千斤顶设计计算说明书

哈尔滨工业大学机械设计作业设计计算说明书题目：设计螺旋起重器（千斤顶）系别：班号：姓名：日期：2014.10.12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：起重量：F Q=30KN最大起重高度：H=180mm目录1.选择螺杆、螺母的材料 (3)2.耐磨性计算 (3)3.螺杆强度校核 (4)4.螺母螺纹牙的强度校核 (4)5.自锁条件校核 (5)6.螺杆的稳定性校核 (5)7.螺母外径及凸缘设计 (6)8.手柄设计 (6)9.底座设计 (7)10.其他零件设计 (8)11.绘制螺旋起重器（千斤顶）装配图 (8)12.参考文献 (8)1.选择螺杆、螺母的材料考虑到螺杆承受重载，需要有足够的强度，因此选用45钢，需要调质处理。

由参考文献[3]表10.2查得45钢的抗拉强度σb =600MPa ，屈服强度σs =355MPa 。

螺母是在重载低速的工况下使用的，并且要求与螺杆材料配合时的摩擦系数小、耐磨，因此，螺母的材料选择铸造铝青铜ZCuAl10Fe3。

2.耐磨性计算螺杆选用45钢，螺母选用铸造铝青铜ZCuAl10Fe3，由参考文献[1]表5.8查得，钢对青铜的许用压强[p]=18~25MPa ，由表5.8注释查得，人力驱动时，[p]值可提高约20%，即[p]=21.6~30MPa ,取[p]=25MPa 。

由参考文献[1]表5.8查得，对于整体式螺母，系数ψ=1.2~2.5，取ψ=2.5。

按照耐磨性条件设计螺杆螺纹中径d 2，选用梯形螺纹，则螺纹的耐磨性条件为p s =hHd pF Q 2π≤[p]计算螺纹中径d 2时，引入系数ψ=2d H以消去H ，得 d 2≥][8.0p h pF Q πψ对于梯形螺纹，h=0.5p ，则 d 2≥][8.0p F Qψ=252300008.0⨯=19.6mm 以上三式中，F Q —螺旋的轴向载荷，N ； p —螺距，mm ； d 2—螺纹中径，mm ；h —螺纹工作高度，mm ； H —螺母旋合高度，mm ；p s —螺纹工作面上的压强，MPa ； [p]—许用压强，MPa 。

根据螺纹中径d 2的取值范围，由文献[3]表11.5查得，取螺杆的公称直径d=32mm ，螺距p=6mm ，中径d 2=29mm ，小径d 1=25mm ，内螺纹大径D 4=33mm 。

说明：此处如果选择螺杆的公称直径d=24mm ，螺距p=3mm ，中径d 2=22.5mm ，小径d 1=20.5mm ，内螺纹大径D 4=24.5mm ，螺杆的强度校核不满足要求。

3.螺杆强度校核螺杆的断面承受轴向载荷F Q 和螺纹副摩擦转矩T 1。

根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度理论为σ=23112211634⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛d T d F Q ππ≤ [σ] 式中：F Q —轴向载荷，N ； d 1—螺纹小径，mm ；T 1—螺纹副摩擦力矩，N ·mm ，T 1=F Q tan(ψ+ρ’）22d ； [σ]—螺杆材料强度的许用应力，MPa ，[σ]=5~3sσ。

查参考文献[1]表5.10，钢对青铜的当量摩擦系数f ‘=0.08~0.10,取 f ‘=0.09，则螺纹副当量摩擦角ρ’=arctan f ‘=arctan0.09=5.1427°。

ψ为螺纹升角，ψ=arctan2d npπ=arctan 2961⨯⨯π=3.7679°。

把已知的数据带入T 1的计算公式中，则得T 1=30000229⨯tan(3.7679°+5.1427°)=68201N ·mm代入强度计算公式，则σ=2322256820116325300004⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯ππ=72.2MPa 由参考文献[1]表5.9可以查得螺杆材料的许用应力[σ]=5~3sσ， σs =355MPa ，[σ]=71~118MPa ,取[σ]=95MPa 。

显然，σ≤[σ]，螺杆满足强度条件。

4.螺母螺纹牙的强度校核 由系数ψ=2d H可求得螺母的旋合高度H=ψ×d 2=2×29=58mm 。

螺母螺纹牙根部的剪切强度条件为 τ=bZD F Q4π≤[τ]式中：F Q —轴向载荷，N ；D 4—螺母螺纹大径，mm ； Z —螺纹旋合圈数，Z =p H =658=9.7，取Z=10；b —螺纹牙根部厚度，对于梯形螺纹，b=0.65p=0.65×6=3.9mm 。

代入数值计算得τ=9.3331030000⨯⨯⨯π=7.4MPa查参考文献[1]表5.9得螺母材料的许用剪切应力[τ]=30~40MPa ，显然，τ≤[τ]。

螺纹牙根部的弯曲强度条件为σb =243bZD lF Q π≤[σb ]式中：l —弯曲力臂，l =224d D -=22933-=2mm ；F Q —轴向载荷，N ；D 4—螺母螺纹大径，mm ； Z —螺纹旋合圈数，Z =p H =658=9.7，取Z=10； b —螺纹牙根部厚度，对于梯形螺纹，b=0.65p=0.65×6=3.9mm 。

代入数值计算得σb =29.333102300003⨯⨯⨯⨯⨯π=11.4MPa查参考文献[1]表5.9得螺母材料的许用弯曲应力[σb ]=40~60MPa 。

显然，σb ≤[σb ]，由上述计算分析可知，螺母螺纹牙满足强度条件。

5.自锁条件校核 由ψ=3.7679°，ρ’=5.1427°，得 ψ≤ρ’ 因此，满足自锁性条件。

6.螺杆的稳定性校核 受压螺杆的稳定性条件为QcF F ≥2.5~4 式中：F c —螺杆稳定的临界载荷，N ； F Q —螺杆所受轴向载荷，N 。

螺杆的柔度值为λ=14d lμ 式中：l —螺杆的最大工作长度，mm 。

当螺杆升到最高位置时，取其顶端承受载荷的截面到螺母高度中点的距离作为最大工作高度，则l=180+2螺母H +h 手柄座+l 退刀槽查参考文献[3]表11.25得，l 退刀槽=7.5mm 。

手柄直径d 手柄=24mm (将在手柄设计中给出这一尺寸的计算），由结构尺寸经验公式得h 手柄座=（1.8~2）d 手柄=43.2~48mm 取h 手柄座=44mm 。

代入数值计算得l=180+29+44+7.5=260.5mmμ—长度系数，对于千斤顶，可看作一端固定，一端自由，故取μ=2。

代入以上数值计算得 λ=255.26024⨯⨯=83.36对于45钢调质（淬火+高温回火），当λ<85时，有F c =40002.01490212d πλ∙+=()436.830002.012549022⨯⨯+⨯⨯π=100648.8 N 于是有Qc F F = 30000100648.8=3.35≥2.5因此，螺杆满足稳定性条件。

7.螺母外径及凸缘设计螺母外径由结构尺寸经验公式得 D 2 ≈1.5d =1.5×32=48mm 螺母凸缘外径由结构尺寸经验公式得 D 3 ≈1.4D 2=1.4×48=67mm 螺母凸缘厚度由结构尺寸经验公式得 b=(0.2~0.3)H=(0.2~0.3)×58=11.6~17.4mm 取b=14mm 。

8.手柄设计加在手柄上的力需要克服螺纹副之间相对转动的阻力矩和托杯支撑面之间的摩擦力矩。

设F 为加在手柄上的力，取F=200N ，L 为手柄长度，则 FL=T 1+T 2式中：T 1—螺纹副之间相对转动的阻力矩，N ·mm ；T 2—托杯支撑面之间的阻力矩，N ·mm 。

由前述计算可得T 1=68201N ·mmT 2=31f F Q ()[]()()[]()21231324~224~2+--+--D D D D式中：D —手柄座直径，mm ，由结构尺寸经验公式得D=(1.6~1.8)d=(1.6~1.8)×32=51.2~57.6mm 取D=52mm ；D 1—螺柱与托杯连接处直径，mm ，由结构尺寸经验公式得 D 1=(0.6~0.8)d=(0.6~0.8)×32=19.2~25.6mm 取D 1=22mm 。

托杯选用铸铁，手柄选用Q215，摩擦因数f =0.12，则T 2=()()()()22332224522224523000012.031+--+--⨯⨯⨯=67200N ·mm 于是有 L =FT T 21+=2006720068201+≈677mm取L=200mm ，加套筒长500mm 。

手柄直径d 手柄≥[]31.0b FLσ查教材可知[σb ]=2~5.1sσ，查参考文献[3]可知，σs =205MPa,则[σb ]=102.5~136.7MPa ，取[σb ]=110MPa 。

代入数值计算得 d 手柄≥31101.0677200⨯⨯=23.1mm取手柄直径d 手柄=24mm 。

9.底座设计螺杆下落到最低点，再留10~30mm 空间，底座铸造拔模斜度1:10，厚度选择8mm 。

D 5由结构设计确定，则D 5=128mm 。

由结构尺寸经验公式得D 4=1.4D 5=1.4×128=179mm 结构确定后，校核底面的挤压应力σp =()25244D D F Q-π=()22128179430000-π=2.4MPa底面材料选用HT100，查参考文献[3]表10.3得，当铸件壁厚δ=2.5~10时，σb≥130MPa，[σp]=(0.4~0.5)σb=(0.4~0.5)×130=52~65MPa。

显然，σp≤[σp]，满足设计要求。

10.其他零件设计⑴螺杆顶部和底部的挡圈及螺钉尺寸设计螺杆底部必须有一个挡圈，并用螺钉加以固定，以防止螺杆全部从螺母中旋出。

托杯在相应的位置也要设置挡圈，以防止托杯与螺杆脱离。

挡圈的直径略大于螺杆外径，所以，顶部挡圈直径取为26mm，底部挡圈直径取为36mm。

根据结构尺寸经验公式得螺钉大径为d3=(0.25~0.3)D1=(0.25~0.4)×22=5.5~8.8mm取其直径为M8，根据GB/T 5783—2000确定其他尺寸。

⑵紧定螺钉尺寸设计对于螺母与底座分开的结构，为了防止螺母随螺母转动，必须用紧定螺钉加以固定，紧定螺钉的直径取为M6，根据GB/T71—1985确定其他尺寸。

⑶托杯尺寸设计托杯直径根据结构尺寸设计经验公式得D T=(2.0~2.5)d=(2.0~2.5)×32=64~80mm取D T=70mm。

托杯高度根据结构尺寸设计经验公式得h=(0.8~1)D=(0.8~1)×52=41.6~52mm取h=42mm。

托杯顶部开槽的槽深和槽宽根据经验公式得a=6~8mm t=6~8mm取a=8mm，t=8mm。