螺旋千斤顶设计课程计算说明书.docx

机械设计课程大作业
螺旋千斤顶设计计算说明书

目录
1设计任务书 2
2任务分析 3
3螺旋传动设计 3
3.1螺杆的设计与计算 3
3.1.1螺杆材料 3
3.1.2螺杆螺纹类型 3
3.1.3螺杆的直径 3
3.1.4校核自锁条件 4
3.1.5螺杆的结构 4
3.1.6螺杆强度校核 5
3.1.7螺杆稳定性校核 5
3.2螺母的设计与计算 6
3.2.1螺母材料 6
3.2.2螺母高度及旋合圈数 6
3.2.3校核螺母螺纹牙强度 6
3.2.4螺母结构 6
4支撑部件设计 7
4.1托杯的设计与计算 7
4.1.1托杯材料 7
4.1.2托杯结构 7
4.1.3托杯强度校核 8
4.2底座设计 9
4.2.1底座材料 9
4.2.2底座结构 9
5其他部件设计 10
5.1手柄设计 10
5.1.1手柄材料 10
5.1.2手柄长度 10
5.1.3手柄直径 11
6总结 11
7参考文献 12
附录1螺旋千斤顶总装配图 图纸1
附录2螺母零件工作图 图纸2
附录3螺杆零件工作图 图纸3
附录4托杯零件工作图 图纸4

1设计任务书

设计任务名称：螺旋千斤顶设计
设计参数：
最大起重量F：30kN
最大起升高度H：110mm
螺旋千斤顶示意图

工作量：
总装配图一张；螺母、螺杆、托杯零件工作图各一张。
计算说明书一份。
2任务分析
螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的，它主要是用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。螺旋传动的常用运动形式，主要有以下两种：螺杆转动，螺母运动和螺母固定，螺杆转动并移动，多用于螺旋起重器。而千斤顶的工作原理则是第二种螺母固定，螺杆转动并移动，其工作原理
是：通过螺杆和螺母组成的螺旋副来实现将物体有低处向高处的传送的，并使托杯中的物体做直线运动，从而实现我们的传动要求。其中，螺母固定，当手柄旋动的时候，螺杆通过与螺母的螺旋副的运动，螺纹之间产生自锁，是装有重物的托杯往上运动。
从其工作原理中可以看出，这对螺杆与螺母螺纹的耐磨性、稳定性等要求较高，同时对底座及其他相应材料的强度也有一定的要求。

3螺旋传动设计
3.1螺杆的设计与计算
3.1.1螺杆材料
螺杆材料选择45钢
3.1.2螺杆螺纹类型
由于螺纹起传动作用，选择梯形螺纹，牙型角α=30o
3.1.3螺杆的直径
通过耐磨性条件确定螺杆中径，根据教材5.8节内容，螺纹耐磨性条件为
ps=FA=Fπd2hz=Fpπd2hH≤[p] 若需按耐磨性条件设计螺纹中径d2时，可引用系数ψ=H/d2以消去H，得d2≥Fpπψh[p] 对于梯形螺纹，h=0.5p
对于整体式螺母，ψ=1.2～2.5 取ψ=1.8，当ψ≤2.5或人力驱动时，[p]可提高约20%查教材表5.8[p]取20MPa,则[p]=24MPa因此
d2≥Fpπψh[p]=21.03mm
根据机械设计课程设计手册表3-7，表3-8，并考虑安全性适当增大直径，公称直径d取28mm，则螺距p取5mm，小径d1 =22.5mm，中径d2=25.5mm

3.1.4校核自锁条件
螺纹自锁条件为ψ≤ρ， 螺纹升角ψ=arctannpπd2=4.2850, 当量摩擦角ρ'=arctanf' 由于螺母材料选择青铜，根据教材表5.10差得当量摩擦因数f'为0.08～0.10，取f'=0.09 则ρ'=arctanf'=5.1430
显然 ψ<ρ， 因此螺纹满足自锁条件

3.1.5螺杆的结构
螺杆上端用于支承托杯，并且需要其中打孔用于插装手柄，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，根据机械设计课程设计手册表3-26，退刀槽规格为 6.5xΦ21.4。为了便于螺杆旋入螺母，螺杆下端设有倒角。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。具体参数为：

增大螺杆直径部分：
长度：1.5d=1.5×28mm=42mm
直径：D13=1.8d=1.8×28=50.4mm

螺杆与托杯配合部分：
直径：20mm
长度：17mm
螺杆总长L=110+5p+1.5d+17=194mm
根据GB/T891-1986，选取挡圈GB/T891 B50，公称直径D=50mm，H=5mm 根据GB/T68-2000，选取螺钉GB/T68 M6×16，螺纹规格d=M6，公称长度l=16mm

螺杆的具体图形与尺寸见附录3

3.1.6螺杆强度校核
根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度条件为：
σ=（4Fπd12）2+3（16T1πd13）2≤[σ] (教材公式5.46)
螺杆所受轴向力F=30000N，螺杆所受转矩
T1=Ftan(ψ+ρ')d22=63514.528N∙mm

代入得，σ=（4Fπd12）2+3（16T1πd13）2=90.068MPa
根据材料力学教材表2.1可知45钢σs=353MPa,根据教材表5.9，可得
σ=σs3~5=σs3=117.67MPa 则σ≤σ 满足强度要求。
3.1.7螺杆稳定性校核
根据教材公式5.51，受压螺杆的稳定性条件式为FcF≥2.5~4 ,临界载荷Fc与螺杆材料及长径比（柔度）λ=μli=4μld1有关，螺杆的最大工作长度,即托杯底面到螺母中部的距离，近似取为l=H+5p+1.5d=110+25+42=177mm ，根据教材表5.11螺杆的长度系数μ=2，螺杆危险截面的惯性半径i=IA=d14= 5.625mm, λ=μli=4μld1= 62.93 当λ<85时，Fc=4901+0.0002λ2∙πd124=108718.6448N,则FcF=3.6≥2.5~4 故满足稳定性条件
3.2螺母的设计与计算
3.2.1螺母材料
螺母材料选择青铜
3.2.2螺母高度及旋合圈数
根据教材公式ψ=H/d2 ，ψ=1.8 H=ψ∙d2=45.9mm ,旋合圈数z=H/p=9.18,z取整数，故z=9,H=45mm
3.2.3校核螺母螺纹牙强度
根据教材公式5.49和5.50，螺纹牙根部的剪切强度校核计算公式为τ=Fπd'bz≤[τ],螺纹牙根部的弯曲强度校核计算公式为σb=Fzh2πd'zb26=3Fhπd'zb2≤[σ]b
螺母螺纹大径d'=d+0.5=28.5mm
根据教材表5.9τ=30~40MPa [σ]b=40~60MPa 取τ=35MPa, [σ]b=50MPa
螺纹牙工作高度h=0.5p=2.5mm
螺纹牙根部厚b=0.65p=3.25mm
代入数据τ=Fπd'bz=300003.14×28.5×3.25×9=11.46MPa≤τ=35MPa σb=Fzh2πd'zb26=3Fhπd'zb2=3×30000×2.53.14×28.5×9×3.252=26.45MPa≤[σ]b=50MPa
故螺母螺纹牙强度满足要求
3.2.4螺母结构
螺母的形状尺寸见附录2，具体计算如下
螺母压入底座上的孔内，圆柱接触面间的配合采用H8n7 配合，为了安装简便，需在螺母下端和底座孔上端做出倒角。
D=d+0.5=28.5mm
D3= (1.6~1.8)D =1.7×28.5mm=48.45mm
D4= (1.3~1.4)D3=1.4×48.45mm=67.83mm
H=45mm a=H/3=45/3=15mm
取D3=49mm, D4=68mm

4支撑部件设计
4.1托杯的设计与计算
4.1.1托杯材料
托杯的材料选择为Q235
4.1.2托杯结构
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。

D10=(2.4~2.5)d=2.428=67.2mm
D11=(0.6~0.7）d=0.6528=18.2mm
D13=(1.7~1.9)d=1.828=50.4mm
D12= D13-(2~4)=50.4-3=47.4mm
托杯厚度，取
杯底厚度为
沟纹宽度
沟纹深度
托杯高度，取托杯高度为70mm
挡圈选用GB/T892 B32，其公称直径D=32mm，H=5mm；挡圈用GB/T67 M6×16的开槽盘头螺钉固定。
4.1.3托杯强度校核

式中：[p]为许用压强，应取托杯与螺杆材料[p]的小者。
查表得，Q235钢的许用压强[p]为225MPa，45钢的许用压强[p]为570MPa，故用托杯材料来进行压力强度校核，即取[p]=225MPa。
所以

满足接触面的压力强度要求。
4.2底座设计
4.2.1底座材料
底座材料选择为HT200
4.2.2底座结构
此将其外形制成1∶10的斜铸件的壁厚δ不应小于8～12mm，δ选取15mm，为了增加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因度

H1=H+（14～28）mm =110+21=131mm
H-a=45-15=30mm(此处H表示螺母旋合高度)
D6=D3+（5～10）mm =49+7=56mm
D7=D6+H110=56+13=69mm
D8=D7+60=129mm
千斤顶使用时底座下面应垫木板或钢板，以防地面强度不足
5其他部件设计
5.1手柄设计
5.1.1手柄材料
手柄材料选择Q235钢。
5.1.2手柄长度
板动手柄的力矩：K·Lp=T1+T2 则

式中：K为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为螺旋副间的摩擦阻力矩，

T2为托杯与轴端支承面的摩擦力矩，
T2=13fFD123-D113D122-D112
因一般情况下为间歇工作，工作时间较长的情况不多，故取K=200N。

根据教材表5.6，有油的机加工钢表面的摩擦因数f=0.06~0.10,取值0.1所以
T2=13×0.1×30000×47.43-18.2347.42-18.22=52449.4N∙mm

则
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。
故

手柄长度。
5.1.3手柄直径
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

故
式中：[s]F为手柄材料许用弯曲应力，当手柄材料为Q235时，[s]F=120Mpa。

考虑安全因素略增大直径，取。
6总结
通过本次大作业，系统地设计一个螺旋千斤顶，更有助于我们对机械设计课程的理解与掌握。在设计过程中，我充分理解到机械设计应有的严谨，每一个尺寸都需要通过严格的公式计算而得出，并且计算得出的结果需要经过强度校核，以便我们设计的零件能够安全的工作。由于本次设计是我第一次设计，并不懂得设计的步骤与方法，因此在设计的过程中参考了一些资料，而且完成本次大作业也花费了不少时间。虽然本次任务完成了，但我知道肯定有许多不足与错误，想必这些问题将会通过以后的学习而得到改善，总之，通过本次大作业收获颇多！

参考文献
[1]王黎钦，陈铁鸣.机械设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2014
[2]吴宗泽，高志，罗圣国，李威.机械设计课程设计手册[M].北京：高等教育出版社，2014

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