机械设计基础课程设计.docx
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机械设计基础课程设计
机械设计基础课程设计
计算说明书
学院生物与化学工程学院
班级食品科学与工程081
姓名徐海强
学号108041027
时间2010.7.10
目录
一、螺旋起重器设计任务书
二、螺旋起重器设计
1、螺旋起重器的结构和功能
2、螺杆和螺母材料的选择确定
3、滑动螺旋起重器的设计计算
3.1耐磨性计算
3.2自锁性校核计算
3.3螺杆强度计算
3.4螺母螺纹牙的强度计算
3.5螺母外径与凸缘的强度计算
3.6手柄设计
三、设计结果与体会
四、参考文献
一．螺旋起重器设计任务书
一、课程设计目的
机械设计基础的课程设计是上完机械设计基础课程后的一个实践性教学环节，通过课程设计期望能达到如下几个目的：
1、培养综合运用课程所学知识的能力；
2、了解机械设计的基本过程和方法；
3、培养使用机械设计手册的能力；
4、进一步巩固和强化机械制图的能力。
二、课程设计的任务
1、设计题目：
螺旋起重器的设计（每位同学按照自己学号的末尾数字从《螺旋起重器设计指导材料》第4页数据表的序号中选择对应的序号，学号末尾为0的选序号10）。
2、已知参数：
序号
起重力F/kN
起升高度H/mm
27
20
250
3、设计任务：
（1）编写设计计算说明书一份；
（2）螺旋起重器总装配图一张（A2纸）。
三、时间安排
1、6月25日中午13:
30在A2-214集中布置设计任务和要求；
2、7月5日~7月6日设计计算，确定尺寸和参数；
3、7月7日~7月9日绘图；
4、7月10日~7月11日编写设计计算说明书；
5、7月12日上交设计计算说明书及图纸。
注：
答疑时间为：
7月5日~7月9日下午13:
30~15:
30
地点：
C2-604。
四、设计要求
1、独立、按时、保质量完成设计任务；
2、计算说明书格式要求统一规范（详细参照计算说明书格式说明）。
二．螺旋起重器设计
1、螺旋起重器的结构和功能
螺旋起重器（千斤顶）是一种人力起重的简单机械，主
要用于起升重物。
图示为采用滑动螺旋的起重器结构示意图。
图中，螺杆7与螺母5组成螺旋副，螺母5与底座8固定联接，紧定螺钉6提高了联接可靠性。
托杯1直接顶住重物，当转动手柄4时，螺杆7一边转动一边上下移动，使托杯1托起重物上下移动，达到起升重物的目的。
这种螺旋起重器结构简单，制造容易，易于自锁，其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低（一般为30％～40％），磨损快，寿命低，传动精度低。
螺旋起重器一般垂直布置，在起重时螺杆7受压，因此都做成短而粗，起升高度不宜太大。
螺母5作为起升时的支承件，常做成整体结构。
螺旋起重器应有可靠的自锁性能，以保证螺杆7和重物在上升下降过程中能可靠地停留在任一位置而不自行下降。
螺杆一般采用梯形牙、右旋、单线螺纹。
当起重量较大时，为减小摩擦阻力，操作省力，可在托杯1的下部安放一推力轴承。
2、螺杆和螺母材料
螺杆材料要有足够的强度和耐磨性，一般用45钢，经调质处理，硬度220～250HBS。
螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料配合时摩擦因数小和耐磨，可用
ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2等。
3、滑动螺旋起重器的设计计算
3.1.耐磨性计算
滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速
度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关，其中最主要的是螺纹工作表面上的压力，压力愈大，螺旋副间愈容易形成过度磨损。
因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作表面上的压力p，使其小于材料的许用压力[p]。
计算时，一般假设：
螺杆上的轴向载荷F作用于螺纹工作承压表面A上。
耐磨性条件校核计算式为：
p＝
式中，F──螺杆所受轴向载荷，/N；
d2──螺纹中径，/mm；
h──螺纹工作高度，/mm
h＝0.5（d－D1），d为螺杆大径，D1为螺母小径；
u──螺纹工作圈数，一般最大不宜超过10圈。
u＝
，H为螺母高度，P为螺纹螺距。
[p]──螺旋副材料的许用压力，/MPa。
可取[p]＝18～25MPa。
对梯形螺纹，h＝0.5P，式
（1）可演化为设计计算式：
d2≥0.8
式中φ──螺母高度因数，φ＝H/d2,一般可取φ＝2.5～3.5。
计算：
d2≥0.8
=0.8
=16.8mm
取d2=18mm
公称尺寸d
螺距p
螺纹中径d2、D2
内螺纹大径D4
外螺纹小径d3
内螺纹小径D1
20
4
18
20.5
17.5
18
H=φ×d2=2.5×18=45mm
u＝
＝
=11.25
p＝
=
=15.7
满足耐磨性条件
3.2自锁性校核计算
滑动螺旋起重器必须保证可靠的自锁性，自锁的条件为：
ψ≤φv
，φv＝arctan
式中ψ──螺纹升角；
f──螺旋副材料的摩擦因数，一般可取f＝0.08～0.1；
β牙型半角（牙侧角），梯形螺纹β＝α/2＝15o。
计算：
取f＝0.1
=
=4.05°
φv＝arctan
=arctan
=5.91°
因此满足自锁的条件：
ψ≤φv
3.3螺杆强度计算
起重时螺杆受压和受扭，按第四强度理论计算：
σca＝
＝
＝
≤[σ]
式中A──螺杆螺纹段的危险截面面积，A＝
，/mm2;
WT──螺杆螺纹段的抗扭截面系数，WT＝
，/mm3;
d1──螺杆螺纹小径，mm；
F──起升载荷，/N；
T1──螺杆所受扭矩，T1＝Ftan（ψ＋φv）
，/N•mm；
[σ]──螺杆材料的许用应力，/MPa。
[σ]＝σS/（3～5），可取σS＝352MPa。
计算：
T1＝Ftan（ψ＋φv）
=20000*tan（4.05+5.91）*18.000/2=31609.3N•mm
σca＝
＝
＝
=98MPa≤[σ]
故螺杆强度基本符合要求
3.4螺母螺纹牙的强度计算
螺纹牙多发生剪切和挤压破坏，因此，需进行螺纹牙剪切强度和挤压强度计算。
如图所示，如将一圈螺纹牙沿螺母的大径D展
开，则可看作宽度为πD的悬臂梁。
螺母每圈螺纹所受的平均压力为F/u，并作用在以螺纹中径D2为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面a－a上的剪切强度条件为：
τ＝
≤[τ]
螺纹牙危险截面a－a上的弯曲强度条件为：
σb＝
≤[σb]
式中b──螺纹牙根部的厚度，/mm。
b＝0.65P，P为螺纹螺距，/mm;
l──弯曲力臂，/mm。
l＝（D－D2）/2；
[τ]──螺母材料的许用切应力，/MPa；可取[τ]＝30～40MPa；
[σb]──螺母材料的许用弯曲应力，/MPa；可取[σb]＝40～60MPa。
计算：
剪切强度条件为：
b＝0.65P＝0.65*4=2.6
l＝（D－D2）/2＝（33-30）/2＝1.5mm
τ＝
＝
＝6.6Mpa＜[τ]
σb＝
＝
＝22.84Mpa＜[σb]
故螺母螺纹牙的强度符合要求
3.5螺母外径与凸缘的强度计算
螺母结构如图所示，在起重载荷F作用下，螺母下段悬置部分有拉伸应力，螺母凸缘与底座的接触面上会产生挤压压力，凸缘根部则有弯曲及剪切应力。
它们的强度条件计算式分别为：
螺母下段悬置部分的抗拉强度条件为：
σ＝
≤[σ]
螺母凸缘的挤压强度条件为：
σP＝
≤[σP]
螺母凸缘根部的弯曲强度条件为：
σb＝
≤[σb]
螺母凸缘根部的剪断很少发生，强度计算可从略。
式中[σ]──螺母材料的许用拉伸应力，/MPa。
可取[σ]＝0.83[σb]；
[σP]──螺母材料的许用挤压应力，/MPa。
可取[σ]＝（1.5～1.7）[σb]。
计算：
[σ]＝0.83[σb]=0.83*（40～60）MPa=（33.2～49.8）MPa
σ＝
＝
＝（45.3～49.1）Mpa＜[σ]
[σP]＝（1.5～1.7）[σb]=（1.5～1.7）*（40～60）MPa=（60～102）MPa
σP＝
＝
＝1.68Mpa＜[σP]
因此螺母下段悬置部分的抗拉强度、螺母凸缘的挤压强度均符合要求
3.6手柄设计
计算操作力矩T：
T＝T1＋T2＝FhLh
式中T1──螺旋副螺纹牙间的摩擦力矩，即螺杆所受扭矩，/N•m。
T2──螺杆与托杯底面间的摩擦力矩，/N•m。
T2＝
F──起升力，/N；
fc──螺杆与托杯底面间的摩擦因数，可取fc＝0.1；
D0──螺杆与托杯底面接触环面的外径，/m；
d0──螺杆与托杯底面接触环面的内径，/m；
Fh──扳动手柄的操作力，/N。
一般可取Fh＝250N；
Lh──手柄的长度，/m。
计算手柄弯曲强度
由手柄弯曲强度条件
σb＝
可得手柄直径计算式：
式中[σb]──手柄材料的许用弯曲应力，/MPa。
一般可选Q235，其[σb]＝125MPa。
计算：
T1=31609.3N•mm=31.6N•m
T2＝
=
=24780N•mm=24.8N•m
T＝T1＋T2=31.6N•m+24.8N•m=56.4N•m
T=LhFh
Lh=T/Fh=56.4/250=22.5mm
=
=16.52mm
取dh=17mm,
σb＝
三、设计结果与体会
经过几天的努力,我终于将机械设计课程设计做完了.在这次作业过程中,我遇到了许多困难,一遍又一遍的计算,一次又一次的设计方案修改这都暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足.对与机械专业的学生来说，设计一份千斤顶是很简单的，但对于一个食品专业的学生来说，这还是很有难度的，在同学与老师的帮助下，还是完成了。
通过这次机械课程设计，我对机械有了更深的理解，对千斤顶的原理和构造也有了一定的了解，通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致．课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：
有２次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来．想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定呀养成一种高度负责，认真对待的良好习惯．
参考文献：
[1]龚溎义主编．机械设计课程设计指导书（第二版）．北京：
高等教育出版社，1990
[2]朱龙根主编．简明机械零件设计手册（第2版）．北京：
机械工业出版社，2005
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