螺旋千斤顶设计参考要点

螺旋千斤顶设计任务书

学生姓名陈嵩专业年级10级车辆工程设计题目：设计螺旋千斤顶

设计条件：

1、最大起重量F = 40 kN；

2、最大升距H =190 mm。

设计工作量：

1、绘制出总装配图一张，标注有关尺寸，填写标题栏及零件明细表；

2、编写设计计算说明书一份。

指导教师签名：2012年月

螺旋千斤顶

设计计算说明书

院系工程技术学院

专业年级2010级车辆工程

设计者陈嵩

指导教师李华英

成绩

2012年12月13日

目录

1．螺杆的设计与计算 (2)

1.1螺杆螺纹类型的选择 (2)

1.2选取螺杆材料 (2)

1.3确定螺杆直径 (2)

1.4自锁验算 (3)

1.5结构 (3)

1.6螺杆强度校核 (5)

1.7螺杆的稳定性计算 (6)

2. 螺母设计与计算 (7)

2.1选取螺母材料 (7)

2.2确定螺母高度 H 及螺纹工作圈数u (7)

2.3校核螺纹牙强度 (8)

2.4结构要求 (9)

3. 托杯的设计与计算 (9)

4. 手柄设计与计算 (11)

4.1手柄材料 (11)

4.2手柄长度 Lp (11)

4.3手柄直径 dp (12)

4.4结构 (12)

5. 底座设计 (13)

设计与说明

结果 1 螺杆的设计与计算

1.1 螺杆螺纹类型的选择

螺纹有矩形、梯形与锯齿形，常用的是梯形螺纹。

螺纹选用梯形螺纹。梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙形角α=30o，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GB/T5796.1—2005的规定。

1.2 选取螺杆材料

螺杆材料常用Q235、Q275、40、45、55等。 选择45钢。

1.3 确定螺杆直径

根据教材式（5-42)得

]

[2p h FP

d φπ≥

对于梯形螺纹，h=0.5P ，则

]

[8

.02p F

d φ≥ 对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故取5.2~2.1=φ，此处取2.1=φ。

因为千斤顶的螺杆和螺母的相对滑动速度为低速，查表5-12，取[p]=18MPa 。

故

mm mm d 43.3418

2.110408.03

2=??≥

由课程设计手册，查标准GB/T 5796.2-2005与GB/T 5796.3-2005，得 公称直径d=40mm 螺距P=7mm 内螺纹大径D=41mm

螺纹：梯形螺纹

螺杆材料：45钢

d=40mm P=7mm D=41mm

外螺纹小径d 1=32mm 内螺纹小径D 1=33mm 内外螺纹中径d 2=D 2=36.5mm

1.4 自锁验算

对传力螺旋传动来说，一般应确保自锁性要求，以避免事故。螺旋副的自锁条件为

v v f f

arctan cos arctan ==≤β

?ψ

式中：ψ为螺纹升角；v ?为当量摩擦角；v f 为螺旋副的当量摩擦系数，f 为摩擦系数，β为牙侧角。

根据材料和滑动速度查表5-12，取09.0=f ，对于牙型角?=30α的等腰梯形螺纹，其牙侧角?==

152

α

β，则

?=??

?

????==49.35.3671arctan arctan

2ππψd nP ?=?

==32.515cos 09

.0arctan cos arctan

β?f v 因为?=?-≤?=32.4149.3v ?ψ，所以自锁性可以保证。

1.5 结构

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d k 的大小根据手柄直径d p 决定，d k ≥d p 十0.5mm ，由后计算可知d p =27mm ，所以取d k =28mm 。

为了便于切制螺纹，螺纹上端应设有退刀槽。退刀槽的直径d 4应比螺

杆小径d 1约小0.2~0.5mm ，取d 4=d 1-0.5=31.5mm 。退刀槽的宽度可取为1.5p 。 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(GB/T891-1986)，挡圈用紧定螺钉(GB/T68-2000)固定在螺杆端部。

d 1=32mm D 1=33mm d 2=36.5mm D 2=36.5mm

?=49.3ψ

?=32.5v ?

d k =28mm

d 4=31.5mm

如图1-2，则有

退刀槽宽度1.5P=10.5mm

D13=(1.7~1.9)d=68~76mm，取D13=70mm (1.4~1.6)d=56~64mm，取1.5d即60mm H+H'=190+56=246mm(H'为后面计算得）螺钉外径0.25d=10mm

挡圈外径d+(6~10)=46~50mm 1.5P=10.5mm D13=70mm 1.5d=60mm H+H'=246mm

根据GB/T891-1986，选取挡圈GB/T891 B50， 公称直径D=50mm ，H=5mm

根据GB/T68-2000，选取螺钉GB/T68 M6×16， 螺纹规格d =M6，公称长度l =16mm

1.6 螺杆强度校核

对受力较大的螺杆应根据第四强度理论校核螺杆的强度。其强度条件为

[]σσ≤???

? ??+=

2

12431

d T F A ca 其中扭矩

式中：ψ为螺纹中径处升角，ρv 为当量摩擦角。

mm N mm N T ?=???+??=4.1131402

5

.36)32.549.3tan(40000

挡圈：

GB/T891 B50

螺钉：GB/T68 M6×16

T=113140.4 N·mm

。2

)tan(2

d F T v ?

+=?ψ

因为45钢的屈服强度MPa s 350=σ，取安全系数S=4，故： MPa MPa S s

5.874

350][===σσ 2222

12.804324

4

mm mm d A =?=

=π

π

则

][3.58324.11314043400002.80412

2σσ<=??

?

????+?=MPa ca

满足强度条件。

1.7 稳定性计算

细长的螺杆工作时受到较大的轴向压力可能失稳，为此应按稳定性条件验算螺杆的稳定性。

s cr sc S F F S ≥=/

式中：sc S 为螺杆稳定性的计算安全系数；s S 为螺杆稳定性安

全系数，对于传导螺旋0.4~5.2=sc S ；cr F 为螺杆的临界载荷，N 。 螺杆的临界载荷cr F 与柔度s λs 有关

i l s /μλ=

式中：μ为螺杆的长度系数，与螺杆的端部结构有关；l 为举起重物后托杯底面到螺母中部的高度，可近似取d p H l )6.1~4.1(5++=；i 为螺杆危险截面的惯性半径，若危险截面面积4/2

1

d A π=，则

4

1

d A I i ==

（I 为螺杆危险截面的轴惯性矩） 当螺杆的柔度40

mm mm l 289~281]40)6.1~4.1(75190[=?+?+=，取mm l 285=

MPa

s 350=σ[]MPa

5.87=σ

MPa

ca 3.58=

σ

mm l 285=

4

44

4

185.5147164

3264

mm mm d I =?=

=

ππ

mm mm d i 84

32

41===

则，

4025.718

2852>=?==i l

μλ

所以需要进行稳定性校核。 临界载荷cr F 可按欧拉公式计算，即

()

2

2l EI

F cr μπ= 式中：E 为螺杆材料的拉压弹性模量，MPa E 5

1006.2?=。 所以有

()

N N F cr 26.322097285285

.514711006.22

5

2

=????=

π

405.840000

26

.322097>==

sc S

所以，满足稳定性条件。

2 螺母的设计与计算

2.1 选取螺母材料

螺母材料一般可选用青铜，对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造，其内孔浇注青铜或巴氏合金。

这里选用螺母材料为ZCuSn10Pl 。

2.2 确定螺母高度H '及螺纹工作圈数u

螺母高度mm mm d H 8.435.362.12=?=='φ

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 。螺纹工作圈数

1026.67

8.43P u <=='=

H

N

F cr 26.322097=

05.8=sc S

螺母材料：ZCuSn10Pl

考虑退刀槽的影响，实际螺纹圈数u ' = u+1.5(u '应圆整)。 所以，u '=u+1.5=6.26+1.5=7.76 圆整得，u '=8

螺母高度H '= u 'P=8×7mm=56mm

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。螺母的其它尺寸见图1―3。

螺纹牙危险截面的剪切强度条件为 ][τπτ≤=

Dbu

F

螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为

][62b u

Db Fl

σπσ≤=

式中：b 为螺纹压根部的厚度，mm ，对于矩形螺纹，对于梯形螺纹，b=0.65P ，P 为螺纹螺距；

l 为弯曲力臂，mm ，2

2

D D l -=

； []τ为螺母材料的许用切应力，MPa ； []b σ为螺母材料的许用弯曲应力，MPa 。

因为螺母材料为青铜，查表知其[]τ=30~40MPa ，[]b σ=40~60MPa ，取

[]τ=35MPa ，[]b σ=50MPa 。

mm

mm

mm l mm

b 25.22

5.364155.4765.0=-=

=?= 带入校核公式：

][31.258

55.44125.2400006]

[53.88

55.441400002

2b MPa mm mm mm N MPa mm mm N

σπστπτ<=?????=<=???=

满足强度条件。

u '=8 H '=56mm

MPa

MPa 31.2553.8==στ 配合：

7

8

r H

2.4 结构

螺母压入底座上的孔内，圆柱接触面问的配合常采用

78r H 或7

8

n H 等配合，这里选择7

8

r H 配合。

为了安装简便，需在螺母下端（图1―3）和底座孔上端（图1―7）做出倒角。

为了更可靠地防止螺母转动，还应装置紧定螺钉（图1―1），紧定螺钉直径常根据举重量选取，一般为6～12mm 。选用紧定螺钉GB/T 71 M6×25。

mm

a mm mm H a D mm D D mm D mm D D 1967.183/563/mm

9598~91)4.1~3.1(708.73~6.65)8.1~6.1(43433==='=======，取，取，取

3 托杯的设计与计算

托杯用来承托重物，可用铸钢铸成，也可用Q235钢模锻制成，此处选用Q235钢。托杯的结构尺寸见图1―4。

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

紧定螺钉： GB/T 71 M6×25

mm D 703= mm D 954=

mm a 19=

托杯材料： Q235钢

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。

由图1—4可得：

托杯厚度mm 12~8=δ，取mm 10=δ 杯底厚度为mm 133.1=δ 沟纹宽度mm 155.1=δ 沟纹深度mm 52/=δ

托杯高度mm d 72~60)8.1~5.1(=，取托杯高度为70mm

挡圈选用GB/T892 B32，其公称直径D=32mm ，H=5mm ；挡圈用GB/T67 M6×16的开槽盘头螺钉固定。

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。

][4

)

D D (2

11212p F

p ≤-=

π 式中：[p ]为许用压强，应取托杯与螺杆材料[p ]的小者。

查表得，Q235钢的许用压强[p]为225MPa ，45钢的许用压强[p]为570MPa ，故用托杯材料来进行压力强度校核，即取[p]=225MPa 。

根据图1-4，相关尺寸为

mm

6668~66)4~2(mm 2528~24)7.0~6.0(100100~96)5.2~4.2(12131211111010==-=======D mm mm D D D mm d D mm D mm d D ，取，取，取

所以

][65.134

)

2566(40000

4)D D (222

11212p MPa MPa F p <=-=-=ππ 满足接触面的压力强度要求。

为保证托杯可以转动，螺杆顶端的挡圈与托杯底部留有间隙，间隙值为3~4mm ，因承受力不大，故取值为3mm 。

mm 10=δ

杯底厚度：

mm

133.1=δ沟纹宽度：

mm

155.1=δ沟纹深度：

mm 52/=δ

托杯高度：70mm 挡圈：GB/T892 B32 螺钉：GB/T67 M6×16

mm

D mm D mm D 6625100121110===

MPa

p 65.13=

挡圈与托杯间隙：3mm

4 手柄的设计与计算

4.1 手柄材料

常用Q235和Q215。这里选用Q235钢。

4.2 手柄长度L p

板动手柄的力矩：K ·L p =T 1+T 2 则

K

T T L 2

1p +=

式中：K 为加于手柄上一个工人的臂力，间歇工作时，约为150～250N ，工作时间较长时为100～150N 。

T 1为螺旋副间的摩擦阻力矩， T 2为托杯与轴端支承面的摩擦力矩，

T 2 = (D 12+D 11) f F /4。

因一般情况下为间歇工作，工作时间较长的情况不多，故取K =200N 。 mm N mm N T ?=??

+?=4.1131402

5

.36)32.549.3tan(40001 查设计手册得，钢—钢的摩擦因数1.0=f ，所以

()mm N mm N T ?=???+=

910004

400001.025662

则

mm mm L p 7.1020200

91000

4.113140=+=

手柄计算长度L p 是螺杆中心到人手施力点的距离，考虑螺杆头部尺寸及工人握手距离，手柄实际长度还应加上

2

D 13

+（50～150）mm 。 故

mm L p 7.1205~7.1105)150~50(2

70

7.1020=++

= 取手柄长度mm L p 1150=。

由于手柄实际长度不应超过千斤顶，因此取mm L p 400='

，使用时可

手柄材料：Q235钢

mm

L p 400='

。

2)tan(21d F T v

?+=?ψ

在手柄上另加套管。 4.3 手柄长度d p

把手柄看成一个悬臂梁，按弯曲强度确定手柄直径d p ，其强度条件为

F KL ][d 1.03p

p F σσ≤=

故 3

F

p ][1.0σKL d p ≥

式中：[σ]F 为手柄材料许用弯曲应力，当手柄材料为Q235时，[σ]F =120Mpa 。

mm mm d p 76.26120

1.01150

2003

=??≥

取mm d p 27=。

4.4 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

mm d p 27=

挡圈：

GB/T891 B35

上挡环（图1―6），并用螺钉或铆合固定。 因手柄直径mm d p 27=，所以由GB/T891-1986，选取挡圈GB/T891 B35，其公称直径D=35mm ，H=5mm ；螺钉选用GB/T68 M6×16的开槽沉头螺钉。

5 底座设计

底座材料常用铸铁（HT150及HT200）（图1―7），此处选用HT200，铸件的壁厚δ不应小于8～12mm ，δ选取15mm ，为了增加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因此将其外形制成1∶10的斜度。

图中

2

7

p

81

67361D ][π45D D mm )10~(5D D mm )28~(14H H +=

+=+=+=σF D H

式中：[σ]p 为底座下枕垫物的许用挤压应力。对于木材，取[σ]p =2~2.5MPa 。这里取2MPa 。

所以有

mm mm a H mm

D mm D mm

mm D mm

D mm D mm H mm H 37)1956(20066.1991202

400004120)5210

78(7880~75210218~20482876611=-=-'==+??==+

=====，取，取，取π 同时取mm R mm r 10,4==

螺钉：

GB/T68 M6×16

底座材料： HT200

mm 15=δ

mm

R mm r mm D mm D mm D mm H 105200120782108761======