螺旋起重器的设计

哈尔滨工业大学机械设计作业设计说明书题目:螺旋起重器院系：能源科学与工程学院班号：学号：姓名：哈尔滨工业大学机械设计任务书1.题目：设计螺旋起重器螺旋起重器是一种简单的起重装置，用手推动手柄即可起升重物。

它一般由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄或板手等零件组成。

2.已知条件：表3.1 螺旋起重器的示意图及已知数据3.设计要求：（1）绘制装配图一张，画出起重器的全比结构，按照比例装配图要求标注尺寸、序号及填写明细栏、标题栏、编写技术要求。

（2）撰写设计说明书一份，主要包括起重器各部分尺寸的计算，对螺杆和螺母螺纹牙强度、螺纹副自锁性、螺杆的稳定性的校核等。

目录一、设计题目---------------------------------------------------------------3二、螺母、螺杆选材---------------------------------------------------------3三、螺杆、螺母设计计算3.1 耐磨性计算------------------------------------------------------------------------------------------------3 3.2 螺杆强度校核---------------------------------------------------------------------------------------------4 3.3 螺纹牙强度校核-----------------------------------------------------------------------------------------4 3.4 螺纹副自锁条件校核-----------------------------------------------------------------------------------53.5 螺杆稳定性校核-----------------------------------------------------------------------------------------5四、螺母外径及凸缘设计-----------------------------------------------------6五、手柄设计---------------------------------------------------------------6六、底座设计---------------------------------------------------------------7七、托杯及其他参数-------------------------------------------------------8八、设计示意图------------------------------------------------------- -- - 9九、参考资料--------------------------------------------------------------10一、 设计题目设计起重重量FQ=40 000N ， 最大起重高度H=200mm 的螺旋起重器。

二、 选择螺杆、螺母的材料由于螺杆承受载荷较大，而且是小截面，故可选用45钢调质处理。

查参考文献[2]表10.2得抗拉强度600b Mpa σ=，[]355s Mpa σ=。

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，且适合低速重载情况的铸铝青铜1103ZCuA Fe （考虑速度低）。

三、 螺杆、螺母设计计算3.1耐磨性计算螺杆选用45钢，螺母选用铸造铝青铜1103ZCuA Fe ，由参考文献[1]查表5.8得螺母材料的MPa p 25~18][=,从表5.8的注释中可以查得，人力驱动时[p]的值可加大20%，则[p]=21.6~30Mpa,取[p]=25Mpa 。

按耐磨性条件设计螺纹中径d 2，选用梯形螺纹，则2d ≥[1]查得，对于整体式螺母系数1.2~2.5ψ=，取2ψ=。

则222.6d mm ≥== 式中 F ——轴向载荷，N ；2d ——螺纹中径，mm;[p]——材料的许用压强，MPa;H d ψ=H ——螺母旋合高度，mm; d ——公称直径：查参考文献[3]表11.5取公称直径d =32mm ，螺距P =3mm ,中径 d 2=30.5mm , 小径d 3(d 1)=28.5mm ,内螺纹大径D 4=32.5mm 。

3.2螺杆强度校核千斤顶螺杆受轴向力F 和扭转力矩1T 的作用，这里的扭转力矩是螺纹副的摩擦转矩1T 。

根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度条件为[]e σσ=≤ 式中：Q F ——螺杆所受的轴向载荷，N ；3d ——螺杆螺纹的小径，mm ；1T ——螺杆所受转矩，N ·mm ；2)'tan(21d F T Q ρψ+=，ψ为螺纹升角，ψ=arctan np πd 2=arctan 1×3π×30.5=1.7933°[]σ——螺杆材料的许用应力，MPa;查找参考文献[1]表 5.10得对青铜的当量摩擦因数'0.08~0.10f =，取'0.09f =，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T1=40 000×30.52tan (1.7933°+5.1427°)=74207N ∙mm σe =√(4×40 000π×28.52)2+3×(16×74207π×28.53)2=68.78MPa由参考文献[1]表5.9可以查得螺杆的材料许用应力[]3~5sσσ=，355s Mpa σ=，[]71~118Mpa σ=，取[σ]=95MPa . 显然，σe <[σ]，螺杆满足强度条件。

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：][4τπτ≤=bD Z F Q式中: Q 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=0.65×3mm=1.95mm 。

代入数据计算τ=40 00010×π×32.5×1.95=20.1MPa查参考文献[1]表5.9螺母材料的许用剪应力[]30~40MPa τ=，显然[]ττ<。

螺母螺纹牙根部的弯曲强度条件为：][324b Q b b D Z l F σπσ≤=式中：l ——弯曲力臂，423329122D d l mm --===； 其它参数同上。

代入数据计算2340000215.2201032.5 1.95b MPa σπ⨯⨯==⨯⨯ 查参考文献[1]表 5.9得螺母材料许用弯曲应力40~60b Mpa σ=。

显然，[]b b σσ<，即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 1.7933,'arctan ' 5.1427,f ρψ===因此所以满足螺纹副自锁条件要求。

式中：ψ——螺纹螺旋升角（°），2arctannpd πψ= '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,查机械设计表5.10，得'f =0.08~0.10,取'f =0.09;3.5螺杆的稳定性校核螺杆的柔度值14llid μμλ==式中：l ——螺杆的最大工作长度，取螺母中部到另一端支点间的距离，则1200h 2H l l =+++螺母退刀槽 其中：螺母H ——螺母高度(mm)，30H ZP mm ==螺母；1h 符号参见参考文献[1]图3.1；退刀槽l ——螺杆与手柄座相接处额尺寸，查手册知，退刀槽l =9mm 。

假设手柄直径为d 1=20mm,由尺寸经验公式()11h 1.8~2d 36~40mm ==，取h 1=38mm,则L=(200+15+38+9)=262mmμ——长度系数，对本千斤顶，看做一端固定、一端自有，则可取μ=2；d 1——螺纹小径，d 1=25mm 。

代入数据计算则螺杆的柔度4226273.549028.5λ⨯⨯==<对于45#调制钢，当90λ<时，螺杆稳定的临界载荷Fc 为：41234013557210.000134c d F N πλ==+ 那么，由压杆稳定条件因此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2D 1.5d 1.53248mm ≈=⨯=；螺母凸缘外径D 3≈1.4D 2=1.4×48=67.2mm ;故D 3=67mm ； 螺母凸缘厚()()b 0.2~0.3H 0.2~0.36012~18mm ==⨯=，取b 16mm =。

五、 手柄设计135572 4.52 2.540000c F F ==>加在手柄上的力需要克服螺纹副之间的摩擦阻力矩1T 和托杯支撑面间的摩擦力矩2T 。

设加在手柄上的力F=200N ，手柄长度为L ，则有12F L T T =+。

对于12T T 和，有174207T N mm =⋅2123132)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)3251.2~57.6D d ==⨯=mm,取D=55mm;1(0.6~0.8)(0.6~0.8)3219.2~25.6D d ==⨯=mm ，取1D 22mm =。

托杯材料选择铸铁，手柄选择Q215，摩擦因数f=0.12,则3312221[(2~4)](2)953263[(2~4)](2)D D fF T N mm D D --+=⋅≈⋅--+那么手柄长度12117420795326848200T T L mm F ++===，取1L =300mm,加套筒长600mm 。

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=，。

则手柄直径d 1应满足d ≥手柄[3],得[]2~5.1s b σσ=，则[]102.5~136.7MPa b σ=,取[]b σ=110MPa 。