螺旋千斤顶机械设计计算论文..docx

螺旋千斤顶

河南科技大学
机械设计作业设计计算说明书

题目 螺旋千斤顶
系别 机械工程学院
班号
姓名

柯南科技大学
机械设计作业任务书

题目螺旋千斤顶

设计原始数据：
已知条件：螺旋起重器起重量FQ=40KN;最大起重高度H=200mm。
设计要求：
1. 绘制装配图一张，画出起重器的全部结构，按照比例装配图要求标
注尺寸、序号及填写明细栏、标题栏、编写技术要求。 2.撰写设计说明书一份，主要包括起重器各部分尺寸的计算，对螺杆和螺母螺纹牙强度、螺纹副自锁性、螺杆的稳定性的校核等。

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

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、托盘及底座选材
工作特点：螺旋千斤顶一般为间歇性工作，每次工作时间较短、速度也不高、但是轴向力很大、需要自锁，但不追求高效率。
1.螺杆选材：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，需要足够的强度，且为小截面，故选用45#钢，调质处理。查参考文献[2]得σs=355MPa, σb=600MPa。查机械设计课本表8.12得,取[σ]=110MPa。
2：螺母选材：千斤顶属于低速重载的情况，且螺母材料除要求有足够的强度外，还要求与螺杆材料配副后摩擦因数小和耐磨损，故螺母采用强度高、耐磨、摩擦系数小的铸造青铜ZCuAl10Fe3，查表8.12得螺母材料的许用切应力,取=35MPa；许用弯曲应力 [σb]=40~60MPa,故取[σb]=50MPa。
3：托盘和底座选材：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
由耐磨性条件公式（限制螺纹工作表面的压强，按螺母材料计算）：

对于梯形螺纹，有h=0.5p,那么耐磨性条件转化为：

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;
查机械设计表8.11，得[p]=18~25MPa，取[p]=20MPa，对于整体式螺母，，取=2.0，那么有。综合查课程设计指导书表11.2/11.3/11.4,试取公称直径d=32mm,螺距p=6mm,中径d2=29mm,外螺纹小径d1=25mm,内螺纹大径D4=33mm。螺母高度，螺纹圈数，且z≤10满足要求。α=2β=30°。
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

对于起重螺旋，因所受轴向力大，速度低，需要根据螺杆强度确定螺杆螺纹小径，故对于梯形螺纹该式可化为

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),。
代入数据，
而选择d1=25mm,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；
b——螺纹牙根部厚度(mm)，对于梯形螺纹b=0.65p。

代入数据计算

即螺母满足剪切强度要求。
螺纹牙根部的弯曲强度条件为：

式中 : h——螺纹牙的工作高度（对于梯形螺纹h=0.5P=3mm）；
其它参数同上。
代入数据计算

=50MP
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（°），
——螺纹副的当量摩擦角(°);
——螺纹线数，n=1;
——螺纹导程(mm);
——螺纹中径(mm);
——螺纹副的当量摩擦系数,查机械设计表8.13，得=0.08~0.10,取=0.09;
代入数据

因为≤，所以满足螺纹副自锁条件要求。
3.5 螺杆的稳定性校核
千斤顶的计算长度取为当螺杆升到最高位置时由其顶端承力截面至螺母高度中点的距离。端部支撑情况可视为一端固定，一端自由。
受压螺杆的稳定性条件式为：
≥2.5
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=9.7*6=58.2mm;
符号参见参考文献[1]图3.1；
——螺杆与手柄座相接处额尺寸，查手册知，=10.5mm。
假设手柄直径为d1=25mm,由尺寸经验公式h1=(1.8~2)d1=45~50mm取h1=50mm,则L=200+29.1+50+10.5=289.5mm
则螺杆的柔度
式中： ——长度系数，一端固定、一端自由的=2；
d1——螺纹小径，d1=25mm。
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
属于大柔度杆，
对于45#调制钢，此时螺杆稳定的临界载荷Fc为：

式中 ： L——螺杆的最大工作长度，mm。
E——螺杆材料的弹性模量，对于钢 E=2.07×105MPa；
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

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;
螺母凸缘厚b=(0.2~0.3)H=(0.2~0.3)×58.2=11.6~17.5mm，取b=15mm。
五、 手柄设计
加在手柄上的力需要克服螺纹副之间相对转动的摩擦阻力矩T1和托杯支撑面间的摩擦力矩T2。设加在手柄上的力F1=250N，手柄长度为L1，则有F1 L1 = T1 + T2。对于T1和T2，有
90929.3N·mm

公式中的符号见参考书[1]图3.2和图3.3。
根据经验公式，mm,取D=55mm;
mm，取D1=25mm。
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500mm。
设手柄所受最大弯曲应力为σ，查参考文献[2]表10.1,，查教材可知,得，则=102.5~136.7MPa,取=110MPa。
则手柄直径d1应满足

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，厚度为。由经验公式，S=(1.5~2)=12~16mm,取S=16mm。各符号见参考书[1]图3.2和图3.3。
D5由结构设计确定，D5=128mm。
D4=1.4D5=1.4*128=179.2mm。
结构确定后校核下底面的挤压应力：
MPa
底面材料选择铸铁HT100，查表得铸铁件壁厚为10~20mm时，，。
显然，，下表面强度满足设计要求。
上表面校核：，查参考文献[4]表B.4，得[σb]=195MPa, <[σb]。
故上表面也满足强度要求。

七、 其余各部分尺寸及参数（符号见参考书[1]图3.2和图3.3）
，取=76mm；
，取D=55mm；
，取=24mm;
，取=55mm；
，取=50mm；
，取=18mm；
，取=6mm；
，取=6mm；
，取=6mm。
固定托盘用的挡圈内径9mm，外径26mm，厚5mm；螺栓。
螺杆底部挡圈内径7mm，外径34mm，厚5mm；螺栓。
紧定螺钉 GB/T71-1985 M6×16。
其余铸造圆角，取R=2mm。
底座高度为284mm，装配后千斤顶的升降范围为414~614mm。
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，2006.8
[3]于慧力，张春宜.机械设计课程设计.北京：科学出版社，2007
[4]裘建军，王熙宁.李立群.画法几何及机械制图.哈尔滨：黑龙江教育出版社，2009.8