机械毕业设计962轿车用螺旋式千斤顶.docx
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机械毕业设计962轿车用螺旋式千斤顶
毕业设计说明书
题
目：
轿车用螺旋式千斤顶设计
专
业：
机械设计制造及其自动化
学
姓
号：
名：
指导教师：
完成日期：
2014年5月
目
录
中文摘要
ABSTRACT
…………………………………………………………………
（1）
…………………………………………………………………
（2）
第一章概述………………………………………………………………………（3）
1.研究意义………………………………………………………………………（3）
2.国内外研究现状………………………………………………………………（4）
第二章设计原理及方案选定…………………………………………（5）
1.设计原理………………………………………………………………………（5）
2.方案的选定……………………………………………………………………（5）
第三章两级螺旋式千斤顶的设计……………………………………（6）
1.螺杆设计与计算………………………………………………………………（6）
1.1螺杆螺纹的选型………………………………………………………（6）
1.2螺杆材料选定……………………………………………………………（6）
1.3螺杆的尺寸设计…………………………………………………………（6）
1.3.1耐磨性计算………………………………………………………（6）
1.3.2螺纹自锁的验算…………………………………………………（8）
1.3.3螺杆的强度计算…………………………………………………（8）
1.3.4螺杆的稳定性计算………………………………………………（9）
2.螺母设计与计算………………………………………………………………（10）
2.1第一级螺母材料选定……………………………………………………（10）
2.2第一级螺母参数计算……………………………………………………（10）
2.3第一级螺母牙纹的强度计算……………………………………………（11）
2.4第二级螺母材料选定……………………………………………………（11）
2.5第二级螺母参数及强度计算……………………………………………（12）
3.升降套筒的设计………………………………………………………………（13）
3.1第一级升降套筒参数计算………………………………………………（13）
3.1.1升降套筒的材料确定……………………………………………（13）
3.1.2第一级升降套筒的结构设计及强度验算………………………（13）
3.1.3第二级升降套筒的结构设计及强度验算………………………（14）
3.2活动销轴的设计…………………………………………………………（15）
3.2.1销轴受剪应力的计算……………………………………………（15）
3.2.2销轴接触面受挤压应力的计算…………………………………（16）
4.锥齿轮的设计…………………………………………………………………（16）
4.1齿轮材料的确定…………………………………………………………（17）
4.2齿轮的精度选定…………………………………………………………（17）
4.3齿轮的参数选定…………………………………………………………（17）
4.4按齿面接触强度设计……………………………………………………（17）
4.5齿面接触疲劳强度计算…………………………………………………（18）
4.6按齿根弯曲强度设计……………………………………………………（19）
5.圆锥滚子轴承设计………………………………………………………………（20）
5.1轴承的受力分析…………………………………………………………（21）
5.2轴承的设计计算…………………………………………………………（22）
6.小轴的设计………………………………………………………………………（22）
6.1小轴的介绍及材料选定…………………………………………………（22）
6.2小轴的结构设计…………………………………………………………（22）
7.外壳设计…………………………………………………………………………（23）
7.1外壳设计…………………………………………………………………（23）
8.底座设计…………………………………………………………………………（24）
8.1底座的材料选择…………………………………………………………（24）
8.2底座的结构设计…………………………………………………………（24）
9.手柄设计………………………………………………………………………（25）
9.1手柄设计及验算…………………………………………………………（25）
第四章重要部件装配及总装……………………………………………（27）
1.第一级及第二级套筒的装配…………………………………………………（27）
2.外壳及小圆锥齿轮的装配……………………………………………………（27）
3.总装……………………………………………………………………………（27）
第五章重要零部件的有限元分析………………………………………（28）
1.
2.
3.
活动销的静力分析……………………………………………………………（28）
第二级螺母与螺杆配合的静力分析………………………………………（30）
圆锥齿轮副的静力分析……………………………………………………（32）
结语………………………………………………………………………（35）
参考文献……………………………………………………………………（36）
附件
轿车用螺旋式千斤顶
摘要本文简要介绍了千斤顶的类型及国内外汽车用千斤顶的发展现状。
并论述了国内常见的几款
汽车用千斤顶的优缺点。
同时详细的讲解了一款两级升降结构的新型螺旋式千斤顶的设计。
该螺旋
式千斤顶采用了螺母同套筒滑动做直线运动，螺杆同圆锥齿轮做旋转运动，并依靠人力来传动的便
携式微型起重装置。
本装置的主要构件有梯形螺杆、两级起重套筒、活动销轴、圆锥传动齿轮、底
座、小轴以及顶板等。
本文的重点是这款千斤顶的结构设计计算，同时本文对千斤顶的关键零、部件做了简要的有限
元分析。
关键字千斤顶；螺旋式；轿车
1
Carjackscrew
Abstract
Thispaperbrieflyintroducesjacktypeanddomesticandforeignautomobile
developmentsituationofjack.Anddiscussesseveralcarswiththeadvantagesand
disadvantagesofjack.Atthesametime,adetailedexplanationofthedesignofanewtypeof
screwjackatwolevelliftingstructure.Thejackscrewthenuttodolinearmotionwithsleeve
sliding,screwrotatewiththebevelgeartodrive,andrelyonthehumanmicroportablelifting
device.Themaincomponentofthedevicetoatrapezoidalscrew,twolevelliftingsleeve,a
movablepinshaft,aconicalgear,asmallshaftandroof,etc.
Thispaperfocusesonthestructuredesignandcalculationofthejack,andthekeytothe
jackparts,thefiniteelementmethodbriefanalysis.
Keywords
Jack、Screw、Car
2
第一章概述
1.研究意义
生活中常常会遇到重物起重的时候，比如搬动笨重的大箱，移动各类机床设备,或
是家用汽车的保养。
当遇到这类不便于大型起重设备工作的时候，千斤顶的作用便不
言而喻了。
因此千斤顶在工厂，汽修厂以及公路铁路部门的应用非常广。
最常见的则
是汽车维修场所经常需要千斤顶来帮助工人抬起轮胎进行作业。
家用汽车上也常常会
备有一个小型千斤顶来帮助人们对自己的汽车做个保养或是维修，例如常见的换个备
用轮胎或是检查刹车等等。
随着现代化的发展，汽车时代早就来临。
越来越多的人已经拥有自己的小汽车，
因此汽车用千斤顶也在迅速的发展，现在的汽车用千斤顶主要是向结构小巧，外观美
观，以及操作方便出发。
因此也出现了很多类型的千斤顶。
汽车用千斤顶主要在需要
手动还是自动可分为手动式还有自动式。
不管是手动式还是自动式其结构上都分为液
压、机械、气压三种。
常见的是液压式，液压式的千斤顶具有结构简单、操作方便、以及起重质量大的
优点，最主要的缺点是不能长时间起重重物，长时间使用会有少许下滑，同时油液的
泄漏会产生污染。
机械式的又分为剪式以及螺旋式，剪式是小汽车上备用最常见的。
该千斤顶的优
点是结构小巧、质量轻。
但缺点是起重质量较小、稳定性能差。
另一种螺旋式的比较
少见，螺旋式千斤顶主要用于重工行业，它的优点是能长时间稳定的工作、起重质量
大、对外界要求低、清洁。
但是缺点是体积大，外观略显笨重且效率较低。
还有一种是气压式，这是一种新型千斤顶。
该千斤顶的工作原理很简单，利用汽
车尾气给一个皮囊充气，在皮囊中建立一定的压强从而起重汽车。
显然这种千斤顶的
优点是不会在起重汽车的过程中损坏汽车、起重高度高、清洁。
对于气压式的千斤顶
其最主要的缺点是不能够长时间支撑以及价格比较贵、其次是需要在尾气处取气源，
因此取气过程本来就比较困难。
纵观上述几种千斤顶可知只有螺旋式结构简单、安全可靠、清洁同时稳定性高的
优点。
但是由于现存的螺旋式千斤顶固有尺寸高的问题，很多汽车根本使用不了这些
千斤顶。
因此设计一款结构简单可靠、外观美观同时能在离地间隙在150mm左右的汽车
上使用的螺旋千斤顶是很有实用价值的。
3
2.国内外研究现状
国外在千斤顶方面的研究较早，早在20世纪40年代就已经开始研究卧式千斤
顶。
但由于当时的技术问题，卧式千斤顶的体积较为庞大，同时起重质量较小等原因
发展较缓慢。
但在90年代初，由于工业的迅速发展，对千斤顶需求量的增大以及技术
的更新卧式千斤顶已经普遍使用。
90年代末期，新型的便携式液压千斤顶以及气压千斤顶也开始推广。
新型的液压
千斤顶在起重质量上有很大改善，同时操作方便等优点很快占据了市场。
与此同时气
压千斤顶在这期间也得到了飞速的发展，它能在短时间内起重一个1.5T重的汽车至
70cm高，这惊人的效率也得到很多消费者的喜爱。
但是国内在千斤顶这块的研究则是比较晚的，一直到1979年才开始接触到类似
于卧式千斤顶的这类产品。
但是进过几年的研究发展千斤顶技术，如今制造的千斤顶
在性能或是外观方面已得到很大提升。
部分产品质量已超过国外的同类产品。
所以已
有很多产品已经打入了欧美市场。
4
第二章设计原理及方案选定
1.设计原理
螺旋式千斤顶的原理是利用传力螺旋的原理，是以传递动力为主，利用较小的扭
矩产生较大的轴向推力，同时传力螺纹的螺旋升角较小所以螺纹具有自锁能力。
利用
这样的结构能使操作者轻松的起重重达几吨甚至上百吨的重物。
同时采用两级的结构
使两级套筒进行力的传递，使得固有高度大大降低。
这样的结构理论上能使原有一级
螺旋式千斤顶的固有高度降低到原来的一半，同时能够达到一个较大的起重高度。
2.方案的选定
针对于上述原理我现有以下几种方案。
1．采用螺母固定螺杆旋转并上升的结构。
这种结构主要是便于使用两级结构，利用一个同时拥有内螺纹和外螺纹的
结构作为第二级套筒，第一级结构为一个拥有外螺纹的螺杆跟第二级配合，这
样在第一级到达极限时能机械的锁紧第二级结构使得第二级继续与外壳配合产
生轴向推力。
这种结构不为做成两级结构的第一选择，但是由于操作者必须使用操纵杆
来回搬动螺杆，很是吃力，因此操作及其不变，同时考虑到螺杆是一端固定一
端自由的结构，这样的话会降低螺杆的稳定性，容易使螺杆弯曲变形，所以最
终予以否决。
2．采用螺杆旋转，螺母直线运动的方式。
这种结构在制作两级的结构上是不太方便的，但是在螺杆稳定性方面由于
是两端固定所以有很大的提高，同时如是在螺杆上固联一个传动装置，例如锥
齿轮或是蜗轮蜗杆结构，这样的话有利于连续运转所以对于操作是很方便的。
操作者能连续的运转螺杆，同时在锥齿轮或是蜗轮蜗杆这样的结构下能够进一
步的减少操作者所需的力量。
但是对于螺杆旋转螺母直线运动的结构使用两级升降结构就比较困难，这
时我突然想到我们常见的雨伞结构，采用四个均布的活动销轴来均分载荷，于
是两级升降的两级的方案得以解决。
对比两个方案，在此选用第二种方案。
下面就是针对于这种方案的具体设计及计
算过程。
5
第三章两级螺旋式千斤顶的设计
1．螺杆设计与计算
1.1螺杆螺纹的选型
用于传动的螺纹有矩形、梯形和锯齿形，常用的是梯形螺纹。
梯形螺纹的牙型为
等腰梯形，牙型角α=30°，由于内外螺纹是以锥面贴合因此不易松动。
梯形螺纹与矩
形螺纹相比，传动效率略低，但牙根强度较高，工艺性好，同时对中性要好。
锯齿形
螺纹牙型传动效率也比梯形螺纹高，但为非对称结构，加工成本高，对中性较差。
结
合以上，从经济性考虑，选梯形螺纹，它的基本牙型根据GB/T5796.3-2005确定。
1.2螺杆材料选定
考虑到螺旋式千斤顶是人力驱动因此转速极不均匀而且较低，同时对于单个螺旋
作用面受力并不大，因此从经济性考虑，以及螺杆材料的常用材料Q235、Q275、40、
45、55等。
该螺杆选最为常见的45钢。
1.3螺杆的尺寸设计
滑动螺旋工作时，主要承受的是转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺杆
和螺母的旋合螺纹间会存在较大的相对滑动。
因此其主要的失效形式是螺纹磨损。
所
以传统螺纹设计都是按耐磨性条件确定螺杆中径𝑑2。
求出𝑑2后，再按梯形螺纹标准选
取相应公称直径d、螺距P及其它尺寸。
1.3.1耐磨性计算
滑动螺旋副的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑
状况等因素都有关系。
其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容
易形成过度磨损。
因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作表面上的压力
P，使其小于材料的许用压力[P]。
假如作用于螺杆上的轴向力F（单位为N），螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投
影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A（单位为mm2）,螺纹中径为𝑑2（单位为
mm），螺纹工作高度为h（单位为mm），螺纹螺距为P（单位为mm），螺母高度为H
𝐻
𝑃=
𝐹
𝐴
=
𝐹
𝜋𝑑2ℎ𝜇
=
𝐹𝑃
𝜋𝑑2ℎ𝐻
≤[𝑃]
（3.1-1）
对于矩形和梯形螺纹，h=0.5P
6
（单位为mm），则螺纹工作圈数为μ=𝑃，所以螺纹工作面上的耐磨性条件为
则：
螺母高度
𝐹
∅[𝑃]
H=∅𝑑2
（3.1-2）
（3.1-3）
式中，[P]为材料的许用压力，单位为Mpa，∅值一般取1.2~3.5。
对于整体螺
母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故
取∅=1.2~2.5；对于剖分螺母和兼作支撑的螺母，可取∅=2.5~3.5；只有传动精度较
高，载荷较大，要求寿命较长时，才允许取∅=4。
因此在此千斤顶结构中螺母为使受力分布比较均匀，故取∅=1.2。
螺母材料选为青铜，又根据滑动速度≤3.0m/min故取[P]=18Mpa,摩擦系数
ƒ=0.1。
代入公式（3.1-2）则有
𝑑2=0.8√
𝐹
∅[𝑃]
=0.8√
2×104
1.2×18×106
≈24.4mm
（3.1-4）
所以𝑑2≥24.4根据梯形齿GB5796.3-86查询知公称直径d=28mm。
由d=28mm知：
mm
表3.1-1GB5796.3-86
取螺距P=5mm，则中径𝑑2=25.5mm小径𝑑3=22.5mm,𝐷1=23mm,大径𝐷4=28.5mm
各尺寸如下图所示
图3.1-1螺纹啮合
7
公称直径d
螺距
P
中径
𝑑2=𝐷2
大径
𝐷4
小径
第一系列
第二系列
𝑑3
𝐷1
28
3
26.500
28.500
24.500
25.000
5
25.500
28.500
22.500
23.000
8
24.000
29.000
19.000
20.000
𝑑2=0.8√
1.3.2螺纹自锁的验算
对于千斤顶一般要求自锁，检验螺旋副是否满足自锁的条件为：
ψ≤𝜑𝑣=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
𝑓
𝑐𝑜𝑠𝛽
=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛𝑓𝑣
（3.1-5）
式中：
ψ为螺纹中径处螺旋升角；ϕv为当量摩擦角；
fv为螺旋副的当量摩擦系
数；（当量摩擦角ϕv=arctan
f
cosβ
，为保证自锁，螺纹中径处螺旋升角至少要比当量摩
擦角小1°）。
ψ=arctan=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
𝑓0.10
𝑠𝑛𝑝
1×5
𝑐𝑜𝑠𝛽𝑐𝑜𝑠15°
（3.1-6）
（3.1-7）
所以，ψ=3.57°≤𝜑𝑣−1°=4.91°，自锁性可以保证。
1.3.3螺杆的强度计算
螺杆在工作时承受轴向压力（或压力）F和扭矩T的作用。
螺杆危险截面上既有
压缩（或拉伸）应力，又有切应力。
因此，校核螺杆强度时，应根据第四强度理论求
出危险截面的计算应力:
𝐹2𝑇
式中：
F表示螺杆所受的轴向压力（或压力），N;
𝜋
𝑇
（3.1-8）
𝑊𝑇表示螺杆段的抗扭截面模量系数，𝑊𝑇=𝐴
𝑑1为螺纹小径，mm；
T为螺杆所受扭矩，N∙mm;
[𝜎]为螺杆材料的许用应力，Mpa。
滑动螺旋副材料的许用应力
𝑑3
4
mm3;
[𝜎]=
𝜎𝑠
3~5
（3.1-9）
此处取安全系数S=3，又知45钢的屈服极限为：
𝜎𝑠=355Mpa
所以
8
𝜋𝑑2
𝜋𝑑2
=3.57°
3.14×25.5
=5.91°
𝜑𝑣=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛=𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
𝜎𝑐𝑎=√𝜎2+3𝜏2=√（𝐴）+3（𝑊）2≤[𝜎]
又
[𝜎]=
355
3
=118.3Mpa
所以
2
=42.6𝑁.𝑚
25.5
2
（3.1-10）
𝜎𝑐𝑎=
√𝜎2
+
3𝜏2
=
𝐴
）
2
（3.1-11）
20000
4
42.6
16
）2=50.33𝑀𝑝𝑎
故𝜎𝑐𝑎≤[𝜎]所以螺杆满足强度要求。
1.3.4螺杆的稳定性计算
对于长径比较大的受压螺杆，当轴向压力F大于某一零界值时，螺杆就会突然发
生侧向弯曲而失效。
因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向压力F必须小于零界载荷
𝐹𝑒𝑟。
故螺杆的稳定性条件为
𝑆𝑠𝑐=
𝐹𝑐𝑟
𝐹
≥𝑆𝑠
（3.1-12）
式中𝑆𝑠𝑐为螺杆稳定性的计算安全系数；
𝑆𝑠为螺杆稳定性安全系数，对于传力螺纹𝑆𝑠=3.5~5.0；
𝐹𝑐𝑟为螺杆的零界载荷；
临界载荷Fcr可安欧拉公式计算，即：
Fcr=
π2EI
（μl）2
（3.1-13）
式中：
E——螺杆材料的拉压弹性模量，Mpa，E=2.06×105𝑀𝑝𝑎；
I——螺杆危险截面的惯性矩，I=
πd14
64
，mm4。
μ为螺杆的长度系数，对于一端固定一端自由的螺杆μ
l为螺杆的工作长度，验证螺杆极限，即螺杆的全长l取90mm。
9
𝑑2
T=Ftan（ψ+𝜑𝑣）=20×103𝑁×tan（3.57°+5.91°）×
𝐹2
√（）+3（
𝑇2
𝑊𝑇
=√（𝜋
22.52
）+3（𝜋
22.53
则有：
λs=
μl
i
（3.1-14）
又i为螺杆危险截面的惯性半径，对于圆形结构i=
I
A
=
d3
4
mm
代入公式（3.1-14）得：
λs=
μl0.5⨯90
=
i
=8≤40
（3.1-15）
故不需进行稳定性校核。
螺杆满足稳定性要求。
综上知螺杆的基本参数为：
材料为45钢，长度l=90mm，螺距P=5mm，牙型角
α=30°。
因此螺杆的基本尺寸见下图：
图3.1-2螺杆基本尺寸
2.螺母设计与计算
2.1第一级螺母材料选定
螺母材料常选用青铜、铸铁、钢。
通常设计是根据螺纹滑动速度以及承载大小来
确定选用哪种材料，由于千斤顶的滑动速度慢小于3m/min。
且单圈螺纹的受力不大，
故选用青铜材料ZCuSn10Pl。
2.2第一级螺母参数计算
螺母高度
根据螺杆参数知
H=∅𝑑2
𝑑2=25.5mm
H=∅𝑑2=1.2⨯25.5=30.6mm
10
（3.2-1）
（3.2-2
升级会员 