0921032蒋申宁螺旋千斤顶的设计及运动仿真.doc

《0921032蒋申宁螺旋千斤顶的设计及运动仿真.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《0921032蒋申宁螺旋千斤顶的设计及运动仿真.doc（33页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、1 绪论1.1本课题的研究内容和意义千斤顶是一个在我们平时的生活生产中，经常会使用到的设备。它能够辅助我们完成一些单使用人力很难以完成的工作比如抬起轿车进行维修，移动笨重的设备物品，架设桥梁大墩等等一些列工作。因此千斤顶技术的发展将直接或间接影响到这些行业或部门的正常运作和未来的发展。本次对螺旋千斤顶的结构分析与设计是为了更深入地了解千斤顶的原理与应用。通过查阅大量文献资料，设计和绘制千斤顶各部件图零件图，不仅熟悉了手驱动螺旋千斤顶的工作原理和过程，让我也熟悉和强化了一些绘图软件的使用，同时也加深了对机械基础知识的了解。1.2国内外的发展概况国外发展情况：早在20世纪40年代，卧式千斤顶就开始

2、在汽车维修的行业中得到使用，当由于当时技术和使用的原因，千斤顶设计时尺寸和体积较大，承载量较低，使用不便。后来随着社会需求量的加大以及千斤顶本身技术的发展，在90年代初，国外大部分用户用卧式千斤顶顶取代了立式千斤顶1。在90年代后期一些新型的千斤顶也相继出现如充气式千斤顶和便携式千斤顶。充气千斤顶由保加利亚一汽车运输研究所发明的，它由弹性的而又非常坚固的橡胶制成的。使用时，用软管将千斤顶连在汽车的排气管上，经过1520秒，汽车将千斤顶鼓起，成为圆柱体。这种千斤顶可以把115t重的汽车顶起70cm。Power-Riser型便携式液压千斤顶则可以用于所有类型的铁道车辆，包括装运三层汽车的货车、联运

3、车以及高车顶车辆。同时它具有一个将负载定位的机械锁定环，一个三维机械手，一个全封闭构架以及一个用于防止杂质进入液压系统的外置过滤器。另外一种名为Tcuck Jack的便携式液压千斤顶则可以用于对已断裂的货车转向架弹簧进行快速的现场维修。该千斤顶能在现场从侧面对装有70125t级转向架的大多数卸载货车进行维修，并能完全由转向架侧架支撑住。它适用于车间或轨道上无需使用钢轨道碴或轨枕作支承的情况。国内发展情况：我国千斤顶技术发展较晚，由于缺少与国外先进技术的交流，所以直到1979年才接触到类似国外卧式千斤顶这样的产品。但是经过我们重新对产品进行设计改造，在外型美观、使用方便、承载量大、寿命长等方面都

4、已经超过国外同类的产品并且迅速打入欧美市场。经过多年设计与制造的实践，除了卧式千斤顶以外，我国的千斤顶还规格齐全，还研制出了新型折叠式液压千斤顶、新型剪式千斤顶、快速升降千斤顶、多用千斤顶、便携式电动千斤顶等等，形成系列产品。随着我国汽车工业的快速发展，汽车对千斤顶的要求也越来越高；同时随着市场竞争的加剧，用户要求的不断变化，将迫使千斤顶的设计质量要不断提高，以适应用户的需求。用户喜欢的、市场需要的千斤顶将不仅要求重量轻，携带方便，外形美观，使用可靠，还会对千斤顶的进一步自动化，甚至智能化都有所要求。目前我国的汽配企业不仅需要供应国内市场的需要，每年还出口约500万台汽车用千斤顶到世界各地。虽

5、然如此，仔细分析千斤顶设计制造的技术水平，采用先进技术不足，仍存在较大的改进空间2。1.3本课题应达到的要求 (1)了解螺旋千斤顶的研究现状，以及螺旋千斤顶在国内外的使用情况，以及存在的一些问题。(2)了解螺旋千斤顶的组成以及螺旋千斤顶的详细构造、各个零件的尺寸功能以及组装方法，工作原理。(3)进行螺旋千斤顶的结构设计与计算。并使用CAD对千斤顶各部分零件进行绘制装配。(4)使用PRO/E对螺旋千斤顶进行仿真分析。(5)熟悉千斤顶的工作原理和使用方法，了解千斤顶各零部件的结构特点，提高自己独立开发与设计的能力，学习设计的基本思路。2螺旋千斤顶的概述和设计要求千斤顶又叫举重器、顶重机、顶升机等，

6、是一种用比较小的力就能把重物顶升、下降或移位的简单起重机具，也可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，一人即可携带和操作。随着现在家用汽车的越来越普及，带动了一批与家用车相关的行业，家用车的售后维修就是其中之一，而家用车的维修中，千斤顶又是必备的工具之一。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升重物的轻小起重设备，千斤顶的顶升高度一般为400mm，顶升速度一般为10-35mm/min，起重能力最大可达500t。螺旋千斤顶由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄等零件所组成。螺杆在

7、固定螺母中旋转并上升或下降，把托杯上的重物举起或放下。设计时某些零件的主要尺寸是通过理论计算确定的，其它结构尺寸则是根据经验公式或制造工艺决定的，必要时进行强度验算，对这一装置的主要要求是:保证各零件有足够的强度、耐磨性、能自锁、稳定性合格等。螺旋式千斤顶分为：固定式螺旋式千斤顶、LQ型固定式螺旋千斤顶和移动式螺旋千斤顶三大类。（1）固定螺旋式千斤顶有普通式和棘轮式两种，在作业时，未卸载之前不能作平面移动；（2）LQ型固定螺旋式千斤顶结构紧凑、轻巧，使用方便。它有棘轮组、大小锥齿轮、升降套筒、锯齿形螺杆、主架等组成；当往复搬动手柄时，撑牙推动棘轮组间歇回转，小锥齿轮带动大锥齿轮，使锯齿形螺杆旋

8、转，从而使升降套筒上升或下降。由于推力轴承转动灵活，摩擦力小，因而操作灵敏，工作效率高。（3）移动式螺旋千斤顶是一种在顶升过程中可以移动的千斤顶，在作业时，它的移动主要是靠其底部的水平螺杆转动，从而使顶起或下降的重物连同千斤顶一同做水平移动。因此，移动式螺旋千斤顶在设备安装施工中用来就位便很使用。螺旋千斤顶是利用螺旋传动来顶举重物，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，是汽车修理和机械安装常用的一种起重或顶压工具，但顶举的高度不能太高。工作中，手柄穿在螺旋杆顶部的孔中，旋动手柄，螺旋杆在螺

9、套中靠螺纹上、下移动，顶垫上的重物随着螺杆的上升而顶起。螺套镶在底座里，用螺钉定位，磨损后便于更换修配，在螺杆的球面型顶部，套一个顶垫，靠螺钉和螺旋杆联接而不固定，使顶垫相对螺杆滑动而不掉落。螺旋千斤顶按其结构和使用场所分为： （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qlz3。按螺杆与螺母相对运动方式，螺旋传动有以下四种方式，如

10、图2.1。（1）螺母不动。如图2.1（a），螺杆转动并且往复运动，这种结构以固定螺母为主要支撑，结构简单，但占据空间大。（2）螺母转动。如图2.1（b），螺杆做支线运动，螺杆应做防转机构，螺母转动要设置轴承，结构较为复杂。（3）螺母转动并沿直线运动。如图2.1（c），螺杆固定不动，结构较为简单，但是精度不高。（4）螺杆转动。如图2.1（d），螺母做往复运动，这种方式运动占据空间小，但是结构较为复杂。图2.1 螺旋传动方式 本次设计使用的是如图（a）的第一类结构 ，螺旋千斤顶的最大起重重量F=65KN，最大起升高度H=240mm。3螺旋千斤顶各部分的设计与计算3.1 螺杆的计算 3.1.1 螺杆

11、螺纹类型的选择螺纹有三角形、矩形、梯形、锯齿形，常用的是梯形螺纹。梯形螺纹牙型是等腰梯形，牙型角=30，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴近不易松动，能够起到传动作用。故选梯形螺纹，它的基本型号按GB/T5796.1-2005的规定。 3.1.2 选取螺杆材料螺杆材料常用Q235、Q275、40钢、45钢、55钢等。螺杆承受重载，可初选螺杆的材料为45钢。最后根据强度条件来验证确定最终材料。由参考文献1表3-1查得抗拉强度 ，屈服强度。 3.1.3 螺杆的直径 螺杆工作时，同时受到压力和转矩的作用。因此它的计算可近似按螺栓联接的计算公式求得螺纹小径，即 （3.1）许用应力 （3.2）由参考文献1表3-

12、2得取 则 选梯形螺纹 螺纹大径 ，螺纹中径 螺纹小径 螺距 螺纹根部厚度 螺纹工作高度 较核螺杆强度螺纹力矩 （3.3）螺纹升角 （3.4） 由参考文献1表3-6 (钢与铸铁的滑动摩擦系数无润滑)当量摩擦角按第四强度理论较核，螺杆危险截面强度校核公式为 （3.5）满足要求。图3.1 螺杆受力图根据数据画出螺杆受力简图，根据螺杆受力图3.1可知，螺杆工作时主要承受转矩及轴向压力的作用，因此需要进行螺杆强度计算，此外还要进行自锁性计算。 3.1.4 自锁性验算 自锁条件其中故 ，可用，且，可靠。 3.1.5 螺杆结构 螺杆上端直径取手柄孔径 式中：则 取 ，取退刀槽直径 取退刀槽宽度螺杆膨大部分

13、长度取，取螺杆长度 3.1.6 稳定性计算细长的螺杆工作时受到较大的轴向压力，螺杆可能失稳，为此按下式演算螺杆的稳定性。 （3.6）式中，为螺杆的临界压力。弹性模量，取。由，为固定支承，（一端固定，一端自由），螺杆可以稳定工作。3.2 螺母的设计计算3.2.1 螺母的材料螺母的材料选用HT300。3.2.2 确定螺纹旋合圈数根据耐磨性旋合圈数z，即 （3.7） （3.8）由参考文献1表6-12螺母实际圈数螺母旋合长度校核螺母的高径比由参考文献1表6-1，不能满足要求。故要重新确定螺母的高度。，则取 3.2.3 校核螺母的螺牙强度 (1）剪切强度由参考文献1表6-1故满足要求。 (2）弯曲强度

14、（3.9）式中 由参考文献1表6-1故满足要求。 3.2.4 螺母其它结构尺寸(1)螺母外径取(2)螺母凸缘厚度 取(3)螺母凸缘厚度 取 3.2.5 螺母外径和凸缘强度的计算及螺母悬置部分校核（1）螺母外径 （3.10）式中：螺母的许用拉应力 螺母材料的许用弯曲应力，安全。 （2）凸缘与底座接触部分的挤压强度计算 （3.11），安全螺母上固定螺钉用GB/T 71 M12 （3）凸缘根部的弯曲强度计算 （3.12），安全。图3.2 螺母简图 根据所得数据，画出螺母简图如图3.2。3.3托杯的设计计算 3.3.1 验算接触面间的压力强度 螺旋千斤顶起重时，因托杯底与螺杆接触面间相对滑动，所以要验

15、算接触面间的压力强度， （3.13）直径 直径则 （托杯材料Q235）,故安全 3.3.2 托杯的外口径 图3.3 托杯简图 根据数据，作出托杯简图如图3.3。3.4 手柄的设计计算 3.4.1 手柄材料 手柄的材料选取Q235。 3.4.2 手柄长度 1）作用于手柄上的力矩，从而可得 2）K为搬动手柄的臂力，起取值为，取 3）螺纹力矩摩擦力矩 4）手柄长度 5）手柄的实际长度。 3.4.3 手柄直径 按弯曲强度设计 （3.14）则 （3.15） 图3.4 手柄简图根据计算结果，作出手柄简图如图3.4。3.5 底座的设计计算 3.5.1 底座材料 选用HT150，铸铁壁厚，底座外形制成1：5的

16、锥度。 3.5.2 其主要结构尺寸 高度 取 按挤压强度计算 （3.16）取 图3.5 底座简图 根据计算结果，作出底座结构简图如图3.5。3.6 千斤顶的效率计算及绘制CAD图纸 可满足自锁条件的要求。 经过上面的设计计算，使用CAD作出螺旋千斤顶主要零件图5张，装配图1张，使用PROE作出螺旋千斤顶三维零件图5张，装配图1张。 4 基于PRO/E的千斤顶仿真4.1千斤顶主要零件的三维建模4.1.1 底座1、首先新建实体零件文件dizuo，选择模板mmns_part_soild。见图4.1。图4.1 底座模板2、 用旋转命令创建主体部分，截面图如下，生成主体部分。见图4.2。图4.2 主体部

17、分3、 用孔命令做出如图所示孔。见图4.3。图4.3 底座做孔4、 用倒角命令在如下图所示位置倒角。见图4.4。图4.4 底座倒角5、完成后效果图。见图4.5。图4.5 底座效果图4.1.2 螺母1、新建实体零件文件luomu，选择模板mmns_part_soild。见图4.6。2、用旋转做出主体部分，草绘截面如下图4.7。 图4.6 螺母模板 图4.7 螺母草图3、创建基准平面DTM1，如下图4.8。图4.8 创建基准平面4、选DTM1平面为绘图平面，旋转出如下图所示定位孔，并镜像。见图4.9。图4.9 定位孔5、对需要倒角的位置进行倒角，完成后效果图如图4.10。图4.10 效果图4.1.

18、3 螺杆1、首先新建实体零件文件luogan，选择模板为mmns_part_soild。2、用旋转命令创建螺杆主体部分，草绘截面如下图4.11。图4.11 螺杆模板3、旋转切除如图所示部分，见图4.12。图4.12 旋转切除4、用拉伸切除创建出手柄安装孔，见图4.13。图4.13 手柄安装孔5、用旋转切除创建如图所示小孔，见图4.14。图4.14 打孔第一步6、用旋转切除创建如图所示孔：见图4.15。图4.15 打孔第二部7、对螺杆底部进行倒角，见图4.16。图4.16 螺杆倒角8、对地5、6步所创建的螺纹孔做螺纹修饰，分别为M6-20，M8-22，见图4.17。图4.17 螺纹修饰9、用螺旋

19、扫描命令切剪出螺纹部分，完成后效果图如下：见图4.18。图4.18 效果图4.1.4 手柄1、首先新建实体零件文件shoubing，选择模板mmns_part_soild。2、用拉伸命令创建手柄，完成后如下：见图4.19。图4.19 手柄创建3、用孔命令创建如图所示孔，并镜像。见图4.20。图4.20 手柄打孔4、在手柄2端倒角，见图4.21。图4.21 手柄倒角4.1.5 托杯1、首先新建实体零件文件tuobei，选择模板mmns_part_soild。2、用旋转命令创建主体部分：见图4.22。图4.22 托杯模板3、用抽壳命令对上一步所做实体进行抽壳，厚度为10mm。见图4.23。图4.2

20、3 托杯抽壳4、用孔命令创建如图所示孔.见图4.24。图4.24 托杯打孔5、用拉伸命令创建如图所示槽，见图4.25。图4.25 托杯开槽6、用轴阵列对上一步槽进行阵列，完成后效果如下图：见图4.26。图4.26 效果图4.2千斤顶的装配设计应用PROE软件里的装配功能，完成千斤顶的装配，过程如下：1、新建文件qianjinding，类型选组件，子类型选设计，模版选mmns_asm_design。2、装配底座。首先调入底座零件，在缺省位置放置，完成底座的装配。见图4.27。图4.27 底座装配3、装配螺套。调入零件螺套，首先对齐如图所示2个平面，见图4.28。图4.28 螺套装配然后对齐如图所

21、示2轴（底座中心轴和螺套中心轴），完成。见图4.29。图4.29 对轴4、装配螺杆。首先调入零件螺杆，选择连接类型为圆柱。见图4.30。图4.30 装配螺杆选择参考面为2个螺纹部分内圆柱面，见图4.31,4.32。 图4.31 螺纹内圆柱面 图4.32 螺纹内圆柱面完成后如图：见图4.33。图4.33 装配成果图5、装配手柄。调入零件手柄，先选择对齐，对齐手柄中心轴和螺杆上的手柄安装孔的轴，然后将手柄中间平面和螺杆上如图所示平面对齐。见图4.34。图4.34 手柄装配6、装配托杯。调入零件托杯，对齐如图所示2个面，见图4.35。图4.35 托杯装配7、将托杯中心轴和螺杆中心轴对齐，完成装配。见

22、图4.36。图4.36 对轴4.3仿真分析计算机仿真技术是世界各国十分重视的一项高新技术。仿真是以计算机系 统为基础，根据用户的要求，建立实际系统的数学模型，并使之转换为仿真模型， 在不同的工况下，在计算机系统中运行演示，从而真实地展现实际系统运行状态 的过程。它是涉及计算数学、工程控制、各种实际系统的专业知识、计算机软硬 件技术等多学科领域的一项综合性高科技技术。是科学工作者、工程技术人员、 运行操作人员进行系统分析、优化设计、性能评估、运行试验、教育培训、操作 训练的有力工具。它在国防、能源、交通、航空航天等重要的军事与非军事领域， 得到了越来越广泛的应用。美国1992 年提出的22 项国

23、家重点发展的关键技术报 告中，计算机仿真技术被列为第16 项。同年提出的21 项国防及军事重点发展的 关键技术报告中，被列为第6 项。足见其在现代科学技术领域中的重要地位1。 传统的设计方法是首先在设计者头脑中建立起产品的三维实体形状后借助于正投影方法，把头脑中的三维实体投影为多二维视图。在读图时又需要将各个 视图的信息通过想象加以综合，在头脑中恢复回原来的三维实体形状，再进行工 艺设计、加工等工作。这样一个复杂的过程，大大降低工作效率，且容易出错。 运用 pro/e 系统进行三维实体设计技术，采用新的三维-二维-三维的新模 式，通过计算设计训练，培养了空间想象能力和设计思想表达能力5。在使用

24、pro/e进行千斤顶装配的时，要注意约束类型及约束对象，在已知约束条件不满足的时候，可以新建基准以此作为约束对象，这里会影响整体的仿真。根据上文pro/e所作出的千斤顶三维图，进行运动仿真研究。1、应用程序，然后选择机构，再进入运动仿真界面。2、设置伺服电动机。首先定义伺服电动机ServoMotor1，运动轴选中心轴，轮廓速度，设置为10（可根据需要设置）。见图4.37。图4.37 ServoMotor1设置3、设置伺服电动机ServoMotor2。插入伺服电动机，类型选几何，见图4.38。图4.38 ServoMotor2设置第一个可以选如图所示螺杆最下端孔内的点，见图4.39。图4.39

25、ServoMotor2设置第二个选如图所示螺套上表面，然后轮廓速度，设置为0.5（可根据需要设置）。见图4.40。图4.40 ServoMotor2设置4、进行机构分析，检验运动关系。分析机构分析，设置终止时间为20（可根据需要设置）。点运行，就可以看到螺杆在向上做螺旋上升运动了。见图4.41。图4.41 设置完成图5结论与展望5.1结论辛苦而又充实的毕业设计完成了，在此次毕业设计中，我收益匪浅。此次设计目的是根据螺旋千斤顶的设计要求，设计出一个螺旋千斤顶。过程中首先要对螺旋千斤顶进行结构选择，总体设计，设计计算，参数分析，数据校核，并且使用CAD进行装配图和零件图的绘制，然后对总体机构做基于

26、PRO/E进行运动仿真分析。通过老师的指导，同学的帮助，和我自己查阅相关资料，学习相关知识，基本完成了任务，达到了之前预期的要求。通过设计，我发现螺旋千斤顶工作时传动效率低，返程慢，并且螺杆主轴承受压力较大，可以进行强度方面的处理，已达到更好的工作效果。5.2不足与展望毕业设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会、从事职业工作前一个必不可少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次毕业设计我们深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真地进行毕业设计，学会脚踏实地地迈开这一步，就是为了明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。本次毕业设计，还有许多缺陷有待改善，如设计计算过程比

27、较繁复，原理分析不够透彻深入，通过这次毕业设计，我也深深感觉到机械这门学科的博大精深,许多平时想当然很简单的知识点，到了要切实应用的时候，明显感到会有一些迟滞，实践果然是检验知识水平的标杆，我会在未来的学习，工作，生活中，不断努力，不断前进，发挥出自己的价值。致谢首先，我要感谢彭勇老师对我的毕业设计指导。在毕业设计中，他给予了我学术和指导性的意见。没有老师的指导，我不可能如此顺利的完成此次毕业设计，我万分的感谢他给我的宝贵的指导意见和鼓励。我也非常感谢我的父母。在学习和生活上，他们一直都很支持我，使我能全身心地投入到学习中。最后，很感谢阅读这篇毕业设计的人们。感谢你们抽出宝贵的时间来阅读这篇毕

28、业设计。参考文献1 王田苗.机械设计手册M. 北京：机械工业出版社，2008:18-30,51,87,112.2 黄景一，付荣伯.起重机械设计制造使用手册M.安徽：安徽文化出版社，2012:89-92.3 吴慧媛.零件制造工艺与装备M.北京：电子工业出版社，2010:145-152.4 孙燕华.AutoCAD2000机械制图M.北京：机械工业出版社，2002:34-35.5 野火科技组.pro/engineer wirdfire 5.0产品设计一体化解决方案设计M.北京：机械工业出版社， 2011:12-16.6 吴宗泽.机械设计M.北京：中央广播电视大学出版社，1998:56-57,60.7

29、 Boothroyd G, Dewhurst P, Knight W. Product Design for Manufacture and AssemblyM. Dekker, New York, NY, 1994: 189-192.8 2 An Approach for Solid Modelling in a Virtual Reality EnvironmentM.School of Computer Science, University of Windsor, Canada1999: 289-300.9 熊娟，阳尧端.机械设计课程设计M.上海：复旦大学出版社，2010:458-45

30、9,75.10 黄锡恺，郑文伟.机械原理M.北京：人民教育出版社，1981:75-80,50.11 李益民.机械制造工艺设计简明手册M.北京：机械工业出版社，1994:120-130,125.12 熊良山，张福润.机械设计与制造技术基础M.武汉：华中科技大学出版社，2008:23-30.13 Bonenberger PR. A new design methodology for inte- gral attachments. ANTEC 95 Conference of the Society of Plastic EngineersJ. Boston, MA, May 7-11 1995: 3766-3770.14 Bonenberger PR. Becoming capable in snap-fits, GMs attachment level methodology supports DFM/DFA. Proceedings of the Boothroyd-Dewhurst International Forum on DFMAM,.I996: 558-566.15 Chow WW-L. Snap-fit design. Mechanical Engineer- ing J.July 1997; 99(7): 35-41.