二级圆锥齿轮减速器的设计

目 次1 引言 12 传动装置的总体设计12.1 拟订传动方案 12.2 电动机的选择 22.3 确定传动装置的传动比及其分配 32.4 计算传动装置的运动和动力参数 33 传动零件的设计计算 43.1 高速级圆锥齿轮传动设计 43.2 低速级圆柱直齿轮设计 84 轴的设计 114.1 中间轴的设计114.2 高速轴的设计164.3 低速轴的设计175 轴承的选择和计算 185.1 中间轴的轴承的选择和计算185.2 高速轴的轴承的选择和计算195.3 低速轴的轴承的选择和计算196 减速器铸造箱体的主要结构尺寸 197 键联接的选择和强度校核 217.1 中间轴与齿轮联接用键的选择和强度校核218 主要零件的加工工艺 229 中间轴直齿轮的校核程序 2310 结 论 2811 致 谢 2912 参考文献 30附图1 减速器整体效果图 31附图2 减速器内部结构图 31附图3 直齿轮 32附图4 圆锥齿轮 32附图4 上箱体 33附图4 下箱体 331 引言减速器是机械行业中较为常见而且比较重要的机械传动装置。减速器的种类非常多，各种减速器的设计各有各的特点，但总的设计步骤大致相同。其设计都是根据工作机的性能和使用要求，如传递的功率大小、转速和运动方式，工作条件，可靠性，尺寸，维护等等。本文是关于圆锥齿轮减速器的设计，主要用于运输带的传送。这种减速器相对于其他种类的减速器来讲，运用不是很广泛。本课题主要通过计算机辅助设计（CAD）完成。计算机辅助设计及辅助制造（CAD/CAM）技术是当今设计以及制造领域广泛采用的先进技术，通过本课题的研究，将进一步深入地对这一技术进行了解和学习。2 传动装置的总体设计2.1 拟订传动方案本传动装置用于带式运输机，工作参数：运输带工作拉力F=5KN，工作速度=1.6m/s，滚筒直径D=500mm，传动效率=0.96，在室内工作（环境最高温度35），载荷平稳，连续单向运转，使用寿命24000小时。本设计拟采用二级圆锥直齿轮减速器，锥齿轮应布置在高速级，使其直径不至于过大，便于加工。传动简图如图2-1所示。图2-1 传动装置简图1 电动机 2传动带轮 3二级圆锥齿轮减速器 4联轴器 5传动滚筒 6输送带2.2 电动机的选择（1）选择电动机的类型按工作条件和要求，选用一般用途的Y系列三相异步电动机。电压380V。（2）选择电动机的功率电动机所需工作功率为：P=P；工作机所需功率为：P=Fv1000； 查表确定各部分装置的效率：V带传动效率1=0.96，滚动轴承传动效率（一对）2=0.99，圆锥齿轮传动效率3=0.96，圆柱齿轮传动效率4=0.99，联轴器传动效率5=0.99，传动滚筒效率6=0.96,分析传动装置传动过程可得：传动装置的总效率为：=124 3456；所以=0.960.9940.960.970.990.96=0816；所以所需电动机功率为：P= Fv1000=50001.6/10000.816=9.80 kW查表，选取电动机的额定功率P=11 kW。（3）选择电动机的转速传动滚筒转速n=61.12 r/min,通常，V带的传动比范围为：i1=24,二级圆锥齿轮减速器传动比为：i2=815,则减速器的总传动比=1660，故电动机转速的可选范围为：n= n=（1660）61.12=977.923667.2r/min符合这范围的电动机同步转速有1000、1500、3000 r/min三种，现以同步转速1000 r/min和1500 r/min两种常用转速的电动机进行分析比较（查表）综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格、传动比及市场供应情况，选取比较合适的方案，现选用型号为Y160M4，其主要安装尺寸如下：中心高：H=160 mm外型尺寸：L（ACAD）HD=600（325+255）385 mm轴伸尺寸：D=42 mm，E=110 mm装键部分尺寸：FGD=123742 mm底脚安装尺寸：AB=254210 mm地脚螺栓孔直径：K=15 mm2.3 确定传动装置的传动比及其分配（1）减速器总传动比ia=nn=146061.12=23.89（n为满载转速）（2）分配传动装置各级传动比：取V带传动的传动比i0=3，则减速器的传动比为i=ia/i0=23.89/3=7.96为了避免圆锥齿轮过大，制造困难，并考虑齿轮的浸油深度，取高速级传动比i=2.5，低速级传动比为i=i/i1=3.184。2.4 计算传动装置的运动和动力参数（1）各轴的输入功率轴0（电动机轴）：P0= P=9.80 kW轴（高速轴）P= P01=9.800.96=9.408=9.41kW轴（中间轴）P= P23=9.410.990.96=8.94 kW轴（低速轴）P= P24=8.940.990.97=8.59 kW轴（滚筒轴）P4= P25=8.590.990.99=8.42 kW（2）各轴的转速轴0：n0= n=1460 r/min轴：n= n0i01=14603=486.67 r/min轴：n=n1i12=486.672.5=194.67 r/min轴：n=n2i23=194.673.184=61.14 r/min轴：n4=n3i34=61.141=61.14 r/min（3）各轴的输入转矩轴0：T0=T=9550=955064.10 Nm轴：T=9550=9550184.62 Nm轴：T=9550=9550438.57Nm轴：T=9550=95501341.75 Nm轴：T4=9550=9550=1315.20 Nm表2-1 设计轴的传动特性表轴名输入功率（kW）转速n（r/min）输入转矩（Nm）传动比效率电动机轴9.80146064.1030.96轴9.41486.67184.622.50.96轴8.94194.67438.573.1840.970.99轴8.5961.141341.75滚筒轴8.4261.141315.2013 传动零件的设计计算3.1 高速级圆锥齿轮传动设计（1）选择齿轮类型、材料、精度以及参数 选用圆锥直齿齿轮传动 选用齿轮材料：选取大小齿轮材料均为45钢，小齿轮调质处理齿面硬度取240HBS；大齿轮正火处理齿面硬度取200HBS。 选取齿轮为8级精度（GB1009588） 选取小齿轮齿数Z=26，Z=Z=2.52665（2）按齿面接触疲劳强度设计 首先确定计算参数 （a）使用系数KA：查表得KA=1.0 （b）使用系数KV：查图得KV=1.3（c）齿间载荷分配系数KHa：估计KAKt/b100N/mm, cos=0.9285 cos=0.3714当量齿数：ZV1=Z1/cos=26/cos=28 ZV2=Z2/ cos=65/ cos=175当量齿轮的重合度：=1.88-3.2（1/ ZV1+1/ ZV2） =1.88-3.2（1/28+1/175） =1.747 Z=0.867（d）KH=1/ Z2=1/（0.878）2=1.33（e）查取齿向载荷分布系数K=1.2所以载荷系数K：K=KAKV KH K=1.01.31.31.2=2.028转矩T1=184.62Nm=184620Nmm（f）查取齿宽系数=0.3（g）查得弹性影响系数=189.8（h）查得区域系数=2.5（i）查取材料接触疲劳强度极限：查图得，小齿轮为=580Mpa,大齿轮=540 Mpa（j）计算应力循环次数N N=60 thn1=60124000486.67=700.80106 N=280.32106（k）查表得：对N1,取m1=14.16,对N2取m2=17.56（m为疲劳曲线方程指数） ZN1=1.025 ZN2=1.075（l）查得接触疲劳强度最小安全系数S=1.05（m）计算许用接触应力： =566.19 Mpa=552.86 Mpa（n）小齿轮大端分度圆直径d1：=115.67mm即d1=116mm（3）确定主要参数：（a）大端模数m：m=d1/z1=116/26=4.46,即m=4.5（b）大端分度圆直径d1=m z1=264.5=117mm d2=mz2=293mm（c）锥距R：R=157.5（d）齿宽b：b=R=47.25，取整b=47(4)轮齿弯曲疲劳强度验算：（a）齿形系数YFa1=2.65, YFa2=2.15（b）应力修正系数YSa按当量齿数查图得：YSa1=1.67，YSa2=2.25 （c）重合度系数Y：Y=0.25+=0.25+=0.68 （d）齿间载荷分配系数KFa：KFa=1/ Y=1/0.68=1.47 载荷系数K：K=2.028 （e）齿根工作应力：= = =125.34N/mm2 =137.02 N/mm2 （f）弯曲疲劳极限由图查得：=230 N/mm2 210 N/mm2 由表查得：N0=3106，m=49.91(为疲劳曲线方程指数) （g）弯曲寿命系数YN：YN1=0.9 YN2=0.91 （h） 由图查得尺寸系数：YX=1.0（i）弯曲疲劳强度最小安全系数SFmin查得：SFmin=1.25（j）许用弯曲疲劳应力：=165.6N/mm2=152.88 N/mm2（k）弯曲疲劳强度校核： =125.34 N/mm2 =137.02N/mm2所以满足弯曲疲劳强度要求。（注：本节查表查图见机械工程及自动化简明设计手册 叶伟昌 2001）（5）齿轮传动几何尺寸计算 几何尺寸计算结果列于下表3-1：（取，,） 表3-1 圆锥齿轮参数（单位mm）名 称代号计算公式结 果小齿轮大齿轮传 动 比法面模数 法面压力角标准值齿 数分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿 宽3.2 低速级圆柱直齿轮的设计：（1）选择齿轮类型、材料、精度以及参数选用齿轮材料：选取大小齿轮材料均为45钢，小齿轮调质处理齿面硬度取240HBS；大齿轮正火处理齿面硬度取200HBS。 选取齿轮为8级精度（GB1009588） 选取小齿轮齿数Z=25，Z=Z=3.18425=79.6取Z=80（2）设计计算：设计准则：按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。按齿面接触疲劳强度设计其中，（a）查图选取材料的接触疲劳极限应力为：小齿轮为=580Mpa,大齿轮=560 Mpa。（b）由图查得弯曲疲劳极限：=230 N/mm2 210 N/mm2（c）应力循环次数N：N1=60n2at=60194.67124000 N1=2.8108则N2=N1/2=2.8108/3.184=0.88108（d）由图查得接触疲劳寿命系数（e）由图查得弯曲疲劳寿命系数；（f）查表得接触疲劳安全系数=1；弯曲疲劳安全系数=1.4；又=2.0，试选=1.3。（g）求许用接触应力和许用弯曲应力：=580Mpa;=571Mpa;=23021/1.4Mpa=328Mpa;=300Mpa.（h）将有关值代入下式得： =即：=94.28mm则=0.96m/s/100=250.96/100=0.24 m/s（i）查图可得，由表查得，；取，则1.251.091.051=1.431修正=94.281.03mm=97.11mm（j）m=3.884,所以由表取标准模数m=4mm.（k）计算几何尺寸：=425=100mm，480=320mm,a=m(Z1+Z2)/2=210mm,b=1100mm=100mm,取b2=105,b1=b2+10=115mm(3).校核齿跟弯曲疲劳强度： 由图可查得 由下式校核大小齿轮的弯曲强度：，即Mpa; MPa = 87.8MPae则轴承B：e则 计算轴承寿命因为，轴承B受载大，所以按轴承B计算寿命，查得30209轴承基本额定载荷，轴承工作温度小于，取温度系数，则轴承寿命，若按8年的使用寿命计算，两班制工作，轴承的预期寿命为，,所以所选轴承合适。5.2 高速轴的轴承的选择和计算按轴的结构设计，选用30208（GB/T29794）圆锥滚子轴承，经校核所选轴承能满足使用寿命，合适。5.3 低速轴的轴承的选择和计算按轴的结构设计，选用30213（GB/T29794）圆锥滚子轴承，经校核所选轴承能满足使用寿命，合适。6 减速器铸造箱体的主要结构尺寸（单位：mm）(1) 箱座（体）壁厚：=8，取=10，其中=210；(2) 箱盖壁厚：=0.02a+38，取=8；(3) 箱座、箱盖、箱座底的凸缘厚度：，,；(4) 地脚螺栓直径及数目：根据=210，得，根据螺栓的标准规格，选得20，数目为6个；(5) 轴承旁联结螺栓直径：； (6) 箱盖、箱座联结螺栓直径：=1012，取=10；(7) 轴承端盖螺钉直径：表6-1 减速器所用螺钉规格高速轴中间轴低速轴轴承座孔（外圈）直径8085125轴承端盖螺钉直径81010螺 钉 数 目666(8) 检查孔盖螺钉直径：本减速器为二级传动减速器，所以取=5；(9) 螺栓相关尺寸：视具体设计情况而定，以图纸设计为准(10) 轴承座外径：，其中为轴承外圈直径，把数据代入上述公式，得数据如下：高速轴：mm取为125mm;中间轴：取为130mm;低速轴：取为180mm.(11) 轴承旁联结螺栓的距离：以螺栓和螺钉互不干涉为准尽量靠近；(12) 轴承旁凸台半径：40mm，根据结构而定；(13) 轴承旁凸台高度：根据低速轴轴承外径和扳手空间的要求，由结构确定；(14) 箱外壁至轴承座端面的距离：，取=60mm；(15) 箱盖、箱座的肋厚：0.85，取=8mm，0.85，取=10mm；(16) 大齿轮顶圆与箱内壁之间的距离：1.2，取=20mm；(17) 铸造斜度、过渡斜度、铸造外圆角、内圆角：铸造斜度=1：10，过渡斜度=1：20，铸造外圆角=5，铸造内圆角=3。7 键联接的选择和强度校核7.1 中间轴与齿轮用键联接的选择和强度校核（1）锥齿轮与轴的键联接 选用普通平键（A型）按中间轴装齿轮处的轴径=50，以及轮毂长=50，查表，选用键1445GB109679。 强度校核 键材料选用45钢，查表知，键的工作长度，按公式的挤压应力所以键的联接的强度是足够的，选用本键合适。（2） 低速轴和高速轴上的键效核方法同上，材料同样选用45钢。 经效核，合格。8 主要零件的加工工艺表8-1高速轴加工工艺流程序号工序名称工序内容定位基面设备1备料准备毛坯料50260仓库2锻造锻压机3热处理调质正火4粗车三爪夹持车一端面,打中心孔调头，三抓夹持车另一端面,保证总长,打中心孔50外圆毛坯车床5车双顶尖装夹，粗车50外圆两端中心孔车床6车双顶尖装夹，从左到右依次粗车3050，3520，4070外圆,都留余量3.4两端中心孔车床7车调头，双顶尖装夹，粗车2830，30603520外圆,留余量3.4。两端中心孔车床8热处理调质HBS250两端中心孔车床9车修研两端中心孔10车双顶尖装夹，半精车28，30外圆,留磨量0.5，车端面倒角245两端中心孔车床11车双顶尖装夹，半精车35外圆,留磨量0.5两端中心孔车床12车双顶尖装夹，半精车40外圆,留余量0.5两端中心孔车床13车调头，双顶尖装夹，半精车28，30端面倒角245，留磨量0.5两端中心孔车床14磨钳工去毛刺两端中心孔铣床15铣粗铣键槽845GB1096-79，留精铣余量0.6两端中心孔铣床16铣精铣上述键槽至尺寸两端中心孔铣床17铣粗铣键槽825GB1096-79，留精铣余量0.6两端中心孔铣床18铣精铣上述键槽至尺寸两端中心孔铣床19热处理淬火后回火至230HBS20车修研两端中心孔车床21磨双顶尖装夹，精磨外圆30至尺寸，精磨外圆35至尺寸，精磨外圆40至尺寸两端中心孔外圆磨床23磨调头，双顶尖装夹，先精磨外圆28至尺寸，再精磨外圆30、35至尺寸两端中心孔外圆磨床24检验检验各部分是否符合尺寸和技术要求由于工作量的问题，其余主要零件的工艺流程略。9 中间轴直齿轮的校核程序：p=Val(Text1.Text) 电机功率 n=Val(Text2.Text) 电机转速 i=Val(Text3.Text) 传动比 z=Val(Text5.Text) 齿数 pi = 3.1415926kt = 1.3zh = 2.5ze = 189.8z1 = 0.9r2 = zh * ze * z1segmah1 = 560segmaf = 220kh1 = 1.1kh1 = 1#segh1 = segmah1 * kh1segf = segmaf * kh1f = (r2 / segh1) 2t = (9550000 * p) / nl = (i + 1) / iq = (2.6 * t) / 1dt = 2.32 * (f * q * l) 0.333v = (pi * dt * n) / 60v1 = v / 1000v2 = z * v1 / 100kc = 1 + 0.1 * v2ka = 1kb = 1.1kd = 1k = ka * kb * kc * kdx = (k / 1.3) 0.333dl = dt * x * 0.9m = dl / zSelect Case m Case 0 To 1 m = 1 Case 1 To 1.25 m = 1.25 Case 1.25 To 1.5 m = 1.5 Case 1.5 To 2 m = 2 Case 2 To 2.5 m = 2.5 Case 2.5 To 3 m = 3 Case 3 To 4 m = 4 Case 4 To 5 m = 5 Case 5 To 6 m = 6 Case 6 To 8 m = 8 Case 8 To 10 m = 10 Case 10 To 12 m = 12 Case 12 To 16 m = 16 Case 16 To 20 m = 20End Select d = m * z b = 1.05 * d yf = 4.1 ye = 0.7 r11 = yf * ye r21 = 1 * z 2 * m 3 r31 = 2 * k * t segmaf1 = 10 * (r11 * r31) / r21 Text7.Text = CStr(b) Text4.Text = CStr(m) Text12.Text = CStr(segmaf1) Text13.Text = CStr(segf) End SubPrivate Sub Command2_Click()If segmaf1 segf ThenMsgBox 成功, 64, 恭喜 = 20 * pi / 180s = 0.5 * pi * mda = m * (z + 2)d = m * zdb = m * z * Cos()df = (z - 2.5) * mText6.Text = 齿顶圆直径da= & da & Chr(13) & Chr(10) & 分度圆直径d= & d & Chr(13) & Chr(10) _& 齿根圆直径df= & df & Chr(13) & Chr(10) & 基圆直径db= & db & Chr(13) & Chr(10) _& 齿厚s= & s & Chr(13) & Chr(10)ElseMsgBox 请重新输入参数, 16, 错误Text1.Text = Text2.Text = Text3.Text = Text4.Text = Text5.Text = Text7.Text = Text12.Text = Text13.Text = Text1.SetFocusEnd IfEnd SubPrivate Sub Command4_Click()Text1.Text = Text2.Text = Text3.Text = Text4.Text = Text5.Text = Text6.Text = Text7.Text = Text12.Text = Text13.Text = Text1.SetFocusEnd SubPrivate Sub Command6_Click()EndEnd Sub图9-1校核程序运行图结 论减速器的设计是一个较为复杂的过程，期间设计计算、绘制工程图、编制工艺等等，都是较为繁琐的事情。但随着科学技术的发展这些过程都变的简单化。为了适应现代市场的需求，就必须运用计算机辅助设计技术解决过去计算繁琐，绘图工作量大及工作效率低，更新速度慢的问题。正是基于此，在本毕业设计中，运用了强大的三维造型软件Pro-E造型，它图形界面友好，直观，在绘图过程中易变换，修改错误，方便用户及时调整，提高了效率，并能生成二维图纸，主要计算也通过编写程序来上机完成，让我们省去了不少繁琐的计算过程。主要零件的工艺设计在计算机辅助设计的条件下也显得一目了然。但这都要建立在我们熟练掌握这些软件的运用的基础上。本人对于Pro-E软件的运用只是刚入门，所以设计二维图纸主要通过CAD完成，三维造型还有很多不足之处。希望自己在今后的学习工作中来弥补自身的不足之处。通过本设计我对各种减速器的结构和设计步骤有了一个大概的了解，对以前所学的专业知识作了一个很好的总结，设计中尚有很多不合理和不理解的地方，以待在今后的学习工作中来弥补。致 谢 感谢学校和系里为我们学生提供了优越的学习环境和学习条件，使我们能够顺利的完成毕业设计的任务。经过三个多月的学习工作，我顺利的完成了学校所布置的毕业设计任务。在这我要特别感谢我的指导老师老师，正是他的严格要求和悉心指导才使我完成了二级圆锥齿轮减速器的设计。通过毕业设计我把以前没学好的知识再次进行了学习，使我的机械设计理论和实践知识得到了丰富。这些都是与老师严谨的风格是分不开的。他有很多工作要做，平时还要给学生上课，但对我们的毕业设计从没放松过，他总是尽量挤出时间来帮我们解决问题，并让我们积极参与探讨，调动我们的学习热情，这些都是值得我们倾佩的。同时我要感谢和我同组的同学，他们在我设计中也给了我很多宝贵的意见 。以及监督我们签到和帮助我们在机房用机、打印图纸的老师们。我要对所有帮助过我的老师我同学说一声感谢，你们都辛苦了！参考文献1 吴彦农，康志军.Solidworks2003实践教程.淮阴：淮阴工学院，20032 孙江宏，段大高.中文版Pro/Engineer2001入门与实例应用.北京：中国铁道出版社，20033 叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册（上册）.北京：机械工业出版社，20014 徐锦康.机械设计.北京：机械工业出版社，20015 成大先.机械设计手册（第四版 第四卷）.北京：化学工业出版社，20026 葛常清.机械制图（第二版）.北京：中国建材工业出版社，20007 谭浩强.C程序设计（第二版）.北京：清华大学出版社，20008 谭浩强.C程序设计题解与上机指导（第二版）.北京：清华大学出版社，20009 刘鸿之.材料力学（第三版 上、下册）.北京：高等教育出版社，200110 吕广庶，张远明.工程材料及成型技术.北京：高等教育出版社，200111 曾正明.机械工程材料手册.北京：机械工业出版社，200312 周昌治，杨忠鉴，赵之渊，陈广凌.机械制造工艺学.重庆：重庆大学出版社，199913 张耀宸.机械加工工艺设计手册.北京：航空出版社，198914 许高燕.机械设计手册及课程设计.中国地质大学出版社，198915 彭万波，张云静，张然.Pro/Engineer2001实例精解.北京：清华大学出版社，200216 张展.减速器设计选用手册.上海：上海科学技术出版社，附录：图1.减速器整体造型图2.减速器内部结构图3.直齿轮图4.圆锥齿轮图5.上箱体图6.下箱体