椭圆规设计与制造 椭圆规的设计开题报告【含CAD图纸和说明书、三维模型】
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含CAD图纸和说明书、三维模型
椭圆规设计与制造
椭圆规的设计开题报告【含CAD图纸和说明书、三维模型】
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附件4 毕业设计（论文）任务书指导教师姓名 毕业设计（论文）题目椭圆规设计与制造职称工程师题目类型理工类工程设计 科学实验 软件开发 理论研究 综合经管文理论性研究 应用性研究 应用软件设计 调查报告选题学生1、 题目简介：（含来源、目的、意义）对于机械专业类的学生和从事机械工作的人员来说，绘图是必不可少的经常性工作。对于一般的直线、圆弧或圆，利用直尺、圆规即可很方便地绘制，但在绘制椭圆的时候，一般的作法是利用“四弧连接原理”借助圆规绘制、甚至徒手绘图，可以近似绘制出来，但毕竟是近似的，不光滑，又费时。如果有椭圆绘图仪，就可以方便地进行椭圆绘制，而且光滑美观。于是椭圆规的设计制作应运而生。椭圆规机构具有制作简单,使用方便,画出来的椭圆精确等特点，非常适合椭圆类图纸的绘制。通过本次设计，让学生掌握查阅参考文献，综合运用四年所学知识、理论联系实际、按照国家标准、掌握和熟练应用绘图软件、力学分析等，独立完成该设计。培养学生独立思考、独立解决实际问题的能力，为以后工作奠定坚实基础。二、主要任务：（有实验环节的要提出主要技术指标要求）在椭圆规的设计与制造过程中，需要完成以下几个方面的任务：1.收集资料，阅读文献，提出设计思路，确定设计方案；2.椭圆方程的计算，椭圆规的底槽设计，椭圆规的连杆设计，椭圆规的制作；3.椭圆规装配图及主要零件图（2张）；4.按照规范撰写设计说明书。合理选择工件所需要的材质及工件的结构工艺性，优化椭圆规相关参数，提高其绘图精度和效率。三、主要内容与基本要求：（有实验环节的要提出主要技术指标要求）主要内容：1.查阅文献，整理思路，确定椭圆规设计方案；2.椭圆规结构设计与计算；3.绘制装配图及零件图（2张）；4.椭圆规实物制作。 基本要求： 1.椭圆规装配图； 2.椭圆规主要零件的零件图； 3.椭圆规实物制作； 4.按时完成题目要求的内容和工作量，撰写设计说明书。 四、计划进度：（包括时间划分和各阶段主要工作内容，按周次填写）第七学期：第1112周：公布导师名单和题目，准备设计题目有关资料，组织学生选题。第1314周：下达、检查、督促任务书落实情况。让学生明确任务、查阅和收集资料、了解课题、制订毕业论文工作计划。第1619周：检查，修改、验收学生的开题报告。学生应通过查找和翻译资料、分析资料，拟定椭圆规的设计思路、方法及途径；除此而外，按照题目要求，完成撰写开题报告。第八学期：第17周：指导学生完成论文的初稿撰写（对照题目要求，包括中英文摘要、目录、绪论、正文、结论、致谢、参考文献、附件）。第8周：毕业设计中期检查，加强论文创作的过程管理，督促学生至少完成毕业设计全部内容的一半以上（包括椭圆规的论文初稿、装配图、完成实物）。第910周：检查学生论文定稿情况。要求最后一次修改，完成定稿。第1112周：交叉审阅论文，写评语。要求学生按照规范打印论文，送指导教师审阅。之后，完善图纸和论文；准备答辩PPT。第13周：组织学生参加答辩。推荐优秀论文，收集整理相关资料。第14周：推荐优秀论文，归档资料。 五、主要参考文献：(要写清参考文献名称、作者、出版社、出版时间)【1】. 陆玉.机械设计课程设计.北京: 机械工业出版社,2000.5. 【2】. 吕烨.机械工程材料.北京：高等教育出版社，2000. 【3】. 邹慧君.机械原理课程设计手册.北京：高等教育出版社，2000.9.【4】. 王春燕，陆凤仪.机械原理.北京：机械工业出版社，2000. 【5】. 濮良贵，纪名刚.机械设计. 北京：高等教育出版社，2006. 【6】. 尚文浩.自动机械设计.北京：中国轻工业出版社，2003.5.【7】. 孟宪源.现代机构手册.北京：机械工业出版社，1994.6. 【8】. 吴宗泽，罗圣国. 机械设计课程设计手册. 北京：高等教育出版社，1999.【9】. 消智清.机械制造基础.北京：机械工业出版社，2005.1. 【10】.吴宗泽.机械结构设计. 北京：机械工业出版社，1988. 【11】.Aguilar R J,Systems Analysis and DesignM.Englewood; CliffN.J.197312Thomas peters.Tolerance fitting and technology of measuring.Publishing house of the mechanical industry 1999.1【12】.Thring,M.W.,Laithwaith,E.R.,How to Invent.The Macmillan press ltd,1977.5、 工作量要求 查阅文献资料不少于12篇，其中外文资料不少于2篇；论文不少于8000字。查阅资料，完成椭圆规的方案设计、传动设计；制图要符合国家标准；所有设计环节必须要有理论计算作为依据。要求完成椭圆规二维装配图、二维零件图（2张）、制作实物。论文撰写符合学校规范，查重率合格。指导教师（签名）： 年 月 日学 生 （签名）：年 月 日学术团队意见： 学术团队负责人： 年 月 日注：本表一式三份。一份交教学单位存档，一份交学生，一份指导教师自留。本科毕业设计(论文)开题报告题目： 椭圆规设计及制造院 系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学 号： 姓 名： 指导教师： 年 12月开题报告填写要求1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业学术团队审查后生效。2.开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师签署意见。3.开题报告字数应在1500字以上，参考文献应不少于12篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少2篇，汉语国际教育专业不做硬性要求），文中引用参考文献处应标出文献序号，“参考文献”应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写。4.指导教师意见和所在教学单位意见用黑墨水笔书写，并亲笔签名。5.年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2010年11月26日”或“2010.11.26”。1.毕业设计（论文）题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。题目背景：椭圆规属于一种画椭圆的工具，适用于教学、工程制图、工程制造以及需要画椭圆的地方。只要已知椭圆的长轴、短轴、焦距三个量中的两个量，即可准确画出具有准确焦点位置的椭圆。现代机械设计中，为了适应日益激烈的市场竞争，公司为了快速地占领市场，实现企业效益，必须要使用快速的设计方法。现代公司机械设计过程中，很多都使用三维软件进行设计，并进行调试，使设计出的椭圆规机构结构简单，转动灵活，方便，减少设计周期，降低设计成本。研究意义: 一直以来，对于机械专业类的学生和岗位来说，绘图是必不可少的经常性工作。对于一般的直线、圆弧或圆，利用直尺、圆规即可马上绘制，但在绘制椭圆的时候，一般的作法是利用“四弧连接原理”，借助圆规绘制、甚至徒手绘图，可以近似画出来，但毕竟最近似的也不光滑而且难看又费时。如果有椭圆绘图仪，就可以方便地进行椭圆绘制，而且光滑好看。于是便产生了椭圆规的构思和设想，椭圆规在我们的日常生活中扮演着重要的角色，绘图精致美观。椭圆规机构具有制作简单,使用方便,画出来的椭圆精确等特点，非常适合椭圆类图纸的绘制。本课题应用性强，知识面覆盖较广，并且来自生活，所以容易激发研究兴趣，产品使用前景广阔。国内外研究情况:椭圆规有着广泛的应用,但其作图颇为繁琐,且不易准确.多年来国内外有不少人从事这方面的探讨和研究。本设计实用新型具有制作简单、使用方便、画出来的椭圆精确、应用领域广等特点。 椭圆规机构的设计制作涉及原理设计、结构设计及机械加工制造等多方面专业知识，通过对常用结构件或装置的分析，可以检验学生对本专业相关基础专业知识掌握情况，学会理论联系实际，提高综合知识应用能力，通过独立完成设计内容，为未来就业打下一定基础。椭圆规机构的设计主要是其零部件的设计制作，所制作零件应符合造价低廉、设计及制作简易等条件，以便适用于设计绘图等作业。 2.本课题的主要内容和拟采用的研究方法或措施。主要内容和思路：1、考虑到椭圆规的应用，计算椭圆上各点的方程及椭圆的离心率； 2、以动力学和运动学的理论知识为依据，本设计决定采用连杆的连接方式完成椭圆规的设计，所设计的连杆机构能够画出不同离心率的椭圆； 3、考虑到连杆的设计方式为连杆机构，支架的设计必须满足连杆连接的基本需求； 4、专业基础知识、机械制图、机械设计等的相关知识、绘制出国家标准规定的图纸并完成总装配图1张，关键零件图若干张；5、椭圆规零部件制作及组装。主要研究方法：1、到图书馆或网上查阅相关资料，确定设计方案；2、总结动力学和运动学的理论知识计算；3、整体设计椭圆规的装配图及零件图；4、按图加工实物，实测绘图效果。 主要 3.预期成果形式。1、绘制椭圆规二维装配图及主要零部件图，不少于三张，需有一张手绘图；2、完成椭圆规实物的制作； 3、撰写毕业论文，不少于8000字；4、制作毕业答辩的PPT。4.本课题的重点及难点,前期已开展的工作。本课题重点及难点：1.熟悉椭圆规的工作原理，整理设计思路，确定设计方案；2.材料结构参数的选择与计算；3.椭圆规装配图和零件图。目前开展的工作：阅读文献资料，整理思路，确定椭圆规的设计方案。主要参考文献：【1】. 陆玉.机械设计课程设计.北京: 机械工业出版社,2000.5. 【2】. 吕烨.机械工程材料.北京：高等教育出版社，2000. 【3】. 邹慧君.机械原理课程设计手册.北京：高等教育出版社，2000.9.【4】. 王春燕，陆凤仪.机械原理.北京：机械工业出版社，2000. 【5】. 濮良贵，纪名刚.机械设计. 北京：高等教育出版社，2006. 【6】. 尚文浩.自动机械设计.北京：中国轻工业出版社，2003.5.【7】. 孟宪源.现代机构手册.北京：机械工业出版社，1994.6. 【8】. 吴宗泽，罗圣国. 机械设计课程设计手册. 北京：高等教育出版社，1999.【9】. 消智清.机械制造基础.北京：机械工业出版社，2005.1. 【10】.吴宗泽.机械结构设计. 北京：机械工业出版社，1988. 【11】.Aguilar R J,Systems Analysis and DesignM.Englewood; CliffN.J.197312Thomas peters.Tolerance fitting and technology of measuring.Publishing house of the mechanical industry 1999.1【12】.Thring,M.W.,Laithwaith,E.R.,How to Invent.The Macmillan press ltd,1977.5.指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）。 指导教师： 年 年 月 日6.学术团队审查意见： 学术团队负责人： 年 月 日- 5 -摘 要本设计主要是对电动螺旋千斤顶的结构设计，在原有手动螺旋千斤顶的基础上，通过对螺旋千斤顶了解和学习，选择对其进行改进，设计出一套蜗轮蜗杆机构，利用电机带动蜗杆，蜗杆蜗轮传动带动丝杠运转，由丝杠螺母形成的滑动螺旋副运动将重物顶起，既发挥了螺旋副的自锁性的优点又可改善劳动条件。同时提高了市场的竞争能力。本设计根据承受载荷，设计出丝杠传动机构，根据丝杠传动的工作速度与螺杆所承受的扭矩，来设计蜗杆和蜗轮传动机构，得出蜗杆传动扭矩来进行电机的选型，并使用Pro/ENGINEER 5.0和AutoCAD三维建模软件，设计零件并进行装配。用SolidWorks进行仿真制作。并对蜗杆模型通过ANSYS软件进行简单的有限元分析来完成整个设计。关键字：蜗轮蜗杆；有限元分析；丝杠传动；仿真；三维建模AbstractThe design is mainly for the structural design of screw jacks, screw jacks in the original on the jackscrew through understanding and learning, choose to improve it, to design a worm gear mechanism, the use of motor driven worm and worm gear drive screw operation, the heavy top, both played a spiral lock of the advantages of self but also improve peoples deputy of the working conditions. Improve the competitiveness of the market. The design of the load bearing design of the screw drive mechanism according to the operating speed of the screw drive torque of the screw is exposed to the worm and the worm gear is enough design, draw worm drive torque of the motor to the selection and use Autocad Proe 5.0 and three-dimensional modeling software, design and assembly of parts. With solidworks simulation production. And a simple worm model by ANSYS finite element analysis software to complete the entire design.Keywords： Worm; Finite Element; Analysis Screw drive; Simulation;Three-dimensional modeling目 录第1章 绪论11.1 起重机械11.2 千斤顶11.3 国内外千斤顶发展情况11.4 研究目的11.5 设计规格21.6 设计原理21.7 使用方法2第2章 丝杠传动的设计和计算32.1 丝杠传动32.2 丝杠传动的结构及材料42.2.1 丝杠传动的结构42.2.2 丝杠传动中常用材料42.3 丝杠传动的设计计算62.3.1 耐磨性与自锁性计算62.3.2 螺杆的强度计算92.3.3 螺母螺纹牙的强度计算92.3.4 螺杆的稳定性计算10第3章 蜗轮蜗杆传动的设计和计算123.1 蜗轮蜗杆传动的特点123.2 蜗杆传动的类型123.2.1 普通圆柱蜗杆传动123.2.2 圆弧圆柱蜗杆传动123.3 蜗轮蜗杆传动的设计参数选择123.3.1 蜗杆传动选型123.3.2 选择蜗轮蜗杆材料123.3.3 蜗杆传动设计133.3.4 蜗杆与蜗轮的参数计算143.3.5 齿根弯曲疲劳强度校核143.3.6 实际传动效率153.3.7 精度等级15第4章 螺旋千斤顶电机的选择174.1 电机类型选择174.2 蜗杆力矩计算174.3 电动机功率计算174.4 电动机选择18第5章 蜗杆的有限元分析195.1 有限元分析195.2 文件的导入195.3 设置材料常数195.4 划分网格195.6 求解计算205.7 结论21第6章 螺旋千斤顶的三维建模236.1 蜗杆的三维建模236.2 蜗轮的三维建模246.3 螺杆的三维建模256.4 螺母的三维建模266.5 千斤顶的装配276.6 千斤顶的仿真27设计总结29参考文献30致谢3132西京学院本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 起重机械起重机械是一种通过重复循环运动对物料进行起升的机械，其运动形式主要有起动、制动、正向和反向运动。起重机械被广泛用于工业以及日常生活中。起重机械的动力来源为电或人力，电力主要用于重型设备场合，以人力为动力来源的主要适用于小型和轻型的起重设备场合。1.2 千斤顶螺旋千斤顶属于起重机械的一种。起重高度小(小于1m)，结构简便，材料坚固、运动可靠性能高，便于携带和单人操作。工业中螺旋千斤顶的工作高度一般在500mm左右，螺旋副速度为20-60mm/min，最大的起升重量可高达500t1。根据工作总类分机械式和液压式。还有螺旋千斤顶、齿条千斤顶、油压千斤顶等不同工作原理的设备2。是一种在工作生活中不可或缺的起重设备。同时千斤顶的技术发展也影响着各个行业的基础设备运转和未来。1.3 国内外千斤顶发展情况国外发展情况： 国外在20世纪40年代初，就出现了千斤顶应用在汽车行业中，此时的千斤顶为卧式，相对落后笨重。由于技术和社会发展原因，后来随着工业社会的发展，在90年代初，被立式千斤顶取代。在90年代后期，陆续出现充气式千斤顶和便携式千斤顶等新型设备。开始了千斤顶技术的迅猛发展3。国内发展情况：我国的千斤顶技术由于社会关系与工业发展起步晚等因素，直到80年代后期才接触到国外初期千斤顶的产品。但随着社会的飞速发展和国民经济水平的提高，在工业发展中开始对千斤顶等起重设备进行设计改造，并且经过多年设计制造的实践，在适用范围、工业途径、材料制作等方面的研究造就了千斤顶技术的成熟。我国的千斤顶还开始越来越趋向于简单化，环保化和智能化4。1.4 研究目的根据现实生活和实际生产的紧密联系，螺旋千斤顶与我们的日常生活息息相关，在汽车修理时对汽车进行移动或抬起的情况下，此时人工进行操作是不可为的，就有了千斤顶，来起到四两拨千斤的作用。但终究是在人力操作的情况下，这样费事费力，不安全。因此需要研究找到一种来使电力驱动的千斤顶技术，来改变现状。本次通过研究学习，设计主要是对QL20 型螺旋千斤顶进行改进，设计将利用电机通过蜗轮蜗杆结构带动其运转，将重物顶起。QL20型螺旋千斤顶本体固有的丝杠传动是利用梯形螺杆和螺母组成的丝杠传动副来实现传动要求的。它在通过螺旋副做螺旋运动转和直线运动的同时将重物顶起。因此本次设计的要点就是。深入了解千斤顶的原理与应用。通过查阅大量文献资料，设计出电力驱动的装配部分，来达到使QL20型螺旋千斤顶通过电机驱动，来节省人力物力和财力。并绘制千斤顶蜗轮蜗杆零件图，和装配图。1.5 设计规格本设计QL20型固定式螺旋千斤顶技术规格为：起重量20t；顶起高度180mm；螺杆落下最小高度325mm；自重18Kg。1.6 设计原理电动螺旋千斤顶是在手动螺旋千斤顶的基础上改进的，通过微型直流电机的转动带动蜗杆，经蜗杆蜗轮传动，同时由蜗轮与螺杆的花键配合，传递扭矩与导向，来带动螺杆旋转，形成丝杠传动，从而使重物上升或下降。发挥了螺旋副的自锁性的优点又大大的改善了劳动条件。1.7 使用方法1.使用前务必检查电动螺旋千斤顶的各部件，保证运动灵活润滑，并预估起升重物重量和工作高度，切忌超载超程使用。2.启动电机提升重物，使用点动按钮，将重物提升到理想高度。切忌不可超过红色警戒线。如需下降时将电机点动反转按钮，重物即可开始下降。3.对电机以及丝杠传动，按时定期做好保养润滑工作。避免长期放在潮湿的地方。第2章 丝杠传动的设计和计算2.1 丝杠传动丝杠传动机构由丝杠和螺母组成，它们是形成滑动螺旋副来实现传动的。在丝杠与螺母的配合下，呈现丝杠螺旋运动和直线运动的同时将重物顶起。丝杠传动的运动形式有丝杆传动（螺母固定）和螺母移动（丝杠固定）两种5。图2.1为螺母固定的丝杠传动，在螺旋千斤顶中运用较多。图2.2为丝杠固定螺母传动，在机床的大托板，中托板，小托板中都广泛运用了此种传动。图2.1螺旋千斤顶图2.2机床托板上的进给丝杠丝杠传动根据用途不同，分为三种类型：（1）传力螺旋副运动。主要是通过承受较大的轴向力来传递动力做间歇性工作，在丝杠传动中要求有较好的自锁能力。（2）传导螺旋副运动。主要运动形式是在高速环境下传动，会承受较大的轴向载荷，对传动精度要求较高。（3）调整螺旋副运动。一般用于在检测和调整，该项运动用来确定零件间的相对位置，但必须在空载的情况下。丝杠传动根据运动副的摩擦性质不同，有滑动摩擦、滚动摩擦和流体摩擦三种形式6。滑动摩擦自锁性好，但运动产生的摩擦大，传动效率只有30%40%。但其他两种传动产生的摩擦就比较小，传动效率高达90%。结构简单，但是对传动条件要求特别高。 本次设计重点讨论丝杠传动中滑动螺旋传动的设计和计算，对滚动螺旋和静压螺旋只做简单的介绍。2.2 丝杠传动的结构及材料2.2.1 丝杠传动的结构本设计中的丝杠传动的结构主要是指带有花键的螺杆和与本体固定的螺母的结构。丝杠传动中的工作刚度要求与精度要求都要根据实际的情况进行设计。由于本设计中，要求千斤顶进行垂直运动的要求，且运动高度不是很高的情况下，选择采用螺母本身与千斤顶本体相结合作为支承。而螺杆则作为运动部件，在受到扭矩作用时，进行，螺旋上升运动，将重物顶起。丝杠传动中的螺母结构在设计选择上有整体螺母和剖分螺母等几种形式。结构简单的整体螺母比较通用，但也存在轴向间隙在传导磨损中不能补偿的隐患，造成材料的过度浪费。因此，此种螺母主要在生产实际中用于在精度要求较低的丝杠传动中。精度要求较高，且传动效率优于整体螺母的传导螺旋主要用于双向传动。而剖分螺母则是利用调整契块来定期调整螺旋副的轴向间隙的一种组合形式。在丝杠传动中的螺杆和螺母的螺纹也分连接螺纹和传动螺纹，牙型也是有矩形、等腰三角形、梯形、不等腰梯形和锯齿形等多种形状。梯形和锯齿形螺纹在工业应用中最常用的传动螺纹。 矩形螺纹的传动效率比其他螺纹传动效率高，但由于牙型角关系，容易在牙根处产生应力集中，磨损后，牙侧间隙修复困难。传动精准度因此也会下降。而梯形螺纹，牙型为牙型角30的等腰梯形，牙根部的弯曲强度高，对中性好。在本次设计千斤顶中就选中此种右旋梯形螺纹。2.2.2 丝杠传动中常用材料丝杠传动的有螺母和螺杆。螺杆材料对螺纹牙和轴的强度和耐磨性有较高的要求，而螺母材料在与螺杆材料形成丝杠传动的时候，在对螺纹牙的弯曲强度，剪切强度等需要满足许用强度以外，还要求在传动中的摩擦系数小，并且在传动接触部位要有较高的耐磨性。丝杠传动常用的材料见表2.1表2.1 螺杆与螺母常用材料本次设计中，已知丝杠传动中螺杆的轴向载荷F=200000N，千斤顶起重高度为h=180mm，由于千斤顶在丝杠传动中会因为螺纹磨损而导致失效，因此螺旋千斤顶的丝杠传动副中螺杆和螺母的材料在耐磨性能、抗歪性能要求都要很高。在本次设计中，考虑到承受载重颇高，故对于自锁性也有很高的要求。本设计中螺母的材料和许用应力：螺母材料采用铸锡青铜，以ZCuSn10P1最耐磨，但市场价格较贵，通常在工业设计中主要用于高精度传导螺旋。而本设计电动螺旋千斤顶，重载20t，工作速度在微型直流电动机经过蜗轮蜗杆大减速比之后大约60r/ min，因此在此种重载低速的场合，可选用铸铝青铜或铸铝黄铜。综上,螺母材料选用铸铝青铜ZcuAL9Fe4Ni4Mn2，制成带有内螺纹的构件。查表2.3可得：许用弯曲应力：b=4060N/mm2 ，取55N/mm 2 ；许用剪切应力： =3040N/mm2 ，取35N/mm 2 。本设计电动千斤顶螺旋为电动低速，由表2.2查得许用压力：Pp=1825 N/mm 2，取25 N/mm 2 。本设计中螺杆的材料和许用应力由于滑动螺旋传动中的磨损严重，要求本设计中材料的耐磨性能和抗弯性能都要高。根据螺杆材料的选用原则：常采用45钢和50钢。对传动的精度有特殊要求时可采用碳素工具钢。在45钢和50钢中，两者都属于中碳钢，但45钢的结合性能更优。本设计中，根据表2.1，螺杆材料选45钢，带有外螺纹的杆件，下端轴铣为花键。整体不做热处理，性能等级为6.8，根据机械设计表5.8，查阅资料手册可得s=600 MPa 。根据表2.4螺杆的许用压应力：p= =80140 N/mm 2 。考虑主要电动驱动以及载重要求，因此p取140 N/mm 2 。2.3 丝杠传动的设计计算丝杠传动工作时，主要承受转矩及轴向力的作用，在本设计中，主要根据选择的螺纹啮合方式，材料，以及所受的轴向载荷大小，和设计的尺寸。来进行一系列的校核和验证7。2.3.1 耐磨性与自锁性计算丝杠传动中的磨损与主要是由丝杠所受的载荷、丝杠传动速度、以及啮合螺纹面粗糙度等因素相关。根据机械设计可知，螺纹工作面上的耐磨条件为： (2.1)式中：F为丝杠上的轴向力（即起重重物的质量） A为丝杠的承压面积根据式2.1在校核计算中的公式，由，代入式（2.1）中可推导出螺纹中径的计算公式 (2.2)牙型角为矩形、梯形，则 (2.3)牙型角为锯齿形，则 (2.4)螺母高度 H= (2.5)螺纹工作圈数u=H/P (2.6)螺纹自锁条件为 (2.7) 滑动螺旋副的材料许用压力和摩擦系数见表2.2表2.2 滑动螺旋副材料的许用压力及摩擦系数注：表中摩擦系数起动时取最大值，运转中取最小值。首先按照耐磨性，根据螺纹中径的设计公式：由梯形螺纹， (2.8)F为轴向压力200000N，取=2.1，p取25N/mm 2则可得螺纹中径d2 49.377mm由机械设计手册第四篇第1章GB/T5796.32005梯形螺纹参数表，可选择d=55,P=9, d2=50.5 ,D4=56,d3=45,D1=46的第二系列梯形螺纹，精度选用中等精度。由此得出电动螺旋千斤顶的滑动螺旋传动各个尺寸为： 牙型角=30 牙侧角=/2=15外螺纹大径：d d=55mm螺距:P P=9mm牙顶间隙：ac p=612时 ac=0.5 取ac=0.5mm基本牙型高度：H1 H1=0.5P=0.5x9=4.5mm外螺纹牙高:h3 h3= H1+ ac=0.5P+ ac=4.5+0.5=5mm内螺纹牙高：H4 H4= H1+ ac=0.5P+ ac=4.5+0.5=5mm 牙顶高：Z Z=0.25P=0.25x9=2.25mm外螺纹中径：d2 d2= d-2Z=55-4.5=50.5mm内螺纹中径:D2 D2= d-2Z=55-4.5=50.5mm外螺纹小径：d3 d3= d-2h3=55-2x5=45mm内螺纹小径：D1 D1= d-2H4=55-2x5=45mm内螺纹大径：D4 D4=d+2ac =55+2x0.5=56mm牙根部宽度：b b=0.65P=0.65x9=5.85mm 螺母高度H: H=d2=2.1x50.5=106.05mm,取H=107mm. 螺纹圈数n: n=H/P=107/9=11.89圈对参数进行列表，见表2.3表2.3 螺纹参数列表名称表示参数牙型角30牙侧角15外螺纹大径d55mm螺距P9mm牙顶间隙ac0.5mm基本牙型高度H14.5mm外螺纹牙高h35mm内螺纹牙高H45mm牙顶高Z2.25mm外螺纹中径d250.5mm内螺纹中径D250.5mm外螺纹小径d345mm内螺纹小径D145mm内螺纹大径D456mm牙根部宽度b5.85mm螺母高度H107mm螺纹圈数n11.89圈对自锁性进行校核：螺纹升角= arctan =arctan =31454 (2.9)查表2.2得：钢和青铜的摩擦因数=0.080.10,取0.09，根据公式2.18=arctan=arctan（0.09/cos（15）=51923 (2.10)由上式可知。可以自锁。2.3.2 螺杆的强度计算丝杠工作时承受轴向载荷F的作用，根据理论力学的第四强度理论可求出丝杠的危险截面的计算应力，所要求的强度条件 (2.11)或 (2.12)螺杆材料的许用应力见表2.4。计算驱动转矩：螺旋副间的摩擦力矩：由机械设计5.4式知T1= d2 F tan (+) (2.13) =（31454+51923）=744638.42 Nmm丝杠强度计算：（1） 由手册查的螺杆许用应力可取。（2）根据表2.3可查得：其中为螺纹小径45。 (2.14)根据计算，丝杠强度满足要求。2.3.3 螺母螺纹牙的强度计算螺纹啮合接触危险截面的剪切强度校核公式为 (2.15)螺纹牙根部处的弯曲强度条件为 (2.16)D表示螺母螺纹大径，b表示牙根部厚度(mm)；本设计中，可由机械设计手册查得，梯形螺纹，。 螺母材料的许用弯曲应力，MPa，由表2.4查得。 螺母材料的许用切应力，MPa，由表2.4查得。其余符号的意义和单位同前。螺母材料选择ZcuAL9Fe4Ni4Mn2，查表2.4得：螺母许用弯曲应力： ，根据设计选择50Mpa螺母许用剪切应力： ，根据设计选择35Mpa表2.4 滑动螺旋副材料的许用应力校核螺母螺纹的弯曲强度和剪切强度根据牙宽b=0.65P=5.85mm和牙型高：=4.5mm带入公式中，得出螺母的弯曲强度 (2.17)螺母的剪切强度： (2.18)经检验校核，螺母的弯曲强度和剪切强度都满足要求。2.3.4 螺杆的稳定性计算螺杆的稳定性条件为 (2.19)计算柔度丝杠传动中，查表2.5知，可确定千斤顶长度系数=2，因工作高度mm；螺杆危险截面惯性半径mm。螺杆最大工作长度为180mm，根据柔度计算公式=54.2C (2.20)计算临界载荷201186.91mm (2.21)因为，因此 (2.22) (2.23)所以稳定性满足要求。 表2.5 螺杆的长度系数第3章 蜗轮蜗杆传动的设计和计算3.1 蜗轮蜗杆传动的特点蜗轮蜗杆传动属于交错轴传动，本次设计使用正交蜗轮蜗杆副，运动主要由蜗杆驱动带动蜗轮旋转组成，蜗杆做为主动件，蜗轮做为从动件，蜗轮蜗杆传动具有以下几个特点：（1）传动比大。一般传动比i可以达到580；在分度机构中的传动比更高。（2）在蜗轮蜗杆传动中，造成的冲击振动小，运动较平稳，降噪效果好。（3）能自锁。蜗杆螺旋升角只要小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动就可以实现自锁。以提高传动效率。（4）抗弯性能好。蜗杆和蜗轮的设计曲线，保证了它们在传递运动和载荷的过程中抗弯性能较高。 3.2 蜗杆传动的类型蜗杆传动类型有圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动等多种传动类型。同时在圆柱蜗杆传动中，由有两种传动方式。3.2.1 普通圆柱蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动包括阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）；渐开线蜗杆(ZI蜗杆) ；法向直廓蜗杆(ZN蜗杆) ；锥面包络圆柱蜗杆(ZK蜗杆)8。本次设计，选用蜗杆齿面为渐开螺旋面的渐开线蜗杆，端面齿廓为渐开线。在工业中应用比较广泛。3.2.2 圆弧圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动是以线接触为主要运动方式的的啮合传动。效率高达80%以上。能够承载较重的载荷。在工业设备中越来越普及适用。3.3 蜗轮蜗杆传动的设计参数选择3.3.1 蜗杆传动选型查阅机械设计手册，由GB/T10085-1988可选用渐开线蜗杆（ZI）。3.3.2 选择蜗轮蜗杆材料在蜗杆传动配合中，由于千斤顶的工作速度只是低速，因此在低速场合选择45钢做为蜗杆材料；并且对蜗杆与蜗轮螺旋啮合的齿面进行热处理，选择淬火。使蜗杆齿面硬度要求达到4550HRC。而蜗轮材料由于要耐磨和强度要求，选择铸锡磷青铜ZCuSn10P1。 3.3.3 蜗杆传动设计根据蜗轮蜗杆传动结构设计步骤，先由齿面接触疲劳强度设计出蜗杆传动机构的参数，再对蜗轮的齿根进行弯曲疲劳强度的校核计算9。 (3.1)（1）计算蜗轮转矩 设计蜗杆为双头，所以=2，设计效率=0.8， (3.2)（2）载荷系数K根据机械设计手册取载荷分布不均系数=1，使用系数=1.15，动载荷系数=1.05则载荷系数K的计算为 (3.3)（3）弹性影响系数蜗轮蜗杆传动机构，分别选用铸锡磷青铜的蜗轮和45钢蜗杆进行啮合传动，查表可选取=160MPa1/2（4）接触系数假定/a=0.35，可以根据机械设计图11.18查得=2.9。（5）许用接触应力根据蜗轮材料和蜗杆齿面硬度，通过机械设计手册表11.7中查得蜗轮的许用接触应力=268MPa。 则蜗轮工作的应力循环次数 (3.3)蜗轮工作的寿命系数 (3.4) (3.5)（6）蜗轮与蜗杆的中心距 (3.6)从机械设计课本表3.2蜗杆参数选择中，取中心距为180mm，表中对应模数为5，选取蜗杆分度圆直径为50mm。可计算出直径与中心距之比/a等于0.332，从机械设计手册图11.18中可知接触系数=2.7，由此可得： =2.9。设计无误。3.3.4 蜗杆与蜗轮的参数计算（1）蜗杆的参数计算分度圆直径 =50mm直径系数q=10；由机械制造手册查得，我国规定的齿高系数：当m大于1，=1，；c= 。齿顶圆直径，=60mm；齿根圆直径，=37.5mm；分度圆导程角=111836； 设计为右旋；蜗杆轴向的齿厚=mm。 （2）蜗轮的参数计算蜗轮齿数=41；变位系数；验算传动比 i=z2/z1=41/2=20.5，这时传动比误差为 (20.5-20)/20=0.025=2.5% 误差在允许范围内。蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径3.3.5 齿根弯曲疲劳强度校核 (3.7)当量齿数 (3.8)螺旋角系数 (3.9)许用弯曲应力 (3.10)铸锡磷青铜材料的蜗轮基本许用弯曲应力=56MPa.蜗轮的寿命系数 (3.11) (3.12) (3.13)因此蜗轮计算的弯曲强度满足载荷要求。3.3.6 实际传动效率 (3.14)已知=181136，=arctan；根据相对滑动速度可计算 (3.15)根据机械设计课本表11.18中用插值法查得=0.0218，=1.1517；代入式中得=0.86，大于预先设定效率0.8。满足要求。 3.3.7 精度等级蜗轮蜗杆传动是由微型直流电机作为动力源的传动，根据机械设计手册GB/T 10089-1988中渐开线蜗杆传动精度中选择8级精度。表3.1 渐开线蜗杆传动基本尺寸和参数表3.2 使用系数KA表3.3 蜗轮的基本许用弯曲应力F第4章 螺旋千斤顶电机的选择4.1 电机类型选择通过查阅资料可知，一般电动螺旋千斤顶的伺服电动机，有微型直流电动机，微型交流电动机，步进电机等类型可选择10。根据本设计，由于选择在低速场合。选择微型直流电机。微型电动机，是一种体积小、功率小（输出功率在三百瓦以下），工业用途广泛、对性能和环境条件要求比较特殊的小型电动机11。微型直流电机是微型电动机的一个型号，效率高，直流电机相对交流电机体积比较小。微型直流电机相对比较合适对安装位置有特殊要求的场合12。微型直流电机还有根据负载自动变速的特点，根据速度变化来达到理想的电机启动扭矩和自动来满足载荷的要求。因此本设计电机选择微型直流电动机。4.2 蜗杆力矩计算通过计算蜗轮上的转矩 已知T2=在蜗轮蜗杆设计中可得：=2，头数为两头，根据式（3.14）计算的效率=0.86，则由 (4.1) (4.2) (4.3)可得： (4.4)(4.5)因此：蜗杆所承受力矩 4.3 电动机功率计算因此根据上式可得：=0.1566 取0.16又由于千斤顶工作速度为60rpm所以蜗轮的工作速度为60rpm根据蜗杆计算可知道蜗杆的转速为1200rpm故可知：电机转速1200r/min 根据式(4.4) 可计算得：则可取=200w故可取200w的电机。4.4 电动机选择电机型号：4GN50K（220GA）微型直流电机(GA表示中心轴旋转)额定电压：DC220V额定功率：200w空载转速：1500r/min负载转速：1200r/min额定扭矩：50Nm额定电流：0.1A产品单重：0.2kg外形尺寸：L=90mm 第5章 蜗杆的有限元分析5.1 有限元分析本次设计通过ANSYS软件，对于蜗杆进行简单的结构静力学分析。在建好模型之后，导入ANSYS中，通过对蜗杆模型进行网格划分，设定设计的参数之后，可以计算出蜗杆在受载荷状态下的应力分布，以此来分析各支点的受力情况。对蜗杆的有限元分析用来分析蜗杆在给定扭矩作用下的具体受力情况。主要是蜗杆在受力之后支点的轴向位移、应力矢量图以及应力云图等参数。5.2 文件的导入参数在Proe中建立好蜗杆的三维模型，转存为igs格式的文件，导入到ANSYS 中，得到ANSYS 中的蜗杆模型。模型如图5-1所示。图5.1 蜗杆模型5.3 设置材料常数选择Main Menu| Preprocessor| Material Props | Material Model命令选择材料，蜗杆采用的材料选用45钢，选择Structural | Linear | Elastic | Isotropic命令，在对话框中添加弹性模量、泊松比、材料密度。其物理参数为：弹性模量EX=210GPa，泊松比PRXY =0.3，质量密度为kg/m3。5.4 划分网格在ANSYS上网格划分方式采用自由划分网格，选择Main Menu| Preprocessor| Meshing | Mesh | Volumes | Free 命令和Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Controls | Smart Size | Basic功能进行细化。选择了均布网格。单元选用10节点，划分之后形成33417个单元,49848个节点,网格图如图5.2所示。图5.2划分网格图5.5 边界条件保证蜗杆只有一个绕轴线旋转的运动。符合实际的运动情况。并对蜗杆模型进行位移约束和施加载荷。位移约束：根据蜗轮蜗杆传动时的实际情况，约束轴承安装部位的两个面上的节点的径向位移,及其轴承安装左轴段的面上的节点的轴向位移。载荷：根据传动时的实际情况，及模型的尺寸，力作用在蜗杆的传动部位,根据转矩的计算公式:T=FR,计算之后,均匀处理,实际加载在每个节点的切向力大小为0.9336N。位移约束及载荷加载的情况如图5.3所示图5.3施加载荷图5.6 求解计算选择通过ANSYS 软件计算出接触齿在法向的应力与应变，在ANSYS 求解结果中蜗杆所受的力会根据各部分的颜色进行区分，每部分颜色相对应的数值，在图表下方也可以清晰看出。可发现蜗杆接触点附近的应力与应变为红色区域，红色区域最大数值点蜗杆的啮合齿上。通过ANSYS求解能得到此点受到的最大应力。节点解的等效应力云图如图5.4所示， 图5.4等效应力云图同时等效位移云图如图5.5所示，图5.5等效位移云图5.7 结论通过对蜗杆的结构静力学分析，最大等效应力为93.011Mpa，发生在约束轴向位移啮合点的齿面上。最大位移为0.268mm,发生在蜗轮蜗杆的接触部位，最小位移为0.962um，发生在蜗杆的两端。并且在承受扭矩的情况下运动，不会发生大的位移，可位移量很小，结构很紧凑。第6章 螺旋千斤顶的三维建模6.1 蜗杆的三维建模蜗杆采用参数化建模：参数根据之前蜗杆的设计参数如图6.1所示图6.1 蜗杆参数表参数关系如下图6.2所示图6.2蜗杆参数图生成的蜗杆图形。如图6.3所示图6.3 蜗杆三维模型6.2 蜗轮的三维建模蜗轮同样采用参数化建模参数关系，如图6.4所示图6.4 蜗轮参数关系表曲线标识如图6.5所示图6.5 曲线标识草绘图曲面标识如图6.6所示图6.6 曲面标识扫描经伸出项标识，倒角，剪切，拉伸之后。形成涡轮。如图6.7所示图6.7 蜗轮三维图6.3 螺杆的三维建模草绘尺寸，如图6.8所示图6.8 螺杆草绘尺寸图切剪标识的螺纹截面如图6.9所示图6.9 螺纹牙截面图螺旋扫描伸出项并拉伸生成花键，完成建模。如图6.10所示图6.10 螺杆三维图6.4 螺母的三维建模旋转草绘尺寸如图6.11所示图6.11 螺母草绘尺寸切剪标识的扫引轨迹如图6.12所示图6.12 剪切扫引轨迹螺纹扫描切口完成三维建模如图6.13所示图6.13 螺母三维图6.5
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