手动螺旋千斤顶

1、华中科技大学文华学院毕业设计（论文）题目：手驱动螺旋千斤顶学 生 姓 名： 付翔 学号：100302041122 学 部 （系）： 机械与电气工程学部_专 业 年 级： 10级机械设计与制造_ 指 导 教 师： 孟超莹_职称或学位： 讲师_ 2014 年 5 月 5 日手动螺旋千斤顶的参数设计和计算摘 要起重机械在现代企业中有着举足轻重的地位，是机械化作业的重要物质基础 。螺旋千斤顶作为一种小型的起重机械因其结构简单,操作简便，支撑重量 大而在日常生活中受到广泛的使用。国内千斤顶技术起步较晚，经过多年设计与制造的实践,除了卧式千斤顶以外,我国的千斤顶规格齐全,还形成系列产品。但是 随着我国汽车

2、工业的快速发展,对汽车千斤顶的要求也越来越高，迫使千斤顶的设计质量要不断提高,以适应用户的需求。不仅要求重量轻,携带方便,外形美观,使用可靠还会对千斤顶的进一步自动化,甚至智能化都有所要求。本文先通过对千斤顶各部分零件的设计计算，得到零件的基本尺寸，再通过proe/E软件完成螺旋千斤顶的三维造型。通过对螺旋千斤顶的完整设计，更深入的了解千斤顶的原理和proe/E软件在产品的研究和开发中的优劣。关键词：千斤顶；三维造型；智能化；proe/E；Parameter design and calculation of manuals jackAbstractHoisting machinery pla

3、y a decisive role in the modern enterprise, it is an important material basis of mechanization operation. Screw jack is a small lifting machinery with widely used in everyday life for its simple structure, convenient operation, supporting the weight of large .Domestic Jack technology started relativ

4、ely late, through the practice of design and manufacturing for many years, in addition to horizontal jack, Jack specifications in China is complete, and even has formed a series of products. But with the rapid development of automobile industry in our country, the auto jacks are increasingly high re

5、quirements, Jack is forced to continuously improve the quality of design, in order to adapt to the needs of users. Not only the requirements of light weight, convenient carrying, beautiful appearance, reliable use will be further automation of the jack, and even intelligence are required. This artic

6、le first through the design and calculation of the jack parts, get the basic dimensions of the part, then complete the modeling of screw jack by proe/E software. Through the complete design of screw jack , more in-depth understanding of Jack principle and or proe/E software in product research and d

7、evelopment.Key Words : jack; Three dimensional modeling; Intelligent; proe/E前言一.起重机械的概述起重机械是指用于垂直升降或者垂直升降并水平移动重物的机电设备，其范围规定为额定起重量大于或者等于05t的升降机；额定起重量大于或者等于1t，且提升高度大于或者等于2m的起重机和承重形式固定的电动葫芦等。起重作业是将机械设备或其他物件从一个地方运送到另一个地方的一种工业过程。多数起重机械在吊具取料之后即开始垂直或垂直兼有水平的工作行程，到达目的地后卸载，再空行程到取料地点，完成一个工作循环，然后再进行第二次吊运。一般来说，起

8、重机械工作时,取料、运移和卸载是依次进行的,各相应机构的工作是间歇性的。起重机械主要用于搬运成件物品，配备抓斗后可搬运煤炭、矿石、粮食之类的散状物料，配备盛桶后可吊运钢水等液态物料。有些起重机械如电梯也可用来载人。在某些使用场合，起重设备还是主要的作业机械，例如在港口和车站装卸物料的起重机就是主要的作业机械。起重机械按结构不同可分为轻小型起重设备、升降机、起重机和架空单轨系统等几类。轻小型起重设备主要包括起重滑车、吊具、千斤顶、手动葫芦、电动葫芦和普通绞车，大多体积小、重量轻、使用方便。除电动葫芦和绞车外，绝大多数用人力驱动，适用于工作不繁重的场合。它们可以单独使用，有的也可作为起重机的起升机

9、构。有些轻小型起重设备的起重能力很大，如液压千斤顶的起重量已达 750吨。升降机主要作垂直或近于垂直的升降运动，具有固定的升降路线，包括电梯、升降台、矿井提升机和料斗升降机等。起重机是在一定范围内垂直提升并水平搬运重物的多动作起重机械。架空单轨系统具有刚性吊挂轨道所形成的线路，能把物料运输到厂房各部分，也可扩展到厂房的外部。二千斤顶的概述千斤顶是一种用钢性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在行程内顶升重物的轻小起重设备。千斤顶主要用于厂矿、交通运输等部门作为车辆修理及其它起重、支撑等工作。其结构轻巧坚固、灵活可靠，一人即可携带和操作。千斤顶分为机械千斤顶和液压千斤顶两种，原理各有不同。

10、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也比较大，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的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所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。但不如液压千斤顶简易。在汽车方面专用的千斤顶的种类可以分为： （1）螺旋千斤顶：依靠螺纹自锁来撑住重物，结构并不复杂，

11、但其支撑重量较大。但这种螺旋千斤顶的工作效率较慢，上升慢，下降快。（2）液压千斤顶：分为通用液压千斤顶和专用液压千斤顶。它的工作原理较为复杂，就不在这里详说了。而它的使用好处则是升降速度快，承重能力较齿条千斤顶大。但同样的，如此强大的千斤顶，肯定是不会方便携带的，所以这也不是常见的汽车千斤顶的种类;（3）齿条千斤顶：它分别由齿条、齿轮、手柄3部分组成，它依靠摇动手柄从而使齿条上升下降，这也是普通汽车常见的一种汽车千斤顶的种类。它体积不大，比较好存放。但也也正因如此，限制了它的支撑重量不能太大。（4）充气式千斤顶：这种千斤顶大家见了可能会有点陌生的感觉，因为这种汽车千斤顶的种类并不常见。它依靠车

12、尾气对其充气，因此使用条件比较特别而鲜为人知。1. 螺旋千斤顶的结构和原理1.1结构螺旋千斤顶由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄等零件所组成。螺杆在固定螺母中旋转并上升或下降，把托杯上的重物举起或放下。螺杆7和螺杆6是它的主要零件。螺母6用紧定螺钉5固定在底座8上。转动手柄4时，螺杆即转动并上下运动。托杯1直接顶住重物，不随螺杆转动。安全板3防止托杯脱落，安全板9防止螺杆由螺母中全部脱出。对这一装置的主要要求是:保证各零件有足够的强度、耐磨性、能自锁、稳定性合格等。图1-1 手动螺旋千斤顶 1.2原理螺旋千斤顶是手动起重工具种类之一，其结构紧凑，合理的利用摇杆的摆动，使小齿轮转动，经一对圆锥齿轮合

13、运转，带动螺杆旋转，推动升降套筒，从而重物上升或下降。2.螺旋传动的设计和计算2.1螺旋传动的类型和用途螺旋传动是用螺杆和螺母传递运动和动力的机械传动，主要用于把旋转运动转换为直线运动，将转矩转换成推力。螺旋传动按螺旋副摩擦的性质不同， 可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为静压螺旋传动和普通螺旋传动。通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。其传动的效率低，一般为3040%，而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。但是其结构简单、制造方便、成本低、易于实现自锁、运动平稳，被广泛应用于机床的进给、分度、定位等机构。而静压螺旋传动摩擦系数小，传动效率可达99%,无磨损和爬行现

14、象,无反向空程,轴向刚度很高,不自锁,具有传动的可逆性,但螺母结构复杂,而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。 滚动螺旋传动是用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动.滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90%以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构

15、型式，按滚珠循环方式分为：外循环：外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环：内循环用反向器，一个螺母上通常有24个反向器，将螺母中滚珠分别联成24个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。螺旋按其用途，还可分为传动螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。（1）传动螺旋 如图2-1所示，以传递力为主，可用较小的转矩转动产生轴向运动和大的轴向力。一般在低转速下工作，每次工作时间短或间歇工作，通常要求自锁。本次的设计千斤顶就是传动螺旋。搬动手柄对螺旋夹一个转矩，则螺杆旋转并产生很大的轴向推力以举起重物。（2）传导螺旋 以传递运动为主，常用作实现机床中刀具和工作台的直线进给。通常工作速度较高

16、，在较长时间内连续工作，要求具有较高的传动精度。如图2-2所示为机床进给机构的传导螺旋。（3）调整螺旋 用于调整或固定零件（或部件）之间的相对位置，如带传动调整中心距的张紧螺旋，一般不经常转动。 图2-1 传动螺旋 图2-2 传导螺旋2.2螺旋传动的计算在螺旋传动中，结构最简单应用最广泛的是滑动螺旋，滑动螺旋副工作时，主要承受转矩和轴向拉力（或压力）的作用，由于螺杆和螺母的旋合，螺纹间存在着较大的相对滑动，因此，其主要失效形式是螺纹牙破损，滑动螺旋的基本尺寸通常根据耐磨条件确定。对于传力螺旋还应校核螺杆危险截面的强度；对于青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核其自锁性；对于精度传动螺旋应该

17、校核螺杆的刚度；对于受压螺杆，当其长径比很大时，应校核其稳定性；对于高速长螺杆，应校核其临界转速；要求自锁时，多采用单线螺纹，要求高效时，多采用多线螺纹。（1）一般螺旋机构的计算当螺杆转动角度为rad时，螺母轴向移动的位移Lmm为： L=S2 （2-1）式中，S为螺旋线导程mm.当螺杆的转速为nrmin时，螺母移动速度Vmms为： V=Sn60 （2-2）（2）差动螺旋机构与复式螺旋机构的计算 图2-3 螺旋传动示意图上图的螺旋机构中，螺杆3上有P1、P2两段螺旋，P1段螺旋导程为Sh2mm，P2段螺旋导程为Sh2，两者旋向相同，则当螺杆转角为rad时，螺母轴向移动的位移Lmm为： L=(Sh

18、1-Sh2)2 （2-3） 当螺杆的转速为nrmin时，螺母移动速度Vmms为： V=(Sh1-Sh2)n60 （2-4）由上式可知：当P1、P2两段螺旋的导程Sh1、Sh2接近时，螺母得到微小位移，这种螺旋机构称为差动螺旋机构，常用于精度机构、测微机构等；如果两螺旋的旋向相反，则螺母轴向移动位移为 ： L=(Sh1-Sh2)2 （2-5） 螺母移动速度为： V=(Sh1+Sh2)n60 （2-6）这种螺旋机构称为复式螺旋机构，适合于快速靠近或离开的场合。滑动螺旋传动工作时，螺杆和螺母主要承受转矩和轴向载荷（拉力或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。滑动螺旋传动的主要失

19、效形式是螺纹磨损，因此，通常根据螺旋副的耐磨性条件，计算螺杆中径及螺母高度，并参照螺纹标准确定螺旋的主要参数和尺寸，然后再对可能发生的其他失效逐一进行校核。2.3滑动螺旋的结构和选材2.3.1滑动螺旋的结构滑动螺旋传动工作时，螺杆和螺母主要承受转矩和轴向载荷（拉力或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。滑动螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损，因此，通常根据螺旋副的耐磨性条件，计算螺杆中径及螺母高度，并参照螺纹标准确定螺旋的主要参数和尺寸，然后再对可能发生的其他失效逐一进行校核。 滑动螺旋的结构包括螺杆、螺母的结构形式及固定和支承结构形式，螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构

20、有直接关系，当螺杆短而粗且垂直布置时，如起重及加压装置的传力螺旋，可以采用螺母本身作为支承的结构。当螺杆细长且水平布置时，如机床的传导螺旋（丝杆）等，应在螺杆两端或中间附加支承，以提高螺杆工作刚度。螺母结构有整体螺母、组合螺母和剖分螺母等形式。整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的场合中使用。对于经常双向传动的传导螺母，为了消除轴向间隙并补偿旋合螺纹的磨损，通常采用组合螺母或剖分螺母结构。利用螺钉可使斜块将其两侧的螺母挤紧，减少螺纹副的间隙，提高传动精度。传动用螺旋一般采用右旋结构，只有在特殊情况下采用左旋螺纹。2.3.2螺杆和螺母的常用材料螺杆和螺母材料应

21、具有较高的耐磨性、足够的强度和良好的工艺性。表 2-1 螺杆与螺母常用的材料螺纹副材料应用场合螺杆Q235 Q275 45 50轻载、低速转动、材料不热处理40Gr 65Mn 20GrMnTi重载、较高速、材料需经热处理9Mn2V GrWMn 38GrMoAl精密传导螺旋传动，材料需经热处理螺母ZcuSn10Pl ZcuSn5Pb5Zn一般传动ZcuAL10Fe3 ZcuzN25AL6Fe3Mn重载、低速传动、尺寸较小或轻载高速传动、螺母可采用钢或铸铁制造，内空浇铸巴士合金或青铜 2.4螺旋机构耐磨性的计算螺纹的耐磨性计算与工作表面上压力P、滑动速度、表面粗糙度及润滑状态等都有关系。在一般加工

22、和润滑条件下，可只检验螺纹工作表面上的压力，以避免形成过度的磨损；耐磨性计算的约束条件为：P=FPd2hHP （2-7）或 d2FPPh （2-8）式中，F为轴向工作载荷（N）； d2为螺纹中径(mm)；P为螺距(mm)；h为螺纹工作高度(mm)，矩形与梯形螺纹的工作高度h=0.5P，锯齿形螺纹为h=0.75P；，P为许用比压（MPa），其值见下表2-2；为系数， =Hd2， H为螺母高度(mm)，对于整体螺母，可取=1.21.5；对于剖分式螺母，可取=2.53.5；当制造精度较高、载荷较大、且要求使用寿命较长时，取=4按上式计算出d2后，即可有螺纹标准数据表中查出公称直径d和P，从而可进一步

23、确定螺母高度H等尺寸。螺母的螺纹圈数一般应小于10.表2-2 滑动螺旋传动的许用比压P螺纹副材料滑动副速度/(ms-1)许用比压P/MPa铜-青铜低速18250.0511180.10.27100.2512淬火钢-青铜0.10.21013钢-铸铁0.0512160.10.2472.5螺母螺纹牙强度的计算螺纹牙多发生剪切与弯曲破坏。由于一般情况下螺母材料的强度比螺杆低，因此只需校核螺母螺纹牙的强度。假设载荷集中作用在螺纹中径上，可将螺母螺纹牙视为大径D处展开的悬臂梁，螺纹牙根部的 弯曲强度校核公式为：b=3FhDb2zb （2-11）剪切强度校核公式为： =F2Db （2-12） 式中D为螺母螺纹

24、的大径(mm)；b为螺母螺纹牙根部宽度(mm);可由国家标准差得，也可取矩形螺纹b=0.5P，梯形螺纹b=0.65P，锯齿形螺纹b=0.74P； b 、分别为螺母螺纹牙的许用弯曲应力及许用切应力（MPa）。表2-3 滑动螺旋副材料的许用应力项 目许用应力/ MPa钢制螺杆=S/35 S为材料的屈服极限/ MPa螺 母材料许用弯曲应力b许用切应力青铜40603040耐磨铸铁506040铸铁455540钢（1.01.2）0.6注：静载荷许用应力取大值。若螺杆与螺母的材料相同，由于螺杆螺纹的小径d1小于螺母螺纹的大径D，故应校核螺杆螺纹牙的强度，这时公式中的D应改为d1。2.6螺杆强度和稳定性的校核

25、2.6.1螺杆的强度的计算 受力较大的螺杆需进行强度计算，螺杆工作时受轴向力F及转矩T作用，危险截面上受拉（压）应力和扭转切应力，根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度校核公式为： ca=2+32=（4Fd12）2+3（T0.2d13）2(MPa) （2-13） T=Fd12tan（+v） （2-14） =tan-1（npd2） （2-15） v=tan-1（cos） （2-16） 式中，d1为螺杆螺纹的小径（mm）；n为螺纹的螺旋线数；p为螺距； 为螺杆材料的许用应力(MPa)；T为螺杆所受转矩（Nm），为螺旋升角，v为当量摩擦角，为牙型斜角, 为实际摩擦系数.2.6.2稳定性的计算 对于长径

26、比大的受压螺杆，当轴向力F超过某一临界载荷F时，螺杆可能会突然产生侧向弯曲而丧失稳定。因此，对细长螺纹应进行稳定性校核，螺杆的稳定性条件为： FFS （2-17）式中，S为稳定性安全系数，对于传力螺旋取S=3.55；对于传导螺旋取S=2.54;对于精密螺杆或水平螺杆取S4. 临界载荷F与螺杆的柔度及材料有关，根据=L/i的大小选用不同的公式计算。 当8590时，根据欧拉公式计算，有： F=2EI(L)2 （2-18） 当8590时，对ak380MPa的碳素钢（如Q235、Q275），有： F=3041.12d144 （2-19） 对 ak470MPa的优质碳素钢（如355、45），有： F=4

27、612.57d144 （2-20） 当8590时，无需进行稳定性计算。式中，F为临界载荷（N）;E为螺杆材料的弹性模量（MPa），对于钢E=2.06106；I为危险截面的惯性矩（mm2），I=d1364，d2为螺杆螺纹内径；为长度系数，与螺杆端内部结构有关，L为螺杆最大受力长度（mm）；i为螺杆危险截面的惯性半径（mm），i=Id12=d14表2-4 长度系数的选择螺杆端部结构两段固定0.5一端固定，另一端不完全固定0.6一端固定，一端自由（如千斤顶）2一端固定，一端铰支（如压力机）0.72.7自锁性的校核 对于要求自锁的螺旋传动，应校核是否满足自锁条件，即：=tan-1fv （2-21）式中

28、，fv为螺纹副的当量摩擦系数表2-5 螺旋传动螺旋副的当量摩擦系数fv螺旋副材料钢和青铜钢和耐磨铸铁钢和铸铁钢和钢淬火钢和青铜0.080.100.100.120.120.150.110.170.060.083.千斤顶的设计已知轴向载荷F=65000N,最大举升高度250mm， 方案图如下所示：1托杯 2手臂 3销 4手柄 5挡环 6螺套7螺杆 8螺钉 9底座图4.1 千斤顶剖视图3.1 螺杆设计与校核3.1.1确定螺纹直径螺杆工作时，同时受到压力和转矩的作用，因此它的计算可近似按螺栓连接的计算公式来求得螺纹小径，即： d141.3F (3-1)式中，许用应力 =s（35）， F为螺杆轴向载荷，

29、即F=65KN查阅相关手册得到：s=315N/mm2, =530 N/mm2,代入公式（3-1）计算可得到： =s（35）=(63105)N/mm2， 取=80MPa， 则有螺纹小径： d141.3651033.1480=36.68mm选择梯形螺纹： Tr488，牙型角=30，牙型斜角=15螺杆螺纹大径： d=48mm 螺母螺纹大径： D=d+1=49mm螺纹中径： d2=D2=d-4=44mm螺杆螺纹小径： d1=d-9=39mm 螺母螺纹小径： D1=D-8=40mm螺距： P=8mm螺纹根部厚度： t1=0.634P=5.072mm螺纹工作高度： h=0.5P=0.58=4mm螺纹力矩

30、： T1=Fd12tan（+v)螺纹升角： =tan-1（npd2）=3.31，取v=0.15，则：当量摩擦角： v=tan-1v=8.53 所受转矩： T1=65103442tan（3.31+8.53）=2.998105N.mm 按第四强度理论校核，螺杆危险截面的强度校核公式，得到： ca=（4Fd12）2+3（T10.2d13）2=4651053922+32.9981050.23932 =74.079MPa=80MPa，能满足要求。螺旋副受力情况图如下图3.1-1.图3-1 螺旋副受力图3.1.2自锁性验算自锁性条件：v,其中=3.31，故3，为固定支承，一端固定，一端自由，可以从表2-4

31、中选取=2.F=4.57105N,FF=4.5710565103=7.032.5螺杆可以稳定工作；螺杆的结构和尺寸如下图3-2所示。 图3-2 螺杆的结构3.2 螺母的设计与校核螺母的材料选择HT300.3.2.1确定螺纹旋合圈数根据螺纹旋合圈数Z，即；p=FPhHd2p ZFhP d2查资料得，p=15N/mm2, Z651033.1444154=7.84螺母实际圈数 Z=Z+1.5=7.84+1.5=9.34，取Z=10，则Z=Z-1.5=8.5螺母旋合长度 H=ZP=108=80mm校核螺母的高径比 =Hd2=8044=1.82查资料，兼做支承的螺母=2.53.5，故不能满足要求，故要重

32、新确定螺母的高度，取=3.2，则H=d2=3.244=140.8mm，取H=140mm.3.2.2校核螺母的螺牙强度1.剪切强度查资料得到，=40N/mm2 =FDt1Z=651033.14495.0728.5=9.8 N/mm2=40N/mm2,满足要求。2.弯曲强度 b=3FhDt12Zb,其中，h=4mm，b=（4555）N/mm2 b=36510343.14498.55.0722=23.2 N/mm2b，同样满足要求3.2.3螺母的其它结构尺寸螺母外径 D=1.5d=72mm螺母凸缘外径 D1=（1.31.4）D=（104112）mm 取D1=106mm凸缘厚度 a=H3=803=26

33、.67mm，取a=25mm3.2.4螺母外径和凸缘强度的计算及螺母悬置部分的校核 =（1.21.3）F14（D2-D2） （3-2）式中，螺母的许用拉应力b=（4555 ）N/mm2 =0.83b=0.83（4555）=（37.3545.65）MPa=（1.21.3）F14（D2-D2）=（1.21.3）6510314（722-492）=35.7038.68MPa，满足要求。（1）.凸缘与底座接触部分的挤压强度计算 =F14（D12-D2) （3-3）式中，=1.51.7b=1.51.74555=（67.593.5）MPa =6510314（1062-722)=13.68MPa ，满足要求。（2）.凸缘根部的弯曲强度计算 b=1.5F（D1-D）Da2b （3-4） b=1.565