带式运输机及二级圆柱齿轮减速器的设计

武汉生物工程学院 毕业论文 (设计 ) 题 目 名 称 二级直齿圆柱齿轮减速器设计 题 目 类 别 毕业设计 系 别 机电工程系 专 业 班 级 机械设计制造及其自动化 08 级 05 班 学 生 姓 名 张 珑 指 导 教 师 阮中尉 辅 导 教 师 阮中尉 1 绪论 .设计的目的及意义 . 2 减速器的发展状况 . 3 减速器的发展趋势 . 传动方案的拟定 .动机的选择。 .动比的分配。 .动系统的运动和动力参数计算： . 齿轮的设计 .速级斜齿圆柱齿轮传动的设计计算 .核齿根弯曲疲劳强度 . 10 4 低速级直齿圆柱齿轮传动 . 11 5 轴的设计算 .速轴（ 1 轴）的设计 . 间轴（ 2 轴）的设计 .速轴（ 3 轴）的设计 . 20 6 滚动轴承的选择 . 22 7 键联结和联轴器的选择 . 24 8 箱体上个部分尺寸计算 . 26 9 参考文献 . 28 10 设计小结 . 28 1 绪论 随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对产品的需求是多样化的，这就决定了未来的生产方式趋向多品种、小批量。在各行各业中十分广泛地使用着齿轮减速器，它是一种不可缺少的机械传动装置 . 它是机械设备的重要组成部分和核心部件。目前，国内各类通用减速器的标准系列已达数百个，基本可满足各行业对通用减速器的需求。国内减速器行业重点骨干企业的产品品种、规格及参数覆盖范围近几年都在不断扩展，产品质量已达到国外先进工业国家同类产品水平，承担起为国民经济各行业提供传动装置配套的重任，部分产品还出口至欧美及东南亚地区，推动了中国装配制造业发展 设计的目的及意义 齿轮传动在机器中是用以协调原动机与工作机之间的矛盾，是改变机器的转速，扭矩的重要环节，具有实用可靠，传动效率很高等优点，是机械传动中最重要的，也是应用最广泛的一种机械传动形式。齿轮技术在一定程度上标志着机械工程技术的水平 ， 具有体积小、质量轻、传动效率高、加工成本相对较低、性价比较高等优点，对 圆柱齿轮 减速 机 进行性能分析，有利于提高减速 机 的工作性能和设计水平，充分发挥 这 种应用前景十分广阔和很有研究价值的减速器。而目前对该减速 机 的分析研究工 作较的优越性，对其进行结构参数的优化和推广使用具有重要的理论和实际意义。 1 2 减速器的发展状况 国内的现状和发展趋势 国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量 比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上 还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国内使用 的大型减速器（ 500上），多从国外进口，花去不少的外汇。 60 年代开 始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大，体 积小、机械 效率高等优点。但受其传动的理论的限制，不能传递过大的功率， 功率一般都要小于 40于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面 没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量 轻、机械效率高等这些基本要求。 90 年代初期，国内出现的三环（齿轮） 减 速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷 的能力也大。它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单，效率亦高 。 国内有少数高等学校和厂矿企业对平动齿轮传动中的某些原理做些研究工 作，一些研究论文，在利用 摆线齿轮作平动减速器开展了一些工 作 。 1 3 减速器的发展趋势 当前减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低 的问题。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材 料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其 传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。最近 报导，日本住友重工研制的 高精度减速器，美国 司研制的 传动原理和结构上与本项目类似或相近，都 为目前先进的齿轮减速器。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小 体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。因此，除了不断改进材 料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新， 平动齿轮传动原理的出现就是一例。减速器与电动机的连体结构，也是 大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。目前， 超小型的减速器的研究成 果尚不明显。在医疗、生物工程、机器人等领 域中，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机 的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速器，则应用前景远大。 究内容 （ 1） 查阅相关资料，明确设计任务和要求，了解减速器的设计要求，在此 基础上进行总体方案的论证与设计。撰写开题报告。 （ 2）制定减速器的工作要求，并按照工作环境进行工艺设计。 （ 3）根据其中一个齿轮，进行齿轮和轴承的配合设计。 （ 4）对齿轮和的选择进行强度校核计 算，对轴承的强度校核进行计算。 （ 5）进行该减速器的工艺结构设计，并对主要零件进行结构设计。 （ 6）绘制该减速器的装配图和主要零件图。 （ 7）翻译指定外文文献资料。 （ 8）编写设计说明书。 2 传动方案的拟定 1 原始数据 （ 1）运输带工作拉力 F=4 2）运输带工作速度 V=s (3)输送带滚筒直径 D=450 4）传动效率 工作条件 两班制工作，空载起动，载荷平稳，常温下连续（单向） 运转，工作环境 多尘，中小批量 生 产，使用期限 10 年，年工作 300 天。 设计要求： 1、完成设计说明书一份，约 8000 字。 2、完成带式传输装置总体设计及减速器部装图、零件图。 3、完成减速器所有零件图及装配。 带式输送机由电动机驱动，电动机 1 通过联轴器 2 将动力传入减速器 3， 在经联轴器 4 传至输送机滚筒 5，带动输送带 6 工作。传动系统中采用两 级展开式圆柱齿轮减速器，其结构简单，但齿轮 相对于轴承位置不对称， 因 此要求轴有较大的刚度，高速级和低速级分别为斜齿圆柱齿轮和直齿圆柱 齿轮传动。 动机的选择。 按设计要求及工作条件选用 Y 系列三相异步电动机卧式封闭结构 380V。 （ 1）电动机容量的选择。 根据已知条件由计算得知工作所需有效功率。 工作机所需功率 ; 传动装置总体效率 弹性联轴器效率 滚动轴承效率 闭式齿轮传动 效率 卷筒效率 算得传动系 统总效率 工作机所需电动机功率 =4000 000 文献 1表 20列 Y 系列三相异步电动机技术数据可以确定，满足 0常二级圆柱齿轮减速器传动比取 =8 40 应取 10 （ 2）电动机转速选择 根据已知条件由计算得知输 送机滚筒的工作转速 0 1000v/450=60000 450=常二级圆柱齿轮减速器传动比取 i=8 40 N=8 文献 1表 20步选同步转速为 1500 和 3000 的电机，对应于额 定功率为 电动机号分别取 、 和 三种。将三种电动机有关技术数据及相应算得的总传动比 列于下表： 方案号 电动机型号 额定功率（ 同步转速（ r/ 满载转速（ r/ 总传动比 电动机质量/ 0 3000 2900 4 二 0 1500 1440 8 三 0 1000 960 i 85 通过对这三种方案比较：一 电机重量轻，但传动比大，传动装置外轮 廓尺寸 大，结构不紧凑；二与三比较，综合考虑电动机和传动装置尺寸， 质量，价格及传动比，可以看出，如果传动装置结构紧凑，选用三方案 最好即： 列 动比的分配。 带式输送机传动系统总传动比 I=nm/60/以两级圆柱齿轮减速器的总传动比 =了便于两级圆柱齿轮减速器采用侵油润滑，当两级齿轮的配对材料相 同 ，齿面硬度 50,齿宽系数相等时。考虑面接触强度接近相等的条 件，取两级圆柱齿轮减速器的高速级传动比 :=速级传动比为 动系统各传动比分别为： 动系统的运动和动力参数计算： 传动系统各轴的转速，功率和转矩计算。 1 轴（减速器高速轴）： =1=9550 60=n m 2 轴（减速器中间轴） n2=n1/60/2=9550 M 3 轴（减速器低速轴） n3=n2/3=9550 M 4 轴（输送机滚筒轴） n4=n3/=4=9550 31N M (1轴输出功率和输出转矩 2=3=2=3=上述计算结果和传动比及传动效率汇总如下表 1 轴名 输入 （ 输出 （ 输入 （ 输出 （ 转速 r/动比 i 效率 1 60 1 31 于所设计的减速器中两级齿轮传动 3 齿轮的设计 按软齿面闭式齿轮传动设计计算路线，分别进行高速级斜齿圆柱齿轮传动 的设计计算和低速级直齿圆柱齿轮传动的设计计算。 速级斜齿圆柱齿轮传动的设计计算 (1)选择材料及热处理，精度等级，齿数 2齿宽系数 d，并初选螺旋 角 考虑减速器要求结果紧凑故大小齿轮均用 40质 处理后表面淬火， 因载荷较平稳，齿轮速度不是很高，故初选 7 级精度，齿数面宜多取，选 小齿轮齿数 4, 大齿轮齿数 24=96, 按软齿面齿轮非对 称安装查文献 2表 取齿宽系数 d=实际传动比 6/24=4,误差（ （ 5%， 在设计给定的 5%范围内可用。 (1)确定 公式中各式参数； 1）载荷系数 试选 2）小齿轮传递的转矩 1000000 60=M 3）材料系数 查文献 2表 4）大，小齿轮的接触疲劳极限 按齿面硬度查文献 2图 5）应力循环次数 1/U=69120000 6)接触疲劳寿命系数 查文献 2图 7）确定许用接触应力 取安全系数 (2)设计计算 1）试计算小齿轮分度圆直径 ）计算圆周速度 v 3）计算载荷系数 k 文献 2表 使用系数 根据 v=m/s 按 7 级精度查 文献 2图 动载系数 图 (3)计算齿轮传动的几何尺寸； 1）计算模数 m m=d1/4标准取模数 m=2）两轮分度圆直径 d1=24=60d2=90=225）中心距 a a=m(z1+2=(24+90)/2=）齿宽 b b=60=60 b1=55mm 0）齿全高 h h= 核齿根弯曲疲劳强度 由文献 2式（ (1)确定公式中各参数值 ; 1)大小齿轮的弯曲疲劳强度极限 查文献 2图 40 60 2)弯曲疲劳寿命系数 查文献 2图 3)许用弯曲应力 取定弯曲疲劳安全系数 ,应力修正系数 应力修正系数 齿轮的数值大，应按小齿轮校核齿根弯曲疲劳强度 (2)校核计算 所以 弯曲疲劳强度足够 . 4 低速级直齿圆柱齿轮传动 择齿轮材料及热处理方法 选择 45 钢调质处理，齿面硬度分别为 220280软 齿闭 式传动，载荷平稳齿轮速度不高，初选 7 级精度，小齿轮齿数 30，大 齿轮齿数 30=87，按软齿面齿轮非对称安装查文献 2 表 齿宽系 d=实 际传动比 87/30=误差 ( 5%，在设计给定的 5% 范围内可用 齿面接触疲劳强度设计 (4)确定公式中各式参数； 7）载 荷系数 选 ）小齿轮传递的转矩 1000000 ）材料系数 文献 2表 10）大，小齿轮的接触疲劳极限 按齿面硬度查文献 2图 11）应力循环次数 12）接触疲劳寿命系数 查文献 2图 13）确定许用接触应力 (5)设计计算 5）试计算小齿轮分度圆直径 6）计算圆周速度 v V=0 1000=s 7）计算载荷系数 k 查文献 2表 使用系数 1 根据 v=s 7 级精度查文 献 2图 动载系数 图 K = k= KA k v k 1=）校正分 度圆直径 6)计算齿轮传动的几何尺寸； 6）计算模数 m m=d1/0=标准取模数 m=）两轮分度圆直径 d1=30=75mm d2=80=200）中心距 a a=m(z1+2=(30+80)/2=）齿宽 b b= 75=75mm b1=5mm 0mm 50）齿全高 h h 核齿根弯曲疲劳强度 由文献 2式（ (4)确定公式中各参数值 ; 6)大小齿轮的弯曲疲劳强度极限 查文献 2图 并加以比较取其中最大值代入公式计算 小齿轮的数值大，应按小齿轮校核齿根弯曲疲劳强度 (5)校核计算 所以 弯曲疲劳强度足够。 5 轴的设计与计算 在完成了带式传输机传动系统运动及动力参数的计算和减速器两级 齿轮传动的设计计算之后，接下来可进行减速器轴的设计，滚动轴承的 选择，键的选择和联轴器的选择。 速轴（ 1 轴）的设计 （ 1）绘制轴的布置简图和初定跨距 轴的布置入图 4 17mm 0mm 5mm 0mm 5 考虑相邻齿轮设轴向不发生干涉，计入尺寸 s=10 齿轮与箱体内壁设轴向不发生干涉，计入尺寸 k=10为保证滚动轴承放入箱体轴承座孔内，计入尺寸 c=6m 初取轴承宽度分别为 mm n mm n mm n 2222203 2 1 3 根轴的支架跨度分别为 (c+k)+s+92(c+k)+s+89(c+k)+s+94（ 2）高速轴（ 1 轴）的设计 择轴的材料及热处理； 轴上齿轮的直径较小，（ 用齿轮轴结构，轴的材 料及热处理和齿轮的材料及热处理一致，选用 40 轴的受力分析 轴的受 力简图如图示； 图中 921 +c+k+=5141（ a）计算齿轮的啮合力， T1/*40299=t1*t1*（ b）求水平面内的支承反力，作水平面内的弯矩图； 轴在水平面内的受力简图，如图示： 轴在水平面内的弯矩图如上图示 （ c）求垂直面内的支承反力，作垂直面内的弯矩图 轴在垂直面内的受力简图，如图示 （ d）求截面 C 处弯矩 强度校核 45 号钢调质处理，由文献 2表 得 1 60 故，弯扭合成强度满足要求 轴的初步计算； 由文献 2中式（ 式（ 按文献 2中表 材料为 40质 b735 文献 2中表 用弯曲应力值 1 =60取折算系数 以上数值代入轴计算截面（ c 截面）直径计算公式 轴的结构设计， 按经验公式，减速器输入轴的轴端直径， 1.2)( 27 （ 参考联轴器标准轴孔直径， 取减速器高速轴的轴端直径 25据轴上零件的布置，安装和定位的需要，初定各轴段的直径及长度其 中轴颈，轴头结构尺寸与轴上相关零件的结构尺寸联系起来统筹考虑。 轴颈（轴上安装滚动轴承段）直径： 35 30 35 40 47 安装半联轴器处轴段直径：第一组 : 25 28 30 30 35 第二组： 30 32 35 38 40 第三组： 32 35 38 40 42 （注：因此轴段安装的半联轴器与电动机轴安装的半联轴器为同一型号 联轴器，故此轴段直径应在电动机轴直径所在同一组数据中选定。） 安装齿轮，联轴器处轴肩结构尺寸可参考文献 1表 5定。 （注：在安装联轴器处，当直径受到轴颈直径和联轴器轴径限制时，允 许按 d1=d+(2 取值；或此处不计算轴肩，可借助于套筒实现联轴器 的轴向定 位。） 间轴（ 2 轴）的设计 选择轴的材料及热处理， 选用 45 号钢调质， 轴的受力分析 轴的受力简图（略）图中 891 +c+k+=+c+k+=67（ a）计算齿轮的啮合力； T1/512N t1*t1*T2/（ b）求水平面内的支承反力，作水平面内的弯矩图 轴在水平面内的受力简图 (c）求垂直面内的支承反力，作垂直面内的弯矩图，轴在垂直面内的受 力简图（略）； （ d）求支承反力，作轴的合成弯矩图，转矩图； (轴向力 于支承轴的滚动轴承拟选用深沟球轴承，并采 用两端固定式组合方式，故轴向力作用在轴承 B 上） 按文献 1表 5减速器中间轴的危险截面直径 0据轴上零 件的布置，安装和定位的需要，初定各轴的直径及长度其中轴颈、轴头结构 尺寸应与轴上相关零件的结果尺寸。联系起来统筹考虑。 轴颈（轴上安装滚动轴承段）直径： 35 40 45 40 35 安装齿轮处轴段长度：轴段长度 =轮毂长度 2（注：减速器中间轴的结构见下图 速轴（ 3 轴）的设计 选择轴的材料及热处理， 选用 45 号钢调质 轴的受力分析 轴的受力简图所示 图中 943 +c+k+=（ a）计算齿轮的啮合力； T3/*13900/200=1399N t4/（ b）求水平面内的支承反力，作水平面内的弯矩图， 轴在水平面内的受力简图如图所示 （ c）求垂直面内的支承反力，作垂直面内的弯矩图； 轴在垂直面内的受力简图如图所示 （ d）求支承反力，作轴的合成弯矩图，转矩图； b=76000 T=1399*200/2=139900 (轴的合力弯矩图、转矩图略 ) 轴的初步计算； 由文献 2式（ 式（ 按文献 2中表 的材料为 45 号钢调质 b=640 按文献 2表 用弯曲应力值得 60 取折算系数 = 6 将以上数值代入轴计算截面（ c 截面）直径计算公式 ： 在此轴段开有一个键槽时，直径增大 4%，计算截面直径 d c 的最小直径 轴的结构设计； 按经验公式，减速器低速级从动轴的危险截面直径， 按文献 1表 5减速器低速轴的危险截面直径 0根据轴上零件的位置、安装和定位的需要，初定各轴段的直径及长度， 其中轴颈、轴头结构尺寸应与轴上相关零件的结构尺寸联系起来统筹 考虑。 轴颈（轴上安装滚动轴承段）直径： 40 45 50 55 50 45 :此轴段直径可根据结构需要按所列联轴器标准轴孔直径选定。 安装 齿轮处轴段长度：轴段长度 =轮毂长度 2 滚动轴承的选择 （ 1）高速轴（ 1 轴）上滚动轴承的选择； 按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固定 式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承预期寿命取为。 3800h 由前计算结果知：轴承所受径向力 向力 承 工作转 速 n=960 r/选滚动轴承 6207 276文献 3中表 18本额定负荷基 本额定静负荷 C r =25500N C 15200 N 因， 003 轴承满足要求 6207 轴承 d=35=17=72 Z=9 （ 2）中间轴（ 2 轴）上滚动轴承的选择； 按承载较大的滚动轴承选择其型号。因支承跨距不大，故采用两 端固定式轴 承组合式，轴承类型选为深沟球轴 承，轴承预期寿命 取为 L h 43800h 。 由前计算结果知：轴承所受径向力 向力 轴承工作转速 n=选滚动轴承 6207 276文献 3表 18本额定动 负荷 C r 25500N ，基本额定静负荷 C 15200N 。 6207 轴承 d=35=17=72 Z=9 （ 3）低速轴（ 3 轴）上滚动轴承的选择； 按承载较大的滚动轴承选择其型号，因支承跨距不大，故采用两端固 定式轴承组合方式。轴承类型选为深沟球轴承，轴承预期寿命取为 3800h。 由前计算结果知，轴承所受径向力 承工作转速 n=r/ 初选滚动轴承 6209 276文献 3表 18本额定动负 荷 2050N 按文献 2中表 击负荷系数 r*009 轴承 D=85=19mm d=45mm z=10 滚动轴承的选择应注意：高速轴（ 1 轴）上滚动轴承的 D 值中 间轴（ 2 轴） 上滚动轴承的 D 值，中间轴（ 2 轴）上滚动轴承的 D 值低速轴（ 3 轴）上滚动轴承的 D 值。 7 键联结和联轴器的选择 （ 1）高速轴（ 1 轴）上键和联轴器的选择； 由前计算结果知：高速轴 (1 轴）的工作转矩 T=作转速 n=960r/ 按文献 2中表 作情况系数取 取 计算转矩 m =m 选 弹性套柱销联轴 b=8mm h=7=52按文献 3中表 15选键 : 8 7 b=8mm h=7 =52按文献 2表 的许用挤压应力和许用剪应力分别取为 键的挤压强度和剪切强度满足要求。 （ 2）中间轴（ 2 轴）上键的选择； 由前计算结果知：中间轴（ 2 轴） 由 n=r/通 右边一个） 由 d=40, l=68 选 b h=12 8,b=12, l=8 35(5 10) =25 30l 按文献 3中表 15选键 b=12mm h=8003 1095/812 L=70mm l=16文献 2中表 的许用挤压应力和许用剪切应力分别取为 p 110 90 文献 4中式 7式 7别验算键的挤压强度和剪切强度 p=4000T/000 0 8 70= =2000T/000 0 12 70= 故键的挤压强度和剪切强度满足要求。 选 A 型普通平键（轴左边一个） 40 L2268 L 2270(5 10) 60 65文献 3中表 15选键 12810952003： b=12mm h=8=36且键的挤压强度和剪切强度满足要求（略）。 （ 3）低速轴（ 3 轴）上键联接和联轴器的选择； 由前计算结果知：低 速轴（ 3 轴）的工作转矩 m，工作转 n=r/ A 型普通平键 d 3138 80 80(5 10) 65 70文献 3中表 15选键 12810952003： b=12mm h=8=68按文献 2中表 的许用挤压应力和剪切应力分别取为 110 90 按文献 4中式 7 7别验算键的挤压强度和剪切强度， p=4000T/000 0 8 68= =2000T/000 0 12 68= 故键的挤压强度和剪切强度满足要求。 按文献 2表 作情况系数 A K 取 K 计算转矩 m= m 选 弹性套柱销联轴器， 按文献 3中表 17 轴器 43232002。许用转矩 T 710N m 许用转速 n 3000 r 因 T T,n n，故该联轴器满足要求。 选 A 型普通平键； 5L,32=112 4文献 3中表 15选键 : b=12mm h=8=80按文献 2表 的许用挤压应力和许用剪切应力分别取为。 按文献 4中式 7式 7别验算键的挤压强度和剪切强度 p=4000T/000 0 8 80= =2000T/000 0 12 80= 故键的挤压强度和剪切强度满足要求。 8 箱体上个部分尺寸计算 按文献 3表 算箱体的各部分尺寸， 通气器选用（ 2 型） 取 B/D=22=23mm,l=12a=2mm,mm,d=式油标 取 d=mm,6mm,mm,h=35mm,a=12mm,b=8mm,c=5=261=22视孔盖 取 M8,5782R=(5 10) A=100+5 A+2= B= 体宽 00 B+ D=28mm,e=s=21=27mm,h=15mm,b=3mm,=1mm,c=1=25=2油孔上的垫圈 取 1.5 d=20B/座吊钩 K=2=24H=h=2r=6b=20箱盖吊耳环 d =b=16R=d=16e=16 参考文献 1机械设计课程设计 机械工业出版社 2006. 2机械设计 高等教育出版社 2006 3机械原理 机械工业出版社 2007 4工程力学 高等教育出版社 2004. 5机械工程材料 机械工业出版社 2007. 6互换性与测量技术基础 机械工业出版社 2009. 7工 程制图 机械工业出版社 2007. 8机械制造技术 机械工业出版社 2008. 9计算机辅助设计组合机床主轴箱 2002. 10非标准设备设计 上海交通大学出版社 1999 10 设计小结 毕业设计是一个非常重要环节，它可以让我们进一步巩固和加深学生所学的理论知识，通过设计把机械设计及其他有关先修课程（如机械制图、理论力学、材料力学、工程材料等）中所获得的理论知识在设计实践中加以综合 运用，使理论知识和生产实践密切的结合起来，使自己受益匪浅。而且，本次设计是我们学生首次进行完整综合的机械设计，它让自己树立了正确的设计思想，培养了自己对机械工程设计的独立工作能力；让自己具有了初步的机构选型与组合和确定传动方案的能力；为自己今后的设计工作打了良好的基础，同时，也锻炼了自己整体思考问题的思维能力。作出了很好的铺垫作用。 通过本次毕业设计，还提高了自己的计算和制图能力；能够比较熟悉地运用有关参考资料、计算图表、手册、图集、规范；熟悉有关的国家标准和行业标准，获得了一个工程技术人员在机械设计方面所 必须具备的基本技能训练。