中国矿业大学机械塔式起重机行走部减速装置设计书

1 中国矿业大学机械塔式起重机行走部减速装置设计书 计 算 及 说 明 结 果 一 、 设计任务书 1、设计条件 1）机器功用 塔式起重机有较大的工作空间，用于高层建筑施工和安装工程起吊 物料用，起重机可在专用钢轨上水平行走。 2）工作情况 减速装置可以正反转，载荷平稳，环境温度不超过 40； 3）运动要求 运动速度误差不超过 5%； 4）使用寿命 忙闲程度中等，工作类型中等，传动零件工作总数 410 小时，滚动轴承寿命 4000小时； 5）检修周期 500小时小修； 2000小时大修； 6）生产批量 单件小批量生产； 7）生产厂型 中型机械制造厂。 2、原始数据 题 号 运行阻力 (运行速度(m/s) 车轮直径(启动系数 2 50 、设计任务 1）设计内容 电动机选型；减速机设计；开式齿轮传动设计；传动轴设计；轴承选择计算；键、联轴器选型设计。 2）设计工作量 减速器装配图一张（ 零件图 2张（ 分别为高 速级输入轴和输出轴上大齿轮；设计说明书一份。 3)设计要求 至少一对斜齿。 4. 传动装置总图 1 电动机； 2 减速器； 3 传动轴； 4 开式齿轮传动； 5 车轮； 6 轨道 10000h F=1600N V=s D=350流式二级圆柱齿轮减速器 1 3 2 5 4 6 2 计 算 及 说 明 结 果 二、传动方案的拟定 1） 行走部由电动机驱动，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传至开式齿轮 5，带动车轮 6工作。传动系统中采用两级分流式圆柱齿轮减速器结构较复杂，高速级齿轮相对于轴承位置对称，沿齿宽载荷分布较均匀，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。 2）根据机构工作计算车轮转速 6 0 1 0 0 0 0 . 7 6 0 1 0 0 0 3 8 . 2 / m i 1 4 3 5 0 备用 1500r/系列电动机，因此初步计算总传动比 1420 3 7 3 8 。查设计书表 5 3）为加工方便采用水平剖分式。 4）由于高速级转速较高且无轴向力，故选用深沟球轴承；中、低速级选用圆柱滚子轴承。 5)电动机和输入轴，工作机构和输出轴均选用弹性套柱销联轴器。 3 计 算 及 说 明 结 果 三、 电动机的选择 4 计 算 及 说 明 结 果 查得公式 / 1 0 0 0p F v （ 式中 1 . 8 , 0 . 7 /F K N v m s,式中为总效率。 查表 9：滚动轴承效率1 ，齿轮效率2 ，联轴 器 效 率3 ， 车 轮 效 率4 。 得 总 效 率3 6 30 . 9 9 0 . 9 9 0 . 9 7 0 . 9 0 0 . 7 2 8 。 故 1 . 6 0 . 7 / 1 0 0 0 0 . 7 2 8 1 . 5 3 8p 题目一直条件取 K= 电动机所需额定功率 2 3P K P 表 16： Y 系列 1500r/动机的具体牌号为 定功率为 3载转速为 1420r/ 四、 计算总 传动比及其各传动比分配 已知 : 运行速度 v=s 满载转速为 1420r/：利用公式计算工作机的转速为 6 0 1 0 0 0 =总传动比为： /i n n =于分流式减速机，起传动比应逐级递减，故高速级传动比1 5i 速级传动比2 ，低速级传动比3 。 五、 计算传动装置 运动参数 1）各轴转速计算 从减速器的高速轴开始各轴命名为 1 轴、 2 轴、 3 轴，电动机轴记为 0轴，输出轴为 4轴，连接车轮的轴记为 5轴。 01 1 4 2 0 / 1 1 4 2 0 / m i nn n r 2 1 1/ i 3 1 2 / m i nn n r3 2 2/ i 7 9 / m i nn n r4379r/ 4 3/ i 3 8 . 3 5 / m i nn n r2）各轴功率计算 5 计 算 及 说 明 结 果 01 3 0 . 9 8 2 . 9 4 （ 1 0 1 2 2 . 9 4 0 . 9 8 0 . 9 7 2 . 7 9 (2 1 2 3 2 . 7 9 0 . 9 7 0 . 9 9 2 . 6 7 9 (3 2 2 3 2 . 6 7 9 0 . 9 7 0 . 9 9 2 . 5 7 3 (4 3 1 3 2 . 6 0 4 0 . 9 8 0 . 9 9 2 . 4 9 6 (5 4 2 3 2 . 4 9 6 0 . 9 7 0 . 9 9 2 . 3 9 7 (3）各轴扭矩计算 0T=9500 0P/0n=1T=9500 1P/1n=2T=9500 2P/ 2n=3T=9500 3P/ 3n=359(4T=9500 4P/ 4n=301(5T=9500 5P/ 5n=4)各轴转速、功率、扭矩列表 轴号 转速 n(r/输出功率 P(输出扭矩T(0 1420 1420 281 59 4 01 5 、传动零件的设计计算 1、高速级齿轮设计： 1）选择齿轮材料，确定许用应力 6 计 算 及 说 明 结 果 由教材表 6. 小齿轮 40质 大齿轮 45正火 2)齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级，按 31 1 1( 0 . 0 1 3 0 . 0 2 2 ) /v n p n估取圆周速度 1v=s 查表 材）选取 小轮分度圆直径1d，由式 6材）得 3 2 1112 Z Z 齿宽系数d参考表 材） d=齿轮相对轴承为非对称布置 小轮齿数 1z =27 大轮齿数 2z =1z 齿数比 u = 2z /1z =轮转矩 1T=1T/2= 载荷系数 K K K使用系数查表 材 ) 1 动载系数 由推荐值 K v=s d=z =27 2z =137 u =T= 1 7 计 算 及 说 明 结 果 K 由推荐值 K K K=料弹性系数查表 材） 锻钢 节点区域系数材） 重合度系数 螺旋角系数 Zc o s 1 9Z =用接触应力 H 由式 6材）， H= 接触疲劳极限图 6材） 小齿750 2/N 大齿700 2/N 接触强度寿命系数由式 6材）得小齿轮循环次数 10 2 1 1/N N i=10 查图 6材）得 触强度最小安全系数 1H=25 2/N 1 8 9 Z =8 计 算 及 说 明 结 果 2H=2=595 2/N 取较小的一个，即 H=595 2/N 综上， 3 2 1112 Z Z =面模数11m c o s / 0 . 9 9n 取标准 中心距 )co )( 021 n =125圆整 a=130 分度圆螺旋角 2/)(a rc c o s 21 n =19 分度圆直径11d m / c o s 4 2 . 8n z 整取 42宽 b= 1d =整取 55轮齿宽 2 =55轮齿宽 )105(21 1 60b 式 6材 )得 3）齿根弯曲疲劳强度校核计算 T 112当量齿数 311/ c o s 3 1 . 2 1322 / c o s 1 5 6 . 0 6查表 教材） 应力修正系数 齿形系数 小轮1 1 大轮2 2 H= 595 2/N 1 = 2 7 m 30 1d 42 b=55 60b 1 9 计 算 及 说 明 结 果 不变位时，端面啮合角 a r c t a n ( t a n 2 0 / c o s ) 2 1 . 1 5 端面模数f / c o s 1 . 5 5合度 1 1 2 21 / 2 t a n t a n t a n t a n 1 . 6 9a a t t a t tz a a z a a 重合度系数 0 . 2 5 0 . 7 5 / 0 . 6 9 4 螺旋角系 数Y，推荐 11 1 1112 4 3 . 3 /F F a S Y Y Y N m mb d m 12 2 2212 4 5 . 3F F a S Y Y Yb d m 2/N 许用弯曲应力 F 由式 6材）， F 弯曲疲劳极 限图 6材），双向传动乘以 0.7 420 2/N 371 2/N 弯曲强度寿命系数材） 121弯曲强度尺寸系数材） (设模数 弯曲强度最小安全系数 1F =300 2/N 2F =265 2/N 综上知，齿轮弯曲强度满足 2 2 f Y=F,2F满足 10 计 算 及 说 明 结 果 大齿分度圆直径22 / c o s 2 1 7nd m z m m，圆整取 218圆直径 4 0 . 5d h m m 22 2 2 1 4 . 5d h m m 顶圆直径 4 6d h m m 22 2 2 2 0d h m m 2、低速级齿轮设计： 由表 材）选 小齿轮 40 调质 大齿轮 45 正火 许用接触应力 H由式 6材）， H= 解除疲劳极限图 6材） 700 2/N 2l i m 2 6 0 0 /H N m m 接触强度寿命系数由式 6材）得小齿轮循环次数 41286 0 6 0 2 8 4 1 1 01 . 4 1 1 0hN n j L 2 1 2/N N i72 4 1 0N 查图 6材）得 触强度最小安全系数18 1 46 22011 计 算 及 说 明 结 果 取 则 1H=700 1 =826 2/N 2H=600 1 =666 2/N 则 H=666 2/N 许用弯曲应力 F 由式 6材）， F 弯曲疲劳极限图 6材）， 双向传动乘以 0.7 378 2/N 295 2/N 材） 121弯曲强度尺寸系数机械设计课本）查图 6模数 m 小于 5 弯曲强度最小安全系数 21 3 7 8 1 1 / 1 . 5 2 5 2 /F N m m 22 2 9 4 1 1 / 1 . 5 2 1 0 /F N m m 因为是软齿面闭式传动，故按齿面接触疲劳强度进行设计。 确定齿轮传动精度等级，按 31 1 1/ /v m s参考表 材）选取 公差组 8级 1H=666 2/N 公差组 8级 12 计 算 及 说 明 结 果 小轮分度圆直径1d，由式 6材 )得 3 2 1112 Z Z 齿宽系数d（由机械设计课本）参考表 1）d 按齿轮相对轴承为对称布置 （ 2）小轮齿数 25 （ 3）大轮齿数2 1 1 9 8 z i z， 取2 99Z （ 4）齿数比21/ 3 u z z（ 5）小轮转矩 6119 . 5 5 1 0 / 9 0 0 8 6 /T P n N m m （ 6）载荷系数 K K K使用系数查表 材 ) 1 动载系数 由推荐值 2 99Z u T90086 /N 1 13 计 算 及 说 明 结 果 K K 由推荐值 K 1 1 . 2 1 . 1 1 1 . 3 2 K K K 材料弹性系数查表 材 ) 锻钢 21 8 9 . 8E NZ 点区域系数 重合度系数 故 3 2 1112 4 3 . 1 7 Z Z m 法面模数11/ 1 m d z取标准 =分度圆直径 116 2 . 5d m z m m，圆整取 702 2 4 7 . 5d m z m m中心距12( ) / 2 1 5 0a m z z m m 齿宽1 75db d m m大轮齿宽 2 =80轮齿宽 )105(21 1 80b 式 6材 )得 K 1 8 9 31d 1d62.5 a 150 b 75 2b=75 1 80b 14 计 算 及 说 明 结 果 T 112查表 教材） 应力修正系数 齿形系数 小轮1 小轮1 大轮2 大轮2 重合度 1 1 2 21 / 2 t a n t a n t a n t a n 1 . 1 2a a t t a t tz a a z a a 重合度系数 0 . 2 5 0 . 7 5 / 0 . 6 9 4 故 211 1 1112 9 2 . 2 /F F a S Y Y N m mb d m 12 2 2212 9 3 . 6F F a S Y Yb d m 2/N 根圆直径 5 3 . 5d h m m 22 2 2 3 3 . 7 5d h m m 顶圆直径 6 5d h m m 22 2 2 4 5d h m m a= 足强度 16524515 计 算 及 说 明 结 果 3、开式齿轮计算： 表 材）选 小齿轮 40表面淬火 大齿轮 45 表面淬火 由于是开式齿轮传动，主要形式是疲劳打断和齿面磨损，所只能进行弯曲疲劳强度计算，并将模数 增加 10%20%考虑磨损的影响。 许用弯曲应力 F 由式 6材）， F 弯曲疲劳极限教材）查图 6向传动乘以 0.7 78 2/N 95 2/N 弯曲强度寿命系数材） 121弯曲强度尺寸系数材） （初设模数小于 5） 弯曲强度最小安全系 数 则 12 3 7 8 1 1 / 22 4 5 /F N m m 22 3 9 5 1 1 / 21 9 7 . 5 /F N m m 因为是软齿面闭式传动，故按齿面接触疲劳强度进行设计。 确定齿轮传动精度等级，按 34 4 4 4. 0 / 0 . 0 1 3 0 2 2 ） 8 /v m s参考表 材）选取 公差组 8级 小轮分度圆直径1d，由式 6材）得 4t 0 8 /v m s公差组 8级 16 计 算 及 说 明 结 果 3 2 1112 Z 齿宽系数d参考表 材） d 由于齿轮为非对称布置 选小轮齿数1 28z 大轮齿数2 1 1 1 . 5 5 2 8 4 3 . 4z i z ， 齿数比21/ 1 小轮转矩 25 3 3 2 0 9 N / m 载荷系数 K K K使用系数查表 教材 1 K 由推荐值 K K 由推荐值 1 . 2 5 1 . 2 1 . 1 1 . 1 1 . 8 1 K K K 材料弹性系数查表 材） 锻钢 节点区域系数材） d 1 28z 2z5 3 3 2 0 9 N /m 1 K 17 计 算 及 说 明 结 果 重合度系数 故 3 2 1112 1 0 2 . 1 6 Z m 齿轮模数 m =11/大 15%， 即 m =标准 m=轮分度圆直径11d 126大齿分度圆直径22 1 9 5 . 3d m z m m圆周速度11/ 6 0 0 0 0v d nv m s 标准中心距12( ) / 2 1 0 7a m z z m m 齿宽1 1 0 0 . 8db d m m给 b=100轮齿宽 2 =100轮齿宽 )105(21 105式 6材 )得 112F F a S a Y Yb d m查表 教材）应力修正系数 齿形系数 小轮1 小轮1 大轮2 大轮2 重合度 1 1 2 21 / 2 t a n t a n t a n t a 7 0 4a a az a a z a a 重合度系数 0 . 2 5 0 . 7 5 / 0 . 6 9 1dm=d126dv m s a 107mm b=100b100b105 1 2 2 a 18 计 算 及 说 明 结 果 故211 1 1112 1 2 . 4 /F F a S Y N m mb d m 12 2 2212 5 . 4F F a S Yb d m 2/N 根圆直径 1 1 4 . 3 5d h m m 22 2 1 8 4 . 0 5d h m m 顶圆直径 2 0 4 . 3d h m m 七、轴 的设计计算 轴的设计 （一） 已知 n=1420r/ T= T =T/2= 1. 求作用在齿轮上的力（斜齿） 圆周力1112 0 d向力 t a n 0 . 1 6c o F 向力 t a n 0 . 1 7向力 / ( c o s c o s ) 0 . 4 8 8n t F 2F 119 计 算 及 说 明 结 果 圆周力1向力11 初步确定轴的最小直径。公式30 教材 ) 初选轴的材料为 45#，调质处理。查表 材）0A=110，得 3m 为要在最小轴径处开联轴器固定键槽，故最小轴径应加大 3% 1 m i 0 3 1 4 d d m m输入轴的最小直径是安装联轴器处的直径。选取联轴器的型号。联轴器的计算转矩公式为 T K T（ 11） 查表 14材），取 =m 根据m 及电动机轴径 D=28标准用 弹性套柱销联轴器。确定轴最小直径5 轴的结构设计 拟定轴上零件的装配方案。经分析比较，选用如图所示的装配方案 0A=110 20 计 算 及 说 明 结 果 4112436604122126 134（ 1） 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1） 联轴器采用轴肩定位 ，查 轴器尺寸可知I 42因联轴器采用轴肩定位，肩高 2） 有前面传动方案分析知，初选深沟球轴承。根据30 组游隙， 0级公差的深沟球轴承 61907， 故V V =35） 取37据小斜齿齿宽取 =764） 由 于 箱 体 内 壁 到 轴 承 座 孔 端 面 的 距 离1 1 2 ( 5 1 0 )L C C 材） ，取1L=45用凸缘式轴承盖，则53） 选定齿轮端面到箱体内壁的距离为 16 根据角接触球轴承尺寸标准可知=25 承多出轴外端面3=2 25） 根据总的传动方案，参考大小斜齿齿宽及中速轴上直齿齿宽选定 =115半联轴器与轴的周向定位采用普通 C 型平键连接，按I 25 = 42查 1095b h l=8733 校核： 4）绘制轴的弯矩图与扭矩图 21 计 算 及 说 明 结 果 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力F 12470N 12190N 弯矩 7260N 3570N 总弯矩M M = 扭矩 T T=19570N 当量弯矩 22() T=材）取 =1 根据扭力弯矩图确定危险面并根据上表对危险截面进行校核，以及轴单向旋转，扭转切应力 为脉动循环变应力，取=的计算应力 W 已选定轴的材料为 45钢，调质处理，查表 材），得 1=60此 1，故轴安全。 （二）中速轴的设计与校核 已知 T = ， n =281r/1求作用在齿轮上的力 22 计 算 及 说 明 结 果 2121106N，21130N 3 32d =33ta n 2 0=1069 N 轴上力的方向如下图所示 初步确定轴的最小直径 初步确定轴的最小直径，方法同上，选取轴的材料为 45钢，调质处理。查 表 材），取0A=110 ，于是得 A3 nP该轴的最小直径为安装轴承处的直径，参考 0轴的结构设计 （ 1）拟定轴上零件的装配方案，如图 （ 2）确定轴的各段直径和长度 1）根据0I 30承与齿轮 1， 3之间采用挡油环定位，取 =36轮 1 与齿 23 计 算 及 说 明 结 果 轮 2之间用套筒定位，取=42齿轮 2与 3之间采用轴环定位，查阅资料取 h=5则=52查资料知两齿轮之间间隙为 10算得出L 取=10502 则 52）根据 283步选取 0组游隙， 0级公差的，则取 = 3）轴上零件的周向定位 齿轮的周向定位都采用普通 查 10951、 b h L=10840 2、 b h L=10870、 b h L=10830速轴的校核： 4）绘制轴的弯矩图与扭矩图 载荷 水平面 H 垂直面 V 24 计 算 及 说 明 结 果 支反力F 122矩 总弯矩M M = 扭矩 T T=93950N 按弯扭合成应力校核轴的强度 根据扭力弯矩 图确定危险面，并根据上表对危险截面进行校核，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取=的计算应力 22() 已选定轴的材料为 45钢，调质处理，查表 材）得 1 =60此 1 ，故轴安全。 （三）低速轴（轴 设计 已知 T =359000 1求作用在轴上的力 43 431055N 2初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢调质处理。查表 材）取0A=110，于是得 A3 nP 该轴的最小直径为安装联轴器处的直径，根据 为 取轴孔直径 d=62轴孔长度 L=84轴的最小直径0轴的结构设计 （ 1）拟定轴上零件的装配方案。经比较，选取如下图所示的方案 25 计 算 及 说 明 结 果 57232125113349 （ 2）根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 1）取 d - = d - =40L - = L - =81虑到避免干涉现象，联轴器采用套筒定位。因此取 d -=43轴器外部用轴端挡圈固定。 2）查 选 d - =d - =45）轴承采用嵌入式端盖定位。考虑到端盖的轴肩定位，取 d - =60. 4）考虑到齿轮采用轴肩定位，给 d - =55L -=1007轮的另一端采用轴套定位。给 d -=50）因为箱体内壁轴的长度应相等，根据结构图，确定 L - = - =）参考轴承宽度，以及轴承到箱体内壁的距离取 - =25）轴上零件的周向定位 齿轮，半联轴器采用普 C 连接，轴的周向定位采用普 1、 3： b h L=161060 2： b h L=14950 校核： 4）绘制轴的弯矩图与扭矩图 26 计 算 及 说 明 结 果 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力F 122矩 02664N 总弯矩M M = 扭矩 T T=306860N 按弯扭合成应力校核轴的强度 根据上表对危险截面进行校核，以及轴单向 旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取 =的计算应力 22() 已选定轴的材料为 45钢，调质处理，查表 材）得 1 =60此 1 ，故轴安全。 八、轴承的选择和校核计算 已知轴承的预计寿命为 000h 1输入轴承 的选择与计算 由轴的设计知，初步选用深沟球轴承，由于受力对称，只需要计算一个，其受力2211，=3 ，转速 n=1420r/）查 深沟球轴承的基本额定动载荷 C=9500N，基本额定 27 计 算 及 说 明 结 果 静载荷0C=6800N 2）求轴承当量动载荷 P 因为，径向载荷系数 X=1，轴向载荷系数 Y=0，因工作情况平稳，查表 13材），取 P=228 3）验算轴承寿命 61060=849000h 定使用角接触球轴承7007轴 由轴 步选用角接触球轴承 7010于受力对称，故只需要校核一个。其受力， =10/3， n=281r/）查 =19500N，基本额定静载荷0C=18200N 2）求轴承当量动载荷 P 因为，径向载荷系数 X=1，轴向载荷系数 Y=0，因工作情况平稳，查表 13材），取 P=）验算轴承寿命 61060 66000000h定使用角接触轴承 7010 3输出轴上的轴承选择与计算 由轴的设计知，初步选角接触球轴承 7010 型，由于受力对称，只