基于PROE千斤顶结构设计及三维模型建立.docx
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基于PROE千斤顶结构设计及三维模型建立
摘要
本次毕业设计是设计一个机械螺旋千斤顶，主要设计内容为计算各零部件尺寸，校核特别零件的强度，在达到合理要求的前提下进行pro/e装配并进行仿真。
首先，通过计算获得参数查手册以及书籍取合理参数，然后在校核的过程中不断地修改尺寸，使其结构数据在整体上更为优化。
其次，在用pro/e装配时，要注意约束类型以及约束对象，在已知约束条件不满足时，可以新建基准以此作为约束对象，这里会影响整体的仿真。
在仿真时要添加两个电动机分别作为上下运动和旋转运动，在捕获前要选择合理速度。
在导工程图方面，新建绘图后选择合理的视图和比例导出，再此图的基础上修改并另存为dwg格式文件。
在这次毕业设计中，了解了千斤顶的结构原理，在设计过程中认识到三维建模的作用，还学会了简单的仿真和绘图技巧。
关键词：
螺旋千斤顶；设计；装配；pro/e；仿真
Abstract
Thegraduationprojectistodesignamechanicalscrewjack,themaindesignelementsisthecalculationofthesizeofthevariousparts,checkingthestrengthofthespecialparts,toachieveareasonablerequestunderthepremiseofthepro/eassemblyandsimulation.First,bycalculatingtheparameterscheckthemanualaswellasbookstotakereasonableparameters,andthenmodifythesize,intheprocessofcheckingthestructuraldataonthewholemoreoptimization.Secondly,thepro/eassembly,weshouldpayattentiontothetypesofconstraintsandconstraintobjectknownconstraintconditionsarenotmet,thenewbenchmarkasaconstrainedobjectwillaffecttheoverallsimulation.Inthesimulationtoaddtwomotors,respectively,astheupanddownmovementandrotation,tochooseareasonablespeedbeforethecapture.Exportareasonableviewandproportionguidedrawings,thenewdrawing,select,andthenmodifyandsaveasdwgformatfilesonthebasisofthisfigure.Inthisgraduationproject,understandtheprincipleofthestructureofthejack,andrecognizetheroleofthree-dimensionalmodelinginthedesignprocess,learnedasimplesimulationanddrawingskill.
Keywords:
Screwjack；design；assembly；pro/e；emulate
第一章绪论
1.1起重机械的概述
起重机械是一种以间歇作业方式对物料进行起升和水平移动的搬运机械。
起重机械的作业通常带有重复循环的性质。
一个完整的作业循环一般包括取物、起升、平移、下降、卸载，然后返回原处等环节。
经常起动、制动、正向和反向运动是起重机械的基本特点。
起重机械广泛用于交通运输业、建筑业、商业和农业等国民经济各部门及人们日常生活中。
起重机械由运动机械、承载机构、动力源和控制设备以及安全装备、信号指示装备等组成。
起重机械的驱动多为电力，也可用内燃机，人力驱动只用于轻小型起重设备或特殊需要的场合。
起重机械按结构特征和使用场合分为：
轻小型起重设备、桥架型起重机、缆索型起重机、臂架型起重机、堆垛起重机、升降机械。
然而，千斤顶又属于起重机械的一种。
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式与螺旋式两种。
千斤顶按工作原理分为：
螺旋千斤顶、齿条千斤顶、油压千斤顶。
1.2目的
在研究本课题时就发现在现实生活和实际生产中，我们经常会遇到一些汽车需要更换轮胎或者维修，将一些重物在没有起重装备的前情况下移动或抬起，如果仅仅靠人工进行操作是相当困难的，这个时候就用到千斤顶，发挥四两拨千斤的作用。
千斤顶与我们生活息息相关，比如铁路车辆检修、桥梁安装、矿山、建筑工程的支撑及车辆设备等重物的起重方面都离不开千斤顶。
因此千斤顶技术的发展将直接影响到这些行业货部门的正常运作和未来的发展。
本次通过研究学习机械原理，设计出以往复扳动手柄拔抓，即推动刺轮间隙回转，小伞齿轮带动大伞齿轮使举重螺杆旋转，从使伸降套筒获得起伸或下降达到起重拉力功能的螺旋式千斤顶，更是为了深入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零件图，不仅熟悉了螺旋千斤顶的工作原理，让我也熟悉和强化了一些绘图软件的使用，同时加深了对课本中有关液压传动与机械基础理论知识的理解。
其意义在于：
1）要求熟悉螺旋传动的工作原理，掌握螺旋传动的设计过程和方法，培养结构设计能力，初步额机械设计的一般程序；
2）要求学会综合运用所学知识，培养独立解决工程的问题的能力；
3）培养查阅机械设计零件手册及有关技术资料，能正确使用国家标准规范能力。
1.3国内外千斤顶行业发展趋势
国外发展情况：
早在20世纪40年代，卧式千斤顶就开始在汽车维修行业中得到使用，但由于当时技术和使用的原因，千斤顶设计时的尺寸和体积较大，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室千斤顶取代了立式千斤顶。
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。
Power-RiserII型便携式液压千斤顶则可以用于所有类型的铁道车辆。
另外一种名为TcuckJack的便携式液压千斤顶则可以用于对已断裂的货车转向弹簧进行快速的现场维修，并能完全由转向架侧架支撑住。
国内发展情况：
我国千斤顶技术发展较晚，由于缺少与外国先进技术交流，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，在外观美观、使用方便、承载量打、寿命长等方面都已经超过国外同类的产品并迅速打入欧美市场。
经过多年设计制造的实践，除了卧式千斤顶外，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、多用途千斤顶、便携式电动千斤顶等等，形成了一套系列产品。
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，用户要求的不断的变化，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订花，甚至智能化都有所要求。
1.4使用原理
机械千斤顶是手动起重工具种类之一，其结构紧凑，合理的利用摇杆的摆动，使小齿轮转动，经一对圆锥齿轮合运转，带动螺杆旋转，推动升降套筒，从而重物上升或下降。
1.5使用方法
1、使用前必须检查千斤顶是否正常，各部件是否灵活，加注轮滑油，并正确估计重物的重量，选用适当吨位的千斤顶，切忌超载使用。
2、调整摇杆上的撑牙方法，先用手直接按顺时针方向转动摇杆，使升降套筒快速上升顶重物。
3、将手柄插入摇杆孔内，上下往返搬动手柄，重物随之上升。
当升降套筒上出现红色警戒线时应该立即停止搬动手柄。
如需下降时撑牙调至反方向，重物便开始下降。
1.6主要研究内容
对螺旋千斤顶的设计计算及强度校核，了解千斤顶的工作原理，结构，特点，用pro/e软件画出生成零件，并装配制作仿真动画，导出工程图。
本次通过研究学习机械原理，设计出以往复扳动手柄拔抓，即推动刺轮间隙回转，小伞齿轮带动大伞齿轮使举重螺杆旋转，从使伸降套筒获得起伸或下降达到起重拉力功能的螺旋式千斤顶，更是为了深入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零件图。
第二章螺旋传动的设计和计算
2.1螺旋传动的类型和应用
螺旋传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。
它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。
它具有结构紧凑、转动均匀、准确、平稳、易于自锁等优点，在工业中获得了广泛应用。
按照用途不同，螺旋传动分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。
传力螺旋以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇性工作，工作速度较低，通常要求具有自锁能力，图2-1的螺旋千斤顶及图2-2的螺旋压力机均为传力螺旋。
传导螺旋以传递运动为主，这类螺旋常在较长的时间内连续工作且工作速度较高，传动精度要求较高，如图2-3所示的机床进给机构的螺旋。
调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置，一般在空载下工作，要求能自锁，如带传动张紧装置、机床卡盘、轧钢机轧滚下压螺旋等。
图2-1螺旋千斤顶
图2-2螺旋压力机
图2-3传导螺旋
按照螺旋副摩擦性质的不同，螺旋传动又可分为滑动摩擦螺旋传动（简称滑动螺旋）、滚动摩擦螺旋传动（简称滚动螺旋）和静压滑动螺旋传动（简称静压螺旋）。
滑动螺旋传动应用较广，其特点是结构简单，制造方便，成本低；易于实现自锁；运转平稳。
缺点在于当低速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（一般为30%~50%）；螺纹间有侧向间隙，反向时有空行程；磨损较大。
广泛应用于机床的进给、分度、定位等机构，如压力机、千斤顶的传力螺旋等。
滚动螺旋也称滚珠丝杠，其特点是摩擦阻力小，传动效率高（90%以上）；运转平稳，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精度和重复定位精度；传动具有可逆性，如果运用于禁止逆转的场合，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、飞机上的传动螺旋。
滚动螺旋传动特点：
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。
滚动螺旋传动应用于机床、汽车、拖拉机、航空军工等制造业。
滚动螺旋传动按滚珠循环方式分为：
内循环：
滚珠始终和螺杆接触，两个封闭循环回路有两个反向器，三个封闭循环回路有三个反向器。
特点：
流动性好，效率高，经向尺寸小。
外循环：
分离，工艺性好，分为螺旋式，插管式，挡珠式
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（达99%）；螺母的结构复杂；运转平稳，无爬行现象；传动具有可逆性（不需要时应加设防逆转机构）；反向时无空行程，定位精度高，轴向刚力大；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。
2.2螺旋传动的运动关系
在螺旋传动中，结构最简单应用最广泛的是滑动螺旋，本节主要介绍这种螺旋传动的设计。
滑动螺旋副工作时，主要承受转矩和轴向拉力（或压力）的作用，由于螺杆和螺母的旋合螺纹间存在着较大的相对滑动，因此，其主要失效形式是螺纹牙破损。
滑动螺旋的基本尺寸通常根据耐磨条件确定。
对于传力螺旋还应校核螺杆危险截面的强度；对于青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核其自锁性；对于精度传动螺旋应该校核螺杆的刚度；对于受压螺杆，当其长径比很大时，应校核其稳定性；对于高速长螺杆，应校核其临界转速；要求自锁时，多采用单线螺纹，要求高效时，多采用多线螺纹。
1.一般螺旋机构
一般螺旋机构当螺杆转Ψ角（rad）时，螺母轴向移动的位移L（mm）为
（2-1）
式中，S为螺旋线导程（mm）。
如螺杆的转速为ｎ（r/min），则螺母移动速度v（mm/s）为
（2-2）
2.差动螺旋机构与复式螺旋机构
图2-4差动螺旋机构
图2-4中的螺旋机构中，螺杆1上有A、B两段螺旋，A段螺旋导程为SA（mm），B段螺旋导程为SB（mm），两者旋向相同，则当螺杆转Ψ角（rad）时，螺母轴向移动的位移L（mm）为
（2-3）
如螺杆的转速为ｎ（r/min），则螺母移动速度v（mm/s）为
（2-4）
由图2-4可知：
当A、B两螺旋的导程SA、SB接近时，螺母可得到微小位移，这种螺旋机构称为差动螺旋机构（又称微动螺旋机构），常用于分度机构、测微机构等。
如两螺旋的旋向相反，螺母轴向移动的位移L为
（2-5）
移动速度为
（2-6）
这种螺旋机构称为复式螺旋机构，适合于快速靠近或离开的场合，如图2-4所示的车钩快速合拢或分开装置。
2.3滑动螺旋传动的设计
滑动螺旋传动工作时，螺杆和螺母主要承受转矩和轴向载荷（拉力或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。
滑动螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损。
因此，通常根据螺旋副的耐磨性条件，计算螺杆中径及螺母高度，并参照螺纹标准确定螺旋的主要参数和尺寸，然后再对可能发生的其他失效逐一进行校核。
2.4滑动螺旋的结构及材料
2.4.1滑动螺旋的结构
滑动螺旋的结构包括螺杆、螺母的结构形式及其固定和支承结构形式。
螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系，当螺杆短而粗且垂直布置时，如起重及加压装置的传力螺旋，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，如机床的传导螺旋（丝杠）等，应在螺杆两端或中间附加支承，以提高螺杆工作刚度。
螺母结构有整体螺母、组合螺母和剖分螺母等形式。
整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的场合中使用。
对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙并补偿旋合螺纹的磨损，通常采用组合螺母或剖分螺母结构。
图2-4为组合螺母的一种结构形式，利用螺钉可使斜块将其两侧的螺母挤紧，减小螺纹副的间隙，提高传动精度。
传动用螺杆的螺纹一般采用右旋结构，只有在特殊情况下，采用左旋螺纹。
2.4.2螺杆与螺母常用材料
螺杆和螺母材料应具有较高的耐磨性、足够的强度和良好的工艺性。
螺杆与螺母常用材料见表2-1。
表2-1螺杆与螺母常用材料
螺纹副
材料
应用场合
螺杆
Q235Q2754550
轻载、低速传动。
材料不热处理
40Gr65Mn20GrMnTi
重载、较高速。
材料需经热处理，以提高耐磨性
9Mn2VGrWMn38GrMoAl
精密传导螺旋传动。
材料需经热处理
螺母
ZcuSn10P1ZcuSn5Pb5Zn5
一般传动
ZcuAL10Fe3ZcuZn25AL6Fe3Mn
重载、低速传动。
尺寸较小或轻载高速传动，螺母可采用钢或铸铁制造，内空浇铸巴士合金或青铜
2.5耐磨性计算
耐磨性计算尚无完善的计算方法，目前是通过限制螺纹副接触面上的压强
作为计算条件，其校核公式为
（2-7）
式中，F为轴向工作载荷（N）；A为螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积（mm²）；d2为螺纹中径（mm）；P为螺距（mm）；h为螺纹工作高度（mm），矩形与梯形螺纹的工作高度h=0.5P,锯齿形螺纹高度h=0.75P;z=H/P为螺纹工作圈数，H为螺纹高度（mm），[
]为许用压强（MPa），见表2-2
表2-2滑动螺旋传动的许用压强[
]
螺纹副材料
滑动副速度/（m·min）
许用压强/MPa
钢对青铜
低速
<3.0
6~12
>15
18~25
11~18
7~10
1~2
钢-耐磨铸铁
6~12
6~8
钢-灰铸铁
<2.4
6~12
13~18
4~7
钢-钢
低速
7.5~13
淬火钢-青铜
6~12
10~13
注：
ø<2.5或人力驱动时，[p]可提高20%；螺母为剖分式时，[p]应降低15%-20%。
为便于推导设计公式，令
，代入式（2-7）整理后得螺纹中径的设计公式为
（2-8）
对矩形、梯形螺纹，
，则
（2-9）
对锯齿形螺纹，
，则
（2-10）
ø值根据螺母的结构选取。
对于整体式螺母，磨损后间隙不能调整，通常用于轻载或精度要求低的场合，为使受力分布均匀，螺纹工作圈数不宜过多，宜取ø=1.2～2.5。
对于剖分式螺母或螺母兼作支承而受力较大，可取ø=2.5～3.5；
传动精度高或要求寿命长时，允许ø=4。
根据公式计算出螺纹中径d2后，按国家标准选取螺纹的公称直径d和螺距P。
由于旋合各圈螺纹牙受力不均，故z不宜大于10。
2.6螺母螺纹牙的强度计算
螺纹牙多发生剪切与弯曲破坏。
由于一般情况下螺母材料的强度比螺杆低，因此只需校核螺母螺纹牙的强度。
假设载荷集中作用在螺纹中径上，可将螺母螺纹牙视为大径D处展开的悬臂梁（图2-4），螺纹牙根部aa处的弯曲强度校核公式为
（2-11）
剪切强度校核公式为
（2-12）
式中，F、h、z同式（1-6）；D为螺母螺纹的大径（mm）；b为螺母螺纹牙根部宽度（mm）；可由国家标准查得，也可取矩形螺纹
，梯形螺纹
，锯齿形螺纹
；[σ]、[b]、[τ]分别为螺母螺纹牙的许用弯曲应力和许用切应力（MPa），见表2-3
表2-3滑动螺旋副材料的许用应力
项目
许用应力/MPa
钢制螺杆
[σ]=σS/3~5σS为材料的屈服极限/MPa
螺母
材料
许用弯曲应力[σb]
许用切应力[τ]
青铜
40~60
30~40
耐磨铸铁
50~60
40
铸铁
45~55
40
钢
（1.0~1.2）[σ]
0.6[σ]
若螺杆与螺母的材料相同，由于螺杆螺纹的小径d1小于螺母螺纹的大径D，故应校核螺杆螺纹牙的强度，这时公式中的D应改为d1。
2.7螺杆强度校核
螺杆受轴向力F及转矩T的作用，危险截面上受拉（压）应力σ和扭转切应力τ。
根据第四强度理论，τ螺杆危险截面的强度校核公式为
（2-13）
式中，d1为螺杆螺纹的小径（mm）；[σ]为螺杆材料的许用应力（MPa），见表2-3；T为螺杆所受转矩（N·m）；可由公式计算
。
2.8螺杆稳定性校核
对于长径比大的受压螺杆，当轴向力F超过某一临界载荷FC时，螺杆可能会突然产生侧向弯曲而丧失稳定。
因此，对细长螺纹应进行稳定性校核。
螺杆的稳定性条件为
（2-14）
式中，S为稳定性安全系数，对于传力螺旋取S=3.5～5；对于传导螺旋取S=2.5～4；对于精密螺杆或水平螺杆取S>4。
临界载荷FC与螺杆的柔度γ及材料有关，根据
的大小选用不同的公式计算。
当
时，根据欧拉公式计算，即
（2-15）
式中，FC为临界载荷（N）；E为螺杆材料的弹性模量（MPa），对于钢
；I为危险截面的惯性矩（mm4），
，d1为螺杆螺纹内径（mm）；μ为长度系数，与螺杆端部结构有关；L为螺杆最大受力长度（mm）；i为螺杆危险截面的惯性半径（mm），
当γ<85～90时；对σb≥380MPa的碳素钢（如Q235、Q275）
（2-16）
当γ<85～90时，对σb≥470MPa的优质碳素钢（如Q355、45）
（2-17）
当γ<40时，无需进行稳定性计算。
表2-4长度系数μ
螺杆端部结构
μ
两端固定
0.5
一端固定，一端不完全固定
0.6
一端固定，一端自由（如千斤顶）
2
一端固定，一端铰支（如压力机）
0.7
两端铰支（如传导螺杆）
1
注：
用下列办法确定螺杆端部的支撑情况：
采用滑动支承时：
lo为支承长度，do为支承孔直径，lo/do<1.5铰支；lo/do=1.5～3不完全固定；lo/do>3固定。
采用滚动支承时：
只有径向约束时为铰支；径向和轴向都有约束为固定。
2.9自锁性校核
对于要求自锁的螺旋传动，应校核是否满足自锁条件，即
（2-18）
式中，ƒν为螺纹副的当量摩擦系数，见表2-5
表2-5螺旋传动螺旋副的当量摩擦系数ƒν（定期润滑）
螺旋副材料
钢和青铜
钢和耐磨铸铁
钢和铸铁
钢和钢
淬火钢和青铜
ƒν
0.08～0.10
0.10～0.12
0.12～0.15
0.11～0.17
0.06～0.08
第三章千斤顶的工作原理及设计
3.1千斤顶的概述
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式与螺旋式两种，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。
液压千斤顶分为通用和专用两类。
专用液压千斤顶使专用的张拉机具，在制作预应力混凝土构件时，对预应力钢筋施加张力。
专用液压千斤顶多为双作用式。
常用的有穿心式和锥锚式两种。
穿心式千斤顶适用于张拉钢筋束或钢丝束，它主要由张拉缸、顶压缸、顶压活塞及弹簧等部分组成。
它的特点是：
沿拉伸机轴心有一穿心孔道，钢筋（或钢丝）穿入后由尾部的工具锚固。
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。
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。
千斤顶按工作原理分为：
（1）螺旋千斤顶：
采用螺杆或由螺杆推动的升降托杯作为刚性顶举件的千斤顶。
（2）齿条千斤顶：
采用齿条作为刚性顶举件的千斤顶。
（3）油压千斤顶：
采用柱塞或液压缸作为刚性顶举件的千斤顶。
千斤顶已实施出口产品质量许可制度，未取得和质量许可证的产品不准出口。
3.2千斤顶的种类和规格
3.2.1油压千斤顶的结构、用途
油压千斤顶按其结构、用途分为如下两种：
①立式螺纹连接结构的油压千斤顶，其代号的表征字母为qyl。
②立卧两用油压千斤顶，其代号的表征字母为qw。
第一位为型式代号，qyl、qw。
第二位为额定起重量，t。
第三位为行程代号，g：
表示高行程；d：
表示低行程；普通型无表示。
油压千斤顶的基本参数应符合表3-1中规定。
表3-1油压千斤顶基本参数
型号
额
定
起
重
量
最
低
高
度
h
起
升
高
度
h1
≥
调
整
高
度
h2
≥
活
塞
直
径
泵
心
直
径
起
升
进
程
①
≥
手
柄
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