千斤顶三维设计论文.doc

摘要机械设计在国民经济发展中起着重要的作用，机械工业担负着为国民经济部门提供各种性能先进，价格低廉，使用安全可靠，造型美观的技术装备的任务，在国家现代化建设中举足轻重。机械产品的市场竞争能力主要取决于产品的质量，而产品的质量又取决于产品的设计。千斤顶是一种起重高度小(小于1)的最简单的起重设备。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。千斤顶是用刚性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在小行程内顶升重物的轻小起重设备。本次设计既是产品开发周期中的关键环节，有贯穿于产品开发过程的始终。设计决定了实现产品功能和目标的方案，结构和选材。制造方法以及产品运行，使用和维修方法。设计不合理会导致产品功能不完善，成本提高或可靠性，安全性不好。产品设计上的缺陷造成的先天不足，难以采取制造和使用措施加以弥补。少数情况下，即有可能，损失也大。严重的设计不合理甚至会造成的产品不能用或产品制造不出来，导致产品开发失败。现代机械产品的要求不对传统机械产品高的多，因而在产品开发和改进过程中只有全面深入地运用现代设计理论，方法和技术才能满足社会对现代机械产品愈来愈苛刻的要求，提高其市场竞争能力。关键词：千斤顶，可靠，先进1 起重机械的概述起重机械是一种以间歇作业方式对物料进行起升，下降和水平移动的搬运机械。起重机械的作业通常带有重复循环的性质。一个完整的作业循环一般包括取物、起升、平移、下降、卸载，然后返回原处等环节。经常起动、制动、正向和反向运动是起重机械的基本特点。起重机械广泛用于交通运输业、建筑业、商业和农业等国民经济各部门及人们日常生活中。起重机械由运动机械、承载机构、动力源和控制设备以及安全装备、信号指示装备等组成。起重机的驱动多为电力，也可用内燃机，人力驱动只用于轻小型起重设备或特殊需要的场合。起重机械按结构特征和使用场合分为：轻小型起重设备、桥架型起重机、缆索型起重机、臂架型起重机、堆垛起重机、升降机械。然而，千斤顶又属于起重机械的一种。千斤顶是一种起重高度小(小于1)的最简单的起重设备。它有机械式和液压式两种。机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种。千斤顶按工作原理分为：螺旋千斤顶、齿条千斤顶、油压千斤顶。2 螺旋传动的设计和计算2.1螺旋传动的类型和应用螺旋传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。它具有结构紧凑、转动均匀、准确、平稳、易于自锁等优点，在工业中获得了广泛应用。按照用途不同，螺旋传动分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。传力螺旋以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇性工作，工作速度较低，通常要求具有自锁能力，图1.1的螺旋千斤顶及图1.2的螺旋压力机均为传力螺旋。传导螺旋以传递运动为主，这类螺旋常在较长的时间内连续工作且工作速度较高，传动精度要求较高，如图1.3所示的机床进给机构的螺旋。调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置，一般在空载下工作，要求能自锁，如带传动张紧装置、机床卡盘、轧钢机轧滚下压螺旋等。图1.1螺旋千斤顶图1.2螺旋压力机图1.3传导螺旋按照螺旋副摩擦性质的不同，螺旋传动又可分为滑动摩擦螺旋传动（简称滑动螺旋）、滚动摩擦螺旋传动（简称滚动螺旋）和静压滑动螺旋传动（简称静压螺旋）。滑动螺旋传动应用较广，其特点是结构简单，制造方便，成本低；易于实现自锁；运转平稳。缺点在于当低速或进行运动微调时可能出现爬行现象；摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%50%）；螺纹间有侧向间隙，反向时有空行程；磨损较大。广泛应用于机床的进给、分度、定位等机构，如压力机、千斤顶的传力螺旋等。滚动螺旋也称滚珠丝杠，其特点是摩擦阻力小，传动效率高（90%以上）；运转平稳，低速时不爬行，启动时无抖动；螺旋副经调整和预紧可实现高精度定位精度和重复定位精度；传动具有可逆性，如果运用于禁止逆转的场合，需要加设防逆转机构；不易摩擦，使用寿命长。缺点为结构复杂，制造困难；抗冲击能力差。应用于精密和数控机床、测试机械、仪器的传动和调整螺旋，车辆、飞机上的传动螺旋。滚动螺旋传动特点：传动效率高，传动精度高，起动阻力矩小，传动灵活平稳，工作寿命长。滚动螺旋传动应用于机床、汽车、拖拉机、航空军工等制造业。滚动螺旋传动按滚珠循环方式分为：内循环：滚珠始终和螺杆接触，两个封闭循环回路有两个反向器，三个封闭循环回路有三个反向器。特点：流动性好，效率高，经向尺寸小。外循环：分离，工艺性好，分为螺旋式，插管式，挡珠式静压螺旋传动螺杆与螺母被油膜隔开，不直接接触。具有摩擦阻力小，传动效率高（达99%）；螺母的结构复杂；运转平稳，无爬行现象；传动具有可逆性（不需要时应加设防逆转机构）；反向时无空行程，定位精度高，轴向刚力大；磨损小，寿命长等优点。其缺点为结构复杂，制造较难，需要一套压力稳定，供油系统要求高。应用于精密机床的进给、分度机构的传动螺旋。2.2 螺旋传动的运动关系在螺旋传动中，结构最简单应用最广泛的是滑动螺旋，本节主要介绍这种螺旋传动的设计。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. 一般螺旋机构一般螺旋机构当螺杆转角（rad）时，螺母轴向移动的位移l（mm）为 l=s/2 式1式中，s为螺旋线导程（mm）。如螺杆的转速为（），则螺母移动速度为 式22. 差动螺旋机构与复式螺旋机构图1.4差动螺旋机构图1.4中的螺旋机构中，螺杆1上有a、b两段螺旋，a段螺旋导程为sa（），b段螺旋导程为sb（），两者旋向相同，则当螺杆转角（）时，螺母轴向移动的位移l（）为 l=（sa-sb）/2 式3如螺杆的转速为（），则螺母移动速度为 l=（sa-sb） 式4由式（1-4）可知：当a、b两螺旋的导程sa、sb接近时，螺母可得到微小位移，这种螺旋机构称为差动螺旋机构（又称微动螺旋 机构），常用于分度机构、测微机构等。如两螺旋的旋向相反，螺母轴向移动的位移l为l=（sa-sb）/2 式5移动速度为（sa-sb） 式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，如图1.5所示的车钩快速合拢或分开装置。2.3 滑动螺旋传动的设计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，然后再个、对可能发生的其他失效逐一进行校核。2.4 滑动螺旋的结构及材料1. 滑动螺旋的结构滑动螺旋的结构包括螺杆、螺母的结构形式及其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（丝杠）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旋，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。图1.6为组合螺母的一种结构形式，利用螺钉2可使斜块3将其两侧的螺母挤紧，减小螺纹副的间隙，提高传动精度。传动用螺杆的螺纹一般采用右旋结构，只有在特殊情况下采用左旋螺纹。2. 螺杆与螺母常用材料螺杆和螺母材料应具有较高的耐磨性、足够的强度和良好的工艺性。螺杆与螺母常用材料见表1.2。表1.2 螺杆与螺母常用材料螺纹副材料应用场合螺杆q235 q275 45 50轻载、低速传动。材料不热处理40gr 65mn 20grmnti重载、较高速。材料需经热处理，以提高耐磨性9mn2v grwmn 38grmoal精密传导螺旋传动。材料需经热处理螺母zcusn10p1 zcusn5pb5zn5一般传动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2.5 耐磨性计算耐磨性计算尚无完善的计算方法，目前是通过限制螺纹副接触面上的压强作为计算条件，其校核公式为f/f/d2hz=fp/d2hhp 式7式中，f为轴向工作载荷（n）；a为螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积（mm）；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,锯齿形螺纹高度h=0.75p;z=h/p为螺纹工作圈数，h为螺纹高度(mm)，p为许用压强(mpa)，见表1.7表 1.7 滑动螺旋传动的许用压强p螺纹副材料滑动副速度/(mmin-1)许用压强/mpa钢对青铜低速151825111871012钢-耐磨铸铁61268钢-灰铸铁2.4612131847钢-钢低速7.513淬火钢-青铜6121013注：4。临界载荷fc与螺杆的柔度及材料有关，根据=的大小选用不同的公式计算。当8590时，根据欧拉公式计算，即 式15式中，fc为临界载荷（n）；e为螺杆材料的弹性模量（mpa），对于钢e=2.06105；i为危险截面的惯性矩（mm4），i=，d1为螺杆螺纹内径(mm)；为长度系数，与螺杆端部结构有关，见表1.9；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=。表1.9 长度系数螺杆端部结构两端固定0.5一端固定，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）0.7两端铰支（如传导螺杆）1注：用下列办法确定螺杆端部的支撑情况：采用滑动支承时：lo为支承长度，do为支承孔直径，lo/do3固定。采用滚动支承时：只有径向约束时为铰支；径向和轴向都有约束为固定。当8590时；对b380mpa的碳素钢（如q235、q275）fc=(304-1.12) 式16当8590时，对b470mpa的优质碳素钢（如355、45）fc=(461-2.57) 式17 当40时，无需进行稳定性计算。2.9 自锁性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 式18式中，为螺纹副的当量摩擦系数，见表1.10表1.10 螺旋传动螺旋副的当量摩擦系数（定期润滑）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 千斤顶的工作原理和设计3.1 千斤顶的概述千斤顶是一种起重高度小(小于1)的最简单的起重设备。它有机械式和液压式两种。机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种，由于起重量小，操作费力，一般只用于机械维修工作，在修桥过程中不适用。液压式千斤顶结构紧凑，工作平稳，有自锁作用，故使用广泛。其缺点是起重高度有限，起升速度慢。液压千斤顶分为通用和专用两类。专用液压千斤顶使专用的张拉机具，在制作预应力混凝土构件时，对预应力钢筋施加张力。专用液压千斤顶多为双作用式。常用的有穿心式和锥锚式两种。穿心式千斤顶适用于张拉钢筋束或钢丝束，它主要由张拉缸、顶压缸、顶压活塞及弹簧等部分组成。它的特点是：沿拉伸机轴心有一穿心孔道，钢筋(或钢丝)穿入后由尾部的工具锚固。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。千斤顶是用刚性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在小行程内顶升重物的轻小起重设备。千斤顶按工作原理分为： (1) 螺旋千斤顶：采用螺杆或由螺杆推动的升降套筒作为刚性顶举件的千斤顶。 (2) 齿条千斤顶：采用齿条作为刚性顶举件的千斤顶。 (3) 油压千斤顶：采用柱塞或液压缸作为刚性顶举件的千斤顶。 千斤顶已实施出口产品质量许可制度，未取得和质量许可证的产品不准出口。3.2 千斤顶的种类和规格3.2.1 油压千斤顶的结构、用途89s51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的. 89s51有40条引脚, 与其他51系列单片机引脚是兼容的. 这40条引脚可分为i/o接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分. 89s51单片机为双列直插式封装结构, 如图3.2所示.油压千斤顶按其结构、用途分为如下两种： 立式螺纹连接结构的油压千斤顶，其代号的表征字母为qyl。 立卧两用油压千斤顶，其代号的表征字母为qw。型号表示方法： 第一位为型式代号，qyl、qw。 第二位为额定起重量，t。 第三位为行程代号，g：表示高行程；d：表示低行程；普通型无表示。 油压千斤顶的基本参数应符合表3.1中规定。 表3.1油压千斤顶基本参数 型号 额 定 起 重 量 最 低 高 度 h 起 升 高 度 h1 调 整 高 度 h2 活 塞 直 径 泵 心 直 径 起 升 进 程 手 柄 长 度 公 称 压 力 手 柄 操 作 力 活 塞 杆 压 下 力 净 重 t mm mpa n kg qyl1.6 1.6 158 90 60 24 50 450 34.7 330 220 2.2 qyl3.2 3.2 195 125 30 32 550 44.4 3.5 qyl5g 5 232 160 80 36 12 22 620 48.25 5.0 qyl5d 200 125 22 4.6 qyl8 8 236 160 24 16 700 56.68 6.9 qyl10 10 240 45 14 730 61.68 7.3 qyl12.5 12.5 245 50 12 11 850 62.47 9.3 qyl16 16 250 56 9 63.74 11.0 qyl20 20 280 180 60 9.5 1000 69.33 445 15.0 qyl32 32 285 75 6 71.00 23.0 qyl50 50 300 90 4 77.08 33.5 qyl71 71 320 110 18 3(快进)10 73.27 66.0 qw100 100 360 200 140 4.5 950 63.74 350x2 785 120 qw200 200 400 190 2.5 69.23 250 q320 320 450 240 1.6 69.33 435 注： 起升进程为油泵工作10次的活塞上升量。 使用多节手柄时，手柄操作力不得大于390n。 净重不包括手柄重量，但包括油的重量。 3.2.2 螺旋千斤顶的种类、规格螺旋千斤顶按其结构和使用场所分为： 普通型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为ql。 普通高型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qlg。 普通低型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qld。 钩式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为qlg。 剪式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为qlj。 自落式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为qlz。 型号表示方法： ql 第一位ql：螺旋千斤顶的基本参数应符合表3.2中的规定。 表3.2螺旋千斤顶技术参数 型号 额定起重量gn 最低高度h 起升高度h1 手柄作用力 手柄长度 自重 t mm mm n mm kg qlj0.5 0.5 110 180 120 150 2.5 qlj1 1 3 qlj1.6 1.6 200 200 4.8 ql2 2 170 180 80 300 5 ql3.2 3.2 200 110 100 500 6 qld3.2 3.2 160 50 5 ql5 5 250 130 160 600 7.5 qld5 5 180 65 7 qlg5 5 270 130 11 ql8 8 260 140 200 800 10 ql10 10 280 150 250 800 11 qld10 10 200 75 10 qlg10 10 310 130 15 ql16 16 320 180 400 1000 17 qld16 16 225 90 15 qlg16 16 445 200 19 qlg16 16 370 180 20 ql20 20 325 180 500 1000 18 qlg20 20 445 300 20 ql32 32 395 200 650 1400 27 qld32 32 320 180 24 (qlg36) 36 470 200 710 1400 82 ql50 50 452 250 510 1000 56 qld50 50 330 150 52 (qlz50) 50 700 400 1490 1350 109 ql100 100 455 200 600 1500 86 qld16 16 225 90 400 1000 15 第二位为螺旋千斤顶的型式第三位为额定起重量，t；型式特征代号(普通型无表示)。 3.3 千斤顶的工作原理千斤顶有机械千斤顶和液压千斤顶等几种，原理各有不同。从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，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。螺旋千斤顶是通过往复扳动手柄，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。3.4 千斤顶的设计设计螺旋千斤顶，已知轴向载荷f=10000n，起重高度为l=124mm，方案图3.1所示。图3.1千斤顶结构图1. 选择材料由表1.2选材料为45钢，由手册查=355mpa；螺母材料为zcusn10p1，由表1.3查得p=11mpa；取单头右旋梯形螺纹，=30，=15，整体螺母。2. 耐磨性计算(1) 取=2(2) 计算d2d20.8=0.8=17.06由计算出的d2查手册确定螺纹的标准值为 d=24 mm、d=24.5 mm d1=18.5 mm，d1=19 mm d2（d2）=21.5 p=5 mm(3) 计算螺母高hh=d2=221.5=43mm(4) 计算旋合圈数z z=8.610(5) 校核螺纹副自锁性=arctan=4.23由表1.5查得fv=0.01,v=arctan0.10=5.71,v,满足自锁条件。1） 螺母螺纹牙强度校核由表1.4查得青铜螺母螺纹牙许用弯曲应力=4060mpa、许用剪切应力=3040mpa；梯形螺纹螺纹牙根宽度b=0.65p=0.655=3.25mm；梯形螺纹螺纹牙工作高度h=0.5p=0.55=2.5mm。(1) 弯曲强度校核=10.72 合格(2) 剪切强度校核=4.65 合格2） 螺杆强度校核(1) 由表1.4查得螺杆许用应力=71mpa(2) 螺杆所受转矩t=ftan(+)=10000 tan(4.23+5.71)=18955nmm(3) ca=40.13 合格3. 螺母外部尺寸计算a) 计算d3螺母悬置部分受拉伸和扭转联合作用，为计算简单，将f增大30%，按拉伸强度计算得= 式中，为螺母材料的许用拉伸应力，可取=0.83b，由表1.4取b=50mpa，因此=0.83b=41.5mpa。故 d3=31.5mm取d3=35 mmb) 确定d0和a按经验公式d0=（1.31.4）d3及a=确定。d0=（1.31.4）35=45.549mm 取d0=48 mma=14.3 取a=15 mmc) 校核凸缘支承表面的挤压强度，强度条件为p=p 合格d) 校核凸缘根部弯曲强度p=7.88 mpab=50 mpa 合格e) 校核凸缘根部剪切强度，强度条件为=式中，螺母材料的许用切应力=35mpa 故 =6 mpa 合格4. 手柄设计计算拖杯与手柄的结构a) 确定手柄长度手柄上的工作转矩为t=fhlh=t1+t2=式中，t1、t2分别为螺纹副摩擦力矩及拖杯与接触面摩擦力矩（nmm）；fc=0.15为拖杯与支承面的摩擦系数；d0为托杯底座与支承面接触部分外径（mm），由经验公式d0=（1.61.8）d确定，取d0=45mm；d0为托杯底座与支承面接触部分内径（mm），取d0=18mm,fh为手作用在手柄上的力（n）,如一人连续工作，手作用力通常取fh=150200n,取fh=180n；lh为手柄有效长度（mm）。故 180 lh= 得 lh=246 mm 取lh=350 mmb) 确定手柄直径dk选手柄材料为45钢，s=355mpa,许用弯曲应力=237178 mpa，取b=200 mpa。手柄的弯曲强度条件为b=因此，dk=147.75mm, dk =20mm。托杯其他部分尺寸为托杯高h=(0.81)do=3645mm 取h=36 mm铰支头高h1=(1.82) dk =3640mm 取h1=36mm5. 螺杆稳定性校核(1) 计算柔度=螺杆一端固定，一端自由，长度系数=2；螺杆最大受力长度l由起重高度l、螺母高h、铰支头高h1及螺杆轴向预留余量决定，因l=l+h+h1+=124+43+36+12=215mm；螺杆危险截面惯性半径i=4.625mm 。 =92.97(2) 计算临界载荷i=5749.9mm4因为=92.978590，因此fc=63161.13n =6.3s=4 合格3.5 千斤顶的装配图根据千斤顶的轴测图和零件图（图3.2（a）绘制其装配图。图3.2（a）千斤顶的轴测图 (1) 分析首先要了解千斤顶的工作原理：千斤顶是利用螺旋传动来顶举重物的一种起重或顶压工具，常用于汽车修理及机械安装中。工作时，重物压于顶垫之上，将绞杠穿入螺旋杆上部的孔中，旋动绞杠，螺旋杆在螺套中靠螺纹做上、下移动，从而顶起或放下重物。螺套镶在底座里，用螺钉定位，磨损后便于更换。顶垫套在螺旋杆顶部，其球面形成传递承重之配合面，由螺钉锁定，使顶垫相对螺旋杆旋转而不脱落。由工作原理可知，千斤顶的装配主干线是螺旋杆，为了清楚的表达千斤顶的内外部装配结构，应选如图3.2（b）所示全剖视的工作位置为主视图。在主视图上，千斤顶的7个零件所处的位置及装配关系、各零件的主要形状均已表达清楚，只有螺旋杆上与绞杠配合的孔没有表达充分，故采用拆去绞杠零件，沿螺旋杆上部孔的轴线剖开的aa断面图表达清楚。在千斤顶装配图上，应标注螺套与底座的配合尺寸60h 8/j 7和外形尺寸150、300、230.5278.5。(2) 画图选定绘图比例和图幅后布置视图，先确定各视图的位置，画出主要轴线、中心线及基准线。然后开始画底图，按照“先主后次”的原则，沿装配轴线按装配关系依次画出底座螺套螺旋杆绞杠顶垫等零件。底图完成后，检查加深图线，还要进行尺寸标注，编注零件序号，填写明细栏、标题栏等，完成全图，如下图3.2（b）所示。图3.2（c）千斤顶 4 千斤顶三维实体的绘制4.1 千斤顶的三维零件图绘制