课程设计同轴式圆柱齿轮减速器设计

课程设计说明书 1 一、 机械设计课程设计任务书 1. 设计题目 设计用于带式运输机上的同轴式圆柱齿轮减速器。其传动简图如下： 1 电动机 2 V 带传动 3 减速器 4 联轴器 5 卷筒 6 运输带 2. 已知数据 运输机工作轴转矩 T=1000 ( ) 运输带工作速度 V= ( 卷筒直径 D=400 (卷筒效率 96.0w（包括卷筒与轴承的功率损失） 工作年限 10 年， 每日工作 2 班 运输带速度允许误差为 5 3. 工作条件： 连续单向运转，有轻微振动，灰尘较多，小批量生产。 4. 设计工作量 1 减速器装配图一张 2 零件工作图 13 张 3 设计计算说明书一份 指导教师 原始数据 运输机卷筒扭矩（ Nm） 运输带速度（ m/s） 卷筒直径（ 带速允许偏差（ %） 使用年限（年） 工作制度（班 /日） 1000 00 5 10 2 X 123456、 传动方案的拟定及说明 X 123456动方案采用 V 带加同轴式二级圆柱齿轮减速箱，采用 转速 : m i n/rD vn w 三、 电动机的选择 1. 电动机类型选择 按工作要求和工作条件，选用一般用途的（ 列三相异步电动机。它为卧式封闭结构。 2. 电动机容量 (1) 卷筒轴的输出功率w 0002100021000 (2) 电动机的输出功率dP 传动装置的总效率5423321 式中， 21, n分别为带传动，轴承，齿轮传动，联轴器和卷筒的传动效率。由机械设计课程设计手册（第 3 版）（以下未作说明皆为此书中查得）表 1V 带传动 ；轴承 ；圆柱齿轮传动 ；弹性联轴器 ；卷筒 ，则 8 6 7 3 3 故 3 3 7 (3) 电动机额定功率2取电动机额定功率 3. 电动机的转速 由表 1 查得 V 带传动常用传动比范围 421 i，二级圆柱齿轮传动比范围4082 i ，则电动机转速可选范围为 m 3 5 0535* 21 可见同步转速为 1000r/1500r/ 3000r/电动机均符合。 如下表： 方案 电动机型号 额定功率（ 电动机转速（ r/ 堵转转矩 最大转矩 电动机质量（ 同步 满载 额定转矩 额定转矩 1 000 2900 4 2 500 1440 8 3 000 960 4 由表中数据可知两个方案均可行，但方案 2 的电动机质量较小，价低适中，转速合适。因此，可采用方案 2，选定电动机型号为 4. 电动机的技术数据和外形、安装尺寸 由表 12出 电动机的主要技术数据和外形、安装尺寸，并列表记录备份。 型号 额定功率 (同步转速 (r/满载转速 (r/堵转转矩额定转矩 最大转矩额定转矩 500 1440 D E G K L F 量（ 132 38 80 33 12 475 10 43 68 四、 计算传动装置总传动比和分配各级传动比 1. 传动装置总传动比 2. 分配各级传动比 取 V 带传动的传动比 31i ，则两级圆柱齿轮减速器的传动比为 4 3 5 4 2 所得32 符合一般圆柱齿轮传动和两级圆柱齿轮减速器传动比的常用范围。 五、 计算传动装置的运动和动力参数 1. 各轴转速 电动机轴为 0 轴，减速器高速轴为轴，中速轴为轴，低速轴为轴，各轴转速为 m 6m 67 8 0m 8 031 4 4 0m 4 4 032211005%=足设计要求 2. 各轴输入功率 按电动机额定功率 321003. 各轴转矩 000电动机轴 高速轴 中速轴 低速轴 转速（ r/ 1440 480 功率（ 矩（ ） 、 传动件的设计计算 1. V 带传动设计计算 （ 1） 确定计算功率 由于是带式输送机，每天工作两班，查机械设计（ V 带设计部分未作说明皆查此书）表 8， 工作情况系数 （ 2） 选择 V 带的带型 由 0用 A 型 （ 3） 确定带轮的基准直径v 初选小带轮的基准直径1表 8表 8小带轮的基准直径 d 1251 验算带速 v。按式 (8算带的速度 d /440125100060 01 30/5 因为 ,故带速合适。 计算大带轮的基准直径。根据式 (8计算大带轮基准直径2 7 51 2 53112 根据表 8整为 552 （ 4） 确定 V 带的中心距 a 和基准长度根据式 (8初定中心距 000 。 由式 (8算带所需的基准长度 25355()355125(250024)()(224)()(222021221002122100由表 8带的基准长度 8006 按式 (8算实际中心距 a。 0 中心距变化范围为 （ 5） 验算小带轮上的包角1 90154509 . 25355(180a 180 121 dd （ 6） 确定带的根数 计算单根 V 带的额定功率 由 251 和 4400 ，查表 8 根据 4400 ， i=3 和 A 型带，查表 8 1541 于是得，表得查表 r 9 5 3 00 ）（ 计算 V 带的根数 z。 3 根。 （ 7） 计算单根 A 型带的单位长度质量 q=m，所以 00)00)(22m i 应使带的实际初拉力( （ 8） 计算压轴力p 12212154s i i n)(2)( 1m i i n 2. 斜齿轮传动设计计算 7 按低速级齿轮设计：小齿轮转矩 ，小齿轮转速m ，传动比 （ 1） 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 选用斜齿圆柱齿轮 运输机为一般工作机器，速度不高，故选 7 级精度（ 由机械设计（斜齿轮设计部分未作说明皆查此书）表 10择小齿轮材料为 40质），硬度为 280齿轮材料为 45 钢（调质），硬度为 240者硬度差为40 选小齿轮齿数 241 z ：大齿轮齿数 初选取螺旋角 14 （ 2） 按齿面接触强度设计 按式 (10算，即 3 211 )(12 确定公式内各计算数值 a) 试选载荷系数 6.1由图 10取区域系数 Z c) 由图 10得 ， d) 小齿轮传递的传矩 e) 由表 10取齿宽系数 1由表 10得材料弹性影响系数 g) 由图 10齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 001 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 502 h) 由式 10算应力循环次数： 88112811101 7 1 04 3 03 6 582( 66060由图 10得接触疲劳寿命系数 1 K 8 b) 计算接触疲劳许用应力： 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式 (10 i i c) 许用接触应力 M P 3m 计算 a) 试算小齿轮分度圆直径计算公式得 t b) 计算圆周速度 t 1 c) 齿宽 b 及模数 o o d) 计算纵向重合度a a e) 计算载荷系数 K 由表 10得使用系数 1根据 ， 7 级精度，由图 10得动载系数04.1由表 10得 值与直齿轮的相同，故 3181.因2/ 100 表 10 K ；图 10得 故载荷系数： f) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式 (10 9 311 g) 计算模数n 4c o o （ 1） 按齿根弯曲强度设计 由式 (103 2121co 确定计算参数 a) 计算载荷系数 9 6 b) 根据纵向重合度 ，从图 10得螺旋角影响系数 计算当量齿数 o o o o 查取齿形系数 由表 10得 1 8 9 查取应力校正系数 由表 10得 7 8 9 计算弯曲疲劳许用应力 由图 10得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 001 ；大齿轮的弯曲疲劳强度极限 802 由图 10得弯曲疲劳寿命系数 =式 (10 10 g) 计算大、小齿轮的 并加以比较 0 1 5 2 9. 大齿轮的数值大 设计计算 o 对比计算的结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 ，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径 来计算应有的齿数。于是由 4co 取 311 z ，则 1 1 8247 8 （ 2） 几何尺寸计算 计算中心距 n 11831co 1 将中心距圆整为 230 按圆整后的中心距修正螺旋角 1439132302 3)11831(a r c c o r c c o s 21 a n 因 值改变不多， 故参数, 等不必修正 计算大、小齿轮的分度圆直径 43913c o o 43913c o o 计算齿轮宽度 11 d 圆整后取 0 0,1 0 521 由于是同轴式二级齿轮减速器，因此两对齿轮取成完全一样，这样保证了中心距完全相等的要求，且根据低速级传动计算得出的齿轮接触疲劳强度以及弯曲疲劳强度一定能满足高速级齿轮传动的要求。 为了使中间轴上大小齿轮的轴向力能够相互抵消一部分，故高速级小齿轮采用左旋，大齿轮采用右旋，低速级小齿轮右旋大齿轮左旋。 高速级 低速级 小齿轮 大齿轮 小齿轮 大齿轮 传动比 数 (3 螺旋角 13 39 14 中心距 (230 齿数 31 118 31 118 齿宽 (105 100 105 100 直径(分度圆 d 向 左旋 右旋 右旋 左旋 七、轴的设计计算 1. 高速轴的设计 (1) 高速轴上的功率、转速和转矩 转速 （ r ） 高速轴功率（ 转矩 T（ ） 480 2) 作用在轴上的力 已知高速级齿轮的分度圆直径为 d =93，根据 机械设计（轴的设计计算部分未作说明皆查此书）式 (10 则 43913t a a 43913c o a o st a 12 43913c o o s o sc o (3) 初步确定轴的最小直径 先按式 (15步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，调质处理。根据表 15 1120 A,于是得 2 330m i n (4) 轴的结构设计 1） 拟订轴上零件的装配方案（如图） 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足 V 带轮的轴向定位， -轴段右端需制出一轴肩，故取 -段的直径 d - =32V 带轮与轴配合的长度 0了保证轴端档圈只压在 V 带轮上而不压在轴的端面上，故 -段的长度应比 短一些，现取 L - =75 初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据 d - =32轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30307，其尺寸为 d D T=3580 d - =d - =35 L - =21+21=42L - =10 右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得 30308 型轴承的定位轴肩高度h=此，套筒左端高度为 d - =44 取安装齿轮的轴段 - 的直径 d - =40 L - =103轮的左端与左端轴承之间采用套筒定位。 轴承端盖的总宽度为 36减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆，取端盖的外端面与 V 带轮右端面间的距离 L=24取 L - =60 至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。 3）轴上零件的轴向定位 V 带轮与轴的周向定位选用平键 10863V 带轮与轴的配合为 H7/轮与轴的周向定位选用平键 12870了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选齿轮轮毂与轴的配合为 H7/动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为 4）确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表 15轴端倒角 各圆角半径见图 13 轴段编号 长度（ 直径（ 配合说明 - 75 30 与 V 带轮键联接配合 - 60 32 定位轴肩 - 42 35 与滚动轴承 30307 配合，套筒定位 - 103 40 与小齿轮键联接配合 - 10 44 定位轴环 - 23 35 与滚动轴承 30307 配合 总长度 313 1） 求轴上的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取 a 值。对于 30307 型圆锥滚子轴承，由手册中查得 a=18此，轴的支撑跨距为 18 3=42 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面 C 是轴的危险截面。先计算出截面 C 处的 的值列于下表。 14 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力F H ，H V ，V C 截面弯矩 M 7 4 732 6 8 5 8 32 总弯矩 222m a x 扭矩 105050 （ 3） 按弯扭合成应力校核轴的强度 根据式 (15上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取 ，轴的计算应力 M p aM p 32222 已选定轴的材料为 45质处理。由表 15得 70 1- 。因此 1 ，故安全。 2. 中速轴的设计 (1) 中速轴上的功率、转速和转矩 转速 （ r ） 中速轴功率（ 转矩 T（ ） 2) 作用在轴上的力 已知高速级齿轮的分度圆直径为 ，根据 式 (10 则 a 143913c o o st a 已知低速级齿轮的分度圆直径为 ，根据 式 (10 则 a 143913c o o st a (3) 初步确定轴的最小直径 先按式 (15步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，调质处理。根据表 155 取 1120 A,于是得 30m i n (4) 轴的结构设计 1）拟订轴上零件的装配方案（如图） 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据 d - =d - =45轴承产品目录中初步选取标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30309，其尺寸为 d D T=45100 L - =L- =27+20=47 两端滚动轴承采用套筒进行轴向定位。由手册上查得 30309 型轴承的定位轴肩高度h=此，左边套筒左侧和右边套筒右侧的高度为 取安装大齿轮出的轴段 -的直径 d - =50轮的左端与左端轴承之间采用套筒定位。 L - =98 为了使大齿轮轴向定位，取 d - =55由于考虑到与高、低速轴的配合，取 L- =90 至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。 3）轴上零件的轴向定位 大小齿轮与轴的周向定位都选用平键 14970了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选齿轮轮毂与轴的配合为 H7/动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为 4）确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表 15轴端倒角 各圆角半径见图 轴段编号 长度（ 直径（ 配合说明 - 49 45 与滚动轴承 30309 配合，套筒定位 - 98 50 与大齿轮键联接配合 - 90 55 定位轴环 - 103 50 与小齿轮键联接配合 - 45 45 与滚动轴承 30309 配合 总长度 385 16 （ 5） 求轴上的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取 a 值。对于 30309 型圆锥滚子轴承，由手册中查得 a=21此，轴的支撑跨距为 6 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面 C 是轴的危险截面。先计算出截面 C 处的 的值列于下表。 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力F H H V V C 截面弯矩 M 0 0 2 332 9 6 8 6 232总弯矩 479165189686440023 2222m a 390120 （ 6） 按弯扭合成应力校核轴的强度 根据式 (15上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取 ，轴的计算17 应力 M p aM p 32222 已选定轴的材料为 45质处理。由表 15得 701- 。因此 1 ，故安全。 3. 低速轴的设计 (1) 低速轴上的功率、转速和转矩 转速 （ r ） 低速轴功率（ 转矩 T（ ） 2) 作用在轴上的力 已知低速级齿轮的分度圆直径为 ，根据 式 (10 则 a 143913c o o st a (3) 初步确定轴的最小直径 先按式 (15步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢，调质处理。根据表 15 1120 A，于是得 1 30m i n (4) 轴的结构设计 1） 拟订轴上零件的装配方案（如图） 1） 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足半联轴器的轴向定位， -轴段左端需制出一轴肩，故取 -段的直径 d - =64联轴器与轴配合的毂孔长度 07了保证轴端档圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故 -段的长度应比 短一些，现取 L - =105 初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴 18 承。参照工作要求并根据 d - =65轴承产品目录中初步选取标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30314，其尺寸为 d D T=7015038 d - =d - =70 L - =38L - =38+20=58 左端滚动轴承采用轴环进行轴向定位。由表 15得 30314 型轴承的定位高度 h=6此，取得 d - =82端轴承采用套筒进行轴向定位，同理可得套筒右端高度为6 取安装齿轮出的轴段 -的直径 d - =75轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为 100了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 l - =98 轴承端盖的总宽度为 30减速器及 轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆，取端盖的外端面与联轴器左端面间的距离 L=30取 L - =60 至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。 2） 轴上零件的轴向定位 半联轴器与轴的联接，选用平键为 181180联轴器与轴的配合为 H7/轮与轴的联接，选用平键为 201280了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选齿轮轮毂与轴的配合为 H7/ 3） 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表 15轴端倒角 各圆角半径见 图 轴段编号 长度（ 直径（ 配合说明 - 38 70 与滚动轴承 30314 配合 - 10 82 轴环 - 98 75 与大齿轮以键联接配合，套筒定位 - 58 70 与滚动轴承 30314 配合 - 60 68 与端盖配合，做联轴器的轴向定位 - 105 63 与联轴器键联接配合 总长度 3699 （ 5） 求轴上的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取 a 值。对于 30314 型圆锥滚子轴承，由手册中查得 a=31此，轴的支撑跨距为 4 2756721 根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面 B 是轴的危险截面。先计算出截面 B 处的 的值列于下表。 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力F H H V V B 截面弯矩 M 1 2 3 311 5 0 5 3 22 总弯矩 300 214105 053281 233 2222m a 1370920 20 （ 6） 按弯扭合成应力校核轴的强度 根据式 (15上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取 ，轴的计算应力 M p aM p 32222 已选定轴的材料为 45质处理。由表 15得 701- 。因此 1 ，故安全。 （ 7） 精确校核轴的疲劳强度 1） 判断危险截面 截面只受扭矩作用，虽然键槽，轴肩及过渡配合引起的应力集中将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕确定的，所以截面无需校核。 从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面和处 过盈配合引起应力集中最严重；从受载情况来看，截面 B 上的应力最大。 截面的应力集中影响和截面的相近，但截面不受扭矩作用，同时轴径也较大，故不必做强度校核。截面 B 上虽然应力最大，但应力集中不大（过盈配合及键槽引起的应力集中均在两端），而这里轴的直径也大，故截面 B 不必校核。截 面显然更不必校核。由机械设计第三章附录可知，键槽的应力集中系数比过盈配合的小，因而该轴只需校核截面左右两侧。 2） 截面 左侧 抗弯截面系数 3333 抗扭截面系数 3333 8 4 3 7 截面 左侧的弯矩为 1 0 80 7 775 48753 0 02 1 4 截面 上的扭矩为 1447600 截面上的弯曲应力 M P 18 71 0 80 7 7 截面上的扭转切应力 M P T 3 7 51 4 4 7 6 0 0 轴的材料为 45质处理。由表 15得 2 0 0 M P a,3 5 5 M P a,7 3 5 M P a 11b 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数按附表 3 经插值后可查得 又由附图 3得轴的材料的敏性系数为 21 故有效应力集中系数为 qk 由附图 3尺寸系数 由附图 3扭转尺寸系数 轴按磨削加工，附图 3表面质量系数为 轴未经表面强化处理，即 q=1，则得综合系数值为 3 3得碳钢的特性系数 , 取 ； , 取 ； 于是，计算安全系数式 (15 (15得 5 51 222 SS 故可知其安全。 3） 截面 右侧 抗弯截面系数 3333 3 4 3 0 抗扭截面系数 3333 6 8 6 0 截面 右侧的弯矩为 1 0 80 7 775 48754 4 84 2 3 截面 上的扭矩为 1447600 22 截面上的弯曲应力 M P 截面上的扭转切应力 T 6 0 01 4 4 7 6 0 0 轴的材料为 45质处理。由表 15得 2 0 0 M P a,3 5 5 M P a,7 3 5 M P a 11b 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数按附表 3 经插值后可查得 又由附图 3得轴的材料的敏性系数为 故有效应力集中系数为 qk 由附图 3尺寸系数 由附图 3扭转尺寸系数 轴按磨削加工，附图 3表面质量系数为 轴未经表面强化处理，即 q=1，则得综合系数值为 3 3得碳钢的特性系数 , 取 ； , 取 ； 于是，计算安全系数式 (15 (15得 551 23 222 SS 故可知其安全。 八、滚动轴承的选择及计算 轴承预期寿命 1. 高速轴的轴承 选用 30307 型圆锥滚子轴承，查课程设计表 15 531511 ， r a a e （ 1） 求两轴承所受到的径向载荷 1 2由高速轴的校核过程中可知： H ， H V ， V 221211 222222 （ 2） 求两轴承的计算轴向力1械设计表 13 Nc t t 6 9 5 221因为 以 12 7 3 24 （ 3） 求轴承当量动载荷1 5 2 7 311 6 2 022由机械设计表 13载荷系数 1.1Nc t 111 4 6 （ 4） 验算轴承寿命 因为 21 ，所以按轴承 1 的受力大小验算 9 1 060 106010 531066 故所选轴承满足寿命要求。 2. 中速轴的轴承 选用 30309 型圆锥滚子轴承，查课程设计表 15 017512 ， r 102 a a e （ 1） 求两轴承所受到的径向载荷 1 2由中速轴的校核过程中可知： H ， H V ， V 221211 222222 （ 2） 求两轴承的计算轴向力1机械设计表 13 Nc t t 因为 8 6 712 所以 12 3 6 （ 3） 求轴承当量动载荷 1P 和 2P 械设计表 13载荷系数 1.1Nc t 111 7 3 （ 4） 验算轴承寿命 因为 21 ，所以按轴承 1 的受力大小验算 06010 531066 故所选轴承满足寿命要求。 九、键联接的选择及校核计算 由机械设计式 (6得 ak 3102 键、轴和轮毂的材料都是钢，由机械设计表 6 1026 （ 1） V 带轮处的键 取普通平键 10 63的工作长度 31063 键与轮毂键槽的接触高度 M P ak l dT 1 00 3 52102 33 （ 2） 高速轴上小齿轮处的键 取普通平键 12 70的工作长度 81270 键与轮毂键槽的接触高度 M P ak l dT 1 52102 33 （ 3） 中速轴上大齿轮处的键 取普通平键 14 70的工作长度 61470 键与轮毂键槽的接触高度 M P ak l dT 1 02102 33 （ 4） 中速轴上小齿轮处的键 取普通平键 14 70的工作长度 61470 键与轮毂键槽的接触高度 M P ak l dT 1 02102 33 （ 5） 低速轴上大齿轮处的键 取普通平键 20 80的工作长度 02080 键与轮毂键槽的接触高度 l dT 1 775606 4 72102 33 （ 6） 联轴器周向定位的键 取普通平键 18 80的工作长度 21880 键与轮毂键槽的接触高度 l dT 1 4 72102 33 联接挤压强度不够，而且相差甚远，因此考虑采用双键，相隔 180布置。 则该双键的工作长度为 27 M P ak l dT 1 4 72102 33