人力提升机传动方案的拟定与分析计算设计

I 摘 要 社会的飞速发展，机械行业的复杂，越来越多的领域需要各种各样的起重机械，人力提升机是用于建筑外墙装饰和野外电力设备安装等专用设备。人力可轻松操纵上下输送物料和人员填补该产品系列中的缺失在无电源供应的情况下。所以任务来源于社会生产实践。此项设计是传统的结构与创新的思想结合的成果。人力提升机在国内尚无申请专利，运用较多的是电力提升机和电力升降机。 此设计主要考虑到功能实现，尺寸限制，结构，操作简单。以机械原理以及机械设计的理论知识为依据，对齿轮传动机构，螺纹传动以及其他几种常见机构进行详尽的分 析， 选择合适的方案。用所学的工程图学和三维制图 UG 的知识画出装配图，和零件图。 本设计内容包括一级齿轮传动，二级齿轮传动，钢丝绳的绕法，棘轮的自锁。主动轴上的齿轮与传动轴上的齿轮啮合将脚踏上的力和力矩传递到输出轴上。输出轴上的齿轮再将力和力矩通过齿套传递到槽轮的齿轮上，带动槽轮转动，再与下方的齿轮啮合带动下面槽轮的转动，利用钢丝绳与槽轮之间没有相对滑动，从而利用钢丝绳带动整个机器在钢丝绳上下移动。 关键词：升降机；齿轮；传动；棘轮；自锁； II ABSTRACT With the development at full speed of the summary society ,the recovery of the mechanical trade,more and more fields need to use various kinds of handling machinery.Human elevator is used for exterior wall decoration and outdoor power equipment and other special equipment installed.In the case of no power supply can easily manipulate the human upper and lower transport of materials and personnel to fill the lack of product line.Mission is from the practice of social production. The design of the structure is the traditional combination of innovative ideas and results. Human elevator has no patent in China, more electricity and power lift hoist have been used. This design is mainly taking into account the implementation of function, size limits,structure, simple operation.mechanical principles and mechanical design is based on the theoretical knowledge, Worm gear drive mechanism, Screw drive as well as several other detailed analysis of common institutions, Choose the appropriate option.The principle according to clutch the clutch mode and select the appropriate bodies Learned to use engineering graphics and three-dimensional mapping of knowledge UG draw assembly drawings, and parts diagram. The design includes a gear drive, second gear, wire rope around the law, the design of the clutch, fan gear, self-locking worm and worm. Take the initiative and drive shaft gear shaft gear mesh on the pedal force and the moment passed on to the output shaft. Output shaft of the gear teeth and then sets of force and torque delivered to the tank through the gear wheel, the drive sheave rotation, then driven gears meshing with the bottom of the tank below the rotating wheel,Re-engagement with the bottom of the drive gear wheel rotation slot below, the use of wire rope and there is no relative slip between the sheaves to drive the entire machine using steel wire rope move up and down. Keywords: hoist； gear； transfer motion；worm；self-locking； III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 1 绪论 . 1 1.1 本课题的研究内容 和 意义 . 1 1.2 国内外的发展概况 . 1 1.3 本课题应 达到的要求 . 1 2 方案 拟 定 . 2 3 功能原理及运动特点 . 3 3.1 功能原理 . 3 3.2 运动特点 . 5 4 确定 传动装置的总传动比和分配传动比 . 6 4.1 确定总传动比 . 6 4.2 分配传动比 . 6 4.3 各轴运动和动力参数确定 . 6 4.3.1 各轴转速 . 6 4.3.2 各轴输入功率 . 6 4.3.3 各轴输出功率 . 6 4.3.4 各轴输入转矩 . 6 5 选择钢 丝绳型号 . 8 6 齿轮 、棘轮 的设计 . 9 6.1 主动轴上齿轮传动的设计计算 . 9 6.1.1 齿轮材料，热处理及精度 . 9 6.1.2 初步设计齿轮传动的主要尺寸 . 9 6.1.3 设计计算 . 10 6.1.4 齿根弯曲疲劳强度设计 . 11 6.2 从动轮上齿轮传动的设计和计算 . 13 IV 6.2.1 齿轮材料，热处理及精度 . 13 6.2.2 初步设计齿轮传动的主要尺寸 . 13 6.2.3 设计计算 . 14 6.2.4 齿根弯曲疲劳强度设计 . 15 6.3 棘轮的设计 . 18 6.3.1 棘轮机构的基本结构和工作原理 . 18 6.3.2 棘轮装置的优缺点 . 18 6.3.3 棘轮机构中的主要问题 . 18 6.3.4 棘轮几何尺寸的计算 . 18 7 轴 、 轴承和轴键的设计和校核 . 21 7.1 主动轴的设计校核 . 21 7.1.1 选择 轴的材料 . 21 7.1.2 初步计算轴的最小直径 . 21 7.1.3 轴的结构设计 . 21 7.1.4 按弯矩合成力校核轴的强度 . 22 7.2 从动轴的设计校核 . 25 7.2.1 输入轴上的功率、转速及转矩 . 25 7.2.2 初步确定轴的最小直径 . 25 7.2.3 轴的结构设计 . 25 7.2.4 按弯矩合成力校核轴和强度 . 26 7.3 滚动 轴承 的选择与校核 . 31 7.3.1 主动轴 轴承的型号选择和设计 . 31 7.3.2 中间轴滚动轴承的型号选择和计算 . 33 8 箱体结构设计 . 35 8.1 主体设计 . 35 8.2 对附件设计 . 35 9 结论与展望 . 38 9.1 结论 . 38 9.2 不足之处与未来展望 . 38 V 致谢 . 40 参考文献 . 错误 !未定义书签。 人力提升机传动方案的拟定与计算设计 1 1 绪论 1.1本课题的研究内容 和 意义 随着我国建筑行业的发展，住宅建筑、高层建筑越来越多，外墙涂层、装饰以及物业管理清洗所需要的高处作业人力提升机已被广大用户所采用，同时人力提升机也成为了野外电力设备安装的专用设备。 人力 可 轻松操纵上下输送物料和人员填补该产品系列中的缺失在无电源供应的情况下。 使用人力提升机省工、省费用、安全，大大减轻了工人劳动强度，提高了施工进度。 1.2国内外的发展概况 人力提升机在国内尚无申请专利，运用较多的是电力提升机和电力升降机。 据统计，使用人力提升机施工，其施工费用仅为脚手架的 70%，生产率是脚 手架的三倍，但是由于多种原因建筑施工中高处业人力提升机坠落事故时有发生，这不仅造成人生伤亡，经济损失和社会影响，而对高处作业人力提升机使用日益增多的今天，人力提升机的质量成为关注的焦点，这就要求从事高处作业提升机的设计制造部门应该加强产品安全性能的开发，同时确定人力提升机产品安全质量标准，规范国内市场。必须保证人力提升机安装后符合安装要求，加大对施工人员的安全培训，以确保安全。 1.3本课题应 达到的要求 人力提升的总重量为 350 kg,提升速度 5m/min。 将输入轴上脚踏的力和力矩传递到输出轴上。输出轴带 动槽轮转动，利用钢丝绳与槽轮之间没有相对滑动，从而利用驱动整个机器在钢丝绳上下移动。 无锡太湖学院学士学位论文 2 2 方案拟定 方案一 :由葫芦想到滑轮组结构，利用钢丝绳绕在滑轮组上由绳带动整个机器实现上下移动。传动：滑轮组上的齿轮跟输出轴上的齿轮啮合传动，依次一系列的齿轮啮合实现从主动轴（人力脚踏动力）到输出轴再到滑轮组上的齿轮传递动力。制动：两个蜗杆自锁的原理（螺旋 升角小于当量摩擦角）阻止滑轮组的转动。 方案二：采用链传动，将主动轴上的力通过链条传递到输出轴上，制动采用棘轮机构制动 方案三：通过齿轮啮合传动，通过齿轮的二级传动，将主动轴上的输入力放大，制动采用棘轮机构。 通过计算对比上述三个方案的优劣： 方案一采用蜗杆自锁的原理，蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时会产生严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化，因此摩擦损失较大，效率底，当传动具有自锁性时效率仅为 0.4 左右。 方案二：采用链传动，优 点是可以降低成本，整体尺寸较小，结构较为紧凑，但链传动不能保持恒定的瞬时传动比；磨损易发生跳齿，工作时有噪声，不宜用在载荷变化很大和急速反转的场合。 方案三：采用齿轮传动提高了效率，同时采用棘轮制动，有效的减小了整体尺寸。 综上所述采用方案三。 人力提升机传动方案的拟定与计算设计 3 3 功能原理及运动特点 3.1 功能原理 如图 3.1 所示为人力提升机装配图。 本机构是一种升降机装置，主要由三部分组成：1.传动部分； 2.绕线部分； 3.制动部分。 无锡太湖学院学士学位论文 4 图 3.1 装配图 图 3.2 传动系统图 人力提升机传动方案的拟定与计算设计 5 如图 3.2 所示传动部分主要是在主轴箱内，如图二所示，由主动轴 3、从动轴 4、齿轮 3、棘轮机构 11、齿轮 12、挡圈 14、以及齿轮 1 组成。主动轴 3 和脚踏连接，可以由人直接驱动。在工作状态，主动轴上的齿轮 1 同时带动装在从动轴上的齿轮 12 转动，齿轮 12 与轴采用螺纹连接，齿轮 12 正转压紧棘轮 11，带动轴转动，齿轮 3 再与大齿轮啮合传动，再通过绕线部分参照图 1，主要由两个大齿轮，两个压紧轮装置 7，防护罩 4，弹簧 3 和弹簧 6 以及壳体组成，钢丝绳绕在两个齿轮的 绕线槽中。齿轮的绕线槽的截面成梯形状，钢丝绳在其中越压越紧，从而保证钢丝绳与齿轮之间没有相对滑动，即不会打滑。两个压紧轮装置 7 控制了钢丝绳在线槽中的包角，从而确定了此部分的传动效率。防护罩4 能保证在齿轮 5 上穿钢丝绳顺利进行，并且可以防止当绳处于松弛状态时，跑出绕线槽。 制动部分主要有：图 2 中棘轮机构 11 和齿轮 12 组成，当提升重物时，主动轴上的齿轮 1 与从动轴上的齿轮 12 啮合，齿轮 12 与轴螺纹连接压紧棘轮带动从动轴转动，当主动轴停止时，棘轮受到棘爪的作用逆止，当齿轮 12 反转时，将棘轮松开，齿轮 12 被挡圈挡住时 ，带动轴反转将重物放下，当主动轴停转时，由于重物的作用使轴反转，使棘轮被压紧制动。 3.2 运动特点 该升降机主要能实现二个功能：第一，人踩着脚踏能往上走，不踩的时候能自锁停在原位；第二，人反踩脚踏能往下走，不踩的时候能自锁停在原位；以下我将介绍实现这些功能的原理： 第一种功能的实现原理是：当人踩脚踏时，踩脚踏的力通过一系列齿轮传动放大到足以克服整个升降机的重力，从而能往上走。当人不踩脚踏时，在棘轮机构作用的情况下，克服了整个机器的重力，从而使得升降机停在原位。 第二种功能的实 现原理与第一种一样。 无锡太湖学院学士学位论文 6 4 确定传动装置的总传动比和分配传动比 4.1 确定总传动比 根据提升机的提升速度为 5m/s,根据经验初定槽轮直径为 110mm m i n/418.14055.014.32 083.060260 rRvn （ 4.1） 根据经验假设人蹬脚踏的速度为 70r/min，则总的传动比为 8 5 5.44 1 8.14 70 nni ma （ 4.2） 4.2 分配传动比 ai0i i （ 4.3） 式中0,ii分别为一级齿轮和二级齿轮的传动比。为使一级齿轮结构不过大， 初步取0i 1.47，则二级齿轮传动比为 i 0/iia 3.302 （ 4.4） 4.3 各轴运动和动力参数确定 4.3.1各轴转速 n 0/inm 70/1.47 47.619r/min （ 4.5） n1/ in 47.619/3.302 14.421r/m 4.3.2各轴输入功率 dP 0.1kW IPdp 23 0.1 0.98 0.99 0.097kW （ 4.6） PIP 23 0.097 0.99 0.97 0.093W PP 2 4=0.093 0.99 0.96 0.085kW 4.3.3 各轴输出功率 PP 0.98=0.095 kW (4.7) PP 0.98=0.091kW PP 0.98=0.086kW 4.3.4 各轴输入转矩 1T =dT0i 1 Nm (4.8) 主动轴 的输出转矩 人力提升机传动方案的拟定与计算设计 7 dT=9550mdnP =9550 0.1/70=13.64Nm （ 4.9） 所以 : TdT0i 1 =13.64 1.47 0.96= 19.25Nm TT 1i 1 2 =19.25 3.302 0.98 0.95=59.14Nm T=T3 4 =59.14 0.95 0.97=54.50Nm 输出转矩： TT 0.98=18.87 Nm （ 4.10） TT 0.98=57.97 Nm TT 0.98=53.41Nm 表 4-1运动和动力参数 轴名 功率 P KW 转矩 T Nm 转速 r/min 输入 输出 输入 输出 主动轴 0.1 13.64 70 1 轴 0.097 0.095 19.25 18.87 47.62 2 轴 0.093 0.091 59.14 57.96 14.42 3 轴 0.088 0.086 54.50 53.41 14.42 无锡太湖学院学士学位论文 8 5 选择钢丝绳型号 根据机械设计手册第五版第 2 卷第 11 章 2、 1、 3 钢丝绳直径的计算与选择选用钢丝绳 的直径。 钢丝绳直径可由钢丝绳最大工作静拉力按式 d= sc （ 5.1） d -钢丝绳最小直径 mm， C -选择系数 mm/ 21N S -钢丝绳最大工作静拉力 由表 8-1-15 可查的 C=0.140 安全系数为 9，由提升机重量为 350kg d =0.140x 10x350 =8.3 （ 5.2） 再由 2.1.5 一般用途钢丝绳中，适用于机械建筑货用索道 等行业使用的各种圆股钢丝 绳 ,可选用钢丝绳 6X37(b)类 典型结构为 6X37(1+6+12+18) 人力提升机传动方案的拟定与计算设计 9 6 齿轮、棘轮的设计 6.1 主动轴上齿轮传动的设计计算 6.1.1 齿轮材料，热处理及精度 考虑此减速器的功率及现场安装的限制，故大小齿轮都选用硬齿面渐开线斜齿轮 （ 1) 齿轮材料及热处理 材料：高速级小齿轮选用 45 钢调质，齿面硬度为 小齿轮 280HBS 取小齿轮齿数1Z =17 高速级大齿轮选用 45 钢正火，齿面硬度为 大齿轮 240HBS Z2 =i Z1 =1.47 17=24 （ 6.1） 取 Z2 =25. 齿轮精度 按 GB/T10095 1998，选择 7 级，齿 根喷丸强化。 6.1.2初步设计齿轮传动的主要尺寸 按齿面接触强度设计 2131 )(12HEHdtt ZZuuTKd （ 6.2） 确定各参数的值 : (1) 试选tK=1.6 查课本217P图 10-30 选取区域系数 ZH =2.433 由课本215P图 10-26 78.01 82.02 则 6.182.078.0 (2) 由课本202P公式 10-13 计算应力循环数 N1 =60n1 jhL =60 70 1（ 1 8 300 10 ） (6.3) =1.008 810 h N2 = =0.68 108 h (3) 查课本203P 10-19 图 得： K1=0.93 K2=0.96 (4) 齿轮的疲劳强度极限 取失效概率为 1%,安全系数 S=1,应用205P公式 10-12 得 : H 1 =SK HHN 1lim1=0.93 550=511.5 MPa (6.4) 无锡太湖学院学士学位论文 10 H 2 =SK HHN 2lim2=0.96 450=432 MPa (6.4) 许用接触应力 M P aHHH 75.4712/)4325.511(2/)( 21 (6.5) (5) 查课本由201P表 10-6 得： EZ =189.8MPa 由205P表 10-7 得 : d=1 T=95.5 105 11/nP =95.5 105 0.1/70 (6.6) =1.3 104 N.mm 6.1.3 设计计算 (1) 小齿轮的分度圆直径 dt1 3 2 . 3 4 m m5.7471.818933.427.417.42.611101 . 3.612)(123 242131 HEHdttZZuuTKd (6.7) (2) 计算圆周速度 smnd t /12.0100060 703 4 . 7 14.13100060 11 (6.8) (3) 计算齿宽 b 和模数ntm 计算齿宽 b b=td d1=34.71mm (6.9) 计算摸数 mn 初选螺旋角 =14 8 1 m m9.11714c o s71.34c o s11 oZdm tnt (6.10) (4) 计算齿宽与高之比 hb 齿高 h=2.25 ntm=