毕业论文设计---单级圆柱齿轮减速器的优化设计.doc

摘要减速器是各类机械设备中广泛应用的传动装置。传统的减速器设计一般通过反复的试凑、校核确定设计方案,虽然也能获得满足给定条件的设计方案,但一般不是最佳的。论文通过设计变量的选取、目标函数和约束条件的确定,建立了单级圆柱齿轮减速器的优化设计的数学模型,最后借助matlab的优化工具箱进行了优化计算,给出了优化设计程序,得到了优化参数。一级圆柱齿轮减速机是位于原动机和工作机之间的机械传动装置。常用的减速器已标准化和规格化，用户可根据各自的工作条件进行选择。合理的传动方案不仅应满足工作机的性能要求，而且还要工作可靠、结构简单紧凑加工方便、成本低、传动效率高以及使用和维护方便。关键词：减速器 轴承 齿轮 机械传动 圆柱齿轮减速装置abstract: the reduction gear is in each kind of mechanical device the widespread application transmission device.the traditional reduction gear design through repeatedly tries to collect, the examination determination design proposal generally, although also can obtain assigns the condition satisfiedly the design proposal, but is not generally best.the paper through the design variable selection, the objective function and the constraint condition determination, has established the single stage cylindrical gears reduction gear optimized design mathematical model, finally drew support from matlab the optimized toolbox to carry on the optimized computation, has given the optimized design procedure, obtained the optimized parameter.the level cylindrical gears speed reducer is located between the prime mover and the working machine mechanical drive.the commonly used reduction gear has standardized with the standardization, the user may act according to respective working condition to carry on the choice. not only the reasonable transmission plan should satisfy the working machine the performance requirement, moreover also must work reliable, the structure simple compact processing convenient, the cost low, the transmission efficiency high as well as uses and maintains conveniently.key word: reduction gear bearing gear mechanical drive cylindrical gears decelerating device一传动方案的总体设计（一）机器常由原动机、传动装置和工作机三部分组成。合理的传动方案不仅应满足工作机的性能要求，而且还要工作可靠、结构简单紧凑加工方便、成本低、传动效率高以及使用和维护方便。因此，设计时应注意优先保证重点，并统筹兼顾其它条件。传动方案常用运动简图表示。运动简图明确地表示了组成机器的原动机、传动装置和工作机三者之间的运动和动力传递关系，而且为传动装置的设计提供了重要依据。分析和选择传动机构的类型及组合，合理布置传动顺序，是拟定传动方案的重要环节，通常应考虑以下几点：（1） 带传动 由于其承载能力较低，在传递相同转矩时，结构尺寸较其它传动形式大，但运动平稳，能吸振缓冲，因此被广泛应用于传动系统的高速级。（2） 链传动 运动不平稳，有冲击，宜布置在传动系统的低速级。（3） 斜齿圆柱齿轮传动 平稳性较直齿圆柱齿轮传动好，相对可用于高速级。（4） 锥齿轮传动 因锥齿轮加工较困难，故一般放在高速级，并限制其传动比。（5） 蜗杆传动 传动比大承载能力较齿轮传动低，故常布置在传动装置的高速级，获得较小的结构尺寸和叫高的齿面相对滑动速度，以便于形成液体动压润滑油膜，提高承载能力和传动效率。（6） 开式齿轮传动 其工作环境一般较差，润滑条件不好，故寿命较短，宜布置在传动装置的低速级。（7） 改变运动形式的机构（8） 传一、传动方案拟定（二）传动方案拟定第二组第三个数据：设计带式输送机传动装置中的一级圆柱齿轮减速器（1） 工作条件：使用年限10年，每年按300天计算，两班制工作，载荷平稳。（2） 原始数据：滚筒圆周力f=1.7kn；带速v=1.4m/s；滚筒直径d=220mm。 运动简图（三）电动机的选择1、电动机类型和结构型式的选择：按已知的工作要求和 条件，选用 y系列三相异步电动机。2、确定电动机的功率：（1）传动装置的总效率：总=带2轴承齿轮联轴器滚筒=0.960.9920.970.990.95=0.86(2)电机所需的工作功率：pd=fv/1000总=17001.4/10000.86 =2.76kw3、确定电动机转速：滚筒轴的工作转速：nw=601000v/d=6010001.4/220=121.5r/min根据【2】表2.2中推荐的合理传动比范围，取v带传动比iv=24，单级圆柱齿轮传动比范围ic=35，则合理总传动比i的范围为i=620，故电动机转速的可选范围为nd=inw=（620）121.5=7292430r/min符合这一范围的同步转速有960 r/min和1420r/min。由【2】表8.1查出有三种适用的电动机型号、如下表方案 电动机型号 额定功率 电动机转速（r/min） 传动装置的传动比 kw 同转 满转 总传动比 带 齿轮1 y132s-6 3 1000 960 7.9 3 2.632 y100l2-4 3 1500 1420 11.68 3 3.89综合考虑电动机和传动装置尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，比较两种方案可知：方案1因电动机转速低，传动装置尺寸较大，价格较高。方案2适中。故选择电动机型号y100l2-4。4、确定电动机型号根据以上选用的电动机类型，所需的额定功率及同步转速，选定电动机型号为y100l2-4。其主要性能：额定功率：3kw，满载转速1420r/min，额定转矩2.2。二运动参数及动力参数计算1、计算各轴转速（r/min）ni=nm/i带=1420/3=473.33(r/min)nii=ni/i齿=473.33/3.89=121.67(r/min)滚筒nw=nii=473.33/3.89=121.67(r/min)2、 计算各轴的功率（kw） pi=pd带=2.760.96=2.64kw pii=pi轴承齿轮=2.640.990.97=2.53kw3、 计算各轴转矩td=9.55pd/nm=95502.76/1420=18.56n?m ti=9.55p2入/n1 =9550x2.64/473.33=53.26n?m tii =9.55p2入/n2=9550x2.53/121.67=198.58n?m三传动零件的设计计算1、 皮带轮传动的设计计算（1） 选择普通v带截型由课本1p189表10-8得：ka=1.2 p=2.76kwpc=kap=1.22.76=3.3kw据pc=3.3kw和n1=473.33r/min由课本1p189图10-12得：选用a型v带（2） 确定带轮基准直径，并验算带速由1课本p190表10-9，取dd1=95mmdmin=75dd2=i带dd1(1-)=395(1-0.02)=279.30 mm由课本1p190表10-9，取dd2=280带速v：v=dd1n1/601000=951420/601000 =7.06m/s在525m/s范围内，带速合适。（3） 确定带长和中心距初定中心距a0=500mmld=2a0+(dd1+dd2)/2+(dd2-dd1)2/4a0=2500+3.14(95+280)+(280-95)2/4450=1605.8mm根据课本1表（10-6）选取相近的ld=1600mm确定中心距aa0+(ld-ld0)/2=500+(1600-1605.8)/2=497mm (4) 验算小带轮包角1=1800-57.30 (dd2-dd1)/a=1800-57.30(280-95)/497=158.6701200（适用） （5） 确定带的根数单根v带传递的额定功率.据dd1和n1，查课本图10-9得 p1=1.4kwi1时单根v带的额定功率增量.据带型及i查1表10-2得 p1=0.17kw查1表10-3，得k=0.94；查1表10-4得 kl=0.99z= pc/(p1+p1)kkl=3.3/(1.4+0.17) 0.940.99=2.26 (取3根) (6) 计算轴上压力由课本1表10-5查得q=0.1kg/m，由课本式（10-20）单根v带的初拉力：f0=500pc/zv（2.5/k）-1+qv2=500x3.3/3x7.06(2.5/0.94-1)+0.10x7.062 =134.3kn则作用在轴承的压力fqfq=2zf0sin(1/2)=23134.3sin(158.67o/2)=791.9n2、齿轮传动的设计计算（1）选择齿轮材料与热处理：所设计齿轮传动属于闭式传动，通常齿轮采用软齿面。查阅表1 表6-8，选用价格便宜便于制造的材料，小齿轮材料为45钢，调质，齿面硬度260hbs；大齿轮材料也为45钢，正火处理，硬度为215hbs；精度等级：运输机是一般机器，速度不高，故选8级精度。(2)按齿面接触疲劳强度设计由d1 (6712kt1(u+1)/duh2)1/3确定有关参数如下：传动比i齿=3.89取小齿轮齿数z1=20。则大齿轮齿数：z2=iz1= 20=77.8取z2=78 由课本表6-12取d=1.1(3)转矩t1t1=9.55106p1/n1=9.551062.61/473.33=52660n?mm(4)载荷系数k : 取k=1.2(5)许用接触应力hh= hlim zn/shmin 由课本1图6-37查得：hlim1=610mpa hlim2=500mpa接触疲劳寿命系数zn：按一年300个工作日，每天16h计算，由公式n=60njtn 计算n1=60473.331030018=1.36x109n2=n/i=1.36x109 /3.89=3.4108查1课本图6-38中曲线1，得 zn1=1 zn2=1.05按一般可靠度要求选取安全系数shmin=1.0h1=hlim1zn1/shmin=610x1/1=610 mpah2=hlim2zn2/shmin=500x1.05/1=525mpa故得：d1 (6712kt1(u+1)/duh2)1/3=49.04mm 模数：m=d1/z1=49.04/20=2.45mm取课本1p79标准模数第一数列上的值，m=2.5(6)校核齿根弯曲疲劳强度 bb=2kt1yfs/bmd1确定有关参数和系数分度圆直径：d1=mz1=2.520mm=50mm d2=mz2=2.578mm=195mm齿宽：b=dd1=1.150mm=55mm取b2=55mm b1=60mm(7)复合齿形因数yfs 由课本1图6-40得：yfs1=4.35,yfs2=3.95 (8)许用弯曲应力bb根据课本1p116：bb= bblim yn/sfmin由课本1图6-41得弯曲疲劳极限bblim应为： bblim1=490mpa bblim2 =410mpa由课本1图6-42得弯曲疲劳寿命系数yn：yn1=1 yn2=1弯曲疲劳的最小安全系数sfmin ：按一般可靠性要求，取sfmin =1四轴的设计计算 从动轴设计 1、选择轴的材料 确定许用应力 选轴的材料为45号钢，调质处理。查2表13-1可知： b=650mpa,s=360mpa,查2表13-6可知：b+1bb=215mpa 0bb=102mpa,-1bb=60mpa 2、按扭转强度估算轴的最小直径 单级齿轮减速器的低速轴为转轴，输出端与联轴器相接，从结构要求考虑，输出端轴径应最小，最小直径为： dc 查2表13-5可得，45钢取c=118 则d118(2.53/121.67)1/3mm=32.44mm 考虑键槽的影响以及联轴器孔径系列标准，取d=35mm 3、齿轮上作用力的计算 齿轮所受的转矩：t=9.55106p/n=9.551062.53/121.67=198582 n 齿轮作用力： 圆周力：ft=2t/d=2198582/195n=2036n 径向力：fr=fttan200=2036tan200=741n 4、轴的结构设计 轴结构设计时，需要考虑轴系中相配零件的尺寸以及轴上零件的固定方式，按比例绘制轴系结构草图。 （1）、联轴器的选择 可采用弹性柱销联轴器，查2表9.4可得联轴器的型号为hl3联轴器：3582 gb5014-85 （2）、确定轴上零件的位置与固定方式 单级减速器中，可以将齿轮安排在箱体中央，轴承对称布置 在齿轮两边。轴外伸端安装联轴器，齿轮靠油环和套筒实现轴向定位和固定，靠平键和过盈配合实现周向固定，两端轴承靠套筒实现轴向定位，靠过盈配合实现周向固定 ，轴通过两端轴承盖实现轴向定位，联轴器靠轴肩平键和过盈配合分别实现轴向定位和周向定位 （3）、确定各段轴的直径将估算轴d=35mm作为外伸端直径d1与联轴器相配（如图），考虑联轴器用轴肩实现轴向定位，取第二段直径为d2=40mm齿轮和左端轴承从左侧装入，考虑装拆方便以及零件固定的要求，装轴处d3应大于d2，取d3=4 5mm，为便于齿轮装拆与齿轮配合处轴径d4应大于d3，取d4=50mm。齿轮左端用用套筒固定,右端用轴环定位,轴环直径d5满足齿轮定位的同时,还应满足右侧轴承的安装要求,根据选定轴承型号确定.右端轴承型号与左端轴承相同,取d6=45mm. (4)选择轴承型号.由1p270初选深沟球轴承,代号为6209,查手册可得:轴承宽度b=19,安装尺寸d=52,故轴环直径d5=52mm. (5）确定轴各段直径和长度段：d1=35mm 长度取l1=50mmii段:d2=40mm 初选用6209深沟球轴承，其内径为45mm,宽度为19mm.考虑齿轮端面和箱体内壁，轴承端面和箱体内壁应有一定距离。取套筒长为20mm，通过密封盖轴段长应根据密封盖的宽度，并考虑联轴器和箱体外壁应有一定矩离而定，为此，取该段长为55mm，安装齿轮段长度应比轮毂宽度小2mm,故ii段长：l2=（2+20+19+55）=96mmiii段直径d3=45mml3=l1-l=50-2=48mm段直径d4=50mm长度与右面的套筒相同，即l4=20mm段直径d5=52mm. 长度l5=19mm由上述轴各段长度可算得轴支承跨距l=96mm(6)按弯矩复合强度计算求分度圆直径：已知d1=195mm求转矩：已知t2=198.58n?m求圆周力：ft根据课本p127（6-34）式得ft=2t2/d2=2198.58/195=2.03n求径向力fr根据课本p127（6-35）式得fr=ft?tan=2.03tan200=0.741n因为该轴两轴承对称，所以：la=lb=48mm(1)绘制轴受力简图（如图a）（2）绘制垂直面弯矩图（如图b）轴承支反力：fay=fby=fr/2=0.74/2=0.37nfaz=fbz=ft/2=2.03/2=1.01n由两边对称，知截面c的弯矩也对称。截面c在垂直面弯矩为mc1=fayl/2=0.37962=17.76n?m截面c在水平面上弯矩为：mc2=fazl/2=1.01962=48.48n?m(4)绘制合弯矩图（如图d）mc=(mc12+mc22)1/2=（17.762+48.482)1/2=51.63n?m(5)绘制扭矩图（如图e）转矩：t=9.55（p2/n2）106=198.58n?m(6)绘制当量弯矩图（如图f）转矩产生的扭剪文治武功力按脉动循环变化，取=0.2，截面c处的当量弯矩：mec=mc2+(t)21/2=51.632+(0.2198.58)21/2=65.13n?m(7)校核危险截面c的强度由式（6-3） e=65.13/0.1d33=65.13x1000/0.1453=7.14mpa -1b=60mpa该轴强度足够。 主动轴的设计 1、选择轴的材料 确定许用应力 选轴的材料为45号钢，调质处理。查2表13-1可知： b=650mpa,s=360mpa,查2表13-6可知：b+1bb=215mpa 0bb=102mpa,-1bb=60mpa 2、按扭转强度估算轴的最小直径 单级齿轮减速器的低速轴为转轴，输出端与联轴器相接，从结构要求考虑，输出端轴径应最小，最小直径为： dc 查2表13-5可得，45钢取c=118 则d118(2.64/473.33)1/3mm=20.92mm 考虑键槽的影响以系列标准，取d=22mm 3、齿轮上作用力的计算 齿轮所受的转矩：t=9.55106p/n=9.551062.64/473.33=53265 n 齿轮作用力： 圆周力：ft=2t/d=253265/50n=2130n 径向力：fr=fttan200=2130tan200=775n 确定轴上零件的位置与固定方式 单级减速器中，可以将齿轮安排在箱体中央，轴承对称布置 在齿轮两边。齿轮靠油环和套筒实现 轴向定位和固定 ，靠平键和过盈配合实现周向固定，两端轴承靠套筒实现轴向定位，靠过盈配合实现周向固定 ，轴通过两端轴承盖实现轴向定位， 4 确定轴的各段直径和长度初选用6206深沟球轴承，其内径为30mm,宽度为16mm.。考虑齿轮端面和箱体内壁，轴承端面与箱体内壁应有一定矩离，则取套筒长为20mm，则该段长36mm，安装齿轮段长度为轮毂宽度为2mm。(2)按弯扭复合强度计算求分度圆直径：已知d2=50mm求转矩：已知t=53.26n?m求圆周力ft：根据课本p127（6-34）式得ft=2t3/d2=253.26/50=2.13n求径向力fr根据课本p127（6-35）式得fr=ft?tan=2.130.36379=0.76n两轴承对称la=lb=50mm(1)求支反力fax、fby、faz、fbzfax=fby=fr/2=0.76/2=0.38nfaz=fbz=ft/2=2.13/2=1.065n(2) 截面c在垂直面弯矩为mc1=faxl/2=0.38100/2=19n?m(3)截面c在水平面弯矩为mc2=fazl/2=1.065100/2=52.5n?m(4)计算合成弯矩mc=（mc12+mc22）1/2=（192+52.52）1/2=55.83n?m(5)计算当量弯矩：根据课本p235得=0.4mec=mc2+(t)21/2=55.832+(0.453.26)21/2=59.74n?m(6)校核危险截面c的强度由式（10-3）e=mec/（0.1d3）=59.74x1000/(0.1303)=22.12mpa-1b=60mpa此轴强度足够（7） 滚动轴承的选择及校核计算 一从动轴上的轴承根据根据条件，轴承预计寿命lh=1030016=48000h (1)由初选的轴承的型号为: 6209, 查1表14-19可知:d=55mm,外径d=85mm,宽度b=19mm,基本额定动载荷c=31.5kn, 基本静载荷co=20.5kn, 查2表10.1可知极限转速9000r/min （1）已知nii=121.67(r/min)两轴承径向反力：fr1=fr2=1083n根据课本p265（11-12）得轴承内部轴向力fs=0.63fr 则fs1=fs2=0.63fr1=0.63x1083=682n(2) fs1+fa=fs2 fa=0故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端fa1=fs1=682n fa2=fs2=682n(3)求系数x、yfa1/fr1=682n/1038n =0.63fa2/fr2=682n/1038n =0.63根据课本p265表（14-14）得e=0.68fa1/fr1e x1=1 fa2/fr248000h 预期寿命足够 二.主动轴上的轴承: (1)由初选的轴承的型号为:6206 查1表14-19可知:d=30mm,外径d=62mm,宽度b=16mm,基本额定动载荷c=19.5kn,基本静载荷co=111.5kn, 查2表10.1可知极限转速13000r/min 根据根据条件，轴承预计寿命lh=1030016=48000h （1）已知ni=473.33(r/min)两轴承径向反力：fr1=fr2=1129n根据课本p265（11-12）得轴承内部轴向力fs=0.63fr 则fs1=fs2=0.63fr1=0.63x1129=711.8n(2) fs1+fa=fs2 fa=0故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端fa1=fs1=711.8n fa2=fs2=711.8n(3)求系数x、yfa1/fr1=711.8n/711.8n =0.63fa2/fr2=711.8n/711.8n =0.63根据课本p265表（14-14）得e=0.68fa1/fr1e x1=1 fa2/fr248000h 预期寿命足够 轴力图：五键联接的选择及校核计算轴径d1=22mm,l1=50mm查手册得，选用c型平键，得：键a 87 gb1096-79 l=l1-b=50-8=42mmt2=48nm h=7mm根据课本p243（10-5）式得p=4t2/dhl=448000/22742=29.68mpar(110mpa)2、输入轴与齿轮联接采用平键联接轴径d3=35mm l3=48mm t=271nm查手册p51 选a型平键键108 gb1096-79l=l3-b=48-10=38mm h=8mmp=4t/dhl=4271000/35838=101.87mpap(110mpa)3、输出轴与齿轮2联接用平键联接轴径d2=51mm l2=50mm t=61.5nm查手册p51 选用a型平键键1610 gb1096-79l=l2-b=50-16=34mm h=10mm据课本p243式（10-5）得p=4t/dh六减速器箱体、箱盖及附件的设计计算1、减速器附件的选择通气器由于在室内使用，选通气器（一次过滤），采用m181.5油面指示器选用游标尺m12起吊装置采用箱盖吊耳、箱座吊耳.放油螺塞选用外六角油塞及垫片m181.5根据机械设计基础课程设计表5.3选择适当型号：起盖螺钉型号：gb/t5780 m1830,材料q235高速轴轴承盖上的螺钉：gb578386 m8x12,材料q235低速轴轴承盖上的螺钉：gb578386 m820,材料q235螺栓：gb578286 m14100，材料q235箱体的主要尺寸： (1)箱座壁厚z=0.025a+1=0.025122.5+1= 4.0625 取z=8 (2)箱盖壁厚z1=0.02a+1=0.02122.5+1= 3.45 取z1=8 (3)箱盖凸缘厚度b1=1.5z1=1.58=12 (4)箱座凸缘厚度b=1.5z=1.58=12 (5)箱座底凸缘厚度b2=2.5z=2.58=20 (6)地脚螺钉直径df =0.036a+12= 0.036122.5+12=16.41(取18) (7)地脚螺钉数目n=4 (因为a250) (8)轴承旁连接螺栓直径d1= 0.75df =0.7518= 13.5 (取14) (9)盖与座连接螺栓直径 d2=(0.5-0.6)df =0.55 18=9.9 (取10) (10)连接螺栓d2的间距l=150-200设计小结通过这次毕业论文设计，我发现了自己专业知识的很多不足，从中也体会到了艰辛，磨炼了我的耐心和意志。毕业论文设计需要不断的翻资料、看书，和同学们相互探讨。虽然过程很辛苦，有时还会有放弃的念头，但始终坚持下来，完成了设计，而且学到了，应该是补回了许多以前没学好的知识，同时巩固了这些知识，提高了运用所学知识的能力。 (11)轴承端盖螺钉直