千斤顶设计

0 千斤顶设计说明书

螺旋千斤顶

设计计算说明书

院系工程技术学院

专业年级2011级车辆工程一班

设计者高俊

指导教师李华英

学号22201132220100

成绩

2013年11 月

目录

1设计任务书 (2)

1.1 设计题目：设计螺旋千斤顶（参考下图a ） ............................... 2 1.2 原始数据 ............................................................. 2 1.3 设计工作量 .. (2)

1.3.1 绘制出总装配图一张 ............................................. 2 1.3.2 编写设计计算说明书一份 .. (3)

2计算内容和设计步骤 (3)

2.1螺杆的设计与计算 (3)

2.1.1 螺杆螺纹类型的选择 ............................................. 3 2.1.2选取螺杆材料 ................................................... 3 2.1.3确定螺杆直径 ................................................... 4 2.1.4自锁验算 ....................................................... 4 2.1.5结构设计 ....................................................... 4 2.1.6螺杆强度计算 ................................................... 5 2.1.7稳定性计算 ..................................................... 6 2.2螺母设计计算 (7)

2.2.1选取螺母材料 (7)

2.2.2确定螺母高度'H 及工作圈数'u .................................... 7 2.2.3校核螺纹牙强度 ................................................. 7 2.2.4螺母与底座孔配合 ............................................... 8 2.3托环的设计与计算 .. (9)

2.3.1托杯材料的选择 ................................................. 9 2.3.2结构设计 ....................................................... 9 2.3.3接触面强度校核 ................................................ 10 2.4手柄的设计计算 (11)

2.4.1手柄材料的选择 (11)

2.4.2计算手柄长度p

L (11)

2.4.3手柄直径

p

d 的确定 (12)

2.4.4结构 (12)

2.5底座设计 (13)

2.5.1选择底座材料 .................................................. 13 2.5.2结构设计 (13)

2.5.3底座设计计算 .......................................................... 13 ........................................................................... 15 3.关于螺旋千斤顶结构设计等的补充说明 ........................................ 17 参考文献： (17)

设计计算说明书

1设计任务书

1.1 设计题目：设计螺旋千斤顶（参考下图a）

1.2 原始数据

最大起重量F=55kN

最大升程H=220mm

1.3 设计工作量

1.3.1 绘制出总装配图一张(参考下图b)，标注有关尺寸，填写标题栏及零件明细表。

1.3.2 编写设计计算说明书一份(包括封面、目录、设计任务书、计算内容和设计步骤、

参考资料等)。

（a）（b）

计 算 及 说 明

结 果

2.1螺杆的设计与计算

2.1.1 螺杆螺纹类型的选择

选择梯形螺纹，牙型角α=30?,梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动；

它的基本牙型按GB/T5796.1-2005的规定。

2.1.2选取螺杆材料

螺杆材料的选择螺杆材料常用的有Q235、Q275、40、45、55钢，由于是承受

轻载荷，选择45钢，查手册表2-7得 355s MPa σ=；查表5-13取安全系数S=4，则[]88.75MPa σ=；与其相旋合的螺母材料选为ZCuSn10P1铸锡青铜，因为千斤顶的螺杆与螺母的相互运动是低速滑动，螺杆材料为45钢，螺母材料为青铜，查表5-12可知，许用压力[p]介于18—25MPa 之间，在此取

[]p =20MPa 。

2.1.3确定螺杆直径

按耐磨性条件确定中径2d 计算过程：

滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p ，使其小于材

料的许用压力[p]。 ]

[22p hH

d FP

hu d F A F p ≤===ππ

由于2

d H

=φ，所以有][2p h FP d φπ≥； 对于等腰梯形螺纹，P h 5.0=，有]

[8.02p F

d φ=，φ一般取1.2~3.5,所以此处φ取1.5。

选则材料：45

钢；

取

[]P =20MPa

4

S =355s MPa

σ=[]88.75MPa

σ=

取φ=1.5

带入设计公式，得 2d 55000

0.8

34.251.520

mm ≥≈? 按国家标准查手册表3-7和3-8选择公称直径和螺距为： 公称直径d=38mm 螺距P=7mm

螺杆小径 d 1=d -8=30mm

螺杆中径2d =d-3.5=34.5mm>30.984mm

2.1.4自锁验算

自锁验算条件是v ρψ≤

υυβ

?ψf f

arctan cos arctan

==≤ ψ为螺纹中径处升角；υf :当量摩擦系数；f

：摩擦系数；ρv 为当量摩

擦角β：牙侧角，?==152/αβ。

摩擦系数f 由查表5-12可知，0.08~0.10f =，由于千斤顶的运动速度是很低的，所以摩擦系数按起动时取最大值0..10。

d arctan

2

πψnP

==arctan 17

3.143

4.5??=3.6960 0.10

arctan arctan 5.911cos cos15f υφβ===??

经验算，υψφ≤，满足自锁条件。

2.1.5结构设计

根据图1-2进行螺母的结构设计

（1）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 。

（2）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 。退刀槽的宽度可取为1.5P ，取d 4=d 1-0.5=29.5mm ；退刀槽宽度1.5P=10.5mm

中径计算初值：

2d =34.25mm

螺杆尺寸： d=38mm P=7mm d 1=30mm

2d =34.5mm

取： 牙侧角：

15β=?

摩擦系数：

0.10f =

d arctan

2

πψnP

==3.6960

φv=5.9110

退刀槽直径： d 4=29.5mm 退刀槽宽度： 1.5P=10.5mm

（3）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。 （4）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) 50,5D mm H mm ==，挡圈用紧定螺钉(GB/T68-2000)

820M ?固定在螺杆端部。

2.1.6螺杆强度计算

对受力较大的螺杆应根据第四强度理论校核螺杆的强度，强度计算公式为：

][)(

3)(32

222στσσ≤+=+=T

ca W T A

F

或

][)4(3121

2σσ≤+=

d T

F A ca 其中扭矩2

)

tan(2

d F T υρψ+=（上式中ψ为螺纹中径处升角，υρ为当量摩

D=50mm

H=5mm

820M ?

擦角）

由已知：F=55kN

T=Ftan(Ψ+φv )d 2/2=55000*tan(3.6960+5.9110)*34.5/2=160588.3N ?mm A=d

22

41

π=934.35mm 2

则有：

)

4(

1

312

2

d T F

A

ca

+=σ

≈65.1MPa<[]88.75MPa σ=

2.1.7稳定性计算

细长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。

4~5.2/≥F F cr

螺杆的临界载荷cr F 与柔度s λ有关

其中i l s /μλ=；当螺杆的柔度λs ＜40时，可以不必进行稳定性校核。 该千斤顶一螺母座位支承时，作不完全固定支承，另一端有径向和轴向约束，为固定支承，所以端部职称情况是一端固定，一端不完全固定。故取2=μ l 为举起重物后托杯底面到螺母中部的高度，可近似取l ＝H +5P+(1.4~1.6)d ，故按下式计算：

l=H+5P+1.5d=220+5*7+1.5*38mm=312mm

螺杆危险截面的惯性矩，64

d 4

1π=I =3.14*304

/64mm

=39740.6mm 4

则===

4

1d A I

i 7.5mm 将以上数据代入柔度计算公式，得

==

i

l

s μλ2*312/7.5=83.2＞40

故应进行稳定性校核。 螺杆选为淬火钢，当λs

<83.2时

由公式知：

T=

160588.3 N

?mm

A=934.35 mm 2 螺杆计算强度：

)

1

4(2

2

31d T

F A

ca

+=σ=65.1MPa

2=μ

l=H+5P+1.5d=312mm

I =39740.6m

m 4

===

4

1d A I

i 7.5mm

柔度：

==i

l

s

μλ

83.5＞40

临界载荷4

0002.014902

1

2

d F cr πλ??+= =2

249034.510.0002844

π??=+?190762.4N ≈=F F cr sc s 3.47﹥2.5~4.0=s s

所以经过计算螺杆稳定。

2.2螺母设计计算

2.2.1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。

此题中选择螺母材料选为ZCuSn10P1铸锡青铜。 2.2.2确定螺母高度'H 及工作圈数'u

螺母高度2'H d ?=，螺纹工作圈数P

u H '

=，考虑退刀槽的影响，实际螺纹圈数u ' = u+1.5(u '应圆整)。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 。螺母高度由下式计算：H '= u 't

具体计算过程如下：

螺母高度：H ＇=φd 2=1.5*34.5mm=51.75mm 螺纹工作圈数：u=H ＇/P=51.75/7mm=7.39mm 考虑退刀槽的影响，取实际工作圈数为 'u =u+1.5=7.39+1.5mm=8.89mm

'u 应当圆整，又考虑到螺纹圈数u 越多，载荷分布越不均，故u 不宜大于9，故取

'u =9（圈）

H ＇＝'u P=9*6mm=54mm 2.2.3校核螺纹牙强度

根据GB/T5796.3—2005得螺母基本尺寸如下： 螺母大径：D =d+1=38+1mm=39mm

F

cr

=

190762.4N

≈=F

F cr sc s 3.47﹥

s s

螺母材料： ZCuSn10P1

铸锡青铜

H ＇

=51.75mm

u=7.39mm 圆整后，

'u =8.89

H ＇=54mm

螺母大径： D =d+1=39

mm

螺母小径：D 1=d-6=38-6mm=32mm 螺母中径：D 2=d 2=34.5mm 由图1—3得：

D 3=（1.6~1.8）D=1.7*39mm=66.3mm

D 4=（1.3~1.4）D 3=1.35*66.3mm=89.505mm

3

'H a = =54/3mm=18mm 螺母的其它尺寸见图1―3，螺纹牙多发生剪切与弯曲破坏。由于螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度。

（1） 剪切强度校核

假设螺母每圈螺纹 所承受的平均压力为

u

F ，并作用在螺纹中径为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面的剪切强度条件为： ][τπτ≤=Dbu F

对于梯形螺纹，查表得：MPa 40~30][=τ

b=0.65P=0.65*7mm=4.55mm 则剪切强度为：

55000

10.97MPa 39 4.559

τ==???π﹤[]τ

故满足剪切强度条件。 （2）弯曲条件校核

螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为][62b u

Db Fl

σπσ≤=；

弯曲力臂：23934.5

2.2522

D D l mm mm --=

== 螺母材料的许用弯曲应力，查表得：

MPa b 60~40][=σ；

将数据带入弯曲强度条件公式，得：

26655000 2.25

D u 3.1439 4.55 4.559

b Fl σ??==????π=32.54MPa []σb ≤

经验算，符合弯曲强度条件。

螺母小径： D 1=d-6=32

mm

螺母中径： D 2 =34.5mm

D 3=66.3mm D 4=89.505mm

'=3H a

=18mm

b=4.55mm

剪切强度验

算：

10.97MPa

τ=﹤[]τ

弯曲力臂：l=2 .25mm 强度条件验算：

32.54MPa

σ=[]σb

≤

图1—3

2.2.4螺母与底座孔配合

（1）采用78r H 配合； （2）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；

（3）为了更可靠地防止螺母转动，还应装置紧定螺钉，紧定螺钉选择的是

（GB/T71—1985）825M ?。

2.3托环的设计与计算 2.

3.1托杯材料的选择

选择托环材料为235Q 钢。 2.3.2结构设计

托杯用来承托重物，可用铸钢铸成，也可用Q235钢模锻制成，其结构尺寸见图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。

2.3.3接触面强度校核

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

紧定螺钉： 825M ?

托杯材料：

Q235

还需要验算接触面间的压力强度。 由图1-4计算各尺寸：

厚度12mm δ=；

D 11=(0.6~0.7)d=0.65*38mm=24.7mm D 10=2.5d=2.5*38mm=95mm D 13=1.8d=1.8*38mm=68.4mm D 12=D 13-4mm=64.4mm

H=1.6d=60.8

图1—4

为避免工作时过度磨损，接触面间的压强应满足

[]P D D F

P ≤-=

4

)

(2

11212π

12mm

δ=

D 11=24.7 mm D 10=95mm D 13=68.4 mm

D 12=64.4 mm

将数据代入得：

(()

2222

121155000-)D D 64.424.744

F P ππ==?-MPa=19.807MPa 计算许用压强[p]，取托杯和螺杆材料[p]中较小的一个：

螺杆[p]=88.75MPa ，托杯[p]=235Mpa ；

取[p]=88.75Mpa ；

经验算：[]P P ≤，接触面压强满足要求，选材合理。

为了固定拖杯选择M6*20的螺钉，和挡圈D=40mm ，H=5mm 。

2.4手柄的设计计算 2.4.1手柄材料的选择

常用Q235和Q215。本题中，该千斤顶手柄采用的材料是Q235

2.4.2计算手柄长度p L

扳动手柄的力矩：21T T L K p +=?，则

12p T T

L K

+=

K ——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 。本题中选择200K N =；

=55tan （3.6960+5.9110）*34.5/2 N ·m

=160.6 N?m

=（64.4+24.7）*0.1*55/4 N?m =122.5N?m

12

p T T L K

+=

=（160.6+122.5）*1000/200m=1415.56mm 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 。故手柄的实际

长度是：

P=19.807MPa

M6*20的螺

钉

挡圈D=40mm ，H=5mm

手柄采用的材料是Q235

K=200N

T 1==160.6N ?m T 2=122.5 N?m

=1415.56+68.4/2+100mm=1549.76mm 为减小起重器的存放空间，一般手柄不得大于起重器的高度，可取600L mm =，使用时加套筒。 手柄参考图1-5（见下页）

2.4.3手柄直径d

p 的确定

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

3p

p

F d 1.0KL =

σ≤[σ]F

故得设计公式为

3]

[1.0F p

p KL d σ≥

式中：[σ]F ——手柄材料许用弯曲应力，当手柄材料为Q215和Q235时，

[σ]F =120Mpa 。

d p 32001549.760.1120

?≥?mm=29.56mm

取 d p =32mm

则d k =d p +1mm=33mm 2.4.4结构

手柄插入螺杆上端的孔中，为防止手柄从孔中滑出，在手柄两端面应加上挡环（图1―6），并用螺钉或铆合固定。因为手柄的精度要求不高，如图计算

L p =1415.56 mm

L p ＇

=1549.76m m

600L mm =

d p =32mm

d k =33mm

螺

钉：

选用的螺钉为（GB/T68-2000）616

M?,挡圈尺寸D=45，H=6.

2.5

底

座设

计

2.5.1选择底座材料

底座材料常用铸铁（HT150及HT200），此题中底座材料选为HT200；2.5.2结构设计

铸件的壁厚δ不应小于8～12mm，此题中选择10mm

δ=；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。

2.5.3底座设计计算

16

6?

M

挡圈：D=45，H=6

底座材料：HT200；

厚度：

10mm

δ=

斜度：

1

10

K=

由图1-7可得底座的相应尺寸：

H 1=H+20mm=240mm

D 6=D 3+12mm=66.3mm+8mm=74.3mm D 7=D 6+H 1/5=(74.3+240/5)mm=122.3mm

=

2455000

122.32

π?+?=223.6mm

R=10mm δ=10mm

h=1.3δ=13mm

=54mm-18mm=36mm 式中：[σ]p ——底座下枕垫物的许用挤压应力。对于木材，取 []2~2.5p MPa σ=，此题中取 []2p MPa σ=；

'2;

(8~10);

H H a mm δ=-= 底座尺寸：

H 1= 240mm D 6=74.3mm D 7=122.3 mm

D 8=223.6m m

H 2=36mm

δ=10mm h=1.3δ=10.13mm

图1--7

2.6、关于装配图部分尺寸的说明：

如图1-5：

'1 1.6 1.5 1.55460.810.522057402.3L H d H d mm

δ=++++=++++=

2 1.5'10.522054284.5L H H mm

δ=++=++=

L1=402.3mm

L2=284.5mm

3.关于螺旋千斤顶结构设计等的补充说明

（1） 螺母与底座的配合常用

78r H 或7

8n H

等； （2） 为防止螺母转动，应设紧定螺钉，直径常取M6~M12，根据起重大

小决定；

（3） 为防止托杯脱落和螺杆旋出螺母，在螺杆上下两端安装安全挡圈； （4） 连接螺钉，挡圈，挡环的规格尺寸按结构需要选取或设计； （5） 为减少摩擦、磨损及托杯工作时不转动，螺旋副及托杯与螺杆的接

触面均需润滑；

（6） 装配图尺寸标注应包括特性尺寸（如最大起落高度）、安装尺寸、

外形尺寸（总厂、总宽、总高）和派和尺寸等；

（7） 图面应注明技术特性及技术要求； （8） 图纸规格应符合之徒规定，绘图要按国家标准，标题栏和明细表的

格式应符合要求，详见课程设计教材，或采用学生用标题栏及明细表格式；

（9） 设计计算说明书应在全部计算及图纸完成后进行整理编写。

参考文献：

[1]杨 玲.螺旋千斤顶作业指导书.西南大学工程技术学院,2009. [2]濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）.高等教育出版社,2006. [3]邱宣怀.机械设计（第四版）.高等教育出版社,1997.

[4]大连理工大学工程画教研室.机械制图. 高等教育出版社,2003.8.

[5]吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册(第三版). 高等教育出版社,2006.