螺旋千斤顶设计计算说明书.docx

1、螺旋千斤顶设计计算说明书精04 张为昭 2010010591目录一、 基本结构和使用方法-3二、 设计要求-3三、 基本材料选择和尺寸计算-3（一） 螺纹材料和尺寸-3（二） 手柄材料和尺寸-8（三） 底座尺寸-9四、 主要部件基本尺寸及材料-9五、 创新性设计-9一、 基本结构及使用方法要求设计的螺旋千斤顶主要包括螺纹举升结构、手柄、外壳体、和托举部件几个部分，其基本结构如下图所示：该螺旋千斤顶的使用方法是：将千斤顶平稳放在木质支承面上，调整千斤顶托举部件到被托举重物合适的托举作用点，然后插入并双手或单手转动手柄，即可将重物举起。二、 设计要求（1） 最大起重量：；（2） 最大升距：；（3）

2、 可以自锁；（4） 千斤顶工作时，下支承面为木材，其许用挤压应力：；（5） 操作时，人手最大可以提供的操作约为：。三、 基本部件材料选择及尺寸计算（一） 螺纹材料和尺寸 考虑到螺旋千斤顶螺纹的传力特性选择的螺纹类型为梯形螺纹。（1） 材料选择千斤顶螺杆的工作场合是：经常运动，受力不太大，转速较低，故材料选用不热处理的45号钢。千斤顶螺母的工作场合是：低速、手动、不重要，故材料选用耐磨铸铁HT200。（2） 螺杆尺寸设计螺旋副受力如下图所示：1、 耐磨性设计由上图螺旋副的受力分析可知，螺纹传动在旋合接触表面的工作压力为：其中，轴向载荷：。螺纹高：，由选择螺纹的公称直径确定。为了方便满足自锁性要求

3、，采用单头螺旋，一般旋合圈数：。为方便计算，设螺纹参数中间变量：高径比。耐磨性的要求是：其中为满足耐磨性条件时螺纹副的许用压力。对于钢-铸铁螺纹螺母材料，由于千斤顶的工作速度较低，可认为滑动速度不大于3m/s。千斤顶中螺母为整体结构，螺母磨损后不能调整，但螺母兼作支承作用，故设计时可先认为，则可取此时的许用压力为17MPa。由螺旋副接触表面压力公式及耐磨性公式得到耐磨性设计公式：对梯形螺纹，代入上式求得：查国标选梯形螺纹为公称直径d为Tr36，导程P为10mm，中径满足要求。代入高径比计算公式：求得实际旋和圈数Z=7.75。 故暂定螺纹尺寸是公称直径d为Tr36，导程P为10mm，旋合圈数Z=

4、7.75。2、 强度设计 已知最大载荷为25kN，则在载荷最大时，螺杆受到扭矩：其中螺纹中径：；螺纹升角：；当量摩擦角：；当量摩擦系数：。由于螺杆螺母为钢铸铁材料，考虑到千斤顶既有稳定自锁，又有上升运动过程，故取摩擦系数f=0.14。又由于采用梯形螺纹，故牙型角。联立以上各式解得螺杆受到的最大扭矩：已知小径：，则由第四强度理论，危险截面应力： 已知45号钢屈服强度为355MPa，载荷稳定故取许用当量应力： 则有：，即已选定螺纹可以达到强度条件。3、 自锁性设计 千斤顶由于其用途，要求具有自锁功能。由于自锁是针对停止状态所说，故摩擦系数f可取较大值0.14，由强度设计中的计算结果，此时当量摩擦角

5、：大于螺旋升角：，所以自锁性条件可以满足。4、 稳定性设计稳定性条件：由于千斤顶为传力螺旋，故取安全系数S=3.5。由千斤顶结构，螺杆端部结构为一端固定，一自由式支承，长度系数为2.0。要求最大升距为200mm，由装配图测量得到此时从支承螺母中心到千斤顶顶部的等效长度L为325mm，螺杆的柔度：已知使用45号钢且不做热处理，则临界载荷：故稳定性条件可以满足。 综上所述，螺杆选择Tr36，导程P=10mm即可满足设计条件。（3） 螺母尺寸设计由螺杆中的设计，将旋和圈数Z定为7.75。一般来说螺母只需校核螺纹牙即可，而且由于螺母材料为铸铁，强度小于螺杆材料，故只需要校核螺母螺纹牙的剪切强度、弯曲强

6、度和抗挤压强度即可，螺杆上的螺纹牙强度则不用校核。螺母螺纹牙受力如下图所示：1、 剪切强度校核剪切强度条件：其中旋合圈数：Z为7.75；螺纹公称直径：;螺纹牙根部厚度：b=0.65P=6.5mm。耐磨铸铁许用剪切应力取为：。代入各项数据得上述剪切强度不等式成立，即剪切强度满足要求。2、 弯曲强度校核弯曲强度条件：其中牙高：h=5.5mm；耐磨铸铁许用弯曲应力取为：。代入各项数据得上述弯曲强度不等式成立，即弯曲强度满足要求。3、 抗挤压强度校核由螺母螺纹牙受力图可得平均挤压应力： 已知螺母许用挤压应力：，显然满足 的抗挤压强度准则。4、 螺母外部尺寸设计由基本结构图可以看到，螺母的外部形状可以看

7、作是两个半径不同的同心圆柱连接在一起，这样设计的目的是保证螺母的定位。为了保证千斤顶的正常工作，需要设计这两个圆柱的尺寸以使其在工作中不会失效。由前述计算已知的螺母尺寸为：H=ZP=77.5mm，圆整后高度H=78mm，内螺纹大径。设螺母外部形状：小圆柱外径为，大圆柱外径为及小圆柱的高度为未知待求。为防止大圆柱与千斤顶壳体的接触面被压坏，需要满足：对耐磨铸铁HT200，许用的抗压应力,最后设计大圆柱外径为： 为了防止大圆柱突出部分被剪断，需要满足：对耐磨铸铁许用剪切应力为40MPa，最后设计小圆柱高度为： 综上所述，螺旋千斤顶的螺纹选为公称直径d为Tr36,导程P=10mm。此时螺母高度H=7

8、8mm，螺母外部小圆柱外径60mm，高60mm，大圆柱外径80mm。小圆柱表面与外壳体之间有基轴制配合关系，故选其公差带为h7。查标准得：所选螺纹配合为中等旋合长度。由于千斤顶为中等精度机械设备，故查标准得内螺纹公差带为6H，外螺纹公差带为6g。螺母外部小圆柱装配时对精度要求不高，圆柱度公差取为9。螺母外部小圆柱与内部螺孔需要有一定同轴度以保证千斤顶工作正常，但形位度要求不高，取同轴度公差为9。螺母外部小圆柱轴线与大圆柱和外壳体的接触面还有垂直度的要求，也取公差为9。整个螺母接触面都较重要，表面粗糙度Ra值选为3.2，未接触面Ra可选为12.5以降低加工成本。（二）手柄材料及尺寸（1） 材料选

9、择 综合考虑成本和强度，手柄的材料选用普通未经热处理的45号钢。（2） 长度设计由螺杆的强度设计可知，手柄需要提供最大97.408Nm的扭矩，则手柄的有效作用长度应为：在实际设计中，由于手柄还要满足插入螺杆上部接头的要求，同时考虑 到千斤顶本身运动部件具有摩擦力，因此实际设计长度还要在此长度上加上一部分，最终应设计长度为520mm。（3） 直径设计手柄在操作时会受到剪力和弯矩的作用，最大操作力为200N,最大扭矩为97.408Nm，则力的分布图如下所示：剪力图弯矩图可见，危险截面在手柄与螺杆接头处。手柄的材料选为未经热处理的45号钢，设计手柄直径为D，则危险截面最大剪应力： 危险截面最大弯曲正

10、应力：由第四强度理论，要使手柄正常工作，需要满足条件： 当安全系数为2时，许用应力,代入第 四强度理论计算式，并联立剪应力、切应力计算公式，求得手柄直径：D=15mm 综上所述，手柄长520mm，直径15mm。（三）底座尺寸千斤顶使用时的下支承面为木材，许用挤压应力为3MPa，则由抗击压强度准则：其中S为下支承面尺寸，解上述不等式，得，为满足易于组装及各方向受力均匀的要求，选择下支承面为环形结构，内径尺寸为100mm可以满足准则要求，综合考虑到千斤顶本身具有的重量、体积和使用时的稳定性，将外径尺寸设计为180mm。综上所述，下支承面设计为环形，内径100mm，外径180mm。四、 主要部件基本尺寸及材料（1） 螺杆螺纹：，45号钢；（2） 螺母螺纹：，HT200耐磨铸铁；（3） 手柄：长度500mm，直径15mm，45号钢；（4） 底座：外径180mm，内径100mm，HT200灰铸铁。五、 创新性设计（1） 手柄加上橡胶手柄球而非普通塑料手柄球，既节约成本，又易于拆卸，减少千斤顶存放的体积；（2） 为了携带方便，给千斤顶外壳加上把手；（3） 为提高外壳强度，给外壳加上肋板；