机械设计-千斤顶_设计计算说明书综述

一、传动方案的确定
螺旋千斤顶由螺杆、底座、螺母、手柄和托杯等组成。

通过转动手柄使螺杆在固定的螺母中边旋转、边相对底座上升或下降，从而能把托杯上的重物举起或放落。

装在螺杆头部的托杯应能自由转动，螺杆下端设置安全挡圈，以防止螺杆全部旋出。

螺旋千斤顶应具有可靠的自锁性能。

二、主要设计参数
主要设计参数为A5，即最大起重重量F=26kN ，最大起重高度L=160mm 。

三、确定螺纹牙型及螺纹基本尺寸 3.1螺纹牙型的选择
梯形螺纹的工艺性好，牙根强度高，对中性好。

所以选择梯形螺纹牙型。

螺杆螺母材料选择钢—青铜。

3.2螺纹基本尺寸
螺纹中径按螺母螺纹牙面的耐磨性计算，对于梯形螺纹，P h 5.0=，则有
[]
p F
d φ8
.02≥ 式中φ值一般取1.2~2.5，此处取1.2，许用压力[]p 经查表得
[]13=p MPa 。

则[]033.010132.110268.08.06
3
2≈⨯⨯⨯=≥P F d φm 33=mm 。

取螺杆标准中径332=d mm 。

查表可得螺距P=6mm ，牙顶间隙5.0=c a mm 。

螺杆大径3665.0335.02=⨯+=+=P d d mm 。

螺杆小径()295.02233=+-=-=c a P d h d d mm 。

螺母的标准中径3322==d D mm 。

螺母大径375.023624=⨯+=+=c a d D mm 。

螺母小径30636'1=-=-=P d D mm 。

选用梯形螺纹牙型
332=d mm
36=d mm
293=d mm
332=D mm
374=D mm
30'1=D mm
四、螺杆的设计计算
4.1材料
螺杆的常用材料为Q235、Q275、35钢和45钢。

此处考虑成本与耐磨性要求，选用经正火或淬火处理的45钢。

4.2螺杆结构
螺杆上端需用于支承托杯和插装手柄，故此处需要加大直径。

其结构如图1所示，图中L 为最大起重高度，H 为螺母高度，手柄
孔径K d 的大小应根据手柄直径p d 决定，一般取5.0+>P K d d mm 。

由 3.2结论知螺杆小径293=d mm ，中径332=d mm ，螺距
6=P mm ，为了便于切制螺纹，应设退刀槽，退刀槽处的直径c d 要
比螺纹小径3d 小0.2~0.5mm ，这里取0.5mm 。

则5.285.0295.03=-=-=d d c mm 。

退刀槽的宽度965.15.1=⨯=≥P b mm 。

故此处取9=b mm 。

为了便于螺杆旋入螺母，螺杆下端应制有倒角,如图1(a)所示。

或制成稍小于小径3d 的短圆柱体，如图1(b)所示。

图1
螺杆选用45钢
5.28=c d mm
9=b mm
4.3自锁性校核 自锁性条件为V ϕψ≤。

螺纹升角ο3.333
6
1arctan arctan 2≈⨯⨯==ππψd nP 经查表，摩擦因数f 取0.08，螺纹牙侧角β取ο15，当量摩擦角ο
ο
7.415
cos 08.0arctan cos arctan
≈==βϕf V 。

由于影响摩擦因数f 的因素很多，其值并不稳定，为保证螺旋起重器有可靠的自锁能力，可取ο1-≤V ϕψ。

由上述计算可得
οοο17.43.3-≤，所以自锁性满足要求。

4.4强度校核
螺杆工作时，扭矩产生剪应力，轴向力产生正应力，升至最高位置时，载荷分布如图2所示。

图2
ο3.3=ψ
ο7.4=V ϕ
螺杆所受扭矩
()()
332103.602
33
7.43.3tan 10262tan ⨯≈⨯+⨯⨯=+=οοd F T V ϕψN ·m
m 。

危险剖面的强度2
332231634⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=d T d F ca ππσ 2
3322329103.601632910264⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=ππ
45≈MPa
查表得45钢的屈服强度可取355=S σMPa ，故螺杆材料的需用
许用应力[]715
3555===
S
σσMPa 。

按照第四强度理论，危险剖面的强度按[]σσ≤ca 校核。

这里45MPa ≤71MPa 。

所以强度满足。

4.5稳定性校核
螺杆危险界面惯性半径25.74
29
43===
d i mm 。

由 3.2知36=d mm ，则螺杆头部高度取54365.15.1=⨯==d B mm ，螺杆最
大工作长度2412
54
541602=++=++=H B L l mm ，长度系数2=μ，
则柔度6625
.7241
2≈⨯==i l μλmm<85mm ，故
kN
d F cr 1731097.172429660002.014904
0002.01490
32
2
2
32=⨯≈⨯⋅⨯+=⋅
+=ππλ 故465.626
173
≥≈=
F F cr ，所以满足稳定性条件。

五、螺母的设计计算 5.1材料
螺母和螺杆旋合工作时，应具有较高的耐磨性和较低的摩擦因数，通常选用螺母材料比螺杆材料硬度低。

耐磨性较好的螺母材料有：铸锡青铜ZCuSn10Pb1、铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5和铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3；当低速、轻载或不经常使用时，也可选用耐磨铸铁或铸铁。

这里我们选用铸铝铁青铜，即ZCuAl10Fe3。

3103.60⨯=T N
·mm
45=ca σMPa
[]71=σMPa
25.7=i mm 36=d mm 54=B mm 241=l mm 66=λmm
173=cr F kN
螺母选用铸铝铁青铜
ZCuAl10Fe3
5.2螺纹牙工作圈数z
螺纹牙工作高度365.05.0=⨯==P h mm ，螺纹牙工作圈数
[]43.61333310263
2≈⨯⨯⨯⨯=≥ππp h d F z 。

考虑到螺纹牙工作圈数越多，载荷分布越不均匀，故螺纹牙工作圈数不宜大于10，故
1043.6≤≤z 。

取5.7=z 。

考虑到螺纹杆退刀槽的影响，螺母螺纹牙实际圈数应取95.1'=+=z z 。

5.3螺母的结构尺寸
螺母的结构如图3所示，螺母的高度5469'=⨯==P z H mm ；螺母外径6.66378.18.14=⨯==D D mm ；螺母的凸缘外径
24
.936.664.14.11=⨯==D D mm ；螺母的凸缘厚度
183
543==≈
H a mm 。

螺母装入底座孔内，配合选取7
8
r H 。

为防止螺母转动，设置紧定螺钉，其直径取M6。

图3
3=h mm
5.7=z
9'=z
54=H mm 6.66=D mm
24.931=D mm
18=a mm
5.4螺纹牙强度校核
对于梯形螺纹，螺纹牙根部厚度9.3665.065.0=⨯==P b mm ；弯曲力臂22
3337224=-=-=D D l mm 。

螺纹牙根部的弯曲应力
76
.119.3375.72
1026332324≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯==ππσb D z Fl b MPa ，查表得螺母材料的许用弯曲应力[]40=b σMPa 。

由于76.11MPa ≤40MPa ，故螺纹牙根部抗弯强度满足条件。

螺纹牙根部的剪切应力
65.79.3375.710263
4≈⨯⨯⨯⨯==ππτb D z F MPa ，查表得螺母的许用剪切应力[]30=τMPa 。

由于65.7MPa ≤30MPa ，故螺纹牙根部抗剪强度满足条件。

5.5螺母悬置部分强度和螺母凸缘强度校核 螺母悬置部分横截面上的拉应力
()
()
14376.664
10263.14
3.12
23
2
4
2
≈-⨯⨯⨯=
-=
π
π
σD D
F
MPa ，查表得螺母材料的许用拉应力[][]2.334083.083.0=⨯==b σσMPa 。

由于
14MPa ≤33.2MPa ，故螺母悬置部分横截面上的抗拉强度满足条件。

螺母凸缘支承面上的挤压应力
()
()
77.76.6624.9310
2644223
221≈-⨯⨯⨯=-=
ππσD
D F P MPa ，查表得螺母材料的许用挤压应力[][]60405.15.1=⨯==b p σσMPa 。

由于 7.77MPa ≤60MPa ，故螺母凸缘支承面上的挤压强度满足条件。

螺母凸缘根部的弯曲应力
()()()33.1510186.666.6624.9310265.15.123321≈⨯⨯⨯-⨯⨯⨯=-=-ππσDa D D F b MPa ，查表得螺母材料的需用弯曲应力[]40=b σMPa 。

由于15.33MPa ≤40MPa ，故螺母凸缘根部弯曲强度满足条件。

螺母凸缘根部的剪切应力
9.3=b mm
2=l mm
76.11=b σMPa 65.7=τMPa
14=σMPa
77.7=p σMPa
33.15=b σMPa
9.6186.6610263
≈⨯⨯⨯==ππτDa F MPa,查表得[]30=τMPa 。

由于6.9MPa ≤30MPa ，故螺母凸缘根部的剪切强度满足条件。

六、托杯的设计计算
托杯用以承托重物的，可选用铸铁、铸钢或Q235，此处我们选用Q235。

具体结构如图4所示。

为防止托杯与重物相对滑动，托杯上表面应制有切口和沟纹。

为防止托杯从螺杆端部脱落，螺杆端部应装有挡圈。

为防止接触面过快磨损，应校验接触面的压力,首先托杯的尺寸2.592367.127.1267=-⨯=-=-=d D D mm ；
1.225.0366.05.06.00=+⨯=+=d D mm 。

接触面的压力()
()
98.101.222.591026442
23
20
27≈-⨯⨯⨯=-=ππD D F p MPa
图4
9.6=τMPa
托杯选用Q235A
2.597=D mm
1.220=D mm
98.10=p MPa
查表得许用压力[]13=p MPa 。

由于10.98MPa ≤13MPa ，所以接触面间的压力满足条件。

七、手柄的设计计算 7.1材料
手柄材料选用Q235A 。

7.2手柄长度
螺旋副的摩擦阻力距
()()3.602
33
7.43.3tan 262tan 21≈⨯+⨯=+=d F T V ϕψkN ·mm 。

螺杆端面与托杯之间的摩擦阻力矩
mm
N D D D D fF T ⋅≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛--=
k 21.451.222.591.222.592608.031
31223320
27
303
72 手柄长度4.70310
15021
.453.603
21=⨯+=+=
-p p F T T L mm 。

手柄的计算长度p L 是螺杆中心至人手施力点间的距离。

考虑到螺杆头部尺寸及手握的距离，手柄的实际长度应为
784502
7.14.7035026'
=++=++=d D L L P p mm
为减小千斤顶的存放空间，一般取实际手柄长度'p L 不大于千斤顶的高度。

当举重量较大的时候，可在手柄上套一长套管，以增大
力臂达到省力的目的。

7.3手柄直径
把手柄看成一个悬臂梁，按抗弯强度设计，即
[]79.202
2351.04
.7031501.033
≈⨯
⨯==b P P P L F d σmm 7.4手柄结构
为防止手柄从螺杆中滑出，在手柄两端应设有挡圈，如图5所示，并用螺钉固定或铆合。

手柄材料选用 Q235A
3.601=T kN ·m
m
21.452=T kN ·
mm
4.703=p L mm
784'=p L mm
79.20=p d
图5
八、底座的设计计算
8.1材料
底座材料常选用铸铁HT150、HT200，当起重量大时可选用铸
钢。

此处我们选用HT150。

8.2底座结构
底座铸件的厚度 不应小于8~10mm；为增加底座的稳定性，
故需将外形制成1：10的斜度，如图6所示，图中
图6
底座选用HT150
175********=+=+=L H mm ；
3618542=-=-=a H H mm ； 6.7156.6658=+=+=D D mm ；
6.10610
17526.71102189=⨯+=⨯
+=H D D mm ； []()
167106.10610
21026442
3
6
3
2
9
10≈⨯+⨯⨯⨯⨯=+≥-πσπD F
D P mm;
取16710=D mm 。

九、螺旋起重器效率计算 当螺旋转过一圈后，效率为
%30%5.23235.0104.70315026
2623
≤=≈⨯⨯⨯⨯==
-ππηp p L F FS
符合千斤顶的一般要求。

十、设计小结
经过紧张而辛苦的几周的课程设计结束了，看着自己的设计。

即高兴又担忧，高兴的是自己的设计终于完成了，担忧的是自己的设计或许存在着一些不足之处。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程。

“千里之行始于足下”，这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。

我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

十一、参考资料
[1]傅燕鸣主编.机械设计课程设计手册.上海：上海科学技术出版社，2013.
1751=H mm 362=H mm 6.718=D mm 6.1069=D mm
16710=D mm
%5.23=η
11。