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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題
目：
轎車用螺旋式千斤頂設(shè)計
專
業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)
姓
號：
名：
2010962924
羅意明
指導(dǎo)教師：
完成日期：
高 偉
2014 年 5 月 9 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
論文（設(shè)計）題目：
轎車用螺旋式千斤頂設(shè)計
學(xué)號：
2010962924
姓名：
羅意明
專業(yè)：
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師：
高
偉
系主任：
劉伯希
一、主要內(nèi)容及基本要求
主要內(nèi)容：
設(shè)計一款轎車用螺旋式千斤頂，其主要構(gòu)件包括螺桿、螺母、錐齒輪、導(dǎo)套、手
柄、外殼。 設(shè)計包括：
（1）千斤頂結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度計算；
（2）千斤頂?shù)膭幼鲗?shí)現(xiàn)；
（3）繪制三維實(shí)體圖并生成各零件圖紙及裝配圖紙 ,完成 8000 字以上的說明書撰寫。
基本要求:
（1）千斤頂?shù)膹?qiáng)度要求，最大承載質(zhì)量為 2T ；
（2）千斤頂?shù)淖畲笮谐桃蟛簧儆?150mm，可以采用兩級式升降結(jié)構(gòu)；
（3）千斤頂升降靈活不能有卡頓現(xiàn)象 ；
（4）千斤頂外觀美觀，攜帶方便。
二、重點(diǎn)研究的問題
（1）千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，突出便攜 ；
（2）千斤頂三維仿真及有限元分析 ；
（3）螺旋千斤頂?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)分析。
三、進(jìn)度安排
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
1、濮良貴，紀(jì)明剛《機(jī)械設(shè)計》（第八版）（M）高等教育出版社，2006.5
2、孫恒，陳作模，葛文杰《機(jī)械原理》（M）高等教育出版社，2006.5
3、羅迎社，李卓球《材料力學(xué)》武漢理工大學(xué)出版社，2000.11.18
4、陳燕, 歐陽加強(qiáng). 千斤頂技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望 [J][J]. 現(xiàn)代機(jī)械, 2002, 4
5、劉平安. 錐齒輪螺旋千斤頂設(shè)計[J]. 機(jī)械設(shè)計與研究, 1996 (2): 35-36.
6、成大先, 王德夫. 新中國成立后第一部大型《 機(jī)械設(shè)計手冊》[C]//History of
Mechanical Technology (3)--Proceedings of the Third China-Japan
International Conference on History of Mechanical Technology. 2002 年,
2002.
7、吳宗澤，羅圣國《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊》（M）高等教育出版社，2006.5
8、周良得，朱泗芳《現(xiàn)代工程圖學(xué)》（M）湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2000.9
9、哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室《理論力學(xué)（I）》（第 7 版）（M）高等
教育出版社，2009.7序
號
各階段完成的內(nèi)容
完成時間
1
查閱資料、調(diào)研
1~2 周
2
開題報告、任務(wù)書
3~4 周
3
方案，結(jié)構(gòu)原理設(shè)計
5~6 周
4
總裝配圖，零部件圖的繪制
7~10 周
5
寫出初稿
11~12 周
6
修改，寫出正式稿
13 周
7
答辯
14 周
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表
學(xué)號
2010962924
姓名 羅意明
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：
轎車用螺旋式千斤頂設(shè)計評價項(xiàng)目
評 價 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計劃的基本要
求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計）
質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正
確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)
一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
該生的畢業(yè)設(shè)計為轎車用螺旋式千斤頂設(shè)計，論文選題符合培養(yǎng)目
標(biāo)要求，能體現(xiàn)科學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，達(dá)到了綜合訓(xùn)練的目的。該生具有較
強(qiáng)的文獻(xiàn)查閱、資料綜合歸納整理的能力，能在設(shè)計工作中較熟練的運(yùn)
用所學(xué)的知識，畢業(yè)設(shè)計技術(shù)方案可行，工作量適當(dāng)，設(shè)計思路較清
晰，研究內(nèi)容具有一定的實(shí)用性，設(shè)計質(zhì)量較好，同意參加答辯。
評閱人：
年 月 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見
學(xué)號：
2010962924
姓名：
羅意明
專業(yè)：
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計說明書）
37
頁
圖 表
15
張
論文（設(shè)計）題目：
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
內(nèi)容提要：本文簡要介紹了千斤頂?shù)念愋图皣鴥?nèi)外汽車用千斤頂?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀。并論述了國內(nèi)常見
的幾款汽車用千斤頂?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)。同時詳細(xì)的講解了一款兩級升降結(jié)構(gòu)的新型螺旋式千斤頂?shù)脑O(shè)計。
該螺旋式千斤頂采用了螺母同套筒滑動做直線運(yùn)動，螺桿同圓錐齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(gòu)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(diǎn)是這款千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計計算，同時本文對千斤頂?shù)年P(guān)鍵零、部件做了簡要的有限
元分析。
指導(dǎo)教師評語
設(shè)計選題具有較高的實(shí)用價值，設(shè)計符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計任務(wù)能夠達(dá)到綜
合訓(xùn)練的目標(biāo)。
該生在設(shè)計過程中能夠全面收集相關(guān)設(shè)計資料，綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識，設(shè)計
作品較新穎，體現(xiàn)出學(xué)生具有較好的專業(yè)知識。同時全面分析了產(chǎn)品零部件的加工
及實(shí)際使用中可能遇到的問題，綜合運(yùn)用知識能力強(qiáng)。
設(shè)計說明書篇幅符合學(xué)院規(guī)定，內(nèi)容完整，層次結(jié)構(gòu)安排科學(xué)邏輯關(guān)系清楚，
有一定的個人見解。
說明書語言表達(dá)流暢，格式符合規(guī)范要求；參考了豐富的文獻(xiàn)資料，其時效性
較強(qiáng)，設(shè)計中沒有抄襲現(xiàn)象。
同意其參加答辯，建議成績評為：
指導(dǎo)教師：
年
答辯簡要情況及評語
答辯小組組長：
年
答辯委員會意見
答辯委員會主任：
年
月
月
月
日
日
日
目
錄
中文摘要
ABSTRACT
…………………………………………………………………(1)
…………………………………………………………………(2)
第一章 概 述…………………………………………………… …………………(3)
1.研究意義………………………………………………………………………(3)
2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………………………………………………(4)
第二章 設(shè)計原理及方案選定 …………………………………………(5)
1.設(shè)計原理…………………………………………… …………………………(5)
2.方案的選定……………………………………………………………………(5)
第三章 兩級螺旋式千斤頂?shù)脑O(shè)計 ……………………………………(6)
1.螺桿設(shè)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(shè)計…………………………………………………………(6)
1.3.1 耐磨性計算………………………………………………………(6)
1.3.2 螺紋自鎖的驗(yàn)算…………………………………………………(8)
1.3.3 螺桿的強(qiáng)度計算…………………………………………………(8)
1.3.4 螺桿的穩(wěn)定性計算 ………………………………………………(9)
2.螺母設(shè)計與計算………………………………………………………………(10)
2.1 第一級螺母材料選定……………………………………………………(10)
2.2 第一級螺母參數(shù)計算……………………………………………………(10)
2.3 第一級螺母牙紋的強(qiáng)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(shù)及強(qiáng)度計算……………………………………………(12)
3.升降套筒的設(shè)計………………………………………………………………(13)
3.1 第一級升降套筒參數(shù)計算………………………………………………(13)
3.1.1 升降套筒的材料確定……………………………………………(13)
3.1.2 第一級升降套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度驗(yàn)算………………………(13)
3.1.3 第二級升降套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度驗(yàn)算………………………(14)
3.2 活動銷軸的設(shè)計…………………………………………………………(15)
3.2.1 銷軸受剪應(yīng)力的計算……………………………………………(15)
3.2.2 銷軸接觸面受擠壓應(yīng)力的計算…………………………………(16)
4.錐齒輪的設(shè)計…………………………………………………………………(16)
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(shù)選定…………………………………………………………(17)
4.4 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計……………………………………………………(17)
4.5 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算…………………………………………………(18)
4.6 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計……………………………………………………(19)
5.圓錐滾子軸承設(shè)計………………………………………………………………(20)
5.1 軸承的受力分析…………………………………………………………(21)
5.2 軸承的設(shè)計計算…………………………………………………………(22)
6.小軸的設(shè)計………………………………………………………………………(22)
6.1 小軸的介紹及材料選定…………………………………………………(22)
6.2 小軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………(22)
7.外殼設(shè)計…………………………………………………………………………(23)
7.1 外殼設(shè)計…………………………………………………………………(23)
8.底座設(shè)計…………………………………………………………………………(24)
8.1 底座的材料選擇…………………………………………………………(24)
8.2 底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………(24)
9.手柄設(shè)計………………………………………………………………………(25)
9.1 手柄設(shè)計及驗(yàn)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.
2.
3.
活動銷的靜力分析……………………………………………………………(28)
第二級螺母與螺桿配合的靜力分析 ………………………………………(30)
圓錐齒輪副的靜力分析 ……………………………………………………(32)
結(jié)語 ………………………………………………………………………(35)
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………(36)
附件
轎車用螺旋式千斤頂
摘要 本文簡要介紹了千斤頂?shù)念愋图皣鴥?nèi)外汽車用千斤頂?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀。并論述了國內(nèi)常見的幾款
汽車用千斤頂?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)。同時詳細(xì)的講解了一款兩級升降結(jié)構(gòu)的新型螺旋式千斤頂?shù)脑O(shè)計。該螺旋
式千斤頂采用了螺母同套筒滑動做直線運(yùn)動，螺桿同圓錐齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(gòu)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(diǎn)是這款千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計計算，同時本文對千斤頂?shù)年P(guān)鍵零、部件做了簡要的有限
元分析。
關(guān)鍵字 千斤頂 ；螺旋式 ；轎車
1
Car jack screw
Abstract
This paper briefly introduces jack type 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 focuses 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(jī)床設(shè)備,或
是家用汽車的保養(yǎng)。當(dāng)遇到這類不便于大型起重設(shè)備工作的時候，千斤頂?shù)淖饔帽悴?
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(yīng)用非常廣。最常見的則
是汽車維修場所經(jīng)常需要千斤頂來幫助工人抬起輪胎進(jìn)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(xiàn)代化的發(fā)展，汽車時代早就來臨。越來越多的人已經(jīng)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(xiàn)在的汽車用千斤頂主要是向結(jié)構(gòu)小巧，外觀美
觀，以及操作方便出發(fā)。因此也出現(xiàn)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(jié)構(gòu)上都分為液
壓、機(jī)械、氣壓三種。
常見的是液壓式，液壓式的千斤頂具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、以及起重質(zhì)量大的
優(yōu)點(diǎn)，最主要的缺點(diǎn)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(chǎn)生污染。
機(jī)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?shù)膬?yōu)
點(diǎn)是結(jié)構(gòu)小巧、質(zhì)量輕。但缺點(diǎn)是起重質(zhì)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(diǎn)是能長時間穩(wěn)定的工作、起重質(zhì)量
大、對外界要求低、清潔。但是缺點(diǎn)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?shù)墓ぷ髟砗芎唵?，利用?
車尾氣給一個皮囊充氣，在皮囊中建立一定的壓強(qiáng)從而起重汽車。顯然這種千斤頂?shù)?
優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、清潔同時穩(wěn)定性高的
優(yōu)點(diǎn)。但是由于現(xiàn)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(shè)計一款結(jié)構(gòu)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(shí)用價值的。
3
2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國外在千斤頂方面的研究較早，早在 20 世紀(jì) 40 年代就已經(jīng)開始研究臥式千斤
頂。但由于當(dāng)時的技術(shù)問題，臥式千斤頂?shù)捏w積較為龐大，同時起重質(zhì)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(shù)
的更新臥式千斤頂已經(jīng)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(zhì)量上有很大改善，同時操作方便等優(yōu)點(diǎn)很快占據(jù)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(nèi)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(fèi)者的喜愛。
但是國內(nèi)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?shù)倪@類產(chǎn)品。但是進(jìn)過幾年的研究發(fā)展千斤頂技術(shù)，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(chǎn)品質(zhì)量已超過國外的同類產(chǎn)品。所以已
有很多產(chǎn)品已經(jīng)打入了歐美市場。
4
第二章 設(shè)計原理及方案選定
1.設(shè)計原理
螺旋式千斤頂?shù)脑硎抢脗髁β菪脑?，是以傳遞動力為主，利用較小的扭
矩產(chǎn)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(jié)構(gòu)能使操作者輕松的起重重達(dá)幾噸甚至上百噸的重物。同時采用兩級的結(jié)構(gòu)
使兩級套筒進(jìn)行力的傳遞，使得固有高度大大降低。這樣的結(jié)構(gòu)理論上能使原有一級
螺旋式千斤頂?shù)墓逃懈叨冉档偷皆瓉淼囊话?，同時能夠達(dá)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(xiàn)有以下幾種方案。
1．采用螺母固定螺桿旋轉(zhuǎn)并上升的結(jié)構(gòu)。
這種結(jié)構(gòu)主要是便于使用兩級結(jié)構(gòu)，利用一個同時擁有內(nèi)螺紋和外螺紋的
結(jié)構(gòu)作為第二級套筒，第一級結(jié)構(gòu)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(dá)極限時能機(jī)械的鎖緊第二級結(jié)構(gòu)使得第二級繼續(xù)與外殼配合產(chǎn)
生軸向推力。
這種結(jié)構(gòu)不為做成兩級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)，螺母直線運(yùn)動的方式。
這種結(jié)構(gòu)在制作兩級的結(jié)構(gòu)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(lián)一個傳動裝置，例如錐
齒輪或是蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，這樣的話有利于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所以對于操作是很方便的。
操作者能連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)螺桿，同時在錐齒輪或是蝸輪蝸桿這樣的結(jié)構(gòu)下能夠進(jìn)一
步的減少操作者所需的力量。
但是對于螺桿旋轉(zhuǎn)螺母直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)使用兩級升降結(jié)構(gòu)就比較困難，這
時我突然想到我們常見的雨傘結(jié)構(gòu)，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(shè)計及計
算過程。
5
第三章 兩級螺旋式千斤頂?shù)脑O(shè)計
1．螺桿設(shè)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(nèi)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(qiáng)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(jié)構(gòu)，加工成本高，對中性較差。結(jié)
合以上，從經(jīng)濟(jì)性考慮，選梯形螺紋，它的基本牙型根據(jù) 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(qū)動因此轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)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(shè)計
滑動螺旋工作時，主要承受的是轉(zhuǎn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)選
取相應(yīng)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(guān)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mm2）,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???
≤ [??]
(3.1-1）
對于矩形和梯形螺紋，h=0.5P
6（單位為 mm），則螺紋工作圈數(shù)為μ = ??，所以螺紋工作面上的耐磨性條件為
則：
螺母高度
??
?[??]
H = ???2
（3.1-2）
（3.1-3）
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(diào)整間隙，為使受力分布比較均勻，螺紋工作圈數(shù)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(jié)構(gòu)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(jù)滑動速度≤ 3.0 m/min故取[P]=18 Mpa,摩擦系數(shù)
?=0.1。
代入公式（3.1-2）則有
??2 = 0.8√
??
?[??]
= 0.8√
2 × 104
1.2 × 18 × 106
≈ 24.4 mm
（3.1-4）
所以??2 ≥ 24.4根據(jù)梯形齒 GB5796.3-86 查詢知公稱直徑 d = 28 mm。
由 d=28 mm 知：
mm
表 3.1-1 GB 5796.3-86
取螺距 P=5 mm，則中徑??2 = 25.5 mm 小徑??3=22.5 mm,??1=23 mm,大徑??4=28.5 mm
各尺寸如下圖所示
圖 3.1-1 螺紋嚙合
7
公稱直徑 d
螺距
P
中徑
??2 = ??2
大徑
??4
小徑
第一系列
第二系列
??3
??1
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
??2 = 0.8√
1.3.2 螺紋自鎖的驗(yàn)算
對于千斤頂一般要求自鎖，檢驗(yàn)螺旋副是否滿足自鎖的條件為：
ψ ≤ ???? = ????????????
??
????????
= ????????????????
（3.1-5）
式中：y 為螺紋中徑處螺旋升角； j v 為當(dāng)量摩擦角；
f v 為螺旋副的當(dāng)量摩擦系
數(shù)；（當(dāng)量摩擦角 jv = arctan
f
cos b
，為保證自鎖，螺紋中徑處螺旋升角至少要比當(dāng)量摩
擦角小1°）。
ψ = arctan = ????????????
= ????????????
?? 0.10
?? ????
1×5
???????? ??????15°
（3.1-6）
（3.1-7）
所以，ψ = 3.57° ≤ ???? ? 1° = 4.91°，自鎖性可以保證。
1.3.3 螺桿的強(qiáng)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(yīng)力，又有切應(yīng)力。因此，校核螺桿強(qiáng)度時，應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求
出危險截面的計算應(yīng)力:
?? 2 ??
式中：F 表示螺桿所受的軸向壓力（或壓力），N;
??
??
（3.1-8）
????表示螺桿段的抗扭截面模量系數(shù)，????=??
??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(yīng)力，Mpa。
滑動螺旋副材料的許用應(yīng)力
??3
4
, mm3;
[??] =
????
3~5
（3.1-9）
此處取安全系數(shù) S=3，又知 45 鋼的屈服極限為：
???? =355 Mpa
所以
8????2
????2
= 3.57°
3.14 × 25.5
= 5.91°
???? = ???????????? = ????????????
?????? = √?? 2 + 3?? 2=√(??) + 3(?? )2 ≤ [??]
又
[??] =
355
3
= 118.3Mpa
所以
2
= 42.6 ??. ??
25.5
2
（3.1-10）
?????? =
√?? 2
+
3?? 2
=
??
)
2
（3.1-11）
20000
4
42.6
16
)2 = 50.33??????
故?????? ≤ [??]所以螺桿滿足強(qiáng)度要求。
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(dāng)軸向壓力 F 大于某一零界值時，螺桿就會突然發(fā)
生側(cè)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(shù)；
????為螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，對于傳力螺紋????=3.5~5.0；
??????為螺桿的零界載荷；
臨界載荷 Fcr 可安歐拉公式計算，即：
Fcr =
p 2EI
(ml)2
（3.1-13）
式中：E——螺桿材料的拉壓彈性模量，Mpa， E = 2.06 × 105??????；
I——螺桿危險截面的慣性矩， I =
pd14
64
， mm 4 。
m 為螺桿的長度系數(shù)，對于一端固定一端自由的螺桿 m
l 為螺桿的工作長度，驗(yàn)證螺桿極限，即螺桿的全長l 取 90 mm。
9
??2
T = Ftan(ψ + ????) = 20 × 103?? × tan(3.57° + 5.91°) ×
?? 2
√( ) + 3(
?? 2
????
= √(??
22.52
) + 3( ??
22.53
則有：
ls =
ml
i
（3.1-14）
又i 為螺桿危險截面的慣性半徑，對于圓形結(jié)構(gòu)i =
I
A
=
d 3
4
mm
代入公式（3.1-14）得：
ls =
ml 0.5 ′ 90
=
i
=8≤40
（3.1-15）
故不需進(jìn)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(shù)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(shè)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(shè)計是根據(jù)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?shù)幕瑒铀俣嚷∮?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(shù)計算
螺母高度
根據(jù)螺桿參數(shù)知
H = ???2
??2 = 25.5 mm
H = ???2 = 1.2 ′ 25.5 = 30.6 mm
10
（3.2-1）
（3.2-2）
22.5 / 4
所以
u=
??
??
=
30.6
5
= 6.12
（3.2-3）
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(shí)際高度 H=??P=8 ′ 5=40 mm
2.3 第一級螺母牙紋的強(qiáng)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(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺
母紋牙的強(qiáng)度。
又知螺紋牙危險截面的剪切強(qiáng)度條件為：
??
螺紋牙危險截面的彎曲強(qiáng)度條件為：
6????
σ= ≤ [???? ]
其中??為螺紋牙根部的厚度，mm；對于梯形螺紋，??=0.65 P=3.25。
（3.2-4）
（3.2-5）
??為彎曲力臂，mm; ?? =
?????2
2
=
28.5?23
2
= 2.75 mm；
[??]為螺母材料的許用切應(yīng)力，Mpa；
[???? ]為螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，Mpa。
由滑動螺旋副材料的許用應(yīng)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
τ=
??
????????
=
20000
?? ′ 28.5 ′ 3.25 ′ 8
= 8.6Mpa ≤ [??]
（3.2-6）
又??=8 則
σ=
6????
??????2??
=
6 ′ 20000 ′ 2.75
?? ′ 28.5 ′ 3.252 ′ 8
= 43.64Mpa ≤ [???? ]
（3.2-7）
知螺母實(shí)際高度 H=40 mm 則滿足螺母牙強(qiáng)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(qū)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?shù)恼w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。
11τ = ???????? ≤ [??]
??????2??
2.5 第二級螺母參數(shù)及強(qiáng)度計算
由于滑動速度特別慢，所以不需要采用進(jìn)行耐磨性計算，只需進(jìn)行螺紋牙的強(qiáng)度
計算。由 2.3 節(jié)知螺紋牙危險截面的剪切強(qiáng)度條件為：
τ=
??
????????
≤ [??]
（3.2-8）
螺紋牙危險截面的彎曲強(qiáng)度條件為：
6????
σ= ≤ [???? ]
其中??=螺紋牙根部的厚度，mm,對于梯形螺紋，??=0.65P=3.25。
（3.2-9）
??為彎曲力臂，mm;
?? =
?? ? ??2
2
=
28.5 ? 23
2
= 2.75 mm
[??]為螺母材料的許用切應(yīng)力，Mpa；
[???? ]為螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，Mpa。
又知 45 鋼的屈服極限???? =353 Mpa 強(qiáng)度極限????=598 Mpa 取安全系數(shù)???? = 2；
因此
[??] =
????
????
=
353
2
= 176.5 Mpa
（3.2-10）
螺母材料為鋼材時許用切應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)力
即
取?? = 3
則有
[??] = 0.6[??]
[???? ] = (1.0~1.2)[σ]
[???? ] = [σ] = 176.5 Mpa
[τ] = 0.6[σ] = 0.6 × 176.5 = 105.9 Mpa
（3.2-11）
（3.2-12）
（3.2-13）
（3.2-14）
σ=
6????
??????2??
=
6 ′ 20000 ′ 2.75
?? ′ 28.5 ′ 3.252 ′ 3
= 116.4 ?????? ≤ [???? ]
（3.2-15）
τ=
??
????????
=
20000
?? ′ 28.5 ′ 3.25 ′ 3
= 23 ?????? ≤ [τ]
（3.2-16）
顯然螺母牙紋是滿足強(qiáng)度要求的。
綜上知第二級螺母的參數(shù)為 H=15 mm，螺距為 P=5 mm。
12??????2??
3.升降套筒的設(shè)計
3.1 第一級升降套筒參數(shù)計算
升降套筒主要是用來支撐重物以及導(dǎo)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(xì)長桿還要進(jìn)行穩(wěn)定性的驗(yàn)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(qiáng)度材料才能減少千斤頂?shù)目傮w尺寸，而常用的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度驗(yàn)算
同理由 45 鋼的屈服極限????=353 Mpa 強(qiáng)度極限????=598 Mpa 又知許用壓應(yīng)力應(yīng)為強(qiáng)
度極限除以安全系數(shù)
即:
[σ] =
????
????
（3.3-1）
一般機(jī)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:
[σ] =
????
????
=
598
2
= 299 Mpa
（3.3-2）
軸向拉伸和壓時的強(qiáng)度計算知構(gòu)件軸向拉伸或壓縮的強(qiáng)度條件為：
??
又查詢附件【5】知零件的詳細(xì)參數(shù)
故
A = ??圓筒 ? ??銷孔 ? ??鍵槽
所以有
（3.3-3）
（3.3-4）
?? = F/A =
(502
?
20000
442)??/4 ?4×8×3?6×2
= 59.75 Mpa
（3.3-5）
≤ [???? ]
所以套筒是滿足強(qiáng)度要求。
對于受壓的細(xì)長桿還需驗(yàn)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(jié)構(gòu)知套筒長為 l=85 mm。
所以
i =
13
I
A
（3.3-6）σ = ?? ≤ [σ]
對于環(huán)形結(jié)構(gòu)
I =
??(??4 ? ??4)
64
=
??(504 ? 444)
64
= 122749.665 mm4
（3.3-7）
故
i =
I
A
=
122749.665
442.74
= 16.65
（3.3-8）
所以柔度
ls =
ml
i
=
2 ′ 85
16.65
= 10.2 ￡ 40
（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(shù)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
3.1.3 第二級升降套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度計算
由上一節(jié)知
[σ] =
????
????
=
598
2
= 299 Mpa
（3.3-10）
同理由第二季套筒結(jié)構(gòu)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：
σ=
??
??
≤ [σ]
（3.3-11）
查詢附件【6】知零件的詳細(xì)參數(shù)
故
即
A = ??圓筒 ? ??銷孔 ? ??鍵槽
（3.3-12）
?? = F/A =
20000
(562 ? 502)??/4 ? 4 × 6 × 3 ? 6 × 2
= 48.2 Mpa
（3.3-13）
≤ [???? ]
顯然第二級套筒的強(qiáng)度是足夠的。
同樣進(jìn)行穩(wěn)定性的計算。
計算套筒的柔度
ls =
ml
i
（3.3-14）
由結(jié)構(gòu)參數(shù)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 =
I
A
??（??4 ???4）
2
4
?? 4???4 564?504
（3.3-15）
代入公式知
ls
=
ml
i
=
2 ′ 105
18.77
= 11.2 ￡ 40
（3.3-16）
故套筒是滿足穩(wěn)定性要求的
綜上知第二級套筒的基本參數(shù)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(shè)計
活動銷軸是用來連接套筒一和套筒二的活動構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)力分布不均從而造成應(yīng)力集中，所以材料采用強(qiáng)度較高的 40Cr 加工而成。
3.2.1 銷軸受剪應(yīng)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]
由上知許用壓應(yīng)力[σ] = 490.5 Mpa
所以此處取
[τ] = 0.6[σ] = 0.6 × 490.5 = 294.3 Mpa
又由剪切的強(qiáng)度條件為
（3.3-17）
（3.3-18）
τ=
??
??
≤ [??]
（3.3-19）
查詢附件【7】知零件的具體參數(shù)
代入數(shù)據(jù)有
τ=
??
??
=
5000
62
= 176.93 Mpa ≤ [τ]
（3.3-20）
故活動銷軸滿足剪切強(qiáng)度的要求。
15=√ ??（??64???2） =√16×(?? 2???2) =√16×(562?502)=18.77
?? 4
3.2.2 銷軸接觸面受擠壓應(yīng)力的計算
對于銷軸的接觸面是受到比較大的擠壓應(yīng)力，為了接觸面在正常的使用方式下不
失效，必須進(jìn)行擠壓面的受力計算。
擠壓的強(qiáng)度條件是
?????? =
??????
??????
≤ [??????]
（3.3-21）
又知材料的許用壓應(yīng)力是采用與許用剪切應(yīng)力類似的方法確定的。
對于鋼材
[??????] = (1.7~2.0)[σ]
其中[σ]為材料的許用壓應(yīng)力
所以
[??????] = 1.7 × 490.5 = 833.85 Mpa
同理由附件【7】可知
代入數(shù)據(jù)則有
（3.3-22）
（3.3-23）
?????? =
??????
??????
=
5000??
6 × 3????2
= 277.8 Mpa ≤ [??????]
（3.3-24）
顯然活動銷軸接觸面是滿足擠壓強(qiáng)度的。
4.錐齒輪的設(shè)計
此螺旋式千斤頂是便攜式，驅(qū)動方式是人力驅(qū)動。由網(wǎng)絡(luò)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(jī)構(gòu)的摩擦力作
用，取作用到錐齒輪的扭矩為?? ‘ = 50 ?? ? ??。所以設(shè)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(chǎn)生的力矩
所以知錐齒輪的傳動比
??1 = 100 × 0.3 = 30 ?? ? ??
（3.4-2）
u=
??2
??1
= tan??2 ≥
50
30
= 1.67
（3.4-3）
取錐齒輪的傳動比 u=2.5 則驗(yàn)算人的驅(qū)動力為
??2 =
?? ’
?? × ??
=
50
2.5 × 0.3
= 66.7?? = 6.67????
（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
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(zhuǎn)矩 T=50 N.m，又知此千斤頂是人力驅(qū)動，顯然
轉(zhuǎn)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(diào)質(zhì)處理，大齒輪采用?；幚怼Ｐ↓X輪的表面硬度為 240 H