手動(dòng)千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘇再 楊壯 楊添泓 王丹丹 楊河銘 王德超 邵強(qiáng)

摘要：剪式千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)還存在一些問題，比如強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致的機(jī)械性損壞，在使用過程中可能會(huì)發(fā)生安全事故，而且一般剪式千斤頂都是人工驅(qū)動(dòng)的，會(huì)出現(xiàn)使用效率低下的情況。針對(duì)強(qiáng)度不高和使用效率低的問題，本文在原有的剪式千斤頂基礎(chǔ)上，運(yùn)用有關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)理論知識(shí)，通過嚴(yán)格的計(jì)算和運(yùn)用軟件分析，使強(qiáng)度達(dá)到安全范圍并提高使用效率，減少使用過程中發(fā)生的安全事故。

Abstract： There are still some problems in the design of the scissor jacks， such as mechanical damage caused by insufficient strength， safety accidents may occur in the use process， and generally the scissor jacks is manually driven， the use efficiency will be low. Aiming at the problems of low strength and low efficiency， this paper， on the basis of the original scissor jacks， applies the relevant mechanical design theory knowledge， through strict calculation and application of software analysis， makes the strength reach the safety range and improves the use efficiency， reduces the safety accidents in the use process.

關(guān)鍵詞：千斤頂;機(jī)械設(shè)計(jì);剪式結(jié)構(gòu)

Key words： jack;mechanical design;scissor structure

0? 引言

現(xiàn)如今，無論在生活或在工作中，千斤頂都被廣泛地使用，隨著人們多年來對(duì)千斤頂?shù)氖褂煤透鞣N需求，使得人們制造出各種類型的千斤頂，主要分液壓式千斤頂和機(jī)械式千斤頂。而機(jī)械式千斤頂按不同的動(dòng)力來源則分為手動(dòng)和電動(dòng)兩種。剪式千斤頂是機(jī)械式手動(dòng)的一種，其普遍應(yīng)用在負(fù)荷較小的地方，適合臨時(shí)使用，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，制造成本低，使用和攜帶方便，是小轎車的必備工具。但是剪式千斤頂在人們使用當(dāng)中也有各種各樣的問題出現(xiàn)，例如使用繁瑣，耗時(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不理想等問題，需要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算才能保證結(jié)構(gòu)的合理性。

1? 剪式千斤頂?shù)脑砗徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作原理是基于等腰三角形的兩個(gè)腰部長(zhǎng)度不變，通過縮短底邊的長(zhǎng)度來提高豎直高度的幾何原理。它通過螺桿和螺母之間螺旋傳動(dòng)來調(diào)節(jié)上下兩個(gè)等腰三角形的底邊長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)整個(gè)剪式千斤頂?shù)奶嵘拖陆档母叨取?/p>

剪式千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)主要由以下部分組成：1.承重臺(tái)、2.銷軸、3.支撐臂、4.螺桿、5.軸承、6.搖動(dòng)手柄、7.底座、8.螺母。（圖1）

2? 剪式千斤頂參數(shù)的選取

材質(zhì)：45鋼材，常用中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。有較好的塑性、韌性和耐磨性，適合切削加工，有較高的強(qiáng)度。材料來源方便，適合大量生產(chǎn)。

根據(jù)日常的家用轎車的重量和地盤高度以及在使用過程中的方便程度，確定千斤頂?shù)闹饕獢?shù)據(jù)有：

最大舉升范圍：290mm。

最大承載力：12000N。

重量：3.0kg。

運(yùn)用三維建模的模型，測(cè)量得出螺桿合理長(zhǎng)度為440mm。

3? 數(shù)據(jù)驗(yàn)算與分析

3.1 螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算

取螺桿與下支撐臂的夾角α為70°來計(jì)算。已知剪式千斤頂?shù)淖畲蟪休d力為12000N，要考慮到剪式千斤頂?shù)陌踩院涂煽啃?，增加區(qū)域安全系數(shù)K，通常為1.1～1.3之間，取K=1.2。在實(shí)際操作中，剪式千斤頂?shù)淖畛跖e升位置是在夾角α為40°時(shí)開始承重，運(yùn)用理論力學(xué)的知識(shí)，分析整個(gè)剪式千斤頂?shù)氖芰η闆r，得出下列數(shù)據(jù)。

重力載荷：

支撐臂壓力：? ? ?（1）

螺桿拉力：? （2）

從上面的公式可以看出，作用于千斤頂上各個(gè)構(gòu)件的作用力會(huì)隨螺桿于下支撐臂夾角α的增大而變小。

本設(shè)計(jì)中的螺桿選用梯形螺紋傳動(dòng)方式，基本牙型按GB/T5796.1-2005的規(guī)定。

由根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查到45#鋼的屈服強(qiáng)度σ=360MPa;起重載荷F=12000N，由機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中的滑動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)表格取得許用壓強(qiáng)[p]=18-25MPa，由于是人工驅(qū)動(dòng)時(shí)，[p]可提高20%，所以[p]=（18-25）×120%=21.6～30MPa，取[p]=25MPa，螺紋工作圈數(shù)不宜過多，一般取？準(zhǔn)=1.2-2.5，?。繙?zhǔn)=2，對(duì)于梯形螺紋h=0.5P。

取d2=9mm，查GB/T57963-1986得標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑d=12mm。

d2=d-H=d-0.5P=11mm，螺距P=2mm，螺桿大徑D4=12.5mm，螺桿小徑d3=9.5mm。

計(jì)算螺母高度：

計(jì)算螺旋圈數(shù)：

自鎖條件是：

可以計(jì)算得到：

θ為螺紋升角;fv為當(dāng)量摩擦系數(shù)。（，式中β為螺紋工作面的牙型斜角）;φ為當(dāng)量摩擦角（為保證螺桿能夠自鎖，螺紋升角至少要比當(dāng)量摩擦角小1°。）;查螺旋傳動(dòng)螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)fv表（定期潤(rùn)滑），可得f=0.10（計(jì)算用最大值）。所以設(shè)計(jì)中的螺桿可以保證其自鎖性。

根據(jù)螺桿所受的力，需要對(duì)螺桿進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核。所以校核螺桿強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出螺桿危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力σca。

A——螺桿危險(xiǎn)截面的面積。

WT——螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)。

T——螺桿所受扭矩。

[σ]——螺桿材料的許用應(yīng)力。

，故危險(xiǎn)截面的應(yīng)力在材料的許用應(yīng)力之內(nèi)。

3.2 螺母設(shè)計(jì)

3.2.1 選取螺母材料：選用錫青銅，螺母和銷軸分離出來，保證了空程的工作效率。

3.2.2 確定螺紋工作圈數(shù)并校核螺紋牙強(qiáng)度。

由表查得螺母螺紋許用應(yīng)力：

許用剪切應(yīng)力：

梯形螺紋牙根寬：

梯形螺紋牙工作高度：

考慮螺紋加工退刀槽的影響，實(shí)際螺紋圈數(shù)：Z=n+1.5=12.5，取整Z=13。

得出螺母的實(shí)際高度：

則螺紋牙危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度計(jì)算：

滿足設(shè)計(jì)要求。

螺紋牙危險(xiǎn)截面的剪切強(qiáng)度計(jì)算：

滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 支撐臂設(shè)計(jì)

支撐臂選用45#鋼，調(diào)質(zhì)處理：

危險(xiǎn)截面：

支撐臂受到最大壓力：

45鋼的許用應(yīng)力：

故取用凹型鋼，壁厚為5，壁寬為15。

3.4 承重臺(tái)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

①承重臺(tái)安裝于整個(gè)剪式千斤頂?shù)捻敹松?，將兩根支撐臂和兩根頂部銷軸連接起來，它的作用在于當(dāng)我們用手搖動(dòng)手柄時(shí)，在螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下，螺桿和螺母轉(zhuǎn)動(dòng)到限位套與左右螺母相接觸時(shí)，承重臺(tái)達(dá)到最高點(diǎn)，且將重物舉升起開離開地面。總的來說，承重臺(tái)的作用就是承托重物，材料選用45#鋼彎折而成。我們需要對(duì)承重臺(tái)與物體之間的接觸面的壓力強(qiáng)度進(jìn)行檢核，判斷其在使用過程中能否保證安全。

②承重臺(tái)接觸面的壓力強(qiáng)度計(jì)算

S為承重臺(tái)的受力面積;[P]為承重臺(tái)材料的許用應(yīng)力，MPa;由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查到45#鋼的屈服強(qiáng)度σ=360MPa;根據(jù)三維模型，可得出S=3412.5×10-6mm2。

滿足設(shè)計(jì)要求。

運(yùn)用軟件對(duì)承重臺(tái)進(jìn)行應(yīng)力分析，從圖中可以看到應(yīng)力最大處位于承重臺(tái)鈑金折彎的拐彎角處和尖角處。（圖2）

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)千斤頂各個(gè)參數(shù)的計(jì)算，在理論上確保設(shè)計(jì)合理、數(shù)據(jù)可靠，運(yùn)用軟件進(jìn)行仿真，更加直觀地得出了所設(shè)計(jì)的剪式千斤頂相對(duì)地提高了穩(wěn)定性和安全性。本文中還改變了以往千斤頂?shù)妮S和螺母合為一體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改進(jìn)剪式千斤頂?shù)穆輻U和螺母容易損壞的缺點(diǎn)，將螺母和銷軸分離出來，保證了螺母的壽命，以及提高了千斤頂?shù)墓ぷ餍省?/p>

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