机械毕业设计（论文）-远程操作矿用双速调度绞车的设计（全套图纸） .pdf

i 中国矿业大学徐海学院 本科生毕业设计 姓 名： 学 号： 学 院： 中国矿业大学徐海学院中国矿业大学徐海学院 专 业： 机械制造及其自动化机械制造及其自动化 设计题目： 远程操作矿用双速调度绞车的设计远程操作矿用双速调度绞车的设计 专 题： 指导教师： 职 称： 教授教授 2016 年 6 月 徐州 ii 中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书 专业年级 理工 12- 1 班 学号学生姓名 任 务 下 达 日 期 ：任 务 下 达 日 期 ： 2015 年年 12 月月 10 日日 毕业设计日期：毕业设计日期： 2015 年年 12 月月 15 日至日至 2016 年年 6 月月 10 日日 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 毕业设计题目毕业设计题目:远程操作矿用双速调度绞车的设计远程操作矿用双速调度绞车的设计 毕业设计专题题目：毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：毕业设计主要内容和要求： 矿用调度绞车是司机须站在滚筒前用双手操作刹车手柄，这种操作方式非常不安 全，断绳经常打伤司机，过载时钢丝绳连带绞车及其底座一同拉起。本课题设计 的绞车通过液压离合器和多级定轴齿轮传动实现变速切换，高速时提升速度快； 低速时，提升力矩大，液压制动器制动滚筒。通过控制电机、液压离合器、液压 制动器实现远程操作。本课题涉及机械、液压、控制系统的设计，可较好锻炼学 生机械、液压、控制的综合设计能力，培养学生具有开发和设计机电产品的能力。 iii 指导教师签字： 郑 重 声 明 本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。 所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕 业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本 毕业设计的知识产权归属于培养单位。 iv 本人签名： 日期： v 中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力； 研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及 工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等） ： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 vi 中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所 学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点； 写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等） ： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 vii 中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 viii 摘 要 煤矿生产大量使用调度绞车，目前常用的矿用运输绞车的操作存在安全隐患 且体力劳动强度大，为此，研究设计出了一种液压制动矿用双速调度绞车。 该绞车采用液压系统完成绞车的启动、运行、变速、和安全制动等过程，避 免了常用绞车操作过程中因机械故障而造成的人员伤害。设计的双速运行不仅可 以完成搬运重物、调度车辆的功能，而且也满足实现轻载下快速调度的需求，实 现了一机多用，大大提高了绞车的工作效率和拓宽了绞车的使用工况。 设计了一种可以换挡操作的变速箱，采用湿式多片离合器对绞车调度进行换 挡控制。这不仅操作工可以远离绞车滚筒操作；同时变速箱变速更加稳定。变速 箱通过箱内的离合器的油缸内充液压油推动活塞，从而使摩擦片结合来进行换挡 操作。采用变速箱传动也使得绞车的传动部分脱离了绞车内部，这就方便了传动 系统的损坏维修。 本设计来源于毕业实习，充分考虑到现场可实施性。同时以操作工人的安全 为出发点进行的设计。 关键词：双速绞车 ；变速箱 ；离合器 ；盘式制动器 ix abstract mine dispatching winch is mechanical and electrical equipment in mine production work is used in coal production. but the operation is still dangerous and laborious manual where huge security risk exists. in the development of high degree of mechanization, liberation a development of productive forces is required. this requires the development of a safe and reliable high labor- saving efficiency of mining dispatching winch is essential. dispatching winch is widely used in mine production. security risks exist in the transport winch operation which is commonly used and this way will expand manual strength. thus, researchers designed a two- speed hydraulic brake mine dispatching winch. we can design a speed changing box which have a shift operation , using wet multi- disc clutch to control the shift of winch scheduling. not only the operator can be far away from the winch when operating, at the same time the winch can get more stable transmission speed. transmission through in the clutch oil cylinder filling the hydraulic oil moves the pistons, which will make the combination friction plate for shift operation. the gearbox transmission makes the winch part out of the internal, it is convenient for operator to damage to maintain the damage of the transmission system . this design is derived from the graduation practice, and i have fully considering the field practical. at the same time think about the safety of the operator . key words: double speed winch ;gearbox ;clutch ;disc brake x 目 录 1 绪论 . 1 1.1 双速矿用绞车的背景和意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 课题的设计意义 2 2 电动机的选型和滚筒设计 . 4 2.1 电动机的选型 4 2.2 牵引绞车外形设计计算 4 2.2.1 钢丝绳的选型钢丝绳的选型 4 2.2.2 绞车滚筒的设计计算绞车滚筒的设计计算 6 3 传动系统的设计 . 8 3.1 传动方案的确定 8 3.2 快速和慢速时传动比计算与分配 9 4 齿轮的设计计算 . 11 4.1 变速箱快速时第一级设计计算 11 4.1.1 确定许用应力确定许用应力 11 4.1.2 按齿根弯曲疲劳强度计算按齿根弯曲疲劳强度计算 12 4.1.3 按齿面接触疲劳强度计算按齿面接触疲劳强度计算 14 4.1.4.确定齿数确定齿数 . 16 4.1.5 计算齿轮的几何尺寸计算齿轮的几何尺寸 16 4.1.6 齿轮齿轮 3 和齿轮和齿轮 4 的强度校核的强度校核 . 17 4.1.7 齿轮齿轮 3 和齿轮和齿轮 4 的主要设计结果的主要设计结果 20 4.2 变速箱慢速时第一级设计计算 20 4.2.1 齿轮齿轮 1 和齿轮和齿轮 2 模数的确定模数的确定 20 4.2.2 齿轮齿轮 1 和齿轮和齿轮 2 的变位传动设计的变位传动设计 21 4.2.3 齿轮齿轮 1 和齿轮和齿轮 2 的强度校核的强度校核 . 22 4.2.4 齿轮齿轮 1 和齿轮和齿轮 2 的设计结果的设计结果 25 4.3 变速箱第二级齿轮传动设计 25 4.3.1 确定许用应力确定许用应力 25 4.3.2 按齿根弯曲疲劳强度计算按齿根弯曲疲劳强度计算 27 4.3.3 按齿面接触疲劳强度计算按齿面接触疲劳强度计算 29 4.3.4.确定齿数确定齿数 . 30 4.3.5 计算齿轮的几何尺寸计算齿轮的几何尺寸 31 4.3.6 齿轮齿轮 5 和齿轮和齿轮 6 的强度校核的强度校核 . 32 4.3.7 主要设计结果主要设计结果 34 4.4 行星齿轮传动设计 35 4.4.1 行星齿轮齿数的确定行星齿轮齿数的确定 35 4.4.2 初算中心距和模数初算中心距和模数 35 4.4.3 几何尺寸计算几何尺寸计算 37 4.4.4 主要参数计算结果：主要参数计算结果： 38 xi 4.4.5 行星齿轮传动齿轮强度校核行星齿轮传动齿轮强度校核 38 5 轴的结构设计和计算 . 48 5.1 所使用各轴的运动学参数计算 48 5.1.1 每个轴的转速的计算每个轴的转速的计算 48 5.1.2 每个轴的功率的计算每个轴的功率的计算 . 48 5.1.3 每个轴的转矩的计算每个轴的转矩的计算 . 49 5.2 轴的材料的选择 49 5.3 对轴的直径进行理论估算 49 5.4 轴的结构的设计 50 5.4.1 轴上零件的轴向定位轴上零件的轴向定位 50 5.4.2 确定各段轴的长度确定各段轴的长度 50 5.4.3 确定各段轴的直径确定各段轴的直径 50 5.4.4 轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位 50 5.4.5 按弯扭合成校核轴的强度按弯扭合成校核轴的强度 51 5.4.6 按照轴的安全系数校核轴的疲劳强度按照轴的安全系数校核轴的疲劳强度 53 6 键的选择与校核键的选择与校核 . 56 6.1 键的选择 56 6.2 键的连接强度的校核 56 7 湿式多片换挡离合器的设计 . 58 7.1 湿式离合器的工作原理 58 7.2 离合器的设计计算 59 7.2.1 计算摩擦式离合器主要参数计算摩擦式离合器主要参数 59 7.2.3 离合器的校核离合器的校核 60 7.2.4 回位弹簧回位弹簧 61 8 盘式制动器 . 63 8.1 盘式制动器的工作原理 63 8.2 盘式制动器主要参数的设计计算 63 8.2.1 制动时正压力的计算制动时正压力的计算 63 8.2.2 弹簧力的计算弹簧力的计算 64 8.2.3 碟形弹簧的设计计算碟形弹簧的设计计算 65 8.2.4 液压缸的设计计算液压缸的设计计算 66 8.2.5 油压最大值得理论计算油压最大值得理论计算 67 8.2.6 制动器的校核制动器的校核 68 9 总结 . 70 参考文献 . 71 英文翻译 . 72 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 双速矿用绞车的背景和意义 矿用绞车是煤矿不可缺少的矿山辅助运输重要设备，它是用来进行煤矿 井下的物料运输矿车调度、回柱放顶、综采设备的安装、拆迁及搬运、各类 机电设备等工作、也可以在煤矿井下各种临时牵引工作。可以说，矿用绞车 在煤矿上是无处不在、无时不用、不可或缺的设备。 目前，矿用绞车可大致分为三类：快速矿用绞车、慢速矿用绞车和双速 矿用绞车。快速矿用绞车平均牵引速度快、牵引力小，主要用于物料运输和 矿车调度，同时也可用于中小型设备的搬迁和运输。慢速矿用绞车牵引速度 小但牵引力大，主要用于煤矿井下回采工作面的回柱放顶，也可用于搬运重 物和调度车辆。但由于所采用传动副为涡轮副，传动效率低、易磨损、成本 高、寿命短，维修难度大，是故慢速绞车的使用数量逐渐减少。双速矿用绞 车具有两种速度：慢速和快速。快速用于放绳，慢速牵引力大，快速牵引力 小，在煤矿现场可以根据牵引力的大小选择快速或慢速。双速绞车具有一机 多能特点，克服了老式绞车的速度慢、效率低、寿命短等缺陷。 传统双速矿用绞车的开启依然是采用手闸人工式开启，此操作不但费 力，而且要求司机的技术较高。由于司机的工作位置位于绞车的旁边，极容 易成为绞车断绳，咬绳，跳绳，跑车是故的受害者。近年来矿难事故中不少 是因为人员与绞车距离过近而造成的。其中绞车断绳的因素很多，但是其与 钢丝绳的爬绳、咬绳、绞车的启动与停止过程中的冲击和超载有很大关系。 鉴于以上情况，设计新型的矿用双速绞车及排绳器应满足以下条件：(1) 实现远程控制操作，摆脱司机站在绞车前双手握刹车闸的危险操作模式； (2) 设计自动排绳装置，满足煤矿斜巷运输管理第四章第二十条规定，绞车 滚筒钢丝绳要排列整齐,做到不爬绳、不咬绳、不跳绳；(3)防超载功能；(4) 将双速矿用绞车的变速机构内置于绞车卷筒内或是箱体设计为狭窄结构，以 利于再井下狭小空间使用； (5)实现绞车的软启动特性； (6)能实现开机状态下 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 2 的换速操作；(7)能够准确制动。 因此设计一种新型远程控制矿用双速运输绞车，一机多用，不仅满足现 有运输、调度绞车功能，还可以可实现安全远程控制，提高绞车操作的安全 性，解放工人生产力，适用于狭小巷道作业。同时完善运输、调度绞车的应 用空间，增大更加狭小巷道的应用领域；丰富我国绞车市场，有助于推动绞 车的发展，对于煤矿生产有十分重大的意义。 1.2 国内外研究现状 国内现有调度绞车大多采用行星齿轮传动，主要由电机、卷筒装置、刹 车系统、底座、防护罩等部件组成。由电机带动减速器从而驱动滚筒转动的 传动方式，司机直接手动操作刹车系统控制绞车的运行，随着科技高速发展 的今天，此种传统绞车的操作方法已渐渐被智能化的作业需求慢慢取代。 新型无极绳绞车，主要由绞车、张紧装置、梭车、尾轮、压绳轮组、平 托轮、控制电器、通讯系统及钢丝绳等构成，可实现远程自动控制，但其主 要适用于长距离、大倾角、多边坡、大吨位复杂工况条件下工作，且系统复 杂，费用昂贵，不适用于一般调度绞车的工作需求。而单轨吊安装复杂，成 本高，在实际矿井应用中也存在局限性。因此新型无极绳绞车、单轨吊虽然 有结构优势，但它不能完全代替调度绞车。 采用变频器可以实现绞车远程操作，主要由变频控制柜、plc、主操作 台构成。主电路主要有变频器电机回路，控制回路主要有 plc、检测元件、 电磁阀、中间继电器及指示灯等组成。但是井下防爆变频器价格昂贵，变频 绞车在煤矿生产中推广困难。 综上所述，传统调度绞车结构简单成本低廉，但已无法满足现代智能化 煤矿生产的需求，新型无极绳、单轨吊等虽可以实现远程控制，节约人力的 要求，但成本昂贵，不适用于一般调度绞车的使用场合。因此，设计一种可 远程控制的安全性高、实用性强的新型矿用调度绞车迫在眉睫。 1.3 课题的设计意义 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 3 为了实现异地操作，目前有主要有两种方法：其一，采用变频技术实现 远程控制，使绞车可以精确而高效的完成各种所需工作，但是成本较高，无 法广泛推行；另一种简单有效的方式是采用，液压系统调节的方式，实现在 一定距离范围内的异地操作，由于液压系统简单有效，是故可以在较大范围 内实现推广，基于此本设计采用液压调速制动的方式实现绞车的平稳换速， 本设计采用两个湿式多片离合器和一个制动闸，通过远程控制离合器的制动 和分离实现双速变换，从而实现远程操作。 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 4 2 电动机的选型和滚筒设计 2.1 电动机的选型 滚筒的功率为：301.5= 45k w w pfv= 2- 1- 1 传动系统的总功率为： 225225 1234 =0.990.970.97 0.99 =0.85 总 2- 1- 2 查现代机械设计手册秦大同版，取下列参数： 1 齿式联轴器，取值 0.99； 2 8 级精度圆柱齿轮传动，取值 0.97； 3 级行星齿轮传动，取值 0.97； 4 滚动轴承，取值 0.99； 于是电动机的输出功率为： 45 52.94 0.85 w d p pkw = 2- 1- 3 查现代机械设计手册表 25186，考虑到电动机的使用条件 井下防爆，防尘，因此选用 yb2 型三相异步防爆电机具体参数如下： 表 2- 1 型号 功率 转速 效率 yb2- 280m- 6 55kw 980r/min 0.92 2.2 牵引绞车外形设计计算 2.2.1 钢丝绳的选型钢丝绳的选型 在绞车运输提升中钢丝绳是主要的承力构建，在使用过程中受到如卷筒 缠绕时的弯曲应力、上行下行的拉应力和钢丝绳各层之间的挤压应力、弯曲 疲劳应力等多种力的作用，同时使用过程中还会产生扭转应力，钢丝绳会在 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 5 这些应力的综合作用受到严重的损害，所以在钢丝绳的选用时必须考虑为钢 丝绳留一定裕量 1 。 所以钢丝绳要满足以下公式： m f q h j = 2- 2- 1 式中各参数的含义与取值： h f 钢丝绳的最小破断力总和， （n） ； j q 钢丝绳的最大静张力， （n） ； m安全系数，查煤矿安全规程一书，取 m= 5。 于是 50000 5250 hj fqmkn= 2- 2- 2 又可根据钢丝绳术语中的公式： 2 00 fkd r= 2- 2- 3 0nn fk f= 2- 2- 4 可得： 0 j n mq d k kr 2- 2- 5 式中各参数的含义与取值 h k 破断力换算系数，其值可由钢丝绳术语中表 14- 35 选取， 1.197 h k =； k可由钢丝绳术语中表 14- 5 选取，k=0.330； 代入公式得： 0 250000 1.197 0.330 1670 j n mq d k kr = 19.47mm 2- 2- 6 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 6 根据现代机械设计手册表 4- 1- 176 选取钢丝绳的直径为 d=22.5mm。 2.2.2 绞车滚筒的设计计算绞车滚筒的设计计算 滚筒是钢丝绳缠绕体，简而言之是一种储绳设备，钢丝绳在滚筒上缠发 生弯曲，而且每层之间会产生挤压作用，同时对其进行扭转；又由于滚筒的 旋转时会使钢丝绳的弯曲疲劳应力增加，这就造成了钢丝绳的使用寿命减 少，所以合理的滚筒结构能够有效的提高钢丝绳的使用寿命。2 因此滚筒也要满足一定的稳定性和强度要求，在设计滚筒的结构时要有 相应的绳槽，绳草结构要能够减少钢丝绳缠绕时钢丝绳之间的摩擦和挤压： 总之一个好的滚筒结构能够很好的增加钢丝绳的使用寿命，从而达到节约成 本的目的。 滚筒的直径的计算，滚筒的直径与钢丝绳的直径和绳容量有关，一般可 由下式计算得到： 0 dhd= 2- 2- 7 式中各参数含义与取值： h滚筒的工作级别和钢丝绳系数，取 h=25； 于是滚筒的外径为 0 25 22.5562.5dhdmm= 2- 2- 8 取 0 563dmm= 滚筒厚度：22.5dmm = ； 绳槽节距： 1 (2 4)22.5(2 4)24.5 26.5pdmm=+=+= 绳槽深度： 1 (0.25 0.4)d=(0.250.4) 22.5=5.6259mmh = 绳槽半径：(0.56 0.58)(0.56 0.58) 22.512.6 13.05rdmm= 钢丝绳的缠绕直径取为 9 层，要满足 850m 的绳容量，则 钢丝绳第一层缠绕长度为() 10 ldd z=+ 2- 2- 9 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 7 钢丝绳第二层缠绕长度为() 10 3ldd z=+ 2- 2- 10 钢丝绳第三层缠绕长度为() 10 5ldd z=+ 2- 2- 11 钢丝绳第九层缠绕长度为() 10 17ldd z=+ 2- 2- 12 其中，z 为钢丝绳在每层的缠绕圈数 为了满足 850mm 的绳容量，则 ()() 0 850000 9995639 22.5 l z dd = + 39.3 2- 2- 13 取 z=40。 由滚筒的宽度的计算公式： 1 zd b k 式中各参数含义与取值， 1 k 钢丝绳的不均匀系数，取 1 k =0.92 1 40 22.5 978.56 0.92 zd bmm k =f 取 b=1000mm 于是我们可以得到滚筒参数 最外层滚筒直径为 10 17562.5 1722.5945dddmm=+=+= 最外层滚筒直径为 10 562.522.5585dddmm=+=+= 取滚筒第五层为滚筒基准层，则 10 9562.59 22.5765dddmm=+=+ = 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 8 3 传动系统的设计 3.1 传动方案的确定 传动方案是本设计的重点内容，传动方案决定了绞车运输特点以及绞车 的变速方案。设计前进行毕业实习时，通过与现场工人交流了解到常用绞车 传动系统都放在绞车滚筒内部，但这样有一个问题就是传动部分出现故障后 不方便拆卸维修，因此本设计采用了一个变速箱传动和一个放在滚筒外的行 星轮作为绞车变速传动的传动系统，传动原理图如图一所示。图中变速箱部 分主要实现的功能是对绞车进行变速，而行星轮系由于其可实现大的传动比 的特点，因此作为主要传动比的承担者。 图 3.1 传动原理：当离合器都分离时，电机轴连接带动齿轮 1，单并不能通过 任何一条传动路线把运动传递到滚筒上去，齿轮 1 和齿轮 2 空转。所以滚筒 不转；当离合器 1 制动，离合器 2 分离时，运动的传递路线为 z1离合器 1 z3z4z5z6z7z8滚筒；当离合器 1 分离，离合器 2 闭合是， 运动的传递路线为 z1z2离合器 2z4z5z6z7z8滚筒。但两 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 9 离合器不能同时闭合。 3.2 快速和慢速时传动比计算与分配 绞车运行过程中要实现两种速度，各自在运行过程中的转速和总传动比 如表 3.1 所示； 表 3.1： 快速 慢速 转速 5 60v n d = 1.5 60 0.765 = 34.75r/min 1 60 0.765 = 24.956r/min 传动比 1 = n i n 电 总 980 37.45 =26.17 980 24.965 =39.25 由于在绞车运行过程中，无论快速还是慢速都要经过行星轮系这一部 分，即行星轮是两种传动速度的公共部分，因此先定下传动轮系的传动比。 参考现代机械设计手册表 14- 5- 7 （行星轮齿轮传动的齿轮组合）初定 行星齿轮的传动比为 1 5.6 h i= 行星轮个数为3 s c = 。即 9 7 7 5.61 h z i z = + 3- 2- 1 又由同心条件 987 2zzz=+ 3- 2- 2 查现代机械设计手册表 14- 5- 7 可取 7 19z = ； 8 35z = ； 9 89z = 因此，在快速运动时变速箱传动比为 64 16 53 = z z i z z =4.67；慢速运动时变速 箱传动比为 62 16 51 7.01 z z i z z = 。现初定传动比为 12 3.505i= ； 34 2.335i= ； 56 2i=。 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 10 故初选齿数 1 21z =、 2 74z =、 3 21z =、 4 50z =、 5 21z =、 6 42z =， 则实际齿数比为 12 3.52u= ； 34 2.346u= ； 56 2u= 。 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 11 4 齿轮的设计计算 4.1 变速箱快速时第一级设计计算 4.1.1 确定许用应力确定许用应力 （1）选择材料 查现代机械设计手册表 14- 1- 132 在这里大小齿轮都选用 40cr 调质 处理齿面硬度为 241286hbs （2）确定许用应力 以下数据除非注明外都来自秦大同版现代机械设计手册 1）齿轮弯曲疲劳极限 limf 。按照所选取的材料和齿面硬度查机械设计手 册图 14- 1- 73 取得 2 lim 600/ f n mm= ；齿轮接触疲劳极限 hlim ，按 照所选取的材料和齿面硬度查机械设计手册图 14-1-44 取得 2 hlim 1100/n mm= 。 2）应力循环次数 n 9 11 6060 980 1 12 8 300 102.8224 10 h nn jl= = 4-1-1 99 3 21 4 21 2.8224 10 =1.1854 10 50 z nn z = 4-1-2 根据 1 n 、 2 n 查现代机械设计手册14-1-102 得接触强度寿命系数 nt z nt1nt2 =1zz 4-1-3 查表 14- 1- 114 得弯曲强度寿命系数 nt y nt1nt2 1yy= 4- 1- 4 接触疲劳强度安全系数 minh s 查表 14- 1- 106 得 min 1.25 h s= 4- 1- 5 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 12 弯曲疲劳强度安全系数 fmin s fmin 1.3s= 4- 1- 6 则许用应力 可由下式计算 2 1lim 1 min 1 600 461.5/ 1.3 fnf f f y n mm s = 4- 1- 7 2 2lim 2 min 1 600 461.5/ 1.3 fnf f f y n mm s = 4- 1- 8 2 1hlim 1 hmin 1 1100 880/ 1.25 nt h z n mm s = 4- 1- 9 2 2hlim 2 hmin 1 1100 880/ 1.25 nt h z n mm s = 4- 1- 10 4.1.2 按齿根弯曲疲劳强度计算按齿根弯曲疲劳强度计算 （1）按弯曲疲劳极限计算模数 1）计算公式 1 3 2 3 2 fasa df kty y y m z 4- 1- 11 2）计算式中各符号值的确定 k载荷系数，初选 k=1.3 1 t 第一根轴上齿轮传递得扭矩 1 1 1 9550 52288 9550509.541 980 p tn m n =g 4- 1- 12 d 齿宽系数。由表 14- 1- 73 选取 d =0.4 y弯曲疲劳强度重合度系数。由计算下列得到 两相啮合齿轮的齿顶圆压力角为： 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 13 3 1 3 cos21 cos20 arccosarccos30.909 2212 1 a a mz mzh m = + 4- 1- 13 4 2 4 cos50 cos20 arccosarccos25.371 2502 1 a a mz mzh m = + 4- 1- 14 两齿轮按标准齿轮传动时的啮合角为 20= 重 合 度 ()() ()() 3142 1 tantantantan 2 1 21tan30.909tan2050tan25.371tan20 2 1.662 aa zz =+ = + = 4- 1- 15 重合度系数 0.750.75 0.250.250.701 1.662 y =+=+= 4- 1- 16 fa y 齿形系数，查图 14- 1- 59 取 1fa y=2.76； 2fa y=2.26； sa y 应力修正系数，查图 14- 1- 64 取 1sa y= 1.56； 2=sa y1.74； 计算两齿轮的 fasa f y y 值并进行比较 1122 12 2.76 1.562.26 1.74 0.020870.01906 206.5206.25 fasafasa ff yyyy =f 4- 1- 17 故小齿轮 3 的数值较大，弯曲疲劳强度较低，因此将小齿轮的计算值代 入公式计算 1 3 3 22 3 22 1.3 509541 0.701 0.020874.77 0.4 21 fasa df kty y y m z = 4- 1- 18 (2) 模数修正 1）计算载荷系数时所需要的数据 按计算模数可求得小齿轮分度圆直径 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 14 33 4.7721100.17 tt dm zmm= 4- 1- 19 圆周速度为 11 100.17 980 5.14/ 60 100060 1000 t d n vm s = 4- 1- 20 2）载荷系数计算值 查表 14- 1- 75 得使用系数1 a k = 由速度 v=5.14m/s，齿轮精度为 8 级精度，由图 14- 1- 36 查得动载系数 1.12 v k =。 根据 1 22 3 22 1 509541 166.35/100/ 1.4 66.15 ata dt k fk t n mmn mm bd = ，齿轮 为直齿轮齿面为硬齿面， 8级精度， 查表14- 1- 97得齿间载荷分配系数1.2k= 根据 3 0.4 t b d = ， 硬齿面直齿轮且齿轮在两支撑之间非对称布置。 轴的 刚度小，由机械设计图 10- 14 查得齿向载荷分布系数1.14k=。 所以载荷系数为 1 1.12 1.2 1.141.532 av kk k k k = =。 下面按照实际载荷系数修正模数 3 3 1.532 4.774.97 1.3 t t k mm k = 4- 1- 21 取标准模数 m=5 4）于是小齿轮的分度圆直径 33 5 21105dmzmm= = 4- 1- 22 4.1.3 按齿面接触疲劳强度计算按齿面接触疲劳强度计算 （1）按齿面接触疲劳强度计算直径公式如下： 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 15 2 1 3 3 21 he dh z z zkt u d u + 4- 1- 23 （2）确定计算公式中的各计算值 1）齿宽系数 d ，第一跟轴的传递转矩 1 t 和上面一样。 2）载荷系数 查表 14- 1- 75 得使用系数1 a k = 由速度 v=5.14m/s，齿轮精度为 8 级精度，由图 14- 1- 36 查得动载系数 1.13 v k =。 根据 1 2 1 22 1 509541 103.162/100/ 1.4 84 ata dt k fk t n mmn mm bd = ，齿 轮为直齿轮齿面为硬齿面，8 级精度，查表 14- 1- 97 得齿间载荷分配 系数1.2k= 根据 1 0.4 b d = ，硬齿面直齿轮且齿轮在两支撑之间非对称布置。轴的 刚度小，由机械设计图 10- 14 查得齿向载荷分布系数1.14k=。 所以载荷系数为 1 1.13 1.2 1.141.546 av kk k k k = = 。 4- 1- 24 2） 材料的弹性影响系数 e z ， 由表14- 1- 101查取得 2 189.8 e zn mm= ； 3）节点区域系数 h z ，查图 14- 1- 37 得 h z =2.5； 4）齿面接触疲劳强度的重合度系数z ，由表 14- 1- 100 查取得 44 1.662 0.8828 33 z =； 4- 1- 25 5）两齿轮的许用应力 12 min,615.38/ hhh n mm=； 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 16 计算小齿轮的分度圆直径 2 1 3 3 2 3 21 2 1.546 5095412.335 12.5 189.8 0.8828 0.42.335615.38 128.553 he dh z z zkt u d u mm + + = = 4- 1- 26 4.1.4.确定齿数确定齿数 齿轮传动齿数既要满足按弯曲疲劳强度计算的模数 m=5， 同时又要满足 按接触疲劳强度计算的小齿轮分度圆直径 1 128.553dmm=，则确定小齿轮齿 数 1 1 128.553 25.71 5 d z m =。 4- 1- 27 对齿轮进行圆整，取 3 26z = ， 41 26 2.33560.71zuz=，取 5 61z =， 实际传动比为 4 34 3 61 2.346 26 z i z = 验算传动比误差 2.3352.346 0.0470.03 2.335 i = ，齿轮 为直齿轮齿面为硬齿面，8 级精度，查表 14- 1- 97 得齿间载荷分配系 数1.2k= 根据 1 0.4 b d = ，硬齿面直齿轮且齿轮在两支撑之间非对称布置。轴的 刚度小，由机械设计图 10- 14 查得齿向载荷分布系数1.14k=。 所以载荷系数为 1 1.14 1.2 1.141.560 av kk k k k = = 4- 1- 30 y弯曲疲劳强度重合度系数。由计算下列得到 两相啮合齿轮的齿顶圆压力角为： 3 1 3 cos130 cos20 arccosarccos29.241 140 a a d d = 4- 1- 31 4 2 4 cos305 cos20 arccosarccos24.51 315 a a d d = 4- 1- 32 两齿轮按标准齿轮传动时的啮合角为 20= 重合度 ()() ()() 3142 1 tantantantan 2 1 26tan29.241tan2061tan24.51tan20 2 1.703 aa zz =+ = + = 重合度系数 0.750.75 0.250.250.69 1.703 y =+=+= 4- 1- 33 fa y 齿形系数，查图 14- 1- 59 取 1 2.76 fa y=； 2 2.26 fa y=。 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 19 sa y 应力修正系数，查图 14- 1- 64 取 1 1.56 sa y=； 2 1.74 sa y= 计算两齿轮的 fasa f y y 值并进行比较 1122 12 2.76 1.562.26 1.74 0.020870.01906 206.5206.25 fasafasa ff yyyy = 故小齿轮 3 的数值较大，弯曲疲劳强度较低，故小齿轮 3 的弯曲疲劳强 度小于齿轮 4 的弯曲疲劳强度，故只要校核齿轮 3 即可。 3）校核齿轮 3 的齿根弯曲强度 2 1 11 22 1 22 1.56 509541 2.76 1.56 0.69139.733/ 52 526 fasaf kt y y yn mm bm z = 满足弯曲疲劳强度 （2）按齿面接触疲劳强度校核 1）校核计算所用公式为 1 2 3 21 hhe kt u z z z bdu + = 4- 1- 33 2）确定校核计算公式中的各符号的值 k、 1 t 、m 、 1 z 、b 、 e z 的值与前面所计算结果一致； u齿数比， 4 3 61 2.346 26 z u z = h z 节点区域系数，由图 14- 1- 37 得2.5 h z= 44 1.703 0.870 33 z = 3）校核齿面接触疲劳强度 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 20 1 2 3 2 22 21 2 1.56 5095412.346 1 189.8 2.5 0.87 52 1302.346 530.32/880/ hhe kt u z z z bdu n mmn mm + = + = = 4- 1- 34 满足齿面接触疲劳强度的要求 4.1.7 齿轮齿轮 3 和齿轮和齿轮 4 的主要设计结果的主要设计结果 表 4.1 齿轮 3 齿轮 4 材料 40cr 模数 5 压力角 20 齿数 26 61 中心距（mm） 217.5 齿宽（mm） 57 52 分度圆直径（mm） 130 305 齿根圆直径（mm） 117.5 292.5 齿顶圆直径（mm） 140 315 传动比 2.346 4.2 变速箱慢速时第一级设计计算 4.2.1 齿轮齿轮 1 和齿轮和齿轮 2 模数的确定模数的确定 由于齿轮 1 和齿轮 3，齿轮 2 和齿轮 4 分别处于同一根轴上，所以齿轮 1和齿轮2之间的啮合及齿轮3和齿轮4之间的啮合应满足一定的同心条件， 即 ()() 112234 m zzmzz+=+ 4- 2- 1 所以可以取 234 1 12 ()5 (2661) 4.57 2174 m zz m zz + = + 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 21 可以取标准模数 1 4.5m = 又由于 () 112 4.52174() 213.75217.5 22 m zz ammmm + =，查图 14- 1- 5 读得 1 0.51x = ，于是 21 0.6650.510.155xxx = 5） 计算变位后齿轮的几何尺寸 齿轮的中心距变动系数为 1 217.5213.75 0.833 4.5 aa y m = 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 22 齿轮变位降低齿顶高系数为0.6650.8330.168yxy = 齿顶圆直径为 * 111 2()4.5 212 (10.51 0.168)97.856 aa dmzhxymm=+=+ += * 221 2()4.5 742 (10.510.168)336.356 aa dmzhxymm=+=+ += 齿根圆直径为 * 111 2()4.5 21 2 (1 0.250.51)93.02 fa dmzhcxmm=+= += * 222 2()4.5 742 (10.250.155)330.81 fa dmzhcxmm=+= += 节圆直径为 11 4.5 2194.5dmzmm= 22 4.5 74333dmzmm= 4.2.3 齿轮齿轮 1 和齿轮和齿轮 2 的强度校核的强度校核 （1）按齿根弯曲强度校核 1）校核计算所用公式 1 1 2 1 2 fasa kt y y y bm z = 4- 2- 5 （2）确定该核算式中各符号数值 1 t 、m、 1 z 、b 和上面计算结果一样； k载荷系数 查表 14- 1- 75 得使用系数1 a k = 由齿轮 3 的圆周速度为 1 1 3 94.5 980 4.849/ 60 100060 1000 d n vm s = ， 又齿轮精度为 8 级精度，由图 14- 1- 36 查得动载系数1.07 v k =。 中国矿业大学徐海学院 2016 届本科生毕业设计（论文） 23 根据 1 22 1 22 1 509541 285.28/100/ 0.4 94.5 ata d k f