千斤顶设计

第1章螺旋千斤顶设计结构

1.1 引言

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。千斤顶主要用于矿、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起重物的轻小起重设备。

1.2设计注意事项

1、由螺杆强度计算出螺杆螺纹小径d1，并选定螺距p，然后按标准确定出d，d1，d2，再按螺纹副耐磨性计算确定螺母高度H和螺纹旋合圈u，应保证u ≦10。

2、对螺杆进行稳定性校核计算时，计算长度可取为当螺杆升到最高位置时由其顶端承力截面至螺母高度中心的距离。端部支承情况可视为一端固定，一端自由。

3、螺杆底部必须有一挡圈，并用螺钉加以固定，以防止螺杆全部从螺母中旋出去，挡圈的结构可自行设计，其外径应略大于螺杆外径其厚度为4~6mm，固定挡圈用的螺钉直径及螺杆顶部固定螺钉直径一般为M8~M10。

4、对于螺母与底座分开的结构，为了防止螺母随螺杆转动，必须用紧定螺栓将其固定，紧定螺栓的直径一般为M6~M8。

5、螺杆的螺纹种类可根据具体要求选择。

6、所有加工表面的边缘必须倒角，所以铸造过渡表面处应有一定大小的圆角。

7、所有标准零件及有标准规范的尺寸均应符合标准。

第2章 滑动螺旋副转动的设计

2.1 螺杆的设计与计算

2.1.1螺杆螺纹类型的选择

螺纹有矩形、梯形与锯齿形，常用的是梯形螺纹。

梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙形角α=30o，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动。故选梯形螺纹，它的基本牙形按GB/T5796.1—2005的规定。

2.1.2选取螺杆材料

螺杆材料常用Q235、Q275、40、45、55等。此题选45钢。

2.1.3确定螺杆直径

按耐磨性条件确定螺杆中径d 2。求出d 2后，按标准选取相应公称直径d 、螺距p 及其它尺寸

d 2≥0.8

?

P F

由于螺杆材料选用45钢，查《机械设计基础》表7.7取[σs ]=355MPa 查《机械设计基础》表7.9可得安全系数S=3

千斤顶螺旋属于手动低速，查《机械设计基础》表7.8可得滑动螺旋副材料的许用应力[P]=18～25MPa 取20MPa

?值的取法：对于整个螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力比较均匀，?取1.2～2.5；对于部分式或受载较大时，?取3～3.5;只有传动精度较高，载荷较大，要求寿命较长时，才允许?=4

d 2≥0.8

8.1720

220000

8.0=?=?P F mm 式中 F ――轴向力， N d 2 ――螺纹中径，mm ?――取?=2 取d 2=21.5 mm

查《机械设计基础》教材附表7.3GB5796-86梯形螺纹的基本尺寸可得： 公称直径d=24 mm 螺距p=5 mm 内螺纹大径D 4=24.5 mm 外螺纹小径=18.5 mm 内螺纹小径D 1=19 mm

2.1.4自锁验证

由于千斤顶在承载重物时应具有自锁性，所以需要校核螺旋副是否满足自锁条件：

螺旋升角：

d S πλa r c t a n ==arctan πnP arctan

023.45

.215

=?π

式中λ――螺纹升角； S ――螺距

导程P=S

查《机械设计基础》教材表7.4取摩擦系数f=0.09 螺旋副的当量摩擦角/ρ为：

/

ρ=arctan 2cos

αf

=arctan 5

.215?π=5.230 λ

所以螺旋副自锁条件满足。

2.1.5确定结构尺寸

螺杆上端用于支承托杯10并在其中插装手柄7，因此需要加大直径。手柄孔

径d k 的大小根据手柄直径

d p 决定，d k ≥d p 十0.5mm 。为了便于切制螺纹，螺纹上端应设有退刀槽。退刀槽的直径d 4应比螺杆小径d 3小。为了便于螺杆旋入螺母，螺杆下端应有

倒角或制成稍小于d 3的圆柱体。为了防止工作时螺杆从螺母中脱出，在螺杆下端必须安置钢制挡圈，挡圈用紧定螺钉固定在螺杆端部。

2.1.6螺杆强度计算

由于螺杆工作时，同时承受轴向压力F 和扭矩T 的联合作用，螺杆危险截面上既有压缩应力，又有切应力。因此，校核螺杆强度时，应根据第四强度理论校核其强度。

螺杆所受扭矩T ：

T=2

1

d 2 F tan ()

'ρλ+

=()o o 32.523.4tan 200005.212

1

+???

=36171.57N ·mm

式中：λ为螺纹升角，'ρ为当量摩擦角。

代入公式：e σ=2

332

232.034?

??? ?

?+???? ??d T d F π=89.35N/mm 2

<[]

p σ 式中：e σ 危险截面当量；

d 3 螺杆螺纹小径18.5，mm ；

[]p

σ 螺杆材料的许用拉伸应力

查手册，45钢，[]s σ =355MPa ，[]

3

355

=

=

S

s

p σσ=118.33Mpa 2.1.7稳定性计算

细长的螺杆工作时受到较大的轴向压力可能失稳，为此应按稳定性条件验算螺杆的稳定性。

螺杆稳定性条件为

S F

F e

≥ 式中：S 螺杆稳定性安全系数 常取2.5～4.0； F 螺杆的临界载荷，N ； 螺杆的临界载荷与柔度有关，

由图得，螺旋千斤顶螺杆上部安装手柄处的高h 1 =（1.8～2）d=43.2～48mm

取45mm 。螺杆最大工作长度l 应为最大起重高加h 1， 即： l =170+45=215mm λ=

i

l μ 式中：μ 螺杆的长度系数，与螺杆的端部结构有关；

l 举起重物后托杯底面到螺母中部的高度，可近似取，mm ；

i 螺杆危险截面的惯性半径，mm

查《机械设计基础》表7.11选取一端固定一端自由的螺杆端部支承情况，则长度系数μ=2.0

由于螺杆危险截面积A=

4

2

3d π，

则： 4

5.1843==

d i =4.625 计查《机械设计基础》表7.10临界载荷F

e 计算公式对于优质碳素钢

b σ=480Mpa

公式为：

()4

57.24612

3d F e πλ-=

=4

5.18)97.9257.2461(2

??-π

=59662.7N

5.298.220000

7.59662>==F F e 故稳定性满足。

2.1.8确定螺杆尺寸

由图可知

d=24mm

d 4=(0.6～0.8)d=18mm d k =20mm

D=(1.6～1.8)d=40mm h 1=(1.8～2)d=45mm D 1=(0.6～0.8)d=16mm h 2=(0.6～0.8)D 1=11mm

2.2螺母设计与计算

2.2.1选取螺母材料

螺母材料一般可选用青铜，对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造，其内

孔浇注青铜或巴氏合金。选青铜

2.2.2螺母的基本参数

由《机械设计》表7.9得 螺母材料为青铜的许用应力

[]σ=40～60N/mm 2，取50N/mm 2； []τ=30～40N/mm 2，取30N/mm 2， 螺杆—螺母的许用应力

千斤顶螺旋属于手动低速，有《机械设计》表7.9得 [P]=18～25N/mm 2，取[P]=20N/mm 2

2.2.3确定螺母高度H

螺母高度 H=2d ??=2?21.5=43mm

2.2.4螺纹工作圈数u

螺纹工作圈数 u=

P H =5

43

=8.6圈 .2.2.5验算螺母牙根的强度

一般螺母材料强度低于螺杆，其螺纹牙多发生剪切和弯曲，故只校核螺母螺纹牙的强度。

螺纹牙危险截面的剪切强度条件为： []τπτ≤=???==

30.96

.825.35.2414.320000

4bu D F

螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为：

()=?????==

6

.825.35.245

.22000033224ππσu b D Fh w 21.46Mpa<[]w σ

式中：b--螺纹牙根部的厚度，mm （对于梯形螺纹， b ＝0.65t ）

[w σ]—螺母材料弯曲力臂，查《机械设计基础》表10.3得[w σ]=40～60MPa ， 取 [w σ]=40MPa, [t]—螺母材料的许用弯曲应力,MPa; 由于为梯形螺纹，所以 牙根部的厚度:b=0.65p=0.6525.35=?mm 基本牙型高：h=0.5p=0.5?5=2.5mm 故满足稳定性。

2.2.6螺母外径和凸缘强度计算

1、n-n 面最大拉应力校核 由经验公式： D 2≈1.5d=36mm ()()

()()

=-?=

-=

2

2

22

2224364

200003.1~2.14

3.1~2.1σd D

F

46.01Mpa<[]σ=50Mpa

满足要求

2、凸缘与底座接触挤压强度计算

已知D 2=36mm ，由经验公式 D 3≈1.4D2=50.4mm ，取D 3=50mm []

[]σσ)7.1~5.1(=jy 50)7.1~5.1(?=Mpa=75～85Mpa

()

()

2

2

22

2336504

20000

4

-=

-=

σD D F

jy =21.16Mpa<[]

jy σ

满足要求

2. 2.7紧定螺钉的选择

螺母压入底座上的孔内，圆柱接触面问的配合常采用

78r H 或7

8n H

等配合。为了安装简便，需在螺母下端（图3-2）和底座孔上端（图4-2）做出倒角。为了更可靠地防止螺母转动，还应装置紧定螺钉，紧定螺钉直径常根据举重量选取，一般为6～12mm 。紧定螺钉选择的是（GB/T71—1985）208?M .

2.2.8确定螺母尺寸

已知螺母高度H=43mm

由图3-2知

D 3=(1.6～1.8)d=38.4～43.2mm D 3=40mm D 4=(1.3～1.4) D 3=50mm a=(0.25～0.3)=12mm

第三章千斤顶其他零件的设计与计算

3.1托杯的设计与计算

托杯用来承托重物，可用铸铁铸成。为了使其与重物接触良好和防止与重物之间出现相对滑动，在托杯上表面制有切口的沟纹。为了防止托杯从螺杆端部脱落，在螺杆上端应装有挡板。

图4-1

其设计结构尺寸见图，具体设计计算尺寸如下：

D 10 =2.5d=60mm D 11 =0.7d=16.8mm D 13=46mm D 12=D 13-=46-4=44mm

当螺杆转动时，托杯和重物都不作相对转动。因此在起重时，托杯底部与螺杆和接触面间有相对滑动，为了避免过快磨损，一方面需要润滑，另一方面还需要验算接触面间的压力强度。

公式为： ()

[]P D D F

p ≤-=

4

2

11

212π 式中：[p]许用压强，应取托杯与螺杆材料[p]的较小值。 故： ()()

48.164414.320000

4

2

22

11212-=-=

D D F p π=16.7Mpa<20Mpa 满足压力强度要求。

托杯总高： H=(0.8～1)D=32～40 取H=40mm 托杯底厚度：h=(0.6～0.8)d 4=10.8～14.4 取h=12mm

3.2手柄的设计

3.2.1 手柄的长度L p

一般人加在手柄上的力

F p =150～120N ，取F p =150N ，固定扳手手柄的力矩

p p L F T ?='。用来克服螺纹力矩T 1以及螺杆与托杯支撑面的摩擦阻力矩T 2，即 T T T L F T p p =+=?=21'

固： 150

57

.3617121=

=+=

p p p F T F T T L =241.14mm 因为L p 要大于等241.14mm ，为更省力，所以选取手柄长为300mm 。

3.2.2 手柄的直径

手柄的直径由最大弯矩M=T 的弯曲强度条件确定，取手柄许用弯曲应力

[]==s s b /σσ240/2=120Mpa ，则：

[]3

3

120

1.057

.361711.0?==b p M d σ=14.45mm 所以取d p =20mm

3.3底座的设计

底座材料常用铸铁（HT150及HT200），铸件的壁厚δ不应小于8～12mm ，为了增加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因此将其外形制成1∶10的斜度。

由图4-2知：

设定10=δ

底座厚度(1.5～2)20102=?=δ

圆角 r=4 R=5 斜度K=1/10

H 1=l +(14～28)=205+20=225mm H 2=H-a=43-12=31mm D 2≈1.4D=1.4?40=56mm D 3≈D+2r=48mm D 4≈D 3+210

21H H -?

=48+210194

?=87mm

按底面压强度条件确定D5，为了适合不同的场合，所以取底面材料为准的许用挤压应力[]

p σ=0.8～1.2Mpa ，取[]

p σ=1.0Mpa

[]

=+=

+=

22

458780000

4π

σπD F

D p 181.8mm

式中 p σ????──底座下枕垫物的许用挤压应力。 取底座总宽度D 5=182mm

第4张机械加工数控编程

如图，工件的加工程序，毛坯直径φ50mm，工件外圆精车，根据普通螺纹标准加工工号加工，螺距为4mm总吃刀深度2.165mm。用高速钢螺纹车刀低速7次进给车削。

1号刀为90o外圆车刀，基准刀；2号刀为车槽刀，主切削刃4mm，左刀具为刀位点；3号刀为60o螺纹刀；4号刀为切断刀，主切削刃宽3mm，到头长30mm，左刀具为刀位点。

加工程序如下；

O5001

N10 T 0101 M 03 S500;

N 20 G 90 G 94 G 00 X30.0 Z5.0;

N 30 G 00 X37.2 Z5.0;

N 40 G 01 Z 0 F 50;

N 50 G 80 X31.8 Z-20.0 I2.0; N 60 G 80 X32.0 Z-20.0 I2.0; N 70 G 00 X100.0 Z200.0;

N 80 M 05;

N 90 M 30;