齿轮减速器设计方法与流程分解

机械设计基础课程设计机械设计课程设计是在机械设计基础理论教学后进行的一个重要的综合性与实践性教学环节。是学生在校期间第一次较全面的设计训练，与毕业设计一样是工科学生向实际工作过渡的必要训练手段，对学生将来工作态度和工作能力的培养有着重要的作用。 一、课程设计的目的 1、不论哪个专业，从事何种专业技术工作，一项设计的设计思想是基本一致的。对于机械类和近似机械类专业，其程序基本相同。本课程设计的首要目的就是要使学生树立正确的设计思想，掌握机械设计的一般程序，培养学生认真负责，一丝不苟和严谨的工作态度。2、复习、巩固已学过的有关理论基础知识。通过在设计实践中的具体运用以深化理论知识，培养学生机械设计的能力，掌握机械设计的基本计算方法和一般设计方法。 3、熟练运用机械设计资料,了解有关标准和设计规范，培养查阅资料的能力，为今后设计储备一些资料知识。 二、课题的选择 机械设计课程设计的题目一般是机械传动装置。1、机械传动装置的定义：执行机构需要由原动机输入动力才能工作，一般来说，原动机与执行机构直接相连的情况较为少见，通常是在二者之间设置一中间装置，这一中间装置称为传动装置。2、传动装置的功用：根据执行机构的工作要求，实现增速、减速、变速、改变运动形式或方位等。3、设计意义：工程实践表明，传动装置是机械中的重要组成部分，在整机成本和重量中占有很大比重，并在很大程度上决定整机的技术性能和运转费用，因此正确设计传动装置对保证整机的技术性能和质量指标有相当重要的意义。4、本次设计的题目：一级圆柱齿轮减速器。其原因是：1）齿轮减速器是机械传动中常用的传动装置；2）通过这类课题的设计实践能较好的达到教学的目的；3）在教学要求的深浅度和设计工作方面应变性较强。三、设计工作量设计任务：1图（装配图）1张，3图（零件图：齿轮和低速轴）2张，设计计算说明书1份。设计工作包括：传动方案的拟定、查阅资料、复习和学习有关知识、设计计算、绘制装配图和零件图、整理设计计算说明书。传动方案设计同样非常重要。例如带式运输机传动装置，在整个传动系统中，除要设计的减速器之外，还会接触到其它外传动机构。如带传动、链传动、开式齿轮传动等等。要求学生做传动装置总体设计就是使学生对机械的总体概念有进一步的认识。总体传动方案不同，减速器设计结果有很大差异。通过不同方案的对比，可以使学生增强一些优化设计的知识，而外部联接件的标准及规范往往也是设计减速器的重要依据。从而培养学生初步的机械总体设计的能力。绘制零件工作图的目的是：1、掌握典型零件设计，尤其是结构设计的基本知识；2、熟悉零件设计的有关标准和设计规范，并掌握查阅方法；3、掌握绘制零件工作图的基本知识，进一步训练学生的绘图能力。四、设计程序及阶段指导1、传动方案设计及计算(1)进行传动装置的布置，确定传动比例和外传动的有关几何尺寸；(2)计算传动系统中各轴的转速、转矩、功率和效率；(3)选择电动机。该阶段是整个设计的基础，其设计质量直接影响整个设计的优劣，学生要复习常用机械传动的应用特点，正确组合及怎样进行整体设计。要强调,该阶段设计要与齿轮传动设计计算交叉进行。因传动比的分配是影响齿轮传动和整个减速器的结构尺寸大小的关键，应反复对比，最后确定最佳方案。 此阶段要使学生熟悉有关资料、标准及查阅方法。教学生什么数据、标准、规范应查什么资料。经审核后再进行下一步。2、零件设计及装配草图该阶段在整个设计中内容最多，工作量最大。具体内容有：齿轮设计、轴的设计、轴承、键和联轴器的选择及校核、润滑与密封方法的确定、润滑剂及密封元件的选择、以及箱体的一些相关尺寸的确定等。 此阶段应注意：(1)使学生明确设计计算原则；(2)有关系数的选择要合理；(3)要根据有关标准规范设计，轴的设计要与装配草图同时进行，边计算、边设计、边修改，力求完善。 轴的关键是结构设计，结构要合理、正确，并遵守标准和规范。要做到每个尺寸的确定都必须有依据。轴承的校核计算关键是要符合轴承所承受作用力的大小和方向。根据不同的条件采用不同的方法进行校核。润滑及密封方式的选择要进行必要的计算，所有的数据都要有依据。要求学生必须熟悉资料，掌握查阅和计算方法。 3、绘制装配图 该阶段主要是箱体和减速器整体的设计，箱体是减速器的主要基础零件，结构复杂。其部分结构和尺寸已在草图中完成。此时的设计是确定剩余部分的具体结构和尺寸。 另外，应使学生明白设计与测绘不同。设计是先画出装配图再拆出零件图（防止零件尺寸有误而导致无法安装），测绘则是根据零件画装配图。思路明确了最后画出正规的装配图。 4、设计收尾工作 此阶段主要分两个内容：整理设计计算说明书；写设计小结。 整理说明书主要目的是将计算的数据注明依据；凡采用标准或规范的必须注明标准代号、名称。 小结工作是希望学生通过总结整个设计过程使设计能力得到进一步的提高。通过总结可以帮助学生树立整体的、有条理的、正确的设计思想，发现设计中更多的优点和不足。同时，使每一位学生认识到从事技术工作应持有的工作态度和应具备的知识素质，有利于促进学生今后的自觉学习，为适应将来的工作奠定坚实的基础。五、对学生的基本要求1、学习态度(1)要有勤于思考、刻苦钻研的学习精神和严肃认真、一丝不苟、有错必改、精益求精的工作态度，对有抄袭他人设计图纸（论文）或找他人代画设计图纸、代做论文等行为的弄虚作假者一律按不及格记成绩，并根据学校有关规定给予处理。(2)要敢于创新，勇于实践，注意培养创新意识和工程意识。(3)掌握课程的基本理论和基本知识，概念清楚，设计计算正确，结构设计合理，绘图符合标准，说明书（论文）撰写规范，答辩中回答问题正确。2、学习纪律要严格遵守学习纪律，遵守作息时间，不得迟到、早退和旷课，每天出勤不少于8小时。如因事、因病不能上课，则需请假，凡未请假或未获准假擅自不上课者，均按旷课论处。3、公共道德要爱护公物，搞好环境卫生，保证设计室整洁、卫生、文明、安静。严禁在设计室内打闹、嬉戏、吸烟和下棋。六、课程设计答辩答辩是课程设计中一个重要的教学环节，通过答辩可使学生进一步发现设计中存在的问题，进一步理解未曾考虑到的问题，从而取得更大的收获，圆满地达到课程设计的目的与要求。1、答辩资格按计划完成课程设计任务，经指导教师审查合格方可获得参加答辩资格。2、答辩小组组成课程设计答辩小组由23名讲师及讲师以上职称的教师组成，由教研室（或系）负责组织。3、答辩课程设计审查通过后，由答辩小组主持答辩。答辩前，答辩小组应详细审阅学生的课程设计资料，为答辩作好准备，答辩中，学生须介绍自己设计的主要内容和主要过程（约5分钟），并回答答辩小组成员提问的34个问题。每个学生答辩时间约15分钟。答辩过程中，应做好记录，供评定成绩时参考。4、课程设计成绩评定答辩结束后，答辩小组应举行会议，按照学校的规定，确定学生的答辩成绩。课程设计的成绩由三部分构成：图纸50%，答辩30%，说明书20%。课程设计的成绩分为：优秀、良好、中等、及格，不及格五个等级。优秀者一般不超过答辩人数的20。对答辩成绩不及格者，可在一个月后重新答辩。七、课程设计任务书1、已知条件见设计任务书。2、设计工作量(1)减速器装配图1张(2)零件图2张（大齿轮、低速轴）(3)设计计算说明书1份3、参考传动方案如下 单级圆柱齿轮传动+链传动 单级圆柱齿轮传动+带传动 双级圆柱齿轮传动 双级圆锥-圆柱齿轮传动单级蜗杆蜗轮传动八、课程设计计算说明书撰写规范设计说明书内容及参考格式如下:首 页: 封面(由学校统一印刷)次页：目录（注明内容及页次）第一页：设计任务书第二页：以下设计计算内容书写格式参照机械设计课程设计指导书（一）传动方案拟订及运动简图（二）选择电动机（三）计算总传动比和分配各级传动比（四）运动参数及动力参数计算（各轴转速、功率、转矩）（五）传动零件设计（带轮、齿轮）（六）轴的设计计算（按扭矩初算轴径、轴的结构设计、按弯扭合成强度 计算）（七）联轴器选择及校核（八）键的选择及校核（九）滚动轴承选择及校核（十）减速器的润滑方式和密封方式的选择末 页：参考文献设计小结九、下面即是以V带-单级圆柱齿轮减速器为例的一份说明书单级圆柱齿轮减速器和一级带传动(1)工作条件：使用年限10年，工作为一班工作制，载荷较平稳，灰尘较大。(2)原始数据：滚筒圆周力F=1500N；带速V=2m/s；滚筒直径D=500mm；滚筒长度L=200mm。 目录一、传动方案拟定1二、电动机的选择2三、计算总传动比及分配各级传动比3四、运动和动力参数计算4五、传动零件的设计计算6六、箱体的结构设计七、轴的设计计算12八、滚动轴承的选择及校核计算19九、键联接的选择及计算21十、联轴器的选择22十一、减速器的润滑方式和密封方式的选择23参考文献24设计小结计算及说明结果一、传动方案拟定设计任务书中给出两种方案。方案一采用二级闭式齿轮传动，适应在繁重及恶劣的条件下长期工作，且使用维护方便，但要求大起动力矩时，起动冲击大。方案二选用V带传动和一级闭式齿轮传动，此方案的结构尺寸.较大，V带传动也不适用于繁重工作要求和恶劣的工作环境，但V带传动布置于高速级，能发挥其的传动平稳、缓冲吸振和过载保护的优点，可适应大起动转矩工况要求，结构简单，成本低，使用维护方便。根据以上分析比较，本设计选用方案二。二、确定电动机型号1、选择的电动机类型： Y系列三相异步电动机2、选择电动机的功率（容量）：（1）传动装置的总效率：总=带3轴承齿轮联轴器滚筒 =0.960.9830.970.990.96=0.833(2) 所需电动机的功率： Pw= FV/1000=10002/1000=2KWPd= Pw/总=2/0.833=2.4KW（3）确定电动机的额定功率Ped查表161，选电动机的额定功率为Ped3KW3、确定电动机转速： 计算滚筒工作转速：nW =601000V/D=6010002.0/500=76.39r/min 按指导书P10表21推荐的传动比合理范围，取圆柱齿轮传动一级减速器传动比范围i齿=35。取V带传动比 i带=24，则总传动比取值范围为i=620。故电动机转速的可选范围为nd=inW=（620）76.39=4581528r/min。符合这一范围的同步转速有750、1000、和1500r/min。根据容量和转速，由表171查出有三种适用的电动机型号，综合考虑电动机和传动装置尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，选n=1000r/min合适。4、确定电动机型号根据以上选用的电动机类型，所需的额定功率及同步转速，选定电动机型号为Y132S-6。其主要性能：额定功率：3KW，满载转速960r/min。三、计算总传动比和分配各级传动比1、总传动比：ia=nm/nw =960/76.39=12.57 2、分配各级传动比（1）据指导书取齿轮传动传动比i齿=3.5（齿轮传动i=35合适）（2）i总=i齿轮i带I带=i总/i齿=12.57/3.5=3.6（带传动比i=24合适）四、运动和动力参数计算（给各轴编号：0轴为电动机轴，1轴为减还器高速轴，2轴为减速器低速轴，3轴为滚筒轴。）1、计算各轴转速（r/min）n0=nm=960r/minn1=n0/i带=960/3=320(r/min)n2=n1/i齿轮=320/4.19=76.37(r/min)n3=n2/1=76.37/1=76.37(r/min)2、 计算各轴的输入功率（KW）P0=Pd=2.4KWP1=P0带=2.40.96=2.304KWP2=P1轴承齿轮=2.3040.980.97=2.19KWP3=P2轴承联轴器=2.190.980.99=2.12KW3、计算各轴的输入转矩（Nm）T0=9550P0/n0=95502.4/960=23.875NmT1=9550P1/n1=95502.304/320=68.76NmT2=9550P2/n2=95502.19/76.37=273.86NmT3=9550P3/n3=95502.12/76.37=265.1Nm五、传动零件的设计计算1、带传动的设计计算（1）选择普通V带类型由课本P104表8-4得：kA=1.1Pc=KAPd=1.12.4=2.64KW由课本P104图8-11得：选用A型V带（2）确定带轮基准直径由课本图8-11得，推荐的小带轮基准直径为75100mm 取dd1=100mmdmin=75 mm dd2= dd1n0/n1=100960/320=300mm由课本P105表8-6，取dd2=315mm传动比i=dd2/dd1=315/100=3.15(i-i带)/i=（3.15-3）/3.150.05=5%，符合小于等于5%的要求。（3）验算带速带速v：v=dd1n0/601000=100960/601000 =5.03m/s(4)确定V带基准长度和中心矩初定中心距：根据课本P105式（8-12）0.7(dd1+dd2) a02(dd1+dd2) 得0.7(100+315) a02(100+315)即 290.5mma0830mm a0=600 由课本P105式（8-13）得：Ld0=2a0+(dd1+dd2)/2 +(dd2-dd1)2/4a0 =2600+1.57(100+315)+(315-100)2/4500 =1874.66mm根据课本P100表8-2取Ld=1800mm根据课本P105式（8-14）得：aa0+(Ld-Ld0)/2=600+(1800-1874.66)/2=562.67mm(5)验算小带轮包角1=1800-57.30(dd2-dd1)/a =1800-57.30(315-100)/563=1800-21.90 =158.10（6）计算V带根数单根V带基本额定功率：根据课本P102表8-3P1=0.97KW额定功率增量：根据课本P106表87P1=0.11KW包角修正系数：根据课本P106表8-8K=0.93带长修正系数：根据课本P100表8-2KL=0.99 V带根数：根据课本P106式（8-16）得Z=Pc/(P1+P1) KKL =2.64/(0.97+0.11) 0.930.99 =2.65取Z3（7）计算初拉力 F0500Pc(2.5/K-1)/Zv+qv2 =5002.64(2.5/0.93-1)/35.03+0.15.032 =150.2(N)（8）计算作用在轴上的压力FQ=2ZF0sin(1/2)=23150.2sin153.4/2=1600.4N(9)带轮结构设计（略）2、齿轮传动的设计计算（1）选择齿轮材料、精度等级及齿数 考虑减速器传递功率不大，齿轮采用软齿面。小齿轮选用40Cr调质，齿面硬度为250HBS。大齿轮选用45钢，调质，齿面硬度220HBS；根据课本P139表10-7选8级精度。齿面粗糙度Ra1.63.2。取Z129，Z2uZ14.1929=121.5，取Z2=121。i=Z2/Z1=121/29=4.17(4.17-4.19)/4.19=0.48%5% 合适(2)按齿面接触疲劳强度设计 由公式（1024）d1 T1=9550P1/n1=68.76Nm按公式（1029）得(3)确定齿轮传动主要参数及几何尺寸模数：m=d1/z1=52.55/29=1.812 查表102，取m=2分度圆直径：d1=mz1=229=58mm d2=mz2=2121=242mm传动中心距：a=m(z1+ z2)/2=1.5(29+121)/2113mm齿宽：b=d d1=143.5mm=43.5mm44mm 取b2=44mm b1=b2+(5-10)=50mm验算齿轮圆周速度： v=d1n1/601000=43.5320/601000 =0.73m/s由表107选齿轮传动精度等级8级合宜。(4)校核齿根弯曲疲劳强度根据公式（10-26） F=(2000KT1/bm2 z1)YFSFPFlim1=295MpaFlim2=220Mpa由公式（1030）得查表1032得YFS1=4.08 YFS2=3.98F1=(2000KT1/bm2 z1)YFS1 =(20001.568.76/441.5229)4.08 =293.15MPaFP1F2=F1YFS2/YFS1=293.153.98/4.08=285.96MPaFP1六、轴的设计计算（一）I轴的设计计算1、按扭矩初估轴径选用45#调质，硬度217255HBS根据课本P213（13-1）式，并查表13-3，取A=115dA=22.2mm考虑有一个键槽，将直径增大3%，则d=22.2(1+3%)mm=22.87查表133选dI=24mm2、轴的结构设计由于小齿轮的尺寸与轴相差不大，因此设计成齿轮轴。轴承采用6206。3、I轴的草图： （二）II轴的设计计算1、选择轴的材料，确定许用应力选用45#正火，硬度170217HBS，-155MPa2、按扭矩初估轴的最小直径根据课本P213（13-1）式，并查表13-3，取A=115dA=35.2mm考虑有两个键槽，将直径增大7%，则d=35.2(1+7%)mm=37.7mm查表133选dII=38mm经联轴器的设计计算，选联轴器，所以取II轴的最小直径为dIImin=40mm。3、轴的结构设计 （1）轴上零件的位置及其定位、固定和装配齿轮位置：单级齿轮减速器中将齿轮安排在箱体内部的中央。齿轮轴向定位：右面用轴环，左面用套筒。齿轮周向定位：用A型普通平键联接。轴承位置：两轴承相对齿轮对称布置。轴承的轴向定位：左轴承外圈用轴承端盖，内圈用轴肩。右轴承外圈用轴承端盖，内圈用套筒。轴承的周向定位：过盈配合。左半联轴器的轴向定位：左端用轴肩。左半联轴器的周向定位：用C型普通平键联接。 （2）确定轴各段直径和长度将II轴设计成阶梯形，其尺寸见课件图。由上述设计过程可得，轴支承跨距L=119mm（3）II轴的草图： 4、按弯扭合成强度进行计算（1）已知条件：大齿轮分度圆直径： d2=181.5mm传递转矩： T2=273.86Nm（2）求圆周力Ft根据课本P144式（10-17）得Ft=2000T2/d2=2000273.86/181.5=3017.74N求径向力Fr根据课本P144式（10-18）得Fr=Fttan=3017.74tan20=1012.59N因为两轴承对称，所以：LA=LB=59.5mm(3)绘制轴受力简图并求未知约束反力（如图a） FrFtD A FAX C B FBX T2 FAY FBY轴承支反力：FAY=FBY=Fr/2=506.3NFAX=FBX=Ft/2=1508.85N（4）绘制垂直面弯矩图（如图b）由两边对称，知截面C的弯矩也对称。截面C在垂直面弯矩为MVC=FByL/2=506.359.5/1000=30.12Nm (5)绘制水平面弯矩图（如图c） MHC=FBXL/2=1508.8559.5/1000=89.78Nm（6）作合成弯矩图（如图d） MC=（7）作扭矩图（如图e） T=T2=273.86Nm（8）绘制当量弯矩图（如图f）转矩产生的扭矩按脉动循环变化，取=0.6，截面C处的当量弯矩：Mec =Mc2+(T)21/2=94.72+(0.6273.86)21/2=189.65Nm（9）按弯扭合成进行强度计算mm该轴强度足够。MV30.12DACBMHDACB89.78TDACBMecD ACB七、滚动轴承的选择及校核计算 I轴：6206 II轴：6211八、键联接的选择及校核计算轴II与齿轮2联接用普通平键联接轴径d=55mm L2=42mm T=273.86Nm查手册P108选用A型平键b=16mm h=10mm L=44-8=36mm据课本P243式（10-5）得p=4T/dhL=4273.86/551036=55.32Mpa1200（合适）Z=3 F0=150.2NFQ =1600.4N8级精度Z129Z2=121i齿=4.19Hlim1=699MpaHlim2=570MpaHP1=629.1MpaHP2=513Mpam=1.5mmd1=43.5mmd2=181.5mma=113mmb1=50mmb2=44mmv=0.73m/s5 m/s齿轮传动精度等级8级合宜。Flim1=295MpaFlim2 =220MpaFP1=413MpaFP2=308MpaYFS1=4.08YFS2=3.98齿根弯曲应力符合强度要求。dImin=24mm-155MPadIImin=40mm初选轴承为6211轴承d=55mm D=100mm B=21mmFt=3017.7NFr=1012.59NFAY=FBY=Fr/2=506.3NFAX=FBX=Ft/2=1508.85NMVC=30.12NmMHC=89.78NmMC=94.7NmT=273.86NmMec=189.65NmI轴：6206II轴：6211键1636 GB1096-79弹性套柱销联轴器（GB432384）齿轮采用浸油润滑。轴承采用脂润滑。各处密封采用毡圈密封。参考文献1、 王大康，卢颂峰主编.机械设计课程设计. 北京：北京工业大学出版社，2005.12、 中国机械工业教育协会组编.机械设计基础. 北京：机械工业出版社，2001.6