螺旋千斤顶课程设计计算书.doc

《螺旋千斤顶》设计计算说明书

螺旋千斤顶

设计计算说明书

院 系
专业年级
设 计 者
学 号
指导教师
成 绩

2011年12月 1日

螺旋千斤顶设计任务书

学生姓名

专业年级
机械设计制造及其自动化
设计题目：设计螺旋千斤顶

设计条件：
1、最大起重量F =120kN；
2、最大升距H =160 mm。

设计工作量：
绘制出总装配图一张，标注有关尺寸，填写标题栏及零件明细表；
编写设计计算说明书一份。

目录
1螺杆的设计与计算 2
1.1螺杆螺纹类型的选择 2
1.2选取螺杆材料 2
1.3确定螺杆直径 2
1.4自锁验算 2
1.6螺杆强度计算 2
1.7稳定性计算 2
1.7.1计算柔度 2
1.7.2计算稳定性 2
2螺母设计与计算 2
2.1选取螺母材料 2
2.2确定螺母高度H¢及螺纹工作圈数U 2
2.2.1求螺母高度H¢ 2
2.2.2螺纹工作圈数u 2
2.2.3螺母实际高度H¢ 2
2.3校核螺纹牙强度 2
2.4 结构要求 2
3托杯的设计与计算 2
4手柄设计与计算 2
4.1手柄材料 2
4.3手柄直径DP 2
4.4 结构 2
5底座设计 2

螺旋千斤顶设计

计算及说明
结果
1螺杆的设计与计算
1.1螺杆螺纹类型的选择
螺纹有矩形、梯形与锯齿形，常用的是梯形螺纹。
梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙形角α=30º，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动。故选梯形螺纹，它的基本牙形按GB/T5796.1—2005的规定。
1.2选取螺杆材料
螺杆材料常用Q235、Q275、40、45、55等。
1.3确定螺杆直径
按耐磨性条件确定螺杆中径d2。求出d2后，按标准选取相应公称直径d、螺距p及其它尺寸。
d2≥
根据国家规定=1.2~2.5，取=1.5（梯形螺纹）；h=0.5p；查教材表5-12，[p]取20Mpa，又由于φ=1.5<2.5,则[P]可提高20%，所以[P]=(1+20%)×20=24MPa。
故，d2≥ =46.1mm

查机械设计手册，d取46mm
则p=8mm， d1=37mm
d2=42mm
1.4自锁验算
自锁条件是y≤rv，式中：y为螺纹中径处升角；rv为当量摩擦角（当量摩擦角rv=arctanmv，但为保证自锁，螺纹中径处升角至少要比当量摩擦角小1°。
查教材表5-12，f取0.09
y =arctan(n p /p d2)=arctan[ 16/(3.1425.5)] =4.285°
rv=arctan（f/cosβ）=arctan[ 0.09/cos(30°/2)]=5.323°
故，y<rv-1°
满足自锁条件

1.5结构如下图（1-2）:

螺杆上端用于支承托杯10并在其中插装手柄7，因此需要加大直径。手柄孔径dk的大小根据手柄直径
dp决定，dk≥dp十0.5mm。为了便于切制螺纹，螺纹上端应设有退刀槽。退刀槽的直径d4应比螺杆小径d1约小0.2~0.5mm。退刀槽的宽度可取为1.5t。为了便于螺杆旋入螺母，螺杆下端应有倒角或制成稍小于d1的圆柱体。为了防止工作时螺杆从螺母中脱出，在螺杆下端必须安置钢制挡圈(GB/T891-1986)，挡圈用紧定螺钉(GB/T68-2000)固定在螺杆端部。
其中：1.5t=1.5p=7.5mm d4=36.5mm
D13=(1.7~1.9)d=1.8×46=82.8mm
(1.4~1.6)d=1.5×46mm=69mm
0.25d=0.25×46mm=11.5mm
d+(6~10)=46+8=54mm
1.6螺杆强度计算
对受力较大的螺杆应根据第四强度理论校核螺杆
的强度。强度计算方法参阅教材公式(5-47)，
sca=≤[s]
其中扭矩
=35×103×tan(4.285°+5.323°) ×42/2 N·mm
=256839.4N·mm
式中：y为螺纹中径处升角，rv为当量摩擦角。
A=πd²/4=3.14×37²/4=1074.6
查手册表2-7，45钢，=355MPa
[s]====101.42MPa
故，sca=
=87.12MPa≤[s]=101.42MPa
满足强度条件

1.7稳定性计算
细长的螺杆工作时受到较大的轴向压力可能失稳，
为此应按稳定性条件验算螺杆的稳定性。
Fcr / F³ 2.5 ~ 4
螺杆的临界载荷Fcr与柔度λs有关，λs=ml/i，
m为螺杆的长度系数，与螺杆的端部结构有关，l为举
起重物后托杯底面到螺母中部的高度，可近似取
l＝H+5t+(1.4~1.6)d，i为螺杆危险截面的惯性半径，
若危险截面面积A=pd12/4，则
(I为螺杆危险截面的轴惯性矩)
当螺杆的柔度λs＜40时，可以不必进行稳定性校核。计算时应注意正确确定。
1.7.1计算柔度
（1）计算螺杆危险截面的轴惯性矩I和i
I===91951
==9.25mm
（2）求起重物后托杯底面到螺母中部的高度l
l＝H+5t+(1.4~1.6)d
=160+5×5+1.5×46=254mm
(3)计算柔度
查教材表5-14，μ取2(一端固定，一端自由)
λs=ml/i
==54.91>40，所以需要进行稳定性校核。
1.7.2计算稳定性
（1）计算临界载荷Fcr
查教材公式5-51，E=2.06×105MPa
Fcr==723694.8N
(2) 稳定性计算
=6³ 2.5 ~ 4
满足稳定性条件
2螺母设计与计算
2.1选取螺母材料
螺母材料一般可选用青铜，对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造，其内孔浇注青铜或巴氏合金。
2.2确定螺母高度H¢及螺纹工作圈数u
螺母高度H¢=φd2，螺纹工作圈数，考虑退刀槽的影响，实际螺纹圈数u¢ = u+1.5(u¢应圆整)。考虑到螺纹圈数u越多，载荷分布越不均，故u不宜大于10，否则应改选螺母材料或加大d。螺母高度由下式计算：H¢= u¢p。
2.2.1求螺母高度H¢
H¢ =φd2
=1.5×42=63mm
2.2.2螺纹工作圈数u
==7.875<10，符合要求
u¢ = u+1.5
=7.875+1.5=9.375
u¢应圆整, u¢取9
2.2.3螺母实际高度H¢
H¢= u¢p
=9×8=72mm
2.3校核螺纹牙强度
一般螺母的材料强度低于螺杆，故只校核螺母螺纹牙的强度。螺母的其它尺寸见图1―3。必要时还应对螺母外径D3进行强度验算。
查教材公式5-48,5-49，螺纹牙的剪切强度和弯曲强度条件分别为：
；
式中：b为螺纹牙根部的厚度，对于梯形螺纹，b=0.65p=5.2
为弯曲力臂，=（D-D2）/2=3.3;
查手册表3-8，D=d+0.5=47mm, D2=42mm
查表5-13，取35Mpa, 取50Mpa
故，=
=17.37MPa<35 Mpa
=
=33.07Mpa<50Mpa
满足强度条件

2.4 结构要求
螺母压入底座上的孔内，圆柱接触
面问的配合常采用或等配合。
为了安装简便，需在螺母下端
（图1―3）和底座孔上端
（图1―7）做出倒角。
为了更可靠地防止螺母转动，
还应装置紧定螺钉（图1―1），
紧定螺钉直径常根据举重量选取，一般为6～12mm。
螺母的相关尺寸计算
查手册表3-8，
D=d+1=47mm
D3= (1.6~1.8)D
=1.7×47mm=79.9mm
D4= (1.3~1.4)D3
=1.4×79.9mm=111.86mm
H′=72mm
a=H′/3=72/3=24mm

3托杯的设计与计算
托杯用来承托重物，可用铸钢铸成，也可用Q235钢模锻制成，其结构尺寸见图1―4。为了使其与重物接触良好和防止与重物之间出现相对滑动，在托杯上表面制有切口的沟纹。为了防止托杯从螺杆端部脱落，在螺杆上端应装有挡板。
当螺杆转动时，托杯和重物都不作相对转动。因此在起重时，托杯底部与螺杆和接触面间有相对滑动，为了避免过快磨损，一方面需要润滑，另一方面还需要验算接触面间的压力强度。
≤[p]（式1-1）
式中：[p]——许用压强，应取托杯与螺杆材料[p]的小者。[p]取23.6Mpa
D10=(2.4~2.5)d=2.446=110.4mm
D11=(0.6~0.7）d=0.6546=29.9mm
D13=(1.7~1.9)d=1.846=82.8mm
D12= D13-(2~4)=82.8-3=79.8mm
故 ≤[]
=
=22.9Mpa<23.6Mpa
4 手柄设计与计算
4.1手柄材料
常用Q235和Q215。
4.2手柄长度Lp板动手柄的力矩：
K·Lp=T1+T2则（式1-2）
式中：K——加于手柄上一个工人的臂力，间歇工作时，约为150～250N，工作时间较长时为100～150N。

T1——螺旋副间的摩擦阻力矩，
T1=120×103×tan(4.285°+5.323°) ×25.5/2 N·mm
=256839N·mm

T2——托杯与轴端支承面的摩擦力矩，
T2 = (D12+D11) fF/4。 (查教材表5-5摩擦因数f=0.09)
=(79.8+29.9)×0.09×120/4=1184760N·mm
则 (K取200)
==7207 mm
手柄计算长度Lp是螺杆中心到人手施力点的距离，考虑螺杆头部尺寸及工人握手距离，手柄实际长度还应加上+（50～150）mm。手柄实际长度不应超过千斤顶，使用时可在手柄上另加套管。
因此，手柄实际长度
=++100=7207+41.4+100=7348.4mm
4.3手柄直径dp
把手柄看成一个悬臂梁，按弯曲强度确定手柄直径dp，其强度条件为
≤[s]F（式1-3）
故dp≥
=49.65mm

式中：[s]F——手柄材料许用弯曲应力，
当手柄材料为Q215和Q235时，[s]F=120Mpa。
4.4 结构
手柄插入螺杆上端的孔中，为防止手柄从孔中滑出，在手柄两端面应加上挡环（图1―6），并用螺钉或铆合固定。

图中尺寸：dp =12.41mm
dp+(6~10)= dp+8=49.65+8=57.65mm 取整为58
5 底座设计
底座材料常用铸铁（HT150及HT200），铸件的壁厚δ不应小于8～12mm，为了增加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因此将其外形制成1∶10的斜度。底座结构及尺寸如图1―7

图中δ取10mm，r取5mm，R取8mm；
H1=H+（14～28）mm =160+20=180mm
H¢-a=48mm
D6=D3+（5～10）mm =79.9+7=86.9mm
D7=D6+=86.9+=122.9mm
D8=
=
=302.5mm
式中：[s]p——底座下枕垫物的许用挤压应力。对于木材，取[s]p=2~2.5MPa。

参考资料：
[1]蒲良贵 纪明刚.机械设计[M].8版.北京:高等教育出版社,2006.
[2]吴宗泽.机械设计课程设计手册[M].3版.北京:高等教育出版社,2006
[3]孙维连.工程材料[M].中国农业大学出版社，2005
[4]孙恒等.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006

选梯形螺纹

选45钢

d=46mm
p=8mm
d1=37mm
d2=42mm

y=4.285°
rv=5.323°
y<rv-1°
满足自锁条件

1.5t=7.5mm
d4=36.5mm
D13=82.8
(1.4~1.6)d
=69mm
0.25d=11.5mm
d+(6~10)
=54mm

T=256839.4N·mm
=355Mpa
[s]=101.42MPa
sca=87.12MPa
sca＜[s]
满足强度条件

I=91951
i=9.25mm
l=254mm
μ=2
E=2.06×105MPa
λs=54.91

Fcr=723694.8N
=6³ 2.5 ~ 4
满足稳定性条件

选青铜

u=7.875
u¢=9

H¢=72mm

17.37Mpa
33.07Mpa
满足强度条件

倒角C2
D=47mm
D3=79.9mm
D4=111.86mm
a=24mm

D10=110.4mm
D11=29.9mm
D13=82.8mm
D12=79.8mm

=22.9MPa
<[]
满足压力强度条件

选Q235

T1=256839N·mm

T2=1184760N·mm

=7207mm

=7348.4mm

dp=49.65mm

dp =12.41mm
dp+(6~10)
=58mm

H1=180mm
H¢-a=48mm
D6=86.9mm
D7=122.9mm
D8=302.5mm

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