螺旋千斤顶设计说明书（交大）

螺旋千斤顶设计1.题目介绍：（1） 基本要求：l 设计一个螺旋千斤顶（如右图）（2） 工作参数：l 最大起重量Fmax=26KNl 最大起升距Hmax=220mm（3） 设计要求：l 根据最大起升重量选择材料l 确定螺纹尺寸l 满足耐磨性l 强度条件l 稳定性条件l 自锁条件（4） 计算要求：l 螺旋传动的材料选择，工作能力计算和自锁性计算，其它结构的工作能力计算；(螺母许用挤压应力p 1.5b) l 地面承压能力计算，确定下支承面尺寸；(木材许用挤压应力p=3MPa)l 人手的操作能力计算，确定手柄的直径和长度(人手最大操作力200N)。（5） 绘制装配图和螺母零件图（确定全部结构形式和尺寸）。2.千斤顶设计2.1螺旋传动设计2.1.1选择螺纹类型千斤顶是传力机构，常用于传力或传递运动的螺纹为矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹。矩形螺纹效率高，但牙型精确制造困难，螺旋副磨损后间隙难以补偿，且内外螺纹旋合定心较难，故常为梯形螺纹所代替；锯齿形螺纹牙的工作边接近矩形直边，多用于承受单向轴向力；梯形螺纹的牙型角=30，牙根强度高，螺纹的工艺好，对中性好，不易松动。综上，本设计选择用梯形单头螺纹。由于千斤顶对精度的要求不高，而且属于中等旋合长度，因此，公差带选7e。2.1.2选择螺旋副材料机械设计教程表2-38千斤顶最大起升重量为26KN，最大起升距离为220mm，由千斤顶工作条件可得：其工作转速低，而受力较大。因此：螺杆材料选择45号钢，螺母材料选择ZCuAl10Fe3。2.1.3 耐磨性设计根据耐磨性条件确定螺杆中径d2。求出d2后，按标准选取相应公称直径d、螺距P及其它尺寸。 耐磨性设计公式如下：由于螺母为整体结构，故f=1.22.5，这里取f=1.7梯形螺纹h/P=0.5螺杆材料为钢，螺母材料为青铜，滑动速度为低速时，许用压强为p=(1825)MPa。这里取p=18MPa,得：= 代入数据得螺杆中径为：d223.26 mm查机械设计手册，提梯形螺纹基本尺寸（GB/T 5796.32005）优先选用第一系列，故公称直径d取28mm，相应的螺距P=5mm，外螺纹中径d2=25.5mm>23.26mm，外螺纹小径d1=22.5mm，内螺纹小径D1=23mm内螺纹中径D2=25.5mm内螺纹大径D=28.5mm检验：梯形螺纹h=0.5P，b=0.65P，螺母高度H=fd2。 本设计f=1.7，从而b=0.655=3.25mmH=1.725.5=43.35mm44mm（圆整）螺母的圈数Z=H/P=44/59<10,合理。此时，表面工作压力 2.1.4自锁性能校核l 求螺纹升角（单头螺纹）：l 求当量摩擦角：查表，得钢对青铜的f=(0.080.10)，且梯形螺纹牙型角为30故当量摩擦角 ,满足自锁能力要求。2.1.5螺杆和螺母强度校核l 对螺杆：其中F=26KN，d1=22.5mm，计算得:查课本P64表2-29常用齿轮材料及力学性能得：调质45号钢 查书上P100表滑动螺旋副材料的许用应力得：(载荷稳定时，许用应力取大值，故分母取3）。因此螺杆强度满足要求。l 对螺母剪切强度条件：螺纹牙危险截面（根部）剪切应力ZCuAl10Fe3的许用剪切应力，满足剪切强度要求。弯曲强度条件：齿根弯曲应力为：ZCuAl10Fe3的许用弯曲应力，满足弯曲强度要求。2.1.6螺母外径和凸缘设计已知内螺纹大径D=28.5mm内螺纹小径D1=23mm内螺纹中径D2=25.5mm螺母高度H=44mm则螺母小端直径 大端直径凸缘高度取，, 螺母选用ZCuAl10Fe3，其剪切许用应力为，弯曲许用应力为，挤压许用应力为：校核凸缘厚度：，满足。校核凸缘外径，凸缘受挤压应力：，满足。综上，对螺母有：，, 螺母与底座孔的配合：由于该配合处无相对转动，无载荷传递，没有精密定位的要求，不经常拆卸，且螺母的小径表面与外壳体之间有基轴制配合关系，故选择H8/h7(小间隙配合)。为了安装简便，需在螺母下端和底座孔上端做出倒角。2.1.7螺旋传动效率2.1.8螺杆稳定性校核千斤顶在工作中主要受压，而长径比大的受压螺杆可能会失稳，所以需要校核稳定性。稳定性条件为式中:Sc为螺杆稳定性的计算安全系数；S为螺杆稳定性安全系数。对于传力螺旋，S=3.55。F是作用在螺杆上的轴向载荷，是螺杆的临界载荷。在计算临界载荷前，先需要计算螺杆的柔度。千斤顶螺杆在工作过程中，一端固定，一端自由，得长度系数。考虑到螺杆的工作长度最大升距，因此+5=44+220+5=269mm，因此：由，得:所以满足稳定性要求。至此，螺纹的设计及校验已经完毕：螺杆材料选择45号钢，螺母材料选择青铜ZCuAl10Fe3。采用梯形单头螺纹，公称直径d=28mm，第一系列，螺距为P=5mm。2.2其他部件设计2.2.1推力轴承设计在托杯下方与螺杆上方加入一个推力球轴承减小摩擦。轴承代号：51205内径dc=25mm，外径Dc=47mm，厚度Tc=15mm，Cr=27.8kNFmax=26000N，Cor=50.4kNFmax，满足。2.2.2托杯设计材料选用Q235。Q235屈服极限，许用应力由于推力轴承内径dc=25mm，故下端孔径dt=1.1dc=27mm取底面的大径Dt=47mm取托杯壁厚d=6mm取托杯的上径Dto=65mm选定托杯的截面的倾角为，则托杯高度ht=(Dto-Dt)(2tan15)=33.59mm，圆整后取ht=34mm下面对于托杯的设计的强度进行验算：因此挤压应力是安全的。此外，为了防止托杯与重物之间出现相对滑动，在托杯上表面制有三个对称分布圆弧形缺口。切口的直径为28mm。2.2.3手柄设计手柄的设计，主要分为以下两个方面：手柄的材料以及截面积的选择；手柄的长度。（1）手柄长度：力矩有两个方向，一个是用于向上提升螺杆，另一个用于克服与推力球轴承的摩擦，即，其中对于推力球轴承f=0.0015，N=Fmax=26kN，d=25mm。代入计算，得M2=0.4875NmM=48.36+0.4875=48.85Nm人手的最大作用力为200N，则手柄长度L=M/200=0.2443m=244.3mm考虑到手柄安装把手和两端挡片，最终取手柄长度L=400mm（2）手柄截面积：材料仍然使用Q235钢，则需满足：=78.33MPa从而。圆整后取dL=22mm手柄插入螺杆上端的孔中，在手柄两端面外侧安装两个球体，取其直径为30mm。2.2.4螺杆上封头设计（封头与螺杆是一体的一个零件，可以通过车削加工得到。）取封头外径Ds=56mm由于推力轴承内径为25mm，故上面凸出的小头部分直径ds=25mm。由于推力轴承厚15mm，托杯壁厚6mm，故凸出的小头部分的高度hs=15+6=21mm封头中间要设置通孔，以便手柄从中穿过。由于手柄直径dL=22mm，故可设置通孔的直径为f=23mm。取封头的厚度Bs=40mm。当千斤顶升距为零时，取封头底面与底座上端面的距离为5mm。2.2.5 底座设计材料选用铸铁HT150，取壁厚t=10mm。为了增加底座的稳定性，同时保证对承载木材的压应力在许用范围内，将底座设计为斜面。底座高度需满足： 底座高度>最大升距+螺母高度即：h>220+44=264mm考虑余量，取底座高度h=300mm底座下端面内径取d下=90mm，外径取D下=160mm校核底座下端面挤压强度：，满足。l 校核螺母过渡平面与底座上端平面接触面的挤压强度：上端面需内孔需保证与螺母小端的配合，故取上端面孔径d上=D11=50mm,外径D上=90mm。由于45号钢强度高于HT150,故只校核底座在接触面上的挤压强度HT150抗压强度，满足。l 校核靠近上端面壁厚t=10mm处危险界面的强度：，满足。2.2.6 紧定螺钉选择l 与螺母相连的紧定螺钉千斤顶工作过程中，为了防止螺母相对千斤顶转动，还应安装紧定螺钉。螺钉材料选用Q235：屈服极限为，许用剪切应力为由，得：得此外，根据底座靠近上端部厚度，以及为确保剪切强度条件，最终选用性能等级为22H的M1230紧定螺钉。三、各零件最终参数1、螺杆材料：45号钢调质参数：公称直径d=28mm，小径d1=22.5mm，中径d2=25.5mm，螺距P=5mm，线数，旋合圈数Z=9，当量摩擦角4.73，螺纹上升角3.57。螺杆总长=H+Hmax=44+220+5=269mm2、螺母材料：ZCuAl10Fe3参数：小径D1=23mm，中径D2=25.5mm，大径D=28.5mm，螺距P=5mm，线数，旋合圈数Z=9，螺纹牙根部厚度b=3.25mm，小端外径D11=50mm，大端外径D10=65mm，螺母高度H=45mm，凸缘高度a=15mm3、手柄材料：Q235钢尺寸：dL=22mm，长度L=400mm4、螺杆上封头材料：Q235钢参数：封头通孔的直径f=23mm，封头外径Ds=56mm，封头厚度40mm。上面凸出的小头部分直径ds=25mm，高度hs=25mm。千斤顶升距为零时，封头底面与底座上端面的距离为5mm。5、底座材料：HT150参数：高h=300mm，厚度t=10mm，上端内径d上=50mm，上端外径D上=90mm，底面内径d下=90mm，底面外径D下=160mm，底座厚度20mm，上台厚度35mm。6、推力球轴承轴承代号：51205参数：内径dc=25mm，外径Dc=47mm7、托杯材料：Q235钢参数：托杯下端内径dt=27mm，下端外径Dt=47mm，壁厚6mm，上端外径Dto=65mm，上端内径=Dto2d=53mm，托杯高度ht=34mm。托杯上表面对称分布有三个圆弧形缺口，切口的直径为28mm。8、挡圈和螺钉防止螺杆脱出的挡圈选用B50，所配螺栓选用M825。防止托杯被取出的挡圈选用B32，所配螺栓选用M820。防止螺母相对千斤顶转动的螺栓选用M1230。手柄里的螺钉选用M512。思考题如何设计可以省力？答：增大手柄长度（但手柄过长，则必须考虑增粗手柄直径）；利用轴承，将转轴上端面与杯托下端面产生的滑动摩擦阻力矩转变为滚动摩擦。选用质量更好的推力球轴承，可以减小托杯和轴之间的摩擦力。如何设计可节省操作空间？答：手柄可以设计的更短一些，取而代之的是在工作时将筒套在手柄上增大力臂。