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机械设计大作业之螺旋传动


哈尔滨工业大学机械设计大作业说明书(论文)

Harbin Institute of Technology

机械设计大作业说明书

大作业名称: 设计题目: 班 学 级: 号: 设 计 者: 指导教师: 设计时间:

机械设计大作业 螺旋传动

张锋 2014.10.03

哈尔滨工业大学

哈尔滨工业大学机械设计大作业说明书(论文)

目录
1 设计任务书----------------------------------------------------------------------------------------------------1 2 设计题目-------------------------------------------------------------------------------------------------------2 3 螺母、螺杆选材----------------------------------------------------------------------------------------------2 4 耐磨性计算----------------------------------------------------------------------------------------------------2 5 螺杆强度校核-------------------------------------------------------------------------------------------------2 6 螺纹牙强度校核----------------------------------------------------------------------------------------------3 7 螺纹副自锁条件校核----------------------------------------------------------------------------------------4 8 螺杆稳定性校核----------------------------------------------------------------------------------------------4 9 螺母外径及凸缘设计----------------------------------------------------------------------------------------5 10 手柄设计-------------------------------------------------------------------------------------------------------5 11 底座设计-------------------------------------------------------------------------------------------------------7 12 其他各部分尺寸---------------------------------------------------------------------------------------------7 13 参考文献-------------------------------------------------------------------------------------------------------7

哈尔滨工业大学机械设计大作业说明书(论文)

题目:设计螺旋起重器(千斤顶)

设计原始数据
起重量 Q=40kN, 最大起重高度 H=200mm。

说明
螺旋起重器的结构见图,螺杆 7 和螺母 6 是它的主要零件。 螺母 6 用紧定螺钉 5 固定在 底座 8 上。转动手柄 4 时,螺杆即转动并上下 运动。托杯 1 直接顶住重物,不随螺杆转动。 安全板 3 防止托杯脱落, 安全板 9 防止螺 杆由螺母中全部脱出。 对这一装置主要的要求是:保证各零件有足够的强度、耐磨性、能自锁、稳定性合格 等。

工作量
1.设计计算说明书一份,主要包括起重器各部分尺寸的计算,强度,自锁性,稳定 性校核等。 2.装配图一张,画出起重器的全部结构,标注出必要的尺寸与零件编号,填写标题 栏与明细表

1

哈尔滨工业大学机械设计大作业说明书(论文)

一.设计题目
螺旋起重器(千斤顶) 已知条件:起重量 F=40KN,最大起重高度 H=200mm。

二.螺杆、螺母选材
螺杆采用 45 号调质钢,由参考文献[2]表 10.2 查得抗拉强度 σs=355MPa, σb=600MPa。 螺母材料用铝青铜 ZCuAl10Fe3(考虑低速重载的情况) 。

三.耐磨性计算
螺杆选用 45 号调质钢,螺母选用铝青铜 ZCuAl10Fe3 ,由参考文献 [1]表 5.8 查得 [p]=18~25MPa,取[p]=25MPa。按耐磨性条件设计螺纹中径 献[1]查得? ? 1.2 ~ 2.5 ,取 ? =2.0。 由耐磨性条件公式: ,选用梯形螺纹。由参考文

d2 ? 0 . 8
式中: ——螺纹中径,mm;

F ? [ p]

F——螺旋的轴向载荷,N; H——螺母旋合高度,mm;
? ——引入系数,? =H/



[p]——材料的许用压强,MPa; 代入数值后,有 d 2 ? 0.8

40KN ? 22.6mm 。查参考文献[1],试取公称直径 2.0 * 25MPa

d=34mm,螺距 p=6mm,中径 d2=31mm,小径 d1=27mm,内螺纹大径 D4=35mm。

四.螺杆强度校核
千斤顶螺杆危险截面受轴向力 F 和扭转力矩 T1 的作用, 这里的扭转力矩是螺纹副的摩 擦转矩 T1。根据第四强度理论,螺杆危险截面的强度条件为:

? ? (
式中

4F

?d 1

2

)2 ? 3 (

16T1

?d 1

3

) ? [? ]

d1 —— 螺杆螺纹的小径(mm);
[? ] ——螺杆材料的许用应力(MPa);

F——螺杆所受的轴向载荷(N); T1—— 螺杆所受转矩(N·mm), T1 ? F tan(? ? ? ' )
d2 。 2

2

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由参考文献[1]查得钢对青铜的当量摩擦因数 f ' =0.08~0.10,取 f ' =0.09。 代入数据计算 得到:

由T1 ? F tan(? ? ? ' )

d2
2

,带入数据得,

T1 ? 40KN * tan(5.14°? 3.53° ) * 0.5 * 31mm ? 94.54KN·mm
代入公式 ? ? ( 得

4 * 40000 2 16 * 94541 2 ) ? 3 *( ) = 81.7MPa。查表可得, 2 ? * 27 ? * 273
,取 , ? < [ ? ] ,显然符合条件。

五.螺母螺纹牙强度校核
螺母螺纹牙根部剪切强度条件为:

??

F ? [? ] Z?D4 b

式中 F——轴向载荷(N); D4——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。 代入数据计算:

??

40000 ? 8.63MPa 8 ? ? ? 35 ? 3.9

查参考文献[1]表 8.12 知螺母材料的许用剪应力 [? ] ? 30 ~ 40 MPa , 显然满足 ? ? [? ] 。 弯曲强度条件式:

?b ?
式中:Q——轴向载荷 N

3Fl ? [? b ] z? D4b2

D4 ——螺母螺纹大径 mm
Z——螺纹旋合圈数,z=8 B——螺纹牙根部厚度,梯形螺纹 b=0.65p=0.65×6=3.90mm [σ b]——螺母材料的许用弯曲应力,查表 [? b ] ? 50MPa l—弯曲力臂, l ?
d ? ? d 2 33 ? 29 ? ? 2mm 2 2
3

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?b ?

3 ? 40000 ? 2 ? 17.319MPa ? ? 29 ?10 ? 3.92

显然满足 ? b ? [? b ] 即满足螺纹牙的强度条件。

六.螺纹副自锁条件校核
? ? ?' ,
式中:
? ——螺纹升角,度;

? ' ——当量摩擦角,度;
? ? arctan(
1*6 ) ? 3.53? ? *31

? ' ? arctan(0.09) ? 5.14?
? ? ? ' ,满足自锁性条件。

七.螺杆的稳定性校核
螺杆的柔度值

??

?L
i

?

4?L d1

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 ? h1 +l 退刀槽 2

l退刀槽 指螺杆与手柄座相接处的尺寸,查手册知, l退刀槽 ? 9mm 。
H 螺母=ZP=8×6mm =48 mm 假设手柄直径为 d 手柄=20 mm, h1=(1.8~2)d 手柄=36~40 mm, h1=38mm,则 48 l ? 200 ? ? 38+9 ? 271mm 2
? —长度系数 ,对千斤顶,可看作一端固定,一段自由,取 ? =2
i —螺杆危险截面惯性半径 mm

i?

d1 27 ? ? 6.75mm 4 4

??

?l
i

?

2 ? 271 ? 80.30 6.75
4

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对于 45 号调质钢,当 ? ? 90 时:

Fc ?

?

340*? d12 1 ? 0.00013? 2

? *4

?

340*? ? 272 ? 105.84KN (1 ? 0.00013*80.302 )*4

Fc 105.84 ? ? 2.65 ? 2.5 F 40 因此,满足稳定性要求.

八.螺母外径及凸缘设计
螺母外径 D2≈1.5d=1.5×34=50mm; 螺母凸缘外径 D3≈1.4D2=1.4×50=71.4mm,取 D3=72mm; 螺母凸缘厚 b=(0.2~0.3)H=(0.2~0.3)×48=9.6~11.4mm,取 b=10mm。

图 1 螺母

九.手柄设计
加在手柄上的力需要克服螺纹副之间相对转动的阻力矩和托杯支承面间的摩擦力矩. 设 F 为加在手柄上的力,取 F ? 200 N , L? 为手柄长度。则 d F ? L? ? T1 ? T2 T1 ? F * tan(? ? ? ' ) * 2 2 式中 F ——螺母工作时所受的轴向载荷,N;
? ——为螺纹升角,度;

? ' ——当量摩擦角,度;
d2 ——螺纹中径,mm;
T1 ? 94541.13Nmm

5

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图 2 托杯

T2 ?

[ D ? (2 ~ 4)]3 ? ( D1 ? 2) 3 1 fQ 3 [ D ? (2 ~ 4)]2 ? ( D1 ? 2) 2

D ? (1.6 ~ 1.8)d ? (1.6 ~ 1.8) ? 34 ? 54.4 ~ 61.2 mm

取 D ? 58mm

D1 ? (0.6 ~ 0.8)d ? (0.6 ~ 0.8) ? 34 ? 20.4 ~ 27.2 mm
取 D1 ? 24mm 托杯选铸铁,手柄选 Q215,则摩擦系数 f=0.12,则 T2=101353.09Nmm
T1 ? T2 94541.13 ? 101353.09 ? ? 979.47mm F 200 取 L=400mm,加套筒长 600mm L? ?

手柄直径 d 手柄 ? 3

FL 0.1[? b ]
,查阅参考文献[2], ? s ? 205MPa
6

查教材 ?

?s
1.5 ~ 2

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[? b ] ? 102.5 ~ 136.7MPa ,取 ?? b ? =125MPa

取手柄直径 d=26mm。

十.底座设计
螺杆落到底面后,再留 20~30mm,斜度 1:10,厚度应大于 8mm.取 10mm. D5 由结构设计,试取 D5=130mm,D4=1.4D5=185mm 校核底面的挤压应力,

? 2.94MPa (1852 ? 1302) 4 4 地 面 材 料 选 择 铸 铁 HT100 , 查 表 得 铸 件 壁 厚 为 30-50 时 , σb ≥ 80MPa, 所 以 [σp]=(32-40)MPa,显然满足设计要求

?p ?

?

F

?

2 ( D4 ? D52 )

?

40000

十一.其他各部分尺寸
固定挡圈用的螺钉 GB/T5783-2000 M8×16 螺杆顶部固定螺钉 GB/T5783-2000 M8×16 紧定螺钉 GB/T71-1985 M8×20 手柄长度 L=400mm 手柄直径 d=28mm 螺杆长度 248mm D=58mm;D1=24 mm;D2=50mm;D3=72mm;D4=185mm;D5=130mm DT=(2.0~2.5)d=68~85mm,取 75mm a=6mm;t=6mm,b=(0.2~0.3)H=10mm, ? = ?1 =10mm h=(0.8~1)D=46.4~58mm,取 50mm;h1=54mm;h2=18mm S=2 ? =20mm 挡圈外径 38mm ,高 5mm 装配完成后,千斤顶的高度在 396~596mm 的范围内升降. 各符号的意义参见机械设计作业指导中的图 3-1 和图 3-2.

十二.参考文献
[1] 宋宝玉,王黎钦.机械设计。北京:高等教育出版社 [2] 宋宝玉.机械设计课程设计指导书. 北京:高等教育出版社

7


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