课程设计螺旋千斤顶.doc

课程设计 齐齐哈尔大学论文题目：附 图：结 果设计要求：设计一个人力驱动的螺旋千斤顶，示意图如下：一、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。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。二、螺旋传动的设计和计算1、螺旋传动的应用和类型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。（1）按螺杆与螺母的相对运动方式，螺旋传动可以有以下四种运动方式：螺母固定不动，如图螺杆转动并往复移动，这种结构以固定螺母为主要支承，结构简单，但占据空间大。常用于螺旋压力机、螺旋千斤顶等。螺母转动，如图螺杆做直线移动，螺杆应设防转机构，螺母转动要设置轴承均使结构复杂，且螺杆行程占据尺寸故应用较少。螺母旋转并沿直线移动，如图由于螺杆固定不动，因而二端支承结构较简单，但精度不高。有些钻床工作台采用了这种方式。螺杆转动，如图螺母做直线运动，这种运动方式占据空间尺寸小，适用于长行程螺杆。螺杆两端的轴承和螺母防转机构使其结构较复杂。车床丝杠、刀架移动机构多采用这种运动方式。本次设计的螺旋千斤顶是运用了上图（a）的运动方式，即螺母固定不动。（2）按照用途不同，螺旋传动分为三种类型。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。如图：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：调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置，一般不经常转动，要求能自锁，有时也要求很高精度，如带传动张紧装置、机床卡盘和精密仪表微调机构的螺旋等。本次设计的螺旋千斤顶就是运用了传力螺旋这种传动类型。2、螺旋传动的计算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）。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3.1）则式中S为螺旋线导程（mm）。如果螺杆的转速为n(r/min)时，则螺母移动速度v(mm/s)为:V=Sn/60 （式3.2） （2）差动螺旋机构与复式螺旋机构的计算1-机架 2-螺杆 3-螺母 4-导向杆图3.4 差动螺旋机构上图的螺旋机构中，螺杆1上有A、B两段螺旋，A段螺旋导程为SA（mm），B段螺旋导程为SB（mm），两者旋向相同，则当螺杆转角（rad）时，螺母轴向移动的位移L（mm）为： L=（SA-SB）/2 （式3.3） 如果螺杆的转速为n(r/min)时，则螺母移动速度v(mm/s)为： L=（SA-SB）n/60 （式3.4）由上式可知：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。如果两螺旋的旋向相反，则螺母轴向移动的位移L为：L=（SA-SB）/2 （式3.5）移动速度为： V（SA-SB）n/60 （式3.6）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。3、螺旋传动的设计和选材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。利用螺钉可使斜块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。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。表3.1 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4、螺旋机构耐磨性的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：PP （式3.7）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)。表3.2 滑动螺旋传动的许用压强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。8、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0.080.100.100.120.120.150.110.170.060.08三、千斤顶的工作原理和设计1、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。 2、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；螺母材料锡青铜为ZCuSn10P1，由表1.3查得p=11Mpa；取单头右旋梯形螺纹，=30，=15，螺母为整体螺母。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；梯形螺纹的螺纹牙根宽度b=0.65P=0.655=3.25mm；梯形螺纹的螺纹牙工作高度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=3645m