂，其舉升過程不發(fā)生偏移，與車身最大偏移為2 mm，且其在-80 mm和80 mm 2個(gè)點(diǎn)無偏差，相比不等臂千斤頂受力更佳。

4 結(jié) 論

（1）不等臂千斤頂在車輛舉升過程中與車身偏移量無法全過程重合；

（2）不等臂千斤頂?shù)某叽缭叫。劫N近整車實(shí)際偏移，但千斤頂尺寸對(duì)偏移量影響較小；

（3）不等臂千斤頂適用于車輛從水平位置開始舉升的工況，該工況下千斤頂偏移和車身偏移趨于一致；

（4）當(dāng)車輛癟氣的情況下，不等臂千斤頂在舉升過程中與車身始終保持一定偏移，而等臂千斤頂可以在對(duì)稱的位置實(shí)現(xiàn)初始點(diǎn)和終點(diǎn)零偏移，受力更佳。

綜上所述，考慮千斤頂通常在車輛輪胎癟氣或車輛爆胎情況下使用；因此，同等尺寸的千斤頂，等臂比不等臂具有更好的穩(wěn)定性。

[1]王德山. 一種駐車千斤頂[J]. 機(jī)械工程師，2010（3）：130.

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2020-12-07

U463.94

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.013

1002-4581（2021）02-0043-04