机械设计千斤顶设计说明书

长春工业大学课程设计说明书课程设计名称《计算机辅助设计与制造》课程设计专业机械制造及自动化班级学生姓名指导教师范依航2014年11月25日目录一、设计任务................................................................................................... 错误!未定义书签。

二、设计分析 (3)1.螺杆 (3)螺杆材料级牙型选择 (3)耐磨性计算 (3)验算螺纹的自锁条件 (4)螺杆强度校核 (5)稳定性校核 (5)螺杆其他结构设计 (6)2.螺母 (7)确定螺母高度H及螺纹工作圈数u (7)校核螺纹牙强度 (7)螺母的其他设计要求 (8)3.托杯 (8)4.手柄 (9)手柄材料 (9)手柄长度L p (9)手柄直径d p (10)结构 (10)5.底座 (11)三、三维设计 (12)1.零件三维造型 (12)2.装配三维造型 (14)3.装配体的二维工程图 (15)加工CAM模块 (16)代码 (24)四、设计总结 (27)五、参考文献 (27)计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）课程设计是在学习三维造型软件的基础上，理解并掌握当代CAD/CAM技术的基本理论和基本方法。

通过一个较简单的产品设计，综合运用实体建模、曲面建模、混合建模知识，并结合前期机械制造专业课程知识，进行造型设计，了解利用CAM 技术生成刀位代码的基本过程和方法。

目的是提高综合运用三维造型软件的实际操作能力和机械制造知识的运用能力，锻炼分析解决实际工程问题的能力，为后续其他教学环节和从业所需专业技术打下良好基础。

设计内容与步骤如下：1.分析图纸，拆解零件；2.分析零件形状，确定基体特征和造型策略；3.造型；4.不同零件之间进行装配，检查干涉情况，检查物性；5.选择一简单零部件，进入三维软件CAM模块，设置毛坯，选择合理的刀具、刀路轨迹和切削用量，并进行模拟加工，输出NC代码；6.保存相应各阶段的结果，并撰写设计说明书。

设计文件提交要求1.产品的结构三维模型图；2.二维工程图；数控代码；4.设计说明书；5.上述内容的电子文档。

设计简单千斤顶（参见教材书图5—41）的螺杆和螺母级其他结构的主要尺寸。

起重量为45000N，起重高度为250mm。

千斤顶：梯形螺纹螺旋传动。

螺杆：45# 钢，采用带有外螺纹的杆件。

螺母：青铜ZcuSn10P1，带有内螺纹的构件。

底座：灰铸铁HT200 带1：10斜度。

手柄：Ｑ235，[σb]=125 MPa。

手动螺旋千斤顶主要零件有：1）螺母、2）螺杆、3）底座、4）手柄、5）托杯、等零件及其附件组成。

其中螺杆、螺母等主要尺寸要通过理论计算确定，其他尺寸可以由经验数据、结构需要和工艺要求来确定，必要时还需要经过相关验算。

千斤顶最大起重量是其最主要的性能指标之一。

千斤顶在工作过程中，传动螺纹副承受主要的工作载荷，螺纹副工作寿命决定千斤顶使用寿命，故传动螺纹副的设计最为关键，其设计与最大起重量、螺纹副材料、螺纹牙型以及螺纹头数等都有关系。

1.螺杆螺杆材料级牙型选择选用45＃钢，螺杆螺纹类型选择梯形螺纹。

梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙形角α=300，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动；它的基本牙形按—86的规定。

耐磨性计算滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。

其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。

因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p，使其小于材料的许用压力[p]。

假设作用于螺杆的轴向力为Ｆ（N），螺纹的承压面积（指螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A（2mm），螺纹中径为小（mm），螺纹工作高度为H（mm），螺纹螺距为P （mm），螺母高度为D（mm），螺纹工件圈数为u＝H/P 。

则螺纹工作面上的耐磨性条件为：[]22F F Fp pA d hu d hHππ===≤令2/H dφ=，则2H dφ=代入上式得：d 2≥[]p h Fpπφ对于梯形螺纹，0.5h P =，则：d 2≥[]p Fpφ式中，[]p 为材料得需用压力，单位为MPa ，取[]p ＝20MPa ，2φ=。

代入计算得：d 2≥8.2661020245000=⨯⨯根据梯形螺纹国家标准（ＧＢ5796－86），以及螺杆稳定性的初步估算，选取以下参数的梯形螺纹：公称直径d=28螺距Ｐ＝6；螺纹小径；229d =；由此：螺母高度查阅有关技术手册知螺杆退刀槽直径127d '=； 退刀槽宽度b=螺纹工作圈数589.67106H u P ===<，满足设计要求。

验算螺纹的自锁条件在考虑众多因素后，实际应满足的自锁条件为： 1-'≤ρψ由)(/np tan d 2πψ= n=1，p=，d 2=275.35.3022h2d 1+⨯=+⨯=得tan ψ=当量摩擦角ρ'=arctan μ，在有润滑油情况下μ=，得1-'ρ= 验证结束，左边小于右边，达到自锁条件。

螺杆强度校核螺杆工作时承受轴向压力Ｆ和扭矩T 的作用。

螺杆危险截面上既有压缩应力；又有切应力。

根据第四强度理论求出危险截面的计算应力ca σ，其强度条件为：[]2213ca T T F A W σσ⎛⎫=+≤ ⎪⎝⎭其中螺杆所受的扭矩2tan()2v d T Fψϕ=+， 式中：A — 螺杆螺纹段的危险截面面积；214A d π'=（因为11d d '<，故退刀槽处为危险面）；1d '— 退刀槽直径，mmT W —螺杆螺纹段的抗扭截面系数，311T W 164d d A π''==，3mm []σ－螺杆材料的许用应力，MPa强度校核：222282626143497.52164.51033.142710271092.5caT T F A W MPaσ--⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⨯=⨯+⨯⨯⨯⨯=[]353117.6733sMPa σσ=== []ca σσ<，因此满足强度要求。

稳定性校核对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力Ｆ大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲图2：螺杆结构示意图而丧失其稳定性。

因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力Ｆ必须小于临界载荷cr F ，则螺杆的稳定性条件为 ：crsc s F S S F=≥ 式中：sc S ——螺杆稳定性的计算安全系数；s S －螺杆稳定性安全系数，对于传力螺旋（如起重螺杆等），s S =～ cr F ——螺杆的临界载荷；计算螺杆柔度：s li μλ=，此处，μ为螺杆的长度系数，对本千斤顶，看做一端固定、一端自有，设计时取μ＝2 l 为螺杆的工作长度，当螺杆一端以螺母支承时，则以螺母中部到另一端支点的距离，作为工作长度l ；i 为螺杆危险截面的惯性半径，14d i '=； 所以3s 2(25029)1082.74027/4li μλ-⨯+⨯===>， 故应用欧拉公式计算临界载荷cr F ：22()cr EIF l πμ＝式中：E ——螺杆材料的拉压弹性模量，5E=2.0610MPa ⨯； I ——螺杆危险截面的惯性矩，4164d I π'=代入数据计算得：23544223.14 2.06102717.0010()644279cr EI F l πμ⨯⨯⨯==⨯⨯⨯＝ 所以：17.003.84.5cr sc F S F ===，满足稳定性要求。

螺杆其他结构设计螺杆上端用于支承托杯10并在其中插装手柄7，因此需要加大直径。

手柄孔径k d 的大小根图3：螺母螺纹圈的受力分析据手柄直径dp 决定，d k ≥dp 十。

为了便于切制螺纹，螺纹上端设有退刀槽。

为了便于螺杆旋入螺母，螺杆下端应有倒角或制成稍小于d 1的圆柱体。

为了防止工作时螺杆从螺母中脱出，在螺杆下端必须安置钢制挡圈，挡圈用螺钉固定在螺杆端部。

图2中各参数的具体设计数值为：1358D =；h=48;2. 螺母螺母材料一般可选用青铜，耐磨性较好。

确定螺母高度H 及螺纹工作圈数u螺母高度H=φd 2（H 应圆整为整数）螺纹工作圈数tHu =，考虑到螺纹圈数u 越多，载荷分布越不均，故u 不宜大于10，否则应改选螺母材料或加大d 。

校核螺纹牙强度螺母的材料强度低于螺杆，故只校核螺母螺纹牙的强度。

如图3所示，如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径D 处展开，则可看作宽度为πD 的悬臂梁。

假设螺母每圈螺纹所承受的平均压力为/F u ，并作用在以螺纹中径2D 为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面a －a 的剪切强度条件为[]FDbuττπ=≤螺纹牙危险截面a －a 的弯曲强度条件为[]26b FlDb uσσπ=≤式中：b ——螺纹牙根部的厚度， mm ，对于梯形螺纹，b ＝, P 为螺纹螺距；图4：螺母结构l ——弯曲力臂；mm 参看图3 , 2=(D-D )/2l ；[]τ——螺母材料的许用切应力，MPa ，[]b σ——螺母材料的许用弯曲应力，MPa ，其余符号意义同前。

代入数据计算得：[]44.51011.523.14330.6569.67F Dbu ττπ⨯===<⨯⨯⨯⨯ []42266 4.510(3329)/235.433.1433(0.656)9.67b Fl Db u σσπ⨯⨯-===<⨯⨯⨯⨯ 满足设计要求:螺母的其它尺寸根据图中经验设计尺寸确定，具体尺寸数据如下：Ｈ＝58；a=20；354D =；472D =；螺母的其他设计要求螺母压入底座上的孔内，圆柱接触面间的配合常采用78r H 配合。

为了安装简便，需在螺母下端（图4）和底座孔上端（图6）做出倒角。

为了更可靠地防止螺母转动，底座与螺母用紧钉螺钉固定，根据举重量选取紧定螺钉直径常为Ｍ10。

3.托杯托杯用来承托重物，选用用Q235钢模锻制成，为了使其与重物接触良好和防止与重物之间出现相对滑动，在托杯上表面制有切口的沟纹。

为了防止托杯从螺杆端部脱落，在螺杆上端应装有挡板。

其经验设计结构尺寸见图5，具体设计计算尺寸如下：1078D =；1254D =;1122D =;10δ=;当螺杆转动时，托杯和重物都不作相对转动。

因此在起重时，托杯底部与螺杆和接触面间有相对滑动，为了避免过快磨损，一方面需要润滑，另一方面还需要验算接触面间的压力强度。

331211202212113342213154220.05 4.5103542245.28c D D T f F D D MPa-=--=⨯⨯⨯-=221211()/4Fp D D π=-≤[p] 式中：[p]——许用压强，应取托杯与螺杆材料[p]的小者。