太阳能跟踪装置结构设计-双轴高度角-方位角式【8张CAD高清图纸和文档】【YC系列】
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YC系列
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本课题要求设计双轴高度角方位角式太阳跟踪装置的机械结构，即方位角回转结构、俯仰角调节结构。根据课题所给的技术参数提出太阳能跟踪装置结构方案，并对方案进行分析。其结构主要部件有：方位角回转结构，俯仰角调节结构；辅助部件有：太阳能光伏板板托，连接机架。太阳能跟踪装置要能够使所有部件协调、流畅、准确的运动起来，在竖直方向上方位角实现0360旋转；水平方向上俯仰角调节结构实现090的旋转，实现太阳能光伏板对太阳光线的追踪，解决太阳能的收集效率低的问题。具体研究内容如下：1） 完成能改变高度角即俯仰角、回转方位角的运动方案设计。 2）完成改变高度角即俯仰角的机械结构、回转方位角的机械结构的结构设计，绘制装配图。 3）绘制改变高度角即俯仰角的机械结构、回转方位角的机械结构等的零件图。 4）根据太阳运动轨迹进行运动仿真，实现水平方向的旋转运动和竖直方向的俯仰运动。XXXXX毕 业 设 计 (论 文) 太阳能跟踪装置结构设计系 名： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究及发展现状2第二章 总体方案设计42.1设计要求42.2方案设计42.2.1方位角回转结构方案42.2.2俯仰角调节结构方案42.2.3总体方案确定52.3结构原理分析6第三章 方位角回转结构设计73.1总体参数选择73.2步进电机的选择73.2.1电机轴的转动惯量73.2.2电机扭矩计算73.3齿轮齿圈传动设计83.3.1选精度等级、材料和齿数83.3.2按齿面接触疲劳强度设计93.3.3按齿根弯曲强度设计113.3.4几何尺寸计算123.4回转支承设计13第四章 俯仰角调节结构设计144.1总体参数选择144.2步进电机选择144.2.1电机轴的转动惯量144.2.2电机扭矩计算144.3同步带传动设计154.3.1同步带传动设计计算154.3.2同步带选定184.3.3同步带轮的设计194.4齿轮齿条设计204.4.1齿轮齿条的材料选择204.4.2齿轮齿条的设计与校核214.5轴及键的设计254.5.1尺寸与结构设计计算254.5.2强度校核计算264.5.3键的校核284.6滑杆与摇块的设计28总 结29参考文献30致 谢31摘 要本课题要求设计双轴高度角方位角式太阳跟踪装置的机械结构，即方位角回转结构、俯仰角调节结构。本次设计的太阳能跟踪装置主要部件有：方位角回转结构，俯仰角调节结构；辅助部件有：太阳能光伏板板托，连接机架。本文首先根据课题所给的技术参数提出太阳能跟踪装置结构方案，并对方案进行分析。接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过AutoCAD制图软件绘制了太阳能跟踪装置装配图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词：太阳能，跟踪装置，方位角回转，俯仰角调节 AbstractThis paper designed biaxial elevation - azimuth solar tracking device mechanical structure, that structure azimuth rotation, pitch angle adjustment structure. The main components of solar tracking device of this design are: azimuth rotation structure, the pitch angle adjustment structure; auxiliary components are: solar photovoltaic plate board tray, connected to the rack.This paper proposed a solar tracking device structure of the program according to the technical parameters of the given topic, and program analysis. Next, the main technical parameters were calculated choice; then, for the main components were designed and verification; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw a solar tracking device assembly drawings and the main parts diagram.Through this design, the consolidation of the university is expertise, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing, etc; mastered the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work of great significance in life.Keywords: Solar,Tracking device, Azimuth rotation, Pitch angle adjustment32第一章 绪论1.1研究背景及意义随着煤炭、石油等不可再生的矿物质能源的日益枯竭以及因其使用带来的巨大的环境压力越来越严峻，大力开拓新能源与可再生能源如核能、风能、太阳能等的实际应用成为人类解决能源紧张和保护生态环境的重要战略选择。而能源问题将更为突出，主要有以下几个方面：能源短缺。世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。 环境污染。由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量;局部地区形成酸雨，严重污染水土。温室效应化石能源的利用产生大量的温室气体而导致温室效应，引起全球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，有关国际组织已召开多次会议，限制各国CO2等温室气体的排放量。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。而太阳能作为新能源的重要组成部分，具有以下几个特点：恻堵量的“无限性”。太阳每秒钟放射的能量大约是1. 681023kW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1. 8921013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。存在的普遍性。相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。使用的清洁性。太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染。使用的经济性。可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用;二是在目前的技术发展水平下，太阳能利用不仅可能而且可行。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。我国的太阳能资源比较丰富 ,从其分布来看 ,西部地区的太阳能年辐射 总量均在 5 400 MJ/ ( m2 . a) 以上 ,西藏地区更是 达到了 6 700 MJ/ (m2 . a) ,开发太阳能对于西部的发展有着重要的现实意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池的转换效率 ,目前一般情况下仍是采用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳能进行采集 ,也有利用太阳的运动规律采用定时的方法对太阳进行跟踪,但这些方法均没有充分利用太阳能资源 ,转换效率较低 , 成本高。作者所设计的太阳能自动跟踪装置,能使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直 ,保持最大的转换效率 ,具有跟踪精度高、 少维护等优点 , 具有很好的实用价值。1.2国内外研究及发展现状日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国4。日本太阳热能的利用，从1979年第二次石油危机后开始，1990年进入普及高峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。太阳光能发电，是利用半导体硅等将光转化为电能。从2000年起，日本太阳能发电量一直居世界首位，2003年太阳能发电装机容量约为86万千瓦，占世界太阳能发电装机容量的49.1%，并计划到2010年达到482万千瓦，增加约6倍。 德国对太阳能资源的利用可追溯到20世纪70年代，现在德国已经在太阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列高效的太阳能系统。1990年德国政府推出了“一千屋顶计划” ，至1997年已完成近万套屋顶系统，每套容量15千瓦，累计安装量已达3.3万千瓦。根据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品的产量增加了5倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道5，全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳能发电厂投资7000万欧元，占地77万平方米，发电总容量达12兆瓦，能为3500多个家庭供电。截至2005年年底，德国共有670万平方米的屋顶铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已用 4%的德国家庭利用了清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生产到发电系统制造比较完备的生产体系。2005 年，美国光伏发电总容量达到100万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3位。为了降低太阳能光伏发电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发，提高太阳能光伏电池的光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到2015年，美国光伏发电成本将从现在的 2140 美分/千瓦时降到 6 美分/千瓦时，届时太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当的优势，据美国博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明，到2050年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，21世纪末，太阳能将取代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视。 意大利1998年开始实行“全国太阳能屋顶计划” ，将于2002年完成，总投入5500亿里拉，总容量达5万千瓦。印度也于 1997 年 12 月宣布，将在2002年前推广150万套太阳能屋顶系统。法国已经批准了代号为“太阳神 2006”的太阳能利用计划，按照该计划，每年将投入3000万法郎资金，到2006年，法国每年安装太阳能热水器的用户达2万家。 我国由建设部制定的建筑节能“九五”计划和2010年规则中已将太阳能热水系统列入成果推广项目6。目前我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位。全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达1000余家，年产值20亿元。根据我国19962020年太阳能光电PV（光伏发电）发展计划，在2000年和2020年的太阳能光电总容量将分别达到6.6万千瓦和30万千瓦。 在联网阳光电站建设方面，计划2020年前建成5座MW级阳光电站。由国家投资1700万元修建的西藏第三座太阳能电站安多光伏电站，总装机容量100千瓦，于1998年12月建成发电。这也是世界海拔最高、中国装机容量最大的太阳能电站。总之，大力发展太阳能利用技术，使节约能源和保护环境的重要途径。在太阳能跟踪方面，我国在1997年研制了单轴太阳跟踪器7，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接收效率提高了。1998年美国加州成功的研究出ATM 两轴跟踪器，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使效率进一步提高。2002年2月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究，1992年推出了太阳灶自动跟踪系统，1994 年太阳能杂志介绍的单轴液压自动跟踪器完成了单向跟踪。目前，太阳跟踪系统中实现跟踪太阳的方法很多，但是不外乎采用如下两种方式：一种是光电追踪方式，另一种是根据视日运动轨迹跟踪；前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。第二章 总体方案设计2.1设计要求本课题要求设计双轴高度角方位角式太阳跟踪装置的机械结构，即方位角回转结构、俯仰角调节结构。其结构主要部件有：方位角回转结构，俯仰角调节结构；辅助部件有：太阳能光伏板板托，连接机架。太阳能跟踪装置要能够使所有部件协调、流畅、准确的运动起来，在竖直方向上方位角实现0360旋转；水平方向上俯仰角调节结构实现090的旋转，实现太阳能光伏板对太阳光线的追踪，解决太阳能的收集效率低的问题。2.2方案设计2.2.1方位角回转结构方案设计要求太阳能跟踪装置在竖直方向上方位角实现0360旋转，为保证传动的稳定性和精确性方位角回转机构采用齿轮传动，即有步进电机驱动小齿轮旋转，小齿轮与固定与底座的大齿轮啮合，因此小齿轮旋转时带动平台绕齿圈一同回转实现方位角0360旋转，而平台与底座之间通过回转支承装置连接，使得平台能够相对回转支承转动，其结构方案如下图2-1所示。图2-1 方位角回转结构方案简图2.2.2俯仰角调节结构方案设计要求太阳能跟踪装置能在水平方向上实现俯仰角调节结构090的旋转。由于俯仰角调节在090范围内旋转，角度不大。为简化采用四杆机构即可实现。四杆机构可以通过演化成衍生成不同功能的机构。本设计的太阳能跟踪装置的俯仰角调节结构设计理念就是来源于平面四杆机构的演化，即采用曲柄摇块机构。由于传动距离较大同时为保证传动的精确性，曲柄摇块机构的动力由步进电机通过同步带传动提供。其结构方案如下图2-2所示。图2-2 俯仰角调节结构方案简图2.2.3总体方案确定组合上述两种结构即得到本次设计的太阳能跟踪装置总体结构方案，如下图2-3所示。图2-3 总体结构方案简图2.3结构原理分析如图2-3所示，太阳能跟踪装置主要由步进底座、电机、齿圈、齿轮、同步带、同步带轮、曲柄滑块机构、太阳能电池板组成。步进电机1带动齿轮绕齿圈回转实现方位角0360旋转；步进电机2通过带传动带动齿轮旋转从而带动滑杆型齿条伸缩推动太阳能电池板摆动实现俯仰角090的旋转。第三章 方位角回转结构设计3.1总体参数选择已知方位角要求实现0360旋转，调查国内外太阳能跟踪装置通常太阳能跟踪装置回转速度为90r/min。3.2步进电机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。3.2.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量上式中：d直径,齿轮外径d=34mmL长度=2mP钢的密度=7800经计算得b、X向直线运动件向齿轮折算的惯量上式中：M质量 X向直线运动件M=280kgP齿轮螺距（m）P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 因此3.2.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量，取15s-1,则ta=0.2s经计算得b、折算至电机轴上的摩擦力矩上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP齿轮螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得c、折算至电机轴上的由齿轮预紧引起的附加摩擦力矩上式中P0滚珠齿轮预加载荷1500N0滚珠齿轮未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。3.3齿轮齿圈传动设计小齿轮转矩，转速，传动比。3.3.1选精度等级、材料和齿数采用7级精度由表6.1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。选小齿轮齿数大齿轮齿数取3.3.2按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即1） 确定公式各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩（3）小齿轮相对两支承非对称分布，选取齿宽系数（4）由表6.3查得材料的弹性影响系数（5）由图6.14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（6）由式6.11计算应力循环次数（7）由图6.16查得接触疲劳强度寿命系数 （8）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为1，安全系数为S=1，由式10-12得（9）计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值计算圆周速度v计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h模数齿高计算载荷系数K根据，7级精度，查得动载荷系数假设，由表查得由于载荷中等振动，由表5.2查得使用系数由表查得查得故载荷系数（10）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得（11）计算模数3.3.3按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为（1）确定公式内的计算数值由图6.15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6.16查得弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数为S=1.3，得计算载荷系数（2）查取齿形系数由表6.4查得（3）查取应力校正系数 由表6.4查得（4）计算大小齿轮的，并比较 大齿轮的数据大（5）设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数1.53mm，并圆整取第一标准模数值m=2.0mm，并按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数取大齿轮齿数3.3.4几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距 （3）计算齿宽宽度取综合整理两级齿轮参数如下表：序号名称符号参数选择小齿轮大齿圈1齿数Z151502模数m2mm3分度圆直径4齿顶高5齿根高6全齿高7顶隙8齿顶圆直径9齿根圆直径10齿宽11中心距3.4回转支承设计回转支承有上部体、下部体、滚珠构成，上部体与平台通过螺栓连接，下部体通过螺栓与底座连接。其结构如下图3-4所示：图3-4 回转支承装置第四章 俯仰角调节结构设计4.1总体参数选择已知俯仰角调节要求实现090旋转，调查国内外太阳能跟踪装置通常太阳能跟踪装置俯仰角调节转速为90r/min。4.2步进电机选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。4.2.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量上式中：d直径,同步带轮外径d=64mmL长度=2mP钢的密度=7800经计算得b、X向直线运动件向齿轮折算的惯量上式中：M质量 X向直线运动件M=280kgP齿轮螺距（m）P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 因此4.2.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量，取15s-1,则ta=0.2s经计算得b、折算至电机轴上的摩擦力矩上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP齿轮螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得c、折算至电机轴上的由齿轮预紧引起的附加摩擦力矩上式中P0滚珠齿轮预加载荷1500N0滚珠齿轮未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT6012，其额定转矩为7.2。4.3同步带传动设计4.3.1同步带传动设计计算（1）电机额定输出功率估算=7.16W（2）确定计算功率电动机每天使用24小时左右，查表得到工作情况系数=1.7。则计算功率为:12.17W（3）小带轮转速计算（4）选定同步带带型和节距由同步带选型图4.1可以看出，由于在这次设计中功率转速都比较小，所以带的型号可以任意选取，现在选取H型带，节距图4.1 同步带选型图（5）选取主动轮齿数 查表4-2知道小带轮最小齿数为14，现在选取小带轮齿数为30。（6）小带轮节圆直径确定=表4-2 小带轮最小齿数表（7）大带轮相关数据确定由于系统传动比为，所以大带轮相关参数数据与小带轮完全相同。齿数，节距（8）带速v的确定（9）初定周间间距根据公式得现在选取轴间间距为360mm。（10）同步带带长及其齿数确定=() = =1720.67mm（11）带轮啮合齿数计算有在本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即=20。（12）基本额定功率的计算查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步带的基准额定功率为=0.21KW（13）计算作用在轴上力=71.6N=1.34.3.2同步带选定（1）同步带的节线长度同步带工作时，其承载绳中心线长度应保持不变，因此称此中心线为同步带的节线，并以节线周长作为带的公称长皮，称为节线长度。在同步带传动中，带节线长度是一个重要参数。当传动的中心距已定时，带的节线长度过大过小，都会影响带齿与轮齿的正常啮合，因此在同步带标准中，对梯形齿同步带的各种哨线长度已规定公差值，要求所生产的同步带节线长度应在规定的极限偏差范围之内（见表4-4）。（2）带的节距Pb如图4-2所示，同步带相邻两齿对应点沿节线量度所得约长度称为同步带的节距。带节距大小决定着同步带和带轮齿各部分尺寸的大小，节距越大，带的各部分尺寸越大，承载能力也随之越高。因此带节距是同步带最主要参数在节距制同步带系列中以不同节距来区分同步带的型号。在制造时，带节距通过铸造模具来加以控制。梯形齿标准同步带的齿形尺寸见表4-5。（3）带的齿根宽度一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之间的距离称为带的齿根宽度，以s表示。带的齿根宽度大，则使带齿抗剪切、抗弯曲能力增强，相应就能传送较大的裁荷。图4-2 带的标准尺寸表4-5 梯形齿标准同步带的齿形尺寸（4）带的齿根圆角带齿齿根回角半径rr的大小与带齿工作时齿根应力集中程度有关t齿根圆角半径大，可减少齿的应力集中，带的承载能力得到提高。但是齿根回角半径也不宜过大，过大则使带齿与轮齿啮合时的有效接触面积城小，所以设计时应选适当的数值。（5）带齿齿顶圆角半径八带齿齿项圆角半径八的大小将影响到带齿与轮齿啮合时会否产生于沙。由于在同步带传动中，带齿与带轮齿的啮合是用于非共扼齿廓的一种嵌合。因此在带齿进入或退出啮合时，带齿齿顶和轮齿的顶部拐角必然会超于重叠，而产生干涉，从而引起带齿的磨损。因此为使带齿能顺利地进入和退出啮合，减少带齿顶部的磨损，宜采用较大的齿顶圆角半径。但与齿根圆角半径一样，齿顶圆角半径也不宜过大，否则亦会减少带齿与轮齿问的有效接触面积。（6）齿形角梯形带齿齿形角日的大小对带齿与轮齿的啮合也有较大影响。如齿形角霹过小，带齿纵向截面形状近似矩形，则在传动时带齿将不能顺利地嵌入带轮齿槽内，易产生干涉。但齿形角度过大，又会使带齿易从轮齿槽中滑出，产生带齿在轮齿顶部跳跃现象。在这里，我们选用梯形带。带的尺寸如表4-6。带的图形如图4-3。表4-6 同步带尺寸型号节距齿形角齿根厚齿高齿根圆角半径齿顶圆半径H12.740。6.124.31.021.02图4-3 同步带4.3.3同步带轮的设计（1）同步带轮的设计的基本要求a、保证带齿能顺利地啮入与啮出由于轮齿与带齿的啮合同非共规齿廓啮合传动，因此在少带齿顶部与轮齿顶部拐角处的干涉，并便于带齿滑入或滑出轮齿槽。b、轮齿的齿廊曲线应能减少啮合变形，能获得大的接触面积，提高带齿的承载能力即在选探轮齿齿廓曲线时，应使带齿啮入或啮出时变形小，磨擦损耗小，并保证与带齿均匀接触，有较大的接触面积，使带齿能承受更大的载荷。c、有良好的加了工艺性 加工工艺性好的带轮齿形可以减少刀具数量与切齿了作员，从而可提高生产率，降低制造成本。d、具有合理的齿形角齿形角是决定带轮齿形的重要的力学和几何参数，大的齿形角有利于带齿的顺利啮入和啮出，但易使带齿产生爬齿和跳齿现象；而齿形角过小，则会造成带齿与轮齿的啮合干涉，因此轮齿必须选用合理的齿形角。 同步带轮用梯形齿，其图形如图4-4。 图4-4 同步带轮结构4.4齿轮齿条设计4.4.1齿轮齿条的材料选择齿条材料的种类很多，在选择过程中应考虑的因素也很多，主要以以下几点作为参考原则：齿轮齿条的材料必须满足工作条件的要求。应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。正火碳钢，不论毛坯制作方法如何，只能用于制作载荷平稳或轻度冲击工作下的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调制碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为3050HBS或者更多。钢材的韧性好，耐冲击，还可通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故适用于来制造齿轮。由于该齿轮承受载荷比较大，应采用硬齿面（硬度350HBS），故选取合金钢，以满足强度要求，进行设计计算。4.4.2齿轮齿条的设计与校核（1）起升系统的功率设V为最低起钻速度（米/秒），F为以V起升时游动系统起重量（理论起重量，公斤）。起升功率 F= 取0.8（米/秒）由于整个俯仰机构由两个齿轮齿条所带动，所以每部分的平均功率为转矩公式： N.mm所以转矩 T=式中n为转速（单位r/min）（2）各系数的选定计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数、动载系数、齿间载荷分配系数及齿向载荷分配系数，即 K=1）使用系数是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加载荷影响的系数。该齿轮传动的载荷状态为轻微冲击，工作机器为重型升降机，原动机为液压装置，所以使用系数取1.35。2）动载系数齿轮传动不可避免地会有制造及装配误差，轮齿受载后还要产生弹性变形，对于直齿轮传动，轮齿在啮合过程中，不论是有双对齿啮合过渡到单对齿啮合，或是有单对吃啮合过渡到双对齿啮合的期间，由于啮合齿对的刚度变化，也要引起动载荷。为了计及动载荷的影响，引入了动载系数，如图2-1所示。图2-1动载系数由于速度v很小，根据上图查得，取1.0。3）齿间载荷分配系数一对相互啮合的斜齿（或直齿）圆柱齿轮，有两对（或多对）齿同时工作时，则载荷应分配在这两对（或多对）齿上。对于直齿轮及修形齿轮，取。4）齿轮载荷分布系数当轴承相对于齿轮做不对称配置时，受灾前，轴无弯曲变形，齿轮啮合正常，两个节圆柱恰好相切;受载后，轴产生弯曲变形，轴上的齿轮也就随之偏斜，这就使作用在齿面上的载荷沿接触线分布不均匀。计算齿轮强度时，为了计及齿面上载荷沿接触线分布不均匀的现象，通常以系数来表征齿面上载荷分布不均匀的程度对齿轮强度的影响。根据机械设计表10-4取=1.37。综上所述，最终确定齿轮系数K=1.35111.37=1.8（3）齿轮传动的设计参数、许用应力的选择1）压力角的选择我国对一般用途的齿轮传动规定的标准压力角为=20。2）齿数z的选择为使齿轮免于根切，对于=20的标准直齿轮，应取z17，这里取z=20。 173）齿宽系数的选择由于齿轮做悬臂布置，取=0.64）预计工作寿命10年，每年250个工作日，每个工作日10个小时=1025010=25000h5）齿轮的许用应力 按下式计算式中：S疲劳强度安全系数。对于接触疲劳强度计算时，取S=1；进行齿根弯曲疲劳强度计算时，取S=1.251.5。 考虑应力循环次数影响的系数，称为寿命系数。应力循环次数N的计算方法是：设n为齿轮的转速（单位为r/min）；j为齿轮每转一圈时，同一齿面啮合次数；为齿轮工作寿命（单位为h），则齿轮工作应力循环次数N按下式计算： N=60njn暂取10，则N=601025000=1.5。查机械设计表10-18可得=1.3。齿轮疲劳极限。弯曲疲劳极限用代入；接触疲劳极限用代入，查机械设计图10-21得=980。1500=1.3 S=1 1950 850 S=1.4 607.1 （双向工作乘以0.7）424.97当齿数z=20 17 时，齿形系数=2.8 2.97 应力校正系数=1.55 1.52基本参数选择完毕（4）齿轮的设计计算齿轮的设计计算公式： Km开式齿轮磨损系数，Km=1.25（机械设计手册（3卷）14-134）转矩 N.mm （1式） 所以 v=0.8 n=899.2/m （2式）将1式、2式及各参数代入计算公式得：解得：；20取m=2 那么n=17.5，取n=18N.m齿面接触疲劳强度计算公式：式中的单位为Mpa，d的单位为mm，其余各符号的意义和单位同前。由于本传动为齿轮齿条传动，传动比近似无穷大，所以=1 为弹性影响系数，单位，其数值查机械设计表，取=189.8，如表2-1所示： 表2-1 材料特性系数计算，试求齿轮分度圆直径：=456.75mm通过模数计算得：m=2，z=18 所以分度圆直径d=218=36mm所以取两者偏大值d=36mm计算齿宽 b=0.636=21.6mm齿高 h=2.25m=2.252=4.5mm最终确定齿轮数据：模数m=2 齿数z=18分度圆直径d=36mm 齿高h=4.5mm齿宽b=25mm 转速n=90r/min4.5轴及键的设计4.5.1尺寸与结构设计计算1）轴上的功率P1,转速n1和转矩T1，2）初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料45钢，调质处理。根据机械设计表11.3，取，于是得：该处开有键槽故轴径加大510，且高速轴的最小直径显然是安装齿轮处的直径。取；。3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（a）为了满足大带轮的轴向定位的要求2轴段左端需制出轴肩，轴肩高度轴肩高度，取故取2段的直径，长度。（b）初步选择滚动轴承。因轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承。根据，查机械设计手册选取0基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承6203，故，轴承采用轴肩进行轴向定位，轴肩高度轴肩高度，取，因此，取。（c）齿轮处由于齿轮分度圆直径，故采用齿轮轴形式，齿轮宽度B=20mm。另考虑到齿轮端面与箱体间距10mm以及两级齿轮间位置配比，取，。4）轴上零件的周向定位查机械设计表，联接齿轮的平键截面。4.5.2强度校核计算1）求作用在轴上的力已知高速级齿轮的分度圆直径为，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2）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。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F，C截面弯矩M总弯矩扭矩3）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。4）键的选择采用圆头普通平键A型（GB/T 10961979）连接，联接齿轮的平键截面，。齿轮与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为。4.5.3键的校核（1）选择键联接的类型和尺寸齿轮处选用单圆头平键，尺寸为（2）校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压
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