机械设计大作业——千斤顶

目录

一、设计题目

-----------------------------------------------------------------------------------------------------2

二、螺母、螺杆选材

-------------------------------------------------------------------------------------------2

三、螺杆、螺母设计计算

3.1 耐磨性计算

-----------------------------------------------------------------------------------------------2

3.2 螺杆强度校核

--------------------------------------------------------------------------------------------3

3.3 螺纹牙强度校核

-----------------------------------------------------------------------------------------3

3.4 螺纹副自锁条件校核

----------------------------------------------------------------------------------4

3.5 螺杆稳定性校核

-----------------------------------------------------------------------------------------4

四、螺母外径及凸缘设计

------------------------------------------------------------------------------------5

五、手柄设计

----------------------------------------------------------------------------------------------------5

六、底座设计

----------------------------------------------------------------------------------------------------6

七、其余各部分尺寸及参数

---------------------------------------------------------------------------------7

八、参考资料

-----------------------------------------------------------------------------------------------------8

一、 设计题目

螺旋起重器（千斤顶）

已知条件：起重量F Q =40KN ，最大起重高度H=200mm 。

二、 螺杆、螺母选材

本千斤顶设计采用梯形螺纹螺旋传动。由于螺杆承受载荷较大，而且是小截面，故选用45#钢，调质处理。查参考文献[2]得σs=355MPa,查机械设计表5.9

得5

~3][s

σσ=,取[σ]=110MPa; σb =600MPa 。

由于千斤顶属于低速重载的情况，且螺母与螺杆之间存在滑动磨损，故螺母采用强度高、耐磨、摩擦系数小的铸铝青铜ZCuAl10Fe3，查表5.9得螺母材料的许用切应力MPa 40~30][=τ,取][τ=35MPa ；许用弯曲应力[σb ]=40~60MPa, 取[σb ]=50MPa 。

托盘和底座均采用铸铁材料。

三、 螺杆、螺母设计计算

3.1 耐磨性计算

由耐磨性条件公式：

][2p H

h d p F A F Ps ≤????==

π 对于梯形螺纹，有h=0.5p,那么耐磨性条件转化为：

2d ≥式中 2d ——螺纹中径，mm;

F ——螺旋的轴向载荷，N ； H ——螺母旋合高度，mm;

ψ ——引入系数，ψ=H/2d ;

[p]——材料的许用压强，MPa;

查机械设计表 5.8，得[p]=18~25MPa ，取[p]=20MPa ，对于整体式螺母，

5.2~2.1=ψ，取ψ=2.0，那么有mm MPa

KN

d 3.2520*0.2408

.02=≥。查参考文献

[4]表H.5,试取公称直径d=32mm,螺距p=6mm,中径d 2=29mm,小径d 1=25mm,内螺纹大径D 4=33mm 。那么螺母高度mm d H 5829*0.22==?=ψ，螺纹圈数

7.96

58===

p H z ，α=2β=30°。 3.2 螺杆强度校核

千斤顶螺杆危险截面受轴向力F 和扭转力矩T 1的作用，这里的扭转力矩是螺纹副的摩擦转矩T 1。根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度条件为

][)16(3)4(

3

1

1

22

1

σππσ≤+=d T d F

对于梯形螺纹该式可化为

1d ≥

式中 1d ——螺杆螺纹的小径(mm)； []σ——螺杆材料的许用应力(MPa);

F —— 螺杆所受的轴向载荷(N)；

T 1——螺杆所受转矩(N ·mm),2

)

'tan(2

1d F T ρψ+=。 代入数据，mm MPa

KN

d 06.24110*40*25.1*41=≥

π

而选择d 1=25mm,满足螺杆强度要求。 3.3 螺纹牙强度校核

因为螺母材料强度低于螺杆 ，所以螺纹牙的剪切和弯曲破坏大多发生在螺母上，故可只校核螺母螺纹牙强度。螺母螺纹牙根部剪切强度条件为：

][4τπτ≤=

b

D z F

式中 F ——轴向载荷(N)；

D 4——螺母螺纹大径(mm); Z ——螺纹旋合圈数；

b ——螺纹牙根部厚度(mm)，对于梯形螺纹b=0.65p 。

代入数据计算

][64.106

*65.0*33**3.940000

τπτ≤==

MPa

即螺母满足剪切强度要求。

螺母螺纹牙根部的弯曲强度条件为： ][32

4b b b D z Fl

σπσ≤=

式中 l ——弯曲力臂，mm d D l 22

29

33224=-=-=； 其它参数同上。 代入数据计算 ][73.16)

6*65.0(*33**3.92

*40000*32

b b MPa σπσ≤==

即螺母螺纹牙满足弯曲强度要求。 3.4 螺纹副自锁条件校核

由螺纹副自锁条件：

'arctan ','f =≤ρρ? 式中 ?——螺纹螺旋升角（°），2

arctan

d np

π?= 'ρ——当量摩擦角(°);

n ——螺纹线数，n=1;

p ——螺纹导程(mm);

2d ——螺纹中径(mm);

'f ——当量摩擦系数,查机械设计表5.10，得'f =0.08~0.10,取

'f =0.09;

代入数据 ?==77.329

*6

*1arctan

π? ?==14.509.0arctan 'ρ

因为?≤'ρ，所以满足螺纹副自锁条件要求。 3.5 螺杆的稳定性校核

千斤顶的最大上升高度H=200mm.则螺杆的最大工作长度

退刀槽螺母l H L +++

=1h 2

200

式中 螺母H ——螺母高度(mm)，螺母H =58mm;

1h 符号参见参考文献[1]图3.1；

退刀槽l ——螺杆与手柄座相接处额尺寸，查手册知，退刀槽l =10.5mm 。

假设手柄直径为d 1=26mm,由尺寸经验公式h 1=(1.8~2)d 1=46.8~54mm 取

h 1=50mm,则

L=200+29+50+10.5=289.5mm

则螺杆的柔度 1

4d L

i

L

μμλ=

=

式中 μ——长度系数，对本千斤顶，看做一端固定、一端自有，则可取

μ=2；

d 1——螺纹小径，d 1=25mm 。

i ——螺杆危险截面的惯性半径(mm),4

1d A I

i ==

,其中A 为危险截面的面积(mm 2)。

代入数据计算

9064.9225

5

.289*2*4>==

λ

对于45#调制钢，此时螺杆稳定的临界载荷Fc 为： 2

2)

(L EI

F c μπ= 式中 E ——螺杆材料的弹性模量，对于钢 E=2.07×105MPa ； I ——螺杆危险截面的轴惯性矩(mm 4

),64

4

1d I π=；

代入数据计算 N F c 9.14878264

25*4)5.289*2(1007.2*425

2=*?=

π

那么，由压杆稳定条件

5.272.340000

9.148782≥==F F c 故螺杆满足稳定性要求。

四、 螺母外径及凸缘设计

根据经验公式，螺母外径D 2≈1.5d=1.5×32=48mm;

螺母凸缘外径D 3≈1.4D 2=1.4×48=67.2mm;

螺母凸缘厚b=(0.2~0.3)H=(0.2~0.3)×58=11.6~17.4mm ，取

b=15mm 。

五、 手柄设计

加在手柄上的力需要克服螺纹副之间的摩擦阻力矩T 1和托杯支撑面间的摩擦力矩T 2。设加在手柄上的力F 1=300N ，手柄长度为L 1，则有F 1 L 1 = T 1 + T 2。对于T 1和T 2，有

=+=+=2

29*)14.577.3tan(*400002)

'tan(21d F T ρψ90929.3N ·mm 2

123

132)2()]4~2([)2()]4~2([3+--+--?

=D D D D fF T 公式中的符号见参考书[1]图3.2和图3.3。

根据经验公式，(1.6~1.8)(1.6~1.8)3251.2~57.6D d ==?=mm,取D=55mm; 1(0.6~0.8)(0.6~0.8)3219.2~26.6D d ==?=mm ，取D 1=25mm 。

托杯材料选择铸铁，手柄选择Q235，摩擦因数f=0.12,则

2

123

132)

2()]4~2([)2()]4~2([3+--+--?=D D D D fF T ≈mm N ?=--9938027532753*340000*12.02233 那么手柄长度mm F T T L 4.634300

99380

3.909291211=+=+=，取1L =200mm,加套筒长500mm 。

设手柄所受最大弯曲应力为σ，查参考文献[2]表10.1,MPa s 225=σ，查参考文献[3],得[]2

~5.1s

b σσ=

，则[]b σ=112.5~150MPa,取[]b σ=125MPa 。

则手柄直径d 1应满足 []b z d T T W T T σπσ≤+=+=

3

1

2121)

(32，转化为： []

mm T T d b 9.24125

*)

993803.90929(*32)

(323

3

211=+=+≥πσπ

取手柄直径d 1=26mm 。

六、 底座设计

螺杆下落至底面，再留20~30mm 的空间，底座铸造起模斜度1:10，壁厚mm 10=δ。由经验公式，S=(1.5~2)δ=12~16mm,取S=16mm 。各符号见参考书[1]图3.2和图3.3。

D 5由结构设计确定，D 5=128mm 。 D 4=1.4D 5=1.4*128=179.2mm 。

结构确定后校核下底面的挤压应力：

24.3)

1282.179(4

40000

)

(4222

52

4=-=

-=

π

π

σD D F

p MPa

有结果可知，千斤顶在最大载荷下，可以在木材上使用。底面材料选择铸铁HT100，查表得铸铁件壁厚为

10~20mm

时，MPa b 100≥σ，

MPa b p )50~40(100*)5.0~4.0()5.0~4.0(][===σσ。

显然，][p p σσ<，下表面强度满足设计要求。

上表面校核：MPa D D F A F b 03.23)482.67(*40000*4)(4

2

222231=-=-==

ππσ，查参考文献[4]表B.4，得[σb ]=195MPa, 1b σ<[σb ]。

故上表面满足强度要求。 七、

其余各部分尺寸及参数（符号见参考书[1]图3.2和图3.3）

mm d D T 80~6432*)5.2~0.2()5.2~0.2(===，取T D =76mm ；

mm d D 6.57~2.5132*)8.1~6.1()8.1~6.1(===，取D=55mm ； mm d D 6.25~2.1932*)8.0~6.0()8.0~6.0(1===，取1D =24mm;

mm D h 55~4455*)1~8.0()1~8.0(===，取h =55mm ； mm d h 52~8.4626*)2~8.1()2~8.1(11===，取1h =50mm ； mm D h 2.19~4.1424*)8.0~6.0()8.0~6.0(12===，取2h =18mm ； mm D d 2.7~624*)3.0~25.0()3.0~25.0(13===，取3d =6mm ；

mm a 8~6≈，取a =6mm ； mm t 8~6≈，取t =6mm 。

固定托盘用的挡圈内径8mm ，外径26mm ，厚5mm ；螺钉10×M82000A -GB /T5783。

螺杆底部挡圈内径8mm ，外径34mm ，厚5mm ；螺钉 16×M82000A -GB /T5783。 紧定螺钉 GB/T71-1985 M8×20。 其余铸造圆角，取R=2mm 。

底座高度为284mm ，装配后千斤顶的升降范围为414~614mm 。 螺旋起重器（千斤顶）装配图见A3图纸。

八、参考资料

[1]张丰，宋宝玉. 机械设计大作业指导书.北京：高等教育出版社，2009.10

[2]宋宝玉.机械设计课程设计指导书.北京：高等教育出版社，2006

[3]王黎钦，陈铁鸣.机械设计.5版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.1

[4]于慧力，张春宜.机械设计课程设计.北京：科学出版社，2007

[5]刘莹，吴宗泽.机械设计教程.2版.北京：机械工业出版社，2007.9

[6]金铃，刘玉光，李立群.画法几何及机械制图.哈尔滨：黑龙江人民出版社，2003.7