机械设计课程设计.ppt

机械设计课程设计任务书,一、设计题目(18.2) 运送原料的带式运输机用的圆柱齿轮减速器。设计内容：根据给定的工况参数，选择适当的电动机、选取联轴器、设计V带传动、设计一(两)级齿轮减速器（所有的轴、齿轮、轴承、减速箱体、箱盖以及其他附件）和与输送带连接的联轴器。,二、传动简图,图18.18 传动方式,三、原始数据 运输带拉力F=（N） 运输带速度V= （m/s） 滚筒直径D= （mm） 滚筒及运输带效率=0.94。工作时，载荷有轻微冲击。事内工作，水分和颗粒为正常状态，产品生产批量为成批生产，允许总速比误差4%，要求齿轮使用寿命为10年，二班工作制，轴承使用寿命不小于15000小时，试设计齿轮减速器（两级）。,四、设计工作量及要求 每个同学独立利用手工或计算机绘制（使用autoCAD绘制）完成总装图一张（一号图纸），高速轴、低速大齿轮和箱盖零件图各一张（二号或三号图纸）、设计计算说明书一份。设计内容包括电机和联轴器选用，轴承选用与校核，V带、齿轮、轴、齿轮箱设计（包括V带、轴、齿轮的校核）。具体内容参见机械设计课程设计一书14-18章。,请参考下列文献： 朱文坚、黄平：机械设计课程设计，广州：华南理工大学出版社 机械零件设计手册，北京：冶金工业出版社 机械零件设计手册，北京：化学工业出版社,第14章机械系统传动装置设计 由于原动机的输出转速、转矩、运动形式往往和工作机的要求不同，因此需要在它们之间加入传动系统装置。由于传动装置的选用、布局及其设计质量对整个设备的工作性能、重量和成本等影响很大，因此合理地拟定传动方案具有重要的意义。机械系统传动装置设计的内容包括：确定传动方案、选定电动机型号、计算总传动比和合理分配各级传动比、计算传动装置的运动和动力参数。,14.2传动方案的确定 为了满足某一工作机的性能要求，可采用不同的传动机构、不同的组合和布局，在总传动比保持不变的情况下，还可按不同的方法分配各级传动的传动比，从而得到多种传动方案以供分析、比较。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传递功率的大小、转速和运动形式。此外还要适应工作条件（工作环境、场地、工作制度等），满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性好、成本低等要求。,图14.1是电动铰车的三种传动方案。其中：方案a采用二级圆柱齿轮减速器，适合于繁重及恶劣条件下长期工作，使用与维护方便，但结构尺寸较大；方案b采用蜗轮蜗杆减速器，结构紧凑，但传动效率较低，长期连续使用不够经济；方案c用一级圆柱齿轮减速器和开式齿轮传动，成本较低，但使用寿命较短。从上述分析可见，虽然这三种方案都能满足电动铰车的功能要求，但结构、性能和经济性都不同，要根据工作条件要求来选择较好的方案。,图14.1电动绞车传动方案简图 1-电动机；2、5-联轴器；3-制动器；4-减速器；6-卷筒；7-轴承；8-开式齿轮,为了便于设计时选择传动装置，表14.1列出了常用减速器的类型及特性，表A.6列出了各种机械传动的传动比。,若课程设计任务书中已提供了传动方案，则应对该方案的可行性、合理性及经济性进行论证，也可提出改进性意见并另行拟定方案。,14.3电动机的选择 电动机的选择应在传动方案确定之后进行，其目的是在合理地选择电动机类型、功率和转速的基础上，具体确定电动机型号。 1.选择电动机类型和结构型式 电动机类型和结构型式要根据电源（交流或直流）、工作条件和载荷特点（性质、大小、起动性能和过载情况）来选择。,工业上广泛使用三相异步电动机。对载荷平稳、不调速、长期工作的机器，可采用鼠笼式异步电动机。Y系列电动机为我国推广采用的新产品，它具有节能、启动性能好等优点，适用于不含易燃、易爆和腐蚀性气体的场合以及无特殊要求的机械中。对于经常起动、制动和反转的场合，可选用转动惯量小、过载能力强的YZ型、YR型和YZR型等系列的三相异步电动机。,电动机的结构有开启式、防护式、封闭式和防爆式等，可根据工作条件选用。同一类型的电动机又具有几种安装型式，应根据安装条件确定。 2. 确定电动机的功率 电动机的功率选择是否恰当，对整个机器的正常工作和成本都有影响。所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。功率小于工作要求的功率，则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载、发热大而过早损坏；但功率过大，,则增加成本，并且由于效率和功率因数低而造成浪费。电动机的功率受运行时发热条件限定，由于课程设计中的电动机大多是在常温和载荷不变（或变化不大）的情况下长期连续运转，因而在选择其功率时，只要使其所需的实际功率（简称电动机所需功率）Pd不超过额定功率Ped，即可避免过热。即使PedPd。,1)工作机主轴所需功率 若已知工作机主轴上的传动滚筒、链轮或其他零件上的圆周力（有效拉力）F(N）和圆周速度（线速度v(m/s),则在稳定运转下工作机主轴上所需功率Pw按下式计算：,(14.1),若已知工作机主轴上的传动滚筒、链轮或其他零件的直径D(mm)和转速n（r/min)，则圆周速度v按下式计算：,(14.2),若已知工作机主轴上的转矩T(Nm)和转速n (r/min),则工作机主轴所需功率Pw按下式计算：,(1.3),有的工作机主轴上所需功率，可按专业机械有关的要求和数据计算。 2)电动机所需功率 电动机所需功率Pd按下式计算：,(14.4),式中：Pw -工作机主轴所需功率，kW；由电动机至工作机主轴之间的总效率。,总效率按下式计算：,(14.5),式中1，2，n分别为传动装置中每一传动副（齿轮、蜗杆、带或链）、每对轴承、每个联轴器的效率，其概略值见表A.7。w为工作机的效率。,计算总效率时，要注意以下几点： (1)选用表A.7数值时，一般取中间值。如工作条件差、润滑不良时，应取低值；反之取高值。 (2)动力每经过一对运动副或传动副，就有一次功耗，故在计算总效率时，都要计入。 (3)表A.7中齿轮、蜗杆、带与链的传动效率未计入轴承效率，故轴承效率须另计。表中轴承效率均指一对轴承的效率。,3.确定电动机的转速 同一功率的异步电动机有3000r/min、1500r/min、 1000r/min,750r/min等几种同步转速。一般来说，电动机的同步转速愈高，则磁极对数愈少，外廓尺寸愈小，价格愈低；反之，转速愈低，外廓尺寸愈大，价格愈高。因此，在选择电动机转速时，应综合考虑与传动装置有关的各种因素，通过分析比较，选出合适的转速。一般选用同步转速为1000r/min和1500r/min的电动机为宜。,根据选定的电动机类型、功率和转速，可由表K.1和表K.2查出电动机的具体型号和外形尺寸。后面传动装置的计算和设计工作，就按照已选定的电动机型号的额定功率Ped、满载转速n,、电动机的中心高度、外伸轴径和外伸轴长度等条件来进行。,14.4计算总传动比和分配各级传动比 根据电动机的满载转速nm和工作机主轴的转速nw，传动装置的总传动比按下式计算： i=nm/nw（14.6) 总传动比i为各级传动比的连乘积，即 i=i1i2.in 总传动比的一般分配原则： (1)限制性原则。各级传动比应控制在表A.6给出的常用范围以内。采用最大值时将使传动机构尺寸过大。,(2)协调性原则。传动比的分配应使整个传动装置的结构匀称、尺寸比例协调而又不相互干涉。如传动比分配不当，就有可能造成V带传动中从动轮的半径大于减速器输入轴的中心高、卷筒轴上开式齿轮传动的中心距小于卷筒的半径、多级减速器内大齿轮的齿顶与相邻轴的表面相碰等情况。,(3)等浸油深度原则。对于展开式双级圆柱齿轮减速器，通常要求传动比的分配应使两个大齿轮的直径比较接近，从而有利于实现浸油润滑。由于低速级齿轮的圆周速度较低，因此其大齿轮的直径允许稍大些（即浸油深度可深一些）。其传动比分配可查图14.2。,(4)等强度原则。在设计过程中，有时往往要求同一减速器中各级齿轮的接触强度比较接近，以使各级传动零件的使用寿命大致相等。若双级减速器各级的齿宽系数和齿轮材料的接触疲劳极限都相等，且两级中心距之比a2/a1=1.1,则通用减速器的公称传动比可按表14.2搭配。,图14.2两级圆柱齿轮减速器传动比分配,(5)优化原则。当要求所设计的减速器的重量最轻或外形尺寸最小时，可以通过调整传动比和其他设计参数（变量），用优化方法求解。上述传动比的搭配只是初步的数值。由于在传动零件设计计算中，带轮直径和齿轮齿数的圆整会使各级传动比有所改变，因此，在所有传动零件设计计算完成后，实际总传动比与要求的总传动比有一定的误差，一般相对误差控制在(3-5) %的范围内。,14.5传动装置的运动和动力参数计算 为了给传动件的设计计算提供依据，应计算各传动轴的转速、输入功率和转矩等有关参数。 计算时，可将各轴由高速至低速依次编为0轴（电动机轴）、I轴、II轴，并按此顺序进行计算。 1计算各轴的转速 传动装置中，各轴转速的计算公式为：,（14.7）,式中：i0l、i12、i23分别为相邻两轴间的传动比；nm为电动机的满载转速。,2计算各轴的输入功率 电动机的计算功率一般可用电动机所需实际功率Pd作为计算依据，则其他各轴输入功率为：,（14.8）,式中：01、12、23分别为相邻两轴间的传动效率。,3计算各轴输入转矩 电动机输出转矩,其他各轴输入转矩为,（14.9）,（14.10）,第15章传动零件的设计计算和轴系零件的初步选择 15.1传动零件的设计计算 传动装置零部件包括传动零件、支撑零部件和联接零件，其中对传动装置的工作性能、结构布置和尺寸大小起主要决定作用的是传动零件，支撑零部件和联接零部件都要根据传动零件的要求来设计。因此，一般应先设计传动零件，确定其尺寸、参数、材料和结构，为设计装配草图和零件工作图做准备。,传动零件包括V带传动、链结构、齿轮传动、蜗杆蜗轮传动等，传动零件的设计计算方法已在机械设计和机械设计基础教材中讲述，这里不再重复。 15.2轴系零件的初步选择 轴系零件包括轴、联轴器、滚动轴承等。轴系零件的选择步骤如下：,1初估轴径 当所计算的轴与其他标准件（如电机轴）通过联轴器相连时，可直接按照电机的输出轴径或相连联轴器的允许直径系列来确定所计算轴的直径值。当所计算的轴不与其他标准件相连时，轴的直径可按扭转强度进行估算。初算轴径还要考虑键槽对轴强度的影响，当该段轴截面上有一个键槽时，d增大5；有两个键槽时，d增大10%，然后将轴径圆整为标准值。按扭转强度计算出的轴径，一般指的是传递转矩段的最小轴径，但对于中间轴可作为轴承处的轴径。,初估出的轴径并不一定是轴的真实直径。轴的实际直径是多少，还应根据轴的具体结构而定，但轴的最小直径不能小于轴的初估直径。 2选择联轴器 选择联轴器包括选择联轴器的型号和类型。 联轴器的类型应根据传动装置的要求来选择。在选用电动机轴与减速器高速轴之间连接用的联轴器时，由于轴的转速较高，为减小起动载荷、缓和冲击，应选用具有较小转动惯量和有弹性元件的联轴器，如弹性套柱销联轴器等。,在选用减速器输出轴与工作机之间连接用的联轴器时，由于轴的转速较低，传递转矩较大，且减速器与工作机常不在同一机座上，要求有较大的轴线偏移补偿，因此常选用承载能力较强的无弹性元件的挠性联轴器，如鼓形齿式联轴器等。若工作机有振动冲击，为了缓和冲击，避免振动影响减速器内传动件的正常工作，可选用有弹性元件的联轴器，如弹性柱销联轴器等。,联轴器的型号按计算转矩、轴的转速和轴径来选择。要求所选联轴器的许用转矩大于计算转矩，还应注意联轴器两端毂孔直径范围与所联接两轴的直径大小相适应。,3初选滚动轴承 滚动轴承的类型应根据所受载荷的大小、性质、方向、转速及工作要求进行选择。若只承受径向载荷或主要是径向载荷而轴向载荷较小，轴的转速较高，则选择深沟球轴承；若轴承同时承受较大的径向力和轴向力，或者需要调整传动件（如锥齿轮、蜗杆蜗轮等）的轴向位置，则应选择角接触球轴承或圆锥滚子轴承。由于圆锥滚子轴承装拆方便，价格较低，故应用最多。,根据初步计算的轴径，考虑轴上零件的轴向定位和固定要求，估计出装轴承处的轴径，再选用轴承的直径系列，这样就可初步定出滚动轴承型号。,设计实例 例题17-1设计某工厂螺旋输送机的传动装置。 设计的原始数据：输送物料为面粉，输送机螺旋直径D=0.3m,螺距p=0.24m，主轴转速n=90r/min，连续单向运转，水平输送长度L=40m，载荷变动小，三班制，使用期限10年。 解： （一）输送机的输送量及功率计算 1输送量计算,按式（17-1)计算输送量： Q=47D2 pnC 式中，D=0.3m，p=0.24m，n=90r/min。 由表17-3，取=0.6104 N/m3；由表17-2取=0.36；由表17-4，因=0，取C=1.0。 代入各数值得 Q=20104 N/h 2计算功率 按式（17-2)计算输送机主轴上所需功率,式中，Q=20l04 N/h。 由表17-5取0=1.2；L1=L=40m；H=0。 代入各数值得 Pw=2.61 kW （二）传动装置的总体设计 1拟定传动方案,图17-2螺旋输送机传动装置简图 1-电动机；2-V带传动；3-单级圆柱齿轮减 速器；4-联轴器；5-螺旋输送器,本传动装置采用普通V带传动和单级圆柱齿轮减速器，其传动装置如图17-2所示。 2选择电动机 （1)选择电动机类型 按工作条件和要求，选用Y系列三相异步电动机。 (2）选择电动机功率 按式（17-3)计算电动机所需功率,式中，取k=1.3；Pw=2.61kW；传动装置的总效率,l、2、3、4分别为V带传动、齿轮传动、滚动轴承、十字滑块联轴器的效率。由表A.7，取1=0.96；2=0.97；3=0.99；4=0.97。故,查表K.1，选取电动机的额定功率Ped= 4kW。 （3)选择电动机转速 根据输送机主轴转速n及有关机械传动的常用传动比范围（见表A.6），取普通V带传动的传动比i1=24，单级圆柱齿轮减速器的传动比i2=36，可计算电动机转速的合理范围为,查表K.1，符合这一范围的电动机同步转速有750、1000,1500和3000r/min四种，现选用同步转速1500r/min,满载转速nm=1440r/min的电动机，由表K.2查得其型号和主要数据如下：,3.确定传动装置的总传动比及其分配 传动装置的总传动比,取V带传动比i1=3.2,则单级圆柱齿轮减速器的传动比为,4计算传动装置的运动和动力参数 （1)计算各轴输入功率 电动机轴 轴I（减速器 高速轴） 轴II （减速器 低速轴）,（2）计算各轴转速 电动机轴 轴I 轴II,（3）计算各轴转矩 电动机轴 轴I 轴II,把上述计算结果列于下表：,三）传动零件的设计计算 1普通V带传动的设计计算 普通V带传动的设计计算可参考教材中相应内容。 V带轮的结构如图17-3所示。,图17-3 V带轮结构图,2齿轮传动设计 （1)选择齿轮类型、材料、精度及参数 选用斜齿圆柱齿轮传动。 选择齿轮材料；选取小齿轮材料为45号钢，调质，HBS1=230；大齿轮材料为ZG310-570，正火，HBS2=190。 选取齿轮为8级精度（GB 10095-1988）。 选小齿轮齿数z1=23，大齿轮齿数z2=uz1=i2z1=523=115。 初选螺旋角=12。,(2）按齿面接触疲劳强度设计 (3)校核齿根弯曲疲劳强度 齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的计算请参阅教材内容。 (4）齿轮传动的几何尺寸计算（略） (5)齿轮结构设计 小齿轮采用齿轮轴结构，大齿轮采用辐板式结构。 大齿轮的结构如图17-4所示。,图17-4大齿轮结构图,四）减速器铸造箱体的主要结构尺寸。 按表16.6经验公式计算，其结果列于下表：,（五）轴的设计 1高速轴设计 （1)选择轴的材料 选取45号钢，调质，HBS=230。 (2）初步估算轴的最小直径 根据教材公式，取A0=110，得,(3)轴的结构设计，初定轴径及轴向尺寸 考虑带轮的结构要求及轴的刚度，取装带轮处轴径dmin=30mm，按轴的结构要求，取轴承处轴径d=40mm，轴的装配草图如图17-5。,图17-5轴的装配草图,两轴承支点间的距离为,式中B1小齿轮齿宽，B1=65mm； 1箱体内壁与小齿轮端面的间隙，1=12mm; 2箱体内壁至轴承端面的距离，取2=10mm;B轴承宽度，初选6308型深沟球轴承，查表13-3得B=23mm。,代入上式得,带轮对称线至轴承支点的距离为,式中l2轴承盖的高度，,t-轴承盖凸缘厚度，t=1.2d4=1.28l0mm； k -轴承盖M8螺栓头的高度，查表得k=5.6mm； l3螺栓头端面至带轮端面的距离，取l3=15mm； B3带轮宽度，B3=65mm。 代入上式得,(4）按弯扭合成应力校核轴的强度 绘出轴的计算简图 轴的计算简图如图17-6a所示。 计算作用在轴上的力 小齿轮受力分析 圆周力,径向力,轴向力,带传动作用在轴上的压力 Q=1147 N 计算支反力 水平面,垂直面,作弯矩图 水平面弯矩,垂直面弯矩,合成弯矩,作转矩图,作计算弯矩图 当扭转剪应力为脉动循环变应力时，取系数a=0.6，则,按弯扭合成应力校核轴的强度 轴的材料为45号钢，调质，查表得拉伸强度极限B=650MPa，对称循环变应力时的许用应力-1b=60MPa。 由计算弯矩图可见，A剖面的计算弯矩最大，该处的计算应力为,D剖面轴径最小，该处的计算应力为,(5)精确校核轴的疲劳强度（略）。 (6）轴的结构图如图17-7所示。 2低速轴设计（从略）。,图17-7高速轴的结构图,（六）滚动轴承的选择和计算 滚动轴承的选择和计算见教材相应内容。 （七）键联接的选择和强度校核 1高速轴与V带轮用键联接 （1)选用单圆头普通平键（C型） 按轴径d=30mm及轮载长B3=65mm，查表10-1选键C863 (GB/T 1096-1979）。,（2）强度校核 键材料选用45号钢，V带轮材料为铸铁，查表得键联接的许用应力p=5060MPa，键的工作长度l=L-b/2=63-8/2=59mm，k=h/2=7/2=3.5mm。 挤压应力,安全。,2低速轴与齿轮用键联接 （1)选用圆头普通平键（A型） 按轴径d=55mm及轮毅长B2=66mm，查表10-1选键1650（GB/T 1096-1979）。 （2）强度校核 键材料选用45号钢，齿轮材料为铸钢，查表得许用应力p=100-120MPa，键的工作长度l=L-b=56-16=40mm，k=h/2=10/2=5mm。 挤压应力,安全。 3低速轴与联轴器用键联接（从略）,（八）联轴器的选择和计算 联轴器的计算转矩 Tca=KATII 查表取工作情况系数KA=1.5，因前面在计算电动机功率时已考虑功率备用系数1.3，故计算转矩为,根据工作条件，选用十字滑块联轴器，查表15-4得十字滑块联轴器的许用转矩T=500Nm，许用转速n=250r/min，配合轴径d=40mm，配合长度L1=70mm。,（九）减速器的润滑 齿轮传动的圆周速度v为,因v12m/s，所以采用浸油润滑，由表14-1，选用L-AN68全损耗系统用油（GB 443-1989），大齿轮浸入油中的深度约为1-2个齿高，但不应少于l0mm。,对轴承的润滑，因v2m/s，采用脂润滑，由表14-2选用钙基润滑脂L-XAANIHA2(GB 491-1987)，只需填充轴承空间的1/31/2,并在轴承内侧设挡油环，使油池中的油不能进入轴承以致稀释润滑脂。 （十）绘制装配图及零件工作图 减速器的装配图和零件工作图参考附录的参考图例，这里从略。,17.4编写设计计算说明书 设计计算说明书是设计过程的总结，是图纸设计的理论根据，也是审核设计的技术文件 之一，故它是设计工作的一个组成部分。 1说明书的内容 编写说明书的主要内容如下：,(1）目录（标题和页码）。 （2）设计任务书。 （3)传动装置的总体设计： 拟定传动方案； 选择电动机； 确定传动装置的总传动比及其分配； 计算传动装置的运动及动力参数。 （4)设计计算传动零件。 （5）设计计算箱体的结构尺寸。,（6)设计计算轴。 （7)选择滚动轴承及寿命计算。 （8）选择和校核键联接。 （9）选择联轴器。 （10）选择润滑方式、润滑剂牌号及密封件。 （11)设计小结（包括对课程设计的心得、体会、设计的优缺点及改进意见等）。 （12)参考资料（包括资料编号、作者、书名、出版单位和出版年月）。,