机械设计课程大作业(螺旋千斤顶说明书)

机械设计课程作业设计说明书
题目：螺旋传动设计
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目录
1、设计题目 (2)
2、螺纹、螺杆、螺母设计 (2)
3、耐磨性计算 (2)
4、自锁性校核 (3)
5、螺杆强度校核 (3)
6、螺母螺纹牙强度校核 (3)
7、螺杆的稳定性校核 (4)
8、螺母外径及凸缘设计 (5)
9、手柄设计 (5)
10、底座设计 (6)
11、其余各部分尺寸及参数（符号见参考书） (6)
12、螺旋千斤顶的效率 (6)
13、参考资料 (7)
1、设计题目
螺旋千斤顶
已知条件：起重量Q=37.5KN ，最大起重高度H=200mm ，手柄操作力P=200N 。

2、螺纹、螺杆、螺母设计
本千斤顶设计采用单头左旋梯形螺纹传动，单头螺纹相比多头螺纹具有较好的自锁性能，且便于加工，左旋符合操作习惯。

由于螺杆承受载荷较大，而且是小截面，故选用45号钢，调质处理。

查参考文献得σs=355MPa, σb =600MPa ，S=4，
［P ］=20MPa 。

剖分式螺母不适用于此，所以选用整体式螺母。

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。

查参考文献得［τ］=35MPa ，b δ［］=50MPa 。

托杯和底座均采用HT250材料。

3、耐磨性计算
查参考文献得[p]=18~25MPa ，取[p]=20MPa 。

按耐磨性条件选择螺纹中径，
选用梯形螺纹。

由参考文献查得5.2~2.1=ψ，取 ψ=2.0。

由耐磨性条件公式：
[]
20.8p Q
d ≥ψ 式中 2d ——螺杆中径，mm; Q ——螺旋的轴向力，37.5KN ；
ψ——引入系数，ψ=2.0 ;
[p]——材料的许用压力，20MPa;
代入数值后有224.5d mm ≥。

查参考文献，优先选用第一系列，取公称直径
d=28mm ，螺距P =8mm ，中径d2=25.5mm ，小径d1=22.5mm ，内螺纹大径D4=28.5mm 。

螺母高度H '
=ψd 2=51mm ，螺母的螺纹工作圈数u='
H P
=6.4≤10.
螺纹牙的工作高度h=0.5P=4mm
4、自锁性校核 4.73cos v f
arctg
λψβ
≤== 为保证自锁，取λ=2.5
其中，由相关手册查得 0.08,15f β==
5、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 的作用，根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度条件为：
][)16(3)4(3
112
21σππσ≤+=d T d F
式中 1d —— 螺杆螺纹的小径22.5mm ； []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，对起重螺旋取T=T 1 将f =0.09代入数据计算得到：
由2
1()2v d T Q tg λψ=⋅
⋅+得1T =122561N·
mm ，代入公式231
1221)16(3)4(d T d F ππσ+=得σ=87.7MPa ，显然符合条件。

6、螺母螺纹牙强度校核
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。

查参考文献得螺母材料的许用切应力
MPa 40~30][=τ,取][τ=35MPa ；许用弯曲应力[σb ]=40~60MPa, 取[σb ]=50MPa 。

螺母螺纹牙根部剪切强度条件为：
[]Q
Dbu
ττπ=
≤ 式中 Q ——轴向载荷(N)；
D ——螺母内螺纹大径(mm); u ——螺纹旋合圈数，u 取6.4；
b ——螺纹牙根部厚度(mm)，对于梯形螺纹b=0.65p 。

代入数据计算： []11.5MPa ττ=≤
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：
[]26b b Ql
Db u
σσπ=≤
式中 l ——弯曲力臂， 其它参数同上。

代入数据计算：
[]30.7b b MPa σσ=≤ 即螺母螺纹牙满足弯曲强度要求。

7、螺杆的稳定性校核
千斤顶的最大上升高度H=200mm ，则螺杆的最大工作长度
'
12002H L h l =+++
式中 'H —螺母高度(mm)，'H =51mm;
1h =56~60mm ，取1h =56mm ；
l —螺杆与手柄座相接处尺寸，查手册知，退刀槽l =7.5mm 。

假设手柄直径为d 1=30mm ,由尺寸经验公式h 1=(1.8~2)d 1=54~60mm 取
h 1=56mm ,则：
L=243.5mm
则螺杆的柔度： 1
4d L
i
L
μμλ=
=
式中μ——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=22.5mm 。

i ——螺杆危险截面的惯性半径(mm),4
1
d A I i =
=,其中A 为危险截面的面积(mm 2)。

代入数据计算：
对于45#钢，此时螺杆稳定的临界载荷Fc 为：
212340
10.000134c d F πλ=+
代入数据计算：
由压杆稳定条件c
sc s Q S S Q
=≥知螺杆满足稳定性要求。

8、螺母外径及凸缘设计
根据经验公式，螺母外径3D ≈1.7d=1.7×28=49mm; 螺母凸缘外径4D ≈1.43D =1.4×49=68.6mm ，取4D =69mm ； 螺母凸缘厚a =(0.2~0.3)'H =(0.2~0.3)×51=10~15mm ，取b=13mm 。

9、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=200N ，手柄长度为L ，则有F 1 L = T 1 + T 2。

对于T 1和T 2，有
2133
tan(')50000*tan(3.31 5.14)*12256122d T F ψρ=+=+=N ·mm ，
为环形端面，所以
2
123
132)
2()]4~2([)2()]4~2([3+--+--⋅=D D D D fF T 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Q235，摩擦因数f=0.08,则
2
123
132)
2()]4~2([)2()]4~2([3+--+--⋅=D D D D fF T
代入数据得：2T =98.6KN ，L=920mm
那么手柄长度取L =300mm,加套筒长620mm 。

手柄直径可按下式计算：
p d ≥
[]b σ—手柄材料的许用弯曲应力，
可取[]b σ=120MPa 。

得17.2p d mm ≥。

取手柄直径18p d mm =。

10、底座设计
螺杆下落至底面，再留10mm 左右的空间，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=15~20mm,取S=20mm 。

D 5由结构设计确定，D 5=120mm ；D 4=1.4D 5=1.4*120=168mm 。

结构确定后校核下底面的挤压应力：
底面材料选择铸铁HT250，查表得铸铁件壁厚为10~20mm 时，
MPa b 100≥σ，MPa b p )50~40(100*)5.0~4.0()5.0~4.0(][===σσ。

显然，][p p σσ<，底面强度满足设计要求。

11、其余各部分尺寸及参数（符号见参考书）
1(14~28)200(14~28)214~228H H mm mm mm =+=+=，取1220H mm =
63(5~10)49(5~10)54~59D D mm mm mm =+=+=
取656D mm
=
8195D mm
=
=
固定托盘用的挡圈螺钉GB/T5783-2000A 。

螺杆底部挡圈螺钉 GB/T5783-2000A 。

紧定螺钉 GB/T71-1985。

其余铸造圆角，取R=4mm 。

螺旋千斤顶装配图见A3图纸。

12、螺旋千斤顶的效率
/2p QP PL ηπ=
式中：分子上P 为螺距，分母上P 为人手作用力。

将各数值带入得
3
3
3750081030.0%2200796.510ηπ--⨯⨯=
=⨯⨯⨯ 13、参考资料
1、《机械设计课程大作业指导书》-机械设计课程组-2011年8月；
2、王之栋-《机械设计综合课程设计》-机械工业出版社-2015.。