哈尔滨工业大学机械设计大作业_千斤顶 - 副本

哈尔滨工业大学
机械设计作业设计计算说明书
哈尔滨工业大学
机械设计作业任务书
题目：设计螺旋起重器
设计原始数据：
螺旋起重器是一种简单的起重装置，用手推动手柄即可提升重物。

它一般由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄、或扳手等零件所组成。

已知数据：起重量：50kN 最大起重高度：150mm。

目录
一、设计题目-----------------------------------------------------------------------------------------------------2
二、螺母、螺杆选材-------------------------------------------------------------------------------------------2
三、螺杆、螺母设计计算
3.1 耐磨性计算-----------------------------------------------------------------------------------------------2 3.2 螺杆强度校核--------------------------------------------------------------------------------------------3
3.3 螺纹牙强度校核-----------------------------------------------------------------------------------------3 3.4 螺纹副自锁条件校核----------------------------------------------------------------------------------4 3.5 螺杆稳定性校核-----------------------------------------------------------------------------------------4 四、螺母外径及凸缘设计------------------------------------------------------------------------------------5 五、手柄设计----------------------------------------------------------------------------------------------------5 六、底座设计----------------------------------------------------------------------------------------------------6 七、其余各部分尺寸及参数---------------------------------------------------------------------------------7 八、参考资料-----------------------------------------------------------------------------------------------------8
一、 设计题目
螺旋起重器（千斤顶）
已知条件：起重量F Q =50KN ，最大起重高度H=150mm 。

二、 螺杆、螺母选材
本千斤顶设计采用梯形螺纹螺旋传动。

由于螺杆承受载荷较大，而且是小截面，故选用45#钢，调质处理。

查参考文献[2]表10.2得355s MPa σ=,600b MPa σ=。

查参考文献[1]表8.11得5
~3][s
σσ=
,取[]110MPa σ=。

由于千斤顶属于低速重载的情况，且螺母与螺杆之间存在滑动磨损，故螺母采用强度高、耐磨、摩擦系数小的铸铝青铜ZCuAl10Fe3，查参考文献[1]表8.12得螺母材料的
许用切应力MPa 40~30][=τ,取][τ=35MPa ；托盘和底座均采用铸铁材料。

三、 螺杆、螺母设计计算
3.1 耐磨性计算
由耐磨性条件公式：
][2p H
h d p F A F Ps ≤⋅⋅⋅⋅==
π 对于梯形螺纹，有h=0.5p,那么耐磨性条件转化为：
2d ≥式中 2d ——螺纹中径，mm;
F ——螺旋的轴向载荷，N ； H ——螺母旋合高度，mm;
ψ ——引入系数，ψ=H/2d ;
[p]——材料的许用压强，MPa;
查《机械设计》表5.8，得[p]=18~25MPa 。

取[p]=25MPa ，对于整体式螺母，5.2~2.1=ψ，取ψ=2.0
，那么有225.3d mm ≥=。

查参考文献[4]表H.5,试取公称直径
d=36mm,螺距p=6mm,中径d 2=33mm,小径d 1=30mm,内螺纹大径D 4=37，内螺纹小径D3=29mm 。

3.2 螺杆强度校核
千斤顶螺杆危险截面受轴向力F 和扭转力矩T 1的作用，这里的扭转力矩是螺纹副的摩擦转矩T 1。

根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度条件为
[]σσ=≤ 对于梯形螺纹该式可化为
1d ≥
式中 1d ——螺杆螺纹的小径(mm)；
[]σ——螺杆材料的许用应力(MPa);
F —— 螺杆所受的轴向载荷(N)； T 1——螺杆所受转矩(N ·mm),
ψ为螺纹升角
216
arctan
arctan 3.312334.5
np d ψππ⨯===⨯ 查找参考文献[1]表8.13得，钢对青铜的当量摩擦因数'0.08~0.10f =，取'f =0.09，螺纹副当量摩擦角''arctan arctan 0.09 5.1427f ρ=== 把已知的值带入1T 的计算公式中，则得2
1tan(')
50000tan(3.3123 5.1427)29/2107769.92
d T F N mm ψρ=+=⨯+⨯=∙
85.14e MPa σ=== 由参考文献可以查得螺杆的材料的许用应力[]3~5
s
σσ=
，355s MPa σ=，
[]71~118MPa σ=，取[]95MPa σ=
3.3 螺纹牙强度校核
因为螺母材料强度低于螺杆 ，所以螺纹牙的剪切和弯曲破坏大多发生在螺母上，故
可只校核螺母螺纹牙强度。

螺母螺纹牙根部剪切强度条件为：
4[]Q F z D b
ττπ=
≤
式中 F ——轴向载荷(N)；
D 4——螺母螺纹大径(mm);
Z ——螺纹旋合圈数，Z 取10；
b ——螺纹牙根部厚度(mm)，对于梯形螺纹b=0.65p 。

代入数据计算
50000
11.029[]10370.656
MPa ττπ=
=≤⨯⨯⨯⨯
即螺母满足剪切强度要求。

螺母螺纹牙根部的弯曲强度条件为：
][32
4b b b
D z Fl
σπσ≤= 式中 l ——弯曲力臂，423733
222
D d l mm --===； 其它参数同上。

代入数据计算 2
3500002
16.97[]1037(0.656)
b b MPa σσπ⨯⨯=
=≤⨯⨯⨯⨯ 许用弯曲应力[]40~60b MPa σ=, 取[]50b MPa σ=。

螺母螺纹牙满足弯曲强度要求。

3.4 螺纹副自锁条件校核
由螺纹副自锁条件：
'a r c t a n ','f =≤ρρϕ 式中 ϕ——螺纹螺旋升角（°），2
arctan
d np
πϕ= 'ρ——当量摩擦角(°);
n ——螺纹线数，n=1;
p ——螺纹导程(mm);
2d ——螺纹中径(mm);
'f ——当量摩擦系数,查参考文献[1]表8.13，得'f =0.08~0.10,取'f =0.09;
代入数据 13
arctan
3.31233
4.5
ψπ⨯==︒⨯
︒==14.509.0arctan 'ρ
因为ψρ≤，所以满足螺纹副自锁条件要求。

3.5 螺杆的稳定性校核
千斤顶的最大上升高度H=150mm.则螺杆的最大工作长度
1150h 2
H L l =+
++螺母退刀槽
式中 螺母H ——螺母高度(mm)，螺母H =10660⨯=mm;
1h 符号设计图；
退刀槽l ——螺杆与手柄座相接处尺寸，查手册GB/T 3-1997知，退刀槽l =18mm 。

手柄直径为d=30mm(后文给出具体算法),由尺寸经验公式h 1=(1.8~2)d=54~60mm
取h 1=56mm,则
L=150+30+56+18=254mm
则螺杆的柔度 3
4L
L
i
d μμλ=
=
式中 μ——长度系数，对本千斤顶，看作一端固定、一端自由，则可取μ=2； d 3——外螺纹小径，d 3=29 mm 。

i ——螺杆危险截面的惯性半径(mm),3
4
d i =
=,其中A 为危险截面的面积(mm 2)。

代入数据计算
42254
70.0790
29
λ⨯⨯==< 对于45#调制钢，此时螺杆稳定的临界载荷Fc 为：
232
340
10.000134c d F πλ=+ 式中 E ——螺杆材料的弹性模量，对于钢 E=2.07×105MPa ； I ——螺杆危险截面的轴惯性矩(mm 4
),4
364
d I π=；
代入数据计算
2
23402913708110.0001370.074
c F N π⨯==+⨯
那么，由压杆稳定条件
137081
2.74 2.550000
c F F ==≥ 故螺杆满足稳定性要求。

四、 螺母外径及凸缘设计
根据经验公式，螺母外径2 1.5 1.53654D d mm ≈=⨯=; 螺母凸缘外径321.4 1.45475.6D D mm ≈=⨯=;
螺母凸缘厚(0.2~0.3)H (0.2~0.3)6012~18mm b ==⨯=，取b=15mm 。

五、 手柄设计
加在手柄上的力需要克服螺纹副之间的摩擦阻力矩T 1和托杯支撑面间的摩擦力矩T 2。

设加在手柄上的力F 1=250N ，手柄长度为L 1，则有F 1 L 1 = T 1 + T 2。

对于T 1和T 2，有
2
123
132)
2()]4~2([)2()]4~2([3+--+--⋅=D D D D fF T 公式中的符号见参考书[1]图3.2和图3.3。

根据经验公式，(1.6~1.8)(1.6~1.8)3657.6~64.8D d ==⨯=mm,取D=60mm; 1(0.6~0.8)(0.6~0.8)3621.6~28.8D d ==⨯=mm ，取D 1=25mm 。

托杯材料选择铸铁，手柄选择Q215，摩擦因数f=0.12,则
2123132)2()]4~2([)2()]4~2([3+--+--⋅=D D D D fF T ≈33
22
0.12*50000572713135735727N mm -⨯=⋅- 那么手柄长度1211131357107769.9
797300
T T L mm F ++=
==，考虑人的手掌宽度和套筒半径，取1L =350mm,加套筒后总长为850mm 。

设手柄所受最大弯曲应力为σ，查参考文献[2]表10.1,205s MPa σ=，查参考文献[3],得[]2
~5.1s
b σσ=
，则[]b σ=102.5~136.7MPa,取[]b σ=110MPa 。

则手柄直径d 1应满足 []b z d T T W T T σπσ≤+=+=
3
1
2121)
(32，转化为：
128.08d mm ≥
=
=
取手柄直径d 1=30mm 。

六、 底座设计
螺杆下落至底面，再留20~30mm 的空间，底座铸造起模斜度1:10，壁厚mm 10=δ。

由经验公式，S=(1.5~2)δ=12~16mm,取S=16mm 。

各符号见参考书[1]图3.1和图3.2。

D 5由结构设计确定，D 5=130mm 。

D 4=1.4D 5=1.4*130=182mm ，取D 4 =182mm 结构确定后校核下底面的挤压应力：
2222
4550000
3.924()
(168120)4
4
Q
p F MPa D D σπ
π
=
=
=--
底面材料选择铸铁HT100，查表得铸铁件壁厚为10~20mm 时，M P a b 100≥σ，
MPa b p )50~40(100*)5.0~4.0()5.0~4.0(][===σσ。

显然，][p p σσ<，底
七、
其余各部分尺寸及参数（符号见参考书[1]图3.1）
(2.0~2.5)(2.0~2.5)*3672~90T D d mm ===，取T D =80mm ；
(1.6~1.8)(1.6~1.8)*3657.6~64.8D d mm ===，取D=60mm ；
1(0.6~0.8)(0.6~0.8)*3621.6~28.8D d mm ===，取1D =25mm; 2 1.5 1.5*3654D d mm ===，取2D =54mm; 321.4 1.4*5476.5D D mm ===，取3D =76.5mm;
110mm δδ==
(0.8~1)(0.8~1)6048~60h D mm ==⨯=，取h =55mm ； 11(1.8~2)(1.8~2)3054~60h d mm ==⨯=，取1h =55mm ； 21(0.6~0.8)(0.6~0.8)2515~20h D mm ==⨯=，取2h =18mm ； mm D d 2.7~624*)3.0~25.0()3.0~25.0(13===，取3d =6mm ；
mm a 8~6≈，取a =8mm ； mm t 8~6≈，取t =8mm 。

固定托盘用的挡圈内径8mm ，外径38mm ，厚5mm ；螺钉GB/T5783-2000A M816⨯。

螺杆底部挡圈内径8mm ，外径38mm ，厚5mm ；螺钉 16×M82000A -G B/T5783。

紧定螺钉 GB/T71-1985 M8×20。

其余铸造圆角，取R=4mm 。

底座高度为240mm
螺旋起重器（千斤顶）装配图见A2图纸。

八、参考资料
[1]张丰，宋宝玉. 机械设计大作业指导书.北京：高等教育出版社，2009.10 [2]宋宝玉.机械设计课程设计指导书.北京：高等教育出版社，2006
[3]王黎钦，陈铁鸣.机械设计.5版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.1 [4]于慧力，张春宜.机械设计课程设计.北京：科学出版社，2007 [5]刘莹，吴宗泽.机械设计教程.2版.北京：机械工业出版社，2007.9
[6]金铃，刘玉光，李立群.画法几何及机械制图.哈尔滨：黑龙江人民出版社，2003.7。