毕业设计（论文）-基于准平行环面蜗杆的舞台灯具架提升机装置设计（含全套CAD图纸） .doc

本科学生毕业设计 准平行环面蜗杆提升机设计 全套完整版全套完整版 cadcad 图纸，联系图纸，联系 153893706153893706 系部名称： 机电工程系 专业班级：机械设计制造及其自动化081 学生姓名： 指导教师： 职 称： 教 授 二一二年六月 the graduation design for bachelors degree design of circular worm gear reducer candidate: specialty: mechanical design在分度机构或手动机构中，传动比可 达 300；若只传递运动，传动比可达 1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构 很紧凑。 2. 在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮 合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。 3. 当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动更具有自锁性。 4. 蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工 作条件不够良好时，会产生较严重的磨擦和磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶 化。因此磨损较大，效率低；当蜗杆传动具有自锁性时，效率仅为 0.4 左右。同时由 于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮，以便与钢制的蜗杆配对组合成减磨 性良好的滑动摩擦剂。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 根据蜗杆分度曲面的形状，蜗杆传动可以分成三大类：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆 传动、锥蜗杆传动。 蜗杆分度曲面是圆环内表面的一部分，蜗杆轴线平面内理论齿廓为直线的蜗杆传 动称为直廓环面蜗杆传动，俗称“球面蜗轮传动”。它始于 1921 年的美国造船业，其 代表产品是美国 cone drive，50 年代起在我国得到推广应用。与普通圆柱蜗杆传 动相比，这种蜗杆同时包容齿数多，双线接触线形成油膜条件好，两齿面接触线诱导 法曲率半径大。因此，承载能力是相同中心矩普通蜗杆的 1.53 倍（小值适应于小 中心矩，大值适应于大中心矩） 。在传递同样功率时，中心矩可缩小 20%-40%。由于 性能优良，美国、日本、俄罗斯等国都将这种传动作为动力传动中的主要形式之一广 泛使用。美国生产产品系列中心矩为 151320；速比为 5343000；最高传动效率 可达 97%。我国经过 40 年的研究和发展，目前这种蜗杆的生产品种也十分可观，最 大中心矩可达到 1200；最少齿数比为 5；蜗杆头数达 6；最高传动效率可达 94%。 这种蜗杆传动分为“原始型”和“修整型”两种。 “原始型”直廓环面蜗杆的螺旋齿面的形 成为：一条与成形圆相切、位于蜗杆轴线平面内的直线，在绕成形圆的圆心作等角速 的旋转运动的同时，又与成形圆一起围绕蜗杆的轴线作等角速的旋转运动，这条直线 在空间形成的轨迹曲面，就是直廓环面蜗杆的齿面。由于蜗杆齿面的发生线是直线刀 刃，蜗杆螺旋面是直线刀刃形成的不可展直纹面而不是由包络产生的，难以实现磨削， 这种蜗杆制造钢筋工艺比较复杂，不易获得高精度的传动，这是直廓环面蜗杆传动的 主要缺点。 “修整型”直廓环面蜗杆螺旋面的形成，基本上与“原始型”相同，不同之处在于加 工时根据设计要求的修形曲线，将加工参数加以改变。一般常用的有：变位异速修形 和变速比修形两种工艺方法。变位异速修形方法就是在加工蜗杆时，刀具位置及固定 传动比不同于蜗杆副工作时的位置及速比。变速比修形方法则是加工时瞬时传动比按 一定规律变化。用修形加工方法加工的蜗杆与由修形滚刀加工成的蜗轮组成“修整型” 直廓环面蜗杆传动，消除了蜗轮齿面中部棱线接触，不仅改善了装配条件，减少了误 差敏感性，更重要的是：与“原始型”蜗杆传动比较，接触区扩大，形成油膜条件好， 包容齿数间载荷有平均作用，因而其承载能力、啮合性能和传动效率均较“原始型”高。 准平行啮合线二次包络环面蜗杆中蜗轮滚刀是可铲背可磨削的，蜗轮齿面没有脊 线，运动不会产生干涉。工装和理论相吻合。和同类蜗杆相比，它还具有以下几个特 点： 1. 瞬时接触线和相对运动速度方向夹角稳定，且接近 90 度。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 2. 蜗轮齿面是用铲背滚刀制造加工而成，因此蜗轮齿面接触面大、质量稳定。 3. 同时参加啮合的蜗轮齿数多，一般可达为蜗杆齿数） 。 2 2 ( 9 z z 4. 蜗轮齿面无脊线，传递运动时不会产生干涉。 因此这种蜗杆传动承载功率大，动压油涵稳定传动、噪声低、平衡温度低等特征。 由以上分析可以看出，虽然普通齿轮减速器具有效率高，工作可靠，寿命长，传 动比稳定等优点，但是不具备设计条件中重点要求的自锁性，所以不能选用；故我选 择准平行啮合线环面蜗杆减速器3。 2.4 本章小结 本章主要说明了减速器的主要作用，发展趋势，分类以及特点。重点介绍了齿轮 减速器和蜗轮蜗杆减速器。通过分析比较齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器的特点，使我 们了解到准平行啮合线环面蜗杆减速器具有的其它减速器所不具备的很多优点。 第 3 章 电动机的选择 根据设计要求并结合以上分析，我们在设计中采用准平行啮合线环面蜗杆减速器。 具体设计方案是：选用的电动机输出转速是 940r/min，由凸缘联轴器将电动机轴 和准平行啮合线环面蜗杆减速器的输入轴相联接，经过减速器的减速，电动机输出的 转速降为 18.8r/min，再有凸缘联轴器将减速器的输出轴与滚筒轴联接，将减速器输 出轴的转速传给滚筒，滚筒转动带动绕在其上面的钢丝绳旋转，由钢丝绳提起具有一 定质量的灯具。设计方案如图 3.1 提升机设计结构方案所示。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 1 电动机 2 联轴器 3 蜗轮蜗杆减速器 4 联轴器 5 滚筒 图 3.1 提升机设计结构方案 3.1 初选电动机类型和结构型式 电动机是专门工厂批量生产的标准部件，设计时要根据工作机的工作特性、电源 种类(交流或直流)、工作条件(环境温度、空间位置等)、载荷大小和性质(变化性质、 过载情况等)、起动性能和起动、制动、正反转的频繁程度等条件来选择电动机的类 型、结构、容量(功率)和转速，并在产品目录中选出其具体型号和尺寸。 电动机分交流电动机和直流电动机两种。由于生产单位一般多采用三相交流电源， 因为此，无特殊要求时均应选用三相交流电动机，其中以三相异步交流电动机应用最 广泛。根据 不同防护要求，电动机有开启式、防护式、封闭自扇冷式和防爆式等不 同的结构型式。 y 系列三相笼型异步电动机是一般用途的全封闭自扇冷式电动机，由于其结构 简单、工作作可靠、价格低廉、维护方便，因此广泛应用于不易燃、不易爆、无腐蚀 性气体和无特殊要求的机械上，如金属切削机床、运输机、风机、搅拌机等。对于经 常起动，制动正反转的机械，如起重、提升设备，要求电动机具有较小的转动惯量和 较大过载能力，应选用冶金及起重用三相异步电动机 yz 型(笼型)或 yzr 型(绕线型)。 电动机的容量(功率)选择的是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 容量选得过小，不能保证工作机正常工作，或使电动机因超载而过早损坏；而容量选 得过大，则电动机的价格高，能力又不能充分利用，而且由于电动机经常不满载运行， 其效率和功率因数较低，增加电能消耗而造成能源的浪费。电动机的容量主要根据电 动机运行时的发热条件来决定4。 由以上的选择经验和要求，我选用：三相交流电 y 系列笼型三相异步交流电动 机。 3.2 电动机的容量 1. 确定提升机所需的功率 p 由滚筒圆周力和滚筒速度 v, 见公式（3.2）2f pw=fv/1000 （3.2） 式中 (n)fgmg m提升重量，m=450kg， n450 9.84410f s 9 0.15/ 60 vm s 带入数据得 = 0.826875 kw w p 2. 确定传动装置效率 传动装置的效率由以下的要求： (1) 轴承效率均指一对轴承而言。 (2) 同类型的几对运动副或传动副都要考虑其效率，不要漏掉。 (3) 蜗杆传动的效率与蜗杆头数 z1有关，应先初选头数后， 然后估计效率。 此外，蜗杆传动的效率中已包括了蜗杆轴上一对轴承的效率，因此在总效率的计 算中蜗杆轴上轴承效率不再计入。 各传动机构和轴承的效率为： 法兰效率： 1 0.98 设计中，电动机与减速器相连的法兰，相当于一个 凸缘联轴器 一级环面蜗杆传动效率: 7 . 0 2 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 一对滚动轴承传动效率： 3 0.98 凸缘联轴器效率： 98 . 0 4 从电动机至工作机主动轴之间的总效率 故传动装置总效率： ， 2 1234 2 0.98 0.7 0.980.980.646 电动机的输出功率 d p 考虑传动装置的功率损耗，电动机输出功率 d p w p 则： kw d p w p 0.826875 1.3 0.646 3.3 电动机的技术数据 根据计算的功率可选定电动机额定功率，取同步转速 1000，6 级minr 选用 y100l6 三相异步电动机2,其主要参数如下 电动机额定功率： =1.5kw； 0p 电动机满载转速： =940 nminr 电 流 ： i=3.97a 电动机外形和安装尺寸为： e=60mm h=100mm a=160mm b=140mm c=63mm k=12mm ab=205mm ad=180mm ac=105mm hd=245mm 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 aa=40mm bb=176mm 3.4 本章小结 本章通过对电动机的介绍，说明了电动机的作用，分类及特点。并通过比较选定 了三相交流电 y 系列笼型三相异步交流电动机。通过计算确定了电动机的功率，进 而选择了电动机的型号，得到了电动机的主要参数。 第 4 章 减速器部件的选择计算 4.1 蜗杆传动设计计算 4.1.1 传动装置的传动比及动力参数计算 1. 总传动比及滚筒初定 由于选定转速比为： i50/1 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 所以滚筒转速 940/50=18.8 nminr 从而，滚筒直径： d mm，圆整为 155 mm 1000v n 9 1000 152.46 18.8 2. 传动装置运动参数的计算 （1）各轴功率计算 =kw 1 p 0 p 1 1.5 0.981.47 =kw 21 pp 2 2 3 2 1.47 0.70.980.97 （2）各轴转速的计算 n 940， 1 min r n n940/50=18.8 2滚筒 minr （3）各轴输入扭矩的计算 nm 1 t 1 1 p1.47 9550955014.93 n940 nm 2 t 2 2 p0.97 95509550492.74 n18.8 综合以上计算有表 4.1 各参数列表。 表 4.1 各参数列表 轴 名功率 kw转速minr扭矩 nm 蜗杆轴1.4794014.93 蜗轮轴0.9718.8492.74 4.1.2 选择蜗杆、蜗轮材料 1. 选择蜗杆传动的类型 采用准平行环面蜗杆传动. 2. 选择蜗杆、蜗轮材料，确定许用应力 考虑蜗杆传动中，传递的功率不大，速度只是中等，根据2表 52，蜗杆选用 40cr，因希望效率高些，耐磨性好故蜗杆螺旋齿面要求：调质 hb265285.蜗轮选用: 铸锡磷青铜 zqsn10-1，金属模铸造，为了节约贵重有色金属，仅齿圈用锡磷青铜制 造，轮芯用灰铸铁 ht100 制造，蜗轮材料的许用接触应力 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 =190 h 2 /n mm 蜗轮材料的许用弯曲应力 =44 2 f 2 /n mm 4.1.3 确定蜗杆头数 z 及蜗轮齿数 z 12 选取 z 1 1 则 z z i15050 21 故取 z 50 2 4.1.4 验算滚筒的速度 实际传动比 i50/1 工作机滚筒转速 n940/50=18.8 滚筒 minr 钢丝绳的提升速度 = 3.14dn/1000=3.1415518.8/1000=9.15m/min v 速度误差 1.671.53.53.51010 粘度值 2 40( ) mm s 612414506288352198242 iso-vg 或 gb-n 级 680460320220 由于蜗杆的滑动速度为 2m/s，所以润滑油的粘度选为 460 6.2 润滑方式的选择 由于所设计减速器采用蜗杆下置式传动，且转速不高，故选择浸油润滑。蜗杆浸 油深度 h11 个螺牙高，但不高于蜗杆轴轴承的最低滚动体的中心。 润滑时，传动件的浸入油中的深度要适当，既要避免搅油损失过大，又保证充分 的润滑，油池应保持一定的深度和贮油量15。 6.3 本章小结 本章说明了减速器润滑及密封的重要性，介绍了润滑油及润滑方式的选择方法。 并对本次设计选择了润滑油粘度即 460，润滑方式即浸油润滑。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 40 第 7 章 减速器的安装使用及维护 7.1 减速器的安装 1. 减速器输入轴直接与原动机连接时，根据设计要求推荐采用凸缘联轴器；减 速器输出轴与工作机联接时，根据设计要求推荐采用凸缘联轴器，联轴器不得用锤击 装在轴上 2. 减速器应牢固地安装在稳定的水平基础上，油槽的油应能排除，且冷却空气 循环流畅。 3. 减速器、原动机和工作机之间必须仔细对中，其误差不得大于所用联轴器的 许用补偿量 4. 减速器安装好后用手转动必须灵活，无卡死现象蜗杆和蜗轮轴承的轴向间 隙应符合技术要求规定 5. 安装好的减速器在正式使用前，应进行空转，部分额定载荷间歇运转 13h 后可正式运转，运转应平稳、无冲击、无异常振动和噪声及漏油等现象16。 7.2 减速器的使用和维护 7.2.1 减速器润滑油的更换 1. 减速器第一次使用时，当运转 150300h 后须更换润滑油，在以后的使用中应 定期检查油的质量对于混入杂质或变质的油须及时更换。一般情况下，对于长期连 续工作的减速器，每 5001000h 必须换油一次对于每天工作时间不超过 8h 的减速 器，每 12003000h 换油一次 2. 减速器应加入与原来牌号相同的油不得与不同牌号的油相互混用牌号相 同而粘度不同的油允许混合使用 3. 在换油过程中，蜗轮应使用与运转时相同牌号的油清洗(用煤油损害密封件， 并影响润滑油的性能） 。 4. 工作中，当发现油温超过 80 度或油池温度超过 100 度及产生不正常的噪声等 现象时，应停止使用，检查原因如围齿面胶合等原因所致，必须排除故障，更换润 滑油后，方可继续运转16。 7.2.2 减速器检修 减速器应定期检修如发现擦伤、胶合及显著磨损，必须采用有效措施制止或予 黑龙江工程学院本科生毕业设计 41 以排除备件必须按标准制造，更新的备件必须经过跑合和负荷试验后才能正式使用。 7.2.3 减速器维护 用户应有合理的使用维护规章制度，对减速器的运转情况和检验中发现的问题应 作认真记录 7.3 本章小结 本章详细说明了减速器的安装，使用和维护，减速器使用一定时间以后应注意更 换润滑油，并应按照使用维护规章制度定期检修与维护减速器，以保证减速器的正常 可靠使用，并延长其使用寿命。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 42 第 8 章 卷筒和钢丝绳的选择 8.1 卷筒的选择 8.1.1 选择提升机卷筒的原则是： 钢丝绳在卷筒上缠绕时，不会产生很大的弯曲应力，从而延长钢丝绳的使用寿命。 基于这一点，对卷筒直径 d 和钢丝绳直径 d 的比值做了如下的规定： d/d80 根据计算选择卷筒的直径17。 8.1.2 卷筒的宽度 b 应能容纳以下几部分钢丝绳： 1提升高度 h 2钢丝绳试验长度 3为减少钢丝绳在滚筒固定处的张力所留的三圈摩擦圈。 4当钢丝绳做双层缠绕时，每两个要错动 1/4 圈，根据钢丝绳使用年限，一般 取错绳圈数 n=2 到 4 圈18。 所以卷筒宽度应满足公式(8.1)的要求： (8.1)）（）（ dn d h b cp 3 30 式中 绳圈之间的间隙 卷筒平均缠绕直径 cp d 8.1.3 提升机最大静张力及最大静张力差的验算 为了保证提升机有足够的强度，还必须验算所选提升机的最大静张力 t（它影响 卷筒的强度和主轴的强度）及最大静张力差（它影响主轴的强度）应使之满足如t 下公式（8.2）： （8.2） phqt phqqt 式中 q次提升量（公斤） q”容器自重（公斤） 黑龙江工程学院本科生毕业设计 43 p 每米钢丝绳重量（公斤/米） 根据使用和设计要求，在设计中我选用的卷筒结构如图 8.1 所示： 图 8.1 卷筒 t 和可由提升机产品规格表中查得。如果验算不通过，则须重设计提升机。t 卷筒的作用主要是通过联轴器和减速机相连，把减速机传递给它的转速转化成绕 在它上面的钢丝绳的线速度。卷筒主要有卷筒，卷筒端盖组成，使用中根据所提升灯 具的重量不同而选择不同型号的卷筒19。 8.2 卷筒端盖的选择 卷筒端盖的结构如图 8.2： 黑龙江工程学院本科生毕业设计 44 图 8.2 卷筒端盖 8.3 钢丝绳的选择 钢丝绳和卷筒相连，将卷筒的转速转化为线速度，下端和灯具相连，是直接提起 灯具的设备，在设计中要充分考虑安全性。 根据设计要求和所选的卷筒并考虑安全性，在设计中选用截面直径为 4mm 的钢 丝绳20。 8.4 本章小结 本章主要通过计算设计了卷筒的结构，并选择了卷筒端盖的结构，确定了钢丝绳 的直径。从而完成了本次设计中所有部件的选择及校核。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 45 结 论 在这次设计中，我根据自己所掌握的知识，根据设计要求对提升机中最关键的部 分减速器的结构尺寸和运动参数以及润滑密封做了比较合理的设计计算。并且合理的 设计了卷筒和支架，使其能够安全可靠的工作。为了对提升机有一个更全面的认识， 还介绍了提升机的安全性能，使用维护等方面的内容。 设计中我通过查阅大量资料，选择了平面二次包络环面蜗杆这种传动方式，因为 这种蜗杆传动具有承载功率大，噪声低、平衡温度低、效率高，工作可靠，寿命长， 传动比稳定等优点，重点是具有设计要求的自锁性，所以采用这种传动极大的提高了 传动的性能和工作效率。 由于提升机工作中发热较大，在今后的设计中应在蜗杆轴上装有风扇，在箱体上 装有水平方向散热片。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 46 参考文献 1程乃士.减速器和变速器设计与选用手册m.北京：机械工业出版社，2006. 2朱龙根.简明机械零件设计手册m.北京：机械工业出版社，2010 3王文斌.机械工程手册（传动设计）m.北京：机械工业出版社，2009. 4林中钦.机械工程手册（连接与紧固）m.北京：机械工业出版社，2009. 5李元科.机械工程手册（滚动轴承）m.北京：机械工业出版社，2009. 6张春林.机械工程手册（密封件、密封与润滑）m.北京：机械工业出版社，2009. 7阮忠唐.联轴器、离合器设计与选用指南m.北京：化学工业出版社，2006. 8吴宗泽.起重运输机械零部件、操作件和小五金m.北京：机械工业出版社，2007. 9韩晓娟.机械设计课程设计m.北京：机械工业出版社，2010. 10孔凌嘉.机械基础综合课程设计m.北京：北京理工大学出版社，2007. 11孙驯方、方孝淑.材料力学m.北京：高等教育出版社，2008 12王铎.理论力学m.北京：高等教育出版社，20010 13机械设计手册委员会编.机械设计手册m.北京：机械工业出版社，2003 14许镇宇.提升机的发展与应用j.中国机械，2009（3） 15吴宗泽.机械零件m.北京：中央广播电视大学出版社，2008 16张质文，中国机械协会工作报告j.中国机械，2010（11） 17徐灏，机械设计手册m.北京:机械工业出版社，2003 18王世刚，张秀亲，苗淑杰，机械设计实践m.哈尔滨：哈尔滨工程大学生出版社， 2003 19吴相宪 王正为.实用机械设计手册m.北京：中国矿业大学出版社，2003 20rajput r k.elements of mechanical engineering.katson publ.house,2009 21collacot r a.mechanical fault diagnosi and condition monitoring.london:chapman and hall,2009 黑龙江工程学院本科生毕业设计 47 致 谢 本次设计即将结束，在此期间，我学到了很多知识，使一些基础知识在用于实践 过程中加以了巩固和提高，同时较圆满的完成了设计任务，这些有赖于指导教师的不 倦教诲，再次表示衷心感谢。 我的设计题目是“准平行环面蜗杆的舞台灯具提升机的设计”。以前我们对这种设 备的了解比较少。为了丰富自己的实践知识，在设计以前，我查阅了大量资料。这些 实践工作奠定了我设计提升机的基础，虽然在设计中遇到了许多困难和障碍，但经过 与同学的讨论和孟兆生老师的细心指导，最后在我的努力下，终于完成了本次毕业设 计任务。 四年的学习工作过程中，知识面的学习和良好工作态度的形成得益于各位老师的 言传身教，全体老师忘我的敬业精神和严谨的教学作风使我深受感动，同时也教育了 我在学习和工作过程中要有端正的学习态度和严谨的工作作风。要有良好的敬业精神。 在老师们的教导下，使我学到了不仅是专业知识，而且更多的是做人的道理。 在此，我再次向所有在该设计中，向我们提供帮助的老师，同学致以最衷心的谢 意。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘 要 abstract 第 1 章 绪论1 1.1 本文的研究目的及主要内