机械设计课程设计螺旋千斤顶的设计

螺旋千斤顶的设计

千斤顶一般由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄等零件所组成。螺杆在固定螺母中旋转，并上下升降，把托杯上的重物举起或放落。设计时某些零件的主要尺寸是通过理论计算确定的，其它结构尺寸则是根据经验公式或制造工艺决定的，必要

时才进行强度验算。

设计的原始数据是：最大起重量F=30（kN）和最大提升高度H=170（mm）。

计 算 及 说 明

1、螺杆的设计与计算

1.1、螺杆螺纹类型的选择

螺纹有矩形、梯形与锯齿形，常用的是梯形螺纹。梯形螺纹牙型

为等腰梯形，牙形角α=30º，梯形螺纹的内外螺纹以锥面

贴紧不易松动；它的基本牙形按GB/T5796.1—2005的规定。根

据螺旋千斤顶要较强的自锁性选择自锁性较好的梯形螺纹。

1.2、螺杆材料的选取

螺杆材料常用Q235、Q275、40钢、45钢、55钢等。螺杆承受重

载，可初选螺杆的材料为45钢。最后根据强度条件来验证确定

最终材料。

1.3、确定螺杆基本尺寸

（1）螺杆公称直径d：

估计螺杆公称直径为30mm左右，根据手册表3-7可知螺距p

螺母为整体式、磨损后间隙不能调整可得φ

根据为梯形螺纹h=0.5p

由螺纹副材料为钢对青铜，滑动速度为低速，根据表6.5

根据公式（6.20）d2≥ =25.24mm，再根据手册的表3-7取标准

公称直径d，并检验螺距p满足条件。

再根据手册的表3-8查的：

（2）螺杆中径d2=d-2.5 （3）螺杆小径d1=d-5.5 根据经验公式可知 结 果

（4）手柄孔径dk由手柄直径dp

决定，dk≥dp+0.5mm

（5）螺纹退刀槽d4的直径比螺杆小径d1小约0.2~0.5mm（6）退刀槽宽度取1.5p

（7）螺杆上支撑手柄的大径D13=1.8d

（8）螺杆上支撑手柄的大径高度取1.5d

（9）螺杆下端挡圈直径D=d+（6~10）mm再由设计手册的表5-3

取标准件

（10）下端挡圈厚度H由表5-3取标准件5mm

（11）螺杆下端与挡圈靠螺钉固定，螺钉孔直径为0.25d

（12）螺杆总长度为H1+ H

（13）螺杆上所有倒角根据手册表1-28可知

（14）螺杆上超过支撑手柄大径的高度可取比托杯下端厚度厚

3~4mm

1.4、自锁验算

（1）根据表6.7，螺纹副材料为钢对青铜（定期润滑）可知螺

纹副的当量摩擦系数v

（2）根据当量摩擦角定义可知v=arctan v

（3）根据自锁条件≤v，且螺纹中径处升角至少要比当量摩

擦角小1°，可得中径升角

1.5、螺杆强度计算

（1）根据公式 （2）由手册表2-7知螺杆材料45钢的屈服强度δs

（3）由表6.6可知螺杆许用应力[δ]=δs/4

（4）根据第四强度理论参考公式（6.23）可知螺杆受的应力δ= ,

满足强度δ

1.6、稳定性计算

（1）由手册表1-6查的螺杆材料弹性模量E

（2）根据公式I=

（3）螺杆为一端铰支，一端移动，可知长度系数β

l=H+5p+1.5d （4）根据经验可取举起重物后托杯底面到螺母中部的高度

（5）螺杆危险截面的惯性半径

（6）根据公式λs=βl/i可得螺杆柔度λs=42.13>40需要强度

校核。

（7）由公式（6.24）螺杆稳定临界载荷Fcr= =115.84kN根据稳

定性条件Fcr/F=3.86 2.5。 2、螺母设计与计算

2.1、选取螺母材料

螺母材料一般可选用青铜，对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造，其内孔浇注青铜或巴氏合金。可初选材料为2CuAl10Fe3

2.2、确定螺母基本参数

（1）由经验公式H=φd2初步确定螺母高度H

（2）根据初步选定的螺母高度根据公式u= H/p=7.65求得螺纹工作圈数，再考虑退刀槽的影响，实际螺纹圈数u = u+1.5=9.15最后对u圆整得u=9，满足圈数不大

于10的要求。

（3）根据求得的螺母实际圈数由式H=up求得螺母

高度

（4）由于螺杆与螺母配合，可知螺母公称直径D

由经验公式可知：

（5）螺母下端外径D3=1.8D

（6）螺母上端台阶外径D4=1.4D3

（7）螺母上端台阶高度a= H/3

（8）为了安装简便螺母上端和下端倒角均为45°

（9）螺母压入底座上的孔内，圆柱接触面间的配合常采用

直径常根据举重量选取，一般为6~12mm。 （10）为了更可靠地防止螺母转动，还应装置紧定螺钉紧定螺钉

2.3、校核螺纹牙强度

螺纹牙剪切强度校核：

（1）螺纹牙底宽度t1=0.634p

（2）相旋合螺纹圈数z=H/p

（3）根据设计手册表3-8可知螺母螺纹大径d=d+0.5

（4）根据表6.6可知螺母的许用剪切应力[ ]=30~40Mpa

（5）由公式6.21螺纹剪切强度 = =11.75Mpa≤[ ]

螺纹牙弯曲强度校核：

（1）根据表6.6可知螺纹的许用弯曲强度[σb]=40~60Mpa

（2）根据公式6.22螺纹弯曲强度σb= =27.8Mpa

≤[σb]

螺纹副耐磨性校核：

（1）根据表6.5可知螺纹副的许用压强[P]=18~25Mpa

（2）根据公式6.19螺纹副压强P= =16.65Mpa≤[P]

3、托杯的设计与计算

3.1、托杯材料与尺寸的确定

（1）托杯用来承托重物，可用铸钢铸成，也可用Q235钢模锻制

成，取材料为Q235。

（2）根据经验托杯上圆壁厚度δ取10mm

（3）为了使托杯与重物接触良好和防止与重物之间出现相对滑动，在托杯上表面均匀的布置4个缺口其宽度取1.5δ，高度取

δ/2

（4）托杯上表面圆直径D10=2.5d

（5）托杯高度取1.5d （6）托杯下端圆直径D12应该比螺杆大端直径D13小2~4mm

下端壁厚取1.3δ

（7）下端开有螺杆通孔其直径D11=（0.6~0.7）d

（8）为了防止托杯从螺杆端部脱落，在螺杆上端应装有挡圈，并用螺钉连接，螺钉直径为（0.1~0.2）d，挡圈根据设计手册表

5-3和托杯下端直径选标准值

3.2、强度验算

当螺杆转动时，托杯和重物都不作相对转动。因此在起重时，托杯底部与螺杆和接触面间有相对滑动，为了避免过快磨损，一方面需要润滑，另一方面还需要验算接触面间的压力强度P根据公

式 ，再根据表6.5可查得许用压强[P]

4、手柄的设计与计算

3.1、手柄材料及基本尺寸的确定

（1）手柄常用材料Q235和Q215，选用Q235

（2）加于手柄上一个工人的臂力K，间歇工作时，约为150~250N，

工作时间较长时为100~150N。

（3）螺旋副间的摩擦阻力矩 （4）根据手册查表1-10可知托杯与螺杆上表面摩擦因数f

（5）托杯与轴端支承面的摩擦力矩T2

=(D12+D11)fF/4

（6）根据扮动手柄时的力矩平衡方程K·Lp=T1+ T2得 。手柄计算长度Lp是螺杆中心到人手施力点的距离，考虑螺杆头部尺寸及工人握手距离，手柄实际长度还应加上 /2+（50~150）mm

（7）材料为Q235时手柄材料许用弯曲应力[]F=120Mpa。

（8）把手柄看成一个悬臂梁，按弯曲强度确定手柄直径dp，其

强度条件为[]F= ≤[]F可知dp≥ =20.3mm

（9）手柄插入螺杆上端的孔中，为防止手柄从孔中滑出，在手柄两端面应加上挡环，挡环直径应比手柄直径大（6~10）mm挡环厚度取（4~6）mm，根据手册表5-3选B型标准件。

（10）挡圈与手柄用螺钉连接，根据手册表5-3知螺钉类型5、底座的设计与计算

5.1、底座材料及基本尺寸的确定

（1）底座材料常用铸铁（HT150及HT200）选用HT150

（2）铸件的侧壁厚δ不应小于8~12mm，为了增加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因此将其外形制成1∶10的斜度。

（3）底座厚度取1.3δ

（4）从底座下端到螺纹通孔高度H1应比最大提升高度H高

（14~28）mm

（5）螺纹通孔段高度为螺纹总高度H-螺纹台阶高度a

（6）螺纹通孔内径D6应该比螺纹外径D3大（5~10）mm

（7）底座下端孔内径D7=D6+ H1/5

（8）底座下枕垫物的许用挤压应力[]p，对于木材取

[]p=2~2.5MPa

（9）底座下端外径D8=

（10）过渡处倒角半径根据手册表1-27可知

螺旋千斤顶的设计

千斤顶一般由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄等零件所组成。螺杆在固定螺母中旋转，并上下升降，把托杯上的重物举起或放落。设计时某些零件的主要尺寸是通过理论计算确定的，其它结构尺寸则是根据经验公式或制造工艺决定的，必要

时才进行强度验算。

设计的原始数据是：最大起重量F=30（kN）和最大提升高度H=170（mm）。

计 算 及 说 明

1、螺杆的设计与计算

1.1、螺杆螺纹类型的选择

螺纹有矩形、梯形与锯齿形，常用的是梯形螺纹。梯形螺纹牙型

为等腰梯形，牙形角α=30º，梯形螺纹的内外螺纹以锥面

贴紧不易松动；它的基本牙形按GB/T5796.1—2005的规定。根

据螺旋千斤顶要较强的自锁性选择自锁性较好的梯形螺纹。

1.2、螺杆材料的选取

螺杆材料常用Q235、Q275、40钢、45钢、55钢等。螺杆承受重

载，可初选螺杆的材料为45钢。最后根据强度条件来验证确定

最终材料。

1.3、确定螺杆基本尺寸

（1）螺杆公称直径d：

估计螺杆公称直径为30mm左右，根据手册表3-7可知螺距p

螺母为整体式、磨损后间隙不能调整可得φ

根据为梯形螺纹h=0.5p

由螺纹副材料为钢对青铜，滑动速度为低速，根据表6.5

根据公式（6.20）d2≥ =25.24mm，再根据手册的表3-7取标准

公称直径d，并检验螺距p满足条件。

再根据手册的表3-8查的：

（2）螺杆中径d2=d-2.5 （3）螺杆小径d1=d-5.5 根据经验公式可知 结 果

（4）手柄孔径dk由手柄直径dp

决定，dk≥dp+0.5mm

（5）螺纹退刀槽d4的直径比螺杆小径d1小约0.2~0.5mm（6）退刀槽宽度取1.5p

（7）螺杆上支撑手柄的大径D13=1.8d

（8）螺杆上支撑手柄的大径高度取1.5d

（9）螺杆下端挡圈直径D=d+（6~10）mm再由设计手册的表5-3

取标准件

（10）下端挡圈厚度H由表5-3取标准件5mm

（11）螺杆下端与挡圈靠螺钉固定，螺钉孔直径为0.25d

（12）螺杆总长度为H1+ H

（13）螺杆上所有倒角根据手册表1-28可知

（14）螺杆上超过支撑手柄大径的高度可取比托杯下端厚度厚

3~4mm

1.4、自锁验算

（1）根据表6.7，螺纹副材料为钢对青铜（定期润滑）可知螺

纹副的当量摩擦系数v

（2）根据当量摩擦角定义可知v=arctan v

（3）根据自锁条件≤v，且螺纹中径处升角至少要比当量摩

擦角小1°，可得中径升角

1.5、螺杆强度计算

（1）根据公式 （2）由手册表2-7知螺杆材料45钢的屈服强度δs

（3）由表6.6可知螺杆许用应力[δ]=δs/4

（4）根据第四强度理论参考公式（6.23）可知螺杆受的应力δ= ,

满足强度δ

1.6、稳定性计算

（1）由手册表1-6查的螺杆材料弹性模量E

（2）根据公式I=

（3）螺杆为一端铰支，一端移动，可知长度系数β

l=H+5p+1.5d （4）根据经验可取举起重物后托杯底面到螺母中部的高度

（5）螺杆危险截面的惯性半径

（6）根据公式λs=βl/i可得螺杆柔度λs=42.13>40需要强度

校核。

（7）由公式（6.24）螺杆稳定临界载荷Fcr= =115.84kN根据稳

定性条件Fcr/F=3.86 2.5。 2、螺母设计与计算

2.1、选取螺母材料

螺母材料一般可选用青铜，对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造，其内孔浇注青铜或巴氏合金。可初选材料为2CuAl10Fe3

2.2、确定螺母基本参数

（1）由经验公式H=φd2初步确定螺母高度H

（2）根据初步选定的螺母高度根据公式u= H/p=7.65求得螺纹工作圈数，再考虑退刀槽的影响，实际螺纹圈数u = u+1.5=9.15最后对u圆整得u=9，满足圈数不大

于10的要求。

（3）根据求得的螺母实际圈数由式H=up求得螺母

高度

（4）由于螺杆与螺母配合，可知螺母公称直径D

由经验公式可知：

（5）螺母下端外径D3=1.8D

（6）螺母上端台阶外径D4=1.4D3

（7）螺母上端台阶高度a= H/3

（8）为了安装简便螺母上端和下端倒角均为45°

（9）螺母压入底座上的孔内，圆柱接触面间的配合常采用

直径常根据举重量选取，一般为6~12mm。 （10）为了更可靠地防止螺母转动，还应装置紧定螺钉紧定螺钉

2.3、校核螺纹牙强度

螺纹牙剪切强度校核：

（1）螺纹牙底宽度t1=0.634p

（2）相旋合螺纹圈数z=H/p

（3）根据设计手册表3-8可知螺母螺纹大径d=d+0.5

（4）根据表6.6可知螺母的许用剪切应力[ ]=30~40Mpa

（5）由公式6.21螺纹剪切强度 = =11.75Mpa≤[ ]

螺纹牙弯曲强度校核：

（1）根据表6.6可知螺纹的许用弯曲强度[σb]=40~60Mpa

（2）根据公式6.22螺纹弯曲强度σb= =27.8Mpa

≤[σb]

螺纹副耐磨性校核：

（1）根据表6.5可知螺纹副的许用压强[P]=18~25Mpa

（2）根据公式6.19螺纹副压强P= =16.65Mpa≤[P]

3、托杯的设计与计算

3.1、托杯材料与尺寸的确定

（1）托杯用来承托重物，可用铸钢铸成，也可用Q235钢模锻制

成，取材料为Q235。

（2）根据经验托杯上圆壁厚度δ取10mm

（3）为了使托杯与重物接触良好和防止与重物之间出现相对滑动，在托杯上表面均匀的布置4个缺口其宽度取1.5δ，高度取

δ/2

（4）托杯上表面圆直径D10=2.5d

（5）托杯高度取1.5d （6）托杯下端圆直径D12应该比螺杆大端直径D13小2~4mm

下端壁厚取1.3δ

（7）下端开有螺杆通孔其直径D11=（0.6~0.7）d

（8）为了防止托杯从螺杆端部脱落，在螺杆上端应装有挡圈，并用螺钉连接，螺钉直径为（0.1~0.2）d，挡圈根据设计手册表

5-3和托杯下端直径选标准值

3.2、强度验算

当螺杆转动时，托杯和重物都不作相对转动。因此在起重时，托杯底部与螺杆和接触面间有相对滑动，为了避免过快磨损，一方面需要润滑，另一方面还需要验算接触面间的压力强度P根据公

式 ，再根据表6.5可查得许用压强[P]

4、手柄的设计与计算

3.1、手柄材料及基本尺寸的确定

（1）手柄常用材料Q235和Q215，选用Q235

（2）加于手柄上一个工人的臂力K，间歇工作时，约为150~250N，

工作时间较长时为100~150N。

（3）螺旋副间的摩擦阻力矩 （4）根据手册查表1-10可知托杯与螺杆上表面摩擦因数f

（5）托杯与轴端支承面的摩擦力矩T2

=(D12+D11)fF/4

（6）根据扮动手柄时的力矩平衡方程K·Lp=T1+ T2得 。手柄计算长度Lp是螺杆中心到人手施力点的距离，考虑螺杆头部尺寸及工人握手距离，手柄实际长度还应加上 /2+（50~150）mm

（7）材料为Q235时手柄材料许用弯曲应力[]F=120Mpa。

（8）把手柄看成一个悬臂梁，按弯曲强度确定手柄直径dp，其

强度条件为[]F= ≤[]F可知dp≥ =20.3mm

（9）手柄插入螺杆上端的孔中，为防止手柄从孔中滑出，在手柄两端面应加上挡环，挡环直径应比手柄直径大（6~10）mm挡环厚度取（4~6）mm，根据手册表5-3选B型标准件。

（10）挡圈与手柄用螺钉连接，根据手册表5-3知螺钉类型5、底座的设计与计算

5.1、底座材料及基本尺寸的确定

（1）底座材料常用铸铁（HT150及HT200）选用HT150

（2）铸件的侧壁厚δ不应小于8~12mm，为了增加底座的稳定性，底部尺寸应大些，因此将其外形制成1∶10的斜度。

（3）底座厚度取1.3δ

（4）从底座下端到螺纹通孔高度H1应比最大提升高度H高

（14~28）mm

（5）螺纹通孔段高度为螺纹总高度H-螺纹台阶高度a

（6）螺纹通孔内径D6应该比螺纹外径D3大（5~10）mm

（7）底座下端孔内径D7=D6+ H1/5

（8）底座下枕垫物的许用挤压应力[]p，对于木材取

[]p=2~2.5MPa

（9）底座下端外径D8=

（10）过渡处倒角半径根据手册表1-27可知