螺旋起重器的设计

哈尔滨工业大学

题 目:螺 旋 起 重 器

院 系：能源科学与工程学院

班 号： 学 号：

姓 名：

机械设计作业设计说明书

哈尔滨工业大学机械设计任务书

1. 题目：设计螺旋起重器

螺旋起重器是一种简单的起重装置，用手推动手柄即可起升重物。它一般由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄或板手等零件组成。

2. 已知条件：

表3.1 螺旋起重器的示意图及已知数据

3. 设计要求：

（1） 绘制装配图一张，画出起重器的全比结构，按照比例装配图要求标注尺寸、序号及

填写明细栏、标题栏、编写技术要求。

（2） 撰写设计说明书一份，主要包括起重器各部分尺寸的计算，对螺杆和螺母螺纹牙强

度、螺纹副自锁性、螺杆的稳定性的校核等。

目录

一、设计题目---------------------------------------------------------------3 二、螺母、螺杆选材---------------------------------------------------------3 三、螺杆、螺母设计计算

3.1 耐磨性计算------------------------------------------------------------------------------------------------3 3.2 螺杆强度校核---------------------------------------------------------------------------------------------4 3.3 螺纹牙强度校核-----------------------------------------------------------------------------------------4 3.4 螺纹副自锁条件校核-----------------------------------------------------------------------------------5 3.5 螺杆稳定性校核-----------------------------------------------------------------------------------------5 四、螺母外径及凸缘设计-----------------------------------------------------6 五、手柄设计---------------------------------------------------------------6 六、底座设计---------------------------------------------------------------7 七、托杯及其他参数-------------------------------------------------------8

八、设计示意图------------------------------------------------------- -- - 9

九、参考资料--------------------------------------------------------------10

一、 设计题目

设计起重重量FQ=40 000N， 最大起重高度H=200mm的螺旋起重器。

二、 选择螺杆、螺母的材料

由于螺杆承受载荷较大，而且是小截面，故可选用45钢调质处理。查参考文献[2]表10.2得抗拉强度σb =600Mpa ，[σs ]=355Mpa 。

千斤顶属于低速重载的情况，且螺母与螺杆之间存在滑动磨损，故螺母采用强度高、耐磨、摩擦系数小，且适合低速重载情况的铸铝青铜ZCuA 110Fe 3（考虑速度低）。

三、 螺杆、螺母设计计算

3.1耐磨性计算

螺杆选用45钢，螺母选用铸造铝青铜ZCuA 110Fe 3，由参考文献[1]查表5.8得螺母材料的[p ]=18~25MPa , 从表5.8的注释中可以查得，人力驱动时[p]的值可加大20%，则[p]=21.6~30Mpa,取[p]=25Mpa。按耐磨性条件设计螺纹中径d 2，

选用梯形螺纹，则d 2≥[1]查得，对于整体式螺母系数ψ=1.2~2.5，取ψ=2。则

d 2≥式中

==22.6mm F ——轴向载荷，N ；

d 2——螺纹中径，mm;

[p]——材料的许用压强，MPa;

H ψ=

d

H ——螺母旋合高度，mm; d ——公称直径：

查参考文献[3]表11.5取公称直径d =32mm ，螺距P =3mm , 中径 d 2=30.5mm , 小径d 3(d1) =28.5mm , 内螺纹大径D 4=32.5mm 。 3.2螺杆强度校核

千斤顶螺杆受轴向力F 和扭转力矩T 1的作用，这里的扭转力矩是螺纹副的摩擦转矩T 1。根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度条件为

σe =≤[σ] 式中：F Q ——螺杆所受的轴向载荷，N ；

d 3——螺杆螺纹的小径，mm ；

ψ+ρ' ) T 1——螺杆所受转矩，N ·mm ；T 1=F Q tan(

升角，ψ=arctan πd =arctan π×30.5=1.7933°

2

d 2

，ψ为螺纹2

np 1×3

[σ]——螺杆材料的许用应力，MPa;

查找参考文献[1]表5.10得对青铜的当量摩擦因数f ' =0.08~0.10，取

f ' =0.09，螺纹副当量摩擦角ρ' =arctan f ' =arctan 0.09=5.1427 。把已知的值带入T 1的计算公式中，则得

T1=40 000×

30.5

=74207N ∙mm tan 1.7933°+5.1427°

4×40 00016×74207

σe = π×28.5 +3× π×28.5=68.78MPa

由参考文献[1]表5.9可以查得螺杆的材料许用应力

，σs =355Mpa ，[σ]=71~118Mpa ，取 σ =95MPa . 3~5

显然，σe

[σ]=

σs

3.3螺纹牙强度校核

因为螺母材料强度低于螺杆，所以螺纹牙的剪切和弯曲破坏大多发生在螺母上，故可只校核螺母螺纹牙强度。螺母螺纹牙根部剪切强度条件为：

τ=

F Q Z πD 4b

≤[τ]

式中: F Q ——轴向载荷，N ；

D 4——螺母螺纹大径，mm;

Z ——螺纹旋合圈数，Z 取10；

b ——螺纹牙根部厚度，mm ，对于梯形螺纹

b=0.65P=0.65×3mm=1.95mm。

代入数据计算

τ=

40 000

=20.1MPa

查参考文献[1]表5.9螺母材料的许用剪应力[τ]=30~40MPa ，显然τ

σb =

3F Q l Z πD 4b 2

≤[σb ]

式中：l ——弯曲力臂，l =

D 4-d 233-29

==1mm ； 22

其它参数同上。

代入数据计算

3⨯4000⨯02

σb ==15.220MPa 2

10π⨯32.5⨯1.95

查参考文献[1]表5.9得螺母材料许用弯曲应力σb =40~60Mpa 。显然，

σb

3.4 螺纹副自锁条件校核

由螺纹副自锁条件 因此

ψ=1.7933, ρ' =arctan f ' =5.1427,

所以满足螺纹副自锁条件要求。

式中：ψ——螺纹螺旋升角（°），ψ=arctan

np

πd 2

ρ' ——当量摩擦角(°);

n ——螺纹线数，n=1;

p ——螺纹导程(mm);

d 2——螺纹中径(mm);

得f ' =0.08~0.10,取f ' =0.09; f ' ——当量摩擦系数, 查机械设计表5.10，

3.5螺杆的稳定性校核

螺杆的柔度值

λ=

μl

i

=

4μl

d 1

式中：l ——螺杆的最大工作长度，取螺母中部到另一端支点间的距离，则

l =200+

H 螺母

+h 1+l 退刀槽 2

其中：H 螺母——螺母高度(mm)，H 螺母=ZP =30mm ；

h 1符号参见参考文献[1]图3.1；

l 退刀槽——螺杆与手柄座相接处额尺寸，查手册知，l 退刀槽=9mm。

假设手柄直径为d 1=20mm,由尺寸经验公式h 1=(1.8~2)d 1=36~40mm ，取h 1=38mm,则

L=(200+15+38+9)=262mm

μ——长度系数，对本千斤顶，看做一端固定、一端自有，则可取μ=2；

d 1——螺纹小径，d 1=25mm。

代入数据计算

4⨯2⨯262

=73.54

28.5

对于45#调制钢，当λ

πd 14340

F c ==135572N 2

1+0.00013λ4

那么，由压杆稳定条件

F c 135572==4.52>2.5F 40000

因此螺杆满足稳定性要求。

四、 螺母外径及凸缘设计

根据经验公式，螺母外径D 2≈1.5d =1.5⨯32=48mm ；

螺母凸缘外径D 3≈1.4D 2=1.4×48=67.2mm ; 故D 3=67mm； 螺母凸缘厚b =(0.2~0.3)H =(0.2~0.3)⨯60=12~18mm，

取b =16mm 。

五、 手柄设计

加在手柄上的力需要克服螺纹副之间的摩擦阻力矩T 1和托杯支撑面间的摩擦力矩T 2。设加在手柄上的力F=200N，手柄长度为L ，则有F L = T1+T 2。对于

T 1和T 2，有

T 1=74207N ⋅mm

fF [D -(2~4)]3-(D 1+2) 3

T 2=⋅22

3[D -(2~4)]-(D 1+2) 公式中的符号见参考书[1]图3.2和图3.3。

根据经验公式，D =(1.6~1.8)d =(1.6~1.8)⨯32=51.2~57.6mm, 取D=55mm;

D 1=(0.6~0.8) d =(0.6~0.8) ⨯32=19.2~25.6mm ，取D 1=22mm 。 托杯材料选择铸铁，手柄选择Q215，摩擦因数f=0.12,则

fF [D -(2~4)]3-(D 1+2) 3

T 2=⋅≈95326N ⋅mm

3[D -(2~4)]2-(D 1+2) 2

那么手柄长度L 1=600mm 。

设手柄所受最大弯曲应力为σ，查参考文献[2]表10.1, σs =205MPa ，。 则手柄直径d 1应满足

d 手柄≥

T 1+T 274207+95326

==848mm ，取L 1=300mm,加套筒长F 1200

σs [3],得[σb ]=，则

1. 5~2

[σb ]=102.5~136.7MPa, 取[σb ]=110MPa。

带入数值计算得：

d 手柄≥

==24.9mm

取手柄直径d 1=26mm。

六、 底座设计

螺杆下落至底面，再留20~30mm的空间，底座铸造起模斜度1:10，壁厚

δ=10mm 。由经验公式，S =(1.5~2)δ=15~20mm ，, 取S=20mm。各符号见参考书[1]图3.2和图3.3。

D 5由结构设计确定，D 5=104mm。

D 4=1.4D 5=1.4⨯104=146mm 。

结构确定后校核下底面的挤压应力：

F 40000

σp ===4.85MPa

(D 42-D 52) (1462-1042) 44

有结果可知，千斤顶在最大载荷下，可以在木材上使用。底面材料选择铸铁HT100，查表得铸铁件壁厚为30~50mm 时，σb ≥80MPa

[σp ]=(0.4~0.5) σb =(0.4~0.5) ⨯80=(32~40) MPa 。

显然，σp

F F 4⨯40000

===23.31MPa ，查参考文A (D 2-D 2) π⨯(672-482)

32

4

献[4]表10.3，得[σb ]=100MPa,σp =(0.4 0.5) σb =40 50MPa , 因此σb 1

故上表面满足强度要求。

七、 托杯的设计

据结构尺寸经验公式

D T =(2.0~2.5) d =64~80mm , 取D T =80mm；

D =(1.6~1.8) d =51.2~57.6mm , 取D=55mm ；D 1=(0.6~0.8) d =19.6~25.6mm , 取D 1=20mm ;

δ1=10mm ;

h =(0.8~1) D =44~55mm , 取h =50mm ; h 2=(0.6~0.8) D 1=12~16mm , 取h 2=15mm ; a ≈6~8mm , 取a =8mm ; t ≈6~8mm , 取t =8mm ;

d 3=(0.25~0.3) D 1=5~6mm 但不小于M6, 可取d 3=6mm ; b =(0.2~0.3) H =6~9mm , 可取b =8mm ;

八、 设计示意图：

九、参考资料

[1]张丰，宋宝玉. 机械设计大作业指导书. 北京：高等教育出版社，2009.10

[2]宋宝玉. 机械设计课程设计指导书. 北京：高等教育出版社，2006

[3]王黎钦，陈铁鸣. 机械设计.5版. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.1

[4]于慧力，张春宜. 机械设计课程设计. 北京：科学出版社，2007

[5]刘莹，吴宗泽. 机械设计教程.2版. 北京：机械工业出版社，2007.9

[6]金铃，刘玉光，李立群. 画法几何及机械制图. 哈尔滨：黑龙江人民出版社，2003.7

- 10 -