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题 目 螺旋千斤顶的设计

目录

摘 要 .............................................................................................................................................. 2 ABSTRACT ...................................................................................................................................... 3 1 起重机械的概述 ........................................................................................................................... 4 2螺纹传动的设计与计算 ................................................................................................................ 5

2.1螺纹传动的类型和应用 ..................................................................................................... 5 2.2滑动螺旋的结构和材料 ..................................................................................................... 8

2.2.1滑动螺旋的结构 ...................................................................................................... 8 2.2.2螺杆和螺母的材料 .................................................................................................. 8

3.滑动螺旋传动的设计计算 ............................................................................................................ 9

3.1耐磨性计算 ......................................................................................................................... 9 3.2螺杆强度计算 ................................................................................................................... 10 3.3螺母螺纹牙的强度计算 ................................................................................................... 11 3.4 螺杆的稳定性计算 .......................................................................................................... 11 3.5自锁性校核 ....................................................................................................................... 12 4.千斤顶的工作原理和设计 .......................................................................................................... 13

4.1 千斤顶的概述 .................................................................................................................. 13 4.2千斤顶的原理 ................................................................................................................... 13 4.3千斤顶的设计 ................................................................................... 错误！未定义书签。

4.3.1.选择材料 ................................................................................ 错误！未定义书签。 4.3.2螺杆强度计算 ........................................................................ 错误！未定义书签。 4.3.3螺母螺纹牙的强度计算 ........................................................ 错误！未定义书签。 4.3.4. 螺母外部尺寸计算 .............................................................. 错误！未定义书签。 4.3.5.螺杆的稳定性计算 ................................................................ 错误！未定义书签。 4.3.6旋转杆的设计计算 ................................................................ 错误！未定义书签。

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5.附图 ............................................................................................................................................. 15 参考文献......................................................................................................................................... 19

螺旋千斤顶的设计

摘 要

螺旋千斤顶主要是有螺杆、手柄、底座、螺套、旋转杆、挡环、托杯的零部件组装而成的。在本次设计过程中对螺旋传动的计算和各零部件的设计与选材最为重要；并且重点运用了机械设计方面的知识，另外还运用了辅助绘图工具Auto CAD、Solid works等。 本文从螺旋千斤顶的零部件的设计与选材等多方面，阐述了它设计的全过程。尤其在工艺规程设计中，运用了大量的科学加工理论及计算公式，对它进行了精确地计算。 由于螺旋千斤顶是一种小型的起重设备，体积小方便携带，造价成本低，所以在日常生活中被广泛应用。

本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。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。

关键字：螺旋千斤顶，设计，绘图工具

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Screw jack design

ABSTRACT

Screw jack basically is to screw, handle, base plate, screw thread, revolve stem, block ring, \design and material selection of parts of the most important; Key using a mechanical design and the knowledge of the respect, and also using computer-aided drawing tools Auto CAD, Solid works etc.

This article from the parts of the screw jack the design and material selection and other aspects, this paper expounds the design process of it. Especially in the process planning design, use of a large number of scientific processing theory and calculation formula, it accurately

calculated. Due to screw jack is a small hoisting equipment, small volume easy to carry, cost low cost, so in daily life has been widely used.

This design is product development cycle of the key link, have throughout the product

development process all the time. To realize the function of product design and goals of the plan, structure and material selection. Manufacturing methods and product operation, use and

maintenance method. The modern machinery of product requirements no traditional mechanical products high, resulting in product development and the improvement process only comprehensive use of modern design theory, method and technology to meet the social modern machinery products to more and more stringent requirements, improve the market competition ability. KEY WORDS：Screw jack, design, drawing tools

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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1ｍ)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。

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2螺纹传动的设计与计算

2.1螺纹传动的类型和应用

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。

根据螺杆和螺母的相对运动关系，螺旋传动的常用运动形式，主要有一下两种：图2.1是螺杆传动，螺母移动，多用于机床的进给机构；图2.2是螺母固定，螺杆传动并移动，多用于螺旋起重器（千斤顶，图2.3）或螺旋压力机中。

图2.1

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图2.2

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图2.3

螺旋传动按其用途不同，可以分为以下三种类型：

1）传动螺旋。它以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工作阻力，如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇工作，每次的工作时间紧较短，工作速度不高，而且通常需要自锁能力。 2）传导螺旋。它以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷，如机床进给机构的螺旋等。传导螺旋常需在较长时间内连续工作，工作速度较高。因此要求具有较高的传动精度。 3）调整螺旋。它用以调整、固定零件的相对位置，如机床、仪器及测试装置中的微调机构的螺旋。调整螺旋常不经常转动，一般在空载下调整。

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2.2滑动螺旋的结构和材料 2.2.1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

滑动螺旋采用的螺旋类型有矩形、梯形和锯齿形。其中以梯形和锯齿形螺纹应用最广。螺杆常用右旋螺纹，只有在某些特殊的场合，如车床横向进给丝杠，为了符合操作习惯，才采用左旋螺纹。 2.2.2螺杆和螺母的材料

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2.1。

表2.1 螺杆与螺母常用材料

螺纹副 材料 应用场合 轻载、低速传动。材料不热处理 重载、较高速。材料需经热处理，以提高耐磨性 Q235 ,Q275 ,45 50 螺杆 40Gr ,65Mn ,20GrMnTi 精密传导螺旋传动。材9Mn2V,GrWMn,38GrMoAl 料需经热处理 ZcuSn10P1, ZcuSn5Pb5Zn5 一般传动 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 螺母 ZcuAL10Fe3,ZcuZn25AL6Fe3Mn 8

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3.滑动螺旋传动的设计计算

滑动螺旋工作时主要承受转矩及轴向拉力（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。其主要失效形式为螺纹磨损，因此，滑动螺旋的基本尺寸，通常是根据耐磨性条件确定的。对于受力较大的传动螺旋，还应噶校核螺杆的危险截面以及螺母螺纹牙的强度，以防止发生塑性变形或断裂对于要求自锁的螺杆应该校核其自锁性

下面主要介绍耐磨性计算和几项常用的校核计算方法。 3.1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ｐ作为计算条件，其校核公式为

ｐ＝F/Ａ＝F/лd2hz=FP/πd2hH≤[p]

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（mm2）；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3.1

表 3.1 滑动螺旋传动的许用压强[p]

螺纹副材料 滑动副速度/(m·min-1) 低速 钢对青铜 <3.0 6~12 >15 钢-耐磨铸铁 钢-灰铸铁 钢-钢 淬火钢-青铜 6~12 <2.4 6~12 低速 6~12 许用压强/MPa 18~25 11~18 7~10 1~2 6~8 13~18 4~7 7.5~13 10~13 注：?<2.5或人力驱动时，[p]可提高20%；螺母为剖分式时，[p]应降低15%-20%。 为便于推导设计公式，令? =H/d2，代入式整理后得螺纹中径的设计公式为 d2≥

FP/oDh[p]

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对矩形、梯形螺纹，h=0.5P，则

d2≥0F/o[p]

对锯齿形螺纹，h=0.75P，则

d2≥0.65F/o[p]

?值根据螺母的结构选取。对于整体式螺母，磨损后间隙不能调整，通常用于轻载或精度要求低的场合，为使受力分布均匀，螺纹工作圈数不宜过多，宜取?=1.2～2.5；对于剖分式螺母或螺母兼作支承而受力较大，可取?=2.5～3.5；传动精度高或要求寿命长时，允许?=4。

根据公式计算出螺纹中径d2后，按国家标准选取螺纹的公称直径d和螺距P。由于旋合各圈螺纹牙受力不均，故z不宜大于10。 3.2螺杆强度计算

螺杆受轴向力F及转矩T的作用，危险截面上受拉（压）应力σ和扭转切应力τ。根据第四强度理论，τ螺杆危险截面的强度校核公式为

式中，d1为螺杆螺纹的小径（mm）；[σ]为螺杆材料的许用应力（MPa），见

d2表3.2；T为螺杆所受转矩(N·m)；由式T=F

2项目 钢制螺杆 许用应力/ MPa tan(λ+ρν)。

表3.2滑动螺旋副材料的许用应力

[σ]=σS/3~5 σS为材料的屈服极限/ MPa 材料 青铜 许用弯曲应力[σb] 许用切应力[τ] 40~60 50~60 45~55 （1.0~1.2）[σ] 30~40 40 40 0.6[σ] 螺母 耐磨铸铁 铸铁 钢 注：静载荷许用应力取大值。

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3.3螺母螺纹牙的强度计算

螺纹牙多发生剪切与弯曲破坏。由于一般情况下螺母材料的强度比螺杆低，因此只需校核螺母螺纹牙的强度。

假设载荷集中作用在螺纹中径上，可将螺母螺纹牙视为大径D处展开的悬臂梁（图1.6），螺纹牙根部aa处的弯曲强度校核公式为 σb= 3Fh/πDb2z≤[σb] 剪切强度校核公式为

τ=F/zπDb≤[τ]

式中，F、h、z同式（1-6）；D为螺母螺纹的大径(mm)；b为螺母螺纹牙根部宽度(mm)；可由国家标准查得，也可取矩形螺纹b=0.5P，梯形螺纹b=0.65P，锯齿形螺纹b=0.74P；[σ] 、 [b]、[τ]分别为螺母螺纹牙的许用弯曲应力和许用切应力(MPa)，见表3.2

若螺杆与螺母的材料相同，由于螺杆螺纹的小径d1小于螺母螺纹的大径D，故应校核螺杆螺纹牙的强度，这时公式中的D应改为d1。 3.4 螺杆的稳定性计算

对于长径比大的受压螺杆，当轴向力F超过某一临界载荷FC时，螺杆可能会突然产生侧向弯曲而丧失稳定。因此，对细长螺纹应进行稳定性校核。螺杆的稳定性条件为

式中，S为稳定性安全系数，对于传力螺旋取S=3.5～5；对于传导螺旋取S=2.5～4；对于精密螺杆或水平螺杆取S>4。

临界载荷FC与螺杆的柔度γ及材料有关，根据γ=式计算。

当γ≥85～90时，根据欧拉公式计算，即

?L的大小选用不同的公i

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=2.06

?d14×105；I为危险截面的惯性矩（mm），I=，d1为螺杆螺纹内径(mm)；μ为长

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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

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杆危险截面的惯性半径(mm)，I=

I?d12/4=

d1。 4表3.3 长度系数μ

螺杆端部结构 两端固定 一端固定，一端不完全固定 一端固定，一端自由（如千斤顶） 一端固定，一端铰支（如压力机） 两端铰支（如传导螺杆） 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/do<1.5铰支；lo/do=1.5～3不完全固定；lo/do>3固定。

采用滚动支承时：

μ 0.5 0.6 2 0.7 1 只有径向约束时为铰支；径向和轴向都有约束为固定。 3.5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

式中，?ν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?ν（定期润滑）

螺旋副材料 ?ν 钢和青铜 钢和耐磨铸铁 钢和铸铁 钢和钢 淬火钢和青铜 0.08～0.10 0.10～0.12 0.12～0.15 0.11～0.17 0.06～0.08 12

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4.千斤顶的工作原理和设计

4.1 千斤顶的概述

千斤顶是一种起重高度小(小于1ｍ)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。

4.2千斤顶的原理

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

式中，T1、T2分别为螺纹副摩擦力矩及顶盖与接触面摩擦力矩（N·mm）；fc=0.15为顶盖与支承面的摩擦系数；D0为顶盖底座与支承面接触部分外径（mm），由经验公式D0=（1.6～1.8）d确定，取D0=45mm；d0为顶盖底座与支承面接触部分内径（mm），取d0=18mm,FH为手作用在旋转杆上的力（N）,如一人连续工作，手作用力通常取FH=150～200N,取FH=180N；LH为旋转杆有效长度（mm）。

33??145?18??21000021.5tan4.23?5.71??0.15故 180 LH=? ??222345?18???? 13

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得 LH=253 mm 取LH=300 mm

2) 确定旋转杆直径dk

选旋转杆材料为45钢，σS=355MPa,许用弯曲应力??b??s=237～178

?1.5~2Mpa，取[σb]=220 Mpa。

旋转杆的弯曲强度条件为

σb=

FHLHW?FL?HH???b?

32d3k因此，dK≥

32?180?350??200=153.34mm, dK =200mm。

顶盖其他部分尺寸为

顶盖高h=(0.8～1)Do=36～45mm 取h=40mm

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5.附图

起重螺杆

底座

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