毕业设计（论文）-环面蜗杆蜗轮减速器的设计.doc

毕业（设计）论文系（部） 机电科 专 业 数控技术 班 级 04三二连读数控大专一班 指导教师 姓 名 学号 200714081030124 20烟 台 汽 车 工 程 职 业 学 院 论 文环面蜗杆蜗轮减速器的设计摘 要这篇毕业设计的论文主要阐述的是一套系统的关于环面蜗杆蜗轮减速器的设计方法。环面蜗轮蜗杆减速器是蜗轮蜗杆减速器的一种形式，这个方法是以加工过程和蜗轮减速器的使用条件的数学和物理公式为基础的。 在论文中，首先，对减速器的种类和基本构造作了简单的介绍，接着，阐述了蜗轮蜗杆的设计原理和理论计算。然后按照设计准则和设计理论设计了环面蜗轮蜗杆减速器。接着对减速器的部件组成进行了尺寸计算和校核。该设计代表了环面蜗轮蜗杆设计的一般过程。对其他的蜗轮蜗杆的设计工作也有一定的价值。 目前，在环面蜗轮蜗杆减速器的设计、制造以及应用上，国内与国外先进水平相比仍有较大差距。国内在设计制造环面蜗轮蜗杆减速器过程中存在着很大程度上的缺点，正如论文中揭示的那样，重要的问题如：轮齿的根切；蜗杆毛坯的正确设计；蜗轮蜗杆的校核。关键词：减速器，蜗轮，环面蜗杆，蜗轮轴，蜗杆轴目 录第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 减速器的国内外研究现状11.3 课题目的及意义21.4 论文主要内容2第二章 减速器传动装置的总体设计32.1 减速器的工作条件32.2 减速器的种类及基本构造32.3 传动装置总体设计4第三章 电动机的选择及各级传动比的确定63.1 电动机的选择63.2 确定传动装置总传动比和分配传动比73.3 各轴运动参数的计算8第四章 环面蜗轮蜗杆的传动设计94.1 蜗杆传动类型及材料94.2 按齿面接触疲劳强度进行设计94.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸104.4 校核齿根弯曲疲劳强度114.5 热平衡核算及润滑方式12第五章 蜗杆、蜗轮轴的基本尺寸设计135.1 蜗轮轴基本尺寸设计135.2 蜗杆轴基本尺寸设计145.3 装蜗轮处键的选择及校核155.4 滚动轴承的选择15总 结17参考文献18致 谢19第一章 绪论1.1 课题研究的背景减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。蜗轮蜗杆减速器的计算机辅助机械设计，计算机辅助设计及辅助制造（CAD/CAM）技术是当今设计以及制造领域广泛采用的先进技术，通过本课题的研究，将进一步深入地对这一技术进行深入地了解和学习。1.2 减速器的国内外研究现状国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。20世纪60年代的减速器大多是参照苏联20世纪4050年代的技术制造的，后来虽有所发展，但限于当时的设计、工艺水平及装备条件，其总体水平与国际水平有较大差距。自20世纪60年代以来，我国先后制订了JB113070圆柱齿轮减速器等一批通用减速器的标淮，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器专业生产厂。目前，全国生产减速器的企业有数百家，年产通用减速器25万台左右，对发展我国的机械产品作出了贡献。 改革开放以来，我国引进一批先进加工装备，通过引进、消化、吸收国外先进技术和科研攻关，逐步掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度均有较大提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从JB17960的89级提高到GB1009588的6级，高速齿轮的制造精度可稳定在45级。部分减速器采用硬齿面后，体积和质量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了较大的提高，对节能和提高主机的总体水平起到很大的作用。 我国自行设计制造的高速齿轮减（增）速器的功率已达42000kW ，齿轮圆周速度达150m/s以上。但是，我国大多数减速器的技术水平还不高，老产品不可能立即被取代，新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。1.3 课题目的及意义减速器的设计是一个较为复杂的过程，期间设计计算、绘制工程图、编制工艺等等，都是较为繁琐的事情。但随着科学技术的发展这些过程都变的简单化。为了适应现代市场的需求，就必须运用计算机辅助设计技术解决过去计算繁琐，绘图工作量大及工作效率低，更新速度慢的问题。通过本设计对各种减速器的结构和设计步骤有了一个大概的了解，对以前所学的专业知识作了一个很好的总结，设计中尚有很多不合理和不理解的地方，以待在今后的学习工作中来弥补。1.4 论文主要内容论文的内容应包括传动装置的全部设计计算和结构设计，具体内容如下：1. 设计准备 阅读设计任务书，明确设计要求、工作条件、内容和步骤；通过对减速器的装拆了解设计对象；阅读有关资料，明确课程设计的方法和步骤，初步拟定设计计划。2. 传动装置的总体设计根据任务书中所给参数和工作要求，分析和选定传动装置的总体方案；计算功率并选择电动机；确定总传动比和分配各级传动比；计算各轴的转速、转矩和功率。 3. 各级传动零件的设计计算通过设计计算，确定各传动零件的主要参数和尺寸，一般包括蜗杆、蜗轮、滚动轴承、键等。一般应先计算箱外传动件（如联轴器），后计算箱内传动件。第二章 减速器传动装置的总体设计2.1 减速器的工作条件试设计一闭式蜗杆蜗轮减速器中的环面蜗轮蜗杆减速器。根据生产设计要求，设计该减速器卷筒直径D=350mm。运输带的有效拉力F=6000N，带速V=0.5m/s，载荷较平稳，常温下连续工作，要求寿命为12000小时。工作最高温度80度，环境多尘，电源为三相交流电，电压为380V。2.2 减速器的种类及基本构造减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按照传动的级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。减速器常见类型有以下三种：圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器和蜗杆减速器，分别见图2-l中的a、b、c所示。a）单级圆柱齿轮减速器 b）锥齿轮减速器 c）下置式蜗杆减速器图2-1 减速器的类型减速器主要由传动零件（齿轮或蜗杆）、轴、轴承、箱体及其附件所组成。其基本结构有三大部分：1）齿轮、轴及轴承组合；2）箱体；3）减速器附件。 1. 齿轮、轴及轴承组合小齿轮与轴制成一体，称齿轮轴，这种结构用于齿轮直径与轴的直径相关不大的情况下，如果轴的直径为d，齿轮齿根圆的直径为df，则当df-d67mn时，应采用这种结构。而当df-d67mn时，采用齿轮与轴分开为两个零件的结构，如低速轴与大齿轮。此时齿轮与轴的周向固定平键联接，轴上零件利用轴肩、轴套和轴承盖作轴向固定。两轴均采用了深沟球轴承。这种组合，用于承受径向载荷和不大的轴向载荷的情况。当轴向载荷较大时，应采用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承与推力轴承的组合结构。轴承是利用齿轮旋转时溅起的稀油，进行润滑。箱座中油池的润滑油，被旋转的齿轮溅起飞溅到箱盖的内壁上，沿内壁流到分箱面坡口后，通过导油槽流入轴承。当浸油齿轮圆周速度2m/s时，应采用润滑脂润滑轴承，为避免可能溅起的稀油冲掉润滑脂，可采用挡油环将其分开。为防止润滑油流失和外界灰尘进入箱内，在轴承端盖和外伸轴之间装有密封元件。 2. 箱体箱体是减速器的重要组成部件。它是传动零件的基座，应具有足够的强度和刚度。箱体通常用灰铸铁制造，对于重载或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。单体生产的减速器，为了简化工艺、降低成本，可采用钢板焊接的箱体。 3. 附件为了保证减速器的正常工作，除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速器润滑油池注油、排油、检查油面高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。 2.3 传动装置总体设计满足工作机性能要求的传动方案，可以由不同传动机构类型以不同的组合形式和布置顺序构成。合理的方案首先应满足工作机的性能要求，保证工作可靠，并且结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、传动效率高和使用维护便利。一种方案要同时满足这些要求往往是困难的，因此要通过分析比较多种方案，选择能满足重点要求的较好传动方案。常用传动机构的布置原则：（1）带传动的承载能力较小，传动平稳，缓冲吸振能力较强，宜布置在高速级。（2）链传动运转不均匀，有冲击，宜布置在低速级。（3）蜗杆传动效率较低，但传动平稳，当与齿轮副组成传动机构时，宜布置在高速级。（4）开式齿轮传动的工作环境一般较差，润滑条件不好，因而磨损严重，寿命较短，应布置在低速级。（5）斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合。传动装置的设计方案一般用运动简图表示。它直观地反映了工作机、传动装置和原动机三者间的运动和力的传递关系。根据要求设计单级蜗杆减速器，传动路线为：电机联轴器减速器联轴器带式运输机如图2-2所示。蜗轮及蜗轮轴利用平键作轴向固定。蜗杆及蜗轮轴均采用圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷的复合作用，为防止轴外伸段箱内润滑油漏失以及外界灰尘，异物侵入箱内，在轴承盖中装有密封元件。图2-2传动装置总体设计图该减速器的结构包括电动机、蜗轮蜗杆传动装置、蜗轮轴、箱体、滚动轴承、检查孔与定位销等附件、以及其他标准件等。第三章 电动机的选择及各级传动比的确定3.1 电动机的选择1、 选择电机的类型由于该生产单位采用三相交流电源，可考虑采用Y系列三相异步电动机，全封闭扇冷鼠笼式结构。三相异步电动机的结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，启动性能好等优点。一般电动机的额定电压为380V。2、 选择电机的功率传动滚筒所需功率=6000*0.5/1000=3.0kw由电动机至工作机之间的总效率为= 其中：蜗杆传动效率、联轴器1效率、蜗杆传动的滚动轴承效率（一对）、联轴器2效率、卷筒轴的轴承效率、传动滚筒效率分别为=0.72 、 、=0.720.980.9920.980.960.98 =0.638电动机所需功率： 3、 确定电机的转速传动滚筒工作转速： r/min按推荐的合理传动比范围，取单级蜗杆传动减速机传动比范围i =10-80，可见电动机转速可选范围为N=(1080)*nw=（1080）*27.3=2732184r/min根据容量和转速，查出所得电动机Y系列三相异步电动机数据数据查出有四种适用的电动机型号，因此有以下四种传动比方案。如表3-1: 表3-1 电动机型号方案电动机型号额定功率Pd kw电动机转速 r/min额定转矩同步转速满载转速1Y132S-45.5150014402.22Y132M2-65.510009602.03Y160M-85.57507202.0综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和减速器的传动比，可见第2方案比较适合，因此选定电动机机型号为Y132M2-6其主要性能如下表3-2：表3-2 电动机主要性能中心高H外形尺寸L（AC/2AD）HD底角安装尺寸AB地脚螺栓孔直径K轴身尺寸DE装键部位尺寸FGD132515（270/2210）3152161781238801033383.2 确定传动装置总传动比和分配传动比电动机确定后，根据电动机的满载转速和工作装置的转速就可以计算传动装置的总传动比。1.计算总传动比 上式中i传动装置总传动比；工作机的转速；电动机的满载转速；2.各级传动比的分配传动装置总体设计中传动比都集中在蜗杆上，其他不分配传动比。3.3 各轴运动参数的计算1.蜗杆轴、蜗轮轴、传动滚筒轴的输入功率 2. 蜗杆轴、蜗轮轴、传动滚筒轴的转速3. 蜗杆轴、蜗轮轴、传动滚筒轴的转矩上述运动和动力参数计算结果整理于下表3-3所示：表3-3 各轴的运动和动力参数类型功率P（kw）转速n（r/min）转矩T（KNm）传动比效率蜗杆轴4.5696045.4350.638蜗轮轴3.2827.41143.2滚筒轴3.1227.41088第四章 环面蜗轮蜗杆的传动设计4.1 蜗杆传动类型及材料1.选择蜗杆传动类型 根据GB/T10085-1988的推存，采用环面蜗杆传动。 2.选择材料 蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45-55HRC。 4.2 按齿面接触疲劳强度进行设计3根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由传动中心距: （2-1）1)确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数；由参考文献3选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数；则2)确定作用在蜗轮上的转矩T23）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值=0.4，从参考文献3的图11-18中可查的。4）确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和刚蜗杆相配，故。5）确定许用接触应力根据蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。蜗杆硬度大于45HRC，从参考文献3的表11-7中查的蜗轮的基本许用应力=268Mpa。应力循环次数 =60196012000/35=1.97107寿命系数则 =0.921.97107=181MPa6)把上述数值带入式2-1中得中心距取中心距。4.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸1. 蜗杆的主要参数与几何尺寸1)蜗杆头数2)蜗轮齿数、模数、变位系数查表11-2知直径系数，由于 所以模数。取变位系数 变位后的中心距为。3)蜗杆分度圆直径蜗杆分度圆直径，这时=0.45，从图11-18中可查的接触系数，因为，因此以上计算结果可用。4)蜗杆节圆直径5)蜗杆导程角6)蜗杆齿宽2. 蜗轮的主要参数与几何尺寸1）蜗轮分度圆直径2）蜗轮喉圆直径3）蜗轮齿宽 4.4 校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数 根据，从图11-19中可查的齿形系数。螺旋角系数许用弯曲应力从表11-8中查的由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力。寿命系数 因为所以弯曲强度是满足的。4.5 热平衡核算及润滑方式估算散热面积A 验算油的工作温度ti室温：通常取。散热系数： 油温未超过限度润滑方式根据Vs=4.57m/s，查表得润滑油度，采用浸油润滑。第五章 蜗杆、蜗轮轴的基本尺寸设计5.1蜗轮轴基本尺寸设计1. 初步估计蜗轮轴外伸段的直径 最小直径估算，取C=120。 考虑联轴器加键，蜗轮传动加键将其轴径增加5%左右，故取轴外伸段的直径为。输出轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径。为了使所选轴的直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选择联轴器的型号。2. 联轴器的选用按照计算转矩应小于联轴器的公称转矩的条件可查 得选用HL4号弹性柱销联轴器，其公称转矩为。联轴器的孔径，确定联轴器的长度为。联轴器与轴配合的毂孔长度。3. 蜗轮轴的设计 轴上零件的定位、固定和装配单级减速器中，可将蜗轮按排在箱体中央，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，键联接作周向固定。轴做成阶梯形，左轴承从做从左面装入，蜗轮、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d1=63mm 联轴器与轴配合的毂孔长度，为了保证轴端挡圈只压在联轴器上而不压在轴的端面上，故-段的长度应比L1略短些，现取。d2起固定作用，定位轴肩高度可在（0.070.1）d范围内段直径d2= dmin+2a =71 a(0.070.1) dmin=4.414.5该直径处安装密封毡圈，标准直径。符合毡圈密封标准轴径。轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm ，故取。段d3与轴承的内径相配合，选30215型圆锥滚子轴承，其内径为75mm，宽度为25mm。故段直径d3=75mm，。段考虑蜗轮端面和箱体内壁、轴承端盖与箱体内壁应有一定距离，则取套筒长为60mm。故，d4=75mm。段取安装蜗轮处的直径为d5=80mm，。段d6=d4+2a=80+26=92 a(0.070.1)d3=5.66段d7=d6-2h=92-25.5=81mmh由机械设计表11.4查得 h=5.5，。段 d8=d3=75mm，。5.2 蜗杆轴基本尺寸设计1. 选择轴的材料选取45钢，调质处理，硬度HBS=230，强度极限=650 Mpa，屈服极限=360 Mpa，弯曲疲劳极限=300 Mpa，剪切疲劳极限=155 Mpa，对称循环变应力时的许用应力=60 Mpa。2. 初步估计蜗杆轴外伸段的直径 最小直径估算，取C=120。 考虑联轴器加键，将其轴径增加5%左右，故取轴外伸段的直径为。输出轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径。为了使所选轴的直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选择联轴器的型号。 3. 联轴器的选用按照计算转矩应小于联轴器的公称转矩的条件可查得选用HL1号弹性柱销联轴器，其公称转矩为。联轴器的孔径，确定联轴器的长度为。联轴器与轴配合的毂孔长度。按轴的结构和强度要求选取轴承处的轴径d=30mm，初选轴承型号为32006圆锥滚子轴承（GB/T29794），采用蜗杆轴结构，其中，齿根圆直径76mm，分度圆直径mm，齿顶圆直径mm，长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。5.3装蜗轮处键的选择及校核(1) 选用普通平键（A型）装蜗轮处的轴径d=80mm，以及轮毂长，查表选用键2214 70。(2) 强度校核键材料选用45号钢，查表知，取平均值键的工作长度mm，mm，按公式的挤压应力小于，故键的联接的强度是足够的。5.4 滚动轴承的选择1. 蜗轮轴上滚动轴承的选择 按承载较大的滚动轴承选择其型号。因支承跨距不大，故采用两端固定轴承组合方式。轴承类型选为30215型圆锥滚子轴承，其内径为75mm，宽度为25mm，轴承预期寿命取为12000h。蜗轮的圆周力蜗轮的轴向力蜗轮的径向力轴承所受径向力，轴向力，轴承工作转速n=27.3r/min。 初选30215型圆锥滚子轴承，基本额定动载荷Cr=105KN，基本额定静载荷Cor=160.0KN。 Fa/Fr=652.1/2389.6=0.27e 按文献3表13-5取X=0.4Y=1.6 按文献3表13-6，载荷系数fp=1.2。 式中-指数。对于滚子轴承，=10/3。 由于CCr，故30215轴承满足要求。 2. 蜗杆轴上滚动轴承的选择 选择和校核的方法与蜗轮轴上的轴承相类似，经过具体的设计选择该蜗杆轴上的轴承型号为32006圆锥滚子轴承（GB/T29794），经校核32006圆锥滚子轴承（GB/T29794）轴承满足要求。总 结减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮蜗杆传动所组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置；在少数场合下也用作增速的传动装置，这时就称为增速器。减速器由于结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单，并可成批生产，故在现代机中应用很广。 在论文中，首先，对减速器的种类和基本构造作了简单的介绍，接着，设计了圆柱蜗轮蜗杆的总体传动方案。然后按照设计准则和设计理论选择了电机，确定了传动的总传动比，并进行各级传动比的分配。接着对减速器的部件组成进行了尺寸计算和校核。该设计代表了圆柱蜗轮蜗杆设计的一般过程。对其他