机械设计专业作业
计算报告
班级：机械91 姓名：周斌
题目：设计螺旋升降机的结构形式及相关尺寸。
要求：最大起重量Fmax=30kN，最大起重量hmax=180mm；满足耐磨条件、强度条件、稳定性条件、自锁条件；具有功能实现的可能性和可靠性；具有加工、装配、操作的可能性和可靠性；经济。（螺母许用挤压应力[σP]≈1.5[σb]）计算地压承载力，确定下承压面尺寸（木材许用挤压应力[σP]=3MPa）；计算人体操作能力，确定手柄直径和长度；（人力最大操作力≈200N）
一、螺杆传动副的设计 1、螺杆传动副的选材依据教材提供的常用材料清单
千斤顶的运动是重载、低速运动。然后，丝杆材质选用45钢，正火或调质，螺母材质为。
2.选择螺纹类型
根据题目可以确定，因为是重载设计，那么选择工况为重载低速，所以选择梯形螺纹（GB/T 5796.1-2005）。
梯形螺纹示意图：
3、耐磨性计算
摩擦副的性质由教科书表2-39查得。钢-青铜下低速时，[p]=18~25MPa，取18MPa。而f＝0.08～0.10，其中摩擦系数在启动时取较大的值，即静摩擦，在移动时取较小的值。
对于梯形螺纹，由机械设计手册可知h=0.5P。取高径比φ=2.0。根据耐磨设计公式：
d2≥
≈
=23.03mm 根据GB/T 5796.2-2005，根据第一系列螺纹的选择，并为后续强度校核提供足够的安全余量，并考虑到需要更大的螺纹直径来实现自锁，取公称通径
d=40mm，间距P=6mm。
按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。
螺旋导程角：ψ=
P6==2.95?，齿角α=30 πd2π?37
取匝数Z=10。
螺母高度H=ZP=10?6=60mm
4.强度检查
(1)检查螺丝的强度
螺杆同时承受正压应力和扭转剪应力，采用第四强度理论校核强度。可见危险段为小直径段：
σv==[σ]v 螺杆材质为45钢，σs= σσ355
=71MPa。[σ]=s 由表2-40 求得，取[σ]=s=
3~555
等效摩擦角：
f0.08
ρv=()=()=4.73
工作扭矩：
d0.037T=F2tan(ψ+ρv)=30000?tan(2.95 +4.73 )=74.84N?m
二十二
则可得等效应力：
σca==36.93MPa
(2)螺母螺纹牙的强度
螺纹牙的主要失效模式为剪切和挤压，暂选取螺母的危险截面作为外螺纹的小径平面。
先计算抗剪强度条件：Fτ=≤[τ]
Zπdb
其中，对于青铜，梯形螺纹的剪应力[τ]=30~40MPa b=0.65P=0.65?6=3.9mm。代入以下数据：τ=
==6.12MPa≤[τ] Zπdb10?π?0.04?0.0039
此外，还需要计算挤压产生的弯曲应力
3Fhσb=≤[σb]
Zπdb2 其中 [σb]=40~60MPa
替代数据：σb=
3Fh3?30000?0.003
==14.13MPa≤[σb]
Zπdb210π?0.04?0.00392
则螺纹牙的强度满足使用要求。
5、检查压紧螺钉的稳定性
千斤顶最大提升距离hmax=180mm；支撑杯高度由后期设计给出，取50mm，稳定性计算压杆长度：L=180mm+50mm=230mm 一端固定螺丝，另一端自由, 取为 μ2=2.0 然后由柔度公式 λ=
4μ2l4?2.0?0.23
==54.12≤85 d10.034
π
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= 综上所述，满足稳定性要求。
6、线程的自锁验证
对于静摩擦，f=0.1当量摩擦角ρv=
氟化碳
=3.5≥S =2.5~4
fcos
2个
=
0.1
=5。
螺纹上升角：ψ=
P6==2.95?πd2π?37
可见，ψ
2.组成结构设计
1、推力轴承设计
在保持杯下方和螺杆上方增加了一个推力球轴承以减少摩擦。
按GB/T 301-1995选用内径dc=25mm、外径Dc=47mm的52205型推力球轴承。
其额定静载荷C0a=50.5kN>30kN符合要求。
推力轴承结构如下：
2. 托杯设计
支撑杯材质为Q235钢。但
[σb]=
σs
ns
=
235
=156.7MPa,[σp]=1.5[σb]=。1.5
丝杆突出的小头由轴承计算：dd=dc=25.0mm。然后在加工时保留一定的不配合余量0.1dd，即可得到，下孔径
dt=1.1dd=27.5mm
底面大径的选择 Dt=(1.7~1.9)dd-(2~4) Dt=1.8dd=1.8?25≈47mm 这里壁厚取δ=10mm。
对于杯子的上部直径螺旋千斤顶螺杆的工艺分析，Dto=(2.4~2.5)dd。取Dto=2.5dd=2.5?25=62.5mm四舍五入后取Dto=67mm
所选杯子截面倾角为15°，则倒圆后杯子高度ht=92mm。
下面检查杯子设计的强度： 1) 挤压：
Dto-Dt
=91.6mm,
?
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：
取直径为D0处的圆心角为dα的截面进行弯矩分析，有：
FdαDto-Dt
? 2π21Dt?dα2
W=δ
62M=∴σb=
M3F(Dto-Dt)3?30000?(0.063-0.045)===114.59MPa
这也是安全的。
3.手柄盖是螺丝上头的设计
外径以杯底为准，考虑加工倒角，取：
Dd=Dt+4=45+4=49.0mm
上面凸出的小头：dd=25.0mm 高度hd=hc+δ=25mm
对于螺钉的螺纹部分，长度为：
这里可以考虑增加一些磨损余量，l=H+H0=60+180=240mm，
h=10mm，这个余量可以是5mm，与头部连接的部分长度选择l=255mm。
封头厚度取hf=1.2dc=30mm。
头部的危险部分是手柄孔所在的水平面。确定手柄尺寸后检查头部。
4.手柄设计
手柄的设计主要分为以下两个方面：手柄的材质和截面积的选择；手柄的长度。
(1) 手柄长度：
力矩有两个方向，一个用于将丝杆向上提起，一个用于克服与推力球轴承的摩擦力，即M=M1+M2
M1为提升螺杆的扭矩，为启动时的最大扭矩
d0.037
M1=F2tan(ψ+ρv)=30000?tan(2.95 +4.73 )=74.84N?m
二十二
计算摩擦力矩：
M2=
1个
fPd，其中推力球轴承的摩擦系数为f=0.0015，P=30kN，2
d=25.0mm。
进入计算，有
M2=
1个
fPd=0.5?0.0015?30000?0.025=0.56N?m2
M=M1+M2=74.84+0.56=75.40N?m 人手最大受力为200N，则手柄长度：
L0=
M75.40==0.38m。F1200
保留一定的余量，加工后的手柄，以及另一侧头部的延伸等，则最
11
最终值为Lb=L0+?Dd=0.38+?0.049=0.40m，四舍五入为Lb=0.50m。
二十二
(2)手柄横截面积：
所用材料仍为Q235钢，则：
[σb]=
σs
ns
=
235
=156.7MPa,[σp]=1.5[σb]=。1.5
毫米=
从而：
σb=
分贝≥==16.99mm
头部最大应力
F
σ=
πDd2-Dddb4 因此：
D b
(πDd-)=(π?0.0492-)=35.88mm ?10??σp??0.0494
四舍五入后，最终取db=22mm。头部通孔直径为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、螺母悬挂部分扭曲、螺母法兰挤压、法兰部分弯曲或剪切。螺母选择：
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
根据上面计算出的螺杆尺寸参数，可以得到螺母尺寸如下：
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螺旋千斤顶螺杆的工艺分析，螺纹根部厚度，螺母高度H=ZPb=0.6P=5
3m.m9D10=90mm,D11=64mm,h=,取
1个
高=20mm 3
法兰强度校核如下：（1）法兰根部抗弯强度
σb=
米=瓦
女(D10-D11)?
6个
D11h2
1个
=14.55MPa≤[σ]
b
(2) 法兰根部抗剪强度
τ =
F
=7.46MPa≤[τ] πD11h
(3) 法兰支承面的挤压强度
F
σp==9.54MPa≤[σp]
(D102-D112)4
以上证明法兰的设计满足强度要求。
6. 基地设计
底座设计中最重要的是底座的高度和下方木料的挤压应力，则高度Hz>lh=255-20=235mm，考虑一定的余量，取Hz=243mm。上部内径取du=56mm。底座厚度取δ1=20mm。上外径取Du=86mm。取舞台高度为hu=40mm。但：
底部内径ds
设底面外径Ds，则底面挤压应力σp=
4F
二十二
π(Ds-ds)
+
1个
?(Hz-hu)?2=117.80mm, 10
然后Ds>
==157.58 毫米。四舍五入后取Ds=172mm。
7.环和螺丝设计
(1)丝杆上下挡圈及螺钉
挡圈为B50，螺丝为M6?16和A 3?12销。下挡圈和螺丝的作用比较次要，可以用比较通用的零件。当上部的挡圈和螺钉失效时，可以更换下部的，这是使用相同尺寸的最重要原因。
(2) 把手上的螺丝
手柄里面的螺丝是M5?12，用力不大。
3.各部分最终参数
1.螺丝
材质：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，螺纹数n=1，螺纹高h=3mm，圈数10，当量摩擦角ρv=5.910 , 螺纹上升角 ψ=2.950
2.螺母
材料：
尺寸：小径d1=34mm，中径d2=37mm，大径d3=41mm，螺距P=6mm，螺纹数n=1，圈数Z=10，ac=0.5mm，螺纹根部粗细b= 0.65 P=3.9mm，外径D11=64mm，法兰外径D10=90mm，螺母高度H=60mm，法兰高度
1h=H=20mm 3
3.处理
材质：Q235钢
外形尺寸：直径db=22mm，长度Lb=0.5m
4.手柄盖是螺丝的上头
材质：Q235钢
尺寸：机头通孔直径df=25mm，外径Dd=49mm，上面突出的小机头部分：dd=25mm，高度hd=hc+δ=25mm，机头厚度螺丝的螺纹部分hf=30mm，长度h=10mm
5.基地
材质：HT150
外形尺寸：高度Hz=243mm，上段高度hu=40mm，厚度δ1=20mm，顶部内径du=56mm，外径Du=86mm，底部内径ds=100mm，外径Ds=172mm
6.双向推力轴承
型号 52205
外形尺寸：内径dc=25mm，外径Dc=47mm。
7. 捧杯
材质：Q235钢
尺寸：高度ht=92mm，壁厚δ=10mm，下内径dt=27.5mm，外径Dt=47mm，上外径Dto=87mm，内径dto=67mm
8. 扣环和螺丝
挡圈为B50，螺钉为M6?16销，螺母和底座侧面的螺钉为M5?12
参考：
[1] 吴宗泽，高智．机械设计[M]．北京，高等教育出版社，2009
[2] 吴宗泽，罗盛国．机械设计课程设计手册[M]．北京，高等教育出版社，2007
[3] 刘向峰．机械设计教程[M]．北京，清华大学出版社，2008
[4] 田玲，冯娟，刘朝如．机械制图[M]．北京，清华大学出版社，2008
[5]吴宗泽．机械设计习题[M]．北京，高等教育出版社，1987
[6] 刘英，吴宗泽．机械设计教程[M]．北京, 机械工业出版社, 2008
[7] 吴宗泽，黄春英．机械设计习题[M]．北京，高等教育出版社，2002
