蜗杆齿轮变速器的设计方案

1 蜗杆齿轮变速器的设计方案 1 已知条件 ） 运输带工作拉力 F； ） 运输带工作速度 V； ） 滚筒直径 D； ） 滚动效率 = ） 工作情况： 两班制，连续单向运转，载荷较平稳； ） 工作环境：室内，灰尘较大，环境最高温度 35 C 左右； ） 使用折旧期 8 年， 4 年大修一次； ） 制造条件及生产批量：一般机械厂制造，小批量生产。 2. 设计方案 ： 设计运输机的蜗杆圆柱齿轮减速器； （ 1）原始数据：运输带工作拉力 F=输带工作速度 V=s，卷筒直径 D=450（ 2） 传动装置简图，如下： 2 一、电动 机的选择 1. 总体传动方案 初步确定传动系统总体方案如图 1所示。 蜗杆圆柱齿轮减速器。传动装置的总效率 a 321 2 3 4 5a 1 =轴承的效率， 2 =3 =弹性联轴器的效率， 4 = 卷筒轴工作效率为： 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 6 0 0 . 4 53 . 1 4 4 5 0 杆齿轮传动比12i i i=60 90 按工作要求和工作条件选用 Y 系列三相鼠笼型异步电动机，电压为 380v 工作机有效功率为： 5 5 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0W 作机所需工作功率为： 2 50 7Wd 作机卷筒轴的转速为： 6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 0 . 4 5450 以电动机转速的可选范围为：Wd 1 (60 90) 3 因此选择 所示，安装尺寸如表 2所示。 表 1 电动机的主要性能 型号 额定功率/心长度/隙长度/子外径/子内径/子线规槽线数 并联支路数 绕组型式 节距 槽数2 转动惯量/(m2) 质量/35 75 110 6 1 单层交叉 19/210/18 11 36/33 3 表 2 动机的安装尺寸 （ 1） 总传动比 14401 9 n =75 （ 2） 分配传动比 =( 75= i =20 型号 H A B C D E F K b b1 b2 h B 1 32 216 140 89 38 80 10 8 33 12 280 210 135 315 60 200 18 475 4 （ 1）各轴转速 轴 nI440r/轴 72 r/轴 20r/ 2）各轴输入功率 轴 轴 4 1 轴 1 4 3）各轴输入转矩 电动机轴输出转矩 55 3 . 8 99 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 1440n =410 N 轴 TI=410 N 轴 4 =410 N 轴 1 4 =510 N 卷筒轴 3 5 =510 N 5 二、传动零件的设计 （一）高速级蜗轮蜗杆传动的设计计算 根据 10085 1988 推荐，采用渐开线蜗杆（ 处理及精度 蜗杆： 45钢淬火，螺旋齿面要求淬火，淬火后硬度为 45 55轮：铸锡磷青铜 属模制造，齿芯用灰铸铁 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度，传动中心距 3 22 )( (1) 确定作用在蜗轮上的转矩 按 2, 估取效率 涡轮 = 6 6 62222 1 15 . 5 0 . 89 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0/ 1 4 4 0 / 2 0n n i =583611N （ 2）确定载荷系数 K 6 取载荷分布不均系数 K=1，选取选用系数 1，取动载系数 K= K 3）确定弹性影响系数 160 (4)确定弹性系数传动中心距 a=此Z=5)确定许用接触应力 H 根据蜗轮材料为 属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度 45得蜗轮的基本许用应力 H =268力循环次数 N=60j h=60 119200=107 寿命系数8 ， H = H =268= 6）计算中心距 23 1 6 0 2 . 91 . 0 5 5 8 3 6 1 1 ( )2 0 5 . 3a =中心距 a 160mm,i=20, 7 因此，取 m=杆分度圆直径 3时 d1/a= 查图 1118可查得接触系数Z=为 , Z 14 齿轮端面与内机壁距离 2 12 机盖肋厚 1m 11 m 座肋厚 m 2 承端盖外径 2D 97， 170， 185 轴承端盖凸缘厚度 e 12， 15 轴承旁连接螺栓距离 s 179， 197 表 5 连接螺栓扳手空间 1c 、 2c 值和沉头直径表 17 螺栓直径 10 16 24 13 16 18 22 26 34 40 11 14 16 20 24 28 34 沉头座直径 20 24 26 32 40 48 60 （一） 上的功率 1P =转速 1n =1440r/矩 1T =410 N，轴 T 410 已知蜗杆的分度圆直径 1d =63，蜗轮分度圆直径 2d 而 411212 2 2 . 5 8 1 0 81963 4122 4 8 . 4 5 1 0 37512 5 8 . 3 N 1 2 2 t a n 3 4 5 1 t a n 2 0 1 2 5 6r r F N 3 初步确定轴的最小直径，取0A=112，于是得 1 33m i n 013 . 8 11 1 2 1 5 . 4 91440 计算联轴器的转矩，取 18 41 1 . 5 5 1 0 3 3 1 5 0AT c a K T N 选用 公称转矩为 63000N。半联轴器的孔径 20 ，故取 =20 ,半联轴器长度 L 52，半联轴器与配合的毂孔长度 1L 38 （ 1）拟 定轴上零件的装配方案 如图所示的装配方案 （ 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1）为了满足半联轴器的轴向定位要求， 肩高度 h=25端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径 =30联轴器与轴配合的孔长度 1L =38了保证轴端挡圈只压在半联轴器而不压在轴的端面上，故 的长度略短一些，现取=36）初步选择滚动轴承，因轴承同时承受径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承，并根据 25取 32306，其尺寸 ，故 30 ,而 =50肩高度 h=3因此 =36 19 3）取蜗杆轴轴段直径 ,蜗杆齿宽 11 =79 ,经磨削后 1b 79+25=104 ,即 141 4）轴承端盖的总宽度为 25减速器及轴承端盖的结构设计而定，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑要求，取端盖的外端面于半联轴器左端面间的距离 15 =40）为保证蜗杆与蜗轮啮合，取 =65 至此已初步确定轴的各段直径和长度。 （ 3）轴上零件的周向定位 为了保证半联轴器与轴的连接，选用平键按直径查表查得平键截面6 ，长为 5 ，半联轴器与轴的配合为67动轴承的配合是由过盈配合来保证的 （ 4） 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表 15 45。各轴肩处的圆角半径取 （ 1） 求两轴承受到的径向载荷1 r ， r 20 2 2 2 21 1 1 9 8 5 . 4 4 4 4 r v r F 1081N 2 2 2 22 2 2 2 5 8 4 4 r v r F = 2） 求两轴承的计算轴向力1表 13承的派生轴向力2F Y,其中， 3的 Y 值，其值由轴承手册查出。手册上查的 32306 的基本额定载荷 C=81500N, 0C=96500N。 e=Y= 因此可得 11 2F Y=2 2F Y =式（ 13 11）得 12a d F=2，故 X= Y=, 故 X=1, Y=0; 因轴承运转过程中载荷较平稳，按表 13 6， 1 1 1 1 1()p r aP f X F Y F=21 2 2 2 2 2()p r aP f X F Y F= 3） 验算轴承寿命 因为21所以按轴承 1 的的受力大小验算 1066311 0 1 0 8 1 5 0 0( ) ( ) 2 7 6 6 5 . 6 1 9 2 0 06 0 6 0 1 4 4 0 7 8 9 9 h 故所选选轴承满足寿命要求。 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取 a 值。对于 30313 型圆锥滚子轴承，由手册中查得 a=此，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。 从轴的结构设计以及弯矩和扭矩图中 载荷 垂直面 V 水平面 H 22 支反力 F 1081N,2= 4 4 4 2 4 4 4 矩 M 1 1 4 5 9 3 7 m m 2 3 8 2 9 8 m m6 5 8 3 0 m m总弯矩 221 1 4 5 9 3 7 . 7 6 5 8 3 0 . 4M =22 3 8 2 9 8 . 7 6 5 8 3 0 . 4M =矩 T 1 2 5 5 0 0 0 m m6）按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据式（ 15上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应变。应取 ，轴的计算应力为 2 22113() 1 6 0 0 9 8 ( 0 . 6 2 5 5 0 0 0 )0 . 1 6 3 = 已知选用轴的材料为 45 钢，调质处理，由表 15得 1=60因此1，故安全。 （二） I 上的功率 2 ，转速 2 72 / m ，转矩 2T 410 轴 的功率3 转速 3 20 / m 转矩 3T 510 23 蜗轮： 412112 2 2 . 5 5 1 0 81063 4212 4 4 . 4 5 1 0 34422 5 8 . 3 N 2 1 2 t a n 3 4 4 2 t a n 2 0 1 2 5 3r r F N 小齿轮：已知大齿轮的分度圆直径 4d 371 533442 2 1 6 . 9 2 1 0 1 1 3 9 3 . 9 3297 334 t a n 1 1 3 9 3 . 9 3 t a n 2 0 4275c o s c o s 1 4 8 2 8F F N 3 4 3 t a n 1 1 3 9 3 . 9 3 t a n 1 4 8 2 8 2 8 4 0 . 8 2a a F N 0A=112 2 33m i n 022 1 1 2 3 772 1）拟定轴上零件的装配方案 如图所示的装配方案 24 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 （ 1）初步选择滚动轴承，因轴承同时承受径向力和轴向力的作用，故选用角接触球轴承，参照工作要求并根据 =50取 7310B， 其尺寸711050 故 = =50 , （ 2）取安装齿轮处的轴段直径 =55轮的又端与轴承之间采用套筒定位，加挡油环，为了使套筒可靠的压紧 齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，蜗轮宽度 取其宽度为 56，故取 =52齿轮 2B =106 ,故取=102轮的采用轴肩定位，轴肩高度 h=5=65=40 （ 3）为了保证蜗轮蜗杆的啮合，取为了保证斜齿的啮合，取蜗轮端面到内机壁的距离 21 ；为了保证斜齿的啮合，取小齿轮端面到内机壁的距离 2 ；考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时应距箱体内壁一段距离 2 ,取 2 =10知滚动轴承宽度 7 ，则=T+ 2 +1a +(56 52)=63=T+ 2 +2a +(106 102)=55此已初步确定轴的各段直径和长度。 25 （ 4）轴上零件的周向定位 按 由表查得平键截面 016 ，长为 5 ，按由表查得平键截面 016 ，长为 0 ，同时为了保证齿轮和轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为67动轴承的配合是由过盈配合来保证的 （ 5） 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表 15 45。各轴肩处的圆角半径取 （ 1） 求两轴承受到的径向载荷1 r ， r r ， r 2 2 2 21 1 1 2 8 2 4 1 2 8 r v r F 2 2 22 2 2 1 6 2 9 . 2 ( 9 9 3 . 5 )r r v r F 1908N （ 2） 求两轴承的计算轴向力1对于角接触球轴承 7310B，按表 13承的派生轴向力 其中， Y 是对应表 13的 Y 值，其值由轴承手册查出。 26 手册上查的 7310B 的基本额定载荷 C=68200N, 0C=48000N； e2ae a F 此可得 7693N 2175N 按式（ 13 12）得 117693N 21a d F=，故 X=1, Y=0； , 故 X= 因轴承运转过程中载荷较平稳，按表 13 6， 1 1 1 1 1()p r aP f X F Y F=7423N 2 2 2 2 2()p r aP f X F Y F= 3） 验算轴承寿命 因为21所以按轴承 1 的的受力大小验算 66 311 0 1 0 6 2 8 0 0( ) ( ) 1 3 8 2 5 0 1 9 2 0 06 0 6 0 7 3 7 4 2 3h 故所选选轴承满足寿命要求。 27 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取 a 值。对于角接触球轴承 7310B，由手册中查得 a=此，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。 从轴的结构设计以及弯矩和扭矩图中 载荷 垂直面 V 水平面 H 支反力 F 11908N ， r 弯矩 M 1 1 1 1 5 7 9 . 6 m m左1 4 9 2 1 m m右2 3 0 9 1 0 m m左2 8 3 9 0 3 m m右1 2 4 2 0 8 3 m m2 5 1 1 6 5 m m 28 总弯矩 221 1 1 1 5 7 9 4 2 0 8 3 左 =21 4 9 2 1 4 2 0 8 3 右 =25 1 1 6 5 0 9 1 0 2 左 28 3 9 0 3 1 1 6 5 . 3M 2 右 矩 T 2 4 4 1 2 8 0 m m6）按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据式（ 15上表中的数据， 以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应变。应取 ，轴的计算应力为 2 22213() 2 6 6 5 6 0 0 . 6 4 4 1 2 8 0 )0 . 1 5 5 右=知选用轴的材料为 45 钢，调质处理，由表 15得 1=60此1，故安全。 7、精确校核轴的疲劳强度 1 判断截面 右两侧为危险截面 2、截面 侧 29 抗弯截面系数 W=503 =12500抗扭截面系数 0.2 503 =25000 截面 为 M=24/52=面 =484500N 面上的弯曲应力b=M/W=面上的扭转切应力 T = T/ 484500/25000=的材料为 45钢，调质处理。查表 15B =6401 =2751 =155面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按表查取，因r/d=0=,经插值后可查得=的材料的敏性系数为 q= q=有效应力集中系数为 k=1+ q(k=1+ q(尺寸系数=按磨削加工，可得表面质量系数= =未经表面强化处理，即q=1，则得综合系数为 30 K= k/+1/= k/+1/钢的特性系数=算安全系数 得： S= 1 /（ K a+ m） = S= 1 /（ K a+ m） = SS） /（ S2 + S 2 ） 2/1 =S=可知其安全 截面 端 抗弯截面系数 W=53 =16638抗扭截面系数 0.2 53 =33275弯矩 M 及弯曲应力为： M=mm b=M/W= 矩 T 及扭转切应力为： T=441280N = 31 过盈配合处的 k/，用插值法求出，并取 k/=0.8 k/，得 k/= k/=0.8 k/=按磨削加工，得表面质量系数为=得综合系数为： K= k/+1/= k/+1/此，轴在截面 S= 1 /（ K a+ m） = 1 /（ K a+ m） = SS） /（ S2 + S 2 ） 2/1 =S=该轴在截面 侧的强度也足够 （三） 的设计计算 1 轴 转速3 20 / m 转矩3T 510 2 求作用在齿轮上的力 已知大齿轮的分度圆直径 4d 371 534342 2 1 6 . 9 2 1 0 9 1 2 1 . 2 9371 343 t a n 9 1 2 1 . 2 9 t a n 2 0 3422c o s c o s 1 4 8 2 8F F N 32 4 3 3 t a n 9 1 2 1 . 2 9 t a n 1 4 8 2 8 2 2 7 4 . 1 9a a F N 3 初步确定轴的最小直径，取0A=112 3 33m i n 032 . 5 51 1 2 5 6 . 420 计算联轴器的转矩，取 3 1 6 . 9 2 1 0 2 1 9 9 6 0 0AT c a K T N 选用 公称转矩为 2000000N。半联轴器的孔径 60，故取 =60 ,半联轴器长度 L 142 ，半联轴器与配合的毂孔长度 1L 107 4 轴的机构设计 （ 1）拟定轴上零件的装配方案 如图所示的装配方案 （ 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1）为了满足半联轴器的轴向定位要求， 肩高度 h=3mm,d =66右端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径 =68联轴器与轴配合的孔长度 1L =107 的长度 略短一些，现取 =10433 2）初步选择滚动轴承。因轴承同时承受径向力和轴向力的作用，故选用角接触球轴承，根据 =66 ,选取 7214承，其尺寸412570 故 70 3）取安装大齿轮处的轴段直径=75轮的左端与轴承之间采用套筒定位，加挡油环，为了使套筒可靠的压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，其宽度为 100 ，故取=54齿轮的采用轴环定位，轴环高度 h=6879 4）轴承端盖的总宽度为 47减速器及轴承端盖的结构设计而定，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑要求，取端盖的外端面于半联轴器左端面间的距离 15 =62）为了保证斜齿的啮合，取齿轮端面到内机壁的距离 2 ；考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时应距箱体内壁一段距离 2 ,取2 =10知滚动轴承宽度 4 ，则 =B+ 2 +a =46B+ 2 +a +(100 96)=50此已初步确定轴的各段直径和长度。 至此已初步确定轴的各段直径和长度。 6）轴上零件的周向定位 34 为了保证半联轴器与轴的连接，按 由表查得平键截面118 ，长为 0 ，半联轴器与轴的配合为67由表查得平键截面 220 ，长为 0 ，同时为了保证齿轮和轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为67动轴承的配合是由过盈配合来保证的 7） 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表 15 45。各轴肩处 的圆角半径取 5 精确校核轴的疲劳强度 1 判断截面 2、截面 抗弯截面系数 W=703 =34300抗扭截面系数 0.2 503 =68600 截面 为 M=(86 面 的扭矩 T=1692000N 面上的弯曲应力b=M/W=面上的扭转切应力 T = T/ 1692000/68600=的材料为 45 钢，调质处理。查表 15B =6401 =2751 =15535 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按表查取，因r/d=0=,经插值后可查得=的材料的敏性系数为 q= q=有效应力集中系数为 k=1+ q(k=1+ q(尺寸系数=转尺寸系数=按磨削加工，可得表面质量系数=未经表面强化处理，即q=1，则得综合系数为 K= k/+1/= k/+1/钢的特性系数=算安全系数 得： S= 1 /（ K a+m） = S= 1 /（ K a+ m） =（ SS） /（ S 2+ S 2） 2/1 =S=36 故可知其安全 截面 端 抗弯截面系数 W=753 =42188抗扭截面系数 0.2 753 =84375弯矩 M 及弯曲应力为： M= b=M/W=矩 T 及扭转切应力为： T=1692000N T = 20盈配合处的 k/，用插值法求出，并取 k/=0.8 k/，得 k/= k/=0.8 k/=按磨削加工，得表面质量系数为=得综合系数为： K= k/+1/K= k/+1/此，轴在截面 侧的安全系数为： S= 1 /（ K a+ m） = S= 1 /（ K a+ m） = SS） /（ S 2+ S 2） 2/1 =S=该轴在截面 三、其他附件的选择 1视孔盖 37 选用 A=140视孔盖。 2通气器 选用简易通气器 油面指示器 根据指导书表 用杆式油标 油塞 根据指导书表 用 油塞和垫片 5起吊装置 根据指导书，箱盖选用吊耳 d=16定位销 根据指导书表 用销 1178 35 7起盖螺钉 选用螺钉 30 四、密封与润滑 1齿轮的润滑 采用浸油润滑，由于高速级蜗杆浸油深度 3050深 h=32据指导书表 16用全损耗系统用油 38 2滚动轴承的润滑 选用脂润滑。根据表 16选用滚动轴承脂 封方法的选取由于凸缘式轴承端盖易于调整轴向游隙，轴的轴承两端采用凸缘式端盖。 五、总结 机械设计是机电类专业的主要课程之一，它要求学生能结合课本的学习，综合运用所学的基础和技术知识，联系生产实际和机器的具体工作条件，去设计合用的零部件及简单的机械，起到从基础课程到专业课程承先启后的桥梁作用，有对机械设计工作者进行基础素质培养的启蒙作用。 机械设计课程设计的过程是艰辛而又充满乐趣的，在这短暂的三个星期里，我们不仅对 机械的设计的基本过程有了一个初步的认识和了解，即初步接触到了一个真机器的计算