机械设计教程大作业螺旋千斤顶设计方案

1、机械设计教程大作业螺旋千斤顶设计一、要求条件根据最大起升重量选择材料和螺纹尺寸，要求满足耐磨性条件、强度条件、稳定性条件和自锁条件。确定全部结构形式和尺寸，绘制装配图和螺母零件图。设计计算部分包括螺旋传动的材料选择，螺纹牙型的选择，工作能力计算和自锁性计算，其它结构的工作能力计算（螺母许用挤压应力p1.5 b）；地面承压能力计算，确定下支承面尺寸(木材许用挤压应力p =3MPa)；人手的操作能力计算，确定手柄的直径和长度（人手最大操作力200N）。根据学号尾数为3，对应的最大起升重量为Fmax=50kN，最大升距为hmax=300mm。二、设计及计算1、 螺杆的设计及计算1.1、螺杆螺纹类型选

2、择螺纹根据牙形，分为普通螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。其中，本题选择梯形螺纹，右旋单线，截面为等腰梯形，牙型角=30º，内外螺纹以锥面贴紧不易松动，基本牙型按照GB/T5796.2-2005规定。1.2、选材由于螺旋千斤顶受力较大，转速较低且为传力螺旋，由教材P98表2-38，选择45或50钢正火。本设计采用45钢。1.3、确定螺杆直径由耐磨性及设计公式d2依国家规定，=1.22.5，考虑到螺母为整体结构，取=1.2。又由于梯形螺纹，h=0.5P。由于为重载低速场合，螺母取ZCuAl10Fe3材料，则螺杆螺母为钢-青铜材料，p=1825Mpa。由于<2.5，提高20%，

3、故p=21.630Mpa，则取p=28Mpa，取f=0.09。代入数据，如下计算得到d2 = 0.8=0.8500001.2×22×106=34.82mm。查询GB/T5796.2-2005，取d2=36.5mm，d=40mm，P=7mm，D4=41mm，d3=32mm（即以下计算中的d1），D1=33mm。校核Z=d2P=6.23<10，故满足要求。另外，螺杆上部与托杯相连接处有一退刀槽，其直径d0应比螺杆小径d1小0.20.5mm，圆整为d0=31mm，槽宽取1.5d=10.5mm。1.4、强度校核由于已经计算出d2=36.5mm，则强度校核所需数据如下：螺纹升角

4、=arctanPd2=arctan7×36.5=3.50°ff当量摩擦系数fv=fcos=0.09cos30°=0.104当量摩擦角v=arctanfv=arctan0.104=5.94°螺杆所受转矩T=Fd22tan+v=50000×0.03652×tan3.5°+5.94°=151.72N·m查教材P64表2-19，选用45钢正火处理时，s=284Mpa，由表2-40知，许用应力= s35，取=s3=2843=94.67Mpa，所以ca=4Fd122+3T0.2d132=4×50000

5、15;0.03222+3×151.720.2×0.03232=73.98Mpa<故该尺寸满足设计要求。1.5、稳定性校核长径比较大的受压螺杆，工作中可能出现失稳，其稳定性需满足Sc=FcrFS对于传力螺旋，S=3.55。螺杆上升到最高位置时，视为上端固定下端自由，长度系数=2。由于螺母螺纹高度H=d2=1.2×36.5=43.8mm，由经验公式托杯支撑架高度B=1.5d=60mm，则螺杆的最大工作长度为l=Hmax+0.5H+0.6B=300+18.6+30.6=384.5mm，故柔度=4ld1=4×2×384.532=96.13>

6、90因此需要进行稳定性计算。（其中，H由螺母的相关计算可知圆整为49mm）。螺杆危险截面惯性矩为Ia=d1464=×32464=51471.9mm4碳钢的弹性模量E=206Gpa，则可计算有Fcr=2EIal2=2×2.06×105×51471.92×384.52=176963.8NSc=FcrF=176963.850000=3.54>3.5因此满足稳定性条件，设计合理。1.6、自锁性校核 由公式=3.5°v=arctanfcos=arctanfv=arctan0.09cos30°=5.32°所以满足自锁性，

7、满足设计要求。2、 螺母的设计及计算2.1、选材由于螺旋千斤顶工作属于重载低速场合，故由P98表2-38选择青铜材料ZCuAl10Fe3。2.2、螺母高度H=d2=1.2×36.5=43.8mm， Z=HP=43.87=6.3<10，因此满足要求，将之圆整Z=7，H=49mm。2.3、外径D的设计由拉伸强度公式来确定螺母外径D，外径D的设计应按照悬置部分的抗拉强度计算，假定悬置部分受全部载荷F，F 应扩大30%。考虑螺纹牙上摩擦扭矩对螺母的作用，则螺母悬置部分横剖面上最大拉应力及强度条件为ca=1.3F4(D2-d2)p其中，p=1.5b，取b=40Mpa，则p=60Mpa。代

8、入数据，则有Dd2+5.2Fp=0.042+5.2×50000×60×106=54.6mm圆整为D=55mm。上缘凸出部分宽度由经验公式为D1=1.2D=66mm。上缘高度a=H/3=16.3mm，圆整为17mm。2.4、强度校核查表2-40，青铜螺母的b=4060Mpa，=3040Mpa。螺纹大径d=D3=41mm，螺纹牙根部厚度b=0.65P（对于梯形螺纹）。由公式=FZdb=500007××0.65×7×41=12.2Mpa<又由公式齿根强度=弯曲应力及强度条件b=Mw=F(D1-D)/4Da2/6=50000&

9、#215;0.011/4×0.055×0.0172/6=16.52Mpa<b满足要求。凸缘支撑面上的挤压应力及强度条件p=F(D1-D)/4=50000×4×0.011=5.79Mpa<p满足要求。2.5、耐磨性条件 由公式p=FPd2hH=50000×0.007×0.0365×0.0035×0.0438=17.8Mpa<p=22Mpa说明耐磨性满足要求。3、 托杯设计及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，其结构尺寸如下图。为使其与重物接触良好和防止与重物之间出现相对滑动

10、，在托杯上表面制有滚花。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。式中：p为许用压强，应取托杯与螺杆材料p的小者。p取22Mpa。图中杯厚取10mm，具体尺寸计算：支撑架高度B=1.5d=60mm托杯高度为h1=（1.51.8）d=60mm托杯上部外径D10=(2.42.5)d=2.540=100mm连接轴颈D11=(0.60.7）d=0.6540=26mm支撑架直径D13=(1.71.9)d=1.840=72mm托杯底部外径

11、D12= D13-(24)=72-3=69mm托杯底部内径Dh=D11+(23)=26+2=28mm故p=FD122-Dh2/4=50000×4×0.0692-0.0282=16.00Mp即p=16.00Mpa<p=22Mpa，满足要求。4、 手柄尺寸及计算4.1、选材常用Q235和Q215，本设计选用Q235。4.2、手柄长度设计如上图，扳动手柄的力矩：K·Lp=T1+T2则式中：K为加于手柄上一个工人的臂力，约为200N。T1螺旋副间的摩擦阻力矩， T1=Fd22tan+v=151.72N·mT2托杯与轴端支承面的摩擦力矩，查表2-39，钢-钢

12、f=0.110.17，取0.12。T2 = (D12+D11) fF/4=(69+26)×0.12×50000/4=142500N·mm则 (K取200) =1471.1mm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+（50150）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=1471.1+36+100=1607.1mm，圆整为1607mm。4.3、手柄直径设计把手柄视为一个悬臂梁，按弯曲强度确定手柄直径dp，其强度条件为F=KLp0.1dp3<p故dp=29

13、.9mm 圆整为30mm。式中：F手柄材料许用弯曲应力，且当手柄材料为Q215和Q235时，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圆球（图16），并用螺钉或铆合固定。图中尺寸：dp =7.5mm，圆整为8mm，则有圆球直径为dp+(610)= dp+10=30+10=40mm。5、 底座设计及计算底座材料常用铸铁（HT150及HT200），本设计采用HT150。铸件的壁厚不应小于812mm，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110的斜度。底座结构及尺寸如下图选择HT150为材料，图中取10mm，圆角r取5mm，圆角R取

14、8mm；圆台部分：高度H1=Hmax+（1428）mm =300+20=320mm；上端内径D6=D+（510）mm =55+5=60mm，其中D为螺母下部外径； 底部内径D7=D6+H15=60+64=124mm。底座底部外径D8=D72+4Fp=1242+170.11=191.3mm圆整为D8=192mm。底座底部厚度为=1.3=13mm。式中：p底座下枕垫物的许用挤压应力。对于木材，取p=3Mpa。圆柱部分：高度H=H-a=49-17=32mm，其中H为螺母总高度，a为上凸缘高度；外径D9=D6+2=60+20=80mm。6、 其他零部件设计及计算6.1 防止螺母松转的紧固螺钉（整体图中

15、可见） 长度L>12(D9-D)=12.5mm，且L<12(D9-d)=20mm；因此，查询GB/T71-1985，选择公称长度为16的M5×16。6.2螺杆上下挡圈上挡圈：由连接轴颈D11=26mm，查询螺栓紧固轴端挡圈GB/T 892-1986，选择公称直径D=32mm，厚度为H=5mm，孔径为d=10mm 的GB/T 892 32。下挡圈：由螺旋副公称直径d=40mm，查GB/T 892-1986，选择公称直径D=50mm，厚度为H=5mm，孔径为d=12mm的GB/T 892 50。6.3固定挡圈的上下螺钉上螺钉：由d=10mm，查GB/T 71-1985，选用M10×30；下螺钉：由d=12mm，查GB/T 71-1985，选用M12×35。三、 思考题1、怎样设计可以省力？（1