机械设计课程设计-基于solidworks软件的同轴式二级圆柱齿轮减速器设计.doc

机械设计制造及自动化专业 09级机械设计方向 专业课程设计 题 目： 基于solidworks软件的同轴式 二级圆柱齿轮减速器设计 班级学号： 姓 名： 指导教师： 联系电话： 目录一、 前言1二、 设计题目提出1三、 零件计算2（一） 电机选型2（二） 计算传动装置总传动比和分配各级传动比3（三） 计算传动装置的运动和动力参数3（四） 传动件的设计计算4（五） 轴的设计计算10四、 零件建模25（一） 高速轴25（二） 中速轴26（三） 低速轴26（四） 高速大齿轮27（五） 箱体28五、 装配31（一） 高速轴31（二） 中速轴32（三） 低速轴32（四） 总体装配32六、 仿真34七、 有限元分析35八、 参考文献371、 前言进年来科技迅速发展，尤其是计算机大力发展，为机械行业注入了新的活力。运用三维绘图软件进行机械设计大大提高了工作效率、降低了工作强度。为机械设计者提供了巨大便利。为了适应新环境，安排了这次专业课程设计。同时专业课程设计也是本专业集中实践环节的主要内容之一，是学习专业技术课所需的必要教学环节。通过课程设计的教学实践，使学生所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使学生得到运用所学理论知识解决实际问题的初步训练；专业课程设计使学生接触和了解实际局部设计从收集资料、方案比较、计算、绘图的全过程，进一步提高学生的分析、综合能力以及工程设计中计算和绘图的基本能力，为今后的毕业设计做必要的准备。2、 设计题目提出设计一用于带式运输机上同轴式二级圆柱齿轮减速器1、 总体布置简图2、 工作情况工作平稳、单向运转3、 原始数据运输机卷筒扭矩（Nm）运输带速度（m/s）卷筒直径（mm）带速允许偏差（%）使用年限（年）工作制度（班/日）15000.8540051023、 零件计算（1） 电机选型1、电动机类型选择按工作要求和工作条件，选用一般用途的（IP44）系列三相异步电动机。它为卧式封闭结构。2、电动机容量（1）卷筒轴的输出功率 （2） 电动机的输出功率Pd 传动装置的总效率式中为从电动机至卷筒轴之间的各传动机构和轴承的效率。由机械设基础计课程设计【1】（以下未作说明皆为此书中查得）表9-10查得：V带传动 滚动轴承 圆柱齿轮传动弹性联轴器 卷筒轴滑动轴承 则： 故 （3） 选择电动机皮带动载荷稳定，可取过载系数 则 由表17-7选用Y160M-4电动机，具体参数如下型号额定功(kw)满载转速n(r/min)电机伸出端直径D（mm）电机伸出端轴安装长度E（mm）Y160M-411146042110（2） 计算传动装置总传动比和分配各级传动比1、 传动装置总传动比2、 分配各级传动比取V带传动的传动比则两级圆柱齿轮减速器的传动比为 所得符合一般圆柱齿轮传动和两级圆柱齿轮减速器传动比的常用范围。（3） 计算传动装置的运动和动力参数1、 各轴转速电动机轴为0轴，减速器高速轴为轴，中速轴为轴，低速轴为轴，各轴转速为：2、 各轴输入功率按电动机额定功率计算各轴输入功率3、 各轴转矩（4） 传动件的设计计算1、 V带传动设计计算（略）2、 斜齿轮传动设计计算按低速级齿轮设计：小齿轮转矩，小齿轮转速，传动比（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数选用斜齿圆柱齿轮运输机为一般工作机器，速度不高，故选7级精度（GB10095-88）由机械设计【2】（斜齿轮设计部分未作说明皆查此书）表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS；大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者硬度差为40HBS。选小齿轮齿数：大齿轮齿数 则齿数比初选取螺旋角（2）按齿面接触强度设计按式(10-21）试算，即确定公式内各计算数值a) 试选载荷系数b) 由图10-30选取区域系数c) 由图10-26查得，d) 小齿轮传递的传矩e) 由表10-7选取齿宽系数f) 由表10-6查得材料弹性影响系数g) 由图10-21d按齿面硬度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h) 由式10-13计算应力循环次数：i) 由图10-19查得接触疲劳寿命系数j) 计算接触疲劳许用应力：取失效概率为1%，安全系数S=1，由式(10-12)得k) 许用接触应力计算a) 试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得b) 计算圆周速度c) 齿宽b及模数mntd) 计算纵向重合度e) 计算载荷系数K由表10-2查得使用系数 根据，7级精度，由图10-8查得动载系数；由表10-4查得的值与直齿轮的相同，故；表10-3查得；图10-13查得故载荷系数： f) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式(10-10a)得g) 计算模数（3）按齿根弯曲强度设计 由式(10-17) 确定计算参数a) 计算载荷系数b) 根据纵向重合度，从图10-28查得螺旋角影响系数c) 计算当量齿数d) 查取齿形系数由表10-5查得e) 查取应力校正系数由表10-5查得f) 计算弯曲疲劳许用应力由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲疲劳强度极限由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式(10-12)得g) 计算大、小齿轮的，并加以比较大齿轮的数值大 设计计算对比计算的结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算应有的齿数。于是由取，则（4）几何尺寸计算计算中心距将中心距圆整为255mm按圆整后的中心距修正螺旋角因值改变不多，故参数等不必修正计算大、小齿轮的分度圆直径计算齿轮宽度圆整后取由于是同轴式二级齿轮减速器，因此两对齿轮取成完全一样，这样保证了中心距完全相等的要求，且根据低速级传动计算得出的齿轮接触疲劳强度以及弯曲疲劳强度一定能满足高速级齿轮传动的要求。为了使中间轴上大小齿轮的轴向力能够相互抵消一部分，故高速级小齿轮采用左旋，大齿轮采用右旋，低速级小齿轮右旋大齿轮左旋。高速级低速级小齿轮大齿轮小齿轮大齿轮传动比3.5模数(mm)4螺旋角 中心距(mm)255齿数27952795齿宽(mm)120115120115直径(mm)分度圆113.28396.49113.28396.49齿根圆100.78383.99100.78383.99齿顶圆123.28406.49123.28406.49旋向左旋右旋右旋左旋（5） 轴的设计计算1、 高速轴设计（1）高速轴上的功率、转速和转矩转速（）高速轴功率（）转矩T（）486.6710.56207.22（2）作用在轴上的力已知高速级齿轮的分度圆直径为=98.75 ，根据机械设计（轴的设计计算部分未作说明皆查此书）式(10-14)，则（3）初步确定轴的最小直径先按式(15-2)初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3，取,于是得（4）轴的结构设计1）拟订轴上零件的装配方案（如图） 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了满足V带轮的轴向定位，-轴段右端需制出一轴肩，故取-段的直径d-=37mm。V带轮与轴配合的长度L1=99mm，为了保证轴端档圈只压在V带轮上而不压在轴的端面上，故-段的长度应比L1略短一些，现取 L-=95mm。初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据d-=37mm，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30308，其尺寸为dDT=40mm90mm25.25mm，故d-=d-=40mm；而L-=24+24=48mm，L-=15mm。右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位。由手册上查得30308型轴承的定位轴肩高度h=5mm，因此，套筒左端高度为5mm，d-=50mm。取安装齿轮的轴段-的直径d-=45mm，取L-=115mm齿轮的左端与左端轴承之间采用套筒定位。轴承端盖的总宽度为36mm（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，取端盖的外端面与V带轮右端面间的距离L=24mm，故取L-=60mm。至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。3）轴上零件的轴向定位V带轮与轴的周向定位选用平键10mm8mm80mm，V带轮与轴的配合为H7/r6；齿轮与轴的周向定位选用平键14mm9mm90mm，为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选齿轮轮毂与轴的配合为H7/n6；滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。4）确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2，取轴端倒角，各圆角半径见图轴段编号长度（mm）直径（mm）配合说明-9535与V带轮键联接配合-6037定位轴肩-4840与滚动轴承30308配合，套筒定位-11545与小齿轮键联接配合-1550定位轴环-2640与滚动轴承30308配合总长度359mm（5）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取a值。对于30307型圆锥滚子轴承，由手册中查得a=19.5mm。因此，轴的支撑跨距为L1=129mm， L2+L3=83.5+76.5=160mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面C是轴的危险截面。先计算出截面C处的MH、MV及M的值列于下表。76.583.5129 129载荷水平面H垂直面V支反力F，C截面弯矩M 总弯矩扭矩（6）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，轴的计算应力已选定轴的材料为45Cr，调质处理。由表15-1查得。因此，故安全。2、 中速轴设计（1）中速轴上的功率、转速和转矩转速（）中速轴功率（）转矩T（）140.6510.14688.49（2）作用在轴上的力已知高速级齿轮的分度圆直径为，根据式(10-14)，则已知低速级齿轮的分度圆直径为，根据式(10-14)，则（3）初步确定轴的最小直径先按式(15-2)初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3，取,于是得（4）轴的结构设计1）拟订轴上零件的装配方案（如图） 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据d-=d-=50mm，由轴承产品目录中初步选取标准精度级的单列圆锥滚子轴承30310，其尺寸为dDT=50mm110mm29.25mm，故L-=L-=29+20=49mm。两端滚动轴承采用套筒进行轴向定位。由手册上查得30310型轴承的定位轴肩高度h=5mm，因此，左边套筒左侧和右边套筒右侧的高度为5mm。取安装大齿轮出的轴段-的直径d-=50mm；齿轮的左端与左端轴承之间采用套筒定位。为了使大齿轮轴向定位，取d-=66mm，又由于考虑到与高、低速轴的配合，取L-=110mm。至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。3）轴上零件的轴向定位大小齿轮与轴的周向定位都选用平键18mm11mm90mm，为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选齿轮轮毂与轴的配合为H7/n6；滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。4）确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2，取轴端倒角，各圆角半径见图轴段编号长度（mm）直径（mm）配合说明-5450与滚动轴承30310配合，套筒定位-11060与大齿轮键联接配合-11065定位轴环-11560与小齿轮键联接配合-5450与滚动轴承30310配合总长度433mm（5）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取a值。对于30309型圆锥滚子轴承，由手册中查得a=23mm。因此，轴的支撑跨距为L1=78.5mm， L2=217.5，L3=81mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面C是轴的危险截面。先计算出截面C处的MH、MV及M的值列于下表。载荷水平面H垂直面V支反力FC截面弯矩M总弯矩扭矩83.574.5227.5按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，轴的计算应力已选定轴的材料为45Cr，调质处理。由表15-1查得。因此，故安全。3、低速轴的设计（1）低速轴上的功率、转速和转矩转速（）中速轴功率（）转矩T（）40.669.742288.24（2）作用在轴上的力已知低速级齿轮的分度圆直径为，根据式(10-14)，则（3）初步确定轴的最小直径先按式(15-2)初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3，取，于是得 （4）轴的结构设计1）拟订轴上零件的装配方案（如图） 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了满足半联轴器的轴向定位，-轴段左端需制出一轴肩，故取-段的直径d-=75mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度L1=107mm，为了保证轴端档圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故-段的长度应比L1略短一些，现取L-=105mm。初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据d-=75mm，由轴承产品目录中初步选取标准精度级的单列圆锥滚子轴承30317，其尺寸为dDT=85mm180mm44.5mm，故d-=d-=80mm；而L-=45mm，L-=45+20=65mm。左端滚动轴承采用轴环进行轴向定位。由表15-7查得30317型轴承的定位高度h=6mm，因此，取得d-=97mm。右端轴承采用套筒进行轴向定位，同理可得套筒右端高度为6mm。取安装齿轮出的轴段-的直径d-=95mm；齿轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为115mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取L-=110mm。轴承端盖的总宽度为30mm（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，取端盖的外端面与联轴器左端面间的距离L=30mm，故取L-=60mm。至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。3）轴上零件的轴向定位半联轴器与轴的联接，选用平键为20mm12mm85mm，半联轴器与轴的配合为H7/k6。齿轮与轴的联接，选用平键为25mm14mm95mm，为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选齿轮轮毂与轴的配合为H7/n6。4）确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2，取轴端倒角，各圆角半径见图轴段编号长度（mm）直径（mm）配合说明-4585与滚动轴承30317配合-1597轴环-11090与大齿轮以键联接配合，套筒定位-6585与滚动轴承30317配合-6079与端盖配合，做联轴器的轴向定位-10574与联轴器键联接配合总长度400mm66.581.5（5）求轴上的载荷首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取a值。对于30314型圆锥滚子轴承，由手册中查得a=36mm。因此，轴的支撑跨距为根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面B是轴的危险截面。先计算出截面B处的MH、MV及M的值列于下表。载荷水平面H垂直面V支反力FB截面弯矩M总弯矩扭矩（6）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，轴的计算应力已选定轴的材料为45Cr，调质处理。由表15-1查得。因此，故安全。（7）精确校核轴的疲劳强度1）判断危险截面截面只受扭矩作用，虽然键槽，轴肩及过渡配合引起的应力集中将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕确定的，所以截面无需校核。从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面和处过盈配合引起应力集中最严重；从受载情况来看，截面B上的应力最大。截面的应力集中影响和截面的相近，但截面不受扭矩作用，同时轴径也较大，故不必做强度校核。截面B上虽然应力最大，但应力集中不大（过盈配合及键槽引起的应力集中均在两端），而这里轴的直径也大，故截面B不必校核。截面显然更不必校核。由机械设计第三章附录可知，键槽的应力集中系数比过盈配合的小，因而该轴只需校核截面左右两侧。2）截面左侧抗弯截面系数抗扭截面系数截面左侧的弯矩为截面上的扭矩为截面上的弯曲应力截面上的扭转切应力轴的材料为45Cr，调质处理。由表15-1查得截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数按附表3-2 经插值后可查得又由附图3-1可得轴的材料的敏性系数为故有效应力集中系数为由附图3-2得尺寸系数由附图3-3得扭转尺寸系数轴按磨削加工，附图3-4得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即q=1，则得综合系数值为又由3-1和3-2查得碳钢的特性系数, 取；, 取；于是，计算安全系数值，按式(15-6)(15-8)则得故可知其安全。3）截面右侧抗弯截面系数抗扭截面系数截面右侧的弯矩为截面上的扭矩为截面上的弯曲应力截面上的扭转切应力轴的材料为45Cr，调质处理。由表15-1查得截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数按附表3-2 经插值后可查得又由附图3-1可得轴的材料的敏性系数为故有效应力集中系数为由附图3-2得尺寸系数由附图3-3得扭转尺寸系数轴按磨削加工，附图3-4得表面质量系数为轴未经表面强化处理，即q=1，则得综合系数值为又由3-1和3-2查得碳钢的特性系数, 取；, 取；于是，计算安全系数值，按式(15-6)(15-8)则得故可知其安全。81.566.54、 零件建模【3】（1） 高速轴新建一个零件，选择材料45钢如图4.1.1所示。在上视基准面绘制草图如图4.1.2所示。图4.1.1图4.1.2退出草图，以中心线为基准轴，旋转草图。在轴两端绘制倒角C2，中间轴颈绘制圆角R1，得到结果如图4.1.3所示。绘制键槽，最终得到结果如图4.1.4所示。图4.1.4图4.1.3 （2） 中速轴新建一个零件，选择材料45钢。在上视基准面绘制草图如图4.2.1所示。退出草图，以中心线为基准轴，旋转草图。在轴两端绘制倒角C2，中间轴颈绘制圆角R1，得到结果如图4.2.2所示。绘制键槽，最终得到结果如图4.2.3所示。图4.2.1图4.2.2图4.2.3 （3） 低速轴新建一个零件，选择材料45钢。在上视基准面绘制草图如图4.3.1所示。退出草图，以中心线为基准轴，旋转草图。在轴两端绘制倒角C2，中间轴颈绘制圆角R1，得到结果如图4.3.2所示。绘制键槽，最终得到结果如图4.3.3所示。图4.3.1图4.3.3图4.3.2 （4） 高速大齿轮新建一个装配体，打开Toolbox，Gb动力传动齿轮螺旋齿轮，如图4.4.1所示，输入参数如图4.4.2所示。图4.4.2图4.4.1 得到如图4.4.3所示齿轮。退出装配图，新建一个零件。选择材料45钢。打开Toolbox，选择设定好参数的齿轮。在前视基准图绘制草图如图4.4.4所示。以中心线为基准轴旋转切除得到如图4.4.5所示结果。孔两端倒角C2，在面上拉伸切除六个孔，绘制圆角R4。得到最终结果如图4.4.6所示。 图4.4.4图4.4.3图4.4.6 图4.4.5（5） 箱体新建一零件。选择材料灰铸铁，在上视基准图绘制草图如图4.5.1所示。退出草图，拉伸，长度235mm。侧面绘制草图如图4.5.2所示，退出，拉伸，长度47mm。在另外一面绘制草图如图4.5.3所示，退出，拉伸，长度47mm。图4.5.2图4.5.1图4.5.3拉伸切除装轴承的孔得到结果如图4.5.4所示。在地面绘制草图如图4.5.5所示。图4.5.5图4.5.4 绘制加强筋，如图4.5.6所示。绘制中间轴承座，如图4.5.7所示。图4.5.7图4.5.6 钻螺纹孔，结果如图4.5.8所示。任选一面绘制游标孔和放油孔如图4.5.9所示。图4.5.9 图4.5.8最后绘制油槽，吊耳，并倒圆角，最终得到箱体如图4.5.10所示。图4.5.95、 装配（1） 高速轴图5.1.1 高速轴装配爆炸图图5.1.2 高速轴装配图（2） 中速轴图5.2.2 中速轴装配图图5.2.1 中速轴装配爆炸图 （3） 低速轴 图5.3.2 低速轴装配图