1、 2007 届 毕业设计论文 第 1 页 共 17 页 1 引言 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。 千斤顶包括：液压千斤顶，螺旋千斤顶，立式千斤顶，油压千斤顶，薄型千斤顶，爪式千斤顶，卧式千斤顶，立式油压千斤顶等等 。 在众多 千斤顶中螺旋千斤顶有其特别之处， 螺旋千斤顶（机械千斤顶）可倒立使用，螺旋千斤顶靠机械丝杠力。采用全新架构，及优质选材，具有结构新，使用寿命长，维修方便，是普通千斤顶升级及替代产品，广泛使用在电
2、力维护，桥梁维修，重物顶升，静力压桩，基础沉降，桥梁及船舶修造，特别在公路铁路建设当中及机械校调、设备拆卸等方面。 螺旋千斤顶是由铸铁底座，固定在外壳内的螺母和螺杆所组成，在螺杆上端装有托盘用以支承载荷，手柄用来旋转螺杆，螺杆后端的粗大的部分可防止螺杆完全旋出。对于工作场所受限制的地方，手柄不能转动整个或半个圆周时，可 用棘轮扳手旋转螺杆。这种千斤顶的螺杆的螺旋角度小，自锁好，因而在顶重后能自动制动，不会自动下降，不需要装安全摇柄。螺旋千斤顶的特点是：工作平稳、准确、可靠 (有自锁作用 )，构造简单耐用，因此，在安装工作中用得较多。 手动螺旋千斤顶主要包括底座、棘轮、圆锥齿轮副、托杯、传动螺纹
3、副等部分。千斤顶最大起重量是其最主要的性能指标之一。千斤顶在工作过程中，传动螺纹副承受主要的工作载荷，螺纹副工作寿命决定千斤顶使用寿命，故传动螺纹副的设计最为关键，其设计与最大起重量、螺纹副材料、螺纹牙型以及螺纹头数等都有关系。 合理的手 动螺旋千斤顶在满足设计性能和要求的前提下，从结构紧凑、减轻重量、节省材料和降低成本考虑。在给出千斤顶最大起重量、传动螺纹副材料及其屈服应力、螺纹头数等基本设计要求和圆锥齿轮副等已定的情况下，可从螺纹副设计着手考虑，使螺纹副所用材料最少，即在满足设计性能的情况下，传动螺杆、螺母所占体积最少 2007 届 毕业设计论文 第 2 页 共 17 页 2 设计 过程
4、手动螺旋千斤顶主要包括底座、棘轮、圆锥齿轮副、托杯、传动螺纹副等部分。千斤顶最大起重量是其最主要的性能指标之一。千斤顶在工作过程中，传动螺纹副承受主要的工作载荷，螺纹副工作寿命决定千斤顶使用寿命，故传动螺纹 副的设计最为关键，其设计与最大起重量、螺纹副材料、螺纹牙型以及螺纹头数等都有关系。结构如下： 手动螺旋千斤顶 机构简图： 1丝杠 壳体 手柄 2.1 工作原理 ： 首先要了解千斤顶的工作原理：千斤顶是利用螺旋传动来顶举重物的一种起重或顶压工具，常用于汽车修理及机械安装中。工作时，重物压于顶垫之上，将绞杠穿入螺旋杆上部的孔中，旋动绞杠，螺旋杆在螺套中靠螺纹做上、下移动，从而顶起或放下重物。螺
5、套镶在底座里，用螺钉定位，磨损后便于更换。顶垫套在螺旋杆顶部，其球面形 成传递承重之配合面，由螺钉锁定，使顶垫相对螺旋杆旋转而不脱落。 手动螺旋千斤顶在满足设计性能和要求的前提下，从结构紧凑、减轻重量、节省材料和降低成本考虑。在给出千斤顶最大起重量、传动螺纹副材料及其屈服应力、螺纹头数等基本设计要求和圆锥齿轮副等已定的情况下，可从螺纹副设计着手考虑，使螺纹副所用材料最少，即在满足设计性能的情况下，传动螺杆、螺母所占体积最少。 螺杆的体积为： v1= d22L/2 螺母的体积为： v2= ( 2-D22)H/4 式中： d2 螺杆中径， mm； D 螺母外径（虚拟）， mm； D2 螺母中径，
6、mm； 3 2 1 2007 届 毕业设计论文 第 3 页 共 17 页 L 螺杆总长， mm； H 螺母高度， mm. 考虑到传动效率要求较高和螺纹受力较大等因素，千斤顶一般采用锯齿形螺纹传动，其大径、中径、小径之间有如下关系： d2=d 0.75P d1=d 1.736P 且内、外螺纹有如下关系： D d;D2=d2; 式中， D2、 d2 为内、外螺纹中径； P 为螺距 ;、为内、外螺纹大径； 1为内螺纹小径。 则目标函数（即传动螺纹副体积之和）为： V=V1+V2= L(d-0.75P)2-/4+ D 2-(d-0.75P)2- H/4 从目标函数表达式中可以看出，、均为常量，而螺距
7、P 取值虽为整数，但其取值随螺纹公称直径而变化，这里将其作为变量。故变量有、 P 三个，记作： X= x1,x2， x3 T= d,H， P T 目标函数表达式为： V(x)= L(x1-0.75x3)3/4+ D 2-(x1-0.75x3)2 x2/4 2.2 耐磨性条件 锯齿形螺纹工作高度 h： h=0.75P 根据手动螺旋千斤顶传动螺纹副滑动速度较低，及螺母和螺杆材料等条件，查取许用比压 p： 计算比压为： p=FP/(d-0.75P) hH p 2.3 螺纹的自锁条件 螺旋升角： =arctanP/ d2=arctanP/ (d-0.75P) 当量摩擦角 v=arctanuv， uv
8、为螺纹副当量摩擦系数。 自锁条件为： v (1 1.5 ),即 arctanP/ (d-0.75P) v (1 1.5 ) 2.4 螺杆的强度条件 （ 1）拉伸强度条件 螺纹危险截面面积 A为： A= (d-1.736P)2/4 螺杆所受转矩 T： T=F tan( + v)(d 0.75P)/2 当量应力为： 式中， F为千斤顶最 大起重量，单位为 N. 2007 届 毕业设计论文 第 4 页 共 17 页 查表 ,确定许用应力 . 当量应力应小于许用应力，即： ca （ 2） 螺纹牙剪切强度条件 按机械性能较弱的螺母材料进行计算： 螺母的外径 D 等于螺杆外径 d： D=d 螺纹牙根厚 b
9、： b=0.75P 螺纹旋合圈数 z： z=H/P 查表取得许用剪切应力 . 按剪切强度进行计算： =F/( Dbz)=F/( d 0.75P H/P)， . （ 3） 螺纹牙弯曲强度条件 同样，取机械性能较弱的螺母材料进行计算。 按弯曲强度进行计算： b=3F(D-D2)/( Db2z)=3F(d-d2)/( Db2z)=3F d-(d-0.75P) /(Db2z) b b . 对静载，许用应力应取较大值。 2.5 螺杆的稳定性条件 确定螺杆的柔度值： = L/i 式中，为螺杆的长度系数， L为螺杆的总长度， i 为螺杆危险截面惯性半径， i=d1/4. 螺杆的长度系数根据螺纹副固定形式取值
10、。 值小于许用值，即： . 2.6 直径 与螺距 取值范围 查机械设计手册，取 d值范围为： 20mm d 650mm. (8)螺母最大高度（螺纹啮合长度）范围： 30 mm H 280 mm. 螺纹螺距取值范围 查机械设计手册，得 P值范围为 2 mm P 24 mm. g12(x)=x3-24 0 2.7 设计实例 已知 一种手动螺旋千斤顶，最大设计起重量为 10 kN，螺纹为 矩形 形，螺杆材料采用 40Cr，热处理 HRC45 50， s=785Mpa，螺母用 ZCuAl10Fe3，螺纹副当量摩擦系数为 v=0.13,千斤顶最大起重高度为 150 mm,圆锥齿轮厚为 30 mm,轴承固
11、定端 l0/d0=7/18。试设计传动螺纹副，2007 届 毕业设计论文 第 5 页 共 17 页 使其结构紧凑、所用材料最省。 根据前面 的数学建模，我们先通过查表或计算，得到约束条件的各个相关参数，然后再将其代入上述建模的约束条件，从而得到螺纹副的最优设计方案。 （ 1） 根据耐磨性计算螺杆直径 按上面公式对青铜低速时对人力驱动（ p）可提高 20%，即 p=(18-25) 120%=21.6-30MPa,取 p=25MPa 螺母为整体螺母， =1.2-2.5，取 =1.82。选螺纹牙形，按式得 d2 0.810000 1.822=4.8 （ 2） 螺杆（图如下）强度计算，得螺杆许可应力为
12、 = 8/S=360/3=120MPa 螺杆强 度计算按式较繁，现象参照普通螺栓联接的计算公式，得 d1 4 1.25/ =5 10000/3014 120=4.54 比较上面两式计算结果，螺杆直径应由螺杆强度条件确定，即 d1查手册，选右旋单线T36 6，即 d=36mm,d1=29mm,d2=33,p=6mm.必要时，可以选好的尺寸代入进行校核计算。 （ 确定螺母的高度 H= d2=1.82 33=60mm。由此得螺纹圈数 z=H/P=60/6=10 （ 3） 自锁校核螺旋升角 . =arctgp/ d2= arctg6/3.14 33=3.31 4.5 满足自锁条件。 （ 4） 螺纹牙强
13、度校核 T36 6 梯形螺纹牙底宽度 b=0.65p=0.65 6=3.9mm,螺纹工作高度h=0.5p=0.5 6=3mm,H=60MM,Z=10。螺纹牙的 剪切和弯曲强度为 =Q/Z Db=10000/10 3.14 36 3.9=2.3 MPa =3Qh/ Dzb2 =3 10000 3/3.14 36 10 3.92 =5.23MPa 由此得青铜螺母的 =3040 MPa， =4060 MPa，故 ， ，这说明螺纹牙的强度足够。 （ 5） 稳定性校核 起重螺旋可视为一端固定，一端自由的压杆，取长度折算系数 =2。螺杆的工作长度 L=L1+H/2+L2, 通常取 L2=1.5d,故 L=
14、150+60/2+54+234mm=109 长径比 =4ul/d1=4 2 234/29=64.55 由此可知未淬火钢压杆在 90 时的邻界载荷为 2007 届 毕业设计论文 第 6 页 共 17 页 Qc=340/1+0.00013 2 d12 /4=340/1+0.00013 64.552 3.14 292 /4=1445671N Nc=145671/10000= nc=2.54 核算结果，稳定性不够。为了满足稳定性要求，将螺杆进行淬火处理，并将直径增大为 d=40mm,即改选 T40 6， d1=33mmm,d2=37mm。则螺杆的长度为 L=150+60/2+1.5 40=255mm
15、长径比 =4ul/d1=4 2 240/33=58.18 对淬火钢压杆在 85 时的临界载荷为 Qc=490/1+0.0002 2 d12 /4=490/1+0.0002 58.18 2 3.14 332 /4=2499kN 稳定性安全系数为 Nc=Qc/Q=249911/1000=2.5nc=2.54 所以足够稳定。 （ 6） 螺旋的传动效率 螺纹升角为 =arctgp/ d2 =arctg6/3.14 37=2.95 当量摩擦系数 fv=0.08(钢对铜 fv=0.080.10)，则得当量摩擦角 v=arctgfv=4.57 故 =tg /tg( + v)=0.391 符合要求。 其他各零
16、件图见附页。 2007 届 毕业设计论文 第 7 页 共 17 页 3 设计软件的选择 （ 1） CAD 系统功能 CAD(Computer Aided Design)是利用计算机的计算功能和图形处理能力 ,辅助进行产品或工程设计与分析的法。 20 世纪 40 年代， CAD 技术开始发展。之后，随着计算机技术的飞速发展，人们开始利用计算机进行复杂的数值计算、非数值计算和事务处理，同时也开始了“人工智能的研究”。 1962年，麻省理工学院（ MIT）的 ROSS DT 和 COONS SA 合作，开始探索计算机辅助设计的研究。Coons 在题为“ An Outline of the Requi
17、rements for the Computer Aided Design” (计算机辅助设计要求纲要 )的报告中，对 CAD 作了如下描述：设计者坐在 CRT 的控制台前用光笔操作，从概念设计到生产设计进而到制造，都可以用人机对话形式来实现。因此， CAD 的功能不仅仅限于设计，也适用于任何一种创造性的活动，具有高度的人工智能。 随着计算机技术特别是微型机及其绘图技术的发展， CAD 技术已在机械、电子、航空航天、建筑等领域得到广泛应用。 进入新的世纪以来，随着计算机网络信息技术的迅猛发展，现代计算机 3D 技术使人们对现 实世界的描述重新回到了原始的直观三维境界，并且已经随着计算机应用的普
18、及在迅速成为今天的现实。 三维 CAD 是 3D 技术在现代工业的应用。象 CATIA、 UG、 CAXA 等三维 CAD 软件系统，它基于生产制造应用目的，强调三维模型的精确描述，包括其精确的尺寸、坐标、公差、技术要求以及零件间精确的结构装配关系和结构功能属性等的精确表达。 虚拟现实是 3D 技术大规模系统应用的方向，强调对三维场景的宏观描述和系统动态关系，在三维模型细节的精确和逼真方面则采取尽可能简化处理。 （ 2） AutoCAD AutoCAD 诞生于 1982 年，最初的 1.0 版只具有简单的二维绘图功能，但同其它大型、专业化的 CAD 软件相比，它对计算机系统的要求较低、价格便宜
19、、具有较高的性能价格比。经过 20多年的发展， AutoCAD目前已广泛应用于机械、建筑等众多二维 CAD绘图领域，其 DWG/DXF文件格式已成为事实上的国际标准。 AutoCAD 2004 在 AutoCAD 以往版本丰富的通用二维绘图图形编辑以及二次开发环境(AutoLisp VBA)等功能基础上，针对网络设计环境进行了进一步完善、加强与优化：对功能进行了精简与合并，并对文件打开和保存进行了优化 ，提高了运行速度；允许同时打开和编2007 届 毕业设计论文 第 8 页 共 17 页 辑多个图形文件；提供局部打开功能；新增了设置线宽、打印样式和打印属性的功能；新增追踪功能；提供了编辑外部引
20、用图形功能；提供快速标注功能，可以一次性标注多个尺寸等；新增文字 (mtext)编辑中包含制表位和缩进，可创建段落并相对于文字元素边框进行文字缩进。 加强了对网络协同设计的支持。建立了多用户文件版本管理，当外部参照已被更改或保存到当前图形时将在状态栏中收到实时的图标警告；新增联机设计中心、密码保护与借阅许可等，加强设计文档的网络共享、协同与管理；使用新的 DWF6(Web 图 形格式 )文件格式，尽量减少传递的文件数量；并新增 Autodesk Express Viewer 免费图形浏览器，通过 DWF 格式访问设计图形，以便通过网络查看或进行打印。采用新的渲染算法，可以更快速、更准确地得到渲
21、染效果图，并新增真彩色和渐变填充。 在 AutoCAD 通用性基础上， Autodesk 公司面向制造业推出了 AutoCAD Mechanical 2004 及Autodesk Inventer 6 Inventer Series 等专业 CAD 系统，并以此形成 Autodesk 制造业解决方案。 AutoCAD Mechanical 2004 是用于二维机械工程和设计的 AutoCAD 软件产品，提供了具有基于标准的二维内容的智能图形生成功能，从而提高设计精度并加快工作流程 。 所以本次设计我选择发展已经比较成熟的 CAD 软件进行绘图设计。 2007 届 毕业设计论文 第 9 页 共
22、17 页 结论 通过参照书籍，课本和查阅大量的资料最终设计出了此千斤顶，它 不仅节省材料，降低工厂生产成本，而且节省设计时间。 螺旋千斤顶设计最要的是对螺旋丝杠副的设计，从选料开始既要对它约束条件考虑还要对它的耐磨性条件、自锁性条件、强度条件、螺纹牙剪切条件、螺纹弯曲强度条件、稳定 性、螺杆公称直径取植范围、螺纹螺距取值 范围等进行计算校核。最后根据给出的数据算出直径等对螺旋丝杠副的设计才算结束。 在今天千斤顶已经应用到各个行业而且用的十分普遍，因此合理的设计就显得很重要。通过这次设计对我以后的工作有很大帮助，我可以根据起重量和起重高度设计出一台千斤顶出来。 由于水平有限所以设计有不足之处，如
23、对千斤顶的壳体没有加以说明，没有采取最优化设计，各种优化设计条件也没有列出，希望在以后时间里继续学习，努力。 2007 届 毕业设计论文 第 10 页 共 17 页 致谢 三年的大学校园生活是我人生的一大转折点。我于 2004 年 9月 以优异的成绩考入 常州纺织服装职业技术学院 。三年的校园生涯和社会实践生活我不断的挑战自我、充实自己，为实现人生的价值打下坚实的基础。 转眼三年过去了我很留恋学校这里有我的老师和同学他们帮助我成长。特别感谢乔生红老师帮我走完大学学习最后一步，因此能够顺利毕业，当然还有班主任陈老师，董老师等。 学习上认真刻苦完成了全部的课程和修满学分， 回首三年来的大学生涯，有
24、渴望、有追求、有成功也有失败，我孜孜不倦，执着探求，百般锻炼，逐渐成为了一个能适应社会要求的新时代大学生，并为以后的工作打下坚实的基础。且我相信用心就一定能赢 得精彩！ 这得益于老师的教导，特别是作为大学生要能独立设计课题，乔老师给了我机会，记得大二做过一个减速机设计也是乔老师指导因此这次更有信心。在实习过程中她不断给我支持，当我遇到困难时是她给了我帮助。所以今天能顺利通过。 我 还要谢谢我的母校是她锻炼了我，培养了我教我专业知识，教我如何适应社会，如何搞好人际关系，如何适应工作。 三年的大学生活，使自己的知识水平、思想境界、工作能力等方面都迈上了一个新的台阶。在这即将挥手告别美好大学生活，踏上社会征途的时候，我整军待发，将以 饱满的热情和 任感投入到新的生活环境中，去迎 接新的挑战，攀登新的高峰。 最后祝愿老师工作顺利，祝愿纺院明天更辉煌。
