到具有相当规模和水平、品种质量显著提高和初步满足国民经济发展要求的深刻转变,千斤顶需求将逐步实现自给。
1.2千斤顶的分类
千斤顶有多种形式。如电动式,液压式,手动式(即一般意义上的千斤顶)等等。 电动式千斤顶如图1-1所示。它的基本动力源是电机,由电机通过减速器带动螺母旋转,转化为丝杆的轴向运动,从而推动物体上升。它解放了人类的体力劳动,只需操纵按钮即可完成起重。可有效的避免了重物砸伤等事故。该形式的起重器也是本设计所讨论的。
图1-1
液压千斤顶,又称为油压千斤顶。它的基本工作原理图如图1-2所示。其基本原理是利用封闭管路里液体的压强来工作的。当人以力F向下压手柄时,液体内部产生一定的压强,从而推动重物上升。
图1-2
1-小液压缸,2-排油单向阀,3-吸油单向阀,4-油路,5-截止阀,6-大液压缸
手动式千斤顶也即一般普通的千斤顶,它是出现的最早的千斤顶,是所有千斤顶的鼻祖。手摇其手柄,带动螺母旋转,如图1-3所示
图1-3
2
2 设计方案的确定
2.1螺旋传动设计方案
2.1.1螺旋传动概述
螺旋传动是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动,将转矩转换成推力。按工作特点,螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。
(1)传力螺旋:以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不高,而且通常要求自锁,例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。
(2)传导螺旋:以传递运动为主,常要求具有高的运动精度,一般在较长时间内连续工作,工作速度也较高,如机床的进给螺旋(丝杠)。
(3)调整螺旋:用于调整并固定零件或部件之间的相对位置,一般不经常转动,要求自锁,有时也要求很高精度,如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质,螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。
1)滑动螺旋传动
通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹,其中梯形螺纹应用最广,锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋,有时也采用三角螺纹。
一般螺纹升程和摩擦系数都不大,因此虽然轴向力F相当大,而转矩T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动的效率低,一般为30~40%,能够自锁。而且磨损大、寿命短,还可能出现爬行等现象。
2)静压螺旋传动
螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑的螺旋传动。静压螺旋传动摩擦系数小,传动效率可达99%,无磨损和爬行现象,无反向空程,轴向刚度很高,不自锁,具有传动的可逆性,但螺母结构复杂,而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。这种螺旋采用牙较高的梯形螺纹。在螺母每圈螺纹中径处开有3~6个间隔均匀的油腔。同一母线上同一侧的油腔连通,用一个节流阀控制。油泵将精滤后的高压油注入油腔,油经过摩擦面间缝隙后再由牙根处回油孔流回油箱。当螺杆未受载荷时,牙两侧的间隙和油压相同。当螺杆受向左的轴向力作
3
用时,螺杆略向左移,当螺杆受径向力作用时,螺杆略向下移。当螺杆受弯矩作用时,螺杆略偏转。由于节流阀的作用,在微量移动后各油腔中油压发生变化,螺杆平衡于某一位置,保持某一油膜厚度。
3)滚动螺旋传动
用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动,又称滚珠丝杠传动.滚动体通常为滚珠,也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差,但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90%以上。它不自锁,具有传动的可逆性;但结构复杂,制造精度要求高,抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式,按滚珠循环方式分外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器,一个螺母上通常有2~4个反向器,将螺母中滚珠分别联成2~4个封闭循环,每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便,但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度,除采用滚珠与螺纹选配外,常用各种调整方法以实现预紧。
常用的载重螺旋有矩形,梯形和锯齿形等。矩形螺纹传动效率高,但螺纹强度较低,精确制造较困难,对中准确性较差,磨损后无补偿,因此应用受限制,矩形螺纹无标准。梯形螺纹加工容易,强度较大,但效率较低。锯齿形螺纹矩形螺纹效率高,梯形螺纹强度大的特点,一般用于承受单向压力,常用在压力机上。
螺杆材料应具有足够的强度和耐磨性,以及良好的加工性能,不经热处理的螺杆一般选用Q275,35,45号钢,重要的经热处理的螺杆可以选用65Mn,40Cr或20C rMnTi钢。精密传动螺杆可用9MnV,CrMn,38CrMoAl钢等。螺母材料除要有足够的强度外,还要求在与螺杆材料配合时摩擦系数小和耐磨。常选用铸造青铜ZQSn6-6-3,ZQSn10-1,速度低,载荷较小时,也可选用高强度铸造铝青铜或铸造黄铜,重载时可用铸铁,耐磨铸铁。尺寸大的螺母可用钢或铸铁做外套,内部浇注青铜。高速螺母可浇注巴氏合金。
螺旋传动用矩形,梯形或锯齿形螺纹,其失效形式多为螺纹磨损。而螺旋直径螺母的高度由耐磨性要求决定。传力较大时,应校验螺杆部分或其他危险部位强度,以及螺母,螺杆的螺纹牙的强度。要求自锁时,应检验螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺杆,应检验其稳定性。
因此,本设计中螺旋副材料选取钢—青铜材料,螺杆选取45号钢。螺纹选用梯型螺纹,右旋单线。
2.1.2螺旋传动方案的确定
本设计的重点是如何将电机输出的回转运动转换为螺杆的直线运动。这也是整个传动
4
系统设计的关键。
根据机械设计等相关参考资料,可得到把回转运动转化为直线运动的四种方式: (1)螺杆转动,螺母移动 (2)螺母转动,螺杆移动 (3)螺母固定,螺杆转、移动 (4)螺杆固定,螺母转、移动
考虑到必须顶着重物上升,即与重物接触,而起重部件与重物间不可发生相对运动,而且必须与重物充分接触,因此排除方案(1)、(4),而方案(3)又不方便输入传动方案的设计,因此选择方案(2)作为起重部分的传动方案。
2.2减速传动机构设计方案
减速传动机构通常有蜗轮蜗杆传动,齿轮传动,带传动,链传动,摩擦轮传动等等。考虑到本设计要求的传动紧凑,传动比较大,因此选用蜗轮蜗杆传动作为本设计的减速传动机构。
蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。在绝大多数情况下,两轴在空间上是互相垂直的,轴交角为90度。它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中,最大传动功率可达到750千瓦,通常用在50千瓦以下;最高滑动速度可达35m/s,通常用在15m/s以下。
蜗杆传动的主要优点是结构紧凑,工作平稳,无噪声,冲击振动小以及能得到很大的单级传动比。在传递动力时,传动比一般为8—100,常用的为5—50。在机床工作台中,传动比可达几百,甚至达到一千。这时,需采用导程角很小的单头蜗杆,但传动效率很低,只能用在功率很小的场合。在现代机械制造业中正力求提高蜗杆传动的效率,多头蜗杆的传动效率已经可达到98%。与多级齿轮传动相比,蜗杆传动零件数目少,结构尺寸小,重量轻。缺点是在制造精度和传动比相同的条件下,蜗杆传动的效率比齿轮传动低,同时蜗轮一般需用贵重的减磨材料制造。
5
3 传动系统的设计
3.1螺旋传动部分计算
3.1.1螺杆直径的计算
d2?Fp?h[p] 式(3.1)
表 3-1滑动螺旋副许用比压[P]
螺杆材料 钢 钢 钢 钢 螺母材料 青铜 钢 铸铁 青铜 许用比压 18—25 7.5—13 13—18 11—18 速度范围 低速 低速 <2.4m/min <3.0m/min 取钢—青铜螺旋副[p]=20Mpa,f=0.08~0.1,最大负载F=25000N, 代入式(3.1)得: d2?25.9mm
根据梯形螺纹国家标准,取螺纹为Tr30?6 其基本参数为:
螺杆外径:d?30mm, 中径:d2?D2?27mm, 螺杆小径:d3?23mm, 螺母小径:D1?24mm, 螺母大径:D4?31mm, 螺距:p?6mm
3.1.2螺纹部分强度计算
梯形螺纹牙型角??30?
fvn?当量摩擦角 ?v?arctaarcftan[?/co?s?( /将螺纹部分展开,其受力图如图3-1所示,
6