三级减速器设计

机械系统创新设计综合实践设计说明书姓名：李时召班级：机电1104学号：11221098指导教师：杜永平、李德才日期：2014.1.9目录0. 设计题目及要求 31 . 传动装置的总体设计 41.1 传动方案的确定 41.2 电动机的选择 51.3 传动比的计算及分配 71.4 传动装置的运动和动力参数的计算 72 .齿轮的设计和计算 92.1 高速级齿轮传动的设计计算 92.2 中速级齿轮设计计算 112.3 低速级齿轮设计计算 143 .轴的设计与计算 173.1 I轴的设计183.2 n轴的设计计算193.3 出轴的设计计算203.4 IV轴的设计214 .轴承的校核 234.1 234.2 235 .联轴器的选择 245.1 输入端联轴器 245.2 输出端联轴器 246 .箱体设计与减速器的润滑 256.1 箱体的参数设计 256.2 减速器的润滑 267 . 经济性分析 268 . 设计心得 279 . 参考文献 270.设计题目：卷扬机传动装置设计(一)设计要求(1)卷扬机由电动机驱动，用于建筑工地提升物料，具体参数：绳的牵引力为12kN,绳的速度0.4m/s,卷筒直径500mm(2)室内工作，小批量生产。(3)动力源为三相交流电 380/220V,电动机单向运转，载荷较平稳。(4)使用期限为10年，大修周期为三年，两班制工作。(5)专业机械厂制造，可加工 7、8级精度的齿轮、蜗轮。(二)原始技术数据绳牵引力F ( kN )10绳牵引速度v(m/s)0.5卷筒直径D/mm470(三)应完成的任务(1)完成卷扬机总体方案设计和论证(至少提出两种以上的方案)，绘制总体设计原理方案图。(2)完成主要传动装置的结构设计，其中减速器的级别至少是二级。(3)完成减速器装配图1张(A0或A1 );零件(建议低速轴、大齿轮)工作图 2张(A3 或 A4)。(4)进行经济性分析。(5)编写设计计算说明书 1份。设计计算结果1 .传动装置的总体设计1.1 传动方案的确定传动方案的选择主要考虑）电机与减速器间是用带连接还是联轴器 ）减速器是二级还是更高级初步确定以下三种方案:方案一如图:特点：传动稳定，价格便宜。但安全性差，承载性能小。拆装难。方案二：特点：传动比稳定，结构紧凑，承载能力大，但是安装精度高，齿轮工作条件差，磨损严重价格高。方案三：特点：承载能力大，传动比稳定，工作可靠，结构紧凑，拆装方便,但安装精度高，价格贵,电机与减速器间无过载保护。电i通过在经济性、方便性、特别是题设条件等方面的考虑最终确定传动方案三传动方案选万案二优点有：承载能力大，传动比稳定，工作可靠，结构紧凑，拆装方便等优点。缺点：安装精度高，价格贵，电机与减速器间无过载保护等。对于这些缺点，在下面的设计过程中会尽量减少或消除以使设计的减速器更加合理。1.2 电机的选择1.2.1 传动装置的总效率1 = 0.992 = 0.993 = 0.97由所选方案有：联轴器2个，传动效率“1 一般为0.99 ,取为0.99轴承4对，传动效率 2 2范围为0.980.99取轴承效率0.99齿轮啮合3对，8级精度直齿圆柱齿轮单级传动效率“3 =0.960.98 ,取 0.97。则计算总效率：=1 224； = 0 .8591.2.2 工作机所需输入功率，P,FV电机输入功率为：Pd =，,其中PW(kw)=1000式中：Pd-工作机实际需要的电动机输出功率，KWPw-工作机所需输入功率，Kvy 电动机至工作机之间传动装置的总效率。12 1000 0.5所以Fd0.859 1000= 5.82 k w考虑到安全问题，使电动机的额定功率Ped = (11.3) Pd ,由查表得电动机的额定功率 P = 7.5KW 。1.2.3 确定电动机型号=0.859Pd =5.82kwnw =20.32r/min60 V 60 0.5计算滚筒工作转速nw =2032r/min：二 D 470由推荐的传动比合理范围，三级级圆柱齿轮减速器的传动比一般范围：27 /216。(由机械设计课程设计手册 表1-8得)。故电机的可选转速为：nd =i nw =(27 216) 20.32 = 549 4389r / min型号功率(KW)转速(r/min)额定电流(A)(kg)Y132s2-27.529001572Y132M-47.5144015.479Y132M-67.597017116Y160L-87.572017.7140符合要求的Y型电机有4种选 Y132M-4从价格、电机重量体积和齿轮传动的强度问题等综合因素考虑，选才i Y132M-4型电机1.3 传动比的计算及分配1.3.1 传动装置的总传动比要求应为传动装置的总传动比为：i =n/n 产1440/20.32=70.866型电机% =1440r/mini =70.866式中：nm-电动机满载转速F5=5.00kwi1 =5.380i 2 =4.138ig =3.183P0 =5.820KWn=1440r/minT0 = 38.594Nm1.3.2 分配各级传动比按照二级传动比计算方法计算三级齿轮传动比：考虑到减速箱内大齿轮浸油深度等因素影响，取分配比系数为1.3:i2 = 3i =4138i3 嗔/1.3= 3.183i1 = 1.4i2 = 5.3801.4 传动装置的运动和动力参数的计算电动机轴P。=Pd =5.820KWn0 =nm =1440r / minT0 =9549 P =38.594N，mn。I轴（高速轴）P0 1 =5.762KW口 =n0 =1440r/minPMT1 =9549 1 =38.209N *m n1n轴P2 =P1 2 3 = 5.533KW 21 *2 *3n2 =n1/i1 =267.658r/minP2丁2 =9549 2 =197.396N，m n2出轴P = P1=5.313KW32 2 3n3 =n2/i2 =64.683r/minT3 =9549 P3 =784.346N，m n3iv轴P = Pq 2 q =5.102KW 43 2 3n4 =4 =20.321r/minT4 =9549 P4 =2397.517N，m n4v轴（工作轴）P =P1 2 =5.000KW 54 12kwn1 =1440r/ minT1 =38.209NmP2=5.533Kw切=267.65 8r/minT2 =197.396NmP3 = 5.313kwn3 =64.683 r/minT3 =784.346NmP4 = 5.102kw山=20.32r/minT4 =2397.517Nmn5 = n4 = 20.321r / minT5 =P5 =2349.540N *m n52 .齿轮的设计和计算2.1 高速级齿轮传动的设计计算(1)许用应力的计算材料：均选用45 #号钢，均进行调质处理，小齿轮外加表面淬火处理。小齿轮硬度为表面 45HRC心部240HBs大齿轮硬度为 240HBs主要失效形式为点蚀，不能立即导致不能继续工作，故S=SH =1.9N1=60n1j Ln=60 1440 1 10 365 16 =505 10N2=60n2j Ln =60 268 1 10 365 16 =9.39 108故由教材图10-21得KFN1 =1.0KFN2 =1.0KHN2 =1.0KHN 2 =1.01查课本(机械设计，第八版)第 207页图得：二 Hlim1=900Mpa二 Hlim2=570Mpa二 fei =570Mpa二 FE2=470Mpa综上有：二H1= _Hlim1 KHN1 =900Mpa ；:H2=Hlm2 KHN 2 =575.7Mpa SS二F1= -FE1 *KFN1 =570Mpa oF2= FE2 KFN2 =470MpaSS(2)计算&n5 =20.32r/minT5 =2349.540Nm大小齿轮用 45号调质 钢，小齿轮 表面淬火N1 =95.05 109N2=9.39 108=900H lim 1Mpa二 H lim 2 =570Mpa二 fei =570Mpa-fe 2 =470Mpa二hi =900Mpa二 H2=575.7Mpa初选 d1 =80mm初定 Z1 =22z2 =119使用系数KA由题设工作载荷比较平缓选：KA=1.0齿间分配系数K.由教材表10-3选彳导:KHot=KFot=l.4动载荷系数Kvv=二 DAN=6.03m/s60由教材图1-0-8得：Kv=1.23齿向分配系数K .由教材表10-7选得6 d =1.0由教材表10-4得：KHp=1.463综上可得：K= KAKhKvKh：=2.52由教材表10-6选出弹f系数ZE =189.8则:d13 KT1Ze)2 .(U-1)r-H2 u=53.54mm取 d1 =60mm贝U d2 =323mm定 z1 = 20z2 = 107d则：m=d1 =2.73 ,圆整取 m=3.0Zia= d_d2 =191.5mm2O fi =570Mpa二f2=470Mpa中 d =1.0K =2.52HZE =189.8d1=60mmd2=323mmZi =20z2 =107m=3.0a=191.5mmh=6.75mm计算齿宽2K 二 u 1b - d； u (2.5ZE二h、2)=42.69mmb1=52mmb2 =47mmKf=2.24YFa1 = 2. 57YFa2=2. 1 4YSa1=1. 60YSa2=1. 83cF1 =58.66MpavUCf2 =55.86Mpa二 F2第一对齿轮 表面接触强 度和齿根弯 曲强度满足 要求。再由教材表10-7选得：b1=52mmb2 =47mm(2)齿根弯曲疲劳强度齿向载荷分布系数 K由教材图10-13得：Kp=l.30则 K= KaKfKvKf =2.24计算齿形系数和应力校正系数由教材表10-5得:Y Fa1=2.57 Y Fa2=2.14YSa1=1.60 Y Sa2=1.83校核弯曲应力b fi= -2KT-YFa1Ka1=58.66Mpa；:F1 bm2乙YgYm.,(T F2=(T F1 a- =55.86Mpa 3(E )=90.39mm3入2 u取 d1 =91mm贝U d2=377mm 定z1=31Z2 =128 m=5=2.93, 圆整取 m=3.04a=d-2- =234mm2h=2.25m=6.75mm计算齿宽2K 二 u 12.5ZE 2b -2 *() =89mmd1u 二h再由教材表10-7选得：b1=95mmb2=90mm(3)齿根弯曲疲劳强度齿向载荷分布系数 K -：由教材图10-13得：Kp=1.46 d =1.0Kh=2.22ZE =189.8d1=91mmd2=377mmz1 = 31z2 =128m=3.0a=234mmh=6.75mmb1=95mmb2=90mm则 K= KaKfKvKf：=2.21Kf=2.21计算齿形系数和应力校正系数由教材表10-5得:Fa1=2.506 Y Fa2=2o 16Sa1=1.625 Y Sa2=1.81校核弯曲应力Y Fa1 =2.506YFa2=2。16Y Sa1 =1.625Ysa2=1.812KTr 1(T F1=2YFa1YSa1=144.61Mpa二fibm4_YFa2YSa2F F2= F1 YFa1YSa1=138.83Mpa；:F2二 fi =144.61Mpa二 fi二 F2 =138.83所以第二对齿轮表面接触强度和齿根弯曲强度满足要求。2.3低速级齿轮设计计算(1)许用应力的计算材料：考虑到第三对齿轮传递转矩较大，所以选用42GrMo作为小齿轮材料进行调质处理和表面热处理，表面硬度为260HBs心部为55HRC大齿轮与前面一样。主要失效形式为点蚀，不能立即导致不能继续工作，故S=Sh=1.MpakF2第二对齿轮 表面接触强 度和齿根弯 曲强度满足 要求。N1 =2.27 108N2=7.12 107N1=60nlj Ln =60 65 1 10 365 16 =2.27 108N2=60n2j Ln =60 20 1 10 365 16 =7.12 107故由教材图10-21得K FN1 =1.0KFN2 =1.0KHN2 =1.1KFN1 =1.0KFN2=1.0KhN2=12KHN2=18查课本(机械设计，第八版)第 207页图得:二 Himi=900Mpa二 Hlim2=700MpaCFE1 =675Mpa；=FE2=600Mpa综上有:crH 1 = 3(一E )=114.5mm3入2 u取 di =120mm则 d2=382定 Zi=41Z2=131d, m= _1 =2.89 ,圆整取 m=3.0 乙d1 d2a= =251mm2h=2.25m=6.75mm计算齿宽b 2K 二d12u 1 /2.5Ze、2()=98.74mmu 二 h再由教材表10-7选得：b1 =105mmb2=100mm(3)齿根弯曲疲劳强度齿向载荷分布系数K -：由教材图10-13得：Kp=1.48则 K= KaKfKvKi 二2.10计算齿形系数和应力校正系数由教材表10-5得：d1=120mmd2=382z1 = 41z2 -131m=3.0a=251mmh=6.75mmb1 =105mmb2=100mmKf=2.10YFa1=2.390 Y Fa2=2.16YSa1=1.68 Y Sa2=1.81YFa1=2.390YFa2=2.16校核弯曲应力Ysai=1. 682KTb f产-YaiYsai=348.26Mpa；:F1 bm乙Ysa2=1. 81o- F2= o- JFa2丫Sa2 =339.10MpaoF2二 F1 =348.26YFalYsalMpa；=Fi所以第三对齿轮表面接触强度和齿根弯曲强度满足要求。02 =339.10Mpa二 F23 .轴的设计与计算3.1 I轴的设计3.1.1 I轴的结构设计d=20mm选取轴的材料为 45刚，调质处理。根据教材表15-3取A0 =105,得：dmin -A03 P = 16.67mm，n轴上有一个键槽，增加到17.517.8mm=取d=20mm二=60Mp轴承选深沟球2系列，型号为62004a列，型号为62004沟球2系通过轴系零件的尺寸查表和合理设计，得出高速轴尺寸如图：轴承选深3.1.2 I轴的强度校核由教材表15-1得cr=60Mpa求作用在轴上的作用力: 由于选择的是直齿轮和深沟球轴承，所以只有径向力。二=60Mp aF xNH 2= 0.99 103F xNH 13= 0.28 10且已知高速级齿轮的分度圆直径为d=60mm齿轮作用在轴上的水平力即周向力：Ft =_2TL =1.27M103Nd齿轮作用在轴上的铅垂力即径向力：Fr = Ft tan 20 =0.464 m103N在垂直面上：左侧：Fnh2 = % (7 13 178 25)=0.99 1外(7 13 178 50 30 7)右侧：Fnh1 =Ft -FNH2 =0.28 103NMhi=282.15N *m弯矩 M Hi =Fnh2 62 =61.38N .m水平面上：Fr (25 178 13 7)3左侧：Fnh 2 = - = 0.347 103 N(7 13 178 50 30 7)3F zNH 23= 0.347 10F zNH 1= 0.117 103右侧：Fnh1 = Ft -FNH 2 = 0.117 10 N弯矩 M H2 vFNH2 62 =22.51N *m总弯矩：M =JmHi +M；2 =65.37N m如图：M H 1 =289.98NmM=298.98Nm进行校核时候，通常只是校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度根据W=1398.13式及上面的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为静应力，取 0.3 ,轴的计算应力。由教材表 15-4 得：W=_ bt（dt =1398.1332 2dM2 （盯）2W二 57Mpa +二ca =15Mpa 二所以是安全 的。其中T为轴输出扭矩。所以是安全的，但离极限值较近，可以考虑用更好材料3.2 n轴的设计计算选取轴的材料为 45刚，进行调质处理。根据教材表15-3取A0 =105,得: dm.d=35mm=28.81mm ,n轴上有三个键槽，增加到 32.6934.13mm=取d=35mm轴承选深沟球2系列，型号为62007通过轴系零件的尺寸查表和合理设计，得出n轴尺寸如图:轴承选深 沟球2系 列，型号为 620073.3 出轴的设计计算选取轴的材料为 45刚，进行调质处理。根据教材表15-3取A0 =105,d=55mm得：dmin A03P = 45.63mm n轴上有两个键槽，增加到50.2052.48mm=取d=55mm轴承选圆柱轴承 2系列，型号为62011轴承选深 沟球2系 列，型号为 N211E通过轴系零件的尺寸查表和合理设计，得出m轴尺寸如图：山1 _ 的15E _2993.4 IV轴的设计计算3.4.1 IV轴的结构设计选取轴的材料为 45刚，进行调质处理。二二60Mpad=75mm轴承选圆柱 轴承2系 列，型号为N215E根据教材表15-3取A0 =105,/口P得:dmin-A366.23mm,n轴上有三个键槽，增加到 71.6573.87mm1取d=75mm轴承选圆柱轴承 2系列，型号为N215E通过轴系零件的尺寸查表和合理设计，得出高速轴尺寸如图：-T(一1 I I | 二. F , =n :予L.m3.4.2 IV轴的强度校核由教材表15-1得oq=60Mpa求作用在轴上的作用力：由于选择的是直齿轮和深沟球轴承，所以只有径向力。F xNH 2一一 一 3= 6.8 10NmF xNH 1= 05.75 103NmMhi=629N mF zNH 23= 2.18 10NmF zNH 1_3= 2.39 10NmMhi=201.65N *mM=660Nm且已知低速级大齿轮的分度圆直径为d=382mm齿轮作用在轴上的水平力即周向力：Ft =尹1 =12.55 103Nd齿轮作用在轴上的铅垂力即径向力：Fr = Ft tan 20 = 4.57父103 N在垂直面上：Ft (111 35-： 2)3左侧：FNH2 t6.8 10 N(111 96 32 25 - 2 35 2)右侧：Fnhi = Ft -Fnh2 = 5.75 103N弯矩 M H1 =FNH2 (32 25-： 2 96-： 2) =629N *m水平面上：左侧：Fnh2 )Ft (111 35 2) =2.18 1 03N(111 96 32 25 - 2 35 一： 2)右侧：FNH1 =Ft -FNH2 =2.39 103 N弯矩 M H1 =Fnh2 (32 250 2 96 2) =201.65N m总弯矩：M =JM； +M：2 =660Nm如图：进行校核时候，通常只是校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度根据式及上面的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为静应力，取力。由教材表 15-4 得：Wd bt(d -t =40409 32 2d22 c%a=W =30Mpa r其中T为轴输出扭矩。0.3 ,轴的计算应:_-ca =30Mpa二所以是安全 的。所以是安全的。4.轴承的校核4.1 I轴轴承的校核由于选择的轴承是 6204型轴承，只存在径向力。所以：P= FxNhi FzNhi =1050N其中FxNH2 FzNH 2为轴校核轴轴承在水平和垂直方向的受力。由教材可知深沟球轴承的S =3查机械零件表有： C=12800N则有：Lh = x C-产=20967 h60 np则轴承可用：L= 20967 =3.39年。16 365满足三年小修换轴承的要求4.2 IV轴轴承的校核由于选择的轴承是 6015型轴承，只存在径向力。所以:P=1050N =3 C=12800NL=3.39 年。满足要求P=7141N10 =3C=68000NL=12 年满足要求2L 2P= FxNH1 FzNH1=7141N其中FxNH2 FzNH 2为轴校核轴轴承在水平和垂直方向的受力。10由教材可知圆柱轴承的 =203查机械零件表有：C=68000N则有：Lh = -0 x C-严=70823h 60 n P则轴承可用：L= 20967 =12年。16 365满足三年小修换轴承的要求Tca = 57.31Nm联轴器选择KR-SC型钢球半扭矩安全联轴器中的型号为 ：KR-SC1906H型联轴器。5.联轴器的选择5.1 输入端联轴器由于三级减速器是由电机与减速器直接通过联轴器连接的，所以要对电机进行过载保护，所以要在输入端选择安全联轴器。根据联轴器的计算公式 Tca =KaT查表14-1 （机械设计第八版），取工作情况系数KA=1.5;则有Tca =KaT =1.5 X 38.209=57.31Nm则选择KR-SC型钢球半扭矩安全联轴器中的型号为：KR-SC1906网联轴器。5.2 输出端联轴器根据联轴器的计算公式 Tca = KaT查表14-1 （机械设计 第八版），取工作情况系数Ka =1.5;则有Tca =KaT =1.5 X 2397.52=3659.81Nm选用LH7弹性柱销联轴器，其公称转矩为6300N m。6.箱体设计6.1 减速箱参数箱体是用HT200铸造而成，其相关参数如下：Ta =3659.8ca1Nm选用LH7 弹性柱销联 轴器E=30MPa箱座壁厚d12箱盖壁厚a10箱座凸缘厚度b18箱盖凸缘厚度bi15箱座底凸缘厚度b230底脚螺栓直径df24底脚螺栓数目n6轴承旁联接螺栓直径di18箱盖与箱座联接螺栓直 径d212轴承端盖螺钉直径d3由轴承外径决定定位销直径d12凸台高度h根据扳手操作方便为准大齿轮顶圆与内壁距离i15齿轮端面与内壁距离215箱盖、箱座肋厚m1、m8,10轴承端盖外径D2与轴承后关轴承端盖凸缘厚度t10螺栓扳手空间与凸缘宽度安装螺栓直径dxM8M10M12M18M24至外箱壁距离c1 min1316182434至凸缘边距离C2 min1114162228沉头座直径C2 min10242636486.2减速器的润滑6.2.1 齿轮的润滑采用浸油润滑的润滑方式。因为三级减速箱中大齿轮直径差距较大，所以浸油深度不能过高，以免出现因低速级大齿轮浸油过深而造成过大的油损。但浸油深度也不能过小以防止其他齿轮润滑不到或传动零件在转动时将沉入箱底的污 物搅起，所以选次高级大齿轮浸油一个齿高为准，油面到池底30mm6.2.2 轴承的润滑通过计算得到的所有轴承的dn值小于16 M104 ,所以选用油脂润滑（机械设计，第八版，表14-10）。轴承与内箱采用挡油环隔绝。7.经济性分析一般来说三级减速器的价格相对于其他减速器要贵一些。主要体现在加了第三对齿轮的造价和增加一对齿轮引起的一系列如箱体体积、润滑油增多、各种精度要求提高等额外费用。对于三级齿轮减速器造价问题采取了一下措施：.三级减速器与经典的二级带轮减速器主要在于第三对齿轮价格和一对带 轮加带的价格的差别。 所以初略计算第三对齿轮价格和一对带轮加带的价格，进 行对比以进行下面措施。齿轮等级精度在满足要求的情况下采用最低级精度等级，都为8级精度等级齿轮。.材料方面在满足功能和强度要求方面选择最便宜材料：齿轮和轴除了低速级小齿轮采用 42GrMo外都用45号钢。箱体用灰铸铁铸造。.结构设计方面如箱体尽量避免凸台等架构以增加铸造成本。通过这些措施使得三级齿轮减速器的造价降低很多，可以达到甚至低于某些二级减速器的造价。7.设计心得通过这次减速器的设计，使我学到很多以前东西，以下是我的心得体会：这是一门综合性很强的课程，其中包含了很多门科目有机械设计、理论力学、工程材料、材料成型、机械制造、制图等知识，通过设计过程可以把以前学 的知识进行更加深入的理解，同时大大提高个人训练能力。设计一个零件或结构，要先了解其功能原理，然后在使其满足使用功能的基础上进行设计和创新，不能毫无根据漫无目的的瞎想、乱改。结构设计中的所有结构的有无、位置、尺寸都是有根据甚至有标准的，不 能看到别人有而有，也不能乱加或随意编写数据。否则可能对整体功能或使用维 修等带来影响。通过这门课程，我的二维、三维制图能力大大提高。9.参考资料目录1机械设计（第八版）,高等教育出版社，杨可桢 程光蕴 李仲生 主编；普通高等教育“十一五”国家级规划教材2机械设计课程设计手册（第三版）,高等教育出版社，清华大学吴忠泽 北 京科技大学 罗圣国 主编3机械机械设计综合课程设计第二版，王之乐王大康主编5solidworks 2012 机械设计实例精解一减速器设计，段志坚 李改灵主编