H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
机械设计大作业（二）
课程名称：机械设计
设计题目：螺旋起重器（千斤顶）
院系：机电学院
班级：1308103
设计者：王钤
学号：1130810320
指导教师：郝明辉
哈尔滨工业大学
一、 设计题目
螺旋起重机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、手柄等零件组成。
起重机的原始数据如下所
二、 设计内容
1、 选择螺杆、螺母的材料
螺杆采用45号钢调质，由参考文献[2]表10.2查得抗拉强度
b 600 MPa σ=，s 355 MPa σ=。
螺母材料用铝青铜CuAl10Fe3Z （考虑速度低）。
2、 耐磨性计算
螺杆选用45钢，螺母选用铸造铝青铜CuAl10Fe3Z ，有参考文献[1]表8.11
查得[]p =18~25MPa ，人力驱动时[]p 值可以加大20%，则[]p =21.6~30MPa ，取
[]25MPa p = 。
按耐磨性条件设计螺纹中径2d ，选用梯形螺纹，则
2d ≥，由参考文献[1]查得，对于整体式螺母系数 1.2~2.5ψ=,取
1.5ψ=。
则
222.6d mm ≥==
式中，Q F －－－－－轴向载荷，N ；
2d －－－－－螺纹中径，mm ；
[]p －－－－－许用压强，MPa ；
F
查参考文献[2]表11.3、11.4取公称直径32d =mm ，螺距6P =mm ，中径
229d =mm ，小径325d =mm ，内螺纹大径433D =mm 。
3、 螺杆强度校核
螺杆危险截面的强度条件为：
e []σσ=≤ 式中：Q F －－－－－轴向载荷，N ；
3d －－－－－螺纹小径，mm ；
1T －－－－－螺纹副摩擦力矩，N mm ⋅，2
1tan(')
2
Q d T F ψρ=+，ψ为螺纹升角，216
arctan
arctan 3.767929
np d ψππ⨯===⨯ 。
[]σ－－－－－螺杆材料的许用应力，MPa 。
查参考文献[1]表11.3得钢对青铜的当量摩擦因数'0.08~0.10f =，取
'0.09f =，螺纹副当量摩擦角'arctan 'arctan 0.09 5.1427f ρ=== 。
把已知值代入1T
计算式中，得：
129
30000tan(3.7679 5.1427)682022
T N mm =⨯
︒+︒=⋅
72.2e MPa σ==
由参考文献[1]表8.12可以查得螺杆材料的许用应力s
[]3~5
σσ=
，其中
s 355 MPa σ=，则[]71~118 MPa σ=，取[]σ=100MPa 。
显然，e []σσ<，螺杆满足强度条件。
4、 螺母螺纹牙的强度校核
螺母螺纹牙根部的剪切强度条件为
4[]Q F Z D b
ττπ=
≤
式中：Q F －－－－－轴向载荷，N ；
4D －－－－－螺母螺纹大径，mm ；
Z －－－－－螺纹旋合圈数，取8Z =；
b －－－－－螺纹牙根部厚度，梯形螺纹0.650.656mm 3.9 mm b p ==⨯=；
[]τ－－－－－螺母材料的许用切应力。
代入数据计算得
30000
9.27833 3.9
MPa τπ=
=⨯⨯⨯
查参考文献[1]表8.12知螺母材料的许用切应力[]30~40 MPa τ=，显然[]ττ<。
螺纹牙根部的弯曲强度条件为b b 2
43[]Q F l
D Zb σσπ=
≤
式中：l －－－－－弯曲力臂，42
3329
22
2
D d l mm --==
= ，其它参数同上。
代入数据计算得
2
3300002
14.27833 3.9b MPa σπ⨯⨯=
=⨯⨯⨯
查参考文献[1]表8.12知螺母材料的许用切应力b []40~60 MPa σ=。
显然
b b []σσ<，即满足螺纹牙的强度条件。
5、 自锁条件校核
因 3.7679ψ=︒， ' 5.1427ρ=︒，因此'ψρ<，所以满足自锁条件。
6、 螺杆的稳定性校核
螺杆的柔度值
3
4l
l
i
d μμλ=
=
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
11802
H l h l =+
++螺母
退刀槽 l 退刀槽指螺杆与手柄座相接处的尺寸，查手册知，9mm l =退刀槽。
=8648H ZP mm mm =⨯=螺母
手柄直径25mm d =手柄，由结构尺寸经验公式1(1.8~2)45~50 mm h d ==手柄，
取148 mm h =，则
(18024489)mm 261mm l =+++=
μ－－－－－长度系数，对千斤顶，可看作一端固定、一端自由，取2μ=；
3d －－－－－螺纹小径，mm ；
带入以上数值得
3442261
83.529025
l d μλ⨯⨯=
==< 对于45号调质钢，当90λ<时：
22
3c 2234034025F 8752610.00013410.0001383.524d N ππλ⨯==⨯=++⨯
87526 2.92 2.530000
c Q F F ==> 因此，满足稳定性要求。
7、 螺母外径及凸缘设计
螺纹外径2 1.5 1.532mm 48mm D d ≈=⨯=
螺纹凸缘外径3231.4 1.44867.2,D 68mm D D mm mm ≈=⨯==取。
螺纹凸缘厚b=(0.2~0.3)H (0.2~0.3)48mm 9.6~14.4mm b 12mm ⨯===，取。
8、 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，L 为手柄长度，则12FL T T =+。
168202N.mm T =
331222
1[(2~4)](2)1
3[(2~4)](2)
Q
D D T fF D D --+=--+ 式中：f －－－－－托杯支承面间摩擦因数；
(1.6~1.8)(1.6~1.8)32 mm=51.2~57.6 mm mm D d ==⨯，取54。
1(0.6~0.8)(0.6~0.8)32 mm 19.2~25.6 mm 22mm D d ==⨯=，取。
(0.8~1)(0.8~1)54mm 43.2~54mm mm h D ==⨯=，取50。
21(0.6~0.8)(0.6~0.8)22 mm 13.2~17.6mm 15mm h D ==⨯=，取。
T (2.0~2.5)(2.0~2.5)32 mm 64~80mm 72mm D d ==⨯=，取。
110 mm δ=，8 mm a =，8 mm t =。
Q2150.12f =托杯选铸铁，手柄，摩擦因数
331222
1[(2~4)](2)170416N mm 3[(2~4)](2)
Q D D T fF D D --+=≈⋅--+ 设250 N F =，则126820270416
mm 554.5 mm 250
T T L F ++=
==，取200mm L =，加套筒长400 mm 。
手柄直径d ≥
手柄s [] 1.5~2b σσ=，查查参考文献[2]知
s 205 MPa σ=，则[]102.5~136.7MPa b σ=，取[]110MPa b σ=。
代入数据计算得得
23.3mm d ≥=手柄
取手柄直径25 mm d =手柄。
9、 底座设计
螺杆下落到底面，再留20~30 mm 空间，底座铸造起模斜度1:10，厚度为10 mm δ=。
5D 由结构设计确定，5110 mm D =。
451.4 1.4110mm 154 mm D D ==⨯=。
校核底面的挤压应力：
4P 2
22
2
5
30000
2.03 MPa ()
(154110)
4
4
Q
F D D σπ
π
=
=
=--
底面材料选择铸铁HT100，铸件壁厚=30~50 mm δ时，b 80 MPa σ≥，
P b [](0.4~0.5)(0.4~0.5)80 MPa (32~40)MPa σσ==⨯=。
显然，P P []σσ<，满足设计要求。
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。