波浪发电主零部件设计

学号： 题目类型： 题目： 波浪发电主零部件设计 学 院： 专业(方向)： 班 级： 学 生： X X X 指导教师： X X X 年 月 日摘要每个时代都有其主要能源，它们为人们的生产生活提供源源不断的能量，人类的发展离不开能源。煤、石油、天燃气三大能源的开发利用对环境危害极大，开发新能源、清洁能源、可再生能源的呼声越来越大，新能源的开发迫不及待。波浪发电机构利用的是波浪能，清洁可再生，波浪能源储量巨大，据估计全世界可开发利用的波浪能达20亿KW，我国可利用平均功率0.23亿KW，因此波浪发电机构设计有很高的价值。 本设计采用震荡浮子式采集波浪能，浮仓用塑料PE制成，浮仓上固定有一排可转动棘爪。两个浮仓两个棘爪布置在棘轮两边，棘爪的上下往复运动转换成棘轮的单项旋转运动，再通过联轴器和增速器把旋转运动传动到发电机上。浮仓所受浮力可以通过注水量进行调节，浮仓只能在框架内随波浪做上下往复运动。变速器可以使转速提高到发电机所需额定转速，带传动使传递到发电机的运动更平稳。发电装置用支架固定在浅海，根据深度制造支承架，零件需要进行防腐处理。该方案是纯粹的机械方式捕获和传动波浪能，这样波浪能的利用率比较高，生产成本低，对环境适应性强等。根据设计计算，波浪能利用率可达94%以上，比其他波浪发电高30%到60%。关键词：波浪发电、新能源、浮仓、棘轮AbstractThe wave power main parts designStudent:SHEN Ying-huan Teacher:QIN Jian-hua Every era has its main energy,humans development can not be separated from energy because they are provide a steady stream of energy for peoples production and living.Exploit the three major energy of coal,oil,natural gas were serious harm to the environment. The calls of research new energy,clean energy,renewable energy becoming more and more higher,the development of new energy can not wait any more.Wave power institutions is use wave energy,clean and renewable ,and huge wave energy reserves.It is estimated that it has 20KW wave energy can be use,only China has 0.23KW,so the research of wave power machine has a high value. This design is uses the shock float acquisition wave energy,the float made of plastic PE.A row of rotatable pawl is fixed on the float.Two float and two pawl are arranged on both sides of the ratchet.The pawls vertical reciprocating movement switch to individual rotational motion of the ratchet.And then the rotational movement spread through the coupling and growth generator.We can adjust the buoyancy force by the amount of water which injected in the floating.The floating can only up and down with the waves within the frame. Transmission make the speed to the rated speed for the generator.And the belt drive make the movement more stable.The electric power generation device in the shallow water via a bracket,according to the depth of water to manufactured the bracket,and all the parts required for corrosion resistance. This program is purely mechanical way to capture and transmission wave energy,by this way,the wave energy utilization is will be more higher,at the same time ,lower production coasts and easier to adapt to the environment .According to the design calculations,wave energy utilization up to 94%,30%-60% higher than other wave power .Keywords: wave power,new energy,float,ratchet目 次摘要IAbstractII1 绪论11.1课题研究背景和意义11.2波能发电的历史、现状和发展情况及成果11.3设计和研究的内容和重点32 整体设计技术方案42.1引言42.2整体方案论证42.3预定实施方案43 波浪发电机械结构设计63.1 浮仓的设计63.2棘轮与棘爪的设计63.3棘爪复位弹簧的设计83.4电动机的选择83.5联轴器的选择93.6增速器的设计93.7带传动的设计223.8整体框架的设计244 关键机构部件的设计和受力分析校核254.1 各轴的设计与校核254.2键的校核394.3轴承寿命校核405 总结42致谢43参考文献44附录45III1 绪论1.1课题研究背景和意义目前世界上主要的能源是石油、煤、天然气等，这些都是不可再生资源，面临着能源消耗量的越来越大和不可再生能源的越来越少，不久的将来这些资源都将枯竭，能源危机将不可避免。能源危机还可能带来经济危机，甚至引发战争。如1973-1974年的石油危机，使全球经济倒退2年，而1990年的海湾战争则是一场彻彻底底的石油战争。“得来全不费功夫”的不可再生能源的枯竭以及引发的问题告诫我们：要与大自然和谐相处，就必须要保护环境，使用可再生资源。新能源的理论开发、技术开发、新能源材料的探索、新能源经济的研究等无疑是当前众多研究的热点中的亮点。波浪能则是一种可再生的清洁能源，波浪能储量巨大，分布广泛，取之不尽，用之不竭，据估计全世界可开发利用的波浪能达20亿kW。我国沿海理论波浪年平均功率约为0.23亿kw。然而目前的开发技术落后，波浪能利用率低，成本高而产出小，因此现在研究波浪能发电技术具有深远的意义。总结波浪发电的意义如下：改善能源结构，缓解目前能源问题。清洁能源，保护环境。有利于解决未来能源问题。有利于经济的可持续发展。1.2波能发电的历史、现状和发展情况及成果1.2.1波浪发电历史 从20世纪70年代，人们才开始认真地研究波浪能的实际利用技术，此后包括中国、美国、日本、英国、挪威、印度、葡萄牙等国家研发出了许多精妙的波能发电装置。 1974年日本开始研究“海明”号，1980年代，年发电19万度，实现了海上浮体波浪电站向陆地小规模送电。 1986年挪威波能公司建造了一座装机容量为350kW的收缩波道式波能电站。 1990年中国在珠江口大万山建成国内第一座3kW岸式波力电站，于1996年改造成20kW电站，峰值功率可达14.5 kW，功率20%40%。1998年日本基于“海明”号相似的发电原理，开发了“巨鲸”号波浪发电船，发电量110kW，最大总发电效率为12%。 1998年9月 英国海洋动力传递公司研发的“海蛇”号，最大总发电效率12%，属于浮标式海浪发电装置。 1999年9月，中国建成并投入运行青岛大管岛波浪发电站，年发电80kW。 2000年英国Wavegen公司和贝尔法斯特女王大学共同在苏格兰的艾莱岛上建成一座装机容量500kW，固定于海岸的振荡水柱式波能电站，并向国家电网供电。 2001年中国在广东汕尾建成我国第一座百千瓦级波力电站，标志着我国波能利用水平已处于世界先进行列。 1.2.2现状与发展情况 目前波能转换的装置千变万化，按固定方式可分为固定式和浮标式，固定式又分为岸式和离岸式。发电装置通常具有两个部分组成：第一部分为采集系统，该系统的作用是俘获波浪能；第二部分为转换装置，该系统是把俘获的波浪能转换为电能。采集系统的形式有震荡水柱式、震荡浮子式、摆式、鸭式、筏式、收缩波道式等。岸式波能发电装置固定于岸边，其优点是管理和维护比较方便，也有利于对装置的优化研究，电力传送成本低，其效率较高，但是岸边所能利用的波浪能的能流密度比较低，这种装置对环境要求较高。浮标式的波浪发电装置可以在船厂建造、下水，然后安装到合适的地方，因此建造难度小。缺点是效率比岸式低，抗风浪能力差，输电成本高。1.2.3前人在本选题研究领域中的工作成果简述 从20世纪70年代开始人们研究出了许多波能发电装置，典型代表有：“点头鸭”式、收缩波道式、震荡水柱式、摆式、波面筏式、整流器式、震荡浮子式等，各种波能发电装置均有其优缺点。“点头鸭”式是可适应各种不同频率的波浪。但是装置可靠性差，在恶劣的海洋环境下，装置极易损坏，所以没有得到广泛推广。收缩波道式波能转换装置是靠地形或堤坝使海浪聚集经过波能转换装置来发电，其优点是装置部件安装在岸上，可靠性好，维护费用低，功率稳定且效率高，但是它对于地形的要求极高，在现实中不易广泛推广。震荡水柱式是通过波浪对密封腔里的空气压缩来转换能量，发电装置不与海浪直接接触，因此抗恶劣性能好，但其转换效率低，建造费用高。摆式波能装置直接从波浪吸收能量转换成机械能，效率较高，但是受波浪周期频率影响大，且抵抗恶劣环境性内差。波面筏式波能发电装置是不浅装换效率最高的波能发电装置，但是其波面实体尺寸过大。震荡浮子式通过浮子吸收波能，并通过杠杆或绳索连接到岸上的发电装置，其能量转化效率较高，建造成本低，抵抗恶劣天气性能较好，有望成为实用化的波能装置。 根据对前人研究成果的评估，本设计方案采用振荡浮子式，并通过更优化的波能转化和传动机构来采集波能和发电。并在整体构造方面吸取各种方案的有点，弥补其他方案的缺点，设计出波能转换效率高，对波浪周期频率适应性强，对环境适应性好，抗恶劣天气性能高，且制造成本和输电成本低，维护方便的波能发电装置。1.3设计和研究的内容和重点本论文主要研究的是波浪能发电装置的波能采集装置和能量转化装置，及其总体结构的设计与各部件的校核分析。1.3.1设计内容： 1）波能采集器的设计 2）能量转化装置，即把上下往复运动转化为单向旋转运动 3）传动装置，把单向旋转运动经过加速后传到发电机 4）整体框架的设计与固定 5）各零部件的受力分析与校核1.3.2设计重点 1）棘轮与棘爪的设计 2）整体结构的设计2 整体设计技术方案2.1引言本章介绍的是该波浪发电装置的整体设计方案，介绍了各主要部件的功能以及运作方式，对整个装置的安装及功能的实现给予分析。2.2整体方案论证根据前人的研究成果可以发现，目前的波浪发电装置研究与开发都还不是很成熟，缺点很多，如收缩波道式发电装置，转化效率低，所占海平面空间大等；震荡浮子式不便于电力的传输；岸式的波浪发电装置对环境要求高等等。而该方案采用纯机械结构来俘获和转化波浪能，转化效率高，且占用面积小，方便维护，电力传输方便等，因此研究价值很高。该方案的总体优点为：1） 能量转化效率高2） 生产成本低，生产周期短3） 对环境适应性强4） 能量来源广，充足，清洁可再生5） 占用面积小6） 维护方便7） 输电成本低2.3预定实施方案根据波能发电装置的研究历史及成果得出震荡浮子式俘获波能效率较高，靠浮子的浮力以及自身的重力来推动棘爪，从而带动真个装置运转。按波能采集、传动到发电机的顺序，各装置如下：波能采集器：箱体类零件，置于水面，内注入一定量的水，箱体部分浸入水中，箱体连接两个固定杆，固定杆只能做上下往复运动。固定杆上安装数个棘爪，棘爪可做单向一定角度转动，固定杆上下运动时棘爪带动棘轮运动，棘爪只能单方向给棘轮作用力，两个固定杆上的棘爪安装反向，这样使棘轮只能做单向转动，如图2.31。传动装置：棘轮轴上固定有一个大齿轮，大齿轮与一个小齿轮啮合，传动的效果是使小齿轮转速增大。小齿轮的轴上同时安装一个大带轮，通过大带轮将转动传递到发电机轴上的小带轮，同时实现转速的提高。发电机：发电机的选择即为电动机的选择，根据传递到发电机轴上的力和转速选择电动机。该装置需要设计的主要部件是浮子（即置于水面的浮仓）、两个固定杆、棘爪、棘轮、棘轮轴、大齿轮、小齿轮、小齿轮轴、大带轮、小带轮、两轴的轴承、皮带的选择以及整个装置框架的设计。其中需要校核的主要零件是棘轮、受力较大齿轮的校核，两轴的校核，轴承寿命的校核，各键的校核。图2-1 棘轮棘爪机构图本章小结：本章介绍了自己所设计的波浪发电装置的主要机械结构，以及此机械结构的工作方式，机械的运动方式和能量的转化方式。绘制出所构思的棘轮与棘爪机械结构图，并简要介绍该机构的优势。通过对该方案的可行性与研究价值的分析，论证了该设计方案的可实施性。3 波浪发电机械结构设计3.1 浮仓的设计 浮仓的设计是整个设计的第一步，整个装置的规格都由浮仓的大小来决定。根据预计所需的浮力来设计浮仓的大小，并根据工作条件确定浮仓的材料。设计流程如图3-1：图3-1 浮仓设计流程图 根据浮仓的工作环境是在海面上，海水腐蚀性强，而塑料的抗腐蚀能力强，韧性好，适合制造浮仓。浮仓用塑料PE制成，浮仓的尺寸根据所需的浮力大小设计，浮仓总容积为2，装一半的水，安装时可以根据浮力调节水量，长宽高均为1260mm，厚度5mm。根据浮力计算公式得出浮仓所受到的浮力： 3.2棘轮与棘爪的设计 棘轮与棘爪是将上下的往复运动转化为单向的旋转运动的关键部件，根据所需传递的转矩大小来确定尺寸。根据工作条件和环境来选择材料和热处理方式，并根据工程力学的校核公式对其进行强度的校核。 设计流程如图3-2：图3-2 棘轮棘爪挡块设计流程图3.2.1棘轮的设计根据棘轮棘爪的工作环境，选用材料均为，表面调质处理。棘轮设计是整个设计的第一步，初步设定棘轮的尺寸参数如下，最大直径=500mm，齿根圆直径=428mm，轮毂直径=100mm，齿面长度L=125mm，厚度=50mm，圆角=10mm。根据以上所设计的尺寸，通过校核公式 （3.1）对棘轮根部进行弯曲疲劳强度进行校核，棘轮根部切向截面积,根据棘轮材料查得抗弯曲疲劳极限强度为，根据公式算的 （3.2）因此棘轮的强度满足要求。 棘轮示意图如图3-3： 图3-3 棘轮图3.2.2棘爪的设计 棘爪的爪尖圆角半径应稍大于棘轮的圆角半径，因此设计棘爪尖圆角半径=12.5mm，厚度=50mm，其他尺寸初步设计如图3.22所示： 图3-4 棘爪图 根据以上所设计的尺寸，通过校核公式（3.1）对棘爪根部进行弯曲疲劳强度进行校核，棘爪销孔部切向截面积,根据棘爪材料查得抗弯曲疲劳极限强度为，根据公式算的，因此棘爪的强度满足要求。3.2.3挡块大小设计 由于棘爪固定杆要固定在浮仓上，挡块厚度要比棘爪厚度稍大，设计挡块度=55mm，长宽均为70mm3.2.4棘爪固定杆的设计棘爪固定杆的宽度要适合装棘爪和挡块，同时预留尺寸用于导向，因此设计宽度为=145mm，厚度=50mm，开有螺栓孔，用于固定棘爪。杆是要固定在浮仓上的，所以再加一固定板，设计尺寸为：宽=150mm，厚=60mm，长度和杆一样，开有螺栓孔，用于固定在浮仓上。3.3棘爪复位弹簧的设计 复位弹簧选择用普通圆柱螺旋拉伸弹簧，弹簧丝直径，由于是拉伸弹簧，没有受力时节距，总长度L=20mm+2mm=22mm。如图3.31：图3-5 棘爪复位弹簧图3.4电动机的选择3.4.1电机选择 由于电动机工作在海水下面，需要较高的防腐性能，选择户外化工防腐型Y-WF三相异步电动机，结构为封闭式。异步电动机的特点是： 1）笼型电动机结构简单，容易制造，价格低廉。 2）绕线转子电动机可以通过转子在回路中串电阻、频敏变阻器或通过双馈改变电动机特性，改善启动性能实现调速。 3）功率因数及效率比同步电动机低。 4）调速控制系统比同步电动机简单。3.4.2电机参数 电动机额定转速选择1000。计算棘轮转速，根据波浪一般起伏周期610s，中浪浪高2mm，计算出棘轮线 速度： 棘轮外圆直径500mm，周长=2 r =2x3.14x250mm=1570mm，则棘轮转速为：则总传动比 i=3.4.3传动比的分配根据总传动比52.33，不是很大，设计一个带传动连接电动机，一个三级增速器连接棘轮轴即可使转速达到电动机额定转速1000。根据带传动的传动比为25，设计带传动的传动比=3，则增速器需实现的传动比=17根据开式二级齿轮减速器考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，可取。因此设计出三级减速器各传动比为=2，=3，=2.9。3.5联轴器的选择 为了让传动能够迅速，敏捷，且考虑到成本问题，选择使用刚性联轴器。3.6增速器的设计 增速器的设计步骤及图表均参考高等教育出版社机械设计第八版。设计流程如图3-6：图3-6 增速器设计流程 设计使用寿命为15年，根据输入功率（为棘轮获得的功率，为棘轮轴的轴承效率，为棘轮轴与增速器间联轴器的效率），因此：= （3.3）则 4.8kw3.6.1第一对齿轮设计3.6.1.1高速级圆柱齿轮的设计计算 1）选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数。 a 根据传动的方案，选择用直齿圆柱齿轮传动 b 发电机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。 c 材料的选择。根据课本图表，选择小齿轮材料为40，调质处理，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS，大小齿轮的硬度差为40HBS。 d 确定小齿轮的齿数：为提高传动的平稳性，减小冲击和振动，齿数可取2040，取小齿轮齿数=30，则大齿轮齿数=2x30=60 2）按齿面接触疲劳强度设计齿轮设计计算公式： （3.3）进行试算。 确定公式内的各计算数值 a 选择载荷系数=1.3b 计算大齿轮传递给小齿轮的转矩： （3.4）(为大齿轮传递给小齿轮的功率，是小齿轮的转速)， =x=4.8x0.99kw=4.75kw, =2x19.11=38.22所以，小齿轮转矩为： c 由表选取齿宽系数 d 由表查得材料的弹性影响系数。 e 根据图按齿面硬度参数查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限。 f 齿轮应力循环的次数计算。 g 根据图1019，取齿轮接触疲劳的寿命系数为， h 齿轮接触疲劳的许用应力计算，根据工作情况确定齿轮失效的概率1%，安全系数S=1，得： 计算 a 试算小齿轮的分度圆的直径 b 小齿轮转动的圆周速度计算。 c 小齿轮的齿宽计算。 d 小齿轮齿宽和齿高的比的计算。 模数 齿高 则 = e 载荷系数的计算。 根据=0.31，7级精度，由图查得动载荷系数=1.02，直齿轮的=1。 由表102查得齿轮的使用系数为=1查表104，用插值法算得7级精度，小齿轮在轴上安装位置相对于支承为非对称布置，=1.49，由=13.33，查图取=1.49。因此载荷系数为：K=f 按实际的载荷系数校正所得分度圆的直径为 g 模数的计算： m= 3）按齿根弯曲疲劳强度设计计算公式为 （3.5） 确定公式内的各计算数值 a 由图查得小齿轮弯曲疲劳的强度极限=500，大齿轮弯曲的疲劳强度极限=380 b 由图取齿轮弯曲的疲劳寿命的系数=0.9，=0.95 c 弯曲疲劳的许用应力计算。根据表查得弯曲疲劳的安全系数为S=1.4，根据计算公式得： （3.7） e 载荷系数的计算： K= f 查取小齿轮的齿形系数。由表查得=2.52，=2.28。 g 查取应立校正系数，由表查得=1.625，=1.73。 h 计算两齿轮的值并加以比较。 = = 数值比较大的是大齿轮。 模数设计计算 = 计算结果对比之后，圆整为标准模数m=4，分度圆直径=155.7mm，小齿轮的齿数=39，大齿轮的齿数=2x39=78 4）齿轮各几何尺寸的计算 a 分度圆的直径计算： ， b 中心距的计算： c 齿宽的计算 最后取，。3.6.2第二对齿轮设计3.6.2.1高速级圆柱齿轮的设计计算 已知输入功率，大齿轮的转速，传动比，工作寿命设计为15年，每天24小时工作制，工作平稳，转向不变。 1）选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数。 a 根据传动的方案，选择用直齿圆柱齿轮传动 b 发电机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。 c 材料的选择。由高等教育出版社机械设计第八版，选择小齿轮材料为40，调质处理，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS，大小齿轮的硬度差为40HBS。 d 确定小齿轮的齿数：为提高传动的平稳性，减小冲击和振动，齿数可取2040，取小齿轮齿数=24，则大齿轮齿数=3x24=72 2）按齿面接触疲劳强度设计齿轮 设计计算公式：根据公式（3.3）进行试算。 确定公式内的各计算数值 a 选择载荷系数=1.3b 计算大齿轮传递给小齿轮的转矩：根据公式（3.4） (为大齿轮传递给小齿轮的功率，是小齿轮的转速)=x=4.75x0.99kw=4.7kw =2x38.22=114.66所以，小齿轮转矩为： c 由表107选取齿宽系数 d 由表10-6，查得材料的弹性影响系数。 e 根据图1021d，按齿面硬度参数查的小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限。 f 齿轮应力循环的次数计算。 g 根据图查得接触疲劳的寿命系数是：， h 接触疲劳的许用应力计算，根据工作情况确定失效的概率是1%，安全的系数式S=1，得： 计算 a 小齿轮分度圆的直径试算： b 小齿轮的圆周速度计算 c 小齿轮的齿轮宽度计算。 d 小齿轮齿宽和齿高的比的计算。 模数 齿高 则 = e 计算载荷系数。 根据=0.64，7级精度，由图查得动载荷系数=1.05，直齿轮的=1。 由表查得使用系数=1，查表用插值法算得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，=1.433，由=10.68，查图1013的=1.42。故载荷系数 K=f 按实际的载荷系数校正所得分度圆直径 g 计算模数 m= 3）按齿根的弯曲疲劳强度来进行设计计算，计算公式为（3.5）。确定公式内的各计算数值 a 由图查确定小齿轮弯曲疲劳的强度极限值是=500，大齿轮弯曲疲劳的强度极限值是=380 b 由图取弯曲疲劳的寿命系数为=0.9，=0.92c 弯曲疲劳的许用应力计算。根据工作情况确定弯曲疲劳的安全系数是S=1.4，由式（3.7）得： e 载荷系数K值的计算 K= f 查取小齿轮的齿形系数。 由表105查得=2.236，=2.65 g 查取应立校正系数，由表105查得=1.58，=1.79。h 两齿轮的值的计算并比较其大小。= = 数值大的为大齿轮。模数设计计算=计算结果对比之后，把模数圆整成标准的模数是m=3，分度圆的直径=112mm，小齿轮齿数=37.7737，大齿轮齿数=3x38=114 4）几何尺寸计算 a 分度圆直径的计算 ， b 中心距的计算 c 齿宽的计算取，。3.6.3第三对齿轮设计3.6.3.1高速级圆柱齿轮的设计计算 已知输入功率，大齿轮的转速，传动比，工作寿命设计为15年，每天24小时工作制，工作平稳，转向不变。 1）选定齿轮类型，精度等级，材料和齿数。 a 根据传动的方案，选择用直齿圆柱齿轮传动 b 发电机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。 c 材料的选择。选择小齿轮材料为40，调质处理，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为240HBS，大小齿轮的硬度差为40HBS。d 确定小齿轮的齿数：为提高传动的平稳性，减小冲击和振动，齿数可取2040，取小齿轮齿数=30，则大齿轮齿数=2.9x30=87 2）按齿面接触疲劳强度设计齿轮 设计计算公式：根据公式（3.3）进行试算。 确定公式内的各计算数值 a 选择载荷系数=1.3b 计算大齿轮传递给小齿轮的转矩：根据公式（3.4） (为大齿轮传递给小齿轮的功率，是小齿轮的转速)=x=4.7x0.99kw=4.65kw, =2.9x114.66=332.5所以，小齿轮转矩为： c 由表选取齿宽系数 d 由表查得材料的弹性影响系数。 e 根据图按齿面硬度参数查的小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限。f 齿轮应力循环的次数计算。 g 根据图确定接触疲劳的寿命系数值， h 接触疲劳的许用应力值的计算，确定失效率是1%，安全的系数是S=1，因此得： 计算 a 小齿轮分度圆的直径试算b 小齿轮转动的圆周速度计算。 c 小齿轮的齿轮宽度计算。 d 小齿轮齿宽和齿高的比计算。 模数 齿高 则 = e 载荷系数的计算。根据=1.3，7级精度，由课本上的图确定动载荷系数值=1.07，直齿轮的=1，由表确定=1，查表用插值法算的7级精度，小齿轮安装位置相对支承是非对称的布置，=1.317，由=13.34，查图得=1.22。因此载荷的系数是K=f 校正分度圆直径为 g 模数的计算m= 3）根据齿根弯曲的疲劳强度来设计计算，计算公式为（3.5）。 各公式内数值计算a 由图查得小齿轮弯曲疲劳的强度极限值=500，大齿轮弯曲疲劳强度的极限值=380。b 由图1018，确定弯曲疲的劳寿命系数值=0.88，=0.92。 c 弯曲疲劳的许用应力计算。确定弯曲疲劳的安全系数是S=1.4，由式（3.7）得： e 载荷系数K值的计算 K= f 查取小齿轮的齿形系数。 由表查得=2.216，=2.52 g 查取应力校正系数，由表查得=1.763，=1.625。 h 两齿轮的值计算并相互比较。 = = 数值大的是大齿轮。 模数设计计算 = 计算结果对比之后，将模数圆整为标准的模数后m=2，分度圆的直径=76.78mm，小齿轮的齿数=38.3938，大齿轮的齿数=2.9x38=110.2110 4）几何尺寸计算 a 分度圆的直径计算 ， b 中心距的计算 c 齿宽计算 最后确定，。3.6.4增速器箱体设计 增速器箱体结构的尺寸设计如下表31：名称符号尺寸(mm) 箱座壁厚 10箱盖壁厚 10箱座凸缘壁厚b15箱盖凸缘壁厚b115箱底座凸缘壁厚b225加强肋厚m8.5地脚螺钉直径20地脚螺钉数目n8轴承旁连接螺栓直径16箱盖与箱座连接螺栓直径12轴承端盖螺钉直径12、12、8、8窥视孔盖螺钉直径6定位销直径d10、至外箱壁距离26、22、22、至凸缘边缘距离24、20、20轴承旁凸台半径28凸台高度h30外箱壁至轴承座端面距离55大齿轮顶圆与内箱壁距离15齿轮端面与内箱壁距离12轴承端盖外径145、145、100、100轴承端盖凸缘厚度t15、15、10、10轴承旁连接螺栓距离s145、145、100、100轴承端面至箱体内壁的距离3旋转零件之间的轴向距离10大齿轮顶圆至箱体底部内壁距离35表31 变速箱尺寸3.7带传动的设计设计流程如图3-7：图3-7 带传动设计流程设计增速器至发电机间的带传动，采用V带传动。已知增速器传递出来的功率是：， 转速 传动比 小带轮的转速 每天工作24小时，工作平稳，转向不变。3.7.1确定带传动的计算功率 由高等教育出版社机械设计第八版的表87查得工作情况系数，因此带传动的计算功率。 1）选择V带的带型 根据计算功率和小带轮转速查图811选带的类型为B型 2）确定小带轮的基准直径 由表86和表88，取小带轮的基准直径=125mm。 验算带速。按书上的式813验算带的速度 因为，故带速合适。 确定大带轮的基准直径。根据式815a计算大带轮的直径。=根据表圆整为=400mm。3.7.2确定V带的中心距和基准长度 根据式822，初选中心距。 由公式计算带所需的基准长度：由表选取带的基准长度。 按公式计算实际中心距 中心距的变化范围为： 3.7.3验算小带轮上的包角3.7.4计算带的根数 计算带跟V带的额定功率 由=125mm和，查表得，根据、和B型带，查表得，查表85得，由表查得，因此 计算带的根数。 = 取=43.7.5计算单根V带的初拉力的最小值 由表查得B型带的单位长度质量q=0.18，因此 为了保证安全，应使带的实际初拉力。3.7.6计算压轴力。压轴力的最小值为3.7.7带轮的设计 小带轮的材料选择HT200，实心式，轮槽根据表得=14，=3.5，=10.8，轮槽的工作表面粗糙度为3.2.。大带轮的材料为HT150，轮辐式，轮槽尺寸参数同小带轮。3.8整体框架的设计整体框架用HT200板焊接而成，板的厚度为50mm，宽度为100mm，顶部和底部的板厚度则用100mm。支承减速器和电动机处的板宽厚均为50mm。框架的的棱边用L型刚，以限制浮仓的运动，厚度均为50mm。整体框架图见CAD图A4-5。本章小结：本章是传动机构的设计计算部分，通过一个增速器来是转速升高，以达到一定的高速单项选择运动。增速器与发电机之间又设计了一个带传动，这样可以使传递到发电机的转动平稳，同时达到发电机需要的额定转速和转矩。4 关键机构部件的设计和受力分析校核4.1 各轴的设计与校核4.1.1轴I的设计4.1.1.1棘轮轴的设计 棘轮轴的设计要使其工作时不会干涉浮仓的上下运动，棘轮轴需要承受棘轮的作用力，符合一定的强度要求。棘轮轴的传递功率=4.9kw，转速，转矩为： 4.1.1.2初步设计棘轮轴的最小直径 选取棘轮轴的材料为45钢，调质处理。查机械设计表取A0=112，按机械设计初步估算棘轮轴的最小直径： （4.1） 轴的最小直径是转配棘轮以及联轴器的轴段，链接方式采用键链接，因此需要增大轴的最小直径5%，以增加强度，因此轴的最小直径为：，圆整后的最小直径为75mm。为了使轴与联轴器相适应，同时要选定联轴器。联轴器的计算转矩为，查表取，则。为了使传动能够迅速敏捷，选择刚性联轴器，查标准(GB/T 5843-1986),选择型号YL13，公称扭矩2500,铁材质，需用转速2600，轴孔直径75mm，轴孔长度142mm，长度289mm，螺栓M16。4.1.1.3轴的结构设计 1）根据轴向的定位要求确定各段轴的直径和长度 第一段：轴的第一段装配联轴器，直径，为使联轴器装配时不会干涉，长度应略短于轴孔长度，因此取。 第二段：第二段的直径要比第一段多出一轴肩，设计轴肩高度为2mm，因此第二段的直径为。为了使联轴器不会干涉到浮仓的上下运动，且预留部分空间装保护壳，设计长度为。 第三段：装配轴承段的设计。因轴承主要承受径向力，选择滚动深沟球轴承，根据由标准（GB/T 276-1994）选取6216，尺寸，因此，。 第四段：轴肩。考虑到轴承内圈外径，设计尺寸为，。 第五段：装配棘轮段的设计。根据最小直径，轴承孔径，设计轴的直径为。长度等于棘轮的宽度小1mm，。 第六段：装套筒段。设计直径为，长度为。 第七段：装配轴承。直径同第三段，长度比轴承宽度大2mm以加工倒角，因此长度为。2） 键的选择，联轴器处的键采用圆头普通平键，根据直径大小查标准(GB/T 1096-1979)取键的尺寸为，长度取100mm。为使轴与联轴承有较好的对中性，选择配合为。3） 求轴上的载荷与受力分析。 由于棘轮主要只受圆周力作用，因此轴主要受力是径向力，。 弯矩： 扭矩：，由于轴承相对棘轮是对称布置，因此两边支反力大小相等，做出弯矩扭矩图如图3.71： 图3.71 轴I受力分析图4） 轴I的强度校核按照轴的弯矩强度进行校核计算，受弯矩最大的地方是装棘轮段的中间部位，由于棘轮所受的式脉动循环变应力，取，轴为圆形有槽，抗弯截面系数W=则 。 由于选定的材料为45钢，调质处理需用弯曲应力，故此轴安全。4.1.2 轴II的设计4.1.2.1增速器与联轴器链接的轴 棘轮轴传递给轴II的功率为，转速，转矩为： 4.1.2.2初步设计轴II的最小直径选取轴II的材料为45钢，调质处理。按公式（4.1）初步估算轴II的最小直径为： 轴的最小直径是联轴器的轴段，链接方式采用键链接，因此需要增大轴的最小直径5%，以增加强度，因此轴的最小直径为：，圆整后的最小直径为75mm。根据棘轮轴选择的联轴器，联轴器的型号是YL13，公称扭矩2500,铁材质，需用转速2600，轴孔直径75mm，轴孔长度142mm，长度289mm，螺栓M16。4.1.2.3轴的结构设计 1）根据轴向的定位要求确定各段轴的直径和长度 第一段：轴的第一段装配联轴器，直径，为使联轴器装配时不会干涉，长度应略短于轴孔长度，因此取。 第二段：第二段的直径要比第一段多出一轴肩，设计轴肩高度为2mm，因此第二段的直径为。长度除装联轴器142mm外，还有端盖，并且端盖到联轴器的距离保持大概50mm，因此设计长度为。 第三段：装配轴承段的设计。因为选择的是滚动深沟球轴承，6216，尺寸，因此，。 第四段：装套筒段。用于装套筒，设计尺寸为，。 第五段：装配齿轮段的设计。根据最小直径，轴承孔径，设计轴的直径为。长度等于齿轮的宽度小1mm，。 第六段：轴肩。设计直径为，长度要考虑到与其他齿轮的距离以及其他齿轮的宽度，长度为。 第七段：装配轴承。直径同第三段，长度比轴承宽度大2mm以加工倒角，因此长度为。 2）键的选择，齿轮固定的键采用圆头普通平键，根据直径大小查标准(GB/T 1096-1979)取键的尺寸为，长度取75mm。为使轴与齿轮有较好的对中性，选择配合为。 3）求轴上的载荷与受力分析。 由于齿轮主要只受圆周力和径向力作用， 圆周力： 径向力： 扭矩： 由于齿轮相对于两轴承是非对称布置，因此两边支反力