螺杆式螺旋千斤顶结构分析

螺杆式螺旋千斤顶结构分析

瞿元张林波吴沈荣卜凡

奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研究院

摘要：本文基于ABAQUS/STANDARD非线性功能，使用初始过盈配合求解技术，分析了某螺杆式千斤顶结构的变形与应力分布情况。

关键词：螺杆式千斤顶过盈配合接触

Abstract: Based on the non-linear capability of ABAQUS/STANDARD, the deformation and stress of the screw jack are analyzed with the functionality of SHRINK to model excessive initial overclosures.

Keywords:Screw jack,Overclosures,Contact

1前言

螺杆式螺旋千斤顶是一种常用的顶举或提升重物的轻小型起重设备，广泛用于起重、运输、装卸、安装及某些特殊的工艺操作。该千斤顶是使用方便，起重高度虽小但起重量可以很大。利用手柄直接驱动螺杆的是最简单又较常用的一种，是一般小型轿车的标准配件之一，主要用于顶举汽车，便于更换轮胎。

图1 螺杆式螺纹千斤顶结构

（A为上啮合齿；B为下啮合齿；C为螺杆齿销；D为手动柄安装部位）图1为典型的螺杆式螺纹千斤顶结构，其主要通过螺杆和啮合齿配合实现顶举功能。当千斤顶处于工作状态的时候，载荷从机构的上部通过啮合齿和支撑杆向下传递，手柄端不提供载荷，主要通过螺杆起横向固定作用，并将载荷通过下支撑杆传递到下啮合齿及底座上。

2 接触算法

ABAQUS/STANDARD中的接触算法是基于迭代法的，在每个增量步开始时检查所有接触相互作用的状态，判断从属节点是开放还是闭合，如果是闭合的，需要判断是处于滑动还是粘结。对于闭合节点施加一个约束，对于接触状态从闭合变为开放的节点解除约束，ABAQUS/STANDARD会进行迭代并利用修正值更新模型。

图2接触算法

3模型

由于本次分析重点关注啮合齿以及螺杆螺纹配合部位的接触，因此建立所有结构的实体网格单元，主要采用六面体网格单元C3D8I；转动轴用Connector单元模拟；主要接触部位包括啮合齿和螺杆螺纹部位建立接触关系Contact，其他部位以Tie连接。

图3 千斤顶结构有限元模型

（A1为千斤顶；A2为螺杆及销；A3为啮合齿）

由于螺纹配合、啮合齿接触部位有少量过盈量，因此，采用下面的关键字*CONTACT INTERFERENCE, SHRINK可以实现接触配合。该方法详细介绍可以参看ABAQUS帮助文件。

4 材料

螺杆及销材料为45号钢，钣金件为ST12。

5 边界条件

考虑为千斤顶的工作状态，因此，边界条件主要为下端支撑面，约束所有自由度，载荷主要为上端顶举部件的重量。对于轿车，以一定比例的整备质量作为施加的载荷，作用在千斤顶的上端面。

6 结果分析

图4千斤顶整体以及螺杆变形

图5 千斤顶整体应力分布及螺杆和啮合齿的应力分布

从变形云图看，千斤顶整体变形量在0.86mm左右，而螺杆的变形量约0.65mm左右，变形量比较小。结构整体上应力分布均匀，低于材料的屈服极限；螺杆应力主要为接触齿以及齿根部位，而啮合齿的应力主要分布在齿上。

7 结论

ABAQUS/STANDARD具有较好的非线性分析功能，此分析中接触算法具有比较好的收敛性。而SHRINK可以自动实现过盈配合的计算。通过该软件可以很好地分析螺纹配合、啮齿配合等复杂的接触问题，应力分布合理。

参考文献

[1]石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析实例详解[M]．北京：机械工业出版社，2006

[2]庄茁，张帆，岑松等．ABAQUS非线性有限元分析与实例[M]．北京：科学出版社，2004

[3]ABAQUS Analysis User’s Manual6.8