螺旋千斤顶.doc

螺旋千斤顶
设计任务：
1. 选择螺旋材料，设计螺旋尺寸，校核螺旋自锁条件、强度和稳定性。
2. 选择螺母材料，设计螺纹圈数和螺母其它部分尺寸。
3. 确定手柄的截面尺寸和长度。
4. 编写设计计算说明书。
5. 绘制一张装配图和主要零件图。
设计条件：
最大起重量F为10kN，最大升距 为200mm
螺旋千斤顶的工作原理：
滑动螺旋传动有两种基本型式：（1）螺母固定，螺杆转动并移动；（2）螺杆转动，螺母移动。螺旋千斤顶采用第一种传动型式，这种型式的螺母本身就起着支承作用，从而简化了结构。千斤顶中当手柄转动的时候，螺杆通过与螺母的螺旋副的运动，螺纹之间产生自锁，使装有重物的托杯往上运动。
螺旋千斤顶的结构设计：
1.螺杆的设计：
1.1螺杆螺纹类型的选择
螺纹有矩形、梯形与锯齿形，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动, 对中性好，并且牙根强度高，同时采用单线螺纹的自锁性也比较高，故采用单线梯形螺纹。它的基本牙形按GB/T5796.1—2005的规定。梯形螺纹的牙型为等腰梯形，牙形角为300[1]。
1.2螺杆材料的选择
可供选择的材料有Q235、Q275、45、40Cr等，千斤顶中螺旋运动转速较低，可选择45钢为螺杆材料。
1.3确定螺杆直径
磨损是滑动螺旋传动的主要失效形式，因此通常是根据耐磨性的计算确定螺杆的直径和螺母高度。首先按耐磨性条件确定螺杆中径d2，然后按标准选取相应公称直径d、螺距t及其它尺寸。
因为磨损的速度与螺纹工作表面压强大小有直接关系，所以必须限制螺纹工作表面的压强，即

式中 p——螺纹工作表面实际平均压强；
[ p ]——许用压强；
Fa——轴向载荷；
d2——螺纹中经；
H——螺母高度；
h——螺纹工作高度；
令式中H=，则

对于整体式螺母， 取1.2~2.5，此处取1.4（梯形螺纹）， ， 取10KN，螺母材料一般选青铜，低速传动，[p]可取18~25N/mm2，取为20 N/mm2，代入式中得 ，查表GB/T5796.2—2005和表GB/T5796.3—2005有：
公称直径d=20.00mm，螺距P=4mm，中径D2=d2=18mm，大径D=20.5mm，外螺纹小径d1=15.5mm，内螺纹小径D1=16mm。
1.4验算自锁
自锁条件为 式中： 为螺纹中径处升角；为当量摩擦角（=arctan，为保证自锁，螺纹中径处升角至少要比当量摩擦角小1°）。
螺纹升角
当量摩擦角 ，
式中f为摩擦系数，钢和青铜f取0.08~0.10，取f=0.09，为牙型半角， 代入得
由上可知满足自锁条件。
1.5螺杆结构设计
螺杆上端支承托杯并在其中插装手柄，手柄孔径dk的大小根据手柄直径dp决定，dk≥dp十0.5mm。由后面计算可知，取取18mm。
为防止托杯从螺杆脱落或螺杆从螺母中脱离，螺杆上、下端需安置挡圈，并用螺钉固定，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，退刀槽宽度
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：
D13=(1.71.9)d=1.8×20=36mm；
(1.41.6)d=1.520=30mm；
H1+H`=200+32=232mm；
0.25d=5mm，紧定螺钉选择M5×20；
d+(6~10)=d+8=28mm，高度取4mm。
1.6螺杆强度验算
对受力较大的螺杆应根据第四强度理论校核螺杆的强度。

式中 为轴向压力，[σ]为材料许用应力， 为螺杆螺纹小径，T为转矩。

将各数据代入上式中得

对于45号钢 ， 。符合强度条件。
1.7稳定性验算
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。即

式中 Fc为螺杆失稳的临界轴向载荷，F为最大轴向载荷，而

式中 L——螺杆最大工作长度；
Ia——螺杆截面惯性矩，按螺纹中径计算，即 ；
E——螺杆材料的弹性模量；
μ——长度系数
为了计算方便，上式可写成如下形式

m——螺杆支承系数，对于一端固定，一端自由，m取 ，
，可近似取L＝H+5P+(1.4~1.6)d=250mm，代入得

2.螺母的设计：
2.1螺母材料的选择
用作螺母的材料，一般可选用锡青铜、黄铜、聚乙烯、尼龙和耐磨铸铁等；本例中选用锡青铜。
2.2确定螺母高度H及螺纹工作圈数n
考虑退刀槽的影响，实际螺纹圈数n¢ = n+1.5(n¢应取整)。考虑到螺纹圈数n越多，载荷分布越不均，故n不宜大于10，否则应改选螺母材料或加大螺纹直径。
由上文已知， （满足要求），实际螺纹圈数 ，实际螺母高度
2.3螺纹强度验算
螺纹强度计算包括螺杆螺纹及螺母螺纹强度计算。但由于螺杆材料强度一般比螺母材料强度高，因此只需验算螺母螺纹强度。
设轴向载荷Fa作用于螺纹中径d2，并且忽略螺杆与螺母之间的径向间隙，则螺母螺纹强度可按下列公式验算
剪切强度
弯曲强度
式中 d——螺纹大径；
b——螺纹根部宽度，对于梯形螺纹，b=0.65P；
n——旋合扣数，
——分别为螺纹材料的许用剪切应力和许用弯曲应力；
选用的是梯形螺纹， 锡青铜的 。

满足螺纹强度要求。
2.4螺母结构设计
螺母压入底座上的孔内，它们之间的配合选用基孔制中的过渡配合，选择[1] 。为了安装简便，需在螺母下端和底座孔上端做出倒角。为了防止螺母转动，需要在螺母与底座间装置紧定螺钉，紧定螺钉直径常根据举重量选取，一般为6～12mm。紧定螺钉选择的是（GB/T71—1985）。
D=20.5mm，
D3= (1.6~1.8)D=1.7×20.5=34.85mm
取=35mm
D4= (1.3~1.4)D3=1.3×35=45.5mm
取
H′=32mm
a=H′/3=32/3=11mm

3.托杯的设计：
托杯用来承托重物，可用铸钢铸成，也可用Q235钢模锻制成，这里选用Q235钢。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，挡板用螺栓固定。
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。即

[p]为许用压强，取托杯和螺杆材料[p]中较小的一个，螺杆 ，托杯 ，因此[p]取235 。
厚度δ取10mm；
，选择M3×25（GB/T5780- 2000）。

取；

取13mm；
， ；
进行强度计算有：

满足强度条件。
4.手柄的设计：
4.1手柄材料
常用Q235和Q215[3]。这里选取Q235钢。
4.2手柄长度Lp
板动手柄的力矩：

式中：K——加于手柄上臂力，间歇工作时，约为150～250N。
T1——螺旋副间的摩擦阻力矩，
T2——托杯与轴端支承面的摩擦力矩，
其中
则
为托杯与轴端支承面的摩擦因数，查手册取0.06，得

K取200N，则

手柄计算长度是螺杆中心到人手施力点的距离。考虑螺杆头部尺寸及手握长度，取手柄实际长度，取230mm。
手柄实际长度不应超过千斤顶的最小高度，使用时可在手柄上另加套管。
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 即 dp≥
式中：[s]F——手柄材料许用弯曲应力，当手柄材料为Q235时，[s]F=120Mpa。所以

取17mm。
4.4手柄结构
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，并用螺钉或铆合固定。螺钉的公称直径大约为

因为手柄的精度要求不高，如图计算选用的螺钉为（GB/T68-2000）,而挡环尺寸(GB/T891-1986)为 ，厚度为4mm。
5.底座的设计：
底座材料常用铸铁（HT150及HT200）[3]，此处选用HT150。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。
δ取10mm；圆角r取5mm，R取8mm；
H1=H+（14～28）mm =200+20=220mm；
H¢-a=32-11=21mm；

；
按挤压强度条件求D7：

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。则
=117.3mm ，取；
参考资料

[1]何铭新，钱可强，徐祖茂.机械制图.高等教育出版社，2010.
[2]庞振基，黄其圣.精密机械设计.机械工业出版社,2000.
[3]机械设计手册软件版.V3.0.
[4]刘鸿文.材料力学（第四版）.高等教育出版社,2010.
[5]杨 玲.螺旋千斤顶作业指导书.西南大学工程技术学院,2009.