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1、汽车举升机丝杆螺母机构的安全设计王? 琪?( 盐城工学院? 江苏盐城? 224003)?摘? 要 ? 介绍了双柱机械式汽车举升机的传动原理, 丝杆螺母机构的作用与设计, 通过选用 MC含油铸型 尼龙螺母, 大大地提高了螺母的耐磨性和使用寿命, 并设计了保护性的副螺母及急停保护装置, 有效地保证了汽 车举升机的安全可靠。 ?关键词 ? 汽车举升机? 螺旋传动? 丝杆螺母机构? 安全设计0? 引? 言 为了使汽车修理工能方便、 快捷地对汽车底部的零部 件进行检修, 这就需要一种安全可靠的举升设备将汽车举 升到一定的高度。这种举升设备通常就称为汽车举升机。 根据举升机的传动方式一般可分为机械传动和液
2、压传动。 按立柱的数量又可分为单柱、 双柱和四柱等结构形式, 双柱 机械式汽车举升机一般适用于车重 3 000kg 以下的小汽车 的举升。双柱机械式汽车举升机的传动原理为: 电动机通 过皮带传动带动主丝杆转动, 主丝杆通过下端链传动带动 副丝杆进行同速转动。由于主、 副丝杆的转动, 相应地带动 主螺母及其上的升降滑架进行同步升降运动, 通过与升降 滑架相连的托举机构, 实现汽车的举升运动( 见图 1)。图 1? 举升机传动原理图1? 副丝杆? 2? 副立柱升降滑架? 3? 9 主螺母? 4? 7 副螺母?5? 链轮? 6? 链条? 8? 主立柱升降滑架? 10? 电动机? 11? 小带轮? 1
3、2? 皮带? 13? 大带轮? 14? 主丝杆 由传动原理图可知, 机械式汽车举升机的技术不复杂, 其主传动实际上就是一种螺旋传动。然而由于受以往设计 主导思想的影响及材料选用的局限性, 加之大多数汽车修 理厂不注重对举升机的保养与维护, 不能按照行业标准 1 所规定的举升机在运行 3 000 次的范围内更换工作螺母。 因此, 时常发生举升机在工作过程中的坠车事故, 造成设备 损坏和人员伤亡, 分析其原因, 绝大多数是由于举升机工作 螺母磨损所造成的。因此, 本文以 ZDQJJ32 型汽车举 升机为研究对象, 通过选用新材料来提高工作螺母的使用 寿命, 并设计保护装置来保证举升机的安全可靠。1
4、? 丝杆螺母机构的结构设计 1?1? 结构设计 为了保证自锁性, 机械式举升机的丝杆一般都选用单 头梯形螺纹, 螺旋副的摩擦性质为滑动摩擦, 如图 2 所示。 其特点是结构简单, 便于制造, 有利于自锁, 能保证举升机 在将汽车举升到空中任一高度都可停顿, 无需任何辅助支 撑, 工作人员便可在车下安全作业。其主要缺点是摩擦阻 力大, 传动效率低(? 30% ) , 在重载运行的情况下发热量 高, 不适于连续运行。然而汽车举升机的举升运动一般都 为间隙式运动, 即将汽车举升到一定的高度, 便停止举升。 汽车停在半空中, 待修理作业结束后, 再将汽车放下来, 无 需进行反复不停的升降运动, 因此,
5、 丝杆不会出现温升过高 的现象。图 2? 丝杆螺母结构图1? 丝杆? 2? 螺母根据有关设计文献 2, 3, 按耐 磨性条件, 可以初步确定丝杆的直 径和螺母的高度。因此, ZDQJJ3 2 型汽车举升机的丝杆螺纹尺寸 确定为 Tr40! 6, 通过校核计算, 可 以证明其自锁性、 丝杆的强度、 丝杆 的稳定性以及螺母螺牙的强度等都 符合设计要求, 亦符合国际同类标 准 4, 5的设计要求。 1?2? 丝杆的工艺改进 为了提高丝杆的使用性能, 将 丝杆从原切削加工改为滚压加工, 通过滚压加工, 使丝杆螺纹表层硬化, 这样增加了螺牙的强 度和耐磨性, 有利于提高丝杆的使用寿命, 同时也有利于节
6、省金属材料, 提高生产效率。 1?3? 螺母材料的选用与试验 由于举升机的工作螺母是在低速重载下进行工作, 因 此国内传统的设计方法都是选用青铜( 如 ZCuSn10Pb1、 ZCuAl10Fe3)作为螺母材料, 形成青铜对钢的摩擦副。要保 证理想的使用效果, 这对摩擦副必须保持在润滑状态下工 作。但由于举升机工作环境恶劣, 大多数汽车修理厂不能 明确专人使用和保养, 不能保证丝杆螺母这对摩擦副在润 滑状态下工作, 因此, 在失油的情况下, 螺母磨损加剧, 且时 常伴有高达 90dB 的尖叫声。通过试验、 测试, 选用了 MC 含油铸造尼龙材料作螺母, 虽其强度、 硬度不及铸造青铜, 但其特别
7、的自润滑特性, 改善了丝杆对螺母的摩擦状态, 使 传动效率提高。关于 MC含油铸造尼龙与常用的青铜材料 性能对比见表 1。281999年 11 月? 机械设计与制造工程? 第 28卷? 第 6期表 1? MC 含油铸造尼龙与常用青铜材料的性能对比性能指标MC 含油铸造尼龙ZCuSn10Pb1ZCuAl10Fe3抗拉强度( MPa)77310540压缩强度( MPa)117冲击强度( 无缺口) ( kJ/ m2)不断硬度洛氏( R) 121布氏( HB) 885 布氏(HB) 1 080干摩擦系数0?0770?120?16? ? 按行业标准规定的试验方法, 在额定的载荷状态下, 对 ZDQJJ3
8、2 汽车举升机进行举升试验, 在举升到上限高 度后, 将额定载荷在半空中停留 5 8min; 在下降到下限位 置再停留 5 8min, 不停地进行这样的举升运动。行业标 准中允许加注润滑脂, 但考虑到汽车修理厂的实际使用状 况, 本试验大约每 500 次对丝杆螺母加注一次 J40 机械润滑油。通过试验发现 MC 尼龙螺母材料特别耐磨, 其使用 寿命达到了 14 000 次以上, 这远远大于我国交通部行业标 准规定的 3 000 次的要求, 与世界上先进国家 20 000 次的 水平相接近; 而同样试验条件下, 青铜螺母的使用寿命在 5 000次以内, 甚至个别因丝杆摩擦发热太大, 而无法进行
9、试验; 同时, 在试验中发现 MC 尼龙螺母在承载过程中的一 定量压缩变形, 使整个螺母螺牙能全部承载, 这样有利于降 低牙型的作用力, 保证牙型的强度, 形成均载 , 磨损均匀; 试验还发现 MC 尼龙螺母本身硬度低, 对硬质的尘粒具有很好的相容性, 能更有效地保护丝杆, 使丝杆几乎不磨损。 这不同于任何青铜螺母在自身磨损的过程中, 使丝杆也有 不同程度的磨损。在运行过程中, MC 尼龙螺母不会出现 象青铜螺母对丝杆在失油状态下的尖叫声。 另一方面选用 MC 含油铸造尼龙螺母, 有利于降低成 本, 其价格仅是青铜螺母价格的一半。因此, 选用 MC 含油 铸造尼龙做螺母材料, 优点是真正起到了
10、性能优越、 使用寿 命长、 价格便宜的作用。2? 丝杆螺母机构的安全性设计2?1? 副螺母设计 从上面的设计分析中可以看到, 副螺母无论选用何种 材料, 如何进行设计校核计算, 经过一段时间使用后, 承载 的工作螺母还是会磨损, 会造成升降滑架的脱落, 从而导致 设备, 甚至人身伤亡事故的发生。为了防止这一事故的发 生, 故又设计了一个与主螺母(工作螺母) 有一相对距离 S 的副螺母。此副螺母在举升机正常工作时, 虽随同主螺母 升降, 但不承受任何作用力, 因而, 不会随同主螺母磨损。 当主螺母完全磨损后, 升降滑架将会随同主螺母掉在副螺母上。因此, 只要主、 副螺母之间的距离 S 合适, 副
11、螺母有 一定的厚度及足够的抗冲击强度, 就能抵抗由升降滑架以 及额定载荷下落时所产生的冲击力。由于 MC 含油尼龙还 具有较好的缓冲特性, 因此, 仍选用 MC 含油尼龙作为副螺 母材料。 2?2? 急停装置的设计 增加副螺母缓冲了主螺母磨损下落所造成的危害, 但 事故隐患并没有消除。为了能有效地发现这一故障现象, 除了通过在两立柱挡尘板上开有检视孔用于观察外, 还可 以通过一套急停装置进行报警, 如图 3所示。急停装置由钢丝绳、 滑轮、 动作轮、 行程开关及弹簧复位元件等组成。钢丝绳一端固定在主立柱内的升降滑架 上, 另一端通过滑轮、 底座, 固定在副立柱内的升降滑架上。图 3? 急停装置原
12、理图1? 副立柱升降滑架? 2? 主螺母? 3? 副螺母? 4? 钢丝绳? 5? 主立柱升降滑架? 6? 滑轮? 7? 动作轮? 8? 行程开关? 9? 压缩弹簧 正常工作中, 主、 副立柱内的升降滑架分别拉住钢丝绳 的两端, 通过滑轮使动作轮与行程开关保持图 4a 所示的工 作状态, 即行程开关不工作, 处于常开状态。图 4? 动作轮与行程开关的工作关系a 正常工作状态? b 副立柱内主螺母磨损? c 主立柱内主螺母磨损 可以看到, 当副立柱内的主螺母磨损造成升降滑架下 落时, 则钢丝绳松动, 在弹簧力的作用下, 动作轮带动滑轮 上升, 同时, 动作轮在上移的过程中压下行程开关, 如图 4b
13、, 发出报警信号, 使电动机停止转动。 当主立柱内的主螺母磨损, 造成主升降滑架下落时, 则 钢丝绳拉紧, 并带动滑轮使动作轮下移, 下移的过程中, 压 下行程开关, 发出信号, 使电动机停止运动, 如图 4c 所示。 是否有可能出现主、 副立柱内的主螺母同时磨损, 并出 现主、 副立柱内的升降滑架同时下落, 并使急停机构不能发 出信号呢? 应该说这种现象是有可能发生的, 但通过若干 试验, 还没有发现主、 副立柱内的升降滑架同时下落的实 例, 这主要与主、 副立柱内的螺母材质、 加工精度、 润滑条 件, 是否偏载以及安装等因素有关。为防止出现主、 副立柱 内的主螺母同时磨损下落, 一方面要求
14、用户在规定使用次 数( 以年限来划分) 内更换主螺母, 另一方面通过立柱挡板 的透视孔定期观察主、 副螺母之间的距离 S, 当其达到一定 值后必须更换主螺母。29#设计与研究#? ? 王? 琪? 汽车举升机丝杆螺母机构的安全设计蜗轮滚刀基本蜗杆齿面通用方程的研究刘戈沙 ? ?(南京林业大学? 南京? 210037)?摘? 要 ? 通过对蜗轮滚刀基本蜗杆齿面通用方程详细的推导和研究, 利用该方程求得 3 种基本蜗杆的轴向齿形和齿形角, 从而为车制出准确的 3种基本蜗杆提供了理论依据。同时利用该方程还可以对蜗轮、 蜗杆副及 螺旋伞齿轮副的啮合原理进行深入的分析和研究。?关键词 ? 蜗轮? 蜗杆?
15、滚刀? 通用方程0? 引? 言从外形上看蜗轮滚刀和齿轮滚刀非常相似, 设计上也 有许多共同之处。但是, 蜗轮滚刀还有自己的特点, 蜗轮滚刀具有与被切蜗轮相啮合的蜗杆完全一样的参数。因此, 加工一种蜗轮, 就单独需要一种滚刀。蜗轮滚刀基本蜗杆的类型与普通齿轮滚刀相同, 都有 阿基米德蜗杆、 渐开线蜗杆和护轴线蜗杆( 旧称法向直廓蜗 杆)3 种。1? 蜗轮滚刀的加工原理众所周知, 蜗轮滚刀是按蜗轮与蜗杆的啮合原理来工 作的, 即如果将蜗轮蜗杆副中的蜗杆开出刀刃来当刀具, 并且保持蜗轮毛坯和刀具间的相对位置、 运动关系与蜗轮蜗 杆副在运动中的相对位置及运动关系完全一致, 则此刀具就能加工出蜗轮来。
16、显然蜗轮滚刀的原始刀具面就是工作蜗杆的螺旋齿面。工作蜗杆称为蜗轮滚刀的基本蜗杆, 蜗轮滚刀的切削 刃应分布在基本蜗杆的螺旋齿面上。另外, 为了容屑、 排屑及使蜗轮滚刀有较好的切削条件, 滚刀必须开有前刀面和 后刀面。滚刀的前刀面有直槽( 图 1a) 和螺旋槽( 图 1b) 两种。 螺旋槽的前刀面一般是阿基米德螺旋面, 当前角?= 0 时, 它的旋向与基本蜗杆齿面的旋向相反。后刀面一般是 铲背面。因此, 蜗轮滚刀的切削刃就是基本蜗杆的螺旋面、前刀面和铲背面 3 个面的交线(图 2)。切削刃上任一点的图 1? 前刀面图 2? 滚刀的基本面 坐标都必须同时满足这 3 个曲面的方程。基本蜗杆螺旋面、 前刀面和铲背面的 3 个曲面中, 基本蜗杆螺旋面是最主 要、 最基本的一个面。蜗轮滚刀是一种非标准的专用工具, 一把蜗轮滚刀( 或 飞刀) , 只能解决一对蜗轮蜗杆副中蜗轮的加工问题, 换一种条件就不能使用。在生产实践中, 加工出的蜗轮蜗杆副 出了问题, 大多是由于蜗轮滚刀( 或飞刀) 的原始刀具面与工作蜗杆的螺旋面的类型和参数不相符而造成的。故下面 我们将对蜗轮滚刀
