螺旋千斤顶设计指南(矩形螺纹)讲解

滑动螺旋传动的许用压强
螺纹副材料 滑动副速度 (m· min-1) 低速 钢对青铜 <3.0 6~12 >15 钢-耐磨铸铁 钢-灰铸铁 6~12 <2.4 6~12 许用压强/MPa 18~25 11~18 7~10 1~2 6~8 13~18 4~7
钢-钢
淬火钢-青铜

1.6螺杆强度计算 螺杆材料的许用应力值[σ]:71~118.333MPa
4F T 2 3 3 d1 0.2d1
T F d2 tan( ' ) 2
2 2






计算当量应力值σ=45.6MPa，小于许 用应力值，因此强度校核通过 σ=45.6MPa 通过 螺母圈数为Z’=6 螺母高度 H’＝42mm τ=13.54MPa σb=39.56MPa 合格

D4 =21mm，

D2 =46mm
选Q235
式中[P]=18Mpa， D2 D3=84 mm 得：
=21mm,
D4 45.09mm
，
取整为 D4 =46mm





5.1手柄材料 常用Q235和Q215。此处选择Q235钢。 5.2手柄长度Lp 板动手柄的力矩： K· Lp=T1+T2 则 Lp T1 T2 K 式中：K——加于手柄上臂力，间歇工作时，约为150～250N。 T1——螺旋副间的摩擦阻力矩， d2
标 注 最 小 尺 寸
A
A
特 点
优点：
构造简单、传动比大，承载能力高，加工方 便、工作可靠、易于自锁。 缺点：
工作速度不高、摩擦阻力大，传动效率低、 磨损大。
3


最大起重量F =25KN 最大起升高度H=160MM
1、设计一人力驱动的螺旋千斤顶，起重载荷 F=25KN, 最大高度160mm； 2、了解螺旋千斤顶的工作原理，掌握其设计 方法； 3、进行强度和耐磨性计算，并计算其效率和 自锁性； 4、完成本型号千斤顶总装图一张，零件图四 张；

3Fh b [ b ] 2 d1b z
计算得： 螺母的抗剪强度 τ=13.54 MPa < [τ] 螺母的抗弯强度 σb=39.56 MPa < [σb] 2.4螺母的其他尺寸 螺母其它尺寸见图，其中 H' a D (1.6 ~ 1.8)d D1 (1.3 ~ 1.4) D
H ' Z ' P 42 mm


2.3校核螺纹牙强度
一般螺母的材料强度低于螺杆，故只校核螺母螺纹牙的强度。材料许 用切应力[τ] 取 30~ 40 MPa 材料许用弯曲应力[σb] 取 40 ~ 60 MPa 螺纹牙底宽度 b=0.5P=3.5mm。 根据公式：



F [ ] d1bz


当螺杆转动时，托杯和重物都不转动。因此，在起重时，托杯底部与 螺杆的接触面间有相当滑动。为了避免过快磨损，一方面需要润滑， D2 另一方面要限制接触面间的压力，其许用压力可取为[P]=15~20MPa， 由此可确定托杯直径 为
D4
4F 2 D2 [ P]


托杯材料选择Q235钢。托杯和螺杆采用H11/a11 配合。 D3=84 mm


T1=67.73N· m T2=25.125N· m Lp=464.27mm Lw=575mm dp=20mm 5.4结构 手柄插入螺杆上端的孔中，为防 止手柄从孔中滑出，在手柄两端 面应加上挡环，并用螺钉或铆合 固定，其结构见图。 根据 GB/T 891 - 1986 选用螺 钉紧固轴端挡圈，根据 Dp=20mm，选取B型挡圈，公 称直径28mm，符合设计要求 GB/T 891-1986 B型挡圈 公称直径28mm
材料
许用切应力[τ]
青铜 螺 母 耐磨铸铁 铸铁 钢
30~40 40 40 0.6[σ]
注：静载荷许用应力取大值。





1.4自锁验算 理论上自锁条件为 ，式中：为螺纹中径处升角； 为当量摩擦角 （当量摩擦角 =arctanv，为保证自锁，螺纹中径处升角至少 要比当量摩擦角小1°。千斤顶在润滑条件下 查教材表，v取0.09 = arctan(z p / d2) =arctan0.1=5.71° 故，=4.05°< -1° 1.5结构

螺杆工作时，同时受压力和转矩的作用，因此它的计算可近似按紧螺栓连接的计算公 式求出螺纹内径，即 式中 为螺杆许用压应力等于屈服应力除以安全系数。屈服应力为355MPa，安全系数S取 5， 所以 [ ] =71 MPa。
d1
4 1.3F [ ]
[ ]


所以d1≥24.1mm. 取圆整=28mm.对于矩形螺纹，先 d 根据经验公式求得螺距P的近似值 P＝ 1 =7mm。然 4 后参照梯形螺纹标准确定P值为7。 螺纹牙高度 h=3.5mm。螺杆直径 d d1 P =35mm d2=d-p/2=31.5mm。 选矩形螺纹 配合H8/h8 选45钢 d=35mm p=7mm d1=28mm h=3.5mm d2=31.5mm
' '
螺杆上端用于支承托杯和在其中插装手柄，因此需加大直径，其结构 见图2。手柄孔径 根据手柄直径 确定， mm。为了便于切制螺纹， 螺杆上应有退刀槽，退刀槽的直径应比 小约0.2~0.5mm，退刀槽的 宽度取为1.5P。为了便于螺杆旋入螺母，螺杆端部应有倒角或制出稍 小于 的圆柱形凸台。为了防止工作时螺杆从螺母中脱出，在螺杆的 下端必须安置钢制挡圈，挡圈用螺钉固定在螺杆端部，尺寸见图。
4

Fcr 132.44kN >最大起重量F=25kN
即满足条件，螺杆不会发生失稳。

，螺杆不是大柔度杆，所以临界应力由经验公式得 出。

达到最高起升高度时螺杆稳定，不会发生失稳。
托杯用来承托重物，可用铸钢铸成（ZG35或ZG45），也可用碳钢 模锻制成（Q235），其结构尺寸见图4。其中 D2 (0.6 ~ 0.7)d ； D3 (2.4 ~ 2.5)d。为了使其与重物接触良好，防止重物滑动，在托杯上表 面制出切口和沟纹。为了防止托杯从螺杆端部脱落，在螺杆上端应装置 挡板。直径配合可取H11/a11。
d1 4
l i

I A，
d1 2



得 7mm，长度因子 2 ，有 66.71 85 2 d 340 所以有：压杆失稳条件公式：F 1
cr
i
4 2 3.016 108 m 4 ，截面面积 A 4 6.15 10 m ； 64
1 0.00013 2
[ ]

1.1螺杆螺纹类型的选择 螺纹的牙型有矩形、梯形与三角形，常用的是矩形螺纹。为了获得必要的精度又便于 加工，矩形螺纹常靠内径对中，其配合可选为H8/h8~H11h11。螺纹的径向间隙很小， 在强度计算时不予考虑。选矩形螺纹， 配合H8/h8 1.2选取螺杆材料 螺杆材料常用Q235、Q275、40、45、55等。此题选45钢。 1.3确定螺杆直径
5


D 7= =159.16mm 圆整后得160mm 式中：[]p——底座下枕垫物的许用挤压应力。对于木 材，取[]p=2~2.5MPa。 H1=188mm D5=65mm D6=97mm D7=160mm D8=79mm
4F D62 [ ] p

＝
FP =29.89% 2 (T1 T2 )
H' =14mm； a 3


计算螺杆柔度时，螺杆最大受压长度l可按将重物举到最大起升高度 后，托杯底面到螺母中部的高度计算，即
l H H ' / 2 1.5d

式中，d为大径，得 l=160+21+52.5=233.5mm 要求临界载荷 Fcr ，应先计算螺杆的长细比 ； 式中，i为螺旋危险截面的惯性半径，i 惯性矩 I
低速
6~12
7.5~13
10~13
注：ø<2.5或人力驱动时，[p]可提高20%；螺母为剖分式时，[p]应降低
15%-20%。
滑动螺旋副材料的许用应力
项 目 钢制螺杆 许用应力/ MPa [σ]=σS/3~5 σS为材料的屈服极限/ MPa 许用弯曲应力 [σb] 40~60 50~60 45~55 （1.0~1.2）[σ]

2.1选取螺母材料 螺母一直处于高应力作用下，材料此处选择用青铜。 2.2确定螺母高度H及螺纹工作圈数Z 螺纹圈数Z和螺母高度H’ 螺母的螺纹圈数通常根据螺纹牙间压 力条件求出，即
F Z d 2 h[ p]


Байду номын сангаас
式中， 为螺纹中径；h为螺纹牙高度；[p]为螺纹牙表面许用压 力，其值可查阅教材或手册。考虑到退刀槽的影响，实际螺纹 圈数为 Z’＝Z＋1.5 Z’=5.35。圆整后为6 螺母高度
T1 F tan( v )

T2——托杯与轴端支承面的摩擦力矩， T2 = (D2+D4) µ F/4。 (µ 取0.06)
则
2
。
T1 T2 Lp K


手柄计算长度 是螺杆中心到人手施力点的距离。考虑螺杆头部尺寸
及手握长度，取手柄实际长度 。 手柄实际长度不应超过千斤顶的最小高度，使用时可在手柄上另加套管。 K取200N。 T1=67.73N· m T2=25.125N· m Lp=90.282/200=464.27mm Lw=464.27+10.5+100=574.5mm 圆整后取575mm 5.3手柄直径dp 把手柄看成一个悬臂梁，按弯曲强度确定手柄直径dp，其强度条件为 KLp ≤[]F

其中d为内螺纹大径，d=35。
3



D=56mm 公差H8/r7 D1=78.4mm H ' =14mm a
式得出。

p ，螺杆不是大柔度杆，所以临界应力由经验公
3
达到最高起升高度时螺杆稳定，不会发生失稳。



2.5螺母与底座的配合 螺母压入底座上的孔内，圆柱面配合常采用H8/r7或 H8/n7。为了安装简便，应在螺母下端和底座孔上端加工 出倒角。为了防止螺母转动，还应安置紧定螺钉，其直径 可根据起重量取M6～M12。 计算圆整后得 D=56mm；公差H8/r7 D1=78.4mm；

机械效率为29.89%

垫片及螺栓等标准件

参考文献 [1]李良军.机械设计 高等教育出版社 [2]数字化手册委员会 机械设计手册（软件版） [3]螺旋千斤顶设计指导书

底座常用铸铁（HT100或HT150），此处选用 HT100。铸件的壁厚 不应小于8～10mm。为了增 加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因此，可按1： 5的锥度设计，如图所示。




图中 H1+H'-a=160+28=188mm D8>D1=78.4mm圆整得79mm. D5=D+（5～10）mm =65mm D6=D5+H 1 =97mm
F
Lw L p
D2 (50 ~ 150) 2


故
KLp dp≥ 3 0.1[ ]F dp取20mm
0.1d3 p
≥19.76mm
式中：[]F——手柄材料许用弯曲应力， 当手柄材料为Q235时，[]F=120Mpa。