蜗轮蜗杆减速器计算机辅助设计及辅助制造

1 引言 计算机辅助设计及辅助制造（ 术是当今设计以及制造领域广泛采用的先进技术。本次设计是蜗轮蜗杆减速器，通过本课题的设计，将进一步深入地对这一技术进行深入地了解和学习。 第一章： 本设计的设计要求 机械零件的设计是整个机器设计工作中的一项重要的具体内容，因此，必须从机器整体出发来考虑零件的设计。设计零件的步骤通常包括：选择零件的类型；确定零件上的载荷；零件失效分析；选择零件的材料；通过承载能力计算初步确定零件的主要尺寸；分析零部件的结构合理性；作出零件工作图和不见装配图。对一些由专门工厂大 批生产的标准件主要是根据机器工作要求和承载能力计算，由标准中合理选择。 根据工艺性及标准化等原则对零件进行结构设计，是分析零部件结构合理性的基础。有了准确的分析和计算，而如果零件的结构不合理，则不仅不能省工省料，甚至使相互组合的零件不能装配成合乎机器工作和维修要求的良好部件，或者根本装不起来。 机器的经济性是一个综合性指标，设计机器时应最大限度的考虑经济性。提高设计制造经济性的主要途径有：尽量采用先进的现代设计理论个方法，力求参数最优化，以及应用术，加快设计进度，降低设计成本；合理的组织设计和制 造过程；最大限度地采用标准化、系列化及通用化零部件；合理地选择材料，改善零件的结构工艺性，尽可能采用新材料、新结构、新工艺和新技术，使其用料少、质量轻、加工费用低、易于装配尽力改善机器的造型设计，扩大销售量。 提高机器使用经济性的主要途径有：提高机器的机械化、自动化水平，以提高机器的生产率和生产产品的质量；选用高效率的传动系统和支承装置，从而降低能源消耗和生产成本；注意采用适当的防护、润滑和密封装置，以延长机器的使用寿命，并避免环境污染。 机器在预定工作期限内必须具有一定的可靠性。提高机器可靠度 的关键是提高其组成零部件的可靠度。此外，从机器设计的角度考虑，确定适当的可靠性 水平。 力求结构简单，减少零件数目，尽可能选用标准件及可靠零件，合理设计机器的组件和部件以及必要时选取较大的安全系数等，对提高机器可靠度也是十分有效的。 对不同的机器，还有一些为该机器所特有的要求。在许多国家和地区，机器的广泛使用使自然资源被大量的消耗和浪费，环境质量受到严重的破坏。因此，设计机器时，不仅要满足基本要求和其特殊要求外，还应该考虑满足可持续发展战略的要求，采用必要的措施，尽2 量减少机器对环境和资源的不良影响。具体措施包 括：使用清洁的能源以及现有燃料的清洁燃烧；采用清洁的材料，既采用低污染、无毒、易分解、可回收的材料；采用清洁的制造过程，不消耗对环境产生污染的资源，无“废气、废水、废物”排放；使用清洁的产品，既使用机器过程中不污染环境，机器报废后易回收。 第二章 设计方案的拟订 箱体 (1)：蜗轮蜗杆箱体内壁线的确定； (2)：轴承孔尺寸的确定； (3)：箱体的结构设计； a. 箱体壁厚及其结构尺寸的确定 b. 轴承旁连接螺栓凸台结构尺寸的确定 b. 确定箱盖顶部外表面轮廓 d. 外表面轮廓确定箱座高度 和油面 e. 输油沟的结构确定 f. 箱盖、箱座凸缘及连接螺栓的布置 轴系部件 (1) 蜗轮蜗杆减速器轴的结构设计 a. 轴的径向尺寸的确定 b. 轴的轴向尺寸的确定 (2)轴系零件强度校核 a. 轴的强度校核 b. 滚动轴承寿命的校核计算 减速器附件 b. 通气器 c. 轴承盖 d. 定位销 e. 油面指示装置 f. 油塞 g. 起盖螺钉 h. 起吊装置 3 减速器的 总体设计 传动装置的总体设计 拟订传动方案 本传动装置用于带式运输机，工作参数：运输带工作拉力 F=5作速度 =s，滚筒直径 D=500动效率 =包括滚筒与轴承的效率损失）两班制，连续单向运转，载荷较平稳；使用寿命 8 年。环境最高温度 80。本设计拟采用蜗轮蜗杆减速器，传动简图如图 3 图 动装置简图 1 电动机 2、 4 联轴器 3 级蜗轮蜗杆减速器 5 传动滚筒 6 输送带 电动机的选择 （ 1）选择电动机 的类型 按工作条件和要求，选用一般用途的 封闭式结构 ,电压 380V。 （ 2）选择电动机的功率 电动机所需的功率 式中 工作机要求的电动机输出功率，单位为 电动机至工作机之间传动装置的总效率； 工作机所需输入 功率，单位为 输送机所需的功率 6 动机所需的功率 = 联 轴 蜗 轴 联 =6 表，选取电动机的额定功率2 4 （ 3）选择电动机的转速 传动滚筒转速 v100060 =r/蜗轮蜗杆减速器的传动比 i =1040，故电动机转速的可选范围为： i n=（ 1040） 103242r/合这范围的电动机同步转速有 1000、 1500、 3000 r/以同步转速 1000 r/500 r/ 查机械工程及自动化简明设计手册上册（表 2 n=蜗i7 188 r/合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格、传动比及市场供应情况，选取比较合适的方案，现选用型号为 2，其主要安装尺寸如下： 中心高： H=180 型尺寸： L（ 70（ 360+285） 430 伸尺寸： D=48 E=110 键部分尺寸： F G D=14 48 脚安装尺寸： A B=279 241 脚螺栓孔直径： K=19 确定传动装置的传动比及其分配 减速器总传动比及其分配： 减速器总传动比 i=mn940 课题是一级蜗轮蜗杆减速器，它的传动比 i=10 40之间，选 i=27 传动比查机械工程及自动化简明设计手册上册（表 2 式中 i 传动装置总传动比 工作机的转速，单位 r/电动机的满载转速，单位 r/ 计算传动装置的运动和动力参数 （ 1）各轴的输入功率 轴 轴= 轴 联= 2）各轴的转速 电动机：940 r/： n 1= 940 r/： 11940 27=108 r/ （ 3）各轴的输入转矩 电动机轴：550550 2940 m 轴： i联轴 m 轴： i联轴蜗 m 上述计算结果汇见表 3 3输入功率（ 转速 n（ r/ 输入转矩（ N m） 传动比 效率 电动机轴 940 940 7 08 传动零件的设计计算 蜗轮蜗杆传动设计 一 料、精度 蜗杆材料选用 45 钢，整体调质，表面淬火，齿面硬度 4550轮齿圈材料选用属模铸造，滚铣后加载跑合， 8级精度，标准保证侧隙 c。 二 以下参考机械设计 设计公式 12 1）选 查表 ， I=54 0 64之间，故合乎要求。 初估 = 2）蜗轮转矩 2T =1T i =106 16/970 27 m （ 3）载荷系数 K： 因载荷平稳，查表 K= 4）材料系数 表 =155 （ 5）许用接触应力 H 6 查表 H=220 N=60 0 1 12000=25848000 710n=8 77 1058 = H= 0H=220= 6） m2 m2 = = 7）初选 查表 m=1d =90 m2 4062 8534 （ 8）导程角 = = （ 9） 滑动速度 0 0609 7 0 06011 =s （ 10）啮合效率 由 =2 1 = 8 a n 5 2 8 a nt a n t a n = 11）传动效率 取轴承 效率 2 =搅油效率3= =1 2 3 =T =1T i =610 16/970 27 m （ 12）检验 m2 m2 = =14062 原选参数满足齿面接触疲劳强度要求 1. 确定传动的主要尺寸 m=1d =90， 4 （ 1） 中心距 a a= 2 1 2） 蜗杆尺寸 分度圆直径 1d 1d =90顶圆直径1d +2190+2 115根圆直径1d 280 2 60 导程角 = 右旋 轴向齿距 1 m=轮部分长度 1b 1b m(11+(11+54)=178 1b =180 3） 蜗轮尺寸 分度圆直径 2d 2d =m 54=675顶高 2ah=m=1=根高 2( m=(1+ 5顶圆直径22d +2275+25=700根圆直径22d 2m(675 30=645程角 = 右旋 轴向齿距 2 m=轮齿宽 2b 2b =115=宽角 /2)= 2b /1d =90=轮咽喉母圆半径 2(a2 2= 4） 热平衡计算 估算散热面积 A A= 验算油的工作温度 温0t：通常取 20 。 散热系数sk：6 W/( )。 0 011 0 0 0 01 80 油 温未超过限度 （ 5） 润滑方式 根据s，查表 用浸油润滑，油的运动粘度 =320 610 /s （ 6） 蜗杆、蜗轮轴的结构设计 (单位： 蜗轮轴的设计 最小直径估算 C 械设计表 c=120 =据机械设计表 55 8 1d = 2a =65 a ( 5 2d =1d + (1 5)5+5=70 3d= 2d + (1 5)0+2=72 4d = 3d +2a=72+2 6=84 a (3d =6 械设计表 h=5.5 b=8 5d= 4d 2h=84 2 5=74 6d=1d =65 1L 12+2=114 蜗杆轴的设计 最小直径估算 cx 120x 取 55 1d = 2a=55+2 2=59 a=(2d =1d +6=59+6=65 3d= 2d +2a=65+2 2=69 a=(2d 4d = 2d =65 5d= 4d 9 械设计表 述几何尺寸计算结果见表 3表 3动部件的结构尺寸 （ 名 称 代号 计算公式 结 果 蜗杆 中 心 距 a a = 22 a= 动 比 i 12 i=27 蜗杆分度圆柱的导程角 9 蜗杆轴向压力角 1x标准值 201 x齿 数 1Z 分度圆直径 1d 1901 d 齿顶圆直径 121 1 0 蜗杆螺纹部分长度 1b 1 1801 b （ 名 称 代号 计算公式 结 果 蜗轮 中 心 距 a a = 22 a= 动 比 i 12 i=27 蜗轮端面压力角 2t标准值 202t10 蜗轮分度圆柱螺旋角 齿 数 2Z 2Z = 12Z =54 分度圆直径 2d 22 6752 d 齿顶圆直径 2222 00 齿根圆直径 2 1传动比大 蜗杆传动与齿轮传动一样能够保证准确的传动比，而且可以获得很大的传动比。蜗杆传动中在传动比较大时，蜗杆传动具有结构紧凑的特点。 2传动平稳，噪音小 蜗杆的齿为连续不断的螺旋面，传动时与蜗轮间的啮合是逐渐进入和退出，蜗轮的齿基本上是沿螺旋面滑动的，而且同时啮合的齿数较多，因此，蜗杆传动比齿轮传动平稳，没有冲击，噪音小 3容易实现自锁 当蜗杆的导程角蜗杆副材料的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。 4承载能力大 蜗杆传动中，蜗轮的分度圆柱面的素 线由直线改为弧线，使蜗杆和蜗轮的啮合呈线接触，同时进入啮合的齿数较多，因此与点接触的交错斜齿轮传动相比，承载能力大 5传动效率低 蜗杆传动时，啮合区相对华滑动速度很大，摩擦较大，因此效率低 11 轴的设计 蜗轮轴的设计 （ 1）选择轴的材料 选取 45 钢，调质，硬度 30，强度极限 B =600 表查得其许用弯曲应力b 1=55 查机械设计基础（表 1010 （ 2）初步估算轴的最小直径 取 C=120，得 =据机械设计表 55 （ 3）轴的结构设计 轴上零件的定位、固定和装配 单级减速器中，可将齿轮按排在箱体中央，相对两轴承对称分布，齿轮左面由轴肩定位，右面用套筒轴向固定，周向固定靠平键和过渡配合。 两轴承分别以轴肩和套筒定位，周向则采用过渡配合或过盈配合固定。联轴器以轴肩轴向定位，右面用轴端挡圈轴向固定，平键联接作周向固定。轴做成阶梯形，左轴承 从做从左面装入，齿轮、套筒、右轴承和联轴器依次右面装到轴上。 确定轴各段直径和长度 段 5 14段选 30213型圆锥滚子轴承，其内径为 65度为 段直径 5 段考虑齿轮端面和箱体内壁、轴承端盖与箱体内壁应有一定距离，长度根据具体情况而定，直径为 70 段 直径为 72 比蜗轮的宽度短 1以取 126 段5d= 4d +2a=72+2 6=84 a (6， 7段 d6=2h=84 2 5=74mm 械设计表 h=5 ， 7 段 7d= 2d =65 （ 4）按弯扭合成应力校核轴的强度 12 绘出轴的计 算简图 (a)图 绘制垂直面弯矩图 (b)图 1 a N 2 t N a a n F N 轴承支反力： 0 9 L r R A 计算弯矩： 截面 截面 绘制水平面弯矩图 (c)图 轴承支反力： H 面 绘制合成弯矩图 (d)图 222 22 绘制转矩图 (e)图 m 绘制当量弯矩图 (f)图 转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取 面 222 13 校核危险截面 M P 334 5 1 ，安全。 图 速轴的弯矩和转矩 (a)轴的结构与装配 (b)受力简图 (c)水平面的受力和弯矩图 (d)垂直面的受力和弯矩图 (e)合成弯矩图 (f)转矩图 (g)计算弯矩图 M M A B B A a )( b )( c )( d )( e )( f )( g )14 轴的结构见图 示 图 轮轴的结构图 蜗杆轴的设计 （ 1）选择轴的材料 选取 45 钢，调质处理，硬度 30， 强度极限 B =650 服极限s=360 曲疲劳极限 1 =300 切疲劳极限 1 =155 称循环变应力时的许用应力b 1=60 (2) 初步估算轴的最小直径 最小直径估算 （ 3）轴的结构设计 按轴的结构和强度要求选取轴承处的轴径 d=30选轴承型号为 30210 圆锥滚子轴承（ 297 94），采用蜗杆轴结构，其中，齿根圆直径 601 度圆直径 901 d 顶圆直径 1151 度尺寸根据中间轴的结构进行具体的设计，校核的方法与蜗轮轴相类似，经过具体的设计和校核，得该蜗杆轴结构是符合要求的，是 安全的，示： 15 图 杆轴的结构草图 轴承的选择和计算 低速轴的轴承的选择和计算 按轴的结构设计，初步选用 30214（ 297 94）圆锥滚子轴承 （ 1）计算轴承载荷 图 速轴轴承的受力简图 轴承的径向载荷 轴承 A： 222 轴承 B： 222 轴承的轴向载 荷 轴承的派生轴向力 表得： 30214轴承 15 38 32 所以， 3238158.0 A= 3238158.0 B=外部轴向力。 因为 轴承 紧”，所以，两轴承的轴向力为 计算当量动载荷 由 表查得圆锥滚子轴承 30214的 42.0e 取载荷系数 2.1 轴承 A： e 取 X=1， Y=0，则 轴承 B： e 16 取 X=1， Y=0，则 计算轴承寿命 因为 轴承 B 受载大，所以按轴承 B 计算寿命，查得 30214 轴承基本额定载荷32 ， 轴 承 工 作 温 度 小 于 C100 ， 取 温 度 系 数 1 则 轴 承 寿 命 ，43 85)01321(7)(166 67 3103 若按 8年的使用寿命计算，两班制工作，轴承的预期寿命为 hL h 3 8 4 0 01613 0 08 ， 1所以所选轴承合适。 蜗杆轴的轴承的选择和计算 按轴的结构设计，选用 30210 圆锥滚子轴承（ 297 94），经校核所选轴承能满足使用寿命，合适。具体的校核过程略。 蜗轮轴的轴承的选择和计算 按轴的结构设计，选用 30214 圆锥滚子轴承（ 297 94），经校核所选轴承能满足使用寿命，合适。具体的校核过程略。 减速器铸造箱体的主要结构尺寸（单位： (1) 箱座（体）壁厚： = a 8， 取 =18，其中 a = (2) 箱盖壁厚： 1 = 8，取 1 =15； (3) 箱座、箱盖、箱座底的凸缘厚度： ， b ； (4) 地脚螺栓直径及数目：根据 a = 脚螺钉数目为 4个； (5) 轴承旁联结螺栓直径： ) 箱盖、箱座联结螺栓直径： =12 2d =16； 表 高速轴 低速轴 轴承座孔（外圈）直径 120 140 轴承端盖螺钉直径30 螺 钉 数 目 6 6 (8) 检查孔盖螺钉直径：本减速器为一级传动减速器，所以取 4d =10； (9) 轴承座外径：32 )( ，其中 D 为轴承外圈直径， 把数据代入上述公式，得数据如下： 17 高速轴： 1751702 D ，取 1702 D ， 低速轴： 1951902 D ，取 1902 D ； 表 0 241 d 2d =16 锪孔直径08 33 至箱外壁的距离 40 34 22 至凸缘边缘的距离 35 28 20 (11) 轴承旁联结螺栓的距离： S 以 1d 螺栓和3般取 2； (12) 轴承旁凸台半径： 21 8，根据 1d 而得； (13) 轴承旁凸台高度： h 根据低速轴轴承外径 2D 和 1d 扳手空间 1c 的要求，由结构确定； (14) 箱外壁至轴承座端面 的距离： 70678528348521 取 L =68； (15) 箱盖、箱座的肋厚： 1m ，取 1m =13， m ，取 m =16； (16) 大齿轮顶圆与箱内壁之间的距离： 1 ，取 1 =18； (17) 铸造斜度、过渡斜度、铸造外圆角、内圆角：铸造斜度 x =1： 10， 过渡斜度 y =1： 20，铸造外圆角0R=5，铸造内圆角 R =3。 键联接的选择和强度校核 高速轴键 联接的选择和强度校核 高速轴采用蜗杆轴结构，因此无需采用键联接。 低速轴与蜗轮联接用键的选择和强度校核 (1) 选用普通平键（ A 型） 按低速轴装蜗轮处的轴径 d=72及轮毂长 l =126 查表，选用键 20 80 79。 (2) 强度校核 键材料选用 45钢，查表知 M 20100 ，键的工作长度 602080 2122 hk 公式的挤压应力 180606 6 22102 33 p小于p，故键的联接的强度是足够的。 18 联轴器的选择和计算 高速轴输入端的联轴器 计算转矩 ，查表取 K ，有， 表选用 弹性套柱销联轴器，材料为 35 钢，许用转矩 125 0 ，许用转速4000 n r/记： 0 112 84。 选键，装联轴器处的轴径为 40用键 12 90 79， 对键的强度进行校核，键同样采用 45 钢，有关性能指标见（ 键的工作长度781290 4282 公式的挤压应力 M P ak 3 p ，合格。 所以高速级选用的联轴器为 0 112 84，所用的联结键为 12 90 79。 低速轴输出端的联轴器 根据低速轴的结构尺寸以及转矩，选用联轴器 轴器 55 11284，所用的联结键为 16 90 79，经过校核计算，选用的键是符合联结的强度要求的，具体的计算过程与上面相同，所以省略。 减速器的润滑 减速器中蜗轮和轴承都需要良好的润滑，起主要目的是减少摩擦磨损和提高传动效率，并起冷却和散热的作用。另外，润滑油还可以防止 零件锈蚀和降低减速器的噪声和振动等。 本设计选取润滑油温度 40 时的蜗轮蜗杆油，蜗轮采用浸油润滑，浸油深度约为 1个螺牙高，但油面不应高于蜗杆轴承最低一个滚动体中心。 部分零件加工工艺过程 轴的加工工艺过程 轴的工艺过程相对于箱盖，底座要简单许多，本设计输出轴的一般工艺过程为： (1) 落料、锻打 19 (2) 夹短端、粗车长端端面、打中心孔 (3) 夹短端、粗车长端各档外圆、倒角 (4) 反向夹长端，粗车短端外圆、倒角、粗车短端端面、打中心孔 (5) 热处理 (6) 夹短端，半精车短端外圆 (7) 反向夹长端，半精车短端外圆 (8) 磨长端外圆 20 (9) 反向磨短端外圆 (10) 铣两键槽 图 4 1 加工好的蜗轮轴 箱体加工工艺过程 蜗轮蜗杆减速器的箱盖和箱体，它们的工艺过程比较复杂，先是箱盖和箱体分别单独进行某些工序，然后合在一起加工，最后又分开加工。 箱盖单独先进行的工序有： （ 1） 箱盖铸造 （ 2） 回火、清沙、去毛刺、打底漆、毛坯检验 21 （ 3） 铇视孔顶面 （ 4） 铇剖分面 （ 5） 磨剖分面 （ 6） 钻、攻起盖螺钉 图 4 2 箱盖 图 4 3 底座 完成前述单独工序后，即可进行下列工序： 22 （ 1） 箱盖、箱体对准合拢，夹紧；钻、铰定位销孔，敲入圆锥销 （ 2） 钻箱盖和箱体的联接螺栓孔，刮鱼眼坑 （ 3） 分开箱壳，清除剖分面毛刺、清理切屑 （ 4） 合拢箱壳，敲入定位销，拧紧联接螺栓 （ 5） 铣两端面 （ 6） 粗镗各轴轴承座孔 （ 7） 精镗各轴轴承座孔 （ 8） 钻、攻两端面螺孔 （ 9） 拆开箱壳 （ 10） 装上油塞，箱体地脚螺栓孔划线 （ 11） 钻地脚螺栓孔、刮鱼眼坑 （ 12） 箱盖上固定视孔盖的螺钉孔划线 （ 13） 钻、攻固定视孔盖的螺钉孔 （ 14） 去除箱盖、箱体接合面毛刺，清除铁屑 （ 15） 内表面涂红漆 第四章： 程技术 图 3 1 23 m i q s s s im s s s s s s im s s s s im a s f x y z w f = f f = f 请输入 , 程序示例 ) f 请输入 , 程序示例 ) f 请输入 , 程序示例 ) f 请输入 , 程序 示例 ) f i = m = q = i x z1 m m 1.2 x m 1.2 x m m x q 24 m x (q + 2) m x ( 2) m x (q - m x ( x m x m = q) = a = m x (q + +1.5 x m If f = 齿顶高 & & # & & # & 3) & 0) 齿根高 & & # & & # & 3) & 0) 分度圆直径 & & # & & # & 3) & 0) 齿顶圆直径 & & # & & # & 3) & 0) 齿根高直径 & & # & & # & 3) & 0) 蜗杆轴向齿距 & & # & 3) & 0) 蜗轮端面齿距 & & # & 3) & 0) 蜗杆分度圆柱的导程角 & = & , # & 3) & 0) 蜗轮分度圆柱螺旋角 & = & , # & 3) & 0) 中心距 & a= & a, # & 3) & 0) 25 蜗轮最大外圆直径 & & # & 3) & 0) f 3B 以上是蜗轮蜗杆主要参数计算的程序，当界面上四个参数没有全部输入时，点击计算，会出现程序示例的对话框，按照对话框上的提示，输入参数，确定后，此参数会自动显示到界面对应的 结 论 26 计算机技术的迅猛发展，计算机网络的迅速普及，向传 统的机械设计和制造观念提出了新的挑战。传统的机械设计，多为设计人员根据自己的想法和经验，按一定的方法进行设计、计算，完全依赖于机械工程手册等资料，查阅大量图表，进行繁琐艰难的计算，工作量很大，且因个人知识的局限性等原因，出错概率也比较高。一言以敝之，工作任务重，设计效率低。 为了改变这一现状，就必须利用计算机技术。随着计算机技术的不断进步， 术也得到了长足的发展。采用三维设计方法取代传统的二维设计方法，使设计过程可视化，设计结果直观明了，有利于提高设计质量；参数化设计使得零件的修改和由原型零件演绎 出新的零件更加快捷，有利于提高设计效率。模块化设计使产品的零部件种类减少，批量增大，功能增多，有利于降低产品成本从而提高产品的经济性，而且模块化设计用于生产批量较小的系列化产品特别有效。 本文是设计减速器利用 件进行三维实体造型设计，并利用 行修改。比传统的设计省去了许多繁琐的工作，提高了设计效率。 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