螺旋千斤顶设计计算说明书

螺旋千斤顶设计计算说明书

院 系：能源工程学系

专 业：机械设计制造及其自动化(车辆工程方向)

班 级：汽车1101班 设计者：韩开韦 甘庆良

2013年10月28日

目录

一．概要 ................................................. 错误!未定义书签。 1. 工作原理............................................ 错误!未定义书签。 2. 创新背景............................................ 错误!未定义书签。 3. 创新设计............................................ 错误!未定义书签。 二．螺杆的设计与计算 .................................... 错误!未定义书签。 1. 选取螺杆材料 ........................................ 错误!未定义书签。 2. 确定螺杆直径 ........................................ 错误!未定义书签。 3. 自锁验算............................................ 错误!未定义书签。 4. 螺杆强度计算 ........................................ 错误!未定义书签。 5. 螺杆稳定性计算 ...................................... 错误!未定义书签。 三．螺母的设计与计算 ..................................... 错误!未定义书签。 1. 选取螺母材料 ........................................ 错误!未定义书签。 2. 确定螺母高度和工作圈数 .............................. 错误!未定义书签。 3. 校核螺纹牙强度 ...................................... 错误!未定义书签。 四．托杯的设计与计算 ..................................... 错误!未定义书签。 五．手柄的设计与计算 ..................................... 错误!未定义书签。 1. 手柄的材料 .......................................... 错误!未定义书签。 2. 手柄长度的计算 ...................................... 错误!未定义书签。 六．底座的设计 ........................................... 错误!未定义书签。

一．概要

本作业的创新设计在与改变外部输入力传动的方式，传统的螺旋千斤顶是借助长直杆手柄插入中央螺杆，销接后进行旋转，而本作业在螺杆上加一个锥齿轮（铸造时就加上去），然后将与之啮合的锥齿轮轮轴引出，并在轴截面上铣出十字槽口，而相应的转轴手柄接合端铣出十字突起锁扣，则此螺旋千斤顶可以通过手柄和锥齿轮2相结合，然后转动带动锥齿轮轴转动，产生螺旋运动，其余机构与传统螺旋千斤顶相同。

1. 工作原理

千斤顶是一种轻便易携带的起重设备，主要用于重物短距离的升举、机器设备的位置校正及构件变形的校正等。螺旋千斤顶一般由人力提供动力，通过螺旋副传动，采用螺杆或由螺杆推动的升降套筒作为刚性顶举件以达到顶起重物的功能。

2. 创新背景

千斤顶与我们的生活密切相关,在建筑、铁路、汽车维修等部门均得到广泛的应用,因此千斤顶技术的发展将直接或间接影响到这些部门的正常运转和工作。汽车千斤顶是汽车保养、维修不可缺少的主要举升工具。随着我国国民经济和汽车工业的发展,小轿车的产量逐年递增,轿车普遍进入平民百姓的家庭生活将成为社会发展的趋势,这使得千斤顶的需求量日益增大。因此对千斤顶技术的进一步研究,生产出外形美观、安全可靠、使用方便的高性价比产品显得尤为重要。早在20 世纪40 年代,卧式千斤顶就已经开始在国外的汽车维修部门使用,但由于当时设计和使用上的原因,其尺寸较大,承载量较低。后来随着社会需求量的增大以及千斤顶本身技术的发展,在90 年代初国外绝大部分用户已以卧式千斤顶替代了立式千斤顶。在90年代后期国外研制出了充气千斤顶和便携式液压千斤顶等新型千斤顶。充气千斤顶是由保加利亚一汽车运输研究所发明的,它用有弹性而又非常坚固的橡胶制成。使用时,用软管将千斤顶连在汽车的排气管上,经过15～20 秒,汽车将千斤顶鼓起,成为圆柱体。这种千斤顶可以把115t 重的汽车顶起70cm。

我国千斤顶技术起步较晚,由于历史的原因,直到1979 年才接触到类似于国外卧式千斤顶这样的产品。但是经过全面改进和重新设计,在外形美观,使用方便,承载力大,寿命长等方面,都超过了国外的同类产品,并且迅速打入欧美市场。经过多年设计与制造的实践,除了卧室千斤顶以外,我国还研制出了新型折叠式液压千斤顶、快速升降千斤顶等多种千斤顶。目前我国出口的千斤顶已达到门类、规格齐全,形成系列产品。Made in China 也成为了行业中坚实耐用的标志。

但是，随着时间的推移和技术的进步，传统的机械式螺旋千斤顶已经逐渐凸显出它的缺点与落后的一面，在由电控系统的重大突破而引起的一系列技术改革中，千斤顶也跟上了科技的潮流，各种创新形式的千斤顶层出不穷，科研工作者们对千斤顶这一器械的各个方面进行了创新，在动力部分，控制部分，支撑部分都相应的配置了电控或电动系统，而且在结构和材料上不断对它进行优化。新一代的产品与传统产品相比，不仅更加轻便简易，而且成本更低，设计更人性化，智能化。手动千斤顶的优点制造简单,价格低廉,但使用时必须用手不断操作才能升降套筒或举臂,所以费时费力,使用不方便;电动千斤顶相对提高了工作效率,

避免了繁重的体力劳动,为司机创造出一种方便、高效省力的修车环境和条件。因此现在用户大多使用遥控电动或电动手动两用千斤顶。在这样的背景之下，仿佛对千斤顶的创新设计的核心都放到了新技术层面，然而，在基础的，普通的，根本的结构和装置方面，也还存在着很大的创新空间和创新设计潜在空间。基于这样的背景，我将创新设计的重心放在了基础结构的设计之上，同时，这样的基础结构设计创新可以延伸出更多的基于这个创新的新技术创新。

3. 创新设计

传统的螺旋千斤顶采用的动力输入装置时通过长直杆销接到中央螺杆之后进行旋转，通过螺杆相对静止的螺母的旋转运动使与中央螺杆直接相连的托杯上升。这样的机构虽然可以通过长直杆的杠杆效应达到省力的效果，但是所需要的工作空间与杆长度的平方成比例，十分影响使用的方便程度。同时，由于长直杆的不可收缩性，在携带的时候也会造成麻烦，对于汽车来说，随车携带千斤顶长直杆，还会影响汽车后备箱的空间布置，可能会使其他行李或物品不方便放置。除此之外，由于螺母固定，中央螺杆上的销孔固定，所以在托杯上升的时候螺杆也会跟着上升，不仅会给操作增加难度，同时会影响千斤顶的重心，使之稳定性减弱。

于是，在本方案的设计中，我用锥齿轮和轮轴机构代替了长直杆，同时也优化了中央螺杆，通过将中央螺杆优化为锥齿轮螺杆，并与另一竖直锥齿轮相啮合，使外界的动力可以传输进入螺旋系统，而在外界的传输中，我也采用了轮轴式输入，强化了机构的省力功能。而锥齿轮的外壳并不和底座固连，而是和托杯连接在一起，当工作时，托杯顶住工作对象，形成固定，所以在工作时外壳并不会转动。

同时，考虑到同样的拆装与携带问题，我没有将外部的手柄与内部的齿轮轴固化，而是通过十字槽与十字键的链接固定，这样既能够保证使用的稳定度，也能够保证满足相应的强度要求。在锥齿轮轴与外壳的相接处，我将之设计为滚动轴承，可以达到减小轮轴和壳体之间的摩擦的目的。

二．螺杆的设计与计算

螺纹有矩形、三角形、锯齿形和梯形，对于起重机这样精度不高的传力螺旋，我们采用梯形螺纹。

梯形螺纹，牙型角=30°，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动。 1. 选取螺杆材料

螺杆材料常用有Q235、Q275、40、45、55等，我们选用45号钢。

2. 确定螺杆直径

按耐磨性条件确定螺杆中径d2。求出d2后，按标准选取相应公称直径d、螺距t及其它尺寸。

有d2≥

(mm),其中：

，[p]为螺旋传动副的许用压强。

F为轴向载荷，P为螺距，h为螺纹接触高度，

根据国家规定，梯形螺纹，，h=，[p]=18Mpa，取[p]=20Mpa。 因此，根据公式计算可得d2=，查阅机械设计手册，取公称直径d=20mm，螺距P=4mm，此时

对螺杆：

大径d=20mm，中径d2=18mm，小径d1=； 对螺母：

大径D=，中径D2=18mm，小径D1=16mm。

3. 自锁验算 螺旋副自锁条件为螺纹升角=锁条件。

4. 螺杆强度计算

螺杆工作时，既受轴向力F，又承受扭矩T的作用，使得螺杆的危险截面上既有正应力，又有剪应力。因此，校核螺杆强度时应该按第四强度理论求出危险截面上的当量应力σc，使其小于或等于使用应力[σ]，即：

=，

，其中为升角，=

为当量摩擦角。

，可见螺纹能够实现自

=，由

=[]，其中为螺杆螺纹小径。

查阅机械设计手册，45号钢，其屈服极限为4，因此[

而T=F条件。

=。

=14851N

=355Mpa，所以[=，可以取安全系数

，代入计算得到=，由]，满足强度

5. 螺杆稳定性计算

细长的螺杆工作时受到较大的轴向压力可能失稳，为此应按稳定性条件验算螺杆的稳定性。螺杆受压不失稳的条件式为：

，

为螺杆失稳的临界载荷，N；Ss为保证螺杆

不失稳的最小安全系数，对于传导螺旋传动，取值为~。根据材料力学，失稳时的临界载荷与螺杆的柔度

的值有关，此处l为螺杆承受压力的一段长度，mm；i为螺杆危险截

面的惯性半径，mm；若危险截面近似看作是直径为d1（螺纹小径）的圆，则i=d1/4，mm；μ为螺杆的长度系数，取决于螺杆支撑情况，对于螺旋千斤顶可视为一端固定、一端自由，取=2。

先计算柔度，将=2，l=200mm，i=d1/4代入使用以下公式计算临界载荷

=，因此

：

，所以螺杆满足稳定性条件。

，可求出

=。

100，所以

三．螺母的设计与计算

1. 选取螺母材料

螺母材料一般可选用青铜，对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造，其内孔浇注青铜或巴氏合金。此处选用ZCuSn10Zn2。

2. 确定螺母高度和工作圈数

螺母的高度H=，=，=18mm，计算可得H=27mm。螺纹圈数Z=H/P，H=27mm，P=4mm，计算得Z=，取整应为Z=7，故实际螺母高度为H=4*7=28mm。考虑到螺纹圈数Z越多，载荷分布越不均，故Z不宜大于10，否则应改选螺母材料或加大d，此处显然满足。

3. 校核螺纹牙强度

由于螺杆材料强度一般远大于螺母材料强度，因此，只需校核螺母螺纹的牙根强度。 按照教材（5-15），螺母螺纹根部的剪切强度计算公式为：

其中，b为螺纹牙根部宽度，对于梯形螺纹，b=，[]为螺母材料的许用剪切应力，对于青铜螺母，[]=30~50MPa。螺母螺纹根部一般不会弯曲折断，通常可以不校核弯曲强度。

将F=10000N，，d=20mm，b==，Z=7代入公式，可以求出如上图，在此题中， D=，

则D3=~D=*=， 则可取D3=，

D4=（~）D3=*35=49mm， a=H/3=9mm。

=，远小于30MPa，故合格。

四．托杯的设计与计算

托杯用来承托重物，一般用铸钢或铸钢材料。为了使托杯与重物良好和防止与重物之间

出现相对滑动，在托盘表现制有切口和沟纹。为了防止托杯从螺杆端部脱落，在螺杆上端应安有挡圈。由于托杯在起重时不转动，因此，托杯底部与螺杆接触面有相对滑动，为了避免过快磨损，一方面要加注润滑剂，另一方面还需限制接触面间比压p，许用压力可取15~20MPa。

如上图， ====

d=d=d=

(2)=36-2

，满足要求

五．手柄的设计与计算

1. 手柄的材料

常用碳素结构钢制造，此处选45号钢。

2. 手柄长度的计算 如下图 ①

②

③

这是我们摇杆的设计简图，设三根杆长度分别为力作用在3杆上，可知只要2杆满足弯曲强度条件，3杆一定满足。设我们使用的力大小为F，那么2杆受到最大弯矩为

，1杆受扭矩T=M，根据材料力学知识杆的扭转强度

=

，为截面抗扭系数，

为

，，

其中F为我们施加的作用力，一般为

静态时取大的，动态时取小的，此处可以取80Mpa。 根据实际情况，可以取为30cm，此时可计算得到

柄在长度、直径有大致范围条件下满足强度条件。

，跟实际情况相符合，因此手

六．底座的设计

底座材料常用铸铁（HT150及HT200），此处选HT200。铸件的壁厚δ不应小于8～12mm，为了增加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因此将其外形制成1∶10的斜度。

图中，

=

其中，=2MPa。

为联接结合面材料的许用挤压应力。当联接结合面材料为木头时，取

参考文献：

[1].陈秀宁，顾大强.《机械设计》 浙江大学出版社 [2].陈秀宁.《机械设计基础》 浙江大学出版社

[3].孙恒、陈作模、葛文杰等.《机械原理》 高等教育出版社 [4].刘平安.锥齿轮螺旋千斤顶设计 华东交通大学 [5].王奕.摩擦角与螺旋千斤顶 南京铁道职业技术学院 [6].机械设计手册软件版