机械设计课程设计-带式输送机用二级圆柱齿轮减速器的设计.doc

机械设计课程设计说明书目 录1 课程设计任务11.1 课程设计的目的11.2 课程设计要求11.3 课程设计的数据12 设计方案拟定及说明22.1 组成22.2 特点22.3 确定传动方案22.4. 选择二级圆柱直齿轮减速器（展开式）23 电动机选择33.1选择电动机的类型33.2 传动装置的总传动比及其分配53.3 计算传动装置的运动和动力参数54 齿轮的设计75 轴的拟定166 轴与滚动轴承的设计、校核计算187 键的设计计算及校核228 箱体结构的设计23结 论25参考文献261 课程设计任务1.1 课程设计的目的该课程设计是继机械设计课程后的一个重要实践环节，其主要目的是：（1）综合运用机械设计课程和其他先修课程的知识，分析和解决机械设计问题，进一步巩固和拓展所学的知识（2）通过设计实践，逐步树立正确的设计思想，增强创新意识和竞争意识，熟悉掌握机械设计的一般规律，培养分析问题和解决问题的能力。（3）通过设计计算、绘图以及运用技术标准、规范、设计手册等有关设计资料，进行全面的机械设计基本技能的能力的训练。1.2 课程设计要求1.两级减速器装配图一张（a0）；2.零件工作图两张(a3)；3.设计说明书一份。1.3 课程设计的数据课程设计的题目是：带式输送机用二级圆柱齿轮减速器的设计工作条件：使用期限8年，两班制连续工作，单向运转，载荷平稳，室内工作，清洁。减速器小批量生产，输送带速度允差5%。卷筒直径d=450mm，带速=0.26m/s, 带式输送机驱动卷筒的圆周力（牵引力）f=19kn。2 设计方案拟定及说明2.1 组成机器通常原动机、传动装置、工作机等三部分组成。传动装置位于原动机和工作机之间，用来传递运动和动力，并可以改变转速，转矩的大小或改变运动形式，以适应工作机功能要求。2.2 特点齿轮相对于轴承不对称分布，故沿轴向载荷分布不均匀，要求轴有较大的刚度。2.3 确定传动方案综合比较带式输送机的四种传动方案，下图的传动方案工作可靠、传动效率高、维护方便、环境适应性好。2.4. 选择二级圆柱齿轮减速器（展开式） 图2-1传动装置总体设计简图初步确定传动系统总体方案如:传动装置总体设计图所示。3 电动机选择3.1选择电动机的类型电动机选择包括选择类型、结构形式、容量（功率）和转速，并确定型号。3.1.1电动机类型和结构形式选择工业上一般用三相交流电源，无特殊要求一般应选三相交流异步电动机。最常用的电动机是y系列笼型三相异步交流电动机。其效率高、工作可靠、结构简单、维护方便、价格低，使用与不易燃、不易爆，无腐蚀性气体和无特殊要求的场合。由于启动性能较好，页适用于某些要求较高的启动转矩的机械。常用的是封闭式y（ip44）系列。3.1.2选择电动机容量选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。电动机容量主要由发热条件而定。电动机发热与工作情况有关。对于载荷不变或变化不大，且在常温下长期连续运转的电动机，只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算。这类电动机按下述步骤确定：1） 工作机所需功率工作机所需功率应由机器工作阻力和运动参数计算确定。已知输送带速度（m/s）与卷筒直径d（mm），则卷筒轴转速nw为：= r/min= (3-1) 已知带式输送机驱动卷筒的圆周力（牵引力）f(n)和输送带速（m/s），则卷筒轴所需功率为： = kw= kw 2) 电动机的输出功率 电动机至工作机主动轴之间的总效率，即： = 0.82 (3-2) 式中，正、为电动机至卷筒之间的各传动机构和轴承的效率，由表2-4查的其数值为：弹性联轴器 =0.99、滚动轴承 =0.99、圆柱齿轮传动 =0.97、卷筒滑动轴承 =0.96。 = kw=kw 2） 确定电动机额定功率根据计算出的功率可选定电动机的额定功率。应使等于或稍大于。故，按表jb/t10391-2008，选取电动机额定功率=7.5 kw。3.1.3电动机的转速选择常见同步转速为1000r/min、1500r/min的两种电动机。表3.1 方案对比表 方案电动机型 号额定功率（kw）电动机（r/min）电动机质量（kg）电动机装置的传动比同 步满 载总传动比1y132s2-27.530002900703042y132m-47.515001440811513y160m-67.51000970119102由表中数据可知方案一虽然电动机的转速高、价格低，但总传动比大。方案二与方案三比较，方案二传动比大，传动装置的结构尺寸较大。因此，采用方案三，选定的型号为y160m-6。3.1.4电动机的技术数据和外形、安装尺寸图3-1表3.2 方案对比表电动机型号habcdefgdgkabadachdaabbhaly160m16025421089428012837153252551653857027020600由表20-1、表20-2查出y160m-6型电动机的主要技术数据和外形、安装尺寸，并列上表。3.2 传动装置的总传动比及其分配对于二级圆柱齿轮减速器，为使两级的大齿轮有相近的浸油深度，高速级传动比和低速级传动比可按下列方法分配： (3-3) 总传动比为： 取高速级传动比=5.8，则低速级传动比为：= 4.4 所得值符合一般圆柱齿轮减速器传动比的常数范围。3.3 计算传动装置的运动和动力参数3.3.1 各轴转速n(r/min)传动装置的各轴转速为：=970 r/min 3.3.2 各轴输入功率p(kw)各轴输入功率分别为： =7.5kw =7.50.99 kw=7.425kw 3.3.3 各轴输入转矩t各轴的输入转矩分别为： 表3.3 方案对比表项目电动机高速轴中间轴低速轴转速（r/min）970970293.9497.98功率（kw）7.57.4256.9856.572转矩（）73.8473.10226.94640.57传动比9.933.3效率0.990.94080.88514 齿轮的设计本次课程设计我采用的是斜齿轮，斜齿轮的优点是，能提高齿轮啮合的重合度，使齿轮传动平稳，降低噪音，。提高齿根的弯曲强度，齿面的接触疲劳强度，但是斜齿轮会产生轴向力，可采用推力轴承进行消除。设计齿轮的要求是：（1）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；（2）齿面由较高硬度、耐磨性；（3）轮齿芯部要有足够的强度和韧度。故齿轮的设计按下述步骤：4.1高速级齿轮传动的设计计算1.选齿轮类型、材料、精度等级及齿数。（1）选择齿轮类型；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。（2）选择齿轮材料及热处理；高速级小齿轮选用钢调质后表面高频淬火，小齿轮齿面硬度为280hbs。大齿轮选用钢调制，齿面硬度为240hbs（3）选择齿轮精度等级；按gb/t100951998，选择7级。（4）选择齿轮齿数；、互为质数（相啮合齿对磨损均匀，传动平稳），闭式=2040，硬齿面故取小齿轮齿数=24，大齿轮齿数=243.3=79.2，取=79。传动比误差 iu3.29i0.0445，允许（5）选取螺旋角；初选螺旋角=。 2按齿面接触强度设计计算； （4-1）（1）确定公式内各参数的值:试选载荷系数=1.6查课本图10-30选取区域系数 z=2.433 由课本图10-26查得齿轮端面重合度 则由课本公式10-13计算应力值环数n=60nj =609701（2836510）h=3.398910h （4-2）n=(3.29为齿数比,即3.29=) （4-3）查课本图10-19查得接触疲劳寿命系数：k=0.91 k=1.0查课本表10-7查的齿轮的齿宽系数=1查课本表10-6查得弹性影响系数=189.8查课本图10-21查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600mpa；大齿轮的接触疲劳强度极限=550mpa。计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%,安全系数s=1,应用公式10-12得:=0.91600mpa=546 （4-4）=1.0550=550 （4-5）许用接触应力 （4-6）t=95.510=73.10 （4-7）(2)设计计算试算小齿轮的分度圆直径d，由计算公式得：=50.81mm （4-8）计算圆周速度。2.58m/s （4-9）计算齿宽b和模数。计算齿宽b： b=150.81mm=50.81mm （4-10）计算摸数m： = （4-11）计算齿宽与高之比。齿高h: h=2.25 =2.252.05mm=4.61 （4-12） =11.02 （4-13）计算纵向重合度。=0.318=1.903 （4-14）计算载荷系数ka)查课本表10-2查得使用系数=1b)根据,7级精度,(互换性表10-10)； 查课本由图10-8得动载系数k=1.09；查课本由表10-4得接触疲劳强度计算用的齿向载荷分布系数k=1.42c)查课本由表10-13得: k=1.35查课本由表10-3 得: k=1.4故载荷系数:k k k k=2.17 （4-15）按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径d=d=50.81=56.24 （4-16）计算模数= （4-17）3按齿根弯曲疲劳强度设计由弯曲强度的设计公式 （4-18）确定公式内各计算数值 计算载荷系数kkkk=1.01.091.41.352.06 （4-19）螺旋角系数根据纵向重合度=1.8236，从课本图10-28查得螺旋角影响系数=0.88计算当量齿数 （4-20） （4-21） 查取齿形系数和应力校正系数查课本由表10-5得:齿形系数2.592 2.205 应力校正系数1.596 1.778 作寿命两班制，10年，每年工作365天小齿轮应力循环次数:n=3.398910h 大齿轮应力循环次数: n= 查课本由表10-20c得到弯曲疲劳强度极限小齿轮 大齿轮查课本由图10-18得弯曲疲劳寿命系数:k=0.85 k=0.88 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 s=1.4。= （4-22）= （4-23）计算大、小齿轮的并加以比较 （4-24） （4-25）大齿轮的数值大.所以选用大齿轮. 设计计算 计算模数 （4-26）对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，按gb/t1357-1987圆整为标准模数,取m=2mm，已可满足弯曲疲劳。但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径51.077来计算应有的齿数.于是由:=27.28 （4-26） 取=27,那么=3.327=89 4. 几何尺寸计算1 计算中心距 a=119.6 （4-27）将中心距圆整为120按圆整后的中心距修正螺旋角=arccos （4-28）因值改变不多,故参数,等不必修正.2 算大、小齿轮的分度圆直径d=55.86 （4-29）d=184.14 （4-30）计算齿轮宽度= （4-31）圆整后取 4.2低速级齿轮传动的设计计算1.选齿轮类型、材料、精度等级及齿数。（1）选择齿轮类型；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。（2）选择齿轮材料及热处理；高速级小齿轮选用钢调质后表面高频淬火，小齿轮齿面硬度为280hbs。大齿轮选用钢调制，齿面硬度为240hbs（3）选择齿轮精度等级；按gb/t100951998，选择7级。（4）选择齿轮齿数；、互为质数（相啮合齿对磨损均匀，传动平稳），闭式=2040，硬齿面故取小齿轮齿数=24，大齿轮齿数=243=72，取=72。传动比误差 iu3i0.0345，允许（5）选取螺旋角；初选螺旋角=。 2按齿面接触强度设计计算； （4-41）（1）确定公式内各参数的值:试选载荷系数=1.6查课本图10-30选取区域系数 z=2.433 由课本图10-26查得齿轮端面重合度 则 课本公式10-13计算应力值环数n=60nj =60293.941（2836510）h=1.029910h （4-42）n=(3为齿数比,即3=) （4-43） 课本图10-19查得接触疲劳寿命系数：k=1.0 k=1.08查课本表10-7查的齿轮的齿宽系数=1查课本表10-6查得弹性影响系数=189.8查课本图10-21查得小齿轮的接触疲劳强度极限=600mpa；大齿轮的接触疲劳强度极限=550mpa。计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%,安全系数s=1,应用公式10-12得:=1.0600mpa=600 （4-44）=1.08550=594 （4-45）许用接触应力 （4-46） t=95.510=226.94 （4-47）(2)设计计算试算小齿轮的分度圆直径d，由计算公式得：=mm （4-48）计算圆周速度。1.09m/s （4-49） 算齿宽b和模数。计算齿宽b： b=170.55mm=70.55mm （4-50）计算摸数m： = （4-51） 算齿宽与高之比。齿高h: h=2.25 =2.252.85mm=6.4125 （4-12） =11 （4-13）计算纵向重合度。=0.318=1.903 （4-54）计算载荷系数ka)查课本表10-2查得使用系数=1b)根据,7级精度,(互换性表10-10)； 查课本由图10-8得动载系数k=1.04；查课本由表10-4得接触疲劳强度计算用的齿向载荷分布系数k=1.42c)查课本由表10-13得: k=1.35查课本由表10-3 得: k=1.4故载荷系数:k k k k=11.091.41.42=2.17 （4-55） 实际载荷系数校正所算得的分度圆直径=d=70.55=76.87 （4-56）计算模数= （4-57）3按齿根弯曲疲劳强度设计由弯曲强度的设计公式 （4-58）确定公式内各计算数值 计算载荷系数kkkk=11.041.41.351.97 （4-59） 螺旋角系数根据纵向重合度=1.903，从课本图10-28查得螺旋角影响系数=0.88计算当量齿数 （4-60） （4-61） 查取齿形系数和应力校正系数 查课本由表10-5得:齿形系数2.592 2.218 应力校正系数1.596 1.768 工作寿命两班制，8年，每年工作365天小齿轮应力循环次数:n=1.02998h 大齿轮应力循环次数: n= 1.0148h 查课本由表10-20c得到弯曲疲劳强度极限小齿轮 大齿轮 查课本由图10-18得弯曲疲劳寿命系数:k=0.88 k=0.9 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 s=1.4。= （4-62）= （4-63）计算大、小齿轮的并加以比较 （4-64） （4-65）大齿轮的数值大.所以选用大齿轮. 设计计算 计算模数 （4-66）对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，按gb/t1357-1987圆整为标准模数,取m=2.5mm，已可满足弯曲疲劳。但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径76.87来计算应有的齿数.于是由:=37 （4-66） 取=37,那么=111. 4. 几何尺寸计算1 计算中心距 a=152.5 （4-67）将中心距圆整为153按圆整后的中心距修正螺旋角=arccos （4-68）因值改变不多,故参数,等不必修正.2 算大、小齿轮的分度圆直径d=95.62 （4-69）d=286.38 （4-70）计算齿轮宽度b= （4-71）圆整后取 5.轴的拟定5.1联轴器的设计及选择5.1.1类型选择联轴器的类型根据工作要求选定。联接电动机与减速器高速轴的联轴器，由于轴的转速较高，一般应选用具有缓冲、吸振作用的弹性联轴器，例如弹性套柱销联轴器，弹性柱销联轴器。减速器低速轴与工作机联接用的联轴器，由于轴的转速较低，传递的转矩较大，又因为减速器轴与工作机轴之间往往有较大的轴线偏移，因此常选用刚性可移式联轴器。5.1.2联轴器的设计计算5.1.2.1高速轴的联轴器的选择已知=7.425kw =970r/min =73100nmm；选取轴的材料为45钢，调制处理；查机械设计课程设计得电动机型号为y160m-6的d=42mm。查课本表15-3，取=126，所以得高速轴的最小直径处算为： = （5-1）联轴器的计算转矩查课本,选取,所以转矩为: （5-2）因为计算转矩小于联轴器公称转矩,所以查机械设计课程设计，选取hl3联轴器型弹性套柱销联轴器其公称转矩为315nm。所以高速轴的最小直径为25mm.hl2联轴器gb5014-85 主动端=28mm，y型轴孔，l=62mm,a型键槽； 从动端=25mm,y型轴孔，l=62mm，a型键槽。5.1.2.2低速轴的联轴器的选择已知=6.572kw =97.98r/min =640570nmm；选取轴的材料为45钢，调制处理；查课本表15-3，取=112，所以得高速轴的最小直径处算为： = 45.5 （5-3）联轴器的计算转矩查课本,所以转矩为: （5-4）因为计算转矩小于联轴器公称转矩,所以查机械设计课程设计，选取hl4联轴器型弹性套柱销联轴器其公称转矩为1250nm。所以低速轴的最小直径为48mm.hl448112联轴器gb5401-85 主动端=48mm，j型轴孔，l=112mm,a型键槽； 从动端=48mm,j型轴孔，l=112mm，a型键槽。5.2初选滚动轴承的类型及轴的支承形式按照对轴系轴向位置的不同限定方法，轴的支承结构可分为三种基本型式，即两端固定支承，常用两个安装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，两个轴承各限制轴载一个方向的轴向移动；一端固定、一端游动支承，用于跨距较大且工作温度较高的轴，其热伸长量大；两端游动支承，对于一对人字齿轮本身的相互轴向限位作用，它们的轴承内外圈的轴向紧固应设计成只保证其中一根轴向相对机座由过顶的轴向位置，而另一根轴上的两个轴承都必须是游动的以防止卡死或人字齿的两侧受力不均匀。普通齿轮减速器，其轴的支承跨距较小，常采用两端固定支承。因为采用斜齿轮轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，轴承内圈在轴上可用轴肩或套筒作轴向定位，轴承外圈用轴承盖作轴向固定。在设计时应注意留有适当的轴向间隙，以补充工作时轴的热伸长量。对于可调间隙的角接触球轴承，则可利用调整垫片或螺纹件来调整轴承游隙，以保证轴系的游动和轴承的正常运转。5.3轴承盖的结构轴承盖的作用是固定轴承、承受轴向载荷。密封轴承座孔、调整轴系位置和轴承间隙等。采用凸缘式轴承盖。5.4滚动轴承的润滑本次设计轴承采用油润滑，当利用箱体内传动件溅起的油润滑轴承时，通常在箱座的凸缘面上开设导油沟，使飞溅到箱盖内壁上的油经过导油沟进入轴承，所以在箱座上开设导油沟。5.5确定齿轮位置和箱体内壁线箱座壁厚=8mm；1=15mm;2=16mm;3=7mm; 4=20mm;7=20mm;=60mm; =197mm; =317mm.256、轴与滚动轴承的设计、校核计算6.1低速轴的设计1.已知=6.572kw =97.98r/min =640570nmm；选取轴的材料为45钢，调制处理；轴的最小直径是联轴器的直径，所以低速轴的最小直径确定为48mm。2.求作用在齿轮上的力已知低速级大齿轮的分度圆直径为=286.38而 f= （6-1） f= f （6-2） f= ftan=4541tan142400n1172.6n （6-3）3.轴的结构设计（1）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足半联轴器的要求的轴向定位要求,-轴段右端需要制出一轴肩,故取-的直径;左端用轴端挡圈定位,按轴端直径取挡圈直径半联轴器与，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴端上, 故-的长度应比 略短一些,现取初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30312型，其尺寸为,故;而 .右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位.由手册上查得30312型轴承定位轴肩高度mm, 取安装齿轮处的轴段;齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位.已知齿轮的宽度为95mm,为了使套筒端面可靠地压紧齿轮,此轴段应略短于轮毂宽度,故取. 齿轮的右端采用轴肩定位,轴肩高度h=5,取.轴环宽度,取b=10mm. 轴承端盖的总宽度为32.5mm(由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脂的要求,取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离 ,故取. 取齿轮距箱体内壁之距离a=16,两圆柱齿轮间的距离4=20mm.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3, 3=8mm;已知滚动轴承宽度b=33.5,高速齿轮轮毂长l=95,则 至此,已初步确定了轴的各端直径和长度。传动轴总体设计结构图如图6-1至图6-3所示: 图6-1 低速轴图6-2 高速轴图6-3 中间轴6.2中间轴的校核1.求作用在齿轮上的力已知中间轴大齿轮的分度圆直径为=184.23 =95.46 f=1991.92n =747.48n =499.97n=4541n =1707.44n =1165.07n2.从轴的载荷分析图可以判断 危险截面在b处，现将计算出的截面b处的、 的值列于下表表6.1 对照表载荷水平面h垂直面v支反力f(n)=2972 =1502=1909 =-226弯矩m(nmm)=215470=138403=-32433总弯矩扭矩t(nmm )6405706. 按弯曲扭转合成应力校核轴的强度根据：=mpa （6-4）前已选轴材料为45钢，调质处理。查课本表15-1得=60mp 此轴合理安全中间轴的载荷分析图: 7.键的设计计算及校核选择键联接的类型和尺寸一般8级以上精度的尺寸的齿轮有定心精度要求，应用平键.根据 中间轴：d=35mm d=35mm 低速轴： d=48mm查课本表6-1取：中间轴：14x9x80 16x10x40低速轴：18x11x80校和键联接的强度 查课本表表6-2得 =110120mp取=110mpa键工作长度中间轴： 80-14=56 40-16=24低速轴：80-18=62 与轮毂键槽的接触高度中间轴： k=0.5 h=9 k=0.5 h=10 mpa mpa低速轴：k=0.5 h=11 两者都合适取键标记为： 中间轴：键2：1480a gb/t1096-79 键2：1640 a gb/t1096-79低速轴：键3：1880 a gb/t1096-798.箱体结构的设计减速