机械设计大作业千斤顶.doc

哈尔滨工业大学
机械设计大作业设计计算说明书

机械设计作业任务书

设计题目：
螺旋起重器是一种简单的起重装置，用手推动手柄即可提升重物。它一般由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄、或扳手等零件所组成。
已知数据：起重量：40kN 最大起重高度：200mm。

目 录
一、设计题目-----------------------------------------------------------------------------------------------------2
二、螺母、螺杆选材-------------------------------------------------------------------------------------------2
三、螺杆、螺母设计计算
3.1 耐磨性计算-----------------------------------------------------------------------------------------------2
3.2 螺杆强度校核--------------------------------------------------------------------------------------------2
3.3 螺纹牙强度校核-----------------------------------------------------------------------------------------3
3.4 螺纹副自锁条件校核----------------------------------------------------------------------------------4
3.5 螺杆稳定性校核-----------------------------------------------------------------------------------------4
四、螺母外径及凸缘设计------------------------------------------------------------------------------------5
五、手柄设计----------------------------------------------------------------------------------------------------5
六、底座设计----------------------------------------------------------------------------------------------------6
七、其余各部分尺寸及参数---------------------------------------------------------------------------------7
八、参考资料-----------------------------------------------------------------------------------------------------7

一、 设计题目
螺旋起重器（千斤顶）
已知条件：起重量FQ=40KN，最大起重高度H=200mm。

二、 螺杆、螺母选材
本千斤顶设计采用梯形螺纹螺旋传动。由于螺杆承受载荷较大，而且是小截面，故选用45#钢，调质处理。查参考文献[2]表10.2得σs=355MPa, σb=600MPa。
由于千斤顶属于低速重载的情况，且螺母与螺杆之间存在滑动磨损，故螺母采用强度高、耐磨、摩擦系数小的铸铝青铜ZCuAl10Fe3。
托盘和底座均采用铸铁材料。

三、 螺杆、螺母设计计算
3.1 耐磨性计算
螺杆选用45钢，螺母选用铸造铝青铜ZCuAl10Fe3，有参考文献[1]表5.8，查得[p]=18~25MPa，从表5.8的注释中可以查得，人力驱动时[p]值可增大20%，则[p]=21.6~30MPa，取[p]=25MPa。按耐磨性条件设计螺纹中径d2，选用梯形螺纹，,对于整体式螺母，，取=2.0

式中： ——螺纹中径，mm;
F——螺旋的轴向载荷，N；
H——螺母旋合高度，mm;
——引入系数，=H/;
[p]——材料的许用压强，MPa;
代入数据，那么有d2≥0.8 = 0.8 = 22.6mm。查参考文献[3]表11.5,试取公称直径d=32mm,螺距p=3mm,中径d2=30.5mm,小径d1=28.5mm,内螺纹大径D4=28.5。
3.2 螺杆强度校核
千斤顶螺杆危险截面受轴向力F和扭转力矩T1的作用，这里的扭转力矩是螺纹副的摩擦转矩T1。根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度条件为

式中: ——螺杆螺纹的小径(mm)；
——螺杆材料的许用应力(MPa);
F—— 螺杆所受的轴向载荷(N)；
T1——螺杆所受转矩(N·mm)。
查阅参考文献[1]表5.10得钢对青铜的当量摩擦系数f=0.08~0.10，取f=0.09，螺纹副当量摩擦角=arctanf=arctan0.09=5.1427
=40000*tan(2.0637+5.1427)*15.25=75210(Nmm)
查参考文献[1]5.9可以查得螺杆材料的许用应力[]=，=355MPa,[ ]=71~118MPa，取[]=95MPa。

满足螺杆强度要求。
3.3 螺纹牙强度校核
因为螺母材料强度低于螺杆 ，所以螺纹牙的剪切和弯曲破坏大多发生在螺母上，故可只校核螺母螺纹牙强度。螺母螺纹牙根部剪切强度条件为：

式中 F——轴向载荷(N)；
D4——螺母螺纹大径(mm);
Z——螺纹旋合圈数，Z取10；
b——螺纹牙根部厚度(mm)，对于梯形螺纹b=0.65p。
代入数据计算

由参考文献[1]表8.12可以查得螺杆材料的许用剪切应力，≤，螺母满足剪切强度要求。
螺母螺纹牙根部的弯曲强度条件为：

式中： l—弯曲力臂，；
其它参数同上。
代入数据计算

由参考文献[1]表5.9，可以查得螺母材料的许用弯曲应力，取[σb]=50MPa。根据计算可知 ≤ ，螺母螺纹牙满足强度条件。
即螺母螺纹牙满足弯曲强度要求。
3.4 螺纹副自锁条件校核
由螺纹副自锁条件：
≤
式中： ——螺纹螺旋升角（°），
——当量摩擦角(°)；
——螺纹线数，n=1；
——螺纹螺距(mm)；
——螺纹中径(mm)；
——当量摩擦系数，由参考文献[1]表8.13可知，得=0.08~0.10，
取=0.09；
代入数据

由计算可知≤ ，螺纹副满足自锁条件要求。
3.5 螺杆的稳定性校核
千斤顶的最大上升高度H=200mm.则螺杆的最大工作长度

式中 ——螺母高度(mm)，=ZP=10*3mm=30mm
——螺杆与手柄座相接处尺寸，查手册知，=9mm。
假设手柄直径为d1=20mm,由尺寸经验公式h1=(1.8~2)d1=36~40mm取h1=38mm,则
L=200+15+38+9=248mm
则螺杆的柔度
式中 ——长度系数，对本千斤顶，看做一端固定、一端自有，则可取=2；
d1——螺纹小径，d1=28mm。
i——螺杆危险截面的惯性半径(mm),,
其中A为危险截面的面积(mm2)。
代入数据计算

对于45#调制钢，此时螺杆稳定的临界载荷Fc为：

式中 E——螺杆材料的弹性模量；
I——螺杆危险截面的轴惯性矩(mm4),；
代入数据计算

那么，由压杆稳定条件
≥2.5
故螺杆满足稳定性要求。
四、 螺母外径及凸缘设计
根据经验公式，螺母外径D2≈1.5d=1.5×32=48mm;
螺母凸缘外径D3≈1.4D2=1.4×48=67.2mm;取D3 =70mm
螺母凸缘厚b=(0.2~0.3)H=(0.2~0.3)×30=6~9mm，取b=8mm。
五、 手柄设计
加在手柄上的力需要克服螺纹副之间的摩擦阻力矩T1和托杯支撑面间的摩擦力矩T2。设加在手柄上的力F1=300N，手柄长度为L1，则有F1 L1 = T1 + T2。对于T1和T2，有
=40000*tan(2.0637+5.1427)*15.25=75210N·mm

根据经验公式，D=（1.6~1.8）*32mm=51.2~57.6mm，取D=52mm
D=（0.6~0.8）*32mm=19.2~25.6mm，取D=24mm
托杯材料选择铸铁，手柄选择Q215，摩擦因数f=0.12,则
≈
那么手柄长度，取=200mm,加套筒长400mm。
设手柄所受最大弯曲应力为σ，查参考文献[2]表10.1,，查参考文献[2],得，则=102.5~137MPa,取=110MPa。
则手柄直径d1应满足 ，转化为：
≥
取手柄直径d1=26mm。

六、 底座设计
螺杆下落至底面，再留20~30mm的空间，底座铸造起模斜度1:10，壁厚。由经验公式，S=(1.5~2)=12~16mm,取S=16mm。
D5由结构设计确定，D5=110mm。
D4=1.4D5=1.4*110=154mm
结构确定后校核下底面的挤压应力：
=40000*4/3.14*(154^2—104^2)=4.38MPa
底面材料选择铸铁HT100，查表得铸铁件壁厚为2.5~20mm，，。
显然，，底面强度满足设计要求。

七、 其余各部分尺寸及参数
。，取=70mm；
，取D=52mm；
，取=24mm;
D2 =1.5d = 1.5*32mm = 48mm；
D3=1.4D2= 1.4*48mm = 67.2mm，取D3 = 70mm；

，取=48mm；
h1=(1.8~2)d1=36~40mm取h1=38mm；
，取=16mm；
，取=6mm；
，取=8mm；
，取=8mm。
固定托盘用的挡圈内径8mm，外径38mm，厚5mm；螺钉GB/T5783-2000A M8
螺杆底部挡圈内径8mm，外径38mm，厚5mm；螺钉 。
紧定螺钉 GB/T71-1985 M8×20。
其余铸造圆角，取R=4mm。
底座高度为240mm
螺旋起重器（千斤顶）装配图见A2图纸。

八、参考资料
[1]张丰，宋宝玉. 机械设计大作业指导书.北京：高等教育出版社，2009.10
[2]宋宝玉.机械设计课程设计指导书.北京：高等教育出版社，2006
[3]王黎钦，陈铁鸣.机械设计.5版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.1
[4]于慧力，张春宜.机械设计课程设计.北京：科学出版社，2007
[5]刘莹，吴宗泽.机械设计教程.2版.北京：机械工业出版社，2007.9
[6]金铃，刘玉光，李立群.画法几何及机械制图.哈尔滨：黑龙江人民出版社，2003.7