清华大学机械设计课程大作业螺旋起重器设计计算书(精)

螺旋起重器设计

已知：螺旋起重器的最大载荷30F kN =，最大上升距离180h mm =，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。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

0α=︒。对整体式螺母，磨损后不能够调整，故高径比 2.5φ=。

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[]20p MPa =（螺杆-螺母的材料钢-青铜，滑动速度低速），摩擦系数0.10f =（工作总近似起动过程）。

Step3：耐磨性设计

由耐磨性设计准则2d ≥

，初始假设0.5h P =，则

219.5d mm ≥

=

螺纹参数取中径221d mm =，大径24d mm =，小径118d mm =。

Step4：自锁性校核

取螺距6P mm =。螺纹升角1

126tan tan 5.2021

P d γππ--===︒⨯，当量摩擦角11tan tan 0.10 5.71v f ψ--===︒，v γψ<，满足自锁性要求。

Step5：计算螺母高度

螺母高度2 2.52152.5H d mm φ==⨯=，圆整为整数53H mm =。则螺杆总长

180********l H mm =+=+=。

Step6：计算旋合圈数

旋合圈数53

8.83106

H Z P =

==<，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500

[]1673

3

s

MPa σσ==

=。螺杆所受的转矩()()221

tan 30000tan 5.20 5.716071622

v d T F N mm γψ=+=⨯⨯︒+︒=⋅，计算应力校核

148[]ca MPa σσ===<。

螺母螺纹牙，由表2-40，许用弯曲应力[]50

b MPa σ=，许用挤压应力[]75p MPa σ=，许用剪应力[]30MPa τ=。螺纹牙根部厚度0.53b P mm ==，螺纹

高度0.53h P mm ==，校核其强度

223330000345[]8.83243b b Fh MPa Z db σσππ⨯⨯===<⨯⨯⨯

3000015[]8.83243

F MPa Z db ττππ===<⨯⨯⨯。

螺纹形状如图：

Step8：稳定性校核

螺杆的最大工作长度53

180180206.522

H l mm =+=+=。

考虑到螺杆使用最大工作长度时，其上端与载荷接触，下端与底座相连，均认为是固定连接，故取长

度系数0.5μ=，柔度

1440.5206.5

236018

l d μλ⨯⨯=

==< 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%，

42.1D mm ≥

=

==

圆整为

44mm 。

凸缘：凸缘直径 1.3 1.342.155.9

f D D mm ==⨯=，圆整为56mm ；凸缘高度53

17.633f H H mm =

==，圆整为18mm 。凸缘强度校核（许用值见螺母螺纹牙的强度校核部分） ()()

2222

4430000

32[]5644p p f F MPa D D σσππ⨯=

==<-⨯- ()()224

300005644412[]6

44186

f b b f F D D MPa DH σσππ-⨯-=

==<⨯⨯

30000

12[]4418

f F MPa DH ττππ=

==<⨯⨯

螺钉孔中心线距螺母底面的距离5317.633

b H H mm ===。

螺杆上部外形如图：

轴颈直径117.8

r D m m =，高19r H m m =，手柄套高236r H mm =，直径244r D mm =。凸台高度312r H mm =，凸台直径322r D mm =。

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140c D mm =，孔直径216c D mm =，上端面外径360c D mm =，壁厚8c mm δ=，高度42c H mm =，圆形开口直径414c D mm =，坡面斜率1:10。托杯下端面按抗压强度校核

()()

2222

134430000

28[] 1.5[]3504016p p b c c F MPa MPa D D σσσππ⨯=

==<==-⨯-。 Step11：底座尺寸设计

底座材料选择

HT250

。外形如图：