机械设计千斤顶设计
机械设计大作业
计算报告
班级:机械91 姓名:周斌
题目:设计螺旋千斤顶的结构形式和相关尺寸。
要求:最大起升重量Fmax=30kN,最大起升距离hmax=180mm;满足耐磨性条件,强度条件,稳定性条件,自锁条件;具有功能实现的可能性、可靠性;具有加工、装配、操作的可能性和可靠性;具有经济性。(螺母许用挤压应力[σP]≈1.5 [σb])地面承压能力计算,确定下支承面尺寸(木材许用挤压应力[σP]=3MPa);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)
一、螺旋传动副设计 1、 螺旋传动的选材 由教材提供的常用材料表
千斤顶的运动属于重载、低速运动。那么,选择螺杆的材料为45钢,进行正火或调质处理,螺母的材料为ZCuAl10Fe3。
2、 选定螺纹类型
根据题目可以确定为由于是载重的设计,那么选择工作状况为重载,低速,于是选择梯形螺纹(GB/T 5796.1-2005)。
梯形螺纹的示意图:
3、耐磨性计算
由教材表2-39查得摩擦副的性质,在钢-青铜下的低速,[p]=18~25MPa,取为18MPa。而f=0.08~0.10,其中摩擦系数在起动,即静摩擦的时候取较大值,在运动时取较小值。
对于梯形螺纹,由机械设计手册得知h=0.5P。取高径比φ=2.0。 根据耐磨性设计公式:
d2≥
≈
=23.03mm 根据GB/T 5796.2—2005,按照螺纹的第一系列的选取,并给下面的强度校核提供足够的安全的余量,并考虑到为了实现自锁需较大螺纹大径,取公称直径
d=40mm,螺距P=6mm。
根据GB/T 5796.3—2005,外螺纹小径d3=d-7=33.0mm,内外螺纹中径
d2=D2=d-3=37.0mm,内螺纹大径D4=d+1=41.0mm,内螺纹小径D1=d-6=34.0mm,螺纹高度h=0.5P=3.0mm。
螺旋的螺纹上升角:ψ=arctan
P6=arctan=2.95︒,牙型角α=30 πd2π⨯37
取旋合圈数Z=10。
螺母高度H=ZP=10⨯6=60mm
4、强度校核
(1)螺杆的强度校核
螺杆受到正压应力和扭转切应力同时作用,使用第四强度理论进行强度校核,其中可以看到,危险截面是小径截面:
σv==[σ]v 螺杆的材料是45钢,σs=355MPa σσ355
=71MPa。 由表2-40得[σ]=s,取[σ]=s=
3~555
当量摩擦角:
f0.08
ρv=arctan()=arctan()=4.73
cos15cos2
工作时候的转矩:
d0.037T=F2tan(ψ+ρv)=30000⨯tan(2.95 +4.73 )=74.84N⋅m
22
那么可以得到等效的应力:
σca==36.93MPa
(2)螺母螺纹牙的强度
螺纹牙的主要失效形式,为剪切和挤压,螺母的危险截面暂且选为外螺纹的小径平面。
首先计算剪切强度条件: Fτ=≤[τ]
Zπdb
其中对于青铜来说,切应力[τ]=30~40MPa 对于梯形螺纹b=0.65P=0.65⨯6=3.9mm。 下面代入数据:τ=
F30000
==6.12MPa≤[τ] Zπdb10⨯π⨯0.04⨯0.0039
另外还需计算挤压造成的弯曲应力
3Fhσb=≤[σb]
Zπdb2其中,[σb]=40~60MPa
代入数据:σb=
3Fh3⨯30000⨯0.003
==14.13MPa≤[σb]
Zπdb210π⨯0.04⨯0.00392
则螺纹牙的强度是满足使用要求的。
5、受压螺杆的稳定性校核
千斤顶的最大起升距离hmax=180mm;托杯的高度由后面设计给出,取为50mm,则进行稳定性计算的压杆长度:L=180mm+50mm=230mm 螺杆为一端固定,一端自由,取μ2=2.0 则由柔度公式λ=
4μ2l4⨯2.0⨯0.23
==54.12≤85 d10.034
πd12490
所以螺杆的临界载荷Fcr=⋅=105.54kN
1+0.0002λ24稳定性计算安全系数: Sc=综上,满足稳定性的要求。
6、螺纹的自锁性验证
静摩擦时令f=0.1 当量摩擦角ρv=arctan
FcrF
=3.5≥ S =2.5~4
fcos
2
=arctan
0.1
=5.91cos15
螺纹上升角:ψ=arctan
P6=arctan=2.95︒ πd2π⨯37
可以看出ψ
二、组成结构设计
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。
根据GB/T 301―1995选择内径dc=25mm的型号52205的推力球轴承,外径Dc=47mm。
其额定静载荷C0a=50.5kN>30kN,满足要求。
推力轴承结构如下图:
2、 托杯设计
对托杯,材料选用Q235钢。则
[σb]=
σs
ns
=
235
=156.7MPa,[σp]=1.5[σb]=235MPa。 1.5
由轴承相关计算得螺杆上面凸出的小头:dd=dc=25.0mm。 那么保留一定加工时的不配合余量0.1dd,可以得到,下端孔径
dt=1.1dd=27.5mm
底面的大径的选择Dt=(1.7~1.9)dd-(2~4) 取Dt=1.8dd=1.8⨯25≈47mm 这里,将壁厚取为δ=10mm。
对于托杯的上径,Dto=(2.4~2.5)dd。取Dto=2.5dd=2.5⨯25=62.5mm圆整后取Dto=67mm
选定托杯的截面的倾角为15 ,那么托杯高度ht=圆整后取ht=92mm。
下面对于托杯的设计的强度进行验算: 1) 挤压:
Dto-Dt
=91.6mm,
2tan15︒
σp=
4F4⨯30000
==27.28MPa
π(Dt-(Dt-2δ))π(0.045-0.025)
挤压应力是安全的。
2)下壁弯矩:
取D0的直径处的圆心角为dα的一段进行弯矩的分析,有:
FdαDto-Dt
⋅ 2π21Dt⋅dα2
W=δ
62M=∴σb=
M3F(Dto-Dt)3⨯30000⨯(0.063-0.045)===114.59MPa
也是安全的。
3、手柄套即螺杆上封头设计
外径以托杯底座为基准,考虑加工的倒角,取:
Dd=Dt+4=45+4=49.0mm
对于上面凸出的小头部分:dd=25.0mm 高度hd=hc+δ=25mm
对于螺杆的螺纹部分,长度为:
而这里我们可以考虑的是加一些磨损的裕量,l=H+H0=60+180=240mm,
h=10mm,这个裕量可以是5mm,与封头连接的部分的长度选为,这样l=255mm。
而封头的厚度,取为hf=1.2dc=30mm。
封头危险截面为手柄孔径所在的水平面,待手柄尺寸定后校核封头。
4、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M=M1+M2
M1为抬升螺杆的力矩,在启动时最大
d0.037
M1=F2tan(ψ+ρv)=30000⨯tan(2.95 +4.73 )=74.84N⋅m
22
计算摩擦力矩:
M2=
1
fPd,其中推力球轴承,摩擦因数取为f=0.0015,P=30kN,2
d=25.0mm。
代入计算,有
M2=
1
fPd=0.5⨯0.0015⨯30000⨯0.025=0.56N⋅m 2
M=M1+M2=74.84+0.56=75.40N⋅m 人手的最大作用力为200N,则手柄长度:
L0=
M75.40==0.38m。 F1200
保留一定的裕量,和加工的把手,和封头另外一边的延伸部分等等,那么最
11
终取为Lb=L0+⨯Dd=0.38+⨯0.049=0.40m,圆整为Lb=0.50m。
22
(2)手柄截面积:
材料取用仍然使用的是Q235钢,那么:
[σb]=
σs
ns
=
235
=156.7MPa,[σp]=1.5[σb]=235MPa。 1.5
MM=
从而:
σb=
db≥==16.99mm
封头的最大应力
F
σ=
πDd2-Dddb4从而:
db
11F11300002
(πDd-)=(π⨯0.0492-)=35.88mm 6Dd4235⨯10⎡⎣σp⎤⎦0.0494
圆整之后,最终取db=22mm。 封头的通孔直径df=1.1db≈25mm。
5、 螺母设计
螺母的主要失效形式:螺纹牙磨损,牙根弯曲折断或剪切,螺母悬置部分扭断,螺母凸缘被挤坏,凸缘部分弯曲或剪断。 螺母选材:ZCuAl10Fe3
剪切许用应力[τ]=(30~40)MPa,取[τ]=35Mpa 弯曲许用应力[σb]=(40~60)MPa,取[σb]=50Mpa 挤压许用应力[σ]=1.5[σ]=75MPa
pp
根据上述计算的螺杆尺寸参数,可得螺母尺寸如下:
小径D1=d-6=34.0mm,中径d2=D2=d-3=37.0mm,大径D=d+1=41.0mm
=10⨯6=60m,mac=0.5mm,螺纹牙根部厚度螺母高度H=ZPb=0.6P=5
3m.m9D10=90mm,D11=64mm,h=,取
1
H=20mm 3
下面校核凸缘的强度: (1)凸缘根部弯曲强度
σb=
M=W
F(D10-D11)⋅
6
D11h2
1
=14.55MPa≤[σ]
b
(2)凸缘根部剪切强度
τ=
F
=7.46MPa≤[τ] πD11h
(3)凸缘支承面挤压强度
F
σp==9.54MPa≤[σp]
(D102-D112)4
以上,证明了凸缘的设计是符合强度要求的。
6、 底座设计
底座的设计比较重要的就是底座的高度和对下方木材的挤压应力,那么 高度Hz>l-h=255-20=235mm,考虑一定的余量,取Hz=243mm。 上方内径取为du=56mm。 底座的厚度取为δ1=20mm。 上方的外径取为Du=86mm。 上台高取hu=40mm。 则:
底面内径ds
设底面外径Ds,那么对底面挤压应力σp=
4F
22
π(Ds-ds)
+
1
⨯(Hz-hu)⨯2=117.80mm, 10
则Ds>
==157.58mm。 圆整后取Ds=172mm。
7、 挡圈和螺钉设计
(1) 螺杆上下两个挡圈和螺钉
挡圈选用B50,螺钉是M6⨯16和A 3⨯12的柱销。下部的挡圈和螺钉的功能相对次要,可以使用更一般的零件。当上面的挡圈和螺钉失效后可以把下面的换上,这是使用同样尺寸最重要的原因。
(2)手柄里的螺钉
手柄里的螺钉用的是M5⨯12,该处受力也不是很大。
三、各零件最终参数
1、螺杆
材料:45号钢正火
尺寸:公称直径d=40mm,小径d1=33mm,中径d2=37mm,螺距P=6mm,线数n=1,螺纹高度h=3mm,旋合圈数10,当量摩擦角ρv=5.910,螺纹上升角ψ=2.950
2、螺母
材料:ZCuAl10Fe3
尺寸:小径d1=34mm,中径d2=37mm,大径d3=41mm,螺距P=6mm,线数n=1,旋合圈数Z=10,ac=0.5mm,螺纹牙根部厚度b=0.65P=3.9mm,外径D11=64mm,凸缘外径D10=90mm,螺母高度H=60mm,凸缘高度
1h=H=20mm 3
3、手柄
材料:Q235钢
尺寸:直径db=22mm,长度Lb=0.5m
4、手柄套即螺杆上封头
材料:Q235钢
尺寸:封头的通孔直径df=25mm,外径Dd=49mm,上面凸出的小头部分:dd=25mm,高度hd=hc+δ=25mm,螺杆的螺纹部分封头的厚度hf=30mm,长度h=10mm
5、底座
材料:HT150
尺寸:高Hz=243mm,上台高hu=40mm,厚度δ1=20mm,上方内径du=56mm,外径Du=86mm,底面内径ds=100mm,外径Ds=172mm
6、双向推力轴承
型号52205
尺寸:内径dc=25mm,外径Dc=47mm。
7、托杯
材料:Q235钢
尺寸:高度ht=92mm,壁厚δ=10mm,下端内径dt=27.5mm,外径Dt=47mm,上端外径Dto=87mm,内径dto=67mm
8、挡圈和螺钉
挡圈选用B50,螺钉是M6⨯16的柱销,螺母与底座侧面的螺钉用的是M5⨯12
参考文献:
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[6] 刘莹,吴宗泽. 机械设计教程[M] . 北京,机械工业出版社,2008
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