单级蜗杆减速器.doc

摘 要减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。几乎在各式机械的传动系统中都可以见到它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等.蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。谐波减速机的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。目 录一、摘要二、传动装置总体设计1、传动机构整体设计2、电动机的选择3、传动比的确定4、计算传动装置的运动参数三、传动零件的设计1、减速器传动设计计算2、验算效率3、精度等级公差和表面粗糙度的确定四、轴及轴承装置设计1、输出轴上的功率、转速和转矩2、蜗杆轴的设计3、涡轮轴的设计4、滚动轴承的选择5、键连接及联轴器的选择五、蜗杆传动的热平衡计算 热平衡的验算六、机座箱体结构尺寸及附件1、箱体的结构尺寸2、减速器的附件七、蜗杆减速器的润滑1、蜗杆的润滑2、滚动轴承的润滑八、说明九、设计体会十、参考文献一传动装置总体设计1、传动机构整体设计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(如下图所示) 。根据生产设计要求可知，该蜗杆的圆周速度V45m/s，所以该蜗杆减速器采用蜗杆下置式，采用此布置结构，蜗杆在蜗轮的下边，啮合处的冷却和润滑均较好。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。 图一 输送机传送方案 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。2、 选择电动机(1). 参数选择 卷筒直径：D=366mm 运输带有效拉力：F=4200N 运输带速度：V=01.2m/s 工作环境：三相交流电源，有粉尘，常温连续工作 卷筒转速=601000v/(D)= 6010001.2/(366)r/min=62.65r/min （2）选择电动机类型 按已知工作要求和条件选用Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异 步电动机. （3）选择电动机容量 工作机要求的电动机输出功率为： 其中 则 由电动机至运输带的传动总效率为： 式中，查机械设计手册可得 每个联轴器的效率 =0.98每对滚动轴承效率 =0.99蜗轮蜗杆传动效率 =0.82卷筒的传动效率 =0.96则 由JB/T5274-1991选取电动机额定功率p=7.5k 卷筒转速=601000v/(D)= 6010001.2/(370)r/min=61.97 r/min 初选传动比的范围，单级蜗杆传动比 =12-20,故电动机转速的可选范围为： 符合这一范围电动机的同步转速有750r/min,1000r/min,对应有两种合适的电动机型号可供选择，如下表所示：电动机型号表一方案电动机型号额定功率Ped kw电动机转速 r/min额定转矩同步转速满载转速1Y160M-67.510009702.02Y160L-87.57507202.0（4）确定电动机转速综合各方面考虑，方案2比较合适，因此选取电动机的型号为Y160L-8。下表是电动机的主要参数和外观尺寸。Y160L-8的主要性能参数 表1额定功率/kw同步转速n/(r )满载转速n/(r )电动机总重/N启动转矩额定转矩最大转矩额定转矩7.510009702.022 表2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FGD132605（335/2265）38525421015421101237423、 传动比的确定由此可知蜗杆传动比为4、 计算传动装置的运动和动力参数 （1）各轴转速 蜗杆轴 n1=970r/min 齿轮轴 n2=970/15.5=62.58r/min 卷筒轴 n3= n2=62.58r/min （2）各轴的输入功率蜗杆轴 齿轮轴 卷筒轴 (3) 各轴的转矩 电机输出转矩 =9550 =95507/970Nm=68.92Nm蜗杆输入转矩 =49.40.990.98 Nm =66.87Nm蜗轮输入转矩 =47.9415.50.980.82Nm =832.92Nm 卷筒输入转矩 =938.10.990.98 Nm=808.10Nm 将以上算得的运动和动力参数列于表3 表3类型功率P（kw）转速n（r/min）转矩T（Nm）传动比i效率电动机轴797068.92蜗杆轴6.9397066.870.72蜗轮轴5.6762.58832.9215.5传动滚筒轴5.5062.58808.10 三、传动零件的设计1、减速器传动设计计算（1）选择蜗杆传动类型根据GB/T 10085-1988的推存，采用渐开线蜗杆（ZI）。 （2）选择材料蜗杆：根据库存材料的情况，并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4555HRC。 因而蜗轮用铸锡磷青铜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45号钢制造。(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。由手册知传动中心距 a.确定作用在涡轮上的转距 由前面可知=832.92 Nmb.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=1;由机械设计手册取使用系数=1.15由转速不高，冲击不大，可取动载荷系数=1.05;K=1.21c.确定弹性影响系数 因用铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=160d.确定接触系数 假设蜗杆分度圆直径d和传动中心距a的比值d/a =0.4,从而可查得=2.7e.确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,可从手册中查得蜗轮的基本许用应力=268应力循环次数 寿命系数 则 =0.828268=221.90MPaf.计算中心距 取中心距a=160mm,i=15.5,完全满足要求，取模数m=8，蜗杆分度圆直径d1=80mm。这时d1/a=0.50.4，因此以上计算结果可用。蜗杆与蜗轮主要几何参数 a.蜗杆 表 4名称代号计算关系式说明中心距aa=160mm按规定选取蜗杆头数=2按规定选取蜗杆直径系数q蜗杆轴向齿距蜗杆导程蜗杆分度圆直径按规定选取蜗杆齿顶圆直径蜗杆齿根圆直径顶隙c按规定渐开线蜗杆基圆直径蜗杆齿顶高按规定选取蜗杆齿根高蜗杆齿高蜗杆导程角b.蜗轮 表 5 名称代号计算关系式说明蜗轮齿数=31变位系数=-0.5 分度圆直径 齿顶圆直径 =+2ha2=416+281.25mm=268mm齿根圆直径=-=416-281mm=232mm蜗轮咽喉母圆半径=a-0.5=160-134mm=26mm 校核齿根弯曲疲劳强度 当量齿数 由=-0.5，=31.88，查机械设计手册可得齿形系数=3.35螺旋角系数 =1-=1-=0.9192许用弯曲应力 = 从手册中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 =56 寿命系数 = =0.86856=48.6弯曲强度是满足的。 2、验算效率 已知=1831= ，；与相对滑动速度有关= =4.14m/s查表可得 =0.024， 代入式中可得82% 大于原估计值，因此不用重算。3、精度等级工查核表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T 10089-1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8经济精度，侧隙种类为f，标注为8f,GB/T10089-1988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度。四、 轴及轴承装置的设计1、求输出轴上的功率P,转速和转矩由前面可知：（1）蜗杆轴的输入功率、转速与转矩P1 = Pr=6.93kw n1=970r/minT1=66.87N .m（2）蜗轮轴的输入功率、转速与转矩P2 =5.67kw n2=62.58r/minT2=832.92Nm（3）传动滚筒轴的输入功率、转速与转矩P3 =5.50kwn3=62.58r/minT3=808.10Nm2、蜗杆轴（1轴）的设计 （1）选择轴的材料及热处理 选用45钢调质 因为蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体，其结构形式如下图： 图二 蜗杆轴的结构形式 (2) 先初步估计确定轴的最小直径 选取轴的材料为45钢，调质处理。取 蜗杆轴的最小直径显然是要安装联轴器处轴的直径，为了使所选的轴的直径d与联轴器的孔相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，考虑到转矩变化很小，故取Ka =1.5，则有： 因为该轴要与电动机相连，电动机的轴径为42mm，而上式中计算的最小轴径为23.11mm，所以要以轴径大的轴来选择联轴器的轴径，所以。按照计算转矩Tca应小于联轴器公称转矩的条件，查标准GB/T4323-2002，选LH4型弹性套柱销联轴器，其公称转矩为1250。许用转速4000r/min,联轴器的尺寸为d=42mm,半联轴器长L=112mm。半联轴器与轴配合的轮毂孔长度=84mm。(3).根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 a.为了满足半联轴器的轴向定位要求，1轴段右端需制出一轴肩，取h=6mm,故。轴的左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径D=50mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度应比=84mm，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故1段的长度应比略短一些，取2mm. b.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，故选用单列角接触球轴承。参照工作条件，并根据=54mm，由轴承产品目录里初步选择0基本游隙组，标准精度级的单列角接触轴承7211C，其尺寸为，故，而，角接触球轴承右端用油环定位，油环宽度，,；，。又因轴承端盖的总宽度为20mm，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖外端面与半联轴器的右端面间的距离,故取。 c.第6段轴为蜗杆，故，又因为蜗杆齿宽，综合考虑要使蜗轮与内壁有一定的距离，取。(4）轴上零件的周向定位 半联轴器与轴的定位均采用平键连接。按查得平键截面，同时为了保证齿轮与轴配合由良好的对称，故选择齿轮轮毂与轴的配合为。滚动轴承的周向定位是由过度配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。参考机械设计手册，取轴端倒角为圆角和倒角尺寸，轴肩的圆角半径为12mm至此，已初步确定了蜗杆轴的各段直径和长度。 (5).蜗杆轴的校核图 蜗杆轴受力分析图 轴的受力分析 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点的位置时，应从手册中查取轴承的a值。对于7211B型轴承，由手册中查得a=20.9。因此，作为简支梁的轴的支承跨距 。根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图可以看出中间截面是轴的危险截面。现将计算的截面的 、 及 的值计算过程及结果如下：表6.3 蜗杆轴上的载荷载荷HV支反力N835.875835.8751222.411222.41弯矩M总弯矩M扭矩 然后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的弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据式上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取轴的计算应力 前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由机械设计手册查得。因此，故安全。3. 蜗轮轴（2轴）的设计（1）选择轴的材料及热处理 选用45钢调质（2） 先初步估计确定轴的最小直径 选取轴的材料为45钢，调质处理。取 考虑到键槽，将直径增大10%，则所以，选用（3）轴上的零件定位，固定和装配蜗轮蜗杆单级减速装置中，可将蜗轮安装在箱体中央，相对两轴承对称分布，蜗轮左面用轴肩定位，右端面用轴端盖定位，轴向采用键和过度配合，两轴承分别以轴承肩和轴端盖定位，周向定位则采用过度配合或过盈配合，轴呈阶梯状，左轴承从左面装入，右轴承从右面装入。轴的结构图如下：（4）确定轴的各段直径和长度 蜗杆轴的最小直径显然是要安装联轴器处轴的直径，为了使所选的轴的直径d与联轴器的孔相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，考虑到转矩变化很小，故取Ka =1.5，则有： 查机械设计手册选用HL4弹性柱销联轴器。表6.2 蜗轮轴联轴器参数型号公称转矩许用转速轴孔直径HL412504000107142601段：，。2段：因定位轴肩高度，考虑到轴承端盖的长度和安装和拆卸的方便，取。3段：初选用角接触球轴承，参照要求取型号为7214C型单列角接触球轴承，考虑到轴承右端用套筒定位，取齿轮距箱体内壁一段距离a=20mm，考虑到箱体误差在确定滚动轴承时应据箱体内壁一段距离S，取S=8。已知所选轴承宽度T=24，则。4段：为安装蜗轮轴段，蜗轮齿宽 ，由于为了使套筒能压紧蜗轮则。5段：4段右端为轴环的轴向定位，6段：。（5）轴上零件的周向定位 蜗轮、半联轴器与轴的定位均采用平键连接。按查得平键截面，键槽用铣刀加工，长为70mm，同时为了保证齿轮与轴配合由良好的对称，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样半联轴器与轴的连接，选用平键为，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承的周向定位是由过度配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。参考机械设计手册，取轴端倒角为圆角和倒角尺寸，轴肩的圆角半径为12mm 至此，已初步确定了蜗轮轴的各段直径和长度。（6）蜗轮轴的校核图三 蜗杆轴受力分析图 轴的受力分析 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点的位置时，应从手册中查取轴承的a值。对于7211B型轴承，由手册中查得a=20.9。因此，作为简支梁的轴的支承跨距 。根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图可以看出中间截面是轴的危险截面。现将计算的截面的 、 及 的值计算过程及结果如下：表6.3 蜗轮轴上的载荷载荷HV支反力N3358.553358.551222.411222.41弯矩M总弯矩M扭矩 然后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的弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据式上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取轴的计算应力 前已选定轴的材料为45钢，调质处理，由机械设计手册查得。因此，故安全。3、 滚动轴承的选择 (1)蜗杆轴a.蜗杆轴（1轴）上滚动轴承的选择 采用角接触球轴承，选择角接触球轴承的型号为7211C，主要参数如下： D=100mm,B=21mm,a=20.9m基本额定静载荷基本额定动载荷极限转速b.寿命计算因蜗杆轴所受的轴向力向左，所以只有最左边的角接触球轴承受轴向力 该轴承所受的径向力约为对于70000C型轴承，按机械设计表13-7轴承派生轴向力，其中为机械设计表13-5中的判断系数，其值由的大小来确定，查机械设计表13-5得角接触球轴承判断系数 所以当量动载荷 深沟球轴承所受的径向力约为当量动载荷所以，应用核算轴承的寿命因为是球轴承，所以取指数轴承计算寿命减速器设计寿命所以故所选轴承满足寿命要求。(2) 蜗轮轴a.蜗轮轴（2轴）上滚动轴承的选择 选用角接触球轴承的型号为7214C，主要参数如下： D=125mm,B=24mm,a=25.3mm基本额定静载荷基本额定动载荷极限转速b.寿命计算 对于70000C型轴承，按机械设计表13-7轴承派生轴向力，其中为机械设计表13-5中的判断系数，其值由的大小来确定，但现轴承轴向力未知，故先初取，因此可估算：由机械设计表13-5进行插值计算，得，。再计算： 两次计算的值相差不大，因此可以确定，。 （3）轴承当量动载荷、因为 由机械设计表13-5分别进行查表或插值计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为对轴承1 对轴承2 因轴承运转中有中等冲击载荷，按机械设计表13-6，取。则：故p=10693.18N轴承计算寿命 减速器设计寿命 减速器设计寿命 所以故所选轴承满足寿命要求。4.键联接的选择 (1).蜗杆轴与联轴器采用平键连接根据轴径，查机械设计手册可选用A型平键，得：，即：键键、轴和联轴器的材料都是钢，由机械设计表6-2查的许用应力 ，取其平均值。键的工作长度：键与联轴器接触高度，由机械设计P106式（6-1）得： 所以此键强度符合设计要求。(2).蜗轮轴与联轴器连接采用平键连接根据轴径，查机械设计手册可选用A型平键，得：，即：键1870GB/T1096-79键、轴和联轴器的材料都是钢，由机械设计表6-2查的许用应力 ，取其平均值。键的工作长度：键与联轴器接触高度。由机械设计P106式（6-1）得： 所以此键强度符合设计要求。(3).输出轴与蜗轮连接用平键连接根据轴径，查机械设计手册可选用A型平键，得：，即：键2290GB/T1096-79键、轴和联轴器的材料都是钢，由机械设计表6-2查的许用应力 ，取其平均值。键的工作长度：键与联轴器接触高度。由机械设计P106式（6-1）得： 所以此键强度符合设计要求。5 联轴器的选择计算(1).与蜗杆输入轴轴的配合的联轴器a,计算联轴器的计算转距 ，考虑到转矩变化很小，故取Ka =1.5，则有： b.型号选择根据前面的计算，蜗杆输入轴，选择弹性联轴器TL4型。主要参数如下：其公称转矩为1250，满足要求；许用转速 因此此联轴器符合要求。轴孔直径轴孔长度(2).与蜗轮输入轴轴的配合的联轴器a. 联轴器的计算转矩 ，考虑到转矩变化很小，故取Ka =1.5，则有： b.型号选择根据前面的计算，蜗轮输出轴，选择弹性销柱联轴器HL4型。主要参数如下： 其公称转矩为1250，满足要求；许用转速 因此此联轴器符合要求。轴孔直径轴孔长度五、蜗杆传动的热平衡计算1.热平衡的验算（1）由前面计算可得 蜗杆传动效率, 蜗杆传动功率（2）摩擦损耗功率转化成的热量 由草图估算减速器箱体内表面能被润滑油所飞溅到外表面有可被周围空气所冷却的箱体表面面积 （3）计算散热面积 取周围空气温度,箱体散热系数为 热平衡时 ,则要求的散热面积为 可得=57.6880满足热平衡。六、机座箱体结构尺寸及附件1.减速器箱体采用HT200铸造，必须进行去应力处理,减速箱体的结构尺寸如下所示：设计内容计 算 公 式计算结果箱座壁厚度=0.04160+3=9.4mma为蜗轮蜗杆中心距取=10mm箱盖壁厚度1=0.8510=8.5mm取1=8.5mm机座凸缘厚度bb=1.5=1.58.5=12.75mmb=12.75mm机盖凸缘厚度b1b1=1.51=1.58.5=12.75mmb1=12.75mm机盖凸缘厚度=2.5=2.510=25mm=25mm地脚螺钉直径d地脚螺钉数目nn=4n=4底脚凸缘尺寸（扳手空间）L1=30mmL1=30mmL2=26mmL2=26mm轴承旁联接螺栓直径d1机盖与机座联接螺栓直径d2联结螺栓的间距轴承盖螺钉直径d3窥视孔盖螺钉直径d4定位销直径d至外机壁距离见表至凸轮边缘举例见表轴承旁凸台半径轴承旁凸台高度h由低速级轴承座外径确定，以便于扳手操作为准。50mm外机壁至轴承座端面距离蜗轮外圆与内机壁距离蜗轮轮毂端面与内机壁距离机盖机座肋厚，轴承端盖外径 轴承端盖凸缘厚度轴承旁联接螺栓距离 表 各螺栓至外机壁和凸缘边缘距离，以及沉头座直径螺栓直径M8M10M12M16M18M20M22M3014161822242630401214162022242635沉头座直径1822263336404361 减速器零件的位置尺寸名称尺寸关系推荐值齿轮定圆至箱体内壁的距离齿轮端面至箱体内壁的距离轴承端面至箱体内壁的距离旋转零件间的轴向距离齿轮顶圆至轴表面的距离大齿轮顶圆至箱座内壁底面的距离箱座内壁底面至箱座外壁底面的距离减速器中心高箱体内壁至轴承座孔端面的距离2.减速箱其他零件结构尺寸如下：经箱体、蜗杆与蜗轮、蜗轮轴以及标准键、轴承、密封圈、弹簧垫圈等的组合设计，经校核确定以下零件： 表 键 单位：mm安装位置类型b（h9）h（h11）L9（h14）蜗杆轴、联轴器以及电动机联接处GB1096-79键128012880蜗轮与蜗轮轴联接处GB1096-90键2256221490蜗轮轴、联轴器及传动滚筒联接处GB1096-90键1850181183表 单列角接触球轴承 单位：mm安装位置轴承型号外 形 尺 寸dDB蜗 杆7211C5510021蜗轮轴7214C7012524 表8-3密封圈（GB9877.1-88） 单位：mm安装位置类型轴径d基本外径D基本宽度蜗杆B4053440538蜗轮轴B60801060808 表8-4弹簧垫圈（GB93-87） 单位：mm安装位置类型内径d宽度（厚度）材料为65Mn，表面氧化的标准弹簧垫圈轴承旁连接螺栓GB93-87-16168.2机盖与机座联接螺栓GB93-87-12105.23.减速器附件的选择表9-1观察孔及观察孔盖 单位mm10014012056表9-2吊耳 单位:mm箱盖吊耳Rbr345151177.659.35箱座吊耳KHhb20表9-3通气器 单位:mmd DhbcasM181.5M331.54040716122225.4表9-4轴承盖（HT150） 单位:mm安装位置蜗杆蜗轮88994058446220386482888810108825203250螺钉数量44表9-5油标尺 单位mmd1d2d3habcDD1RM16416635128526225表9-6油塞 单位mmdDD1d1DLlasM1422161519.62212317定位销 为了保证箱体轴承座孔的镗制和装配精度,需在想替分箱面凸缘长度方向两侧各安装一个圆锥定位销 七、蜗杆减速器的润滑因为是下置式蜗杆减速器，且其传动的圆周速度，故蜗杆采用浸油润滑，取浸油深度h=12mm；润滑油使用50号机械润滑油。轴承采用润滑脂润滑，因为轴承转速v1500r /min，所以选择润滑脂的填入量为轴承空隙体积的1/2。八、说明1.密封说明在试运转过程中，所有联接面及轴伸密封处都不允许漏油。剖分面允许涂以密封胶或水玻璃，不允许使用任何碘片。轴伸处密封应涂上润滑脂。2拆装和调整的说明在安装调整滚动轴承时，必须保证一定的轴向游隙，因为游隙大小将影响轴承的正常工作。在安装齿轮或蜗杆蜗轮后，必须保证需要的侧隙及齿面接触斑点，侧隙和接触斑点是由传动精度确定的，可查手册。当传动侧隙及接触斑点不符合精度要求时，可以对齿面进行刮研、跑合或调整传动件的啮合位置。也可调整蜗轮轴垫片，使蜗杆轴心线通过蜗轮中间平面。3减速箱体的附件说明机座和箱体等零件工作能力的主要指标是刚度，箱体的一些结构尺寸，如壁厚、凸缘宽度、肋板厚度等，对机座和箱体的工作能力、材料