课程设计-螺旋千斤顶

辽宁信息职业技术学院

装备制造系

课程设计论文题目：螺旋千斤顶

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论文题目：附图：

结果设计要求：设计一个人力驱动的螺旋千斤顶，示意图如下：

一、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。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。

二、螺旋传动的设计和计算

1、螺旋传动的应用和类型

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。它具有结构紧凑、转动均匀、准确、平稳、易于自锁等优

点，在工业中获得了广泛应用。

（1）按螺杆与螺母的相对运动方式，螺旋传动可以有以下四种运

动方式：

①螺母固定不动，如图

螺杆转动并往复移动，这种结构以固定螺母为主要支承，结构简

单，但占据空间大。常用于螺旋压力机、螺旋千斤顶等。

②螺母转动，如图

螺杆做直线移动，螺杆应设防转机构，螺母转动要设置轴承均使结构复杂，且螺杆行程占据尺寸故应用较少。

③螺母旋转并沿直线移动，如图

由于螺杆固定不动，因而二端支承结构较简单，但精度不高。有些钻床工作台采用了这种方式。

④螺杆转动，如图

螺母做直线运动，这种运动方式占据空间尺寸小，适用于长行程螺杆。螺杆两端的轴承和螺母防转机构使其结构较复杂。车床丝杠、刀架移动机构多采用这种运动方式。

本次设计的螺旋千斤顶是运用了上图（a）的运动方式，即螺母固定不动。

（2）按照用途不同，螺旋传动分为三种类型。

①传力螺旋以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇性工作，工作速度较低，通常要求具有自锁能力。如图：

②传导螺旋以传递运动为主，这类螺旋常在较长的时间内连续工作且工作速度较高，传动精度要求较高，如图：

③调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置，一般不经常转动，要求能自锁，有时也要求很高精度，如带传动张紧装置、机床卡盘和精密仪表微调机构的螺旋等。

本次设计的螺旋千斤顶就是运用了传力螺旋这种传动类型。

2、螺旋传动的计算

按照螺旋副摩擦性质的不同，螺旋传动又可分为滑动摩擦螺旋传动（简称滑动螺旋）、滚动摩擦螺旋传动（简称滚动螺旋）和静压滑动螺旋传动（简称静压螺旋）。

在螺旋传动中，结构最简单应用最广泛的是滑动螺旋，滑动螺旋副工作时，主要承受转矩和轴向拉力（或压力）的作用，由于螺杆和螺母的旋合螺纹间存在着较大的相对滑动，因此，其主要失效形式是螺纹牙破损。滑动螺旋的基本尺寸通常根据耐磨条件确定。对于传力螺旋还应校核螺杆危险截面的强度；对于青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核其自锁性；对于精度传动螺旋应该校核螺杆的刚度；对于受压螺杆，当其长径比很大时，应校核其稳定性；对于高速长螺杆，应校核其临界转速；要求自锁时，多采用单线螺纹，要求高效时，多采用多线螺纹。

（1）一般螺旋机构的计算

一般螺旋机构当螺杆转Ψ角（rad）时，螺母轴向移动的位移L（mm）为:

L=SΨ/2π（式）

则式中S为螺旋线导程（mm）。

如果螺杆的转速为n(r/min)时，则螺母移动速度v(mm/s)为:

V=Sn/60 （式）

（2）差动螺旋机构与复式螺旋机构的计算

1-机架2-螺杆3-螺母4-导向杆

图差动螺旋机构

上图的螺旋机构中，螺杆1上有A、B两段螺旋，A段螺旋导程为S A（mm），B段螺旋导程为S B（mm），两者旋向相同，则当螺杆转Ψ角（rad）时，螺母轴向移动的位移L（mm）为：

L=（S A-S B）Ψ/2π（式）

如果螺杆的转速为n(r/min)时，则螺母移动速度v(mm/s)为：

L=（S A-S B）n/60 （式）

由上式可知：当A、B两螺旋的导程S A

、S B接近时，螺母可得到微小位移，这种螺旋机构称为差动螺旋机构（又称微动螺旋机构），常用于分度机构、测微机构等。

如果两螺旋的旋向相反，则螺母轴向移动的位移L为：

L=（S A-S B）Ψ/2π（式）

移动速度为：V＝（SA-SB）n/60 （式）

这种螺旋机构称为复式螺旋机构，适合于快速靠近或离开的场合。滑动螺旋传动工作时，螺杆和螺母主要承受转矩和轴向载荷（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。滑动螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损。因此，通常根据螺旋副的耐磨性条件，计算螺杆中径及螺母高度，并参照螺纹标准确定螺旋的主要参数和尺寸，然后再对可能发生的其他失效逐一进行校核。

3、螺旋传动的设计和选材

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

螺母

材料

许用弯曲应力

[σb]

许用切应力

[τ]

青铜40~6030~40

耐磨铸铁50~6040

铸铁45~5540

钢（~）[σ][σ]

注：静载荷许用应力取大值。

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。

6、螺杆强度校核

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13

式中，d1为螺杆螺纹的小径（mm）；[σ]为螺杆材料的许用应力（MPa），见表；T为螺杆所受转矩(N·m)；由式T=F22

d

tan(λ+

ρ

ν

)。

7、螺杆稳定性校核

对于长径比大的受压螺杆，当轴向力F超过某一临界载荷F C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14

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

临界载荷F C与螺杆的柔度γ及材料有关，根据γ=

i

L

μ

的大小选用不同的公式计算。

当γ≥85～90时，根据欧拉公式计算，即

式15

式中，F C为临界载荷（N）；E为螺杆材料的弹性模量（MPa），

对于钢E=×105；I为危险截面的惯性矩（mm4），I=

64

4

1

dπ

，d1为螺杆螺纹内径(mm)；μ为长度系数，与螺杆端部结构有关，见表；

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)，I=

4

/21d I

π=

4

1

d 。 表 长度系数μ 螺杆端部结构 μ 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）

2

一端固定，一端铰支（如压力

机）

两端铰支（如传导螺杆）

1 注：用下列办法确定螺杆端部的支撑情况： 采用滑动支承时：

l o 为支承长度，d o 为支承孔直径，l o /d o <铰支；l o /d o =～3不完全固定；l o /d o >3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γ<85～90时；对σb ≥380MPa 的碳素钢（如Q235、Q275）

F c =γ)4

21d π 式16

当γ<85～90时，对σb ≥470MPa 的优质碳素钢（如355、45） F c =γ)

4

2

1d π 式17

当γ<40时，无需进行稳定性计算。 8、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18

式中，?ν为螺纹副的当量摩擦系数，见表

表 螺旋传动螺旋副的当量摩擦系数?ν（定期润滑） 螺旋副材料 钢和青铜 钢和耐磨铸铁 钢和铸铁 钢和钢

淬火钢

和青铜 ?ν ～ ～ ～ ～ ～

三、千斤顶的工作原理和设计

1、千斤顶的工作原理

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。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。螺旋千斤顶是通过往复扳动手柄，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，但不如液压千斤顶简易。 2、千斤顶的设计

设计螺旋千斤顶，已知轴向载荷F=10000N ，起重高度为l=124mm ，方案图所示。

图千斤顶结构图 1. 选择材料

由表选材料为45钢，由手册查σ=355Mpa ；螺母材料锡青铜为ZCuSn10P1，由表查得[p]=11Mpa ；取单头右旋梯形螺纹，α=30o，β=15o，螺母为整体螺母。

2. 耐磨性计算 (1) 取Ф=2 (2) 计算d 2 d 2≥

[]P F

φ=×11

210000?= 由计算出的d 2查手册确定螺纹的标准值为 d=24 mm 、D= mm d 1= mm ，D 1=19 mm d 2（D 2）= P=5 mm