基于蜗杆传动的多功能千斤顶
收稿日期 :2007 - 04 - 20
基金项目 :建设部 2006 年科学技术项目 (06 - R3 - 27)
作者简介 :尚久明 (1955 —) ,男 ,副教授 ,主要从事暖通空调施工技术和建筑设备研究.
文章编号 :1671 - 2021 (2007) 06 - 1032 - 03
基于蜗杆传动的多功能千斤顶
尚久明 ,李国斌 ,赵岐华
(沈阳建筑大学职业技术学院 ,辽宁 辽阳 111000)
摘 要 :目的 利用蜗杆传动的传动比大、传动平稳等特点 ,研究设计一种结构简单的多功能千
斤顶. 方法 多功能千斤顶采用蜗杆传动、螺纹传动来完成工作任务. 利用蜗杆传动、螺纹传动 ,
将转动变换为直线运动、将转矩转换为轴向力 ;同时利用螺纹传动的自锁作用 ,保证使用安全
可靠. 结果 设计出了多功能千斤顶的主要结构 ,分析了其工作原理 ,进行了必要的力学分析 ,
推导出数据计算的有关公式等. 结果表明 :该多功能千斤顶结构合理 ;力的支撑点布置巧妙 ,提
高了重要传动部件的使用寿命 ;作用力与输出力比值很大 ;且具有对重物旋转的功能. 结论 多
功能千斤顶 ,结构简单、体积小、重量轻、安全可靠、携带方便 ,具有推广使用的价值.
关键词 :千斤顶 ;蜗杆传动 ;丝杠 ;传动比 ;多功能
中图分类号 : TH211 文献标识码 :A
千斤顶应用广泛 ,种类众多 ,如钢绞线千斤
顶、松卡式千斤顶、穿心式千斤顶、掩护支架平衡
千斤顶、预应力前卡式千斤顶、预应力张拉千斤
顶、窄空间小吨位千斤顶、螺旋千斤顶、液压千斤
顶、充气千斤顶、微调千斤顶等[1 - 7 ] . 但是 ,这些
千斤顶 ,有的结构复杂 ,体积大 ,不便于携带 ;有的
作用力与输出力比值较小 ,工作时费力 ;有的安全
可靠性差. 这些千斤顶 ,功能单一 ,不能实现多功
能使用.
笔者针对以上的状况 ,经过反复研究 ,设计出
了一种通过机械传动的多功能千斤顶. 该多功能
千斤顶具有结构简单 ,体积小 ,携带方便 ,对举起
的重物可进行旋转 ,作用力与输出力比值很大 ,安
全可靠 ,寿命长 ,易保养维修等特点.
1 多功能千斤顶的主要结构及工作
原理
111 多功能千斤顶的主要结构
多功能千斤顶的主要结构如图 1 所示. 多功
能千斤顶是由蜗杆 1、蜗轮 2、丝杠 3、螺纹上盖 4 、
旋转托盘 5、托盘轴承 6、方形导杆 7、机壳 8、向心
轴承 9、向心推力轴承 10、下盖 11 等组成.
用到与本多功能千斤顶配套的零、部件有 :棘
轮装置 ,圆形转动手柄(均已有成熟的产品) .
转动手柄与棘轮装置承插联接 ,棘轮装置的
中心方孔与蜗杆 1 端部的方头套接并用螺钉固
定 ,蜗杆 1 与蜗轮 2 为蜗杆传动 ,蜗轮 2 与方形导
杆 7 为刚性联接 ,方形导杆 7 与丝杠 3 作相对滑
动 ,丝杠 3 与螺纹上盖 4 为螺纹传动 ,螺纹上盖 4
与机壳 8 用沉头螺钉联接 ,旋转托盘 5 与丝杠 3
通过托盘轴承 6 定位 ,机壳 8 通过向心轴承 9、向
心推力轴承 10 使蜗轮 2 定位 ,机壳 8 通过蜗杆 1
两端的轴承使蜗杆 1 定位 ,机壳 8 与下盖 11 用沉
头螺钉联接.
112 多功能千斤顶的工作原理
多功能千斤顶 ,采用蜗杆传动可以获得较大
的减速比 ;之后采用螺纹传动可以将转动变换为
直线运动 ,将转矩转换为轴向力. 同时螺纹传动也
起到了一定的减速作用 ,得到了一定减速比. 通过
两级传动比的改变 ,则可获得很大的传动比. 利用
螺纹传动的自锁功能 ,保证使用安全可靠[1 - 2 ] .
当手柄摆动时通过棘轮装置使蜗杆 1 转动 ,
2 0 0 7 年 1 1 月
第 23卷 第 6 期
沈 阳 建 筑 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science)
Nov. 2007
Vol123 , No16
推动蜗轮 2 与方形导杆 7 慢速旋转 ,可得到很大
的传动比 ;方形导杆 7 把转矩传递给丝杠 3 使之
转动 ;丝杠 3 转动时通过与螺纹上盖 4 的螺纹传
动使丝杠 3 和旋转托盘 5 及重物做往复直线运
动.
1. 蜗杆 ;2. 蜗轮 ;3. 丝杠 ;4. 螺纹上盖 ;5. 旋转托盘 ;6. 托盘轴承 ;7. 方形导杆 ;8. 机壳 ;9. 向心轴承 ;10. 向心推力轴承 ;11. 下盖
图 1 多功能千斤顶的主要结构示意图
手柄逆时针加力转动时 ,推动重物向上移动.
改变棘轮装置棘爪方向 ,手柄顺时针加力转动时 ,
重物向下移动.
如果空间足够 ,手柄可作整周加力转动 ,节省
了非工作时间 ,提高工作效率. 当重物被推起后 ,
利用旋转托盘 5 ,可对重物实施 360°转动.
2 数据计算与推导
(1) 根据机械原理蜗杆传动的传动比为
i = n1
n2
= Z2
Z1
. (1)
式中 : i 为传动比 ; n1 为蜗杆转速 ; n2 为蜗轮转
速 ; Z1 为蜗杆齿数(头数) ; Z2 为蜗轮齿数[1 - 2 ] .
(2) 蜗轮转角与丝杠位移之间的关系 :蜗轮转
动一周 ,丝杠位移距离为一个导程.
(3) 蜗杆转角与丝杠位移之间的关系为
h = φ
2π×1
i ×s = φs
2πi . (2)
式中 : h 为丝杠位移 ;φ为蜗杆转角 ; s 为丝杠导
程(选择单线) .
可见 ,当蜗杆 1 转动角度 φ时 ,根据式 (2) 可
以计算出丝杠位移距离 h.
3 力学分析
311 静力学分析
重物 Q 的重力通过旋转托盘、丝杠传递给螺
纹上盖 ,螺纹上盖把其传递给机壳、下盖和地面.
其他部分则不受到重力的作用. 方形导杆、蜗轮及
与蜗轮配合的轴承只受到这部分自身重力的作
用 ;即使在运动的状态下 ,方形导杆与丝杠虽然有
相对滑动产生的摩擦力 ,但由于相对滑动速度很
慢 ,其摩擦力也是很小的. 蜗杆传动部分 (包括轴
承) 的主要功能是传递转矩 ;可减小蜗杆、蜗轮、轴
承的结构尺寸 ,提高使用寿命.
312 动力学分析
31211 理想状态
当手柄作用力为 F 时 ,即
F ×φ ×L = h ×Q
Q
F = φL
h = φL
φs
2πi
= 2πiL
s . (3)
式中 : L 为转臂长.
31212 考虑机械效率
Q
F = η2πiL
s . (4)
式中 :η为总机械效率.
η = η1η2η3 . (5)
式中 :η1 为蜗杆传动效率;η2 为螺纹传动效率;η3
为相对滑动效率[1 - 2 ] .
蜗杆传动是该多功能千斤顶的重要部分 ,其
传动效率为
η1 = tgγ
tg(γ +ρv) . (6)
式中 :γ为蜗杆分度圆上螺旋升角 (导程角) ;ρv 为
当量摩擦角[1 - 2 ] .
从式 (6) 看出 ,提高机械效率的措施有 :一是
第 23 卷 尚久明等 :基于蜗杆传动的多功能千斤顶 1033
增大γ的值 ,很有限 ;二是减小ρv ,可以从材料选
择上考虑 ,比如 ,蜗杆选用 40Cr 表面淬火 ,硬度达
到 HRC45 ～ 55 , 蜗轮选用 ZCuSn10P1 (铸锡青
铜) ,采用一硬一软材料 ,这样除了保证有足够强
度外 ,还保证了有良好的跑合性、耐磨性 ;润滑对
减小ρv 尤为重要 ,可以在蜗杆传动的啮合点上方
的机壳处设置加润滑油孔 ,定期加油 ,保证充分润
滑 ;在螺纹传动处经常加润滑油 ,方形导杆及轴承
处定期加润滑脂[8 - 12 ] .
综上所述 ,蜗杆传动的效率可达 0. 9 以上 ,为
了实现该多功能千斤顶的自锁 ,螺纹传动的效率
可设计为 0. 45 ,其他部分的效率为 0. 98 ,总效率
为 0191 ×0. 45 ×0. 98 = 0. 40.
适当选择螺纹传动的参数及材料 ,保证可靠
的润滑 ,其效率可以大大地提高. 这样将不能自
锁. 为了使重物在失去作用力的情况下不会落下 ,
则应在蜗杆的端部加设棘轮装置.
31213 计算举例
多功能千斤顶的参数 : Z1 = 2 ; Z2 = 40 ; S = 20
mm ; L = 500 mm ;η= 0. 40. 传动比为
i = n1
n2
= Z2
Z1
= 40
2 = 20.
作用力与重物重量之比为
Q
F = η2πiL
s = 0. 4 ×2 ×3. 14 ×20 ×500
20 = 1256.
可见此多功能千斤顶的增力作用是十分明显
的.
313 结构设计建议
(1) 根据式 (4) ,确定设计方案 ,合理确定 i 、
L 、S 、H 等值的大小 ;
(2) 合理选择加工各零件的材料 ;
(3) 选择加工各零件的的加工方法 ;
(4) 根据强度理论 ,计算出各零件的尺寸.
这部分内容是常规的设计 ,在此不作详细描
述.
4 多功能千斤顶的特点
采用了蜗杆传动 ,可获得很大的传动比 ,用较
小的力 ,可得到较大的推动力 ;零件少、体积小、重
量轻、便于携带 ;可实现自锁 ,保证了安全.
除具有推举重物的功能外 ,同时还具有对推举
起重物转动的作用 ,实现了千斤顶的多功能使用.
转臂有旋转空间时 ,作用力可作圆周运动 ,使工
作行程连续 ,工作效率提高.
机械效率较低 ,在设计时要给予充分的考虑 ,在
保证自锁的前提下 ,适当选择参数 ,可提高机械效
率.
5 结 语
该多功能千斤顶利用蜗杆传动及螺纹传动 ,
获得了很大的传动比 ,作用力与输出力比值很大.
同时具有对重物旋转的功能. 并可用于生产部门
各领域. 如 :建筑施工、各种安装、汽车修理等. 尤
其用于小汽车的修理更具有优势. 对于超重物体
的推举 ,更能发挥其独特的作用. 该多功能千斤
顶 ,推广使用价值很高. 具有很广阔的市场空间.
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Passive Control of a Class of Network Control Systems
with Long time delay
L I Ning1 , S UN Haiyi2
(11Institute of System Science ,Northeastern University. Shenyang ,110004 ,China 21College of Science ,Shenyang Jianzhu Uni2
versity. Shenyang 110168 ,China)
Abstract :This paper studies the passive control of a class of network control systems with long time - delay.
Suppose that the sensor node is time driven ,the controller and actuator of the networked control systems
(NCS) are event driven ,the generalized plant is modeled as a linear discrete system without data packed
dropout and time sequence in disorder. The passive control is introduced in NCS in this paper based on linear
matrix inequality (LMI) and lyapunov function ,a sufficient condition for NCS which is subject to the
asymptotic stability and passive performance is derived ,and the design approach of the controller is also giv2
en. A numerical simulation example with Matlab shows that the analysis method and results are valid and
feasible.
Key words :networked control system ;long time delay ;passive control ;Lyapunov function ;linear matrix in2
equality
(上接第 1034 页)
Research of a Kind of Multi - Functional Jack Based on Worm Driving
S HA N G Jiuming , L I Guobin , ZHA O Qihua
(Vocational and Technical College ,Shenyang Jianzhu University Liaoyang China ,111000)
Abstract :The paper aims to develop a type of multi - functional jack ,which is simple in structure and with
the characteristic of big worm driving proportion and balanced driving. This new type of jack works de2
pending on worm and whorl driving. Adopting whorl driving can change circular movement to linal move2
ment ,and the automatic - locking function can ensure the using security. we develop the structure ,analyze
the principle ,make necessary mechanics analyses ,push over the formula ,and make it clear that the jack is
logical in structure ,smart in power knighthead ,durable in use ,and with a big proportion of output and in2
put. And it can circumrotate heavy objects as well. It’s worth designing and manufacturing this new type of
jacks that are simple in structure ,small in volume ,safe and convenient.
Key words :jack ;worm driving ;towel guard ;transmission proportion ;multi - functional
1048 沈阳建筑大学学报 (自然科学版) 第 23 卷
基于蜗杆传动的多功能千斤顶
