螺旋千斤顶的设计及运动仿真

螺旋千斤顶的设计及运动仿真 1 1 绪论 1.1 本课题的研究内容 和 意义 千斤顶是一个在我们平时的生活生产中，经常会使用到的设备。它能够辅助我们完成一些单使用人力很难以完成的工作比如抬起轿车进行维修，移动笨重的设备物品，架设桥梁大墩等等一些列工作。 因此千斤顶技术的发展将直接或间接影响到这些行业或部门的正常运作和未来的发展。本次对螺旋千斤顶的结构分析与设计是为了更深入地了解千斤顶的原理与应用。通过查阅大量文献资料，设计和绘制千斤顶各部件图零件图，不仅熟悉了手驱动螺旋千斤顶的工作原理和过程，让我也熟悉和强化了一些绘图软件的使用，同时也加深了对 机械基础知识的了解。 无锡太湖学院学士学位论文 2 1.2 国内外的发展概况 国外发展情况：早在 20世纪 40年代，卧式千斤顶就开始在汽车维修的行业中得到使用，当由于当时技术和使用的原因，千斤顶设计时尺寸和体积较大，承载量较低，使用不便。后来随着社会需求量的加大以及千斤顶本身技术的发展，在 90年代初，国外大部分用户用卧式千斤顶顶取代了立式千斤顶 1。在 90年代后期一些新型的千斤顶也相继出现如充气式千斤顶和便携式千斤顶。 充气千斤顶由保加利亚一汽车运输研究所发明的，它由弹性的而又非常坚固的橡胶制成的。使用时，用软管将千斤顶连在汽车的排气 管上，经过 1520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。 Power-Riser型便携式液压千斤顶则可以用于所有类型的铁道车辆，包括装运三层汽车的货车、联运车以及高车顶车辆。同时它具有一个将负载定位的机械锁定环，一个三维机械手，一个全封闭构架以及一个用于防止杂质进入液压系统的外置过滤器。另外一种名为 Tcuck Jack的便携式液压千斤顶则可以用于对已断裂的货车转向架弹簧进行快速的现场维修。该千斤顶能在现场从侧面对装有 70125t级转向架的大多数卸载货车进行维修， 并能完全由转向架侧架支撑住。它适用于车间或轨道上无需使用钢轨道碴或轨枕作支承的情况。 国内发展情况： 我国千斤顶技术发展较晚，由于缺少与国外先进技术的交流，所以直到 1979年才接触到类似国外卧式千斤顶这样的产品。但是经过我们重新对产品进行设 计改造，在外型美观、使用方便、承载量大、寿命长等方面都已经超过国外同类的产品 并且迅速打入欧美市场。经过多年设计与制造的实践，除了卧式千斤顶以外，我国的千斤顶还规格齐全，还研制出了新型折叠式液压千斤顶、新型剪式千斤顶、快速升降千斤顶、多用千斤顶、便携式电动千斤顶等等，形成系列 产品。随着我国汽车工业的快速发展，汽车对千斤顶的要求也越来越高；同时随着市场竞争的加剧，用户要求的不断变化，将迫使千斤顶的设计质量要不断提高，以适应用户的需求。用户喜欢的、市场需要的千斤顶将不仅要求重量轻，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。目前我国的汽配企业不仅需要供应国内市场的需要，每年还出口约 500万台汽车用千斤顶到世界各地。虽然如此，仔细分析千斤顶设计制造的技术水平，采用先进技术不足，仍存在较大的改进空间 2。 1.3 本课题应达到的要求 (1)了 解螺旋千斤顶的研究现状，以及螺旋千斤顶在国内外的使用情况，以及存在的一些问题。 (2)了解螺旋千斤顶的组成以及螺旋千斤顶的详细构造、各个零件的尺寸功能以及组装方法，工作原理。 (3)进行螺旋千斤顶的结构设计与计算。并使用 CAD 对千斤顶各部分零件进行绘制装配。 (4)使用 PRO/E 对螺旋千斤顶进行仿真分析。 (5)熟悉千斤顶的工作原理和使用方法，了解千斤顶各零部件的结构特点，提高自己独螺旋千斤顶的设计及运动仿真 3 立开发与设计的能力，学习设计的基本思路。 无锡太湖学院学士学位论文 4 2 螺旋千斤顶 的概述和 设计要求 千斤顶又叫举重器、顶重机、顶升机等，是一种用比较小的 力就能把重物顶升、下降或移位的简单起重机具，也可用来校正设备安装的偏差和构件的变形等。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。随着现在家用汽车的越来越普及，带动了一批与家用车相关的行业，家用车的售后维修就是其中之一，而家用车的维修中，千斤顶又是必备的工具之一。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，千斤顶的顶升高度一般为 400mm，顶升速度一般为 10-35mm/min，起重能力最大可 达 500t。 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。 设计时某些零件的主要尺寸是通过理论计算确定的，其它结构尺寸则是根据经验公式或制造工艺决定的，必要时进行强度验算， 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。 螺旋式千斤顶分为：固定式螺旋式千斤顶、 LQ 型固定式螺旋千斤顶和移动式螺旋千斤顶三大类。（ 1）固定螺旋式千斤顶有普通式和棘轮式两种，在作业时，未卸载之前不能作平面移动；（ 2） LQ 型固定螺旋式千斤 顶结构紧凑、轻巧，使用方便。它有棘轮组、大小锥齿轮、升降套筒、锯齿形螺杆、主架等组成；当往复搬动手柄时，撑牙推动棘轮组间歇回转，小锥齿轮带动大锥齿轮，使锯齿形螺杆旋转，从而使升降套筒上升或下降。由于推力轴承转动灵活，摩擦力小，因而操作灵敏，工作效率高。（ 3）移动式螺旋千斤顶是一种在顶升过程中可以移动的千斤顶，在作业时，它的移动主要是靠其底部的水平螺杆转动，从而使顶起或下降的重物连同千斤顶一同做水平移动。因此，移动式螺旋千斤顶在设备安装施工中用来就位便很使用。 螺旋千斤顶是利用螺旋传动来顶举重物， 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， 是汽车修理和机械安装常用的一种起重或顶压工具，但顶举的高度不能太高。工作中，手柄穿在螺旋杆顶部的孔中，旋动手柄，螺旋杆在螺套中靠螺纹上、下移动，顶垫上的重物随着螺杆的上升而顶起。螺套镶在底座里，用螺钉定位，磨损后便于更换修配，在螺杆的球面型顶部，套一个顶垫，靠螺钉和螺旋杆联接而不固定，使顶垫相对螺杆滑动而不掉落。 螺旋千斤顶按其结构和使用场所分为： （ 1） 普通型螺旋千斤顶，其 代号的表征字母为 ql。 （ 2） 普通高型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为 qlg。 （ 3） 普通低型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为 qld。 （ 4） 钩式螺旋千斤顶 ,其代号的表征字母为 qlg。 （ 5） 剪式螺旋千斤顶 ,其代号的表征字母为 qlj。 （ 6） 自落式螺旋千斤顶 ,其代号的表征字母为 qlz3。 螺旋千斤顶的设计及运动仿真 5 按螺杆与螺母相对运动方式，螺旋传动有以下四种方式，如图 2.1。 （ 1）螺母不动。如图 2.1（ a），螺杆转动并且往复运动，这种结构以固定螺母为主要支撑，结构简单，但占据空间大。 （ 2）螺母转动。 如图 2.1（ b），螺杆做支线运动，螺杆应做防转机构，螺母转动要设置轴承，结构较为复杂。 （ 3）螺母转动并沿直线运动。如图 2.1（ c），螺杆固定不动，结构较为简单，但是精度不高。 （ 4）螺杆转动。如图 2.1（ d），螺母做往复运动，这种方式运动占据空间小，但是结构较为复杂。 图 2.1 螺旋传动方式 本次设计使用的是如图（ a）的第一类结构 ，螺旋千斤顶的最大起重重量 F=65KN，最大起升高度 H=240mm。 无锡太湖学院学士学位论文 6 3 螺旋千斤顶各部分的设计与计算 3.1 螺杆的计算 3.1.1 螺 杆螺纹类型的选择 螺纹有三角形、矩形、梯形、锯齿形，常用的是梯形螺纹。梯形螺纹牙型是等腰梯形，牙型角 =30，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴近不易松动，能够起到传动作用。故选梯形螺纹，它的基本型号按 GB/T5796.1-2005 的规定。 3.1.2 选取螺杆材料 螺杆材料常用 Q235、 Q275、 40 钢、 45 钢、 55 钢等。螺杆承受重载，可初选螺杆的材料为 45 钢。最后根据强度条件来验证确定最终材料。由参考文献 1表 3-1 查得抗拉强度 MPab 600 ，屈服强度 MPas 355 。 3.1.3 螺杆的直径 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联接的计算公式求得螺纹小径，即 1 PFd （ 3.1） 许用应力 (3 5)s （ 3.2） 由参考文献 1表 3-2 得 223 1 5 , 5 3 0sBN m m N m m 2315 1 0 5 6 3( 3 5 ) ( 3 5 )s N m m 取 80Mpa 则 314 1 . 3 6 5 1 0 3 6 . 6 880d m m 选梯形螺纹 48 8Tr 螺纹大径 48d mm ， 1 4 8 1 4 9D d m m 螺 纹中径 22 4 4 8 4 4 4d D d m m 螺纹小径 mmdd 3994891 1 8 4 8 8 4 0D d m m 螺距 8p mm 螺纹根部厚度 1 0 . 6 3 4 0 . 6 3 4 8 5 . 0 7 2t p m m 螺旋千斤顶的设计及运动仿真 7 螺纹工作高度 mmh=0.5p=0.5 8=4 较核螺杆强度 螺纹力矩 21 t a n ( ) 2v dTF （ 3.3） 螺纹升角 )arctan( 2dnp （ 3.4） 218a r c t a n ( ) a r c t a n ( ) 3 . 3 144np d 由参考文献 1表 3-6 0.18 (钢与铸铁的滑动摩擦系数无润滑 ) 当量摩擦角 0 . 1 8a r c t a n a r c t a n 1 0 . 5 5c o s c o s 1 5v 351 446 5 1 0 t a n ( 3 . 3 1 1 0 . 5 5 ) 3 . 5 3 1 02T N m m 按第四强度 理论较核， 螺杆危险截面强度校核公式为 22 3 ca （ 3.5） 22123114 3 0 . 2caTFdd 2235234 6 5 1 0 3 . 5 3 1 03 7 4 . 9 6 8 03 9 0 . 2 3 9ca M p a M p a 满足要求。 图 3.1 螺杆受力图 根据数据画出螺杆受力简图，根据螺杆受力图 3.1 可知，螺杆工作时主要承受转矩及轴向压力的作用，因此需要进行螺杆强度计算，此外还要进行自锁性计算。 无锡太湖学院学士学位论文 8 3.1.4 自锁性验算 自锁条件v 其中 3.31 故 v，可用，且 4 4 30 ，可靠。 3.1.5 螺杆结构 螺杆上端直径 ( 1 . 7 1 . 9 ) ( 1 . 7 1 . 9 ) 4 8 8 1 . 6 9 1 . 2d m m 2D 取 85mm2D 手柄孔径 ( 0 . 5 1 )kpdd 式中： 35pd mm 则 3 5 ( 0 . 5 1 ) 3 5 . 5 3 6kd m m 取 36kd mm ( 0 . 6 0 . 7 ) ( 0 . 6 0 . 7 ) 4 8 2 8 . 8 3 3 . 6d d m m ，取 30d mm 退刀槽直径 1 ( 0 . 2 0 . 5 ) 3 9 ( 0 . 2 0 . 5 ) 3 8 . 8 3 8 . 5d m m cd 取 38.6cd mm 退刀槽宽度 mmpb 1285.15.1 螺杆膨大部分长度 mmdl 8.762.6748)6.14.1()6.14.1( 取 70l mm 12 ( 3 4 ) 1 3 ( 3 4 ) 1 6 1 7h h m m ，取1 16h mm 螺杆长度 mmhlHHl 46616701402401 3.1.6 稳定性计算 细长的螺杆工作时受到较大的轴向压力，螺杆可能失稳，为此按下式演算螺杆的稳定性。 2 .5 4 .0crFF （ 3.6） 螺旋千斤顶的设计及运动仿真 9 式中，crF为螺杆的临界压力。 22()crEIFL。弹性模量 52 .0 1 0E M p a 4 4 541 39 1 . 1 1 06 4 6 4dI m m 5 (1 . 4 1 . 6 )L H p d 2 4 0 5 8 (1 . 4 1 . 6 ) 4 8 3 4 7 . 2 3 5 6 . 8 mm ，取 350L mm 。 由 0 0 2 1 4 0 4 4 3 . 1 8 3l d d H，为固定支承， 2 （一端固定，一端自由） 2 5 5 522 . 0 1 0 1 . 1 1 0 4 . 5 7 1 0( 2 3 5 0 )crFN 534 . 5 7 1 0 6 5 1 0 7 . 0 3 2 . 5crFF ，螺杆可以稳定工作。 3.2 螺母的设计计算 3.2.1 螺母的材料 螺母的材料选用 HT300。 3.2.2 确定螺纹旋合圈数 根据耐磨性旋合圈数 z，即 2 FPppd h H （ 3.7） 2 Fz d h p （ 3.8） 由参考文献 1表 6-1 mnNp /15 2 36 5 1 0 7 . 8 44 4 1 5 4z 螺母实际圈数 1 . 5 7 . 8 4 1 . 5 9 . 3 4zz 1 0 , 1 . 5 8 . 5z z z 取 则 螺母旋合长度 1 0 8 8 0H z p m m 校核螺母的高径比 8 0 4 4 1 . 8 2 2= H d 由参考文献 1表 6-1， 2 . 5 3 . 5 兼 做 支 承 的 螺 母，不能满足要求。故要重新确定螺母的无锡太湖学院学士学位论文 10 高度。 3.2 取 ，则2 3 . 2 4 4 1 4 0 . 8H d m m 取 140H mm 3.2.3 校核螺母的螺牙强度 (1）剪切强度 由参考文献 1表 6-1 2 4 0 N m m 3 2216 5 1 0 9 . 8 4 04 9 5 . 0 7 2 8 . 5 N m m N m mD t z F 故满足要求。 (2）弯曲强度 213 bbFhD t z （ 3.9） 式中 mmh=4 由参考文献 1表 6-1 2 4 5 5 5b N m m 3 223 6 5 1 0 4 2 3 . 2 4 9 5 . 0 7 2 8 . 5bb N m m 故满足要求。 3.2.4 螺母其它结构尺寸 (1)螺母外径 MMDD 2.884.7849)8.16.1()8.16.1( 取 80D mm (2)螺母凸缘厚度 1 ( 1 . 3 1 . 4 ) ( 1 . 3 1 . 4 ) 8 0 1 0 4 1 1 2D D m m 取 1 106D mm (3)螺母 凸缘厚度 80 2 6 . 6 73 mmHa= 3 取 25a mm 3.2.5 螺母外径和凸缘强度的计算及螺母悬置部分校核 （ 1）螺母外径 2 2( 1 . 2 1 . 3 ) 1 ()4FDD （ 3.10） 式中：螺母的许用拉应力 0 .8 3 b 螺母材料的许用弯曲应力 b， 2 4 5 5 5b N m m 螺旋千斤顶的设计及运动仿真 11 0 . 8 3 0 . 8 3 4 5 5 5 3 7 . 3 5 4 5 . 6 5b M p a 3 2 2 2 2(1 . 2 1 . 3 ) (1 . 2 1 . 3 ) 6 5 1 011( ) ( 8 0 4 9 )44FDD 2 4 . 8 2 6 . 9 M p a 安全。 （ 2）凸缘与底座接触部分的挤压强度计算 2 211()4ppFDD （ 3.11） ( 1 . 5 1 . 7 ) ( 1 . 5 1 . 7 ) ( 4 5 5 5 ) 6 7 . 5 9 3 . 5pb M p a 3226 5 1 0 1 7 . 11 (1 0 6 8 0 )4p M p a pp ，安全 螺母上固定螺钉用 GB/T 71 M12 （ 3）凸缘根部的弯曲强度计算 121 . 5 ( ) bbF D DDa （ 3.12） 321 . 5 6 5 1 0 (1 0 6 8 0 ) 1 6 . 1 58 0 2 5b M p a bb ，安全。 图 3.2 螺母简 图 根据所得数据，画出螺母简图如图 3.2。 无锡太湖学院学士学位论文 12 3.3 托杯的设计计算 3.3.1 验算接触面间的压力强度 螺旋千斤顶起重时，因托杯底与螺杆接触面间相对滑动，所以要验算接触面间的压力强度， 22451()4FppDD （ 3.13） 直径42 ( 2 4 ) 8 5 ( 2 4 ) 8 3 8 1D D m m 4 82D mm取 直径 5 ( 1 2 ) 3 0 ( 1 2 ) 3 1 3 2D d m m 5 31D mm取 则 322 2 2 2456 5 1 0 1 4 . 411( ) ( 8 2 3 1 )44Fp N m mDD 2 1 8p N m m （托杯材料 Q235） , pp ,故安全 3.3.2 托杯的外口径 3 ( 2 . 4 2 . 5 ) ( 2 . 4 2 . 5 ) 4 8 1 1 5 . 2 1 2 0D d m m 3 118D m m取 图 3.3 托杯简图 根据数据，作出托杯简图如图 3.3。 3.4 手 柄的设计计算 螺旋千斤顶的设计及运动仿真 13 3.4.1 手柄材料 手柄的材料选取 Q235。 3.4.2 手柄长度 1）作用于手柄上的力矩12TTPT=KL，从而可得 12P TTL K 2） K 为搬动手柄的臂力，起取值为 K = 1 5 0 2 5 0 N，取 K=200N 3）螺纹力矩 521 t a n ( ) 3 . 5 3 1 02v dT F N m m 摩擦力矩 32 4 511( ) ( 8 2 3 1 ) 0 . 0 7 6 5 1 044T D D F 51 .2 8 1 0 N m m 2 mT r F 4533452245( ) 4 ,13mD D C Cr DDDD （ p 为 常 数 ）（ p=C ） 4）手柄长度 5512 3 . 5 3 1 0 1 . 2 8 1 0 2405200P TTL m mK 1500PL m m取 5）手柄的实际长度 2 85( 5 0 1 5 0 ) 1 5 0 0 ( 5 0 1 5 0 )22P DLL 1 5 9 2 . 5 1 6 9 2 . 5 mm mm取 L=800 。 3.4.3 手柄直径 按弯曲强度设计 3 0 . 1PKLbbPd （ 3.14） 则3 0 . 1 PKL Pbd （ 3.15）