自由落钩卷扬机机构设计

自由落钩卷扬机机构设计摘要本设计主要介绍了液压卷扬机的结构、总体设计及工作情况。其中对液压卷扬机传动系统的设计做了分析和理论推导,为开发同类产品提供了设计方法。卷扬机是钻探施工中升降钻具、套管及处理孔内事故的主要设备之一。液压卷扬机结构紧凑,传动平稳,调整范围大,操纵简单,易于安装。它即可与钻机配套,又可独立使用,是一个很值得开发的产品。随着我国各项事业的迅猛发展,对相关设备的安全性、方便灵活性和工作效率提出了更高的要求。为满足现在施工升降机的需要及冶金、矿山、轻工等行业起重设备更新之需,设计制造自由落钩卷扬机是事在必行的。本卷扬机采用三级行星齿轮传动，行星齿轮传动体积小，能够满足卷扬机的结构要求，同时行星齿轮传动效率高，承载能力大，工作平稳，用三级行星齿轮传动增大了转动比，从而达到了设计要求。关键词：自由落钩卷扬机；卷筒；传动比；行星齿轮；效率- 46 -AbstractThe paper introduces the structure, design and working condition of a hydraulic hoister. Make analysis and theoretical guide for the hydraulic hoister which provides design methods for the development of similar products. Hoister is one of the main equipment in drilling construction tripping, casing and handling accidents in the hole. Hydraulic hoister has the compact structure, smooth transmission, large adjustment range, manipulating simple and easy to install. It can be used independently, and is a very worthwhile product to development. With the rapid development of many kinds of enterprise in our country, many requests are set for the convenience flexibility and the working efficiency of the correlation equipment security. To meet the needs of modern construction and the updating of metallurgy, mining, light industry and other sectors lifting equipment, design the freedom hook-dropping hoister is going necessarily. The hoister used three planetary gear, the driving volume of planetary gear is small, which can meet the structural requirements of hoister, Meanwhile planetary gear has high driving efficiency, bearing capability is great, smooth, three level planetary gear is used to increase the transmission ratio, so as to achieve the design requirements. Key words: The Freedom Hook-dropping Hoister; Drum; Velocity Ratio; Planet Gear; Efficiency目录摘要IAbstractII目录III前言1第1章 绪论11.1 选题的背景和的11.2国内外研究状况和相关领域中已有的研究成果21.3对选题的研究设想、研究方法21.4预期结果和意义3第2章 自由落钩卷扬机主要技术参数52.1基本参数52.1.1钢丝绳的额定拉力52.1.2钢丝绳的平均速度52.1.3钢丝绳的卷绕长度52.2工作级别和载荷状态52.3本章小结7第3章 卷扬机的总体方案设计83.1 结构设计83.2 自由落钩卷扬机的结构设计103.3传动系统的设计113.3.1 马达的选取113.3.2 传动系统方案的种类123.3.3传动系统的确定183.3.4 传动系统各级齿轮参数选择计算193.3.5 传动系统的运动学，动力学及效率计算263.4本章小结27第4章 主轴部分的设计284.1 轴的设计284.2 本章小结31第5章 离合器和制动器的选择325.1离合器的选择325.1.1离合器的概念325.1.2 离合器的分类及功用335.1.3 常闭离合器的计算35.2 制动器的选择385.3 本章小结39结论41参考文献42第1章 绪 论1.1 选题的背景和目的众所周知卷扬机在工程领域是广泛应用的一种机械设备，国内外均对发展其相关技术很重视。目前国内卷扬机的减速传动机构大都使用传统的定轴轮系减速器，驱动方式主要是机械式，制动装置大都采用电磁块式制动，控制方式则为单一的手动或电动控制。而国外的卷扬机减速传动机构普遍使用了蜗轮减速器或行星减速器行星减速器因为体积小，易于应用于各种规格，故用得最多，驱动方式有机械和液力驱动两种，制动装置则采用制动效能更高的多片摩擦片制动，控制方式采用了更安全可靠的遥控控制，并且由于使用了微处理器，能对卷扬机使用中的复杂工况进行全工况的自动控制并提供安全保护措施。在传动方面，从国外的发展情况看，行星减速器的推广使用成了国内卷扬机技术发展的重要方向。各种竞争机制的引入，科技是第一生产力的概念逐渐被人们所认识，所接受。改革开放之后是我国卷扬机设计制造技术发展最快的时期。国家也制定了有关卷扬机的配套标准、规范。新产品种数近十个，其中最具有代表性的产品有福建省机械厂的行星传动卷扬机、昆明机械厂的少齿差传动卷扬机、长沙建筑机械研究所与福州市建筑机械厂联合开发的仿日本sebum公司采用立式齿轮传动的电控卷扬机，广州市一建公司机械厂的高速卷扬机适应高层建筑的多功能需要，而江苏海门第三机械厂引进专利技术开发的系列多排顶杆蠕动传动的卷扬机分为三大系列:即电控、手控和微机程控三大类，其综合性能优于代表国际先进水平的Seibu一字型卷扬机，使我国的卷扬机技术跨入世界先进行列。1991年10月通过的省科委组织的专家鉴定意见:该产品整机组合合理、结构紧凑、重量轻、过载能力强、工作安全可靠，与同类产品相比，居国内先进水平，其中传动方式部分的设计构思独特、新颖，受力均匀、合理，属国内外首创。 本设计的最终目的就是在总结前人已有成果的基础上再进行合理的设计和布局，对不合理的结构进行优化，对相关的部件的材料进行更新使其更能适应高强度的工作。并且在内部构造和外部结构的设计方面能够体现出新颖的一方面，达到即能适合多方面工作又降低成本的目的。1.2国内外研究状况和相关领域中已有的研究成果目前国内外广泛使用的卷扬机，一般均有电机、制动器、独立的减速箱、钢绳卷筒、底架等组成。它们的减速箱通常采用笨重的齿轮减速箱或蜗轮蜗杆减速箱，电机与减速箱、钢绳卷筒的安装形式一般有“几”型、J型、“”型等。普遍存在的不足是:体积大、过载能力差、噪音大、效率低、使用寿命短、工作不够安全可靠等，有些产品还已列入国家淘汰产品。国内外的卷扬机设计都在致力于缩小体积、减轻重量，提高承载能力，节省能源，工作安全可靠，但都没有理想的可供选择的卷筒内藏减速传动装置，而使设计、试制工作遇到困难。卷扬机的类别按工作级别和用途分为四种类别：不经常使用，轻或中等载荷状态的快速和满素卷扬机。如用于工程安装，设备搬运等。经常中等使用，中等载荷状态和快速卷扬机。如垂直吊运、倾斜拖运、水平拽引和牵引等。经常较繁忙使用，中等载荷状态的快速卷扬机。如与井字架、人字架和桅杆等配套使用垂直吊运。经常或繁忙使用，重级载荷状态的快速和慢速卷扬机。如斜坡拽引、牵引、冷拉钢筋、打桩等。1.3对选题的研究设想及研究方法 作为卷扬机的设计、研究，目前国内外公认的“一”字型结构是最合理的结构形式，它具有外型简洁、体积小、重量轻、便于运输，安装方便，把传动装置置钢绳卷筒内又是“一”字型结构的卷扬机中最理想结构。国内外的其它形式的卷扬机由于未能解决传动机构内藏卷筒的难题，即使将少齿差传动装置勉强设置在卷筒内，但卷筒直径变大，安装维修不方便，成本又高，得不偿失，因此未能推广应用，使设计生产无法有突破性的进展;而内藏减速器的卷筒的关键是未能找到合适的传动机构。采用多排顶杆蠕动减速机构内藏钢绳卷筒的结构是目前国内“一”字型结构中最合理的一种形式，它将卷扬机结构化成简单的二体组成:电机及钢绳卷筒。这在国内外的卷扬机设计中还无先例报道。卷扬机是属于工程机械的范畴，又是全国工程机械的基础设施。目前国内生产的轻型卷扬机1.5T,2T,3T等系列产品在市场上销量最大，主要用于建筑、港口、船舶等行业。从使用情况看，光面卷筒在实际作业时，钢丝绳卷绕凌乱，互相交叉挤压;钢丝绳寿命降低;在起重或牵引时，操作者往往要超负荷运行，因不能缓冲，无过载保护作用，容易拉坏机件，发生事故;在传动系统中，一般都采用2级齿轮传动减速器，电动机与减速器输入轴采用弹性柱销联轴器，传动系统占产品总成本3040%左右。1.4预期结果和意义通过查阅相关资料，并搜集国内外卷扬机设计样本。再经过自己的设计，把相关的设计理念应用到设计中。产品的性能不但能实现自由落钩的功能，而且在应用性能、安全性、实用性等方面会达到理想的效果。从大的方面来看，国内外的卷扬机设计都在致力于缩小体积、减轻重量，提高承载能力，节省能源，工作安全可靠，但都没有理想的可供选择的卷筒内藏减速传动装置，而使设计、试制工作遇到困难。卷扬机在当今国家建设中所占的地位，由材料可以看出卷扬机在当今社会里的地位是举足轻重的。另外还根据设计要求列出了卷扬机的类型，更加了解了卷扬机这个概念，为后面的设计过程提供了重要的理论依据。Stocky系列卷扬机采用多排顶杆蠕动减速装置，并将该减速装置直接设置于卷筒内，使设计的卷扬机达到体积小、重量轻、过载能力大、节省能源、工作安全可靠。它的结构是:由减速装置内藏于钢绳卷筒内的钢绳卷筒、左右支架、底架及锥形制动电呈一字型设置，便于安装运输，力求最佳外型结构形式。由于制造安装方面的误差，使传动性能及传动效率也受到一定影响。鉴于这些原因，有必要对老产品进行改进设计，以提高产品性能，降低成本，满足使用要求及适应市场竞争的需要。卷扬机作为建筑机械中最基本的设备，由于其结构简单、制造成本低、操作方便，对作业环境适应性强，因此在建筑、工业、农业、海运、交通、化工、冶金和油田等部门中用于起重、拖重物等工作，也是每个建筑工地、每个工程队必不可少的设备。由此可见设计制造性能可靠，结构合理的自由落钩卷扬机是很有必要的。第2章 自由落钩卷扬机主要技术参数2.1基本参数2.1.1钢丝绳的额定拉力额定拉力是指钢丝绳绕入卷筒的截面处所允许的最大正常拉力。因此额定拉力应是被吊物体的重量和吊具等自重的总和。本课题单绳拉力为（30吨）294KN2.1.2钢丝绳的平均速度钢丝绳的速度是指钢丝绳的直线移动速度。由于建筑卷扬机均为多层卷绕，故取其最里层卷绕和最外层卷绕时的平均值作为钢丝绳的平均速度。钢丝绳的平均速度vk=45m/min2.1.3钢丝绳的卷绕长度在额定拉力的作用下，允许卷筒卷绕钢丝绳的最大长度。卷筒的直径为1000mm,钢丝绳的直径为40 mm，经计算可得为1240 mm。2.2工作级别和载荷状态工作级别是按利用等级和载荷状态的不同，根据JG/T5031-93的规定，将卷扬机分为A1A2八个工作级别，见表2.1表2.1 卷扬机工作级别使用时间（h）总使用时间（h）利 用 等 级 载荷状态（轻）（中）（重）（特重）根据表2.1可选工作级别为Q3（重）利用等级是按卷扬机在设计寿命期限内的总工作循环次数N，分为五挡八个等级，见表2.2选择卷扬机利用等级为U5。表2.2 利用等级利用等级N 说明U0不经常使用U1U2U3U4经常清闲使用U5经常中等使用U6有时繁忙使用U7繁忙使用正确选定卷扬机的工作级别和利用等级是设计计算和确保使用寿命的重要条件。一般说来，对机械零件的寿命T产生最大影响的是钢丝绳拉力的大小，即载荷大小，可用下式表示。 (2.1)式中Fe钢丝绳的额定拉力(N)n由材料等因素决定的指数，对于卷扬机可近似取n=3卷扬机很少在相同载荷下工作，其载荷状态是千差万别的，所以要采用平均有效载荷，用立方根平均值来计算。理论上用当量拉力系数Kd值表示载荷与时间的关系，用下式表示: (2.2) 式中Fi钢丝绳承受的第i个拉力(N)根据载荷谱系数可得出相应的当量拉力系数Kd，见表2.3表2.3 载荷谱系数与拉力系数的关系载荷状态KPKd说明Q1（轻）0.125通常承受1/3的额定拉力，很少承受额定拉力Q2（中）0.25通常承受1/32/3的额定拉力，有时承受额定拉力Q3（重）0.50通常承受2/3以上的额定拉力，较多承受额定拉力Q4（特重）1.00频繁地承受额定拉力或者与额定拉力相近2.3本章小结本小节主要列出了卷扬机的主要技术参数和即将计算出的数据，为后面章节的数据计算和设计提供了理论和数据依据。第3章 卷扬机的总体方案设计3.1 结构设计近几年来,卷扬机得到了较大的发展,但由于各种原因,我国目前生产的卷扬机还存在着品种杂乱、同一吨位产品的传动型式结构差别大,选用不便、维修困难,系列化、通用化、标准化程度低等问题。内蒙古建筑机械厂在90年代末期生产的JK1卷扬机是新型机型,结构紧凑,布局合理,技术参数比较先进,使用性能良好,制动可靠,维修方便,操作灵活。但经多年生产,也发现存在一些问题。为此,还需进行以下改进。3.1.1.减速箱体密封性能改进在JK1卷扬机使用过程中发现减速箱体渗漏油,部位集中在高速轴与输出轴的密封处及输出轴与箱体之间(如图3.1)。经分析测量,发现渗漏油的原因是轴承盖与输出轴之间毛毡密封不可靠,密封效果达不到设计要求;而高速轴与输出轴之间渗油主要原因是孔套内外径的圆柱度及同轴度未达到设计要求的精度,而要达到图纸设计精度要求需增加磨削工序和配套工艺装备,这样增加了制造成本。因此,必须对这两处的结构进行了改进(如图3.2),在孔套的外径上加工密封槽,放置O型密封圈,这样既降低孔套外径形位精度且密封效果良好。另外把轴承盖的毛毡密封改为O型密封,效果良好。1.挡圈 2.油封 3. 孔套 4.轴承 5. 轴套 6. 轴承盖 7.高速轴 8. 输出轴 9. 轴承 10. 箱体图3.1 密封处结构图3.2 改进后密封结构3.1.2.联轴器型式的改进JK1卷扬机原设计采用轮胎式联轴器,这种联轴器结构简单,弹性好,扭转刚度小,减振能力强,补偿两轴相对位移量大;但径向外形尺寸大,附加轴向载荷大,且轮胎易老化,在实际使用中,拆装复杂,增加了装配难度。经对目前国内生产的联轴器比较,改用了梅花型弹性联轴器。它具有结构简单、弹性好、扭转刚度小等优点,而且外形尺寸小、轴向载荷小、拆装简单、弹性元件使用寿命长。通过几年使用证明,梅花型弹性联轴器安全性、可靠性都优于原设计的轮胎式联轴器。3.1.3.齿轮材料的改进JK1卷扬机原设计齿轮材料为ZG340640 (ZG55),加工工艺性差,铸造缺陷造成很高的废品率,生产成本很高。用QT700-2球墨铸铁取代ZG55,采用球铁齿轮。校核其接触强度和弯曲强度都好于铸钢齿轮,铸造废品率也大大降低,机加工工艺性也有了一定的改善。两种材料的机械性能对比见表3.1表3.1 材料机械性能对比牌号（MPa）(MPa) HBZG340-640 64034010229260QT700-270042022253053.1.4.控制电路的改进JK1卷扬机原设计采用电磁起动器控制电路,安全性差,事故较频繁。根据GB1332991建筑卷扬机安全规程和JG/T503193建筑卷扬机设计规范,进行了重设计。新设计的电控箱采用一个主接触器和一对控制电机正反转的接触器,另加热继电器作过载保护,控制采用按钮盒,可实现远距离操作,在电控箱中预留了接线端子,可串接上、下限位和极限装置。为实现与我厂生产的SS100提升机配套使用,还增加了相序继电器。改进后的电控箱能实现急停、短路、过载和失压、零位、缺断相保护,增强了使用安全性和可靠性,完善了整机技术性能,在用户中树立了良好的信誉,提高了我厂卷扬机在市场的占有率。3.2 自由落钩卷扬机的结构设计30吨液压卷扬机负载较大,这就要求卷扬机的工作运行及制动必须安全可靠,而且传动系统结构要紧凑，操作要方便。设计卷扬机首先要确定卷筒直径，因为它直接影响卷扬机的结构及转速。如果卷筒直径大，会使卷扬机的涨、抱闸系统的直径增大，其产生的力矩大大增加；还使卷扬机的转速下降，达不到设计要求。我们确定钢丝绳的直径d=40mm，卷筒的计算直径D=1000mm。根据改进的要求设计自由落钩卷扬机结构（见图3.3）1-液压马达；2-减速器；3-支架；4-卷筒；5-制动器；6-离合装置图3.3 自由落钩卷扬机结构示意图3.3传动系统的设计3.3.1 马达的选取 卷筒直径确定后，可以进行卷扬机的转速计算，由技术参数所知，卷扬机在全载是的线速度V=45mm/min，因此得到卷扬机在全载时的输出转速n卷=13r/min。这样初估卷扬机的总功率:KW式中：卷扬机初估总效率，取0.8。选择型号为GYA6V160HAZFSZ1000的斜轴式变量马达。（机械设计手册液压传动篇）该马达的技术参数：排量：ml/r最高转速rpm最大压力Mpa因此卷扬机传动系统的最大传动比：马达扭矩：NMNM卷筒速比：系统流量：390L/min卷筒扭矩： NM NM马达转速： rpm rpm卷筒的转速： rpm 3.3.2 传动系统方案的种类目前，国内外卷扬机常用传动结构如图3.43.9所示，按其实现原理可分为三种类型: 1.锥型离合器型结构特点是卷筒直接和离合器相联。整机结构尺寸大、噪音高，传动效率低，离合器结构较复杂。(见图3.4)图3.4 锥型离合器型传动结构2.差动行星离合器型结构特点是卷筒通过一级NGW行星传动与离合器制动原件相联，离合时是通过该级NGW机构的差速运动实现的。该种结构外形尺寸较小，嗓音较小，传动效率高。(见图3.5,3.6) 图3.5 差动行星离合器型传动结构3.封闭行星离合器该结构器制动原件相联，离合时是通过整个封闭行星齿轮传动机构的差速运动实现的。结构外形尺寸小，自重小，噪音低，传动效率高。以图3.9所示结构为最佳，它充分发挥了NGW传动的优点。特点是卷筒通过封闭行星齿轮传动机构与离合(见图3.7,3.8,3.9)综上所述，封闭行星传动溜放型卷扬机属先进结构产品，技术上先进，经济上合理，是值得推广的。由于采用了封闭行星齿轮传动，在设计上有其特殊性。图3.6 差动行星离合器型传动结构图3.7 封闭行星离合器型传动结构图3.8 封闭行星离合器型传动结构16中代号 T制动器 L离合器图3.9 封闭行星离合器型传动结构(1) 封闭行星齿轮传动的概念封闭行星齿轮传动卷扬机的传动系统采用了封闭行星齿轮传动，这种传动是用第二级行星传动(或其它定轴轮系)，封闭第一级差动行星传动后所得到的组合传动机构。在该组合机沟中，单独与差动轮系的一个基本构件相联接的伸出轴标号为C，封闭机构的伸出轴标号为I。在差动轮系中，被封闭的两个基础构件分别标号为a和b，若该两基本构件中包括行星架，则行星架标号为b，而另一基本构件标号为as根据以上规定，为便于分析，在图3.73.9中分别标出了封闭行星齿轮传动的C、I、a、b等构件。(2) 封闭行星齿轮传动卷扬机自由度分析在图所示机构中，自由度可按确定平面机构自由度的公式计算: (3.1)式中 W:机构自由度的数目; :机构活动构件数:低副数目; :高副数目。 在图所示机构中，制动器、离合器中仅有一个制动时，n=5, =5, =4，此时: =1 自由度数为1，表明卷扬机输出运动确定。 当图所示机构中，制动器、离合器均不制动时: n=6, =6, =4，此时: W=2此时呈溜放状态。慢速起吊和快速溜放是自由落钩卷扬机所具有的特点. (3) 封闭行星齿轮传动卷扬机传动比计算在图所示传动中，根据相对运动原理，可推得构件C、a、b的转速有如下关系: (3.2)用，除以式(3.2)两边得: (3.3)根据式(3.3)可计算封闭行星齿轮传动卷扬机的传动比。(4) 封闭行星齿轮传动卷扬机效率的计算封闭行星齿轮传动卷扬机效率计算的关键是封闭行星齿轮传动效率的计算.在以2K-H负号机构或的2K-H正号机构作为封闭行星齿轮传动的差动机构时，一般情况下、小于0.1，效率可根据具体结构选用表3.2中所推荐的公式计算。封闭行星齿轮传动的效率是机构的不同和循环功率是否存在而不同.循环功率的存在，将使传动效率降低，零件强度计算尺寸增大。对于循环功率将另文分析。 (5) 封闭行星齿轮传动卷扬机各构件转动计算在图3.43.6所示机构中，根据相对运动原理，机构中任意三个构件A,B,C的转速均有表3.2 封闭行星齿轮效率的选用主动件差动轮系a-b-C中 C为行星架CI主动件差动轮系a-b-C中 b为行星架CI注:为行星架固定时, a-b-C传动的损失系数. 分别为a-I和b-I传动损失系数. （3.4） 根据式(3.4)及输入轴转速、总传动比、各轮齿数，即可按先易后难分别求得各构件的转速。(6) 封闭行级齿轮传动卷扬机各构件力矩的计算在不计摩擦损失的条件下，根据力矩平衡条件及能t守恒定律，行星传动中三个基本构件A,B,C的力矩、功率有如下关系: （3.5） （3.6）可推得: （3.7） （3.8）在设计中，载荷引起的卷筒力矩为: (3.9) 式中 为卷扬机钢丝绳额定拉力 为卷筒基准层直径卷扬机输入轴力矩M,则为: (3.10)式中及分别为卷扬机的传动比和传动效率 可求得各构件传递的力矩.以M为已知参数，不计传动效率求出各构件力矩进行构件强度校核，其结果偏于安全。(7) 封闭行星齿轮传动卷扬机设计现以1988年我国建筑卷扬机行业联合设计组，根据建设部新产品发展规划而开发的封闭行星齿轮传动卷扬机系列设计为例，说明设计要点。该系列产品结构见图 3.8，技术性能见表3.33.3.3传动系统的确定前面已经初步确定了总的传动比为274，要完成这样大的传动比,采用了3级行星齿轮传动(见图3.10)。行星齿轮传动体积小,能够满足卷扬机的结构要求,同时行星齿轮传动效率高,承载能力大,工作平稳,用3级行星齿轮传动增大了传动比。表3.3 卷扬机技术参数 型 号项 目JK0.75JK1JK1.25JK1.6JK2JK2.5钢丝绳的额定拉力KN7.51012.5162025钢丝绳的额定速度m/min394047494545钢丝绳直径mm9.3111112.51515卷筒容绳量m120120150150200200卷筒直径mm250275275310350350卷筒长度mm250275275310350350电动机功率KW5.57.5111518.522转速r/min144014401446146014701470整机质量t0.290.3950.4250.760.981.053.3.4 传动系统各级齿轮参数选择计算1.传动比分配用角标表示高速级参数，、表示低速级参数。设高、低速级外啮合齿轮材料、齿面硬度相同，则因为：， ， ， ， 所以：查图24.2-4得2.高速级计算 （1）配齿计算查表（以下查表都指机械设计手册第三卷）取行星轮数目确定各轮齿数，按1.1-2所述配齿方法进行计算图3.10 封闭三级行星齿轮传动系统适当调整 使C为整数所以 =12=采用不等角变位，取=35 则由图24.2-3可查出适合的预计啮合角的范围，预取 （2）按接触强度初算传动的中心距和模数输入转距 NM 设载荷不均匀系数（查表24.2-16） 在一对传动中，太阳轮传递的转距 NM查得接触强度使用的综合系数,见表3.4表3.4 接触强度综合系数载荷特性接触强度弯曲强度说明平 稳 精度高、布置对称、硬齿面（HB350,对接触强度），采取有利于提高强度的变位时取低值，反之取高值中等冲击较大冲击 齿数比太阳轮和行星轮的材料用20CrMnTi渗碳淬火，齿面硬度HRC5660，查图23.2-18选取Mpa取齿宽系数按表23.2-20中的公式计算中心距 =140.59模数 取mm 未变位时 按预取啮合角，可得传动中心距变动系数则中心距 取 mm（3）计算传动的实际中心距变动系数和啮合角所以 （4） 计算传动的变位系数 用图23.2-7校核，在P6与P7之间，为综合性能较好区，可用。 用图23.2-8分配变位系数，得 而（5）计算传动的中心距变动系数和啮合角 传动未变位时的中心距则 =0所以 =（6）计算传动的变位系数因为 =所以 故（7）几何尺寸计算 按表23.2-7中的公式分别计算轮的分度圆直径、齿顶圆直径。 经计算数据如表3.5 表3.5 齿轮参数 齿轮参数D7221050488.22225491.78 (8)验算传动的接触强度和弯曲强度 用相对于行星架的圆周速度确定和所用的圆周速度 m/s式中 为轮分度圆直径。由图23.2-18及图23.2-29，按MQ级质量要求取值，查得 N/mm2，N/mm2 N/mm2，N/mm2（9）根据接触强度计算来确定内齿轮材料根据表23.2-21的公式计算得Mpa 内齿轮材料选用42CrMo调质，要求表面硬度HB2603. 校核齿面接触强度经验公式 （3.1）式中，分度圆上的圆周力=7063。32N使用载荷系数：查表23.2-12，=1.8节点区域系数 ： 按，查图23.2-16，=2.47查表23.2-29，故合格计算安全系数：按表23.2-22式中，寿命系数：先计算应力循环次数， 对调质钢（允许有一定的点蚀），从图23.2-19可查得=。因为，所以取=1。按可查得=1.04 润滑油膜影响系数：按照选用90号中极压型工业齿轮油，其运动粘度 。查得=0.94。 工作硬化系数：因为小齿轮齿面未硬化，齿面未光整，故取=1。 按接触强度计算的尺寸系数：查得，=1。 将以上数值代入安全系数的计算公式得又 。，故安全。4.校核齿根弯曲强度按表23.2-22N/mm2 计算安全系数：按表23.2-22 （3.2）式中，寿命系数：对调质钢，由图23.2-30查得弯曲疲劳应力的循环基数。因为，均大于，所以。相对齿根圆角敏感系数： 由图23.2-24知。查表23.2-30，=1。相对齿根表面状况系数：查表23.2-45，齿面粗糙度。按式（23.2-24），=1。尺寸系数=1。将以上数值代入安全系数的公式得由式（23.2.20），故安全。.低速级计算 计算过程同高速级，经计算结果如表3.6表3.6 各齿轮参数数值级数参数 二级三级8101327681525666.235.41042165441502506601601642002051641642052050.500.50128231.304528180269.136403.3.5 传动系统的运动学，动力学及效率计算 （1）传动比的计算 根据式（3）求传动比（参见图3.10） 所以 满足要求（2）封闭行星轮传动的效率计算损失系数 的计算一对定轴齿轮传动的损失系数按苏联学者库德略夫采夫公式计算： （3.3）式中“+”号用于外啮合副；“”号用于内啮合副，此时，为内齿圈齿数。并取则。A在高速级（即abC传动）中，行星架b固定时该传动的损失系数为，其中外啮合副12和内啮合副23的损失系数分别为：则 其他啮合副的计算同上。效率计算因abC传动为3KH负号机构，且均小于0.1，在差动轮系（abC传动）中，C主动件，b为行星架，而且C为行星架，故选用表2中式（4）计算效率：3.4本章小结在这一章里主要介绍了确定传动机构的过程，其中系统阐述了现在国内外卷扬机传动机构的类型。另外还介绍了自由落钩卷扬机动力机构液压马达的选取和计算过程，在本机构中选用的是贵州利源GY-A6V160HAZFSZ1000斜轴式柱塞变量马达。在齿轮的参数选取和计算过程中充分考虑了行星轮系的各种因素，达到了要求。另外还进行了传动系统运动学和动力学和效率的计算。为后面的设计工作做了铺垫。第4章 主轴部分的设计4.1 轴的设计1、按扭转强度初步估计轴的最小直径mm考虑键槽对轴强度的影响，取mm。选用45钢，正火硬度为170217HBS。2、轴的结构设计 轴的机构简图如图4.1所示。 1-调心滚子轴承 2-离合器 3-外花键 4-调心滚子轴承 5-卷筒 6-调心滚子轴承 7-外花键 8-行星架图4.1 主轴的机构示意图离合器、轴承轴向定位的轴肩直径不能太大，故加用套筒帮助承压。其轴端固定采用圆螺母和止动垫圈。卷筒用套筒和两端的轴承定位并承受轴向力，行星架和离合器一样用花键固定在轴上。离合器的花键为外花键 三级框架的花键 四个调心滚子轴承，其型号分别为（B/T288-1994）23044CC/W33、23144CC/W33,其外形尺寸分别为和，因为速度因数的原因，故采用脂润滑。3、键连接的强度的校核行星轮系中行星架与轴的连接都是用花键连接的，在轴的部分传动部分和离合器与轴的连接都是用花键连接的。现在校核三级行星架键的强度。 与行星架连接处的键的尺寸为 ，因与行星架连接处键的尺寸及轴径均较小且受载大，故只需校验此键。键连接强度校核按表5-3-16公式计算，式中各参数为： Mpa mm mm 键连接传递转距T为： N/m 键工作面的压强P为：键连接强度通过。4、 按弯曲扭合成强度校核轴的直径 图 4.2 主轴的受力图（1）做出轴的受力简图如图4.2由图可知当卷扬机离合器工作时主轴带动卷筒转动，此时主轴受离合器的一个转矩。（2）做出垂直面受力图、弯矩图。N N（3）做出水平面受力、弯矩图。 N N（4）做出合成弯矩图。N/m（5）做出扭矩图。N/m（6）做出当量弯矩（取）。N/m（7）校核轴的强度。查得MpaMpa 因为，所以满足要求。5. 轴承寿命的计算 校核 图4.1中1和6处的轴承。 据图4.2，利用可得两处滚动轴承的名义径向载荷NN 两处均采用调心滚子轴承，派生轴向力，即NN 由于，故： 当量动载荷，取动载荷系数，即NN 取轴承预期寿命为50000小时，在机械设计手册查得两轴承额定动定载荷分别为。则轴承所需动载荷为 KN KN 因，所以校核结果符合要求。4.2 本章小结在本章主要介绍了卷扬机主轴的设计过程和相关强度校核过程。这一部分在总的设计过程中占的地位是非常重要的，因为没有主轴的技术参数进行总体的设计是不可能的。第5章 离合器和制动器的选择5.1离合器的选择5.1.1离合器的概念离合器是传动系中直接与发动机相连接的总成，其主要功用是切断和实现对传动系的动力传递，以保证将发动机与传动系平顺地接合，确保机器平稳起步；在换挡时将发动机与传动系分离，减少变速器中换挡齿轮之间的冲击；在工作中受到大的动载荷时，能限制传动系所承受的最大转矩，防止传动系各零件因过载而损坏；有效地降低传动系中的振动和噪声。随着汽车发动机转速和功率的不断提高、汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的要求越来越高。从提高离合器工作性能的角度出发，传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式结构发展，传统的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此，提高离合器的可靠性和使用寿命，适应高转速，增加传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋为了保证离合器具有良好的工作性能，对离合器设计提出如下基本要求：1)在任何条件下均能可靠地传递最大转矩，并有适当的转矩储备。2)接合时要平顺柔和，以保证没有抖动和冲击。3)分离时要迅速、彻底。4)离合器从动部分转动惯量要小，以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击，便于换挡和减小同步器的磨损。5)应有足够的吸热能力和良好的通风散热效果，以保证工作温度不致过高，延长其使用寿命。6)应使传动系避免扭转共振，并具有吸收振动、缓和冲击和减小噪声的能力。7)操纵轻便、准确，以减轻驾驶员的疲劳。8)作用在从动盘上的压力和摩擦材料的摩擦因数在使用过程中变化要尽可能小，以保证有稳定的工作性能。9)应有足够的强度和良好的动平衡，以保证其工作可靠、寿命长。10)结构应简单、紧凑、质量小，制造工艺性好，拆装、维修、调整方便等。 摩擦离合器主要由主动部分(发动机飞轮、离合器盖和压盘等)、从动部分(从动盘)、压紧机构(压紧弹簧)和操纵机构(分离叉、分离轴承、离合器踏板及传动部件等)四部分组成。主、从动部分和压紧机构是保证离合器处于接合状态并能传递动力的基本结构，操纵机构是使离合器主、从动部分分离的装置。随着发动机转速和功率的不断提高、汽车电子技术的高速发展，人们对离合器的要求越来越高。从提高离合器工作性能的角度出发，传统的推式膜片弹簧离合器结构正逐步地向拉式结构发展，传统的操纵形式正向自动操纵的形式发展。因此，提高离合器的可靠性和使用寿命，适应高转速，增加传递转矩的能力和简化操纵，已成为离合器的发展趋势。5.1.2 离合器的分类及功用汽车离合器有摩擦式离合器、液力偶合器、电磁离合器等几种。摩擦式离合器又分为湿式和干式两种。 液力离合器靠工作液（油液）传递转矩，外壳与泵轮连为一体，是主动件；涡轮与泵轮相对，是从动件。当泵轮转速较低时，涡轮不能被带动，主动件与从动件之间处于分离状态；随着泵轮转速的提高，涡轮被带动，主动件与从动件之间处于接合状态。 电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离。如在主动与从动件之间放置磁粉，则可以加强两者之间的接合力，这样的离合器称为磁粉式电磁离合器。 目前，与手动变速器相配合的绝大多数离合器为干式摩擦式离合器，按其从动盘的数目，又分为单盘式、双盘式和多盘式等几种。湿式摩擦式离合器一般为多盘式的，浸在油中以便于散热。 采用若干个螺旋弹簧作为压紧弹簧，并将这些弹簧沿压盘圆周分布的离合器称为周布弹簧离合器（如图所示）。采用膜片弹簧作为压紧弹簧的离合器称为膜片弹簧离合器。离合器的功用、类型及特点 1.离合器的功用 离合器是可以根据需要在运转或停机时使两轴接合或分离，这是离合器与联轴器的根本区别。离合器的种类很多，部分已标准化，可从有关样本或机械设计手册中选择。 2 离合器的类型及特点 按照有关标准，离合器按离合方法分类如下： (1) 操纵离合器 包括机械操纵离合器、液动操纵离合器、气动操纵离合器、电磁操纵离合器。离合器的接合与分离由外界操纵的称为操纵离合器。 牙嵌离合器的结构如图所示。它是由两个端面带牙的半离合器所组成，其中套筒1固定在主动轴上，套筒可以沿导向平键在从动轴上移动。利用操纵杆（图中未画出）移动滑环可使两个套筒的牙相互嵌合或分离。为了便于两轴对中，在套筒中装有对中环，从动轴可在对中环中滑动。牙的形状有三角形、梯形和锯齿形。三角形牙型只用于传递中、小扭矩；梯形和锯齿形牙型可传递较大扭矩；但锯齿形牙型只能单向传递扭矩，反转时会因过大的轴向分力迫使离合器自动分离。牙嵌离合器结构简单，外廓尺寸小；但只能在停止状态或两轴转速差很小时才能接合，否则就会因撞击而使牙折断。 (2)牙嵌离合器磁粉离合器的工作原理如图所示。嵌有环形励磁线圈的电磁铁与主动轴相联接，用非磁性材料制成的外壳与从动轴相联接，外壳与电磁铁之间有很小的间隙，内装适量的导磁的铁粉等混合物。当励磁线圈通入电流时，产生磁场，铁粉在磁场作用下被吸引聚集，将外壳和铁心联接起来，离合器处于接合状态。当切断电流后，磁粉又恢复自由状态，离合器就处于分离状态。这种离合器的优点是：接合平稳，动作迅速，可远距离利用电流操纵，结构不很复杂。缺点是重量较大，需定时更换铁粉。 磁粉离合器工作原理图摩擦离合器中最简单的如图所示，称为单盘摩擦离合器。摩擦盘1固定在主动轴上，摩擦盘3用导向平键与从动轴联接。为了增大摩擦系数，在其中一个摩擦盘上固定摩擦片（用摩擦系数较大且耐磨性好的材料制成）。利用操纵机构（图中未画出）将摩擦盘2向左推动并施加轴向压力Fx，使两摩控制盘压紧产生摩擦力以传递扭矩；将摩擦盘2向右推动即可使离合器脱开。当传递很大扭矩时，则需摩擦盘直径很大。因此，这种单摩擦副的离合器往往受外形尺寸的限制而不能采用。 (3)单盘摩擦离合器在传递大扭矩时，可采用如下图所示的多盘摩擦离合器。主动轴与外壳相联，从动轴与套筒相联，外壳内装有一组摩擦片。这组摩擦片的外缘齿插入外壳的纵向凹槽中，随外壳回转。套筒上装有另一组摩擦片，其花键内孔与套筒上的花键联接，既可沿套筒轴向滑动，亦可随套筒回转。两组摩擦片是每片相间安装的。工作时，通过操纵机构（图中未画出）拨动滑环向左移动，并通过压紧板将两组摩擦片压紧，离合器处于接合状态（如图示）。当拨动滑环向右移动时，处于杠杆下方的弹簧迫使杠杆逆时针方向转动，将压紧板和两组摩擦松开，离合器处于分离状态。和牙嵌离合器相比，摩擦离合器的优点是：两轴可在有较大转速差的情况下接合和分离；改变摩擦面间的压力，就能调节从动轴的起动加速时间；接合时的冲击振动很小；过载时将打滑，可保护其他零件不受损坏。缺点是在接合和分离过程中，摩擦片面的相对滑动会造成发热和磨损，需及时更换摩擦片。摩擦离合器适用于经常起动、制动或经常改变转速和转动方向的场合。 (4)多盘摩擦离合器2. 自动离合器 在工作时能自动完成接合和分离的离合器称为自动离合器。当传递的扭矩达到某一限定值时，就能自动分离的离合器，由于有防止系统过载的安全作用，称为安全离合器；当轴的转速达到某转速时靠离心力能自行接合或超过某一转速时靠离心力能自动分离的离合器，称为离心离合器；根据主、从动轴间的相对速度差的不同以实现接合或分离的离合器，称为超越离合器。 3. 离合器的选择及应用实例 离合器的型式很多，大部分已标准化，可从有关样本或机械设计手册中选择。 选择离合器时，根据机器的工作特点和使用条件，按各种离合器的性能特点，确定离合器的类型。类型确定后，可根据两轴的直径计算转矩和转速，从手册中查出适当型号，必要时，可对其薄弱环节进行承载能力校核。5.1.3 常闭离合器的计算本卷扬机中选用的的是带式离合器。参考联轴器、离合器设计与选用指南卷筒扭矩：M=174000 Nm离合器扭矩：Nm轮毂直径： 包角：摩擦系数：松边：紧边：制动圆周力N弹簧力：NN弹簧计算：参考（机械设计手册弹簧篇） 用大小两个弹簧：弹簧系列20，22，25，30，35，40 大 中径 大径 小径 材料60SizMn 小 中径 大径 摩擦片：制动刚带厚度 Mpa 压强 Mpa 摩擦片厚度 大弹簧计算：(图5.1) 许用剪应力 Mpa Mpa N mm N/mm mm 图5.1 大弹簧计算图小弹簧计算：(图5.2)NMmN/mmMm图5.2 小弹簧计算图工作状态弹簧力： N油缸开启状态弹簧力： N极限状态弹簧力：