轎車用螺旋式千斤頂設計[含CAD圖紙和說明書]

轎車用螺旋式千斤頂設計[含CAD圖紙和說明書],含CAD圖紙和說明書,轎車,螺旋式,千斤頂,設計,cad,圖紙,以及,說明書,仿單 目 錄 中文摘要 …………………………………………………………………(1) ABSTRACT …………………………………………………………………(2) 第一章 概 述… … …… … … …… … … …… … … …… … … …… … … … …… … … (3 ) 1. 研 究 意 義… … … …… … … … …… … … …… … … … … …… … … … …… … … ( 3) 2. 國 內 外 研究 現 狀 … …… … … …… … … … …… … … … …… … … … …… … … ( 4) 第二章 設計原理及方案選定 …………………………………………(5) 1 .設 計 原 理 …… … … …… … … …… … … … …… … … … …… … … … …… … … ( 5) 2 .方 案 的 選定 … … … …… … … …… … … … …… … … … …… … … … …… … … ( 5) 第三章 兩級螺旋式千斤頂的設計 ……………………………………(6) 1 .螺 桿 設 計與 計 算 … …… … … …… … … … …… … … …… … … …… … … … …( 6 ) 1. 1 螺桿 螺 紋的 選型 ………………………………………………………( 6) 1. 2 螺桿 材料 選定 … …………… ………… ………… ………… ……… ……( 6) 1. 3 螺桿 的 尺寸 設 計… …… … …… …… … …… … …… …… … …… … …… (6 ) 1. 3. 1 耐 磨性 計 算… ……………………………………………………( 6) 1. 3. 2 螺 紋自 鎖 的驗 算…………………………………………………(8) 1. 3. 3 螺 桿的 強度 計 算…………………………………………………(8) 1. 3. 4 螺桿 的 穩(wěn)定 性計 算 …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 9) 2. 螺母 設 計與 計算 … …… …… … …… …… … …… …… … …… …… … …… …( 1 0) 2. 1 第一 級螺 母材 料選定 …… …… …… ……… …… …… …… …… …… …( 10) 2. 2 第一 級螺 母參 數計算 …… …… …… ……… …… …… …… …… …… …( 10) 2. 3 第一 級螺 母牙紋 的強 度計 算… …… ……… …… …… …… …… …… …( 11) 2. 4 第二 級螺 母材 料選定 …… …… …… ……… …… …… …… …… …… …( 11) 2. 5 第二 級螺 母參 數及強 度計 算… …… ……… …… …… …… …… …… …( 12) 3. 升降 套 筒的 設計 … …… …… … …… …… … …… …… … …… …… … …… …( 1 3) 3. 1 第一 級升 降套 筒參數 計算 …… …… ……… …… …… …… ……… …… (1 3) 3. 1. 1 升降 套筒 的材 料確 定… …… … …… …… …… …… …… … ……( 1 3) 3. 1. 2 第一 級升 降套 筒的 結構 設計 及 強度 驗算 …… …… …… …… …( 1 3) 3. 1. 3 第二 級升 降套 筒的 結構 設 計及 強度 驗算 …… …… …… …… …( 1 4) 3. 2 活動 銷軸 的設 計…… …… …… …… ……… …… …… …… ……… …… (1 5) 3. 2. 1 銷軸 受剪 應力 的計 算… …… … …… …… …… …… …… … ……( 1 5) 3. 2. 2 銷軸 接觸 面受 擠壓 應力 的計 算 …… …… …… …… …… … ……( 1 6) 4. 錐齒 輪 的設 計… … …… …… … …… …… … …… …… … …… …… … …… …( 1 6) 4.1 齒輪 材料的 確定… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 17) 4.2 齒輪 的精度 選定… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 17) 4.3 齒輪 的參數 選定… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 17) 4.4 按齒 面接觸 強度設 計…… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 17) 4.5 齒面 接觸疲 勞強度 計算… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 18) 4.6 按齒 根彎曲 強度設 計…… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 19) 5.圓錐 滾子軸承 設計… …………… ……… ………… ………… ……… ………… (20) 5.1 軸承 的受力 分析… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 21) 5.2 軸承 的設計 計算… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 22) 6.小軸 的設計… ………… ………… ………… ………… ………… ………… …… (22) 6.1 小軸 的介紹 及材料 選定… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 22) 6.2 小軸 的結構 設計… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 22) 7.外殼 設計……… ……… ………… ………… ………… ………… …… ………… (23) 7.1 外殼 設計… ……… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 23) 8.底座 設計……… ……… ………… ………… ………… ………… ………… ……(2 4) 8.1 底座 的材料 選擇… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 24) 8.2 底座 的結構 設計… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 24) 9 .手 柄設 計… …… …… …… …… … ……… … …… …… …… …… …… …… …( 2 5) 9.1 手柄 設計及 驗算… ……… …… ……… ……… ……… ……… …… ……( 25) 第四章 重要部件裝配及總裝……………………………………………(27) 1. 第一級及第二 級套筒的裝配 ………… ……………………………… ………(27) 2. 外殼及小圓錐 齒輪的裝配 …………… ……………………………… ………(27) 3. 總裝… ……… ……… ……… ……… ……… …… ……… ……… ……… ……( 27) 第五章 重要零部件的有限元分析………………………………………(28) 1. 活動銷的靜力 分析………………………… ………………………… ………(28) 2. 第二 級螺母與螺桿 配合的靜力 分析 ……… ……………… ……………… (30) 3. 圓錐 齒輪副的靜力 分析 ……… …………… ……………… ……………… (32) 結語 ………………………………………………………………………(35) 參考文獻……………………………………………………………………(36) 附件 轎車用螺旋式 千斤 頂 摘要 本文簡要介紹了千斤頂的類型及國內外汽車用千斤頂的發(fā)展現狀。并論述了國內常見的幾款 汽車用千斤頂的優(yōu)缺點。同時詳細的講解了一款兩級升降結構的新型螺旋式千斤頂的設計。該螺旋 式千斤頂采用了螺母同套筒滑動做直線運動，螺桿同圓錐齒輪做旋轉運動，并依靠人力來傳動的便 攜式微型起重裝置。本裝置的主要構件有梯形螺桿、兩級起重套筒、活動銷軸、圓錐傳動齒輪、底 座、小軸以及頂板等。 本文的重點是這款千斤頂的結構設計計算，同時本文對千斤頂的關鍵零、部件做了簡要的有限 元分析。 關鍵字 千斤頂 ；螺旋式 ；轎車 1 Car jack screw Abstract This paper briefly introduces jack typ e and domestic and foreign automobile development situation of jack. And discusses several cars with the advantages and disadvantages of jack. At the same time, a detailed explanation of the design of a new type of screw jack a two level lifting structure. The jack screw the nut to do linear motion with sleeve sliding, screw rotate with the bevel gear to drive, and rely on the human micro portable lifting device. The main component of the device to a trapezoidal screw, two level lifting sleeve, a movable pin shaft, a conical gear, a small shaft and roof, etc. This paper fo cuses on the structure design and calculation of the jack, and the key to the jack parts, the finite element method brief analysis. Keywords Jack 、 Screw 、 Car 2 第一章 概述 1.研究意義 生活中常常會遇到重物起重的時候，比如搬動笨重的大箱，移動各類機床設備,或 是家用汽車的保養(yǎng)。當遇到這類不便于大型起重設備工作的時候，千斤頂的作用便不 言而喻了。因此千斤頂在工廠，汽修廠以及公路鐵路部門的應用非常廣。最常見的則 是汽車維修場所經常需要千斤頂來幫助工人抬起輪胎進行作業(yè)。家用汽車上也常常會 備有一個小型千斤頂來幫助人們對自己的汽車做個保養(yǎng)或是維修，例如常見的換個備 用輪胎或是檢查剎車等等。 隨著現代化的發(fā)展，汽車時代早就來臨。越來越多的人已經擁有自己的小汽車， 因此汽車用千斤頂也在迅速的發(fā)展，現在的汽車用千斤頂主要是向結構小巧，外觀美 觀，以及操作方便出發(fā)。因此也出現了很多類型的千斤頂。汽車用千斤頂主要在需要 手動還是自動可分為手動式還有自動式。不管是手動式還是自動式其結構上都分為液 壓、機械、氣壓三種。 常見的是液壓式，液壓式的千斤頂具有結構簡單、操作方便、以及起重質量大的 優(yōu)點，最主要的缺點是不能長時間起重重物，長時間使用會有少許下滑，同時油液的 泄漏會產生污染。 機械式的又分為剪式以及螺旋式，剪式是小汽車上備用最常見的。該千斤頂的優(yōu) 點是結構小巧、質量輕。但缺點是起重質量較小、穩(wěn)定性能差。另一種螺旋式的比較 少見，螺旋式千斤頂主要用于重工行業(yè)，它的優(yōu)點是能長時間穩(wěn)定的工作、起重質量 大、對外界要求低、清潔。但是缺點是體積大，外觀略顯笨重且效率較低。 還有一種是氣壓式，這是一種新型千斤頂。該千斤頂的工作原理很簡單，利用汽 車尾氣給一個皮囊充氣，在皮囊中建立一定的壓強從而起重汽車。顯然這種千斤頂的 優(yōu)點是不會在起重汽車的過程中損壞汽車、起重高度高、清潔。對于氣壓式的千斤頂 其最主要的缺點是不能夠長時間支撐以及價格比較貴、其次是需要在尾氣處取氣源， 因此取氣過程本來就比較困難。 縱觀上述幾種千斤頂可知只有螺旋式結構簡單、安全可靠、清潔同時穩(wěn)定性高的 優(yōu)點。但是由于現存的螺旋式千斤頂固有尺寸高的問題，很多汽車根本使用不了這些 千斤頂。因此設計一款結構簡單可靠、外觀美觀同時能在離地間隙在150mm左右的汽車 上使用的螺旋千斤頂是很有實用價值的。 3 2.國內外研究現狀 國外在千斤頂方面的研究較早，早在 20 世紀 40 年代就已經開始研究臥式千斤 頂。但由于當時的技術問題，臥式千斤頂的體積較為龐大，同時起重質量較小等原因 發(fā)展較緩慢。但在 90 年代初，由于工業(yè)的迅速發(fā)展，對千斤頂需求量的增大以及技術 的更新臥式千斤頂已經普遍使用。 90 年代末期，新型的便攜式液壓千斤頂以及氣壓千斤頂也開始推廣。新型的液壓 千斤頂在起重質量上有很大改善，同時操作方便等優(yōu)點很快占據了市場。與此同時氣 壓千斤頂在這期間也得到了飛速的發(fā)展，它能在短時間內起重一個 1.5T 重的汽車至 70cm 高，這驚人的效率也得到很多消費者的喜愛。 但是國內在千斤頂這塊的研究則是比較晚的，一直到 1979 年才開始接觸到類似 于臥式千斤頂的這類產品。但是進過幾年的研究發(fā)展千斤頂技術，如今制造的千斤頂 在性能或是外觀方面已得到很大提升。部分產品質量已超過國外的同類產品。所以已 有很多產品已經打入了歐美市場。 4 第二章 設計 原理及方案選定 1.設計原理 螺旋式千斤頂的原理是利用傳力螺旋的原理，是以傳遞動力為主，利用較小的扭 矩產生較大的軸向推力，同時傳力螺紋的螺旋升角較小所以螺紋具有自鎖能力。利用 這樣的結構能使操作者輕松的起重重達幾噸甚至上百噸的重物。同時采用兩級的結構 使兩級套筒進行力的傳遞，使得固有高度大大降低。這樣的結構理論上能使原有一級 螺旋式千斤頂的固有高度降低到原來的一半，同時能夠達到一個較大的起重高度。 2.方案的選定 針對于上述原理我現有以下幾種方案。 1．采用螺母固定螺桿旋轉并上升的結構。 這種結構主要是便于使用兩級結構，利用一個同時擁有內螺紋和外螺紋的 結構作為第二級套筒，第一級結構為一個擁有外螺紋的螺桿跟第二級配合，這 樣在第一級到達極限時能機械的鎖緊第二級結構使得第二級繼續(xù)與外殼配合產 生軸向推力。 這種結構不為做成兩級結構的第一選擇，但是由于操作者必須使用操縱桿 來回搬動螺桿，很是吃力，因此操作及其不變，同時考慮到螺桿是一端固定一 端自由的結構，這樣的話會降低螺桿的穩(wěn)定性，容易使螺桿彎曲變形，所以最 終予以否決。 2．采用螺桿旋轉，螺母直線運動的方式。 這種結構在制作兩級的結構上是不太方便的，但是在螺桿穩(wěn)定性方面由于 是兩端固定所以有很大的提高，同時如是在螺桿上固聯一個傳動裝置，例如錐 齒輪或是蝸輪蝸桿結構，這樣的話有利于連續(xù)運轉所以對于操作是很方便的。 操作者能連續(xù)的運轉螺桿，同時在錐齒輪或是蝸輪蝸桿這樣的結構下能夠進一 步的減少操作者所需的力量。 但是對于螺桿旋轉螺母直線運動的結構使用兩級升降結構就比較困難，這 時我突然想到我們常見的雨傘結構，采用四個均布的活動銷軸來均分載荷，于 是兩級升降的兩級的方案得以解決。 對比兩個方案，在此選用第二種方案。下面就是針對于這種方案的具體設計及計 算過程。 5 第三章 兩級螺旋式千 斤頂的設計 ° 2 ? （單位為 mm），則螺紋工作圈數為μ = ，所以螺紋工作面上的耐磨性條件為 ? ? ?? (3.1-1） ? = = = ≤ [?] 1．螺桿設計與計算 1.1 螺桿螺紋的選型 用于傳動的螺紋有矩形、梯形和鋸齒形，常用的是梯形螺紋。梯形螺紋的牙型為 等腰梯形，牙型角α = 30 ，由于內外螺紋是以錐面貼合因此不易松動。梯形螺紋與矩 形螺紋相比，傳動效率略低，但牙根強度較高，工藝性好，同時對中性要好。鋸齒形 螺紋牙型傳動效率也比梯形螺紋高，但為非對稱結構，加工成本高，對中性較差。結 合以上，從經濟性考慮，選梯形螺紋，它的基本牙型根據 GB/T 5796.3-2005 確定。 1.2 螺桿材料選定 考慮到螺旋式千斤頂是人力驅動因此轉速極不均勻而且較低，同時對于單個螺旋 作用面受力并不大，因此從經濟性考慮，以及螺桿材料的常用材料 Q235、Q275、40、 45、55 等。該螺桿選最為常見的 45 鋼。 1.3 螺桿的尺寸設計 滑動螺旋工作時，主要承受的是轉矩及軸向拉力（或壓力）的作用，同時在螺桿 和螺母的旋合螺紋間會存在較大的相對滑動。因此其主要的失效形式是螺紋磨損。所 以傳統(tǒng)螺紋設計都是按耐磨性條件確定螺桿中徑?2。求出?2后，再按梯形螺紋標準選 取相應公稱直徑d、螺距 P 及其它尺寸。 1.3.1 耐磨性計算 滑動螺旋副的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑 狀況等因素都有關系。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容 易形成過度磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作表面上的壓力 P，使其小于材料的許用壓力[P]。 假如作用于螺桿上的軸向力 F（單位為 N），螺紋的承壓面積（指螺紋工作表面投 影到垂直于軸向力的平面上的面積）為 A（單位為mm ）,螺紋中徑為?2(單位為 mm)，螺紋工作高度為 h（單位為 mm），螺紋螺距為 P（單位為 mm），螺母高度為 H ? ? ??2?? ??2?? 對于矩形和梯形螺紋，h=0.5P 6 則： ? 2 = 0.8√ ? 螺母高度 ?[?] H = ??2 （3.1-2） （3.1-3） 4 ? 2 × 10 √ （3.1-4） ? = 0.8 = 0.8 ≈ 24.4 mm 6 式中，[P]為材料的許用壓力，單位為 Mpa， ?值一般取1.2~3.5 。對于整體螺 母，由于磨損后不能調整間隙，為使受力分布比較均勻，螺紋工作圈數不宜過多，故 取? = 1.2~2.5；對于剖分螺母和兼作支撐的螺母，可取? = 2.5~3.5；只有傳動精度較 高，載荷較大，要求壽命較長時，才允許取? = 4。 因此在此千斤頂結構中螺母為使受力分布比較均勻，故取? = 1.2。 螺母材料選為青銅，又根據滑動速度≤ 3.0 m/min故取[P]=18 Mpa,摩擦系數 ?=0.1。 代入公式（3.1-2）則有 ? ? 1.2 × 18 × 10 所以?2 ≥ 24.4根據梯形齒 GB5796.3-86 查詢知公稱直徑 d = 28 mm。 由 d=28 mm 知： mm 公稱直徑 d 第一系列 第二系列 螺距 P ? 中徑 2 = ?2 大徑 ?4 ? 3 小徑 ?1 28 3 5 8 26.500 25.500 24.000 28.500 28.500 29.000 24.500 22.500 19.000 25.000 23.000 20.000 取螺距 P=5 mm，則中徑? 各尺寸如下圖所示 2 表 3.1-1 GB 5796.3-86 = 25.5 mm 小徑?3=22.5 mm,?1 =23 mm,大徑?4 =28.5 mm 圖 3.1-1 螺紋嚙合 7 ? ψ ≤ ? = ?????? = ??????? 1.3.2 螺紋自鎖的驗算 對于千斤頂一般要求自鎖，檢驗螺旋副是否滿足自鎖的條件為： ???? y （3.1-5） 式中： f 為螺紋中徑處螺旋升角； j = arctan j v 為當量摩擦角； f v 為螺旋副的當量摩擦系 ° 數；（當量摩擦角 擦角小1 ）。 v cos b ，為保證自鎖，螺紋中徑處螺旋升角至少要比當量摩 ? ?? ψ = arctan ?? 2 = ?????? ?? 2 （3.1-6） = ?????? ? 1 × 5 3.14 × 25.5 ° = 3.57 0.10 ° （3.1-7） ° ?? = ?????? ° ???? ° = ?????? ???15° = 5.91 所以，ψ = 3.57 ≤ ?? ? 1 = 4.91 ，自鎖性可以保證。 2 （3.1-8） √ ?? ? 2 A 表示螺桿段的危險截面積，? = ? ,mm ; ? 3 ? 表示螺桿段的抗扭截面模量系數，? =? , mm ; ? （3.1-9） ? = 1.3.3 螺桿的強度計算 螺桿在工作時承受軸向壓力（或壓力）F 和扭矩 T 的作用。螺桿危險截面上既有 壓縮（或拉伸）應力，又有切應力。因此，校核螺桿強度時，應根據第四強度理論求 出危險截面的計算應力: ? 式中：F 表示螺桿所受的軸向壓力（或壓力），N; 4 4 ?1 為螺紋小徑，mm； T 為螺桿所受扭矩，N ? mm; [?]為螺桿材料的許用應力，Mpa。 滑動螺旋副材料的許用應力 3~5 此處取安全系數 S=3，又知 45 鋼的屈服極限為： ?? =355 Mpa 所以 8 又 ? [? 2 ] = 355 3 = 118.3Mpa 3 ° ° 25.5 T = Ftan(ψ + ?? ) 2 = 20 × 10 ? × tan(3.57 + 5.91 ) × 2 （3.1-10） 所以 ??? = √ ? 2 ? 2 + 3? = ( ) = 42.6 ?. ? ? 2 + 3( 2 ? ?? ) 2 （3.1-11） = √ ( 20000 ) + 3( 42.6 ) 2 = 50.33??? ? 4 22.5 2 ? 16 22.53 故??? ≤ [?]所以螺桿滿足強度要求 。 ? ? = ≥ ? 臨界載荷 可安歐拉公式計算，即： 2 p EI F = 2 5 4 pd 4 I——螺桿危險截面的慣性矩， ， 。 1.3.4 螺桿的穩(wěn)定性計算 對于長徑比較大的受壓螺桿，當軸向壓力 F 大于某一零界值時，螺桿就會突然發(fā) 生側向彎曲而失效。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向壓力 F 必須小于零界載荷 ???。 故螺桿的穩(wěn)定性條件為 ? （3.1-12） 式中???為螺桿穩(wěn)定性的計算安全系數； ??為螺桿穩(wěn)定性安全系數，對于傳力螺紋??=3.5~5.0； ??? 為螺桿的零界載荷； cr (ml) （3.1-13） 式中：E——螺桿材料的拉壓彈性模量，Mpa， E = 2.06 × 10 ???； 64 m 為螺桿的長度系數，對于一端固定一端自由的螺桿 m l為螺桿的工作長度，驗證螺桿極限，即螺桿的全長 l取 90 mm。 9 則有： l s = ml i I d 3 （3.1-14） ml 0.5 ′ 90 又i為螺桿危險截面的慣性半徑，對于圓形結構 i 代入公式（3.1-14）得： l = = A = 4 mm s i = 22.5 / 4 =8≤40 （3.1-15） ° 故不需進行穩(wěn)定性校核。螺桿滿足穩(wěn)定性要求。 綜上知螺桿的基本參數為：材料為 45 鋼，長度l=90 mm，螺距 P=5 mm，牙型角 α = 30 。 因此螺桿的基本尺寸見下圖： 圖 3.1-2 螺桿基本尺寸 2.螺母設計與計算 2.1 第一級螺母材料選定 螺母材料常選用青銅、鑄鐵、鋼。通常設計是根據螺紋滑動速度以及承載大小來 確定選用哪種材料，由于千斤頂的滑動速度慢小于 3m/min。且單圈螺紋的受力不大， 故選用青銅材料 ZCuSn10Pl。 2.2 第一級螺母參數計算 螺母高度 H = ??2 （3.2-1） 根據螺桿參數知 ? 2 = 25.5 mm H = ?? 2 = 1.2 ′ 25.5 = 30.6 mm 10 （3.2-2） 所以 u = ? ? = 30.6 5 = 6.12 （3.2-3） ? τ = ≤ [?] 6?? σ = ≤ [? ] 2 ??? 28.5?23 ?為彎曲力臂，mm; ? = = = 2.75 mm； ? 20000 τ = = = 8.6Mpa ≤ [?] 6?? 6 20000 2.75 σ = = = 43.64Mpa ≤ [? ] 2 2 為了螺紋受力均勻所以?一般小于 10 故取整得? =8 所以螺母的實際高度 H=?P=8 ′ 5=40 mm 2.3 第一級螺母牙紋的強度計算 螺母牙紋多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于螺桿，故只需校核螺 母紋牙的強度。 又知螺紋牙危險截面的剪切強度條件為： ???? （3.2-4） 螺紋牙危險截面的彎曲強度條件為： ??? ? 其中?為螺紋牙根部的厚度，mm；對于梯形螺紋，?=0.65 P=3.25。 2 2 [?]為螺母材料的許用切應力，Mpa； [??]為螺母材料的許用彎曲應力，Mpa。 由滑動螺旋副材料的許用應力知螺母使用青銅材料 則 [?]= 30~40 Mpa，[??]=40~60 Mpa 。 故取[?]=30 Mpa，[??]=50 Mpa 又由計算知 ???? ?′ 28.5′ 3.25 ′ 8 （3.2-6） 又?=8 則 ′ ′ ′ 知螺母實際高度 H=40 mm 則滿足螺母牙強度。 綜上知螺母的基本尺寸為螺母高 H=40 mm 螺距 P=5 mm 2.4 第二級螺母材料選定 由上知螺母材料常選用青銅、鑄鐵、鋼。由于螺旋式千斤頂是依靠人力驅動的 額，所以螺旋副之間的滑動速度會很慢。因此考慮到千斤頂的整體尺寸的要求，同時 螺母材料硬度不能高于螺桿，所以此處選用與螺桿相同的材料 45 鋼，不需要熱處理。 11 ? τ = ≤ [?] 6?? σ = ≤ [? ] 2 ? ? ? 28.5 ? 23 ?為彎曲力臂，mm; ? = = = 2.75 mm ? 353 [?] = = = 176.5 Mpa 2.5 第二級螺母參數及強度計算 由于滑動速度特別慢，所以不需要采用進行耐磨性計算，只需進行螺紋牙的強度 計算。由 2.3 節(jié)知螺紋牙危險截面的剪切強度條件為： ???? （3.2-8） 螺紋牙危險截面的彎曲強度條件為： ??? ? 其中?=螺紋牙根部的厚度，mm,對于梯形螺紋，?=0.65P=3.25。 2 2 [?]為螺母材料的許用切應力，Mpa； [??]為螺母材料的許用彎曲應力，Mpa。 又知 45 鋼的屈服極限?? =353 Mpa 強度極限??=598 Mpa 取安全系數?? = 2； 因此 ?? 2 （3.2-10） 螺母材料為鋼材時許用切應力 [?] = 0.6[?] （3.2-11） 許用彎曲應力 [??] = (1.0~1.2)[σ] （3.2-12） 即 [??] = [σ] = 176.5 Mpa （3.2-13） 取? = 3 則有 σ = 6?? 6 20000 2.75 = = 116.4 ??? ≤ [? ] 2 2 ? 20000 [τ] = 0.6[σ] = 0.6 × 176.5 = 105.9 Mpa ′ ′ ′ [ ] （3.2-14） （3.2-15） （3.2-16） τ = ???? = ?′ 28.5 ′ 3.25′ 3 = 23 ??? ≤ τ 顯然螺母牙紋是滿足強度要求的。 綜上知第二級螺母的參數為 H=15 mm，螺距為 P=5 mm。 12 ? [ ] ? 598 ? [ ] ? （3.3-3） σ = ≤ [σ] （3.3-4） A = ? ? ? ? ? 20000 ? = F/A = = 59.75 Mpa 2 2 I i = （3.3-6） 3.升降套筒的設計 3.1 第一級升降套筒參數計算 升降套筒主要是用來支撐重物以及導向的作用。因此對于升降套筒的主要失效形 式是壓潰、磨損過快還有穩(wěn)定性的失效。因此需要校核升降套筒的危險截面的受壓情 況，以及外表面的磨損情況，針對于細長桿還要進行穩(wěn)定性的驗算。 3.1.1 升降套筒的材料確定 由于升降套筒在第二級與第一級連接處使用活動銷軸，接觸面小。故升降套筒需 采用高強度材料才能減少千斤頂的總體尺寸，而常用的結構件材料 40 鋼、45 鋼、40Cr 以及 20Cr 。此處選用常用材料 45 鋼。 3.1.2 第一級升降套筒的結構設計及強度驗算 同理由 45 鋼的屈服極限??=353 Mpa 強度極限??=598 Mpa 又知許用壓應力應為強 度極限除以安全系數 即: ?? 一般機械制造中，在靜載的情況下，對塑性材料可取?? = 1.2~2.5此處取?? = 2 則: ?? 2 軸向拉伸和壓時的強度計算知構件軸向拉伸或壓縮的強度條件為： ? 又查詢附件【5】知零件的詳細參數 故 圓筒 銷孔 鍵槽 所以有 (50 ? 44 )?/4 ? 4 × 8 × 3 ? 6 × 2 （3.3-5） ≤ [??] 所以套筒是滿足強度要求。 對于受壓的細長桿還需驗證其穩(wěn)定性。對于套筒是一端固定一端自由，知 m =2 又由第一級結構知套筒長為 l=85 mm。 所以 A 13 對于環(huán)形結構 I = ?(? 4 ? ? 4 ) = 4 ?(50 4 ? 44 ) = 122749.665 mm 4 （3.3-7） 故 所以柔度 64 i = I A m l = 64 122749.665 442.74 2 ′ 8 5 = 16.65 （3.3-8） l s = i = 1 6 . 6 5 = 1 0. 2 ￡ 4 0 （3.3-9） 顯然第一級套筒是滿足穩(wěn)定性要求的。 綜上所知第一級套筒的基本參數為： D=50 mm d=44 mm 壁厚 b=3 mm 長度 l=85 mm 定位銷孔 M6′ 7 mm ′ 4 活動銷孔?8 mm × 7 mm × 4 ? 598 [σ] = = = 299 Mpa 3.1.3 第二級升降套筒結構設計及強度計算 由上一節(jié)知 ?? 2 （3.3-10） ? [ ] A = ? ? ? ? ? （3.3-12） 圓筒 銷孔 鍵槽 20000 ? = F/A = = 48.2 Mpa ml l = 同理由第二季套筒結構知，套筒開有寬 6 mm 深 2 mm 鍵槽，以及直徑 6 mm 的活動 銷孔，所以有： ? （3.3-11） 查詢附件【6】知零件的詳細參數 故 即 (562 ? 502)?/4 ? 4 × 6 × 3 ? 6 × 2 （3.3-13） ≤ [??] 顯然第二級套筒的強度是足夠的。 同樣進行穩(wěn)定性的計算。 計算套筒的柔度 i （3.3-14） 由結構參數知第二級套筒的長為l=105 mm，同樣是一端固定一端自由，所以 14 m =2。 I ?（? 4 ??4） ?4?? 4 56 4 ?50 4 （3.3-15） i= =√ 64 2 2 =√ 2 2 =√ 2 2 =18.77 代入公式知 A l s ?（? = ml = ?? ） 4 i 16×(? ?? ) 2 ′ 105 18.77 = 16×(56 11 .2 ?50 ) ￡ 4 0 （3.3-16） 故套筒是滿足穩(wěn)定性要求的 ? τ = ≤ [?] ? 5000 τ = = = 176.93 Mpa ≤ [τ] 2 6 ? 綜上知第二級套筒的基本參數是: D=56 mm d=50 mm 壁厚 b=3 mm 長度 l=105 mm 定位銷孔 M6′ 4 活動銷孔?6 mm × 4 3.2 活動銷軸的設計 活動銷軸是用來連接套筒一和套筒二的活動構件，對于活動銷軸主要受到兩套筒 形成的剪切力，以及接觸面的擠壓力。由于結構的限制，以及加工方便的考慮，銷軸 采用圓柱狀。又由于接觸面積的狹小，并且是幾個同時受力，不免有尺寸誤差而造成 應力分布不均從而造成應力集中，所以材料采用強度較高的 40Cr 加工而成。 3.2.1 銷軸受剪應力的計算 千斤頂采用兩個銷軸對稱布置，所以受力分析知單個銷軸的受力 f=F/4=5000 N， 對于鋼材，常取 [τ] = (0.6~0.8)[σ] （3.3-17） 由上知許用壓應力[σ] = 490.5 Mpa 所以此處取 [τ] = 0.6[σ] = 0.6 × 490.5 = 294.3 Mpa （3.3-18） 又由剪切的強度條件為 ? （3.3-19） 查詢附件【7】知零件的具體參數 代入數據有 4 故活動銷軸滿足剪切強度的要求。 15 ? ? = ≤ [? ] 3.2.2 銷軸接觸面受擠壓應力的計算 對于銷軸的接觸面是受到比較大的擠壓應力，為了接觸面在正常的使用方式下不 失效，必須進行擠壓面的受力計算。 擠壓的強度條件是 ??? （3.3-21） 又知材料的許用壓應力是采用與許用剪切應力類似的方法確定的。 對于鋼材 [???] = (1.7~2.0)[σ] （3.3-22） ? 5000? ? = = = 277.8 Mpa ≤ [? 2 其中[σ]為材料的許用壓應力 所以 [???] = 1.7 × 490.5 = 833.85 Mpa 同理由附件【7】可知 代入數據則有 ??? 6 × 3?? 顯然活動銷軸接觸面是滿足擠壓強度的。 ] （3.3-23） （3.3-24） ‘ ? 50 u = = tan? ≥ = 1.67 （3.4-3） ’ ? 50 ? = = = 66.7? = 6.67?? 4.錐齒輪的設計 此螺旋式千斤頂是便攜式，驅動方式是人力驅動。由網絡資源知一個正常的成年 男子的手臂力量是體重的 1/2，而女子大概是體重的 1/4。因此按女子的平均體重為 50 Kg 計算則手臂力量為 F = 50 × 10 × 0.25 = 125 N （3.4-1） 又由 1.3.3 節(jié)知螺旋副所需要的扭矩 T=42.6 N.m 因此考慮到其它機構的摩擦力作 用，取作用到錐齒輪的扭矩為? = 50 ? ? ?。所以設手柄的長度為 30 cm 即力臂 l=0.3 m。則取人的作用力?1 = 100?則人能夠產生的力矩 ?1 = 100 × 0.3 = 30 ? ? ? （3.4-2） 所以知錐齒輪的傳動比 1 取錐齒輪的傳動比 u=2.5 則驗算人的驅動力為 ? × ? 2.5 × 0.3 （3.4-4） 顯然此千斤頂在起重 2 噸重物時，操作者也不會很吃力。 16 ° ° ( ) ° ° ° ? 14 ? = = = 15.08 ° ? 35 ? = = = 94.24 ° 4.1 齒輪材料的確定 對于螺旋式千斤頂由上一節(jié)便知轉矩 T=50 N.m，又知此千斤頂是人力驅動，顯然 轉速是很低的。所以可知錐齒輪傳遞的功率并不大，所以此錐齒輪的材料均采用 45 鋼。其中小齒輪采用調質處理，大齒輪采用常化處理。小齒輪的表面硬度為 240 HBS 大齒輪 45 鋼常化處理后表面硬度為 210 HBS 兩者差 30 HBS。 4.2 齒輪的精度選定 千斤頂是采用人力驅動，工作平穩(wěn)，速度不高，是一般工作機械，故選用 7 級精 度（GB10095-88）。 4.3 齒輪的參數選定 選取小錐齒輪齒數?1 = 14，則大錐齒輪的齒數 ?2 = ?1 × ? = 14 × 2.5 = 35 （3.4-5） 又因為u = tan ?2 )且Σ = ?1 + ?2 = 90 所以 2 故 ?1 = 90 ? 68.1986 = 21.8014 （3.4-7） 則小錐齒輪的當量齒數 ????1 cos 21.8014 ) （3.4-8） 同理 ????2 cos 68.1986 ) （3.4-9） 4.4 按齒面接觸強度設計 試算公式有： 3 ??1 ?? 2 ? 1 ≥ 2.92 √ ?? (1 ? 0.5? ? ) ? ( [?? ) ] （3.4-10） 1 (4) 選取齒寬系數 ? = (1) 確定公式內的各計算數值 (2) 試選載荷系數 ?? =1 (3) 又由上知小齒輪的扭矩 ?1 3 = 50 2.5 = 20 ?. ? 1 2 (5) 查得材料的彈性影響系數 ?? = 189.8 ??? (6) 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 17 ????? 1 (7) 查得大齒輪的接觸疲勞強度極限 ? = 550 ??? = 490 ??? （3.4-11） （3.4-12） (8) 計算應力循環(huán)次數 ???? 2 5 5 5 × 10 5 ? = = 2 × 10 ? ? 1.66 × 550 （3.4-16） [? ] = = = 913 ??? ? ? 1.7 × 490 （3.4-17） [ ] ? 2 由于千斤頂是間歇性使用工具，從網絡資源知一般汽車平均每年維修不超過 20 次，即便按 100 次計算，使用壽命為十年。又因為該千斤頂每次從最低位置升到最 高極限小錐齒輪旋轉的圈數為 500 圈所以可以計算小錐齒輪的使用圈數為 ?1 = 100 × 10 × 500 = 5 × 10 （3.4-13） 同理大錐齒輪的使用次數為 2.5 （3.4-14） (9) 接觸疲勞壽命系數 ???1 = 1.66；???2 = 1.7。 （3.4-15） （10）計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1%，安全系數 S=1，得： ? 1 ? 1 比較兩值取較小者即： [??] = [?? 2] = 833 ??? （3.4-18） 3 √ 4.5 按齒面接觸疲勞強度設計 （1）又代入數據知： 1 ( ??1 ) ? ( ?? ) 2 ?? 1 ? 0.5? 3 ? 2 [?? ] （3.4-19） = 2.92 3 √ 1 × 20 × 10 ? ( 189.8 ) = 45.3 ?? 1 3 (1 ? 0.5 × 1 3 ) 833 ?? ? 3.14 × 45.3 × 60 v = = = 0.14 ?/? （2）計算圓周速度v。取人的轉動速度為 v= 60 r/min 則 ： （3）計算載荷系數 60 × 1000 60 × 1000 根據v = 0.14 ?/?，7 級精度，由動載荷系數?? = 1 18 （3.4-20） 使用系數?? = 1；又齒輪為圓錐齒輪所以?? = 1 齒向載荷系數可按下列公式計算 ??? = ??? = 1.5????? ；由于結構是一個兩端支撐一個懸臂，所以????? ??? = 1.5 × 1.1 = 1.65 = 1.1 ，即 （3.4-21） 所以 K=?? ????? ??? =1.65。 3 ? 1.65 √ 1 1? （4）按實際的載荷系數校正所算得分度圓直徑，由式 10-10a 得 ?? 1 （3.4-22） 3 4.6 按齒根彎曲強度設計與計算 彎曲強度的計算公式為 m ≥ √ 4??1 2 2 2 ??? ??? （3.4-23） （1） 確定公式內的參數 ?? (1 ? 0.5?? ) ?1 √? + 1 [??] 1）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限???1 ???2 = 330Mpa。 2）取彎曲疲勞壽命系數? = 1.35，? = 380??? 大齒輪的彎曲疲勞強度極限 = 1.8 ??1 3）計算彎曲疲勞強度許用應力。 取彎曲疲勞安全系數 S=1，得 ??2 [ ? ]1 = ???1 ???1 = 1.35 × 380 = 513 ??? （3.4-24）