关于螺旋式千斤顶的设计

1、菏泽学院Heze University本科生毕业设计（论文）题目 螺旋式千斤顶的设计 姓名 XXX 学号 XXXXX 院 系 XXXXXXXX 专业 机械电子工程 指导教师 XXXX 职称 XXXXXX 2015年 4 月 24 日XXXX螺旋千斤顶的设计 机械电子专业学生 李鹏 指导老师 闫冰洁摘要 现实生活中千斤顶随处可见而且种类繁多大多是一些大型的千斤顶或者是液压式千斤顶，而随着汽车等中型代步工具进入人们的生活，在日程维修这些工具和在一些地震之后一些在废墟上的灾后救援，由于液压式千斤顶和一些大型千斤顶的复杂性和对环境的要求一些情况下无法达到使用条件。本次论文所设计的千斤顶是以纯机械传动为

2、主，且体积小，使用条件容易满足。关键词 千斤顶； 螺旋式传动 ； 体积小；使用方便 The design of the screw jack Student majoring in Machinery and Electronics lipeng Tutor yanbingjieAbstract Jack in real life can be seen everywhere and the variety is mostly a few large jack or hydraulic jack, and medium such as car instead of walking tool i

3、nto peoples lives, the schedule maintenance of these tools and on some some in the ruins after the earthquake disaster relief, because of the complexity of the hydraulic jack and a few large jack and some cases cannot reach to the requirement of environmental conditions of use. This paper designed b

4、y jack is pure mechanical transmission is given priority to, and small volume, and easier to get satisfied conditions of use.Key Words jack; spiral transmission; small volume; easy to use引 言 千斤顶是一种用钢性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在行程内顶升重物的轻小起重设备！千斤顶按照结构特征可分为齿条千斤顶、螺旋式千斤顶和液压式千斤顶三种。螺旋式千斤顶：由人力通过螺旋副传动，螺杆或螺母套筒作为顶举

5、。液压千斤顶：有人力或电力驱动液压系统传动，用缸体或活塞作为顶举件。通过完成本次设计时我发现千斤顶在日常生活中呗广泛的运用，平时我们会遇到一些小的麻烦，千斤顶就会很好的帮我们解决这些小的麻烦，例如平时我们在遇到汽车要换轮胎或者进行简单的修理，将一些重量比较大的物体进行搬移，如果只靠 人力的话很难将其搬动将其抬升，这时候千斤顶就会起到非常重要的工具，千斤顶不仅体积小携带方便而且起重也大。在现在生活中千斤顶越来越扮演者一个重要的角色，在很多需要起重方面但是大型的起重器又无法进入时，千斤顶就是最佳的选择。所以渐进的技术的好坏直接关系着我们日常生活。1千斤顶的发展过程 千斤顶起源于20世纪的英、美、德

6、等国家，在当时由于技术的落后使得千斤顶的体积巨大且承载能力有限，使用时十分不方便。随着时代的发展科技在飞速的进步千斤顶变得越来越小，承载能力也越来越大，而且使用十分方便。随着其工艺的成熟，因其具有抗腐蚀，耐高温，强度高等高性价比的良好性能，越来来多的走进了寻常百姓的日常生活中。我国千斤顶产业发展起步较晚，建国到改革开放前，我国千斤顶的需求主要是以工业和国防尖端使用为主。改革开放后，国民经济的快速发展，和人民生活水平的显著提高，拉动了千斤顶的需求，进入上世纪九十年代后，我国千斤顶产业进入了快速发展期，千斤顶切的增长速度明显高于世界水平。 2千斤顶的选择2.1千斤顶的分类及选择千斤顶分为机械千斤顶

7、和液压千斤顶两种，原理各有不同。从原理上来说，液压千斤顶所基于的原理为帕斯卡原理，即：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。机械千斤顶采用机械原理，以往复扳动手柄，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。2.2本次论文设计千斤顶的选择及千斤顶的使用注意事项本次论文所设计的千斤顶为螺旋式千斤

8、顶，本文设计的千斤顶最大可升高度为400mm，顶升速度大约为10-35mm/min，最大的起重量500t。在操作千斤的过程中应该注意以下几个方面。（1）在操作千斤顶前须检查千斤顶能否正常使用，每个部件能否灵活使用，在每个零件链接处加入轮滑油，根据被顶芜的实际重量选择正确吨位的千斤顶，必须严格遵守使用最大重量不得超载使用。（2）使用时必须确定物体的重心，选取好千斤顶的着力点，且应平稳放置，如果遇松软地面时，应垫坚硬的方木料，以防起重时发生歪斜倾倒。（3）使用时应将推牙推至上升位置，按壳体所示箭头方向撬动手柄。当套筒上升至出现红色警戒线是，立即停止撬动手柄。下降是讲板牙反方向推至下降位置3螺旋式千

9、斤顶的设计3.1螺旋千斤顶的工作原理本次设计的千斤顶是在手柄的做来回运动从而是传动机构获得动力，从而是被载物体升高使或者下降。3.2螺旋传动的设计与计算3.2.1螺旋传动的应用的类型与特点螺旋传动是利用螺杆和螺母的齿和来传动动力和运动的机械传动。它的目的是将回转运动变成直线运动，并且伴随着运动和动力的流动。螺旋传动有很多其他传动不具有的优点，例如其结构非常紧凑、转动非常均匀、精准、稳定、方便自锁等，正是由于它有这么多的优点所以在现实工业生产中活动的广泛的应用。（1）螺旋传动按螺杆与螺母的相对运动方式可分为以下运动方式。（1）第一种运动方式是固定螺母不让其运动，如图(1)转动螺杆使其做往复运动，

10、该种运动方式是以固定的螺母为主要支承点，该种方式的优点是结构简单，但是有很大的缺点就是占据空间大。在生活中常见的运用就是螺旋压力机、螺旋千斤顶等。（2）第二种运动方式是转动螺母，如图(2)使螺杆做直线运动，不过应注意螺杆要设置防转结构，不过该种方式有很多缺点如转动螺母是必须设置轴承且该结构非常复杂，螺杆运动行程占据比较大尺寸所以在现实生活中应用较少。（3）第三种运动方式是把螺母做旋转运动而且还做直线运动，如图(3)因为螺杆式不能运动的，所以螺杆的两个端点就起到简单的支撑作用，但是这种方式有个缺点就是精确度不过精确。但是在现实生活有些钻床还是采用了该种运动。（4）第四种运动方式便是转动螺杆，如图

11、(4)使螺母做匀速直线活动，这是方式具有体积小，范围广等诸多有点。由于螺杆的端点的轴承和螺母必须的防转结构使得该种方式结构比较复杂。但是现实生活中在很多车床上还是可以见到该种运动方式。（1） （2）(3) (4)由于本次论文设计的千斤顶要求体积要小，结构简单所以采用的是上面四种中的第一种运动方式。(2）螺旋传动根据不同的用处可以分为三种种类。（1）一种是以传力螺旋以传递动力为主，一般是用很小的的转动产生比较大的轴向推动力，平常情况小伟间歇性运动一般情况下工作效率比哦啊叫低，而且还必须拥有自锁功能，例图如下3.2-1.。（2）一种是主要传递运动的传导螺旋，这种传动具有很好的耐用性，具有很高的工作

12、效率，但是这种传动对于精确的要求比较高，例图如下3.2-2。（3）最后一种是用来改变零件中的位置的调整螺旋用，通常情况下不会转动，但是必须具备自锁功能而且对于精度的要求也比较高。该论文设计的千斤顶就是利用了这种传动。图3.2-2 传导螺旋图3.2-1 螺旋压力机(3) 根据转动时的副摩擦性质的不一样可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。（1）其中在生活中滑动螺旋的得到了比较广泛的利用，因为它具有简便的结构容易制造且花的的价钱还很少；易于实现自锁；运转平稳。但是这种方式也有很大的弊端，例如在速度很低的情况下微调有可能出现爬行而且摩擦力会很大效率一般会损失50%70%；在螺母和螺杆间会存在间隙，反向

13、运动是会做无用功；磨损较大。（2）其中滚动螺旋由于其特殊的结构特点所以一般被叫做滚珠丝杠，这种方式最大的好处是其受到的摩擦力比较小，一般损失的效率比较低一般只有10%左右；而且该种方式一般比较稳定的运转，且速度比较低的时候不会出现爬行，在发动时不会出啊先颤抖现象；经过滚珠丝杆副经改变和预紧可以使得其使其具有高准确的定位和重复定位精度；一般情况下滚珠丝杆传动都是可逆的，但是使用在不可逆转的地方必须增加防逆转的结构；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。滚珠丝杆具有很多优点：工作有效功率高，精度比较高，气人运动阻力比较小能够很容易的传动而且稳定，不易损坏。滚珠丝杠副的结构与

14、循环方式有关，按滚珠在整个循环过程中与丝杆表面的接触情况；可分为内循环和外循环两种方式：内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠表面接触。滚珠循环的回路短，流畅性好，工作效率比较高，螺母的径向尺寸也比较小。外循环：滚珠在循环返回时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。（3）最后一种传动是在螺杆和螺母间利用油膜将其分开。这个传动的特点是具有非常小的阻力，几乎不会损失传动效率；螺母的结构复杂；运转平稳，无爬行现象；并且是可逆的传动而且不需要防逆装置传动具有可逆性；反方向转动时不会出现空转，而且具有定位精度高，轴向刚力大；磨损小，寿命长等优点。但是其缺点是构成非常复杂，不易组装还要固定是压力装置

15、使其稳定，且要求较高的供油装置供。在本次论文的设计的千斤顶中就运用了这种传动方式。3.2.2滑动螺旋传动的结构滑动传动有两种方式一种是滑动螺旋传动和静压螺旋传动滑动螺旋传动，现实生活中得到了广泛的使用，而且具有结构非常容易制造，且制造成本低廉;易于实现自锁：运转平稳。但是这种方式也有很大的弊端，例如在速度很低的情况下微调有可能出现爬行而且摩擦力会很大效率一般会损失50%70%；在螺母和螺杆间会存在间隙，反向运动是会做无用功；磨损较大。传动螺纹跟平常的滑动螺纹一样也是其中的一种，根据螺纹的形状可以有一下几种：矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿型螺纹。（1）图样为矩形螺纹，该种螺纹的具有矩形牙型，由于角所以

16、它的有效的效率是最高，由于其角为0其牙根的强度非常弱，长时间使用后会出现空隙且难以修理，传动精度就会随之下降。 （1）矩形螺纹（2）图样是梯形螺纹，该种齿形为等腰梯形，牙根角。由于内外螺纹以锥面贴紧所以该种螺纹具有不易松动的特性。与上一种螺纹相比较，其有效的工作效率比较低，但是其铸造工艺比较好，强度也好。如用剖分螺母，还 可以调整间隙。 （ 3）图样是锯齿型螺纹，该种形状为 （2）梯形螺纹锯齿形，其齿根角是，其斜面的牙侧角为。正式牙根的径比较大所以很方便咬合。该种齿形具有较高的传动效率而且具有较高的强度。但是这个齿形有很大的局限性仅能在单向螺纹连接或螺旋传动中使用。 （3）锯齿形螺纹 本次论文

17、中设计的千斤顶是采用低第二种螺纹。3.2.3螺旋传动的计算现实中运用在广泛的是滑动螺旋和滑动螺旋副作用，在结构承担着大部分转矩和轴向作用力，其实在改结构的构成部件间有着很大的相对滑动使其牙根比较容易磨损。所以要求制作时要考虑其耐磨性。并且对也其截面进行强度校核；注意其铸件的承载能力检验其自锁性；应该对螺杆的刚度进行检验根据其稳定性选取长度适中的螺杆；根据不同需求是采用不同的线螺纹。 （1）一般螺旋机构的计算通常的螺旋结构取螺杆转角为角单位为rad，螺母轴向平移的长度取为L单位为mm: L=S/2 (2.1) 上式S是螺旋线的长度（mm）。取螺杆的旋转速度为n(r/min)，得螺母的速度v(mm

18、/s)为:V=Sn/60 (2.2) （2）螺旋结构的相关计算： 图2.3-1 差动螺旋机构1-机架 2-螺杆 3-螺母 4-导向杆如上图所示，在螺杆的1的A、B两个端点的运动过程，A端点的旋转周长为SA（mm），B端点的旋转周长为SB（mm），当两个长度一样时，即螺杆的旋转角=（rad）时，螺母轴向移动的位移L（mm）为： L=（SA-SB）/2 (2.3) 取螺杆的旋转速度为n(r/min)，得螺母的速度v(mm/s)为： V=（SA-SB）n/60 (2.4)由上式可知：当A、B两端点的运动周长SA、SB的值差不多时，螺母移动的距离很小，通常我们把这种结构称之为差动螺旋结构这，经常在螺旋

19、结构数据计算是使用。当A、B两个端点运动的方向相反时，螺母的轴向上的移动距离L为： L=（SA-SB）/2 (2.5)移动速度为： V（SA-SB）n/60 (2.6) 通常会把这种结构叫做复式螺旋。3.3滑动螺旋的结构3.3.1滑动螺旋的结构本次设计的螺旋千斤顶是由螺杆、螺母及起到支撑作用的零件组成。因为该传动的刚度、精度直接关系到起主要支撑作用的机构，当螺杆粗细不同是起到的作用也会不同，一种情况是粗螺杆竖直放置时，在这种情况下螺母便是该结构的的支撑结构。另一种情况是洗螺杆时，则需要在该结构中增加支撑结构提高其工作强度。本次设计的千斤顶所用到的螺母结构主要三种形：整体螺母、组合螺母和剖分螺母

20、等形式。但是由于螺母的构造简易强度不够，所以非常他容易损坏而且还不能弥补。现实生活中我们为了弥补螺纹的损坏通常会组合螺母或者剖分螺母在双向传动时。图2-5是组合螺母的结构的其中一种。平常情况下使用右旋结构，但是在一些特状况采用左旋螺纹。3.3.2螺杆和螺母的制作选材（1）制作千斤顶所用的零件螺杆和螺母的材料应该是耐磨，具有良好的强度和工艺。我国常见的材料如下表。表2.4-1 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。材料需要经过特殊处理增加其强度9Mn2V GrWMn 38GrMoAl精密

21、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。（2）材料耐磨性计算现在我们还没有办法准确的去技术耐磨性，只能根据接触面的压强作为计算的依据其计算公式如下： (2.7) 式中，F为轴向工作载荷（N）；其中A是螺纹的工作表面在轴向力的平面的面积（mm）；d2为螺纹中径(mm)；P为螺距(mm)；螺纹的有效高度为h(mm)，其工作面的高度为h=0.5P,牙根的高度h=0.75P;z=H/P是结构的圈数，H为螺纹高度(mm)，为工作在其表面上的压强(MPa)，见表2.5-1表2.5-1 表面受到的

22、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。当时，根据欧拉公式计算，即 (2-15)式中，FC为临界载荷（N）；E为螺杆材料的弹性模量（MPa），对于钢；I是工作截面的长度（mm4），d1为螺杆螺纹内径(mm)；是该结构的系数；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)，当8590时；对b380MPa的碳素钢（如Q235、Q275）： （

23、2-16)当8590时，对b470MPa的优质碳素钢（如Q355、45）： (2-17)当40时，不需要计算。表2.8-1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：通常会采用一下支撑结构：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，根据欧拉公式计算，即： （2.18）当8590时；对b380MPa的碳素钢（如Q235、Q275）：Fc=(304/1.12) （2.19）当859

24、0时，对b470MPa的优质碳素钢（如355、45）：Fc=(461/2.57) （2.20）当40时，不需要计算。式中:FC临界载荷（N）； E 螺杆材料的弹性模量（MPa），对于钢E=2.06105； I危险截面的惯性矩（mm4），I=，d1为螺杆螺纹内径(mm)； L螺杆最大受力长度(mm)； 长度系数； i作用面的惯性半径(mm)，i=。 （2.21）计算柔度长度系数=2,因mm；螺杆危险截面惯性半径mm。千斤顶螺杆上部安装手柄处的高：h1=（1.82）d=46.852mm取h1 = 50mm，故螺杆最大工作长度h=180+50=230mm=89.76C (3.3)计算临界载荷8664

25、.931mm (3.4)因为，因此 (3.5) 合格 (3.6) 3.3.4螺母的设计计算及校核（1）确定螺母的高度H及螺纹工作圈数Z计算螺母高Hmm，取H=45mm 计算旋合圈数z 考虑到退刀槽的影响，实际螺纹圈数=10.5（应圆整）考虑到螺纹圈数越多载荷分布越不均匀。所以螺母的实际高度（2）螺母外部尺寸的计算及校核计算确定D5本次螺母受到不同的作用力为了更加简单的得出结论，将F增大30%，强度计算得：= （3.9）式中，是计算制作材料的强度专业的，可取=0.83b，有以上计算的b=50Mpa，因此=0.83b=41.5Mpa。故 D5 （3.10）取D5=45 mm确定D6和a按经验公式D

26、6=（1.62.0）D5及a=可求：D6=（1.62.0）45=72-90mm 取D6=75mm （3.11） a= 取a=20mm （3.12）校核凸缘支承表面的挤压强度，强度条件为：p=p （3.12）满足设计要求。校核凸缘根部弯曲强度：p= （3.13）满足设计要求。 校核凸缘根部剪切强度，强度条件为：= （3.14）式中，螺母材料的许用切应力=35Mpa 故：= （3.15）（3）螺纹牙强度的计算及校核由于螺母材料ZCuSn10P1，查表2-3得：许用弯曲应力： ，取50Mpa许用剪应力： ，取35Mpa因为制造材料不同且螺杆的强度较高，所以只检测千斤顶的螺母螺纹强度。由前面查手册可知

27、： 牙根宽度：b=3.25mm 基本牙型高：H1=2.5mm 带入2-11和2-12公式中，得： 螺母的弯曲强度： (3.7) 螺母的剪切强度： （3.8） 3.3.5手柄的结构设计（1）确定手柄长度，手柄上的工作转矩为： （3.16）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拖杯与支承面的摩擦系数，fc=0.15； D0托杯底座与支承面接触部分外径（mm），由经验公式确定，取mm； d0 托杯底座与支承面接触部分内径（mm），取d0=20mm,FH为手作用在手柄上的力（N）； LH手柄有效长度（mm）。如一人连续工作，手作用力通常取FH=150200N,取F

28、H=200N；因此，200 LH= （3.17）得：LH=721.019mm 取LH=725mm(2)确定手柄直径dk选手柄材料为45钢，S=360MPa，许用弯曲应力=140180 Mpa，取b=160 Mpa。手柄的弯曲强度条件为： b= （3.18）因此，dK, 取dK=22mm （3.19）(3)端部倒角：C=23.3.6拖杯的设计计算为了增加其称重能力，我们选用铸刚来制作托杯，其材料为Q235。制作结构数据如图。我们在托盘的上方会故意刻制些许沟纹目的是防止承载物出现滑动现象为。也会在螺杆上钻去孔洞防止杆脱落。当托举重物，慢慢升起重物是，重物和托盘是相对静止的不能出现滑动。因此在起重时

29、，托杯底部与螺杆的接触面间有相对滑动，为了避免过快磨损，在螺杆与托杯接触面处需以润滑油润滑。托杯的基本尺寸可由螺杆顶部尺寸确定。详细尺寸如下：D12=26mmD13=46mmD11=D12=26mmR1=10mm R2=15mm H1=35mm H2=12mm H3=17mm3.3.7底座的设计底座材料常用铸铁HT150及HT200，选用HT150。铸件的壁厚S2一般不应小于812mm，我们在此取S2=15mm。本次设计最终目的是使其有较稳定的工作场景，所以底部我们选取的尺寸都比较大，最终我们设置110的斜度。底座结构及尺寸如图:S2=15mmS1=（1.52）S2=2*15=30mmH4=3

30、5mm H5=180mmD5=D4=45mmD8=D6=75mm由斜度1:10可计算得：D8=52mmD9=64mm D10=128mmD7=60mm 图 3.5-1 底座4结论 本次我们制作的是一个起重最大量3.5吨的螺旋式千斤顶。制作的千斤顶：最大的承载能力是3.5吨，最大的升起为180mm，传动结构是螺旋传动，因为其具有工作稳定工作寿命长等特点。本次论文的主要工作是在传动结构计算方面及其在选择制作零件的材料，和后期再制作后对千斤顶的每项强度的计算校核。致谢 本次毕业设计进入了尾声，在本次设计过程中，得到了闫来师的悉心教导，所以才这么顺利的完成本次设计，在此我十分感谢我的本次论文的指导老师闫老师。通过完成本次的设计，是我明白了许多道理，在遇到困难时只有不断的通过努力和想他们请教，虚心学习才能做好一件事，一次好的论文是离不开他人的帮助。参考文献1濮良贵，纪名刚.机械设计M，高等教育出版社，2008.4.第8版.2机械设计手册M，机械工业出版社，2002.08.3机械零件设计手册M，机械工业出版社，2005.044吴宗泽.罗圣国.机械设