螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計及運動仿真

螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計及運動仿真 1 1 緒論 1.1 本課題的研究內(nèi)容 和 意義 千斤頂是一個在我們平時的生活生產(chǎn)中，經(jīng)常會使用到的設(shè)備。它能夠輔助我們完成一些單使用人力很難以完成的工作比如抬起轎車進行維修，移動笨重的設(shè)備物品，架設(shè)橋梁大墩等等一些列工作。 因此千斤頂技術(shù)的發(fā)展將直接或間接影響到這些行業(yè)或部門的正常運作和未來的發(fā)展。本次對螺旋千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)分析與設(shè)計是為了更深入地了解千斤頂?shù)脑砼c應(yīng)用。通過查閱大量文獻資料，設(shè)計和繪制千斤頂各部件圖零件圖，不僅熟悉了手驅(qū)動螺旋千斤頂?shù)墓ぷ髟砗瓦^程，讓我也熟悉和強化了一些繪圖軟件的使用，同時也加深了對 機械基礎(chǔ)知識的了解。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 國外發(fā)展情況：早在 20世紀 40年代，臥式千斤頂就開始在汽車維修的行業(yè)中得到使用，當(dāng)由于當(dāng)時技術(shù)和使用的原因，千斤頂設(shè)計時尺寸和體積較大，承載量較低，使用不便。后來隨著社會需求量的加大以及千斤頂本身技術(shù)的發(fā)展，在 90年代初，國外大部分用戶用臥式千斤頂頂取代了立式千斤頂 1。在 90年代后期一些新型的千斤頂也相繼出現(xiàn)如充氣式千斤頂和便攜式千斤頂。 充氣千斤頂由保加利亞一汽車運輸研究所發(fā)明的，它由彈性的而又非常堅固的橡膠制成的。使用時，用軟管將千斤頂連在汽車的排氣 管上，經(jīng)過 1520秒，汽車將千斤頂鼓起，成為圓柱體。這種千斤頂可以把 115t重的汽車頂起 70cm。 Power-Riser型便攜式液壓千斤頂則可以用于所有類型的鐵道車輛，包括裝運三層汽車的貨車、聯(lián)運車以及高車頂車輛。同時它具有一個將負載定位的機械鎖定環(huán)，一個三維機械手，一個全封閉構(gòu)架以及一個用于防止雜質(zhì)進入液壓系統(tǒng)的外置過濾器。另外一種名為 Tcuck Jack的便攜式液壓千斤頂則可以用于對已斷裂的貨車轉(zhuǎn)向架彈簧進行快速的現(xiàn)場維修。該千斤頂能在現(xiàn)場從側(cè)面對裝有 70125t級轉(zhuǎn)向架的大多數(shù)卸載貨車進行維修， 并能完全由轉(zhuǎn)向架側(cè)架支撐住。它適用于車間或軌道上無需使用鋼軌道碴或軌枕作支承的情況。 國內(nèi)發(fā)展情況： 我國千斤頂技術(shù)發(fā)展較晚，由于缺少與國外先進技術(shù)的交流，所以直到 1979年才接觸到類似國外臥式千斤頂這樣的產(chǎn)品。但是經(jīng)過我們重新對產(chǎn)品進行設(shè) 計改造，在外型美觀、使用方便、承載量大、壽命長等方面都已經(jīng)超過國外同類的產(chǎn)品 并且迅速打入歐美市場。經(jīng)過多年設(shè)計與制造的實踐，除了臥式千斤頂以外，我國的千斤頂還規(guī)格齊全，還研制出了新型折疊式液壓千斤頂、新型剪式千斤頂、快速升降千斤頂、多用千斤頂、便攜式電動千斤頂?shù)鹊?，形成系?產(chǎn)品。隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車對千斤頂?shù)囊笠苍絹碓礁?；同時隨著市場競爭的加劇，用戶要求的不斷變化，將迫使千斤頂?shù)脑O(shè)計質(zhì)量要不斷提高，以適應(yīng)用戶的需求。用戶喜歡的、市場需要的千斤頂將不僅要求重量輕，攜帶方便，外形美觀，使用可靠，還會對千斤頂?shù)倪M一步自動化，甚至智能化都有所要求。目前我國的汽配企業(yè)不僅需要供應(yīng)國內(nèi)市場的需要，每年還出口約 500萬臺汽車用千斤頂?shù)绞澜绺鞯?。雖然如此，仔細分析千斤頂設(shè)計制造的技術(shù)水平，采用先進技術(shù)不足，仍存在較大的改進空間 2。 1.3 本課題應(yīng)達到的要求 (1)了 解螺旋千斤頂?shù)难芯楷F(xiàn)狀，以及螺旋千斤頂在國內(nèi)外的使用情況，以及存在的一些問題。 (2)了解螺旋千斤頂?shù)慕M成以及螺旋千斤頂?shù)脑敿殬?gòu)造、各個零件的尺寸功能以及組裝方法，工作原理。 (3)進行螺旋千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計與計算。并使用 CAD 對千斤頂各部分零件進行繪制裝配。 (4)使用 PRO/E 對螺旋千斤頂進行仿真分析。 (5)熟悉千斤頂?shù)墓ぷ髟砗褪褂梅椒ǎ私馇Ы镯敻髁悴考慕Y(jié)構(gòu)特點，提高自己獨螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計及運動仿真 3 立開發(fā)與設(shè)計的能力，學(xué)習(xí)設(shè)計的基本思路。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 螺旋千斤頂 的概述和 設(shè)計要求 千斤頂又叫舉重器、頂重機、頂升機等，是一種用比較小的 力就能把重物頂升、下降或移位的簡單起重機具，也可用來校正設(shè)備安裝的偏差和構(gòu)件的變形等。千斤頂主要用于廠礦、交通運輸?shù)炔块T作為車輛修理及其它起重、支撐等工作。其結(jié)構(gòu)輕巧堅固、靈活可靠，一人即可攜帶和操作。隨著現(xiàn)在家用汽車的越來越普及，帶動了一批與家用車相關(guān)的行業(yè)，家用車的售后維修就是其中之一，而家用車的維修中，千斤頂又是必備的工具之一。千斤頂是用剛性頂舉件作為工作裝置，通過頂部托座或底部托爪在小行程內(nèi)頂升重物的輕小起重設(shè)備，千斤頂?shù)捻斏叨纫话銥?400mm，頂升速度一般為 10-35mm/min，起重能力最大可 達 500t。 螺旋千斤頂由底座、螺桿、螺母、托杯、手柄等零件所組成。螺桿在固定螺母中旋轉(zhuǎn)并上升或下降，把托杯上的重物舉起或放下。 設(shè)計時某些零件的主要尺寸是通過理論計算確定的，其它結(jié)構(gòu)尺寸則是根據(jù)經(jīng)驗公式或制造工藝決定的，必要時進行強度驗算， 對這一裝置的主要要求是 :保證各零件有足夠的強度、耐磨性、能自鎖、穩(wěn)定性合格等。 螺旋式千斤頂分為：固定式螺旋式千斤頂、 LQ 型固定式螺旋千斤頂和移動式螺旋千斤頂三大類。（ 1）固定螺旋式千斤頂有普通式和棘輪式兩種，在作業(yè)時，未卸載之前不能作平面移動；（ 2） LQ 型固定螺旋式千斤 頂結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，使用方便。它有棘輪組、大小錐齒輪、升降套筒、鋸齒形螺桿、主架等組成；當(dāng)往復(fù)搬動手柄時，撐牙推動棘輪組間歇回轉(zhuǎn)，小錐齒輪帶動大錐齒輪，使鋸齒形螺桿旋轉(zhuǎn)，從而使升降套筒上升或下降。由于推力軸承轉(zhuǎn)動靈活，摩擦力小，因而操作靈敏，工作效率高。（ 3）移動式螺旋千斤頂是一種在頂升過程中可以移動的千斤頂，在作業(yè)時，它的移動主要是靠其底部的水平螺桿轉(zhuǎn)動，從而使頂起或下降的重物連同千斤頂一同做水平移動。因此，移動式螺旋千斤頂在設(shè)備安裝施工中用來就位便很使用。 螺旋千斤頂是利用螺旋傳動來頂舉重物， 螺旋千斤頂是 通過往復(fù)扳動手柄，拔爪即推動棘輪間隙回轉(zhuǎn)，小傘齒輪帶動大傘齒輪、使舉重螺桿旋轉(zhuǎn)，從而使升降套筒獲得起升或下降，而達到起重拉力的功能， 是汽車修理和機械安裝常用的一種起重或頂壓工具，但頂舉的高度不能太高。工作中，手柄穿在螺旋桿頂部的孔中，旋動手柄，螺旋桿在螺套中靠螺紋上、下移動，頂墊上的重物隨著螺桿的上升而頂起。螺套鑲在底座里，用螺釘定位，磨損后便于更換修配，在螺桿的球面型頂部，套一個頂墊，靠螺釘和螺旋桿聯(lián)接而不固定，使頂墊相對螺桿滑動而不掉落。 螺旋千斤頂按其結(jié)構(gòu)和使用場所分為： （ 1） 普通型螺旋千斤頂，其 代號的表征字母為 ql。 （ 2） 普通高型螺旋千斤頂，其代號的表征字母為 qlg。 （ 3） 普通低型螺旋千斤頂，其代號的表征字母為 qld。 （ 4） 鉤式螺旋千斤頂 ,其代號的表征字母為 qlg。 （ 5） 剪式螺旋千斤頂 ,其代號的表征字母為 qlj。 （ 6） 自落式螺旋千斤頂 ,其代號的表征字母為 qlz3。 螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計及運動仿真 5 按螺桿與螺母相對運動方式，螺旋傳動有以下四種方式，如圖 2.1。 （ 1）螺母不動。如圖 2.1（ a），螺桿轉(zhuǎn)動并且往復(fù)運動，這種結(jié)構(gòu)以固定螺母為主要支撐，結(jié)構(gòu)簡單，但占據(jù)空間大。 （ 2）螺母轉(zhuǎn)動。 如圖 2.1（ b），螺桿做支線運動，螺桿應(yīng)做防轉(zhuǎn)機構(gòu)，螺母轉(zhuǎn)動要設(shè)置軸承，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。 （ 3）螺母轉(zhuǎn)動并沿直線運動。如圖 2.1（ c），螺桿固定不動，結(jié)構(gòu)較為簡單，但是精度不高。 （ 4）螺桿轉(zhuǎn)動。如圖 2.1（ d），螺母做往復(fù)運動，這種方式運動占據(jù)空間小，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。 圖 2.1 螺旋傳動方式 本次設(shè)計使用的是如圖（ a）的第一類結(jié)構(gòu) ，螺旋千斤頂?shù)淖畲笃鹬刂亓?F=65KN，最大起升高度 H=240mm。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 3 螺旋千斤頂各部分的設(shè)計與計算 3.1 螺桿的計算 3.1.1 螺 桿螺紋類型的選擇 螺紋有三角形、矩形、梯形、鋸齒形，常用的是梯形螺紋。梯形螺紋牙型是等腰梯形，牙型角 =30，梯形螺紋的內(nèi)外螺紋以錐面貼近不易松動，能夠起到傳動作用。故選梯形螺紋，它的基本型號按 GB/T5796.1-2005 的規(guī)定。 3.1.2 選取螺桿材料 螺桿材料常用 Q235、 Q275、 40 鋼、 45 鋼、 55 鋼等。螺桿承受重載，可初選螺桿的材料為 45 鋼。最后根據(jù)強度條件來驗證確定最終材料。由參考文獻 1表 3-1 查得抗拉強度 MPab 600 ，屈服強度 MPas 355 。 3.1.3 螺桿的直徑 螺桿工作時，同時受到壓力和轉(zhuǎn)矩的作用。因此它的計算可近似按螺栓聯(lián)接的計算公式求得螺紋小徑，即 1 PFd （ 3.1） 許用應(yīng)力 (3 5)s （ 3.2） 由參考文獻 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 則 314 1 . 3 6 5 1 0 3 6 . 6 880d m m 選梯形螺紋 48 8Tr 螺紋大徑 48d mm ， 1 4 8 1 4 9D d m m 螺 紋中徑 22 4 4 8 4 4 4d D d m m 螺紋小徑 mmdd 3994891 1 8 4 8 8 4 0D d m m 螺距 8p mm 螺紋根部厚度 1 0 . 6 3 4 0 . 6 3 4 8 5 . 0 7 2t p m m 螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計及運動仿真 7 螺紋工作高度 mmh=0.5p=0.5 8=4 較核螺桿強度 螺紋力矩 21 t a n ( ) 2v dTF （ 3.3） 螺紋升角 )arctan( 2dnp （ 3.4） 218a r c t a n ( ) a r c t a n ( ) 3 . 3 144np d 由參考文獻 1表 3-6 0.18 (鋼與鑄鐵的滑動摩擦系數(shù)無潤滑 ) 當(dāng)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 按第四強度 理論較核， 螺桿危險截面強度校核公式為 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 滿足要求。 圖 3.1 螺桿受力圖 根據(jù)數(shù)據(jù)畫出螺桿受力簡圖，根據(jù)螺桿受力圖 3.1 可知，螺桿工作時主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向壓力的作用，因此需要進行螺桿強度計算，此外還要進行自鎖性計算。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 3.1.4 自鎖性驗算 自鎖條件v 其中 3.31 故 v，可用，且 4 4 30 ，可靠。 3.1.5 螺桿結(jié)構(gòu) 螺桿上端直徑 ( 1 . 7 1 . 9 ) ( 1 . 7 1 . 9 ) 4 8 8 1 . 6 9 1 . 2d m m 2D 取 85mm2D 手柄孔徑 ( 0 . 5 1 )kpdd 式中： 35pd mm 則 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 退刀槽直徑 1 ( 0 . 2 0 . 5 ) 3 9 ( 0 . 2 0 . 5 ) 3 8 . 8 3 8 . 5d m m cd 取 38.6cd mm 退刀槽寬度 mmpb 1285.15.1 螺桿膨大部分長度 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 螺桿長度 mmhlHHl 46616701402401 3.1.6 穩(wěn)定性計算 細長的螺桿工作時受到較大的軸向壓力，螺桿可能失穩(wěn)，為此按下式演算螺桿的穩(wěn)定性。 2 .5 4 .0crFF （ 3.6） 螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計及運動仿真 9 式中，crF為螺桿的臨界壓力。 22()crEIFL。彈性模量 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，為固定支承， 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 ，螺桿可以穩(wěn)定工作。 3.2 螺母的設(shè)計計算 3.2.1 螺母的材料 螺母的材料選用 HT300。 3.2.2 確定螺紋旋合圈數(shù) 根據(jù)耐磨性旋合圈數(shù) z，即 2 FPppd h H （ 3.7） 2 Fz d h p （ 3.8） 由參考文獻 1表 6-1 mnNp /15 2 36 5 1 0 7 . 8 44 4 1 5 4z 螺母實際圈數(shù) 1 . 5 7 . 8 4 1 . 5 9 . 3 4zz 1 0 , 1 . 5 8 . 5z z z 取 則 螺母旋合長度 1 0 8 8 0H z p m m 校核螺母的高徑比 8 0 4 4 1 . 8 2 2= H d 由參考文獻 1表 6-1， 2 . 5 3 . 5 兼 做 支 承 的 螺 母，不能滿足要求。故要重新確定螺母的無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 高度。 3.2 取 ，則2 3 . 2 4 4 1 4 0 . 8H d m m 取 140H mm 3.2.3 校核螺母的螺牙強度 (1）剪切強度 由參考文獻 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 故滿足要求。 (2）彎曲強度 213 bbFhD t z （ 3.9） 式中 mmh=4 由參考文獻 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 故滿足要求。 3.2.4 螺母其它結(jié)構(gòu)尺寸 (1)螺母外徑 MMDD 2.884.7849)8.16.1()8.16.1( 取 80D mm (2)螺母凸緣厚度 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 凸緣厚度 80 2 6 . 6 73 mmHa= 3 取 25a mm 3.2.5 螺母外徑和凸緣強度的計算及螺母懸置部分校核 （ 1）螺母外徑 2 2( 1 . 2 1 . 3 ) 1 ()4FDD （ 3.10） 式中：螺母的許用拉應(yīng)力 0 .8 3 b 螺母材料的許用彎曲應(yīng)力 b， 2 4 5 5 5b N m m 螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計及運動仿真 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）凸緣與底座接觸部分的擠壓強度計算 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 螺母上固定螺釘用 GB/T 71 M12 （ 3）凸緣根部的彎曲強度計算 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。 圖 3.2 螺母簡 圖 根據(jù)所得數(shù)據(jù)，畫出螺母簡圖如圖 3.2。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 3.3 托杯的設(shè)計計算 3.3.1 驗算接觸面間的壓力強度 螺旋千斤頂起重時，因托杯底與螺桿接觸面間相對滑動，所以要驗算接觸面間的壓力強度， 22451()4FppDD （ 3.13） 直徑42 ( 2 4 ) 8 5 ( 2 4 ) 8 3 8 1D D m m 4 82D mm取 直徑 5 ( 1 2 ) 3 0 ( 1 2 ) 3 1 3 2D d m m 5 31D mm取 則 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 托杯的外口徑 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 圖 3.3 托杯簡圖 根據(jù)數(shù)據(jù)，作出托杯簡圖如圖 3.3。 3.4 手 柄的設(shè)計計算 螺旋千斤頂?shù)脑O(shè)計及運動仿真 13 3.4.1 手柄材料 手柄的材料選取 Q235。 3.4.2 手柄長度 1）作用于手柄上的力矩12TTPT=KL，從而可得 12P TTL K 2） K 為搬動手柄的臂力，起取值為 K = 1 5 0 2 5 0 N，取 K=200N 3）螺紋力矩 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 為 常 數(shù) ）（ p=C ） 4）手柄長度 5512 3 . 5 3 1 0 1 . 2 8 1 0 2405200P TTL m mK 1500PL m m取 5）手柄的實際長度 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 手柄直徑 按彎曲強度設(shè)計 3 0 . 1PKLbbPd （ 3.14） 則3 0 . 1 PKL Pbd （ 3.15）