螺旋千斤顶的设计

高职部

毕业设计(论文)

作者：韩静学号：30u30079505 专业：机械制造及其自动化

班级：机电0795

题目：螺旋千斤顶的设计

指导者：冯莉讲师

2010 年 06 月

摘要

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人们广泛的应用。千斤顶由螺杆、手柄、底座、螺套、挡环、托杯等零部件组装而成，千斤顶设计中对螺旋传动的计算和各零部件的选材与设计最为重要。

本文首先是对螺旋千斤顶设计进行了设计。在工艺规程设计中，运用了大量的科学理论及计算公式，对它进行了精确的计算。其次，在设计的基础上对螺旋千斤顶各个零部件及整体装配用计算机辅助软件CAD进行绘制。

最后，用三维实体造型软件UG绘制螺旋千斤顶的装配图和爆炸图。

关键词螺旋千斤顶设计CAD UG

目次

第1章绪论 (1)

第2章千斤顶的概述 (3)

2.1 千斤顶的分类 (3)

2.1.1 螺旋千斤顶 (3)

2.1.2 齿条千斤顶 (4)

2.1.3 油压千斤顶 (4)

2.2 千斤顶的结构和技术规格 (5)

2.2.1 千斤顶的结构及代号 (5)

2.2.2 千斤顶的技术规格 (5)

第3章设计的主要内容 (7)

3.1 设计的题目和总功能 (7)

3.1.1 设计的题目 (7)

3.1.2 螺旋千斤顶的总功能 (7)

3.2 设计任务与要求 (7)

3.2.1 设计的任务 (7)

3.2.2 设计的要求 (7)

第4章螺旋千斤顶的工作原理 (8)

4.1 螺杆的设计 (8)

4.1.1 螺旋传动的应用和类型 (8)

4.1.2 螺旋传动的结构和用途 (9)

4.1.3 螺旋传动的选材和结构设计 (10)

４.1.4 螺杆强度和稳定性的计算 (13)

4.2 螺套的设计 (14)

4.2.1 螺套的材料选择 (14)

4.2.2 螺套的尺寸计算 (14)

4.3 底座的设计 (16)

4.3.1 底座的选材 (16)

4.3.2 底座的结构设计及外部尺寸 (16)

4.4 手柄的设计 (17)

4.4.1 手柄的选材 (17)

4.4.2 手柄的机构设计及外部尺寸 (18)

4.5 托杯的设计 (18)

4.5.1 托杯的选材 (18)

4.5.2 托杯的结构设计及外部尺寸 (19)

第5章螺旋千斤顶的计算机辅助软件图 (20)

5.1 CAD的装配图 (20)

5.1.1 CAD的简介 (20)

5.1.2 CAD装配图形 (20)

5.2 UG的装配图形和爆炸图形 (21)

5.2.1 UG的简介 (21)

5.2.2 UG装配和爆炸图 (21)

第6 章螺旋千斤顶的使用注意事项 (24)

结论 (25)

参考文献 (26)

致谢 (27)

第1章绪论

在机械行业中使用较多的起重辅助设备就是起重机，但起重机机构一般较庞大。其特点是：

1.结构较复杂、作业时所需要的空间较大；

2.有的起重机要装设轨道和车轮，有的要装上轮胎或履带在地面上行走，甚至有的要在钢丝上行走；

3.较多的暴露、活动零件要与作业人员直接接触，潜在着很大的安全隐患；

4.作业环境复杂；

5.作业中常常需要多人配合，共同进行才能够完成，起重机的特点决定了它与生产关系很大。

如果对起重机的设计、制造、安装使用和维护等环节上稍有疏忽，就可能造成伤亡，另一方面也会造成很大的经济损失。而千斤顶也是属于起重机的一种，它的特点则不同于起重机，不足之处是它的起重高度受到局限。随着科学技术不断的发展和应用，传统的千斤顶应用技术不断更新，新的千斤顶不断的涌现。同时，各种先进技术也在千斤顶上得到广泛的应用，并出现了越来越多的新千斤顶设备。千斤顶是现代工业企业中实现生产过程机械化、自动化、减轻体力劳动、提高劳动生产率的重要工具和设备，在生产中进行着高效的工作，构成合理组织批量生产和机械化流水作业的基础，是现代化生产的重要标志之一，在某些关键岗位使用千斤顶，劳动生产率就会成倍的增长。其工作特点：

1.通常结构适中，机构简单，能完成起升、下降的运动；

2.所能承载的重物多种多样，载荷是变化的；

3.大多数的千斤顶，作业时所需的空间范围不大；

4.作业中无需多人配合其操作简单；

5.设计、制造和安装等方面也比较简便。

此次千斤顶的设计是根据其自锁性和携带便利，采用梯形螺纹的方式来完成螺旋传动的。设计任务包括千斤顶的工作原理分析、螺杆的设计计算、螺纹强度的计算、传动机构的设计及零件图和装配图的绘制。在设计的部分主要对螺杆的结构、底座和托杯的结构进行设计；在计算部分主要对螺杆、螺母强度的计算和螺纹的耐磨性进行了计算，及各个主要零件参数的计算等等。

本次设计中的千斤顶的特点是结构简单、体积小、携带方便、成本低。能够满足不同的承载物，设备利用率高。

第2章千斤顶的概述

千斤顶作为一种传统顶举重物的工具，在建筑、铁路、医疗、汽车维修等各领域均得到广泛的应用。千斤顶又叫顶重机、举重器、顶升机等，是一种可以用较小的力就能使重物实现上升、下降或位移等简单运动的起重器具，也可以用来校正设备安装的偏差和构件的变形等。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，方便一人携带和操作。千斤顶是用刚性工件作为工作装置，通过顶部的托座或底部托爪在小行程内顶升重物的轻小起重设备，千斤顶的顶升高度一般为400㎜，顶升速度一般为10—40㎜/min，能够起起的重力最大可以达到500t。2.1千斤顶的分类

千斤顶按其构造及工作原理的不同，通常分为机械式和液压式，机械式千斤顶又有齿条式和螺旋式两种，其中螺旋式和液压式千斤顶较为常用；由于起重量小，操作费力，因此螺旋式千斤顶一般作用于机械维修工作，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，起升的速度较为缓慢。

2.1.1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。螺旋千斤顶又可分为三类：固定螺旋式千斤顶、LQ型螺旋千斤顶、移动式螺旋千斤顶。螺旋千斤顶为进一步降低外形高度和增大顶举距离，可做成多级伸缩式的。用钢性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在行程内顶升重物的轻小起重设备。螺旋式千斤顶广泛应用于工厂、货栈、码头、电站、伐木场等场合。主要型号QL系列：QL3.2T 螺旋式千斤顶，QL5T 螺旋式千斤顶，QL8T 螺旋式千斤顶，QL10T 螺旋式千斤顶，QL16T 螺旋式千斤顶，QL20T 螺旋式千斤顶，QL25T

螺旋式千斤顶，QL32T 螺旋式千斤顶，QL50T 螺旋式千斤顶，QL100T 螺旋式千斤顶，QL200T 螺旋式千斤顶. QLD螺旋式千斤顶，10QLD螺旋式千斤顶，16QLD 螺旋式千斤顶，20QLD32 螺旋式千斤顶.

2.1.2齿条千斤顶

齿条千斤顶也叫齿条顶升器。采用齿条作为刚性顶举件的千斤顶。齿条式千斤顶主要有由齿条、齿轮、手柄等组成，在承载齿条的上方有一转动头，用来放置被举升的物体。使用时，只要摇动手柄，齿轮便带动齿条上升或下降，从而实现重物的上升或下降。有时被举升的载荷也可以放在侧面的凸耳上，但在此情况下，由于齿条受着偏心载荷，所以其允许的举重量只能是额定举重量的一半。为了支持其所举起的载荷，防止由于自重的降落应装有安全摇柄装置。

2.1.3油压千斤顶

油压千斤顶有油室、油泵、储油腔、活塞和摇把等组成，油压千斤顶是根据帕斯卡定律的原理工作的。它由油箱，大小不同的两个压力油缸、摇杆和关闭针阀等几个部分组成。工作时，提起小活塞将油吸入小压力油缸，当压下小活塞时将油压进大压力油缸。通过两个阀门的控制，小活塞对油的压强传递给大活塞，将重物顶起来。小活塞不断地往复动作，就可以把重物顶到一定的高度。工作完毕，打开关闭针阀，使大压力油缸和油箱连通。这时，只要在大活塞上稍加压力，大活塞即可下落，油回到油箱中去。QYL 型立式油压千斤顶是国家定型新系列产品。它结构紧凑，体积小，重量轻，携带方便，广泛适用于工厂年仓库、桥梁、码头、交通运输和建筑工程等部门的起重作业。本产品只能直立使用，其工作环境温度为 -20 摄氏度到 +45 摄氏度，不宜在酸碱及腐蚀性气体中使用。利用液体内压强恒定，这样在较小的面积上施以较小的力，就可以在较大的面积上产生较大的力，再辅以杠杆就做成了千斤顶。

2.2千斤顶的结构和技术规格

2.2.1千斤顶的结构及代号

1.普通型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为ql。

2.普通高型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qlg。

3.普通低型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qld。

4.钩式螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qlg。

5.剪式螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qlj。

6.自落式螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qlz。

2.2.2 千斤顶的技术规格

千斤顶分为移动式和齿条式，移动式螺旋千斤顶技术规格如表1.1所示和

齿条式千斤顶的技术规格表1.2所示：

表1.1移动式螺旋千斤顶技术规格

轻重(t）顶起高度（mm）螺杆落下最小高（mm）水平移动距离（mm）自重（t）

8 250 510 175 40

10 280 540 300 80

12.5 300 660 300 85

15 345 660 300 100

17.5 350 660 360 120

20 360 680 360 145

25 360 690 370 165

30 360 730 370 225

表1.2齿条式千斤顶的技术规格

型号 01型02型

静负荷起重量动负荷15 15 10 10

最大起重高度（mm）280 330

钩面最低高度（mm）55 55

机座尺寸（长×高，mm）260×166 260×166

外形尺寸（长×宽×高）370×166×525 414×166×550 自重26 25

第3章设计的主要内容

设计的主要内容：

1.根据螺旋千斤顶的工作原理和结构需求，计算出千斤顶的外部结构尺寸；

2.利用电脑辅助软件CAD绘出二维图形；

3.UG绘制出三维实体模型并争取利用仿真运动使其更能客观的展现出来。3.1设计的题目和总功能

3.1.1设计的题目

螺旋千斤顶的设计

3.1.2螺旋千斤顶的总功能

按螺旋传动原理，利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现螺旋传动。进而实现将回转运动转变为直线运动，并传递运动和动力。从而实现将一定重量的物体提升一定的高度的功能。

3.2设计任务与要求

3.2.1设计的任务

设计一千斤顶的工作最大起重量为40KN，其工作行程为200mm；用计算机辅助软件软件CAD、UG绘制二维图形及其三维装配和爆炸图。

3.2.2设计的要求

1.设计螺杆时要求校核其耐磨性和自锁性；还需计算螺杆强度和工作稳定性。

2.设计螺母时要求校核其螺纹牙强度。

3.底座和托杯设计时，要满足一定的强度。

4.螺旋千斤顶的传力性能要求要良好。

5.CAD绘出二维图、UG绘出三维装配图和爆炸图。

第4章螺旋千斤顶的工作原理

螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现螺旋传动要求的，它主要原理是将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。螺旋千斤顶的工作原理是采用螺母固定而螺杆转动并移动形式，其工作原理图如图4.1所示：

托杯

螺钉手柄

螺母

紧定螺钉

底座

螺杆

地面

图4.1 螺旋千斤顶的工作原理图

从图中可以看出，千斤顶的工作原理是：通过螺杆和螺母组成的螺旋副来实现螺旋传动，并将其转变为直线运动，从而将物体实现上升和下降的动作，并使托杯中的物体做直线运动，从而实现我们的传动要求。其中，螺母固定，当手柄旋动的时候，螺杆通过与螺母的螺旋副的运动，螺纹之间产生自锁，是装有重物的托杯往上运动。

从其工作原理中可以看出，这些动作的完成对螺杆与螺母螺纹牙的耐磨性、稳定性等要求较高，同时对底座及其他相应材料的强度也有一定的要求。

4.1螺杆的设计

4.1.1螺旋传动的应用和类型

螺旋传动具有结构紧凑、转动均匀、准确、平稳、易于自锁等优点，在工业中获得广泛应用。

按螺杆与螺母的相对运动方式，螺旋传动可以分为以下四种运动方式：

1.螺母固定不动，螺杆转动并往复移动

这种结构固定螺母为主要支撑，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，螺杆做直线运动

螺杆应设防转机构，螺母转动要设置轴承，因此机构复杂，且螺杆行程占据尺寸，所以应用较少。

3.螺母旋转并沿直线移动

由于螺杆固定不动，因此两端支撑结构较简单，但精度不高。有些钻床工作台采用这种方式。

4.螺杆转动，螺母做直线运动

这种方式占据空间尺寸较小，适用于长行程螺杆。螺杆两端的轴承和螺母设防转机构使其结构复杂。车床丝杠、刀架移动机构多采用这种运动方式。此次设计所选用的是第一种螺母固定而螺杆转动并移动形式。

4.1.2螺旋传动的结构和用途

按照螺旋副摩擦性质不同，螺旋传动又可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压滑动螺旋。滑动螺旋副结构简单，便于制造，易于自锁，所以螺旋千斤顶选择滑动螺旋副。

1.滑动螺旋的结构和用途

滑动螺旋采用的螺纹类型有矩形、梯形和锯齿形。其中以梯形和锯齿形螺纹应用最广。其内外螺纹以锥面贴紧不易松动、对中性好、稳定性好和牙根强度高。其缺点：在低速或进行运动微调时可能出现爬行现象；摩擦阻力大，传动效率低，广泛应用于机床的进给、分度、定位等机构，如此次设计过程中的千斤顶的传力螺纹。

2.滚动螺旋的结构和用途

滚动螺旋也称滚珠丝杠，其特点是摩擦小，传动效率高；运动平稳，低速时不爬行，启动时无抖动：螺旋副经调整和预紧可实现高精度定位和重复定位精度；传动具有可逆性，如果运用禁止逆转场合，需要加设防逆转机构；不易摩擦，使用寿命长。缺点为结构复杂，制造困难；抗冲击能力差。应用于精密和数控机床、测试机械、仪器的传动和调整螺旋，车辆、飞机上的传动螺纹。其传动特点：传动效率高、传动精度高、起动阻力矩小、传动灵活平稳，工作寿命长。其广泛应用于机床、汽车、拖拉机、航空军工等制造。

3.静压螺旋传动的结构和用途

静压螺旋传动螺杆与螺母被油膜隔开，不直接接触。具有摩擦阻力小，传动效率高；螺母的结构复杂；运动平稳，无爬行现象；传动具有可逆性；反向时无空行程，定位精度高，轴向刚力小；磨损小，寿命长等优点。其缺点为结构复杂，制造较难，需要一套压力稳定，供油系统要求高。应用于精密机床的进给、分度机构的传动螺旋。

4.1.3螺旋传动的选材和结构设计

1.螺杆的选材

可以供选择的材料有：35#钢，45#钢，40Cr。

经分析，本设计中螺杆材料选用40Cr，因为材料经热处理后，能够提高了其耐磨性，并有足够的强度，适用于载荷较高、速度较高的重要传动。

2.螺杆的机构设计

（1）螺旋传动选择

滑动螺旋的副结构包括螺杆、螺母的结构形式及其固定和支承机构形式。螺旋传动的工作刚度与精度和支承结构有直接的关系。当螺杆短而粗并垂直布置时，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，则不可

以，应该在螺杆两端或中间附加支承，以提高螺杆的工作强度。其特点：螺旋传动简单，便于制造，易于自锁，所以螺旋千斤顶选择滑动螺旋副。

（2）滑动螺旋采用的螺纹类型

有矩形、梯形和锯齿形。其中以梯形和锯齿形螺纹应用最广。本设计中千斤顶的螺纹选择梯形螺纹，并为左旋的方式。因为其内外螺纹以锥面贴紧不易松动，对中性好，并牙根强度高，同时采用单线螺纹（1

n ）的自锁性也比较高。

（3）螺杆螺纹的设计及计算

1）螺杆的结构如图4.2所示：

图4.2 螺杆的结构图

2）螺杆和螺母的螺纹副配合如图4.3所示：

图4.3 螺杆和螺母的螺纹配合图

3）根据选择的材料，查得相关的计算参数为： 经查书得螺旋副材料的参数：

许用压强[]p 的值：18～25 a Mp ， 取平均值得：[]21p = a Mp 摩擦系数f 的值：0.08～0.10

另对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力分布均匀，螺纹圈数不宜过多，故取：5.3~2.1/H 2==d φ，并取值为0.2=φ；牙形角?=30θ。

4）螺杆螺纹中径的2d 设计

假设作用于螺杆上的轴向力为N KN F 4000040==, 螺纹中径为2d ，螺纹螺距为p ，螺母高度为H ，单位均为mm ，螺纹工作圈数P

H

=μ，则， 根据矩形和梯形的螺纹，p 5.0h =，则由公式：

[][]

p F

p h FP φφπ8

.0d 2=≥

式中，代入以上参数可得，mm 69.24d 2≥经查表取mm 29d 2=。 5）由mm 29d 2=选择并计算螺杆及螺套的尺寸： 由中经mm 29d 2=查机械手册得mm 32d =

由查机械手册进一步的其他尺寸：

螺距：查机械设计手册得6p =或10=p ， 优先选择第一系列 6=p ， 螺杆小径：mm 00.25732d 3=-=；

螺套大径：mm 331321=+=D ，螺套中径：29.00mm d 22==D ， 螺套小径：mm 266323=-=D 。

所以螺杆规格：632r ?T LH ，螺套规格：633r ?T LH 。

４.1.4 螺杆强度和稳定性的计算 1.螺杆强度计算和校核：

有螺杆材料是r 40C ，由查表得：

[]a s

p 67.2661575

3M ～～==

σσ

根据螺旋副间的摩擦力矩为：

12.94)94.505.4(tan 22740000tan(2

2

=?+??÷?=+=）v d F

T ?? N ·m 其中，F 可看作是螺杆的螺纹处的预紧力。 所以，螺杆所受的总的应力为：

a Mp d T F d T F A 68.115434d 4312

122

122

122

=???

? ??+=???

? ??+=πσ

由此可得，[]σσ<。所以设计的螺杆满足强度条件。 2．螺杆的稳定性的计算和校核：

在正常情况下，螺杆承受的轴向力F 必须小于临界载荷cr F ，单位均为N 。则螺杆稳定性条件为：

s cr

S F

F S ≥=

sc 又临界载荷可按欧拉公式计算，即

()2

2sc l μπEI

F =

已知：mm 200=L ，并可查得：a M E p 1006.25?=，螺杆危险截面的惯性矩：

64

d 41

π=

I ，4mm ，同时，2/d i l 1s

s S A

I

λλλμ===，其中，s λ为螺旋杆的揉度。经计算得出：28.68≈S λ，则

38.175464sc =F N ，

又螺杆的稳定性安全系数s S 为：3.5～5.0，则：

39.440000

38.175464sc ===

F F S sc s S ≥ 由上式可知，本设计满足螺杆的稳定性设计。 3．校核螺纹的耐磨性

由螺纹工作面上的耐磨性条件及公式，p 5.0h =，得，

[]a a Mp P Mp hH

d Fp hu d F A F 2148.17P 22=≤====

ππ 由上式可知，很螺纹强度足够且符合其耐磨性条件。

4.2 螺套的设计

4.2.1 螺套的材料选择

螺套的材料有:铸锡青铜和铸铝铁青铜两种供选择，经分析，本设计采用铸锡青铜材料。螺套的结构如图4.4所示。

图4.4 螺母的结构图

4.2.2 螺套的尺寸计算

1.查书上表可得相应的一些已知参数根其材料为青铜，则其许用应力

[][]a a b p 4030p 6040M M ～，～==τσ，则：

其挤压许用应力为：[]

[]a p p 8456b 4.1M ～==σ，

取其平均值为a p 70M ，拉伸许用应力为：[][]92.4928.32832.0b ～==σσ a p M ，取其平均值为a p 1.41M 。

2.凸缘拉伸强度计算确定直径3D 根据公式: ()

[]σπ

σ≤-=

2

23

d

4

2.1D

F

得：

[]mm 86.48101.4114.310408.410308.4d 6

3

6

22

3=????+?=+=σπF

D

于是，凸缘的外直径为48.86mm 取49mm 3.凸缘环面挤压强度计算确定直径4D 根据公式 ()

[]P D D F

σπ

σ≤-=

2

324p 4

得：

[]

mm mm F

D D P 80.5510

7014.31040410

86.484636

2

23

4=????+?=+

=-σπ 由上式可确定螺套的环面直径mm 80.55取56mm 。 4.凸缘根部弯曲强度计算确定凸缘厚度a 根据公式 ()

[]b 2

334a 5.1σπσ≤-=

D D D F ， 得：

()[]()mm mm D D D F b 910

5086.4814.386.488.5510405.15.1a 6

3334≈???-???=-=σπ 由此而确定了凸缘的厚度。 5.确定螺纹圈数

对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力分布均匀，螺纹圈数不

宜过多，故由公式：

96

54u ===

p H （圈） 6.螺纹升角计算及校核自锁条件

前面设计时已经设计确定线程：1n =，10.008.0f ～=，取其平均值为09.0，则，当量摩擦系数：104.0155.1f ==f v ，并已知螺距：6p =，所以， 摩擦角：?==05.4tan

a 2

d np

rc π?， 当量摩擦角：?===94.5arctan cos arctan v v v f f

β

?，由此得：v ??<满足螺旋副

的自锁条件。

4.3 底座的设计

4.3.1 底座的选材

底座材料为灰铸铁100HT 。

底座的结构简图如图4.5所示：

图4.5 底座的结构图

4.3.2 底座的结构设计及外部尺寸 1.已知相应的一些参数及关系