1、 机械 设 计（甲 ） 课程设 计 说明书 设计 题目 螺 旋千斤顶设计说明书 分 院： 机械工程学院 班 级： 学 号： 设计 者： 指 导老 师： 2013 年 10 月 16 日目录 1 设计 要求. - 1 - 2 螺 旋千 斤顶 简介 . - 1 - 3 螺 杆与 螺母 . - 1 - 3.1 材料 与牙 型选 择 - 2 - 3.2 按螺 杆耐 磨性 初选 螺纹规 格 - 2 - 3.3 精确 校核 螺杆 强度 - 2 - 3.4 螺母 高度 计算 及工 作螺纹 牙 数校 核 - 3 - 3.5 螺母 牙根 强度 校核 - 4 - 3.6 螺母 体尺 寸设 计 - 4 - 3.7
2、螺母 强度 校核 - 5 - 3.8 螺杆 稳定 性校 核 - 5 - 3.9 自锁 性检 验 - 6 - 4 手 柄的 设计 . - 6 - 4.1 手柄 材料 - 6 - 4.2 手柄 长度 设计 - 7 - 4.3 手柄 直径 选择 - 7 - 5 底 座的 设计 . - 7 - 5.1 材料 选择 - 7 - 5.2 底座 身架 设计 - 8 - 5.3 底座 底部 直径 选择 - 8 - 6 托 杯的 设计 . - 9 - 7 注意 事项. - 9 - 8 参考 文献. - 9 - - 1 - 1 设计要求 目前要求设计一螺旋千斤顶， 要求最大起重 量 Q=20kN ， 最大升举 高
3、度 L 150mm 。 在材料选择上， 要求螺杆材料为 Q235 或 45； 螺母材料为铸铁或青 铜、螺纹采用梯形螺纹、单线，具体参考 GB5796-86。 2 螺旋千斤顶简介 螺旋千斤顶又称机械千斤顶， 是由人力通过螺旋副传动， 螺杆或螺母套筒作 为顶举件。本次设计的千斤顶为普通螺旋千斤顶，是靠螺纹自锁作用支持重物， 构造简单， 但传动效率低， 返程慢。 螺旋千斤顶能长期支持重物， 最大起重量已 达 100 吨， 应用较广。 本次设计的螺旋千斤顶需能撑起 20KN 的重物 ， 最大工作 高度为 150mm 。 螺旋千斤顶作用如此之大， 发挥着四两拨千斤的作用， 但它的结构却很简单， 原理也很
4、容易理解。 也正是因为其结构简单， 所以对各个零件要求都较高。 本次 设计的螺旋千斤顶包含底座、 螺杆、 螺母、 手 柄、 托杯以及一些联接件。 以下就 一一介绍各个零件的设计参数及强度校核。 3 螺杆与螺母 图 2 ：螺杆与托杯连 接处 图 1 ：螺母 - 2 - 螺杆是螺旋千斤顶最主要的零件， 既要保证工作的安全又要保证不浪费材料 以便减轻重量。而螺杆与螺母的配合是实现千斤顶作用的最基本保障。 3.1 材 料与牙型选 择 在材料选择上， 螺杆采用了 45#， 螺母选用青铜， 这样的配合既能保证工作 时所需的强度， 又有较小的摩擦系数和耐磨的作用。 为了保证有足够的强度， 而 且制造方便，我
5、们采用梯形螺纹，且为单线螺纹。 对于 45#， 查表可知： 350 s = MPa ； 280 p = MPa ； 461 = a MPa ； 568 . 2 = b MPa 。 对于青铜，查表可知：人力传动时，钢对青铜的p=1825MPa ，取最小值 p=18MPa ；许用弯曲 应力 a 50 b MP = ；许用剪切应力 a 35 MP = 。 3.2 按 螺杆耐磨性 初选螺纹规格 螺母材料为青铜， 螺杆的材料为 45#， 在相对运动过程中， 螺母承受的许用 应力较小， 应优先满足螺母的耐磨性， 我们选取螺距 P=5mm 的梯形螺纹， 则查 表可得， 梯形螺纹 5 . 0 = ， 2 .
6、1 = ， 所以可以根据耐磨性要求选择合理的 螺纹中径 d2: mm p Q 29 . 24 10 18 5 . 0 5 . 1 20000 d 6 2 = = = 根据梯形螺纹国家标准（GB579686）可得 ，我们可选择 Tr28-5， 其各个 参数为：大径 d=28mm ，螺距 P=5mm ，小径 d1=22.5mm ，中径 d2=25.5mm ，螺 纹牙齿工作高度 h=2.5mm ，牙型高度 h1=2.75mm 。 相应的螺母大径 mm 5 . 28 d = ，小径 mm 23 d 1 = 3.3 精 确校核螺杆 强度 工作中， 由于受轴向载荷以及螺纹连接处的摩擦力影响， 螺杆工作时同
7、时受 到正应力和切应力的作用。 正应力最大即工作时受到最大压力时的情况，即 Q=20KN。 切应力由两部分构成，一部分为螺纹连接处摩擦产生的阻力矩 T1 和 托杯与 螺杆产生的阻力矩 T2 。 - 3 - 螺纹升角 ： = = = 57 . 3 5 . 25 5 1 arc arc 2 tg d np tg取此时梯形螺纹的当量摩擦系数为 fv=0.1，则 摩擦当量角 v ： mm arctg arctgf v = = = 71 . 5 1 . 0 v 故可得螺纹阻力矩为 T1 ： T1= mm 41666 2 d ) tan( 2 v = + N F 托杯与螺杆的接触面为一个圆环，一般来说，
8、圆环的大径 D1= （1.71.9）d=47.653.2mm ，取 D1=50mm 圆环的小径 d0= （0.60.7）d=16.819.6mm ，取 d0=18mm 取此时摩擦面的摩擦系数为 0.1，则摩擦阻力矩 T2 ： T2= mm 36510 D D 3 1 2 0 2 1 3 0 3 1 = N d d F 故 T=T1+T2=41666+38197=78176Nmm 螺杆危险界面的当量应力为： MPa d T d F 86 . 77 16 3 4 3 2 3 1 2 2 1 2 2 ca = + = + = 许用应力 MPa 70 117 5 3 s = = ，因为螺旋千斤顶工作时
9、上升缓 慢，可认为是静载，故可取 MPa 100 = 故： 87 . 78 ca = MPa ，可认为强度方面是安全的。 3.4 螺 母高度计算 及工作螺纹牙数 校核 由螺纹规格初步计算选取的参数可得，我们选取了 2 . 1 d2 = = H ，则： mm d H 60 . 30 5 . 25 2 . 1 2 = = = ； 故可得实际工作螺纹圈数 - 4 - 10 12 . 6 5 6 . 30 P = = = H Z螺纹的工作圈数小于 10，所以选用当前螺距 P 是安全的，我们选择螺纹的 工作圈数 Z=6 。 3.5 螺 母牙根强度 校核 螺母材料为青铜， 牙根是整个螺纹连接最薄弱的部分，
10、 需要对其进行强度校 核。牙根受到正应力以及切应力。 牙根的厚度 b=0.65P=3.25mm ；D=28.5mm，Z=6. 带入下列式子可得： 切应力 MPa MPa D F 35 85 . 11 6 25 . 3 5 . 28 10 20 bZ 3 = = = = 切应力满足强度要求，牙根安全。 正应力校核： 工作牙根长度 mm d d l 5 . 1 2 5 . 25 5 . 28 2 2 = = =MPa MPa D Fl b b 50 74 . 31 Z b 6 2 = = = 正应力也满足强度要求。 故牙根满足强度要求，采用此螺纹是安全的。 3.6 螺 母体尺寸设 计 螺母体放在底
11、座上，又需支撑重量，需对螺母体的厚度等进行校核设计。 螺母与螺杆链接， 当支撑重物时， 螺母通过螺纹传递力的作用受到了拉应力， 已知螺母的许用抗拉应力 MPa b 3 . 33 5 . 1 = = 。螺母的强度条件为： ) ( 3 . 1 4 2 2 = d D F故：D= mm F 2 . 42 d 3 . 1 4 2 = + 我们取 D=45mm 。 螺母的凸缘按照经验公式可得： mm D D 63 5 . 58 ) 4 . 1 3 . 1 ( 2 = = - 5 - 我们取 D2=62mm 。 凸缘高度 mm H a 10 3 = =3.7 螺 母强度校核 螺母凸缘强度校核主要考虑了螺母
12、的凸缘受剪和受压情况。 青铜的许用挤压应力 MPa b p 85 75 ) 7 . 1 5 . 1 ( = = 凸缘的挤压强度校核： MPa MPa D D F p p 85 75 01 . 14 ) ( 4 2 2 2 = ，故临界压力 Fcr ： - 6 - KN d F s cr 105 4 ) 568 . 2 461 ( 2 1 = = 稳定安全系数： 3 . 5 20 105 = = = F F S cr 。 其中，螺杆稳定性安全系数 S,对于传力螺纹：S=3.55.0；对于传导螺旋： S=2.54.0; 对于 精密螺 杆或水平：S4 。此 处 针对的是传 力螺纹 ，故 螺杆的稳定
13、性满足要求。 3.9 自 锁性检验 对传力螺纹传动来说, 一般应确保自锁性要求 ， 以避免事故。 本螺旋 的材料 为钢，螺母的材料为青铜，钢对青铜的当量摩擦系数 f=0.1。由上面 计算可知： 螺纹升角 ： = = = 57 . 3 5 . 25 5 1 arc arc 2 tg d np tg摩擦当量角 v ： mm arctg arctgf v = = = 71 . 5 1 . 0 v 因为满足 v ，故满足自锁要求 注意：若自锁性不足，可增大螺杆直径或减小螺距进行调整。 4 手柄的设计 在工作中要转动螺纹来使千斤顶上升还是需要较大的力矩， 因此我们还需设 计一根手柄， 利用杠杆原理来达到
14、减小力矩的效果。 手柄越长越省力， 但手柄越 长也使得与螺杆连接处的危险截面越危险， 就需要增大手柄的直径来达到强度要 求，所以选择一个合理的手柄长度和直径至关重要。 4.1 手 柄材料 手柄承受较大的弯矩，需要材料有较强的许用受压应力。本次设计选用钢 Q235，查表可得其 MPa 240 s = - 7 - 4.2 手 柄长度设计 经调查发现，一般成年人的力 Fp= （150200 ）N ，我们取 Fp=180N 。 根据力矩平衡可得：T=FpLp 带入数据可得 Lp=0.434m, 我们取整 Lp=0.5m 。 4.3 手 柄直径选择 手柄的危险截面在于螺杆的连接处， 受到弯矩的作用， 将
15、在危险截面产生压 应力和拉应力，且最大应力相等。 Q235 的 MPa 240 s = ， 为了安全起见， 我们选择安全系数 S=2 ， 则材料 的许用应力为： MPa S 120 s = = 。 材料受到的最大弯矩等于最大摩擦阻力矩，即 M=T 。 由此可以计算得到手柄的直径 p d ： mm M p 8 . 18 10 120 79863 32 32 d 3 6 3 = = = ； 我们取 mm p 20 d = 。 为了防止手柄在工作中远离施力端从螺杆中掉出， 我们在远离施力端设计成 一个球状，球的直径大于上述的手柄直径，而且这一部分不算入手柄的长度中， 可自由选取。为了减轻重量并达到要
16、求，球的直径稍大于手柄直径即可。 5 底座的设计 底座是 一个 箱体 ， 一 方面 作为增 大起 重器 与地 面接 触面积 ， 提高 稳定性 ， 一 方面作 为承 重体需 要满 足强 度条 件， 同时， 底座 是一 个铸 件， 为了避 免出 现冷 隔、 浇不 足情况 ， 还 应满 足铸件 壁厚 8mm 。为 了节 省材 料，减 小重 量， 底座 下部 是空的 。 5.1 材 料选择 底座体 是一 个承 压件 ，除 了个别 表面 没有 表面 精度 要求， 零件 的尺 寸精 度要 求也不 高 ， 因此我 们采 用铸 造方 法获 得，材 料 为 HT150 。 - 8 - 5.2 底 座身架设计 当
17、起重器不使用时， 底座内部作为存放螺杆的部分， 故应有一定的高度， 一 般预留 20mm 的空间，则： H1=hmax+20=150+20=170mm ； H2 为承放螺母的部分，即：H2=H-a=30-10=20mm ； 故：底座总高 H0 ： 1.3 H H H 2 1 0 + + = =200.4mm ；我们取 H0=200mm 。 其中 mm D mm D D 45 46 8 2 62 2 2 3 = = = = ， 故设计满足 要求。 底座题的身架部分采用斜度 1:10，故 mm H H D D 82 10 2 2 0 3 4 = + = 。 5.3 底 座底部直径 选择 底座工作时
18、， 需放在一定的支撑物上， 一般用于汽车和一些小型重物的支撑， 故经常工 作在公 路的混 凝土上或 者一些 木板上 （当地面 凹凸不 平时） 。起重器对图 3 ：底座尺寸 - 9 - 不同地面材料的许用挤压应力不尽相同： 对混凝土： 4MPa 2 = p ； 对木板： 4MPa 2 = p ； 故我们选取许用挤压应力 2MPa = p 。则有： ) ( 4 2 4 2 5 p p D D F =mm D F D p 5 . 139 4 2 4 5 = + = ，取 mm D 140 5 = 6 托杯的设计 托杯也是采用铸造所得， 故壁不能太薄， 一般取 812mm。为 了防止工作 时托杯与重物
19、之间产生相对滑动， 在托杯的顶部环面开有缺口和网纹， 以增大摩 擦。 7 注意事项 1、螺母内孔端部应有倒角，以便润滑； 2、螺杆螺纹部分应有退刀槽； 3、螺母与底座的配合常用 11 11 7 8 h H h H ； 4、为了防止螺母转动，螺母与底座之间有紧定螺钉，直径常取 M6M12； 5、为了防止托杯脱落和螺杆宣出螺母，在螺杆上下两端都有挡圈； 6、螺旋副及托杯与螺杆之间需要润滑。 8 参考文献 1、 刘连珍 、 杨 昂岳主 编 机械 设 计学 习指 导与 习题 集 ， 华 中理 工大 学 出版 社，1996 年6 月第1 版 2 、 谭建荣、张树有、陆国栋编 图学基础教程 ，高等教育出版社，2006 年 5 月第 2 版 3 、 刘鸿文主编 材料力学 ，高等教育出版社，2011 年 1 月第 5 版 4 、 丁振华编著 机械设计学习与指导 ，上海交通大学出版社，1996 年 1 月第 1 版
