蜗杆齿轮变速器的设计方案.doc

蜗杆齿轮变速器的设计方案1已知条件） 运输带工作拉力F；） 运输带工作速度V；） 滚筒直径D；） 滚动效率=0.95 ；） 工作情况： 两班制，连续单向运转，载荷较平稳；） 工作环境：室内，灰尘较大，环境最高温度35C左右；） 使用折旧期8年，4年大修一次；） 制造条件及生产批量：一般机械厂制造，小批量生产。2. 设计方案：设计运输机的蜗杆圆柱齿轮减速器；（1）原始数据：运输带工作拉力F=5.5KN，运输带工作速度V=0.45m/s，卷筒直径D=450mm.（2） 传动装置简图，如下：一、电动机的选择1. 总体传动方案初步确定传动系统总体方案如图1所示。蜗杆圆柱齿轮减速器。传动装置的总效率a0.9820.750.9920.950.960.637；=0.98为轴承的效率，=0.75为蜗轮的效率，=0.99为弹性联轴器的效率，=0.95为齿轮的效率，0.96为输送机效率。2. 电动机的选择卷筒轴工作效率为： 19.11r/min蜗杆齿轮传动比=6090按工作要求和工作条件选用Y系列三相鼠笼型异步电动机，电压为380v工作机有效功率为： 2.475kw工作机所需工作功率为：3.89kw工作机卷筒轴的转速为：19.11kw所以电动机转速的可选范围为：(6090)19.11=1146.41719.9r/min因此选择Y132S-4电机其主要性能如表1所示，安装尺寸如表2所示。表1 Y123S-4型电动机的主要性能型号额定功率/kW铁心长度/mm气隙长度/mm定子外径/mm定子内径/mm定子线规nc-dc每槽线数并联支路数绕组型式节距槽数Z1/Z2转动惯量/(kgm2)质量/kg:Y112M-44.01350.31751101-1.06461单层交叉19/210/181136/330.009543表2 Y112M-4电动机的安装尺寸型号HABCDEFGDGKbb1b2hAABBHAL1Y132S-4132216140893880108331228021013531560200184753.传动装置的总传动比和传动比分配（1）总传动比=75（2）分配传动比=(0.030.06)75=3.75=204.传动装置运动和动力参数的计算（1）各轴转速 轴 nI=1440r/min 轴 nIInI/ i172 r/min 轴 nIIInII/ i220r/min（2）各轴输入功率轴 PIP03.890.993.81 kW 轴 PIIPI3.810.750.982.74kW轴 PIIIPII2.740.980.952.55kW（3）各轴输入转矩 电动机轴输出转矩 =2.58N轴 TI=2.55 N 轴 TIITIi1=48.45N 轴 TIIITIIi2=16.92 N卷筒轴 TIV= TIII=16.08 N二、传动零件的设计1.齿轮的设计计算（一）高速级蜗轮蜗杆传动的设计计算1.选择蜗杆传动类型根据GB/T100851988推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）2.齿轮材料，热处理及精度蜗杆：45钢淬火，螺旋齿面要求淬火，淬火后硬度为4555HRC蜗轮：铸锡磷青铜ZCuSn10Pl,金属模制造，齿芯用灰铸铁HT100 3.按齿面接触疲劳强度进行设计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，传动中心距 (1) 确定作用在蜗轮上的转矩T按z=2, 估取效率涡轮=0.8，则=583611N（2）确定载荷系数K取载荷分布不均系数K =1，选取选用系数K=1，取动载系数K=1.05，则K= KK K=1.05（3）确定弹性影响系数Z=160MPa(4)确定弹性系数设蜗杆分度圆直径d和传动中心距a的比值d/a=0.35，因此=2.9(5)确定许用接触应力根据蜗轮材料为ZCnSn10Pl，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，查得蜗轮的基本许用应力=268Mpa应力循环次数N=60j nL=60119200=8.4210寿命系数=0.7662则，=0.7662268=205.3Mpa（6）计算中心距=145.55mm取中心距a160mm,i=20,因此，取m=6.3，蜗杆分度圆直径d=63mm。这时d/a=0.39， 查图1118可查得接触系数=2.72因为, 1.214齿轮端面与内机壁距离12机盖肋厚8.5机座肋厚m8.5轴承端盖外径97，170，185轴承端盖凸缘厚度e12，15轴承旁连接螺栓距离s179，197 表5 连接螺栓扳手空间、值和沉头直径表 螺栓直径M8M10M12M16M20M24M301316182226344011141620242834沉头座直径202426324048603.轴的设计计算（一）I轴的设计计算1. 轴I上的功率=3.81kw, 转速=1440r/min,转矩=2.58N，轴II上的转距48.452.求作用在蜗杆蜗轮上的力已知蜗杆的分度圆直径=63，蜗轮分度圆直径258.3而3初步确定轴的最小直径，取=112，于是得计算联轴器的转矩，取=1.5N选用LT4弹性套柱销联轴器，其公称转矩为63000N。半联轴器的孔径20，故取=20,半联轴器长度L52，半联轴器与配合的毂孔长度384.轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案如图所示的装配方案（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）为了满足半联轴器的轴向定位要求，I-II轴段右端需制定一轴肩，轴肩高度h=2.5mm,=25mm；左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径=30mm,半联轴器与轴配合的孔长度=38mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器而不压在轴的端面上，故I-II段的长度略短一些，现取=36mm2）初步选择滚动轴承，因轴承同时承受径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承，并根据25mm,选取32306，其尺寸，故30,而=50mm,轴肩高度h=3mm,因此=363）取蜗杆轴轴段直径,蜗杆齿宽=79,经磨削后79+25=104,即1414）轴承端盖的总宽度为25mm，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要求，取端盖的外端面于半联轴器左端面间的距离15mm，故=40mm5）为保证蜗杆与蜗轮啮合，取=65至此已初步确定轴的各段直径和长度。（3）轴上零件的周向定位为了保证半联轴器与轴的连接，选用平键按直径查表查得平键截面，长为，半联轴器与轴的配合为；滚动轴承的配合是由过盈配合来保证的（4）确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2取轴端倒角145。各轴肩处的圆角半径取R1。5. 轴的强度计算（1） 求两轴承受到的径向载荷和将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面两个平面力系：则，1081N=514.3N（2） 求两轴承的计算轴向力和对于圆锥滚子轴承，按表13-7，轴承的派生轴向力,其中，Y是对应表13-5中的Y值，其值由轴承手册查出。手册上查的32306的基本额定载荷C=81500N, =96500N。e=0.31，Y=1.9。因此可得 =284.5N=135.3N按式（1311）得 =3552.3N =135.3N因为，故X=0.40, Y=1.9;, 故X=1, Y=0;因轴承运转过程中载荷较平稳，按表136，=1.1。则=7899.9N=565.7N（3） 验算轴承寿命因为，所以按轴承1的的受力大小验算 故所选选轴承满足寿命要求。首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取a值。对于30313型圆锥滚子轴承，由手册中查得a=18.9mm。因此，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构设计以及弯矩和扭矩图中载荷垂直面V水平面H支反力F1081N,=514.3N,弯矩M总弯矩=160098N.mm=76161N.mm扭矩T6）按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据式（15-5）及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应变。应取，轴的计算应力为=9.28MPa 已知选用轴的材料为45钢，调质处理，由表15-1查得=60MPa。因此，故安全。（2） II轴的设计计算1.轴II上的功率，转速 ，转矩48.45轴III上的功率，转速 ，转矩16.922.求作用在齿轮上的力蜗轮：小齿轮：已知大齿轮的分度圆直径3713.初步确定轴的最小直径，取=1121）拟定轴上零件的装配方案如图所示的装配方案2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 （1）初步选择滚动轴承，因轴承同时承受径向力和轴向力的作用，故选用角接触球轴承，参照工作要求并根据=50mm,选取7310B，其尺寸故 =50,（2）取安装齿轮处的轴段直径=55mm,齿轮的又端与轴承之间采用套筒定位，加挡油环，为了使套筒可靠的压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，蜗轮宽度，取其宽度为56，故取=52mm,小齿轮=106,故取=102mm,齿轮的采用轴肩定位，轴肩高度h=5mm,=65mm,=40（3）为了保证蜗轮蜗杆的啮合，取为了保证斜齿的啮合，取蜗轮端面到内机壁的距离；为了保证斜齿的啮合，取小齿轮端面到内机壁的距离；考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时应距箱体内壁一段距离,取=10mm，已知滚动轴承宽度，则=T+(5652)=63mm, =T+(106102)=55mm至此已初步确定轴的各段直径和长度。（4）轴上零件的周向定位按由表查得平键截面，长为，按由表查得平键截面，长为，同时为了保证齿轮和轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；滚动轴承的配合是由过盈配合来保证的（5）确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2取轴端倒角245。各轴肩处的圆角半径取R2。6. 轴的强度计算（1） 求两轴承受到的径向载荷和将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面两个平面力系：则，6748.4N1908N（2） 求两轴承的计算轴向力和及轴上轴向力对于角接触球轴承7310B，按表13-7，轴承的派生轴向力,其中，Y是对应表13-5中的Y值，其值由轴承手册查出。手册上查的7310B的基本额定载荷C=68200N, =48000N；e1.14。1265.7N因此可得 =7693N=2175N按式（1312）得 =7693N=6427.3N因为，故X=1, Y=0；, 故X=0.35,Y=0.57；因轴承运转过程中载荷较平稳，按表136，=1.1。则=7423N=4764.5N（3） 验算轴承寿命因为，所以按轴承1的的受力大小验算 故所选选轴承满足寿命要求。首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取a值。对于角接触球轴承7310B，由手册中查得a=47.5mm。因此，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构设计以及弯矩和扭矩图中载荷垂直面V水平面H支反力F6748.4N,1908N，弯矩M总弯矩=266561N.mm=242133.7N.mm59777.5N.mm98273.8N.mm扭矩T6）按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据式（15-5）及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应变。应取，轴的计算应力为=22.58MPa已知选用轴的材料为45钢，调质处理，由表15-1查得=60MPa。因此，故安全。7、精确校核轴的疲劳强度1判断截面II左右两侧为危险截面2、截面II左侧 抗弯截面系数W=0.1d=0.150=12500mm 抗扭截面系数W=0.2 d=0.250=25000 mm 截面II左侧的弯矩M为M=111579.624/52=51498.3Nmm 截面II上的扭矩T=484500Nmm 截面上的弯曲应力=M/W=13.9Mpa 截面上的扭转切应力= T/ W=484500/25000=19.38Mpa 轴的材料为45钢，调质处理。查表15-1得=640Mpa,=275Mpa,=155Mpa截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按表查取，因r/d=2.0/50=0.04,D/d=55/50=1.1,经插值后可查得=2.0，=1.36轴的材料的敏性系数为q=0.82 q=0.85故有效应力集中系数为k=1+ q(-1)=1.82 k=1+ q(-1)=1.306由尺寸系数=0.63.扭转尺寸系数=0.78轴按磨削加工，可得表面质量系数=0.92轴未经表面强化处理，即=1，则得综合系数为 K= k/+1/-1=2.99 K= k/+1/-1=1.76 碳钢的特性系数=0.10.2，取=0.1 =0.050.1，取=0.05计算安全系数S值，则得： S=/（K+）=6.62 S=/（K+）=14.93 S=（SS）/（S+ S）=6.05S=1.5故可知其安全截面II右端 抗弯截面系数W=0.1d=0.1*55=16638mm 抗扭截面系数W=0.2 d=0.2*55=33275mm弯矩M及弯曲应力为： M=51498.3Nmm =M/W=113.9Mpa扭矩T及扭转切应力为：T=441280Nmm = T/ W=4.12Mpa过盈配合处的k/，用插值法求出，并取k/=0.8 k/ ，得 k/=3.16 k/=0.8 k/=2.53轴按磨削加工，得表面质量系数为=0.92故得综合系数为：K= k/+1/-1=3.25 K= k/+1/-1=2.62因此，轴在截面IV右侧的安全系数为： S=/（K+）=6.09 S=/（K+）=15.3 S=（SS）/（S+ S）=5.66S=1.5故该轴在截面II右侧的强度也足够（3） III轴的设计计算1轴III上的功率，转速，转矩16.922求作用在齿轮上的力已知大齿轮的分度圆直径3713初步确定轴的最小直径，取=112计算联轴器的转矩，取=1.3N选用HL5型弹性柱销联轴器，其公称转矩为2000000N。半联轴器的孔径60，故取=60,半联轴器长度L142，半联轴器与配合的毂孔长度1074轴的机构设计（1）拟定轴上零件的装配方案如图所示的装配方案（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1）为了满足半联轴器的轴向定位要求，I-II轴段左端需制定一轴肩，轴肩高度h=3mm,d=66mm; 右端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径=68mm,半联轴器与轴配合的孔长度=107mm,故I-II段的长度略短一些，现取=104mm2）初步选择滚动轴承。因轴承同时承受径向力和轴向力的作用，故选用角接触球轴承，根据=66,选取7214AC轴承，其尺寸故703）取安装大齿轮处的轴段直径=75mm,齿轮的左端与轴承之间采用套筒定位，加挡油环，为了使套筒可靠的压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，其宽度为100，故取=54mm,?齿轮的采用轴环定位，轴环高度h=6mm,=87mm,=94）轴承端盖的总宽度为47mm，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要求，取端盖的外端面于半联轴器左端面间的距离15mm，故=62mm5）为了保证斜齿的啮合，取齿轮端面到内机壁的距离；考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时应距箱体内壁一段距离,取=10mm，已知滚动轴承宽度，则=B+=46mm, =B+(10096)=50mm至此已初步确定轴的各段直径和长度。至此已初步确定轴的各段直径和长度。6）轴上零件的周向定位为了保证半联轴器与轴的连接，按由表查得平键截面，长为，半联轴器与轴的配合为；按由表查得平键截面，长为，同时为了保证齿轮和轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；滚动轴承的配合是由过盈配合来保证的7）确定轴上圆角和倒角尺寸参考表15-2取轴端倒角245。各轴肩处的圆角半径取R2。5精确校核轴的疲劳强度1判断截面VII左右两侧为危险截面2、截面VII右侧 抗弯截面系数W=0.1d=0.170=34300mm 抗扭截面系数W=0.2 d=0.250=68600 mm 截面VII右侧的弯矩M为M=510009.7(86-48)/86=225353.13Nmm 截面VII上的扭矩T=1692000Nmm 截面上的弯曲应力=M/W=6.57Mpa 截面上的扭转切应力= T/ W=1692000/68600=24.661Mpa轴的材料为45钢，调质处理。查表15-1得=640Mpa,=275Mpa,=155Mpa截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按表查取，因r/d=2.0/70=0.03,D/d=75/70=1.07,经插值后可查得=2.0，=1.32轴的材料的敏性系数为q=0.82 q=0.85故有效应力集中系数为k=1+ q(-1)=1.82 k=1+ q(-1)=1.272由尺寸系数=0.68,扭转尺寸系数=0.81轴按磨削加工，可得表面质量系数=0.92轴未经表面强化处理，即=1，则得综合系数为 K= k/+1/-1=2.76 K= k/+1/-1=1.66 碳钢的特性系数=0.10.2，取=0.1 =0.050.1，取=0.05计算安全系数S值，则得： S=/（K+）=14.42 S=/（K+）=9.79 S=（SS）/（S+ S）=8.1S=1.5故可知其安全截面VII左端 抗弯截面系数W=0.1d=0.175=42188mm 抗扭截面系数W=0.2 d=0.275=84375mm弯矩M及弯曲应力为：M=225353.1Nmm =M/W=5.34Mpa扭矩T及扭转切应力为：T=1692000Nmm = T/ W=20Mpa过盈配合处的k/，用插值法求出，并取k/=0.8 k/ ，得 k/=3.16 k/=0.8 k/=2.53轴按磨削加工，得表面质量系数为=0.92故得综合系数为：K= k/+1/-1=3.25 K= k/+1/-1=2.62因此，轴在截面VII左侧的安全系数为： S=/（K+）=15.1 S=/（K+）=7.74 S=（SS）/（S+ S）=6.97S=1.5故该轴在截面VII左侧的强度也足够。三、其他附件的选择1视孔盖 选用A=140mm的视孔盖。2通气器选用简易通气器M201.53油面指示器根据指导书表14.13，选用杆式油标M204油塞 根据指导书表14.14，选用M201.5型油塞和垫片5起吊装置 根据指导书，箱盖选用吊耳d=16mm6定位销 根据指导书表11.30，选用销GB/T 117-2000 A8357起盖螺钉选用螺钉M1230四、密封与润滑1齿轮的润滑采用浸油润滑，由于高速级蜗杆浸油深度3050mm，取深h=32mm。根据指导书表16-1，选用全损耗系统用油 L-AN22。2滚动轴承的润滑选用脂润滑。根据表16-4 ，选用滚动轴承脂ZGN69-2。密封方法的选取由于凸缘式轴承端盖易于调整轴向游隙，轴的轴承两端采用凸缘式端盖。五、总结机械设计是机电类专业的主要课程之一，它要求学生能结合课本的学习，综合运用所学的基础和技术知识，联系生产实际和机器的具体工作条件，去设计合用的零部件及简单的机械，起到从基础课程到专业课程承先启后的桥梁作用，有对机械设计工作者进行基础素质培养的启蒙作用。 机械设计课程设计的过程是艰辛而又充满乐趣的，在这短暂的三个星期里，我们不仅对机械的设计的基本过程有了一个初步的认识和了解，即初步接触到了一个真机器的计算和结构的设计，也通过查阅大量的书籍，对有关于机械设计的各种标准有了一定的认识，也加强了对课本的学习和认识。通过这次的设计，我认识