乘用車不等臂千斤頂設計解析及應用

李海亮，王兆清Li Hailiang，Wang Zhaoqing

乘用車不等臂千斤頂設計解析及應用

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、簡易維護必不可少的舉升工具，其使用安全性非常重要。針對普通的等臂千斤頂和不等臂千斤頂進行分析，分析不等臂千斤頂設計的優缺點，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，人們對乘用車隨車必備的簡易輔助維修工具的使用功能及安全性的要求也提高。目前市場上千斤頂種類繁多，車用千斤頂在車輛輪胎出現爆胎或者漏氣時，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

針對千斤頂臂長進行計算解析[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 不等臂千斤頂設計

假設車身的寬度為，當某一個輪胎出現故障，利用千斤頂撐起車身進行更換，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，假設該行程段為，在抬起過程中，車身會偏轉，千斤頂的支撐點在水平方向出現長度為的位移[5]，如圖2所示。

圖2 千斤頂舉升位移偏移示意圖

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

圖3 車身偏移隨舉升高度的關系曲線

由圖3可知，舉升高度為80 mm對應車身的橫向偏移量為2.001 mm，高度出現負值是由于輪胎癟氣導致車身下移，正常更換車輪會從水平方向即零點開始。

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發生錯動，底座與地面接觸不會產生位移，但會使千斤頂上下支架以及鉸接位置發生偏移，導致穩定性不足。

不等臂千斤頂在正常舉升過程中，其頂頭會發生水平方向平移，可根據車型舉升過程中的偏移量，合理設計不等臂千斤頂的臂長，使千斤頂平移量和車身偏移量相等，提高其穩定性。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

由千斤頂的工作原理可知，不等臂桿系有如下特點：

（1）線段為底座鉸接銷軸，水平狀態；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，頂頭結構需要與車身配節，為水平狀態。為了保證舉升過程中線段時刻為水平狀態，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，六邊形確定，l=l。

對不等臂千斤頂的舉升過程進行模擬分析，由圖2可知，點、點為千斤頂底座的兩個鉸接點，點、點為千斤頂頂頭的2個鉸接點，點、點分別為千斤頂上下支架鉸接點。

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

假設六邊形1111是舉升到某一高度后的千斤頂整體桿系位置，過1點做線段的垂線，與線段相交于點，與左下支架線段1相交于點；過1點做線段1的垂線，與線段1相交于1點，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，點變為1點，舉升距離=2-1，這2點之間的水平距離即線段長度對應汽車舉升過程中的水平位移。

由分析可知△≌△；△111≌ △11。

假設線段長度為，線段長度為，∠為，∠1為，則

l=l=-（1）

式中：l、l為線段、線段的長度。

根據圖2、圖4幾何關系可得

1=×sin+×sin（2）

2=×sin+×sin（3）

=(-)cos-(-)cos（4）

由于千斤頂對布置空間、成本、重量等有要求，可根據實際情況假定為一個參考值或假定某一個狀態下千斤頂的橫向寬度為參考值，現假定點和點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。

根據式（1）～式（5），采用MATLAB函數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，對和進行圓整后設計千斤頂，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，此時要求千斤頂和車身偏移量相同，當千斤頂處在基礎位置分別取值300 mm、340 mm、380 mm、450 mm時，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）兩點位置重合，在整個舉升過程中不完全重合。千斤頂設定寬度越小，在全過程段舉升曲線越貼近實車變化曲線，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。與車身接觸點從0開始，不等臂千斤頂的舉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的舉升高度初始為負值，當千斤頂跟車身接觸后，原則上無相對位移，假設不等臂千斤頂在-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，不等臂千斤頂的舉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，其舉升過程不發生偏移，與車身最大偏移為2 mm，且其在-80 mm和80 mm 2個點無偏差，相比不等臂千斤頂受力更佳。

4 結 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）不等臂千斤頂的尺寸越小，越貼近整車實際偏移，但千斤頂尺寸對偏移量影響較小；

（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稱的位置實現初始點和終點零偏移，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定性。

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

[2]陳燕，歐陽加強.千斤頂技術的研究現狀與發展[J]. 現代機械，2004（4）：58-60.

[3]梁尚明.現代機械優化設計方法[M]. 北京：化學工業出版社，2005.

[4]劉平安. 錐齒輪螺旋千斤頂設計[J]. 機械設計與研究，1996（2）：35-36.

[5]機械設計手冊編委會. 機械設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2004.

2020-12-07

U463.94

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.013

1002-4581（2021）02-0043-04