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机械传动
多功能
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机械传动多功能试验台毕业设计,机械传动,多功能,试验台,毕业设计
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第三章 机械传动多功能实验台的设计3.1 电动机的选择综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比。由机械设计手册选定型号为YZ112-M-6的三相异步电动机，额定功率为1.5KW，额定电压380V,额定电流4.2A，满载转速920 r/min。其结构如图3-1所示图3-1 三相异步电动机3.2齿轮传动的设计齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动，型式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。本设计所设计的是最常用的渐开线齿轮传动。3.2.1齿轮传动的主要特点有： 1)效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达99。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高1，也有很大的经济意义。 2)结构紧凑 在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。 3)工作可靠、寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可长达一、二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。这对车辆及在矿井内工作的机器尤为重要。4)传动比稳定 传动比稳定往往是对传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特点。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较员，且不宜用于传动距离过大的场合。齿轮传动可做成开式、半开式及闭式。如在农业机械、建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动。这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用于低速传动。当齿轮传动装有简单的防护罩，有时还把大齿轮部分地浸入油池中，则称为半开式齿轮传动。它的工作条件虽有改善，但仍不能做到严密防止外界杂物侵入，润滑条件也不算最好。而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确加工而且封闭严密的箱体(机匣)内，这称为闭式齿轮传动(齿轮箱)。它与开式或半开式的相比，润滑及防护等条件最好，多用于重要的场合。3.2.2 齿轮传动的失效形式齿轮传动就装置型式来说，有开式、半开式及闭式之分；就使用情况来说，有低速、高速及轻载、重载之别；就齿轮材料的性能及热处理工艺的不同，轮齿有较脆(如经整体淬火、齿面硬度很高的钢齿轮或铸铁齿轮)或较韧(如经调质、常化的优质碳钢及合金钢齿轮)，齿面有较硬(轮齿工作面的硬度大于350HBS或38HRC，并称为硬齿面齿轮)或较软(轮齿工作面的硬度小于或等于350HBS或38HRC，并称为软齿面齿轮)的差别等。由于上述条件的不同，齿轮传动也就出现了不同的失效形式。3.2.3齿轮设计准则由于齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。因此，针对上述各种工作情况及失效形式，都应分别确立相应的设计准则。但是对于齿面磨损、塑性变形等，由于尚未建立起广为工程实际使用而且行之有效的计算方法及设计数据，所以目前设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲。对于高速大功率的齿轮传动(如航空发动机主传动、汽轮发电机组传动等)，还要按保证齿面抗胶合能力的准则进行计算。至于抵抗其它失效的能力，目前虽然一般不进行计算，但应采取相应的措施，以增强轮齿抵抗这些失效的能力。由实践得知，在闭式齿轮传动中，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。但对于齿面硬度很高、齿芯强度又低的齿轮(如用20、20cr钢经渗碳后淬火的齿轮)或材质较脆的齿轮，通常则以保证齿根弯曲疲劳强度为卞。如果两齿轮均为硬齿面且齿面硬度一样高时，则视具体情况而定。功率较大的传动，例如输入功率超过75kw的闭式齿轮传动，发热量大，易于导致润滑不良及轮齿胶合损伤等，为了控制温升，还应作散热能力计算。开式(半开式)齿轮传动，按理应根据保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算，但如前所述，对齿面抗磨损能力的计算方法迄今尚不够完善，故对开式(半开式)齿轮传动，目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。为了延长开式(半开式)齿轮传动的寿命，可视具体需要而将所求得的模数适当增大。对于齿轮的轮困、轮辐、轮较等部位的尺寸，通常仅作结构设计，不进行强度计算。3.2.4齿轮传动设计工作条件：已知输入功率Pt1.5kw，小齿轮转速M1；920rmin 齿数比i2，由电动机驱动，工作寿命15年(设每年工作300天)，两班制，工作干稳，转向不变。1.选定齿轮类型、精度等级、材料及齿效1) 由工作台的传动方案与设计要求选用斜齿圆柱齿轮传动。2) 考虑此减速器的功率较大，故大、小齿轮都选用硬齿面。由表l0-1选得大、小齿轮的材料均为40cr，并经调质及表面淬火齿面硬度为4855HRC。3) 选取精度等级。因采用表面淬火，轮齿的变形不大，不需磨削，故初选7级精度。4)选小齿轮齿数:30，大齿轮齿数：.5) 选取螺旋角。初选螺旋角2.按齿面接触强度设计（1）确定公式内各个计算数值1)试选。2)由图10-30选取区域系数2.433。3)由图10-26查得:则：4)许用接触应力：（2）计算(1)试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得其中：则：(2)计算圆周速度则：V=3.13m/s(3)计算齿宽b及摸数Mnt则：b=65.4mmMnt=2.11mm即有： H=4.76mm(4)计算纵向重合度即：(5)计算裁荷系数K已知使用系数KA=1。根据V=3.13m/s， 7级精度，由查得动载系数；由查得143;由查得137;由查得。故裁荷系数:即：K=2.78(6)按实际的裁荷系数校正所算得的分度圆直径。即：(7)计算模数Mn即：3按齿根弯曲强度设计1) 确定计算参数(1) 计算裁荷系数即：K=2.237(2) 根据纵向重合理，从查得螺旋角影响系数;(3) 计算当量齿数即：即：（4）查取齿形系数由查得 2)设计计算即：则由：选取则小齿轮和大齿轮的齿数分别为：30、60选取大小齿轮齿宽分别为：60、503）斜齿轮参数计算小齿轮参数计算：1.分度圆直径2.齿顶圆直径3.齿顶高mm4.齿根高mm图3-2小齿轮大齿轮参数计算：1.分度圆直径2.齿顶圆直径3.齿顶高mm4.齿根高mm图3-3 大齿轮3.3带传动设计3.3.1带传动简介带传动是由固联于主动轴上的带轮1(主动轮)、固联于从动轴上的带轮3(从动轮)和紧套在两轮上的传动带2组成的(如图3-4)。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦(或啮合)，便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力。带传动具有结构简单、传动乎稳、造价低廉以及缓冲吸振等特点，在近代机械中被广泛应用。图3-4 带传动示意图带传动的类型 在带传动中，常用的有平带传动、v带传动、多楔带传动、和同步带传动等。图3-5 平带传动图3-6 V带传动图3-7多楔带传动图3-8 同步带传动在一般机械传动中，应用最广的是v带传动。v带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，v带只和轮槽的两个侧面接触，即以两侧面为工作面。根据槽面摩擦的原理，在同样的张紧力下，v带传动较乎带传动能产生更大的摩擦力。这是v带传动性能上的员主要优点。再加上v带传动允许的传动比较大，结构较紧凑，以及v带多已标准化并大量生产等优点，因而v带传动的应用比乎带传动广泛得多，故本设计采用v带传动。3.3.2 V带的类型与结构V带有普通V带、窄V带、联组V带夕形V带、大楔角V带、宽V带等多种类型，其中普通v带应用最广。 标准普通v带都制成无接头的环形。其结构由项胶、抗拉体、底胶和包布等部分组成。抗拉体的结构分为帘布芯v带和绳芯v带两种类型。普通v带的截型分为Y、z、A、B、C、D、E七种，窄v带的截型分为SPZ、SPA、SPB、SPC四种。V带轮设计的要求设计V带轮时应满足的要求有；质量小；结构工艺性好；无过大的铸造内应力；质量分布均匀，转速高时要经过动平衡；轮槽工作面要精细加工(表面租糙度一般为6.3)，以减少带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以便载荷分布较为均匀等。 带轮的材料带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HTl50或HT200；转速较高时宜采用铸钢或用钢板冲压后焊接而成)；小功率时可用铸铝或塑料。3.3.3 V带传动设计计算(一) 设计准则和单根v带的基本额定功率 根据前面的分析可知，带传动的主要失效形式即为打滑和疲劳破坏。因此，带传动的设计准则应为：在保证带传动不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。由机械设计手册并对v带用当量摩擦系数代替平面摩擦系数，则可推导出带在有打滑趋势时的有效拉力(亦即最大有效拉力)为：再由机械设计手册可知v带的疲劳强度条件为：或式中为在一定条件下，由带的疲劳强度所决定的许用应力。即有：即可得出单根v带所允许传递的功率为：（二)原始数据及设计内容 设计v带传动给定的原始数据为：传递的功率P，传动比i=2，传动位置要求及工作条件等。（三)设计步骤和方法1确定计算功率Pca。计算功率Pca是根据传递的功率P，并考虑到载荷性质和每天运转时间长短等因素的影响而确定的。即:式中：P-传递的额定功率(例如电动机的额定功率)，kw； KA-工作情况系数。2选择带型根据计算功率和小带轮转速，由机械设计手册选定带型。图3-9 普通v带选型图3确定带轮的基准直径D1和D21)初选小带轮的基准直径D1 根据v带裁型，参考机械设计手册选取DlD2，为了提高v带的寿命，宜选取较大的直径。2)验算带的速度。根据来计算带的速度，并应使。对于普通V带：如，则离心力过大，即应减小D1；如V过小(例如V5ms)，则表示所选Dl过小，这将使所需的有效拉力过大，即所需带的根数过多，于是带轮的宽度、轴径及轴承的尺寸都要随之增大。一般以20ms为宜。3)计算从动轮的基准直径D1、D2。其中：并按v带轮的基准直径系列机械设计手册以适当圆整。4确定中心距a和带的基准长度Ld如果中心距末给出，可根据传动的结构需要韧定中心距a，取：取定后，根据带传动的几何关系，按下式计算所需带的基港长度。根据，由机械设计手册选取和相近的v带的基准长度Ld 。再根据Ld来计算实际中心距。由于v带传动的中心距一般是可以调整的，故可采用下式作近似计算，即：考虑安装调整和补偿顶紧力(如带伸长而松弛后的张紧)的需要，中心距的变动范围为：5验算主动轮上的包角。根据机械设计手册及对包角的要求，应保证：6确定带的根数：式中：考虑包角不同时的影响系数，简称包角系数；考虑带的长度不同时的影响系数，简称长度系数；单根v带的基本领定功率。 计入传动比的影响时，单根v带额定功率的增量(因是按180，即DlD2的条件计算的，而当传动比越大时，从动轮直径就越比主动轮直径大，带绕上从动轮时的弯曲应力就越比统上主动轮时的小，故其传动能力即有所提高)。在确定v带的根数：时，为了使各根v带受力均匀，根数不宜太多(通常：V40HRC；高速、重载、连续工作的传动，采用低碳钢、低碳合金钢表面渗碳淬火(如用15、20Cr、12CrNi3等钢淬硬至55HRC-60HRC)或中碳钢、中碳合金钢表面淬火(如用45、40Cr、45Mn、35SiMn、35CrMo等钢淬硬到40HRC50HRC)。载荷平稳、速度较低、齿数较多时，也允许采用 的铸铁制造链轮。由于小链轮的啮合次数比大链轮多，因此对材料的要求也比大链轮高。当大链轮用铸铁制造时，小链轮通常都用钢。3.4.4 链传动的运动特性图3-17 链轮运动图链的水平方向的加速度链的垂直方向分速度相对啮合冲击动能图3-18 链轮传动若链条松弛，在起动、制动、反转、载荷变化等情况下，将产生惯性冲击，使链传动产生很大的动载荷。 3.4.5 链传动的受力分析1.工作拉力 ：2.离心拉力 ：3.垂度拉力 ：4.紧边总拉力：5.松边总拉力：6.轴上的载荷： 图3-19 链的受力3.4.6滚子链传动的失效形式及计算方法1.链传动的失效形式有： (1) 铰链元件由于疲劳强度不足而破坏。 (2) 因铰链销轴磨损使链节距过度伸长（在标准试验条件下允许伸长率为3%），从而破坏正确啮合和造成脱链现象； (3) 润滑不当或转速过高时，销轴和套筒的摩擦表面易发生胶合破坏； (4) 经常起动、反转、制动的链传动，由于过载造成冲击破断； (5) 低速重载的链传动，铰链元件发生静强度破坏； (6) 链轮轮齿磨损。2.额定功率曲线 图3-20 额定功率曲线3.额定功率确定方法3.4.7 滚子链传动的设计步骤和主要参数的确定设计滚子链时的原始数据为：传动的功率、小链轮和大链轮的转速（或传动比）、原动机种类、载荷性质以及传动用途等。设计步骤 ： 1选择链轮齿数z1、z2 小链轮齿数对链传动的平稳性和使用寿命有较大的影响，链轮齿数不宜过多或过少。过少时将：1)增加传动的不均匀性和动载荷；2)增加链节间的相对转角，从而增大功率消耗；3)增加铰链承压面间的压强（因齿数少时，链轮直径小，链的工作拉力将增加），从而加速铰链磨损等；4)增加链传动的圆周力，从而加速了链条和链轮的损坏。由于链节数应选用偶数，所以链轮齿数最好选质数或不能整除链节数的数。并优先选取17、19、21、23、25、38、57、76、95、114。 图3-21 链轮节距2 确定传动比i 链传动的传动比一般，推荐，在低速和外廓尺寸不受限制的地方允许到10（个别情况可到15）。如传动比过大，则链包在小链轮上的包角过小，啮合的齿数太少，这将加速轮齿的磨损，容易出现跳齿，破坏正常啮合，通常包角最好不小于120，传动比在3左右。本次设计中采用的传动比i=2 3确定计算功率4确定链节距在承载能力足够条件下，应选取较小节距的单排链，高速重载时，可选用小节距的多排链。一般，载荷大、中心距小、传动比大时，选小节距多排链；速度不太高、中心距大、传动比小时选大节距单排链。5确定中心距和链长6链速和链轮的极限转速链速的提高受到动载荷的限制，所以一般最好不超过12 m/s。如果链和链轮的制造质量很高，链节距较小，链轮齿数较多，安装精度很高，以及采用合金钢制造的链，则链速也允许超过20m/s30m/s。链轮的最佳转速和极限转速。7计算链传动作用在轴上的力3.4.8链传动的布置、张紧和润滑1.链传动的合理布置两链轮的回转平面应在同一垂直平面内;两链轮中心连线最好是水平的，或与水平面成45以下的倾斜角，尽量避免垂直传动。属于下列情况时，紧边最好布置在传动的上面： 1)中心距和的水平传动； 2)倾斜角相当大的传动； 3)中心距、传动比和链轮齿数的水平传动。图3-22 传动链的布置2. 链传动的张紧方法链传动张紧的目的，主要是为了避免由于链条垂度过大产生啮合不良和链条振动现象，同时也为了增加链条的包角。张紧力并不决定链的工作能力，而只是决定垂度的大小。当两轮中心连线倾角大于60时，一般都要设置张紧装置。最常见的张紧方法是移动链轮以增大两轮的中心距。但如中心距不可调时，也可以采用张紧轮传动。张紧轮应装在靠近主动链轮的松边上。不论是带齿的还是不带齿的张紧轮，其分度圆直径最好与小链轮的分度圆直径相近。不带齿的张紧轮可以用夹布胶木制成，宽度应比链约宽5mm。此外还可用压板或托板张紧。对于中心距大的链传动，用托板控制垂度更为合理。3. 链传动的润滑、护罩或链条箱人工定期润滑；滴油润滑；油浴或飞溅润滑；压力喷油润滑图3-23 建议使用的润滑油方法3.5 蜗轮蜗杆传动设计3.5.1 蜗杆传动的类型和特点 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两铀线交错的夹角可为任意值，常用的为90。这种传动由于具有结构紧凑、传动比大、传动乎稳以及在一定的条件下具有可取的自锁性等优点，应用颇为广泛；其不足之处是传动效率低、常用耗用有色金属等。蜗杆传动通常用于减速装置，但也有个别机器用作增速装置。 随着机器功率的不断提高，近年来陆续出现了多种新型的蜗杆传动，效率低的缺点正在逐步改善。（一）蜗杆传动的类型根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。图3-24 圆柱蜗杆传动图3-25 环面蜗杆传动图3-26 锥蜗杆传动3.5.2 蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算1. 蜗杆传动的最大特点是结构紧凑、传动比大。2. 传动平稳、噪声小。3. 可制成具有自锁性的蜗杆。4. 蜗杆传动的主要缺点是效率较低。5. 蜗轮的造价较高。图3-27 蜗轮蜗杆设计参数垂直于蜗轮轴线且通过蜗杆轴线的平面，称为中间平面。在中间平面内蜗杆与蜗轮的啮合就相当于渐开线齿条与齿轮的啮合。在蜗杆传动的设计计算中，均以中间平面上的基本参数和几何尺寸为基准 。（一） 蜗杆传动的主要参数及其选择1. 蜗杆的头数z1、蜗轮齿数z2和传动比 i较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为1、2、4、6。蜗轮齿数主要取决于传动比，即 。不宜太小（如26)，否则将使传动平稳性变差。也不宜太大，否则在模数一定时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。传动比 i：2.模数m和压力角a蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力角应与蜗轮的端面模数、压力角相等，即 3.导程角在m和为标准值时，正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且4.蜗杆分度圆直径和蜗杆直径系数q由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径。直径与模数m的比值称为蜗杆的直径系数。当模数m一定时，q值增大则蜗杆直径d1增大，蜗杆的刚度提高。因此，对于小模数蜗杆，规定了较大的q值，以保证蜗杆有足够的刚度。 5.中心距（二）蜗杆传动的几何尺寸计算表3-1蜗轮蜗杆设计参数3.5.3 蜗杆传动的失效形式和计算1.齿面见相对滑动速度v ；2.齿轮的失效形式；蜗杆传动的主要问题是摩擦磨损严重，这是设计中要解决的主要问题。蜗轮磨损、系统过热、蜗杆刚度不足是主要的失效形式。3.蜗杆传动的计算准则对于闭式蜗轮传动，通常按齿面接触疲劳强度来设计，并校核齿根弯曲疲劳强度。对于开式蜗轮传动，或传动时载荷变动较大，或蜗轮齿数z2大于90时，通常只须按齿根弯曲疲劳强度进行设计。由于蜗杆传动时摩擦严重、发热大、效率低，对闭式蜗杆传动还必须作热平衡计算，以免发生胶合失效。3.5.4 蜗杆传动的材料和结构1.蜗杆传动的材料为了减摩，通常蜗杆用钢材，蜗轮用有色金属（铜合金、铝合金）。高速重载的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳淬火，或45钢、40Cr淬火。低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。2.蜗杆、蜗轮的结构蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，但该结构的刚度较前一种差。为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下： （A）整体式蜗轮 (B) 齿圈式蜗轮 （C）镶铸式蜗轮 (D)螺栓联接式蜗轮图3-28 蜗轮结构3.5.5 蜗杆传动的强度计算1、 蜗杆传动的受力分析 蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮相似，轮齿在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向载荷Fa。在不计摩擦力时，有以下关系：图3-29 蜗轮蜗杆受力2.蜗轮齿面接触疲劳强度计算适用于钢制蜗杆对青铜或铸铁蜗轮涡轮齿面接触疲劳强度的设计公式为3蜗轮齿轮的齿根弯曲疲劳强度计算涡轮齿根弯曲强度的校核公式为：设计为：3.5.6 蜗杆传动的效率、润滑及热平衡1蜗杆传动效率计及啮合摩擦损耗的效率；计及轴承摩擦损耗的效率；计及溅油损耗的效率；是对总
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