清华大学机械设计课程大作业-螺旋起重器设计计算书

1、螺旋起重器设计已知：螺旋起重器的最大载荷 F = 30kN ，最大上升距离 h =180mm ，试：1) 选择螺杆、螺母、托杯等零件的材料；2) 计算螺杆、螺母的主要参数和其他尺寸；3) 检验稳定性和自锁性；4) 计算手柄的截面尺寸和长度；5) 绘制装配图，标出有关尺寸，填写标题栏和零件明细表；6) 绘制零件图。受力分析：螺旋起重器中的滑动螺旋副工作承受的主要载荷包括摩擦力矩（螺纹副旋合部分的摩擦力矩和工件与螺杆支承端面间的摩擦力矩）和作用在螺杆上的压力。失效分析：由于螺旋副之间存在较大的相对滑动速度，因此磨损是滑动螺旋的主要失效形式。同时，螺杆承受压力，当支承的长径比较大时，也可能会发生失稳

2、。因此，螺旋起重器的滑动螺旋的设计准则是：根据耐磨性设计计算螺杆的直径及其他参数，同时对螺杆和螺母（主要是螺纹牙）进行强度校核。此外，螺旋起重器还应校核螺杆的稳定性及自锁性能。设计计算：Step1：选定螺纹类型考虑到螺旋起重器工作时会受到双向载荷，故选用矩形螺纹，则其牙型角a = 0。对整体式螺母，磨损后不能够调整，故高径比f = 2.5 。Step2：选择螺旋副的材料考虑到螺旋传动低速、重载，螺杆选用合金钢 40Cr 调质，螺母选用铝青铜ZCuAl10Fe3。查表 2-39，许用压力 p = 20MPa （螺杆-螺母的材料钢-青铜，滑动速度低速），摩擦系数 f = 0.10 （工作总近似起动

3、过程）。Step3：耐磨性设计由耐磨性设计准则 d2 FP，初始假设 h = 0.5P ，则p hf pd 230000= 19.5mmp 0.5 2.5 20螺纹参数取中径 d 2 = 21mm ，大径 d = 24mm ，小径 d1 = 18mm 。Step4：自锁性校核取螺距 P = 6mm。螺纹升角 g = tan -1P= tan -16= 5.20 ，当量摩擦角p dp 221y v = tan -1 f = tan -1 0.10 = 5.71 ， g y v ，满足自锁性要求。Step5：计算螺母高度螺母高度 H = fd 2 = 2.5 21 = 52.5mm ，圆整为整数

4、H = 53mm 。则螺杆总长l = 180 + H = 180 + 53 = 233mm。Step6：计算旋合圈数旋合圈数 Z = HP = 536 = 8.83 10 ，满足要求。Step7：螺纹强度校核螺杆载荷稳定，由表 2-40，许用应力s = s3s = 5003 =167MPa 。螺杆所受的转矩 T = Fd2tan (g + yv ) = 30000 21 tan (5.20 + 5.71 ) = 60716N mm ，计算应22力校核 224 FT 4 30000 2607162s ca =+ 3 =+ 3 = 148 MPa s 。2323p d10.2 d1p 180.2

5、18螺母螺纹牙，由表 2-40 ，许用弯曲应力 sb = 5 0M P a ，许用挤压应力 s p = 75MPa ，许用剪应力t = 30MPa 。螺纹牙根部厚度 b = 0.5P = 3mm ，螺纹高度 h = 0.5P = 3mm ，校核其强度s b =3 Fh=3 300003= 45 MPa sb Z p db228.83 p 24 3t =F=30000= 15 MPa t 。Z p db p 2438.83螺纹形状如图：Step8：稳定性校核螺杆的最大工作长度 l = 180 + H2 = 180 + 532 = 206.5mm 。考虑到螺杆使用最大工作长度时，其上端与载荷接触，

6、下端与底座相连，均认为是固定连接，故取长度系数 m = 0.5 ，柔度l =4 ml=4 0.5 206.5= 23 60d181故不必进行稳定性校核。Step9：螺纹传动其他尺寸设计和校核螺母外形如图：螺母外径：按螺母抗拉强度计算，由于螺纹副中摩擦转矩的存在，将轴向载荷增大 30%，D 1.3 F+ d 2=2 F+ d 2=2 30000+ 24 2= 42.1mmps sb 504圆整为 44mm。凸缘：凸缘直径 D f = 1.3D = 1.3 42.1 = 55.9mm ，圆整为 56mm；凸缘高度H f=H=53=17.6mm ，圆整为 18mm。凸缘强度校核（许用值见螺母螺纹牙的

7、33强度校核部分）4 F4 30000s p= 32 MPa s p p ( D f2 - D2 )p ( 56 2 - 442 )s=F (D f - D) 4=30000 ( 56 - 44 )4= 12 MPa sp DH2 6p 44 18 2 6bfbt =F=30000= 12 MPa t p DH fp 44 18螺钉孔中心线距螺母底面的距离 H=H=53=17.6mm 。b33螺杆上部外形如图：轴颈直径 Dr 1 = 1 7 . 8m m，高 H r 1 = 9 m m，手柄套高 H r 2 = 36mm ，直径 Dr 2 = 44mm 。凸台高度 H r 3 =12mm ，凸

8、台直径 Dr 3 = 22mm 。Step10：托杯尺寸设计选择托杯材料为 Q235。其外形如图：托杯下端面直径 Dc1 = 40mm ，孔直径 Dc 2 = 16mm ，上端面外径 Dc 3 = 60mm ，壁厚 dc= 8mm ，高度 H c= 42mm ，圆形开口直径 Dc 4 = 14mm ，坡面斜率 1:10。托杯下端面按抗压强度校核4 F4 30000s p= 28MPa s p = 1.5sb = 350MPa 。p ( Dc12 - Dc32 )p ( 40 2 -162 )Step11：底座尺寸设计底座材料选择 HT250。外形如图：取底面内径 D p 1 = 100mm ，

9、外径按底面抗压强度计算D =F+ D 2 =30000+ 100 2 = 151mmps p 2p1p 3p44取底面外径为 160mm。坡面斜率 1:10，壁厚d p1 = 10mm ，底部厚d p 2 = 10mm ，上端面直径 D p 3 = 70mm ，内部坡面上端面直径 D p 4 = 50mm ，顶部高度 H p = 41mm 。Step12：手柄尺寸设计手柄材料为 HT250。外形如图：由工作时载荷平衡NL = Fd2tan (g + yv )+1 D 3- D 3fF c1c 22322Dc1- Dc 2得手柄长度21 tan (5.20 + 5.71 ) +1403 -163

10、 L = 30000 0.10 30000 200 = 526mm23402-162实际 L = 526 +Dr 2= 526 +44= 548mm ，取 L = 600mm 。手柄直径22= 16.9mmD =FL=200 600h3 s p3250 p32b32取 Dh =18mm ，则手柄套孔直径可取 Dr 4 = 20mm 。球头直径 d b = 30mm ，高 hb = 27mm 。Step13：其他计算及讨论螺杆上下各有螺栓和挡圈，起定位作用，保证螺杆不会脱离螺母。螺栓选取 GB/T 70.1 M610；挡圈材料为 45 钢，外径 30，厚 4。螺母与底座之间的紧定螺钉选取 GB/T 71 M814。螺旋传动效率h =tan g=tan 5.20= 0.472tan (g + y v )tan (5.20 + 5.71)机械传动效率h=FP=30000 6= 0.239 。m