苏再 杨壮 杨添泓 王丹丹 杨河铭 王德超 邵强

摘要：剪式千斤顶的设计还存在一些问题，比如强度不够而导致的机械性损坏，在使用过程中可能会发生安全事故，而且一般剪式千斤顶都是人工驱动的，会出现使用效率低下的情况。针对强度不高和使用效率低的问题，本文在原有的剪式千斤顶基础上，运用有关的机械设计理论知识，通过严格的计算和运用软件分析，使强度达到安全范围并提高使用效率，减少使用过程中发生的安全事故。

Abstract： There are still some problems in the design of the scissor jacks， such as mechanical damage caused by insufficient strength， safety accidents may occur in the use process， and generally the scissor jacks is manually driven， the use efficiency will be low. Aiming at the problems of low strength and low efficiency， this paper， on the basis of the original scissor jacks， applies the relevant mechanical design theory knowledge， through strict calculation and application of software analysis， makes the strength reach the safety range and improves the use efficiency， reduces the safety accidents in the use process.

關键词：千斤顶;机械设计;剪式结构

Key words： jack;mechanical design;scissor structure

0  引言

现如今，无论在生活或在工作中，千斤顶都被广泛地使用，随着人们多年来对千斤顶的使用和各种需求，使得人们制造出各种类型的千斤顶，主要分液压式千斤顶和机械式千斤顶。而机械式千斤顶按不同的动力来源则分为手动和电动两种。剪式千斤顶是机械式手动的一种，其普遍应用在负荷较小的地方，适合临时使用，因为它的结构简单可靠，制造成本低，使用和携带方便，是小轿车的必备工具。但是剪式千斤顶在人们使用当中也有各种各样的问题出现，例如使用繁琐，耗时，设计结构不理想等问题，需要经过严谨的计算才能保证结构的合理性。

1  剪式千斤顶的原理和结构设计

工作原理是基于等腰三角形的两个腰部长度不变，通过缩短底边的长度来提高竖直高度的几何原理。它通过螺杆和螺母之间螺旋传动来调节上下两个等腰三角形的底边长度来实现整个剪式千斤顶的提升和下降的高度。

剪式千斤顶的结构主要由以下部分组成：1.承重台、2.销轴、3.支撑臂、4.螺杆、5.轴承、6.摇动手柄、7.底座、8.螺母。（图1）

2  剪式千斤顶参数的选取

材质：45钢材，常用中碳调质结构钢。有较好的塑性、韧性和耐磨性，适合切削加工，有较高的强度。材料来源方便，适合大量生产。

根据日常的家用轿车的重量和地盘高度以及在使用过程中的方便程度，确定千斤顶的主要数据有：

最大举升范围：290mm。

最大承载力：12000N。

重量：3.0kg。

运用三维建模的模型，测量得出螺杆合理长度为440mm。

3  数据验算与分析

3.1 螺杆的设计计算

取螺杆与下支撑臂的夹角α为70°来计算。已知剪式千斤顶的最大承载力为12000N，要考虑到剪式千斤顶的安全性和可靠性，增加区域安全系数K，通常为1.1～1.3之间，取K=1.2。在实际操作中，剪式千斤顶的最初举升位置是在夹角α为40°时开始承重，运用理论力学的知识，分析整个剪式千斤顶的受力情况，得出下列数据。

重力载荷：

支撑臂压力：     （1）

螺杆拉力：  （2）

从上面的公式可以看出，作用于千斤顶上各个构件的作用力会随螺杆于下支撑臂夹角α的增大而变小。

本设计中的螺杆选用梯形螺纹传动方式，基本牙型按GB/T5796.1-2005的规定。

由根据机械设计手册查到45#钢的屈服强度σ=360MPa;起重载荷F=12000N，由机械设计基础中的滑动螺旋转动表格取得许用压强[p]=18-25MPa，由于是人工驱动时，[p]可提高20%，所以[p]=（18-25）×120%=21.6～30MPa，取[p]=25MPa，螺纹工作圈数不宜过多，一般取？准=1.2-2.5，取？准=2，对于梯形螺纹h=0.5P。

取d2=9mm，查GB/T57963-1986得标准公称直径d=12mm。

d2=d-H=d-0.5P=11mm，螺距P=2mm，螺杆大径D4=12.5mm，螺杆小径d3=9.5mm。

计算螺母高度：

计算螺旋圈数：

自锁条件是：

可以计算得到：

θ为螺纹升角;fv为当量摩擦系数。（，式中β为螺纹工作面的牙型斜角）;φ为当量摩擦角（为保证螺杆能够自锁，螺纹升角至少要比当量摩擦角小1°。）;查螺旋传动螺旋副的当量摩擦系数fv表（定期润滑），可得f=0.10（计算用最大值）。所以设计中的螺杆可以保证其自锁性。

根据螺杆所受的力，需要对螺杆进行强度计算校核。所以校核螺杆强度时，应根据第四强度理论求出螺杆危险截面的计算应力σca。

A——螺杆危险截面的面积。

WT——螺杆螺纹段的抗扭截面系数。

T——螺杆所受扭矩。

[σ]——螺杆材料的许用应力。

，故危险截面的应力在材料的许用应力之内。

3.2 螺母设计

3.2.1 选取螺母材料：选用锡青铜，螺母和销轴分离出来，保证了空程的工作效率。

3.2.2 确定螺纹工作圈数并校核螺纹牙强度。

由表查得螺母螺纹许用应力：

许用剪切应力：

梯形螺纹牙根宽：

梯形螺纹牙工作高度：

考虑螺紋加工退刀槽的影响，实际螺纹圈数：Z=n+1.5=12.5，取整Z=13。

得出螺母的实际高度：

则螺纹牙危险截面的弯曲强度计算：

满足设计要求。

螺纹牙危险截面的剪切强度计算：

满足设计要求。

3.3 支撑臂设计

支撑臂选用45#钢，调质处理：

危险截面：

支撑臂受到最大压力：

45钢的许用应力：

故取用凹型钢，壁厚为5，壁宽为15。

3.4 承重台的设计与计算

①承重台安装于整个剪式千斤顶的顶端上，将两根支撑臂和两根顶部销轴连接起来，它的作用在于当我们用手摇动手柄时，在螺旋转动的作用下，螺杆和螺母转动到限位套与左右螺母相接触时，承重台达到最高点，且将重物举升起开离开地面。总的来说，承重台的作用就是承托重物，材料选用45#钢弯折而成。我们需要对承重台与物体之间的接触面的压力强度进行检核，判断其在使用过程中能否保证安全。

②承重台接触面的压力强度计算

S为承重台的受力面积;[P]为承重台材料的许用应力，MPa;由机械设计手册查到45#钢的屈服强度σ=360MPa;根据三维模型，可得出S=3412.5×10-6mm2。

满足设计要求。

运用软件对承重台进行应力分析，从图中可以看到应力最大处位于承重台钣金折弯的拐弯角处和尖角处。（图2）

4  结束语

通过对千斤顶各个参数的计算，在理论上确保设计合理、数据可靠，运用软件进行仿真，更加直观地得出了所设计的剪式千斤顶相对地提高了稳定性和安全性。本文中还改变了以往千斤顶的轴和螺母合为一体的结构，进而改进剪式千斤顶的螺杆和螺母容易损坏的缺点，将螺母和销轴分离出来，保证了螺母的寿命，以及提高了千斤顶的工作效率。

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