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目 录 摘 要 . I . 绪 论 . 1 究背景及意义 . 1 内外研究及发展现状 . 1 圆弧齿轮减速器的优点 . 2 2 总体方案及参数的选择 . 4 计要求 . 4 动方案的选择 . 4 动机的选择 . 6 择电动机类型 . 6 择电动机容量 . 6 择电动机转速 . 7 动比计算 . 7 算总传动比 . 7 配各级传动比 . 7 动和动力参数技术 . 8 轴转速 . 8 轴输入功率 . 8 轴转矩 . 8 3 带、齿轮传动的设计与校核 . 10 传动的设计 . 10 带的基本参数 . 10 轮结构的设计 . 12 速级齿轮传动设计 . 12 择材料、精度及参数 . 12 抗弯曲疲劳强度计算齿轮模数 . 13 定齿轮传动参数 . 14 算齿根弯曲疲劳强度 . 15 算齿面接触疲劳强度 . 17 何尺寸计算 . 18 速机齿轮传动设计 . 19 择材料、精度及参数 . 19 抗弯曲疲劳强度计算齿轮模数 . 19 定齿轮传动参数 . 20 算齿根弯曲疲劳强度 . 21 算齿面接触疲劳强度 . 23 何尺寸计算 . 23 4 轴及附件的设计与校核 . 25 的设计 . 25 入轴的设计 . 25 间轴的设计 . 27 出轴的设计 . 28 承的选择与校核 . 31 入轴轴承 . 31 间轴轴承 . 32 出轴轴承 . 33 的选择与校核 . 33 入轴与带轮的键 . 33 轮 2 与中间轴的键 . 34 轮 3 与轴的键 . 34 减速器附件设计及润滑密封 . 35 速器附件设计 . 35 润滑与密封 . 35 车装置的设计 . 38 总 结 . 39 参考文献 . 40 致 谢 . 41 I 摘 要 随着石油钻采工业的迅速发展，对于钻采设备的要求也就越来越高，减速器作为采油设备的一个重要组成部分也急需得到了相应的改进和提高。圆弧齿轮传动是一种新型齿轮传动，在冶金、矿山、起重运输机械以及高速传动中得到广泛的应用。圆弧齿轮是一种以圆弧做齿形的斜齿（或人字齿）轮。双圆弧齿轮减速器 主要由 输入轴、中间轴、输出轴、圆弧齿轮、轴承、键等 构成。 本次设计首先，通过对 圆弧齿轮传动减速器 结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；接着，对主要技术参数进行 了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过 图软件绘制了 双圆弧齿轮减速器 装配图及主要零部件图。 通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。 关键词 ： 圆弧齿轮 ， 减速器 ，轴 ，设计 of is as an in of is a is in is a or is of an an an is by on in on of of to a of is of of be to on of in 绪 论 1 1 绪 论 究 背景及 意义 近年来，随着石油钻采工业的迅速发展，对于钻采设备的要求也就越来越高。因此，作为采油设备的一个重要组成部分 减速器，也得到了相应的改进和提高。为提高采油效率，设计更加合理而精密的减速器成为当务之急。设计出一款与之相匹配的减速器，在动力传输，轴承润滑等方面做出更好的改进，使之更加合理，经济。 本毕业设计是 “ 列常规抽油机模块化设计 ” 研究项目的一部分，它的完成为该项目提供重要的基础依据；同时，培养学生的工程设计能力，掌握双圆弧齿轮设计的一些基本知识。 通过设计，提高分析问题解 决问题的能力。通过设计加深了对所学知识的认识和理解，为进一步开拓专业知识创造条件，锻炼了动手动脑的能力，通过实践运用巩固了所学知识，加深了解其基本原理。 内外研究 及发展 现状 改革开放以来，我国引进一批先进的加工装备。通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关，开始掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度都有较大的提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从79 60 的 8 9 级提高到 88 的 6 级，高速齿轮的制造精度可稳定在 45 级。部分减速器采用 硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了大幅度的提高，对节能和提高主机的总体水平起到明显的作用。从 1988 年以来，我国相继制定了 50齿轮和蜗杆减速器的标准，研制了许多新型减速器，这些产品大多数达到了 20 世纪 80 年代的国际水平。目前，我国可设计制造 28001700 轧钢机的各种齿轮减速器。各种棒材、线材轧机用减速器可全部采用硬齿面。但是，我国大多数减速器的水平还不高，老产品不可能立即被替代，新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。 近十几年来，计算机技术、信息技 术、自动化技术在机械制造中的广泛应用，改变了制造业的传统观念和生产组织方式。一些先进的齿轮生产企业已经采用精益生产、敏捷制造、智能制造等先进技术形成了高精度、高效率的智能化齿轮生产线和双圆弧齿轮减速器设计 2 计算机网络化管理。适应石油钻采工业要求的新产品开发，关键工艺技术的创新竞争，产品质量竞争以及员工技术素质与创新精神，是 2l 世纪企业竞争的焦点。在 2l 世纪成套机械装备中齿轮仍然是机械传动的基本部件。由于计算机技术与数控技术的发展，使得机械加工精度、加工效率太为提高，从而推动了机械传动产品多样化，整机配套的模块化、标准化，以及 造型设计艺术化，使产品更加精致。 床和工艺技的发展，推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中的电子控制、液压传动。齿轮、带链的混合传动，将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。在传动设计中的学科交叉，将成为新型传动产品发展的重要趋势。 总之，当今世界各国减速器及齿轮技术发展总趋势是向六高、二低、二化方面发展。六高即高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率：二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化。减速器和齿轮的设计与制造技术的发展，在一定程度上标志着一个国家的工业水平，因此， 开拓和发展减速器和齿轮技术在我国有广阔的前景，对于石油这个重工业来说更是迫不及待。 圆弧齿轮减速器的优点 圆弧齿轮传动是一种新型齿轮传动，在冶金、矿山、起重运输机械以及高速传动中得到广泛的应用。 圆弧齿轮是一种以圆弧做齿形的斜齿（或人字齿）轮。圆弧齿轮传动可分为单圆弧齿轮和双圆弧齿轮传动两种形式。对于单圆弧齿轮，通常小齿轮做成凸齿。为加工方便，一般法面齿形做成圆弧，两端面齿形只是近似的圆弧。 工作时，从一个端面看，先是主动轮齿的凹部推动从动轮齿的凸部，离开后，再以它的凸部推动对方的凹部，故双圆弧齿轮 传动在理论上同时有两个接触点，经跑合后，这种传动实际上有两条接触线，因此可以实现多对齿和多点嚙合。此外，由于其齿根厚度较大，双圆弧齿轮传动不仅承载能力比单圆弧齿轮传动约高 30以上，而且传动较平稳，振动和噪声较小，并且可用同一把滚刀加工相配对的两个齿轮。因此。高速重载时，双圆弧齿轮传动有取代单圆弧齿轮传动的趋向。 其齿廓形状，具有比渐开线齿轮高得多的承载能力。渐开线齿轮是两个凸齿面相接触，综合曲率半径很小，接触应力很大，接触强度低，齿面上容易出现疲劳点蚀。 圆弧齿轮传动是凸凹齿面接触，齿面的综合曲率半径比渐 开线齿轮大许多倍，所1 绪 论 3 以接触强度有很大提高。 双圆弧齿轮的齿形参数可以灵活设计，齿腰和齿根的厚度可按强度要求调节，加之齿根用一段大圆弧连接，这扰非常有利于轮齿弯曲强度的提高。 圆弧齿轮啮合传动时，因其运动特性，接触区以很高的滚动速度沿齿宽方向移动。当 a =10* 时，滚动速度是圆周速度的 75 倍，齿面间容易形成油膜。早在 1960 年 际齿轮会议上曾指出圆弧齿轮的主要优点之一是润滑性能良好，油膜厚度为渐开线齿轮的 10 倍。此外，齿面间的滑动速度很小，综合起来，啮合摩擦损失减小 50 60%,磨损减少 2/3 3/4。 渐开线齿轮滑动速度沿齿高不同，离节线越远，速度愈大。因而引起不同的磨损程度而导致齿形变化，使啮合传动质量恶化。圆弧齿轮滑动速度沿齿高方向均等，所以，齿面磨合时，啮合齿廓更趋于圆弧，有良好的跑合性能。齿面的跑合磨损无损于齿形精度，而且圆弧齿轮的跑合工艺，实际上起到了装配后的对研精加工工艺的作用。 综上所述圆弧齿轮能有效地提高承载能力。 双圆弧齿轮减速器设计 4 2 总体方案及参数 的 选择 计要求 设计技术参数要求如下： （ 1）总传动比（ i）： 27 31 （ 2）齿轮模数（ m）：第一级 6 8、第二级 9 11 （ 3）减速器的额定扭矩： 640000/73 （ 4）最高输出轴转速（ n）： 12 （ 5）传递的功率（ P） 23 75 6）同类减速器的主要构件的几何尺寸、与减速器相关的国家标准、 准及易损件、标准件图样 动方案的选择 抽油机减速器是一种承受重复交变载荷、长期连续运转的减速装置。减速器常用的分布方案有展开式，同轴式，分流式以及对称分流式，现分别对四种方案加以 对比分析。 （ 1） 对称分流式 （图 2 图 2动方案 1 示意图 该方案结构复杂，由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布较均匀，轴承受载较均匀。中间轴危险截面上的转矩只想当于轴所传递转矩的一半，使用与变载荷的场合。与分流式相比，输出轴危险截面上的转矩是轴所传递转矩的一半。 （ 2） 分流式 （图 2 2 总体方案及参数选择 5 图 2动方案 2 示意图 该方案结构复杂，由于齿轮相对于轴承对称布置，与展开式相比载荷沿齿宽分布较均匀，轴承受载较均匀。中间轴危险截面上的转矩只想当于轴所传递转矩的一半，使用与 变载荷的场合。 （ 3） 展开式 （图 2 图 2动方案 3 示意图 该方案结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不固定，因此要求轴有交大的刚度。高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩作用下产生的扭转变形和在载荷作用下产生的弯曲变形可部分互相抵消，以减缓沿齿宽分布不均匀的现象。用于载荷比较平衡的场合。 （ 4） 同轴式 （ 2 图 2动方案 4 示意图 该方案减速器的横向尺寸较小，两对齿轮侵入油中深度大致相同。但轴向尺寸大双圆弧齿轮减速器设计 6 和重量较大，且中间轴较长，刚度差，沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力 难于充分利用。 抽油机减速器是一种承受重复交变载荷、长期连续运转的减速装置。抽油机由电动机驱动，电动机 1 皮带 2 将动力传入减速器 3，在输出端带动曲柄工作。由于抽油机工作时的载荷变化大，传动系统中采用两级对称分流式双圆弧圆柱齿轮减速器结构，高速级齿轮相对于轴承位置对称，沿齿宽载荷分布较均匀，高速级和低速级均为人字齿双圆弧圆柱齿轮传动。通过比较知选择传动方案 1 如图 2 动机的选择 择电动机类型 按已知工作条件和要求，选用 Y 系列一般用途的三相异步电动机 择电动机容量 （ 1）减 速器输出功率 w 0出 （ 2 已知最高输出轴转速（ n） 12r/此处取输出 轴 转速为： 8r/公式（ 2 2） 电动机至减速器之间传动装置的总效率为 321 2 3 （ 2 1 ， 2 ， 3 分别为皮带，轴承及齿轮传动的效率， 1 2 30 . 9 6 0 . 9 8 0 . 9 7 ; ， ， 由公式（ 2 3 2 3 21 2 3 0 . 9 6 0 . 9 8 0 . 9 7 = 0 . 8 5 （ 3） 确定电动机的额定功率 p （ 2 电动机的输出功率 可由公式（ 2到： 2 总体方案及参数选择 7 7 1 . 9 3 W 选定电动机的额定功率 75W 择电动机转速 输出轴转速 ： 8r/传动系统为分流式圆柱齿 轮传动，查阅教材表18知 传动比为 23i =27 31， 带传动推荐传动比为 1 2 4i ， 则总传动比可取54 至 124 之间 ， 则电动机转速的可选范围为 154 54 8=432r/2124 124 8=992r/见同步转速为 750r/000r/这里初选 这 两 种电动机进行比较 ,由参考文献 1中表 16得： 表 2 方案 电动机型号 额定 功率 （ 电动机转速 n/(r/堵 转 转 矩额 定 转 矩最 大 转 矩额 定 转 矩 质量/步转速 满载转速 1 5 1000 980 50 2 5 750 740 008 由表中数据，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量，价格以及总传动比，即选定方案 2，即，选取的电机型号为： 动比 计算 算总传动比 由参考文献 1中表 16得： 满载转速 740 r/传动比 /n n =740/8= 分配各级传动比 查阅参考文献 1机械设计课程设计中表 2配各级传动比 为了 保证结构的紧凑性取 V 带传动的传动比为： 1 3i 则减速器的传动比为： 23 3 0 i i i 双圆弧齿轮减速器设计 8 取高速级的圆柱齿轮传动比 2 (1 1 低速级的圆柱齿轮的传动比为 3i 5 动和动力参数 技术 轴转速 电动机轴为电机轴 0，减速器高速级轴为轴 1，中速轴为轴 2 低速级轴为轴 3，则 0n = 740r/1 1740 2 4 6 . 6 73nn i r/2 2 4 0 / m i 23 3 8nn ir/ 各轴输入功率 11 7 1 . 9 3 0 . 9 6 6 9 . 0 5 K W 2 1 2 3 6 6 . 3 2P P K W 3 2 2 3 6 3 . 6 9P P K W 轴转矩 9550 PT n （ 2 由公式（ 2 311 16 9 . 0 59 5 5 0 9 5 5 0 2 . 6 7 3 1 02 4 6 . 6 7 2 总体方案及参数选择 9 22 9550 2PT n=10 33339 5 5 0 7 6 . 0 3 1 0 将轴的运动参数汇总于下表以备查用 ： 表 2轴动力参数 轴名 功率 P（ 转矩 T（ 转速 n（ r/ 传动比 效率 电机轴 0 740 3 入轴 10 间轴 10 40 5 出轴 10 8 双圆弧齿轮减速器设计 10 3 带 、 齿轮传动 的 设计 与校核 传动的设计 带的基本参数 1）确定计算功率 已知： ； 40 rn m ； 查机械设计基础表 13工况系数： K ； 则： 2）选取 V 带型号： 根据cP、械设计基础图 13用 C 型 V 带 , 3）确定大、小带轮的基准直径1）初选小带轮的基准直径： d 2001 ； （ 2）计算大带轮基准直径： 8 ）（）（带 ； 圆整取 标准系列 d 6002 ，误差小于 5%，是允许的。 4）验算带速： )25,5(/ 0 060 0 060 1 带的速度合适。 5）确定 V 带的基准长度和传动中心距： 中心距： )(2)(1021 初选中心距 000 （ 2）基准长度： 3 带、齿轮传动的设计与校核 11 00600()600200()(22202122100对于 A 型带选用 d 3250 （ 3）实际中心距： 952 3260325010002 00 6）验算主动轮上的包角 1 ： 由 1 8 0121 得 00600(1801 主动轮上的包角合适。 7）计算 V 带的根数 z ： c)( 00 40 rn m ， d 2001 查机械设计基础表 13： ； （ 2） 3m 4 0 带， m，查表得： ； （ 3）由 查表得，包角修正系数 K （ 4）由 d 1600 ，与 V 带型号 A 型查表得： 99.0综上数据，得 6(z 取 106z 合适。 8）计算预紧力 0F （初拉力）： 根据带型 A 型查机械设计基础表 13： 双圆弧齿轮减速器设计 12 2 02209）计算作用在轴上的压轴力 0其中 1 为小带轮的包角。 10） V 带传动的主要参数整理并列表： 带型 带轮基准直径 (传动比 基准长度 (C 2001 6002 3 3250 中心距（ 根数 初拉力 (N) 压轴力 (N) 995 6 带轮结构的设计 1）带轮的材料： 采用铸铁带轮（常用材料 2）带轮的结构形式： V 带轮的结构形式与 V 带的基准直径有关。小带轮接电动机， d 2001 较大 ，所以采用 孔板 式结构带轮。 速级齿轮传动设计 择材料、精度及参数 （ 1） 按图 2示传动方案，选用圆弧圆柱齿轮传动 ； 3 带、齿轮传动的设计与校核 13 （ 2）抽油机为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度 ； （ 3） 材料选择。选择 大 小齿轮材料为 45（调制） ； （ 4） 初选小齿轮齿数 1 18Z ，则大齿轮齿数 2Z 18= 2 111;Z ； 采用人字齿；暂定 25 ；选取齿宽系数 ； 抗弯曲疲劳强度 计算 齿轮模数 （ 1）抽油机减速器属于中等振动 ， 暂取 K= （ 2）根据材料种类及硬度确定齿轮的疲劳极限 由图 3查得 ： 小齿轮 li m 1 525F M P a 由图 3查得 ： 大齿轮 li m 2 410F M P a 由图 3查得 ： li m 1 860H M P a 由图 3查得 ： li m 2 700H M P a v 3ZZ= （ 3 由公式（ 3 ： 1 1 = 1 8 / 0 . 7 4 4 2 4 . 1 8c o s 查图 3 由 公式（ 3 ： 2 = 1 1 1 / 0 . 7 4 4 1 4 7 . 7 7c o s 查图： 3， 查图 3： = 1 4 5 . 7 8 / 2 3 . 8 9 6 . 1 0 , 1 . 0 2 3Y 查表 3： 查表 3： 25Y = F li m N m i n （ 3 由公式（ 3 ： 双圆弧齿轮减速器设计 14 F l i m 1 N 1 X 1F P 1F m i nF l i m 2 N 2 X 2F P 2F m i = 5 2 5 1 1 / 1 . 6 3 2 8= 4 1 0 1 1 / 1 . 6 2 5 6 a 计算式应取（ 11/F ）（ 22/F ）中之大值代入计算 12 t a n()22a （ 3 a 由公式（ 3 ： 12t a n t a n( ) ( 0 . 5 / 2 ) ( 1 8 1 1 0 ) 2 . 3 7 5 ;2 2 6 . 2 82 , 0 . 3 7 5 , K = 0 ;a 因 齿 端 修 薄总的纵向重合度 2 = 2 . 3 7 5 2 = 4 . 7 5 人字齿单侧齿宽承担二分之一的载荷 3 31T 2 . 6 7 3 1 0T = = N . m = 1 . 3 3 7 1 0 N . 113 2 . 5 8 ) ( )2 E u F E n Y Y （ 3 由公式（ 3 113 2 . 5 8 5 83m ( ) ( )21 . 3 3 7 1 0 1 . 7 2 . 0 5 3 1 . 0 2 3 0 . 7 7 5 1 . 8 3 1()2 2 0 1 8 2 5 64 . 8 1E u F E n Y Y 设计要求：齿轮模数（ m）第一级 6 8，故取 定齿轮传动参数 122 c o z （ 3 由公式（ 3 ： 3 带、齿轮传动的设计与校核 15 12 6 1 8 1 1 1 4 2 7 ;2 c o s 2 c o s 2 5nm z za m m 取 a=427 12a r c c o s 2nm z （ 3 由公式（ 3 12 6 1 2 9a r c c o s a r c c o s 2 52 8 5 4nm z （ 3 由公式（ 3 11 1 8 6 1 1 9 . 1 6c o s c o s 2 5m m 22 1 1 1 6 7 3 4 . 8 4c o s c o s 2 5m m （ 3 由公式（ 3 2 . 3 7 5 3 . 1 4 1 6 1 0 5 . 9 1s i n s i n 2 5m m ， 取 b=105 验算齿根弯曲疲劳强度 查表 3，抽油机工作中等振动， ； 60 1000 （ 3 由公式（ 3 11 3 . 1 4 1 9 8 . 4 3 6 1 4 5 . 7 8 0 . 7 5 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s 查图 3： 1 . 0 27 级 精 度 时 ， ； 双圆弧齿轮减速器设计 16 查图 3， 0 0= = = 1 . 0 2 / K = 1 . 1 0d 9 8 . 4 3 6 ，； 查表 3，按七级精度， 查图 3， 5 . 7 8u = = 6 . 1 0 Y = 1 . 0 2 32 3 . 8 9 时 ， ；查图 3， = 2 3 . 8 9 5 Y = 0 . 7 6 5 ， ； 查图 3， 131 8 1 8Z = 2 3 . 5 6c o s ( 0 . 9 1 4 3 ) 0 . 7 6 4z ；231 1 0 1 1 0Z = 1 4 3 . 9 8c o s ( 0 . 9 1 4 3 ) 0 . 7 6 4z ；查表 3，锻钢 0 . 1 4EE n 2 . 5 0 3 M P 1 K = 0齿 端 修 薄 ， ， ；小齿轮的齿根应力 10 . 8 6A V 1 2 8 51T K K K K= ( )2 E u F E n dF Y Y YK z m （ 3 使 用 系 数 动 载 系 数 1 载 荷 分 配 系 数 Y 弯 曲 弹 性 系 数 u FY 弯 曲 齿 数 比 系 数 Y 齿 形 系 数 由公式（ 3 10 . 8 6A V 1 2 8 51T K K K K= ( )2 E u F E n dF Y Y YK z m 0 . 8 632 . 5 81 0 5 0 1 0 1 . 5 1 . 0 2 1 . 1 0 1 . 1 0 2 . 0 5 3 1 . 0 2 3 0 . 7 6 5 2 . 1 3 1 1 6 4 ;2 3 0 1 8 5 M P a 大齿轮的齿根应力 为： 22111 . 8 2 51 6 4 1 4 0 . 52 . 1 3Y M P 小齿轮的应力循环次数 ： 7116 0 6
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