机械设计大作业指导书(3)

机械设计

设计作业指导书

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天津科技大学机械工程学院机械设计教研室

2017年1月

目录

目录

一、螺旋起重器的结构和功能 (1)

二、设计目的 (1)

三、设计内容 (1)

四、材料选择 (2)

五、设计计算 (2)

1．螺旋副的耐磨性计算 (2)

2．螺旋副的自锁条件校验； (3)

3．螺杆强度的计算； (3)

4．螺母螺纹牙强度计算 (3)

5．螺杆稳定性的计算 (4)

六、结构设计 (5)

1.螺杆设计 (5)

2.螺母设计 (6)

3.手柄设计 (7)

4.托杯设计 (8)

5.底座设计 (9)

6.其他零件选择 (9)

七、螺旋起重器的效率计算 (10)

八、绘制装配图 (11)

九、整理编写设计计算说明书 (12)

十、时间安排 (12)

附1：原始数据 (13)

附2：装配图示例 (14)

一、螺旋起重器的结构和功能

螺旋起重器（千斤顶）是一种人力起重的简单机械，主要用于起升重物。图1为采用滑动螺旋的起重器结构。图中，螺杆与螺母组成螺旋副，螺母与底座固定连接，紧定螺钉提高了连接可靠性。托杯直接顶住重物，当转动手柄时，螺杆边转动边上下移动使托杯托起重物上下移动，达到起升重物的目的。

图1 螺旋起重器结构图

这种螺旋起重器结构简单，容易制造，易于自锁。其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%～40%），磨损快，寿命低，传动精度低。

螺旋起重器一般垂直布置，在起重时螺杆受压，因此都做成短而粗，起升高度不宜太大。螺母作为起升时的支撑件，常做成整体结构。

螺旋起重器应有可靠的自锁性能，以保证螺杆和重物在上升下降过程中能可靠地停留在任意一个位置而不会自行下降。螺杆一般采用梯形牙，右旋，单线螺纹。

当起重量较大时，为减小摩擦阻力，操作省力，可在托杯的下部安放一个推力轴承。

二、设计目的

1.明确螺旋起重器的设计方法与步骤；

2.初步了解机械设计的一般方法与步骤；

3.为课程设计打基础。

三、设计内容

1.根据强度和结构要求决定螺旋起重器的各部分尺寸；

2.绘制螺旋起重器的装配图；

3.整理设计计算说明书。

四、材料选择

螺杆材料要有足够的强度和耐磨性；螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料配合时摩擦系数小、耐磨。 五、设计计算

1．螺旋副的耐磨性计算

由耐磨性条件，算出螺杆的直径和螺母的高度。

滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中，最主要的是螺纹工作表面的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作表面上的压力p ，使其小于材料的许用压力

][p 。计算时，一般假设螺杆上的轴向载荷F 作用于螺杆工作承压表面A 上。

耐磨性条件校核计算公式为：

][22p hH

d FP

hu d F A F p ≤===

ππ （1） 式中：

F ——螺杆所受轴向载荷，N ； P ——螺纹螺距，mm ；

H ——螺母高度，mm ；

2d ——螺纹中径，mm ；

h ——螺纹工作高度，mm ；2/)(1D d h -=，d ——螺杆大径，1D ——螺母小径。

u ——螺纹工作圈数，P

H

u =

，一般不超过10圈。 ][p ——螺旋副材料的许用压力，MPa 。

对梯形螺纹，P h 5.0=，则设计公式为：

]

[8

.0][2p F

p h FP d ??π=≥

（2） ?——螺母高度因数，2

d H

=

?，一般可取2.5-3.5。

2．螺旋副的自锁条件校验

滑动螺旋起重器必须保证可靠的自锁性。自锁条件为：

v ?φ≤ （3）

2

arctan d nP

πφ=，螺纹升角； β

?cos arctan f

v =，当量摩擦角；f ，螺旋副材料的摩擦系数，一般可取0.08-0.1；β，牙侧角。

3．螺杆强度的计算；

起重时螺杆受轴向压力F 和扭矩T 作用。按第四强度理论计算：

][431332

2

22

22στσσ≤???

? ??+=???? ??+??? ??=+=T T ca

W T F A W T A F (4) 式中：

F ——螺杆所受的轴向压力，N ； A ——螺杆螺纹段的危险截面面积，214

d A π

=

,mm 。

T W ——螺杆螺纹段的抗扭截面系数，4

16

1

3

1d A

d W T ==π，3mm ; 1d ——螺杆螺纹小径，mm ；

T ——螺杆所受的扭矩，mm N ?；

][σ——螺杆材料的许用应力，MPa ，见课本表5-13。

4．螺母螺纹牙强度计算

螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，因此需进行螺纹牙剪切强度和挤压强度计算。将一圈螺纹

牙沿螺母大径D 展开，则可看作宽度为D π的悬臂梁。螺母每圈螺纹所受的平均压力为u F

，并

作用在以螺纹中径2D 为直径的圆周上，则：

螺纹牙危险截面上的剪切强度条件为：

][τπτ≤=

Dbu

F

螺纹牙危险截面上的弯曲强度条件为：

][62b u

Db Fl

σπσ≤=

式中：

b ——螺纹牙根部的厚度，mm ；对于梯形螺纹，P b 65.0=； l ——弯曲力臂，mm ，2

2

D D l -=

； ][τ——螺母材料的许用切应力，MPa 。

][b σ——螺母材料的许用弯曲应力，MPa 。

当螺杆和螺母材料相同时，由于螺杆的小径1d 小于螺母螺纹的大径D ，故应校核螺杆的螺纹牙的强度，上述公式中的D 应改为1d 。 5．螺杆稳定性的计算

螺杆的稳定性条件为：

s

cr

sc S F

F S ≥=

sc S 全系数；—螺杆稳定性的计算安— c S 。，取—螺杆稳定性安全系数—0.5-5.3

()

2

2l EI

F cr μπ=——螺杆的临界载荷，N 。 s λ——螺杆柔度。i

l

s μλ=

，μ——螺杆的长度系数，

l ——螺杆工作长度，mm 。i ——螺杆危险截面的惯性半径，mm 。

计算螺杆柔度时，螺杆工作长度应为螺杆升至最高位置时，由其托杯底面到螺母中部之间的距离l ：

=++2

H

l B L （5）

其中：

B ——螺杆头部长度，经验值取为=(1.4~1.6)B d ，d 为螺杆的公称直径； L ——螺旋起重器的起重高度；

H ——螺母高度。

六、结构设计

1.螺杆设计

公称直径d 由耐磨性计算决定。 其他尺寸依经验定： 2=0.625l d （取整）

， '=++30L L H mm ，

24=-(2~4)D D mm ， 3=(0.6~0.7)D d 4=(1.7~1.9)D d

图2 螺旋起重器结构示意简图

2.螺母设计

① 高度H 由耐磨性计算决定。 ② 其他尺寸的确定

下部的外径D ，由以下拉伸扭转强度条件公式求得：

221.3[](-)

4

Q

D d σπ≤，

图3螺杆结构简图

图4 螺母结构简图

一般螺母的许用应力[]=0.83[]b σσ，

其中[]b σ为螺母材料的许用弯曲应力，见教材对应表格。 螺母凸缘的外径1D 可取为1=(1.3~1.4)D D ，再按照挤压强度条件验算

221[](-)

4

p Q

D D σπ≤。

一般许用挤压应力[]=(1.8~2)[]p σσ。 螺母凸缘高度=3

H

h （取整）。 3.手柄设计

① 计算手柄长度p l

扳动手柄的力矩=p p T F l ?手柄应大于螺杆端面力矩2T 与螺纹力矩1T 之和，即12+T T T ≥手柄（式中1T 和2T 计算由前可知）。

当起重量为50kN 以下，用一人工作时，在间歇工作情况下，一个工人的臂力=150~250p F N ，在工作时间较长的时候，可取=100~150p F N 。选定p F 即可求出p l 。至于手柄的实际长度还需根据螺杆头部的尺寸及工人握住手柄的需要而加大。 ② 按弯曲强度求手柄直径p d

手柄可看成悬臂梁，其弯曲强度条件为：3

[]32

p p p b d F l πσ?≤，式中[]b σ为手柄的许用弯曲

应力，对Q235和Q275的手柄，2[]120/b N mm σ≈。

③ 手柄插在螺杆头部的孔中，一端在制造时直径锻大一点，而另一端加挡圈以防止脱出。

图5 手柄安装位置结构示意简图

4.托杯设计

托杯的底部结构有环面和球面两种结构。其机构和有关尺寸见图示。

图7底面为环面的托杯

图8底面为球面的托杯

1

=-(6~10)

d d mm 2

=+(2~4)

d d mm

图6 手柄结构示意简图

5.底座设计

按经验数据决定厚度及高度L 座，'=+(20~30)L L mm

座

按几何关系求7D

按底面支撑材料的挤压强度决定6D ，对于木材，许用挤压应力可取22/N mm 。 6.其他零件选择

螺母上紧定螺钉选择可由结构尺寸确定。

螺杆下面挡块可取直径=+5D d mm 下挡，厚度1=5h mm 。挡块可选用固定螺钉与螺杆连接固定。

图9底座结构示意简图

=-(6~10)d d mm

=+(2~4)d d mm

螺杆顶部挡块可取直径3>D D 顶而能使托杯自由转动，厚度可取3mm ，选用螺钉与螺杆顶部固定。

七、螺旋起重器的效率计算

螺杆每旋转一周所需输入功为：2=2A T π手柄，而所做的有效功为：1=A QS 。 其中：

T 手柄——作用于手柄的力矩，21T T T +=手柄。

1T ——螺母与螺杆之间的螺纹力矩，2

1=(+)

2

v d T Qtg ??； 2T —托杯底部与螺杆端面的摩擦力矩。

若底面为环面的托杯， 2231

=(+)4

T D D fQ

图11螺杆上部档块结构示意简

图10螺杆下档块结构示意简图

若底面为球面的托杯，'21

=

3

T fQd 2D 、3D 、'd 可以从结构设计中选取，

f 为摩擦系数=0.05~0.08f ， Q —起重量，

S —螺纹导程。

则螺旋起重器的效率为：1

2

=A A η 八、绘制装配图

装配图设计时应注意机械零件的制造工艺、装配和使用等要求，结构必须合理，并符合经济原则。要注意以下事项：

母内孔端部应倒角，以便润滑；

螺杆的螺纹部分应考虑退刀槽（宽度2P b =，P 为螺距）；

螺母与底座配合处，要考虑对中条件好，因此螺母凸缘的外径要比底座内径小（即），同时底座内孔要倒角；

考虑铸造的可能性，底座的厚度不应小于mm 12~8，并且力求厚度均匀，以免产生铸造应力；

其他未计算尺寸，由结构需要自行决定； 装配图标题栏明细表格式

九、整理编写设计计算说明书

将全部计算过程整理编写成设计计算说明书，要求步骤清楚，条理分明，文字整洁，字体工整，结论明确，用黑色签字笔书写。

说明书不必写整个计算的繁琐过程，只须先列出计算式，然后代入数据，最后写结果（注明单位）。同时在设计计算中引用的资料或参数，一定要注明其引证的来源和表号（资料可用代号[1]、[2] ）以便审阅。

说明书用学校统一印刷的专用纸书写，编写页码，连同封面装订成册。

设计说明书内容包括：

1.设计题目（包括题目、原始材料、设计内容）

2.设计计算

3.结构设计

4.设计参考资料

十、时间安排

1.布置设计作业2小时，然后利用课外时间完成（每周用3小时）

2.完成时间：五周时间

附1：原始数据

附2：装配图示例