电动滚筒设计

目录1 绪论 41.1 设计背景和意义41.2 国内电动滚筒发展概述与现状41.3 电动滚筒发展趋势和方向71.4 本设计特点92 机械传动方案 103 电动机的选择 133.1 确定电动机 133.2 确定电动机额定功率及型号 144 行星齿轮传动设计计算 164.1 齿轮传动的设计要求 164.2 传动比及传动比分配 164.3 高速级计算 174.4 低速级计算 224.5 行星齿轮传动基本构件上的转矩计算 274.6 效率及损失 285 轴和齿轮的设计及计算 305.1 轴的结构设计 305.2 轴的工作能力计算 315.3 轴的刚度校核计算 326 电动滚筒的机构方案设计 336.1 机构概况 336.2 零件结构 356.3 均载机构 426.4 零件材料选择 447 参考文献 49南华大学机械工程学院毕业设计第 2 页 共 56 页毕业设计是高等院校人才培养计划的重要组成部分，是教学过程中重要的实践教学环节，是人才培养质量的全方面的综合检验。通过做毕业设计，要求学生针对某一课题，综合运用本专业有关课程的理论和技术，做出解决实际问题的设计。同时可以培养学生科学的思维方法和正确的设计思想，综合运用和深化所学的理论知识和技能，增强分析和解决实际问题的能力，全面完成工程师的基本训练或从事科研工作的初步训练，是学生毕业前全面素质教育的重要实践训练。近几十年来，尤其是改革开放以来，随着我国科学技术的进步和发展，我国已从世界上许多工业发达国家引进了大量的先进的机械设备和技术，这其中就包括电动滚筒。电动滚筒作为驱动装置用在输送机上是从 20世纪 20年代开始的，它是一种将电动机和减速器共同置于滚筒体内的新型驱动装置。电动滚筒主要用于固定式和移动式带式输送机，替代传统的电动机、减速器在驱动滚筒之外的分离式装置。我国最早使用电动滚筒是在 20世纪 40年代，经我国机械科技人员不断积极吸收和消化，与时俱进、开拓创新地努力奋进，使得我国的电动滚筒技术有了迅速发展。近年来，电动滚筒在起重运输、工程机械、冶金矿山、石油化工、建筑机械、交通运输等工业部门和均获得了日益广泛的应用。在设计阶段，我参考了大量的相关资料，并在网上浏览了各种关于电动滚筒的网页，积累了各种资料，为下一步的设计奠定了必要的基础。同时，我在设计时参考了以往电动滚筒的图纸，扬长避短，有的放矢。当然，指导老师王湘江教授在设计的过程中对我悉心指导，给我指出设计中的错误和不足，这对我的设计完成起了非常大的帮助，在此本人谨表深深的感激和无尽的谢意！这本说明书记载了我这次毕业设计的主要内容和步骤，较详细的说明了电动滚筒的结构设计。 此外在设计过程中，我们得到了王湘江教授的帮助和指导，在此表示衷心的感谢。由于本人初次涉及该设计，另外又由于水平有限，时间较仓促，错误疏漏之处在所难免，希望老师、同学指正，提出宝贵意见和建议，使之逐渐完善，本人不胜感激。南华大学机械工程学院毕业设计第 3 页 共 56 页敬呈2011.5.28 南华大学机械工程学院毕业设计第 4 页 共 56 页1 绪绪 论论1.1 设计背景和意义我国最早使用电动滚筒是 20世纪 40年代，至今发展有 60多年，而大约20世纪 20年代末期，德国已成功研制自然风冷式电动滚筒，比我国电动滚筒的发展早了近 20多年。自 20世纪 90年代末起，我国电动滚筒产品和行业技术水平都有很大提高，产品品种和规格空前发展，质量也有显著提高，有些产品已超过国外。目前机械工业生产、销售呈现快速增长的趋势，经济效益提高，综合实力进一步加强。电动滚筒主要用途是作为带式输送机的动力源。电动滚筒的运用非常广泛，电动滚筒作为主动辊子广泛应用于各种生产线中的辊子输送机和辊道输送机，用来输送成件物品。 当前我国生产的电动滚筒可分为两大类，一种为电机在滚筒体内的普通型电动滚筒；一种为外置电机的外装式电动滚筒。而在西欧、北美多为油浸式齿轮传动的电动滚筒。但是究竟选用哪种类型较好、较经济，要有合理的选择依据，并从可靠性理论上对电动滚筒进行扼要的分析。电动滚筒是集电动机、减速齿箱和轴承于一体的高效先进的新型输送动力驱动系统。它的工作原理是把电动机的动力通过减速齿轮机构传递到滚筒皮带输送机械。主要应用于固定式和移动式带式输送机。电动滚筒设计是否合理，直接影响电动滚筒的传输效果、生产率、电能消耗、滚筒皮带磨损等重要指标。总之，在当前生产不断发展更新的情况下，这种电动滚筒将产生一定的经济效果，是一种理想的文明生产的传动设备。1.2 国内电动滚筒发展概述与现状电动滚筒是带式输送机的一种闭式驱动装置。它将电机、减速器、连轴器等部件装在传动滚筒之内，因而具有结构紧凑、重量轻、占地少、密封性好、外形美观、安装方便等优点。1962 年北京起重运输机械研究所和天津运输机械厂开始研制这个产品，1964 年天津运输机械厂设计了 YD64型系列。此后，上海起重机械运输机械厂、北京橡胶工业设计研究院、浙江机械科学研究所、鹤南华大学机械工程学院毕业设计第 5 页 共 56 页岗市机械研究所、集安通用机械厂等单位先后开展了研制工作。经过 20多年的发展，目前我国已有八个专业生产厂，具有年产 1.2万台的生产能力，可以生产油冷、风冷、定轴齿轮传动、行星齿轮传动、摆线针轮传动的多种系列产品。但是我国设计和生产的电动滚筒参数范围窄、规格少不能满足各部门、尤其是轻化、纺织、食品业的需要。为改变这一状况，天津市运输机械二厂于 1984年从丹麦约基（JOKI）公司引进了油浸式电动滚筒的全部设计、制造技术，并于 1986 年起投入批量生产。这种滚筒命名为天津约基型（TJ）电动滚筒。约基公司是目前世界上最大的电动滚筒专业生产厂之一，年产电动滚筒可达四万台。目前国内生产电动滚筒的厂家，主要有以下几家：天津市电动滚筒厂，生产的 TDY油冷式电动滚筒是带式输送机的一种新型驱动装置，与外部驱动装置相比有以下优点，机构简单紧凑，密封性好，占用空间位置少。可用于粉尘大潮湿泥泞的场所；重量轻，整体简单化，通用性强，使用维修方便，使用寿命长，工作可靠，价格便宜。其生产的滚筒规格型号和技术参数如下（表 1.1）：山东淄博电动滚筒制造总公司山东淄博电动滚筒厂，生产 TDY、YZ、YDB 型电动滚筒，内部采用行星摆线减速机构，摆线轮、针齿等采用轴承钢制造，具有承载能力大、过载能力强、传动平稳、噪声低、寿命长等特点；YDB 型滚筒可用于具有可燃性气体、瓦斯、粉尘等形成的爆炸性混合物场所。其生产的滚筒规格型号和技术参数如下（表 1.2）：南华大学机械工程学院毕业设计第 6 页 共 56 页吉林省东丰机械厂生产的电动滚筒，生产的滚筒规格型号和技术参数如下（表 1.3）：其中 JTB型摆线减速滚筒是将硬齿面的针齿壳输出的摆线针轮减速机构转入滚筒所组成，与电动机外联构成带式输送机的驱动装置，可以满足不同带式输送机使用性能的要求。还有湖州电动滚筒有限公司生产的滚筒，其规格型号和技术参数如下（表 1.4）：而目前国内电动滚筒的设计大多都以 进行的，从而使设计受到了一定的限制。因而本次设计将探讨。电动滚筒结构简单、占有空间小、动力转换率高、无需任何润滑保养的特点。实践证明，电动滚筒是一种免维护、低成本、高效率的皮带输送机械的理想动力装置。目前，企业界在研究的新产品主要有以下：（1）新型传动结构的滚筒产品，如谐波齿轮传动、变速轴承传动的电动滚南华大学机械工程学院毕业设计第 7 页 共 56 页筒，具有体积小、传动力矩大的优点。（2）新型动力源的滚筒，如液压马达驱动的液压滚筒。（3）取消减速器的滚筒。（4）智能型电动滚筒。（5）形状多异的滚筒，如板条状滚筒，线轴形滚筒，锥形滚筒，链轮滚筒等。今后电动滚筒及行业的发展，主要应着重于提高电动滚筒产品质量，不断开发研制新产品，加强售前、售后服务，开拓国内外市场，特别是国际市场。1.3 电动滚筒发展趋势和方向自 20世纪 90年代末起，我国电动滚筒产品和行业技术水平都有很大提高，产品品种和规格空前发展，质量也有显著提高，有些产品已超过国外。我国目前电动滚筒产品到底达到什么水平，应采用多极指标综合评价法进行评价。这种方法的主要特点，就是根据广义的产品概念所含的三部分内容，提出多项一级指标及二级指标进行综合评价。广义的产品概念，不仅仅是电动滚筒产品实物本身，包括下列三个方面。核心部分。即生产厂提供用户的产品基本性能和利益，主要括功能参数、运行性能、经济性能、经济性。有形部分。即通常所讲的电动滚筒产品实物，还包括可靠性、寿命、外观、品牌、特征等。特征又包括结构性、工艺性、成套性、维修性等。附加部分。这是用户购买电动滚筒有形产品的同时所得到的附加利益的总和。包括送货、发运、安装、维修、失业保障、售后服务、延期付款等内容。从广义产品概念和营销角度来看，只要附加利益不同，均应以不同产品对待。按这样一些广义产品概念指标评价我国电动滚筒产品目前水平，显而易见，厂与厂之间的产品相比，国内与国外，都会有各自的优缺点。但就电动滚筒产品总体来看，我国电动滚筒与当前国外一般水平相比，还有一定差距的，我国电动滚筒行业技术也是有一定差距的。 今后电动滚筒及行业的发展，主要应着手提高电动滚筒产品质量，不断开发研制新产品，加强售前、售后服务，开拓国内外市场，特别是国际市场四个方面。开发研制新产品是企业保持活力和获得成功的关键。但是开发新产品又是南华大学机械工程学院毕业设计第 8 页 共 56 页令企业左右为难的事，一方面开发新产品非常不易，构思、设计难，资金、人力更有限，企业还要担负随时都可能发生的开发失败的风险。另一方面它是企业获得经营成功的必备手段。企业应近、远期新产品开发框架，应有长期性、战略性、可行性的开发研制战略规划，使产品形成生产、设计、开发、研制周而复始的一个环，保持着产品的连续性、延伸性和质的递进行，只有这样，企业才能取得生存与发展。传统的观念认为新产品是指通过新的发明创造所形成的产品。1981 年国家经委对新产品的观念和范围作出了如下规定：“新产品必须在结构、性能、原材料、工艺方法和技术特征等方面比老产品有显著改进或提高。在一个省、市、自治区范围内是第一次试制成功的产品，并经过有关部门的鉴定确认” 。国家经委的一个规定，对当时一段时间内管理新产品提供统一的规定标准。但是由于现代市场学对产品概念提出了较广义的理解，因而对新产品也提出了一个内涵丰富的广义概念，不仅仅是从技术角度衡量，而是从市场需要的营销角度来理解。因此新产品就成了一个非常广义概念。目前企业界从营销角度所称的新产品，主要有以下几类：全新产品或新发明的产品对电动滚筒来说，主要是指采用新原理、新结构、新技术等制成的新产品，具有一定的新性能，能满足别的滚筒产品不能代替的某些特殊需要的滚筒产品，这种全新滚筒产品目前已知的有以下几种。新型传动结构的滚筒产品，如谐波齿轮传动、变速轴承传动的电动滚筒等，它们具有体积小，传动力矩大等优点。 新型动力源的滚筒产品，如由液压马达驱动的液压滚筒等。取消减速器的滚筒产品，这种产品已在生产线上使用。这种电动滚筒是一种外转子电机转子套上筒皮的产品，电机可以使三相或单相电机。三相或单相电机的调速方法很多，可以是多速或无极变速。职能型电动滚筒。这是一项将机械、电子等技术有机结合综合使用运用于滚筒中的技术。主要是指能用微电子技术和计算机技术产生出来的新一代产品。它使滚筒实现自动识别，如来件就转无件就停机；数字化-升温、速度等自动显示；职能化-自动停机、开机、报警等；使滚筒产品性能实现质的飞跃。利用机电一体技术，可以对传统的滚筒进行适当的改造、革新而提高滚筒南华大学机械工程学院毕业设计第 9 页 共 56 页产品的技术性能，可以通过大幅度改造和更新扩大滚筒产品的功能，可以完全超脱原有滚筒产品的形态特征发展创造独特的新产品，如用在办公设备、某些家用电器及仪表中的微型伺服传动滚筒等。革新与改进的滚筒产品革新与改进主要是对现有产品而言，其特点是它们不仅和现有同类产品一样能满足某种需要，但由于工艺、材料、设计甚至标准上的革新，产品在结构、功能或者外形上都有新特点和优越性。因此可以部分地乃至全部代替原有产品。实际上根据用户的需要，在原有基础上的革新与改进还可以产生出许多新的滚筒产品。性状改变的滚筒产品主要指改变外形或外型尺寸而适合于某一特定场合的新型滚筒产品，滚筒的主要性能没有多大变化。如双层筒体的电动滚筒，板条状滚筒，线轴形滚筒，锥形滚筒，锯齿形滚筒，等形状的滚筒。发展与滚筒相关的新产品因为产品和新产品的概念从市场营销角度来看，含义十分广泛，不仅是电动滚筒实体本身，只要给用户附近某种利益就可以算作一种新产品，如免费送货产品、包退包换产品、延期付款产品、提供特殊设备、附件产品等。对于一个企业来说，只能有选择地对某一种电动滚筒或几种电动滚筒给予用户某种特殊的附加利益，以促销本企业最拿手的产品。为用户提供价廉物美的电动滚筒零件、易损件、优质的售后服务等，从广义的营销角度来看，都是与滚筒有关的新产品。从以上分析来看，电动滚筒产品的不断开发与研制是大有可为的。1.4 本本 设设 计计 特特 点点本设计为 630 电动滚筒，用于带式输送的驱动。电机和传动减速器均装于滚筒内。减速器分两级，第一级为行星传动，第二级为具有中间齿轮的一般内啮合传动，其中的行星架是固定的，动机锭子通过法兰与卷筒支承轴连接，法兰固定不动。减速器行星传动级的行星架与减速器第二级中心轮刚性相连接。减速器中没有浮动构件。卷筒运动通过减速器第二级齿圈传递。齿圈与滚筒采用螺栓和销子联接。卷筒内注有润滑油，润滑传动齿轮和轴承，并用以冷却电机锭子。电动滚筒以其结构紧凑、整机体积小且轻便等优点，被应用在胶带输送机的驱动装置上。而电动滚筒减速机构可以分为定轴轮系减速、周转轮系减速、混合轮系减速。由于行星轮系减速具有定轴轮系无法比拟的优点，所以，南华大学机械工程学院毕业设计第 10 页 共 56 页在国外已被广泛地应用在电动滚筒的减速机构上。如何减小电动滚筒减速机构体积，减小材料消耗，对于设计电动滚筒来说很有实际意义。影响电动滚筒减速机构体积的是各级太阳轮及行星轮体积之和。为了将电动滚筒内电动机及减速器产生的热量及时地散发出去，现多采用油冷的方法，同时，冷却油液还兼作齿轮及轴承的润滑剂，油的温度又影响油的黏度，进而影响齿面上油膜的产生，导致影响齿轮的寿命。2 机械传动方案设计国内外生产的减速器类型不少，但目前用在电动滚筒上能批量生产的不外乎三种类型：1.定轴齿轮传动的电动滚筒，2.渐开线行星齿轮传动的电动滚筒，3.摆线针轮传动的电动滚筒。其中的渐开线行星齿轮传动的电动滚筒较定轴齿轮传动具有体积小、重量轻、承载能力大、工作平稳等优点。在电动滚筒中最常用的为 NWC型的二级或三级传动机构。渐开线齿轮传动具有机械效率高、传动平稳、便于设计传动比、便于调整齿轮副中心距、承载能力高、传递转矩大、便于加式制造成本低等优点，所以在传动机构中应用得十分普遍。行星齿轮传动,或称为行星轮系,是指当齿轮系运转时,如果组成该齿轮系的齿轮中至少有一个齿轮的几何轴线位置不固定,而绕着其他齿轮的几何轴线旋转 ,即在该齿轮系中,至少举有个一个作行星运动的齿轮.行星齿轮传动按其自由度的数目可分为两种:周转轮系和差动轮系.周转轮系是具有一个自由度的行星齿轮传动,只需知道其中一个构件的运动后,其余各构件的运动便可以确定.差动轮系是具有两个自由度的行星齿轮传动 .无论是周转轮系,还是差动轮系,其中作行星运动的齿轮 C,都被称为行星齿轮(简称行星轮).换言之,在齿轮系中,凡具有自转和公转的齿轮 ,则称为行星轮.平常所指的行星轮系一般是指周转轮系,这里论及的行星轮系亦如此 .行星轮系由行星轮、太阳轮和行星架三大构件组成。在行星齿轮转动中,支承行星轮 C并使它得到公转的构件,称为行星架,也称为转臂或系杆,用符号 X表示,转臂 X饶之旋转的几何轴线,称为主轴线.而与行星轮相啮合的,且其轴线又与主轴线重合的齿轮,称为中心轮;外齿中心轮用符号 A表示,内齿中心轮用符号 B表示.最小的南华大学机械工程学院毕业设计第 11 页 共 56 页外齿中心轮又可称为太阳轮.而固定不动的中心轮,称为支持轮.行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较，它具有许多独特的优点。它的最显著的特点是：在传递动力时它可以进行功率分流；同时，其输入轴与输出轴具有同轴性，即输出轴与输入轴均设置在同一主轴线上。所以行星齿轮传动现已被人们用来代替普通齿轮传动，而作为各种机械传动系统中的减速成器、增速器和变速装置。尤其是对于那些要求体积小、质量小、结构紧凑和传动效率高的航空发动机、起重运输、石油化工和兵器等的齿轮传动装置以及需要差速成器的汽车和坦克等车辆齿轮传动装置，行星齿轮传动已得到了越来越广泛的应用。行星齿轮传动的主要特点如下。(1)体积小，质量小，结构紧凑，承载能力大 一般，行星齿轮传动的外廓尺寸和质量约为普通齿轮传动的 1/2-1/5（即在承受相同的载荷条件下） 。(2)传动效率高 由于行星齿轮传动结构的对称性，即它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用天中心轮的转臂轴承中心的反作用能互想平衡，从而有利于达到提高传动效率的作用。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率值可达 0.97-0.99。(3)传动比较大，可以实现运动的合成与分解 只要适当选择行星齿轮的类型及配齿方案，便可以用少数几个齿轮而获得很大的传动比。在仅作为传递运动的行星齿轮传动中，其传动比可达到几千。应该指出，行星齿轮传动在其传动比很大时，仍然可保持结构紧凑、质量小、体积小等许多优点。而且，他还可以实现运动合成与分解以及实现保种变速的复杂运动。(4)运动平稳、搞冲击和振动的能力较强 由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀分布于中心轮的周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿轮增多，帮行星齿轮传动的运动平稳，抵抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。总之,行星齿轮传动具有质量小、体积小、传动比大及效率高等优点.行星齿轮传动的缺点：材料优质、结构复杂、制造和安装较困难。但随着人们对行星传动技术进一步深入了解和掌握以及对国外行星传动技术的引进和消化吸收，从而使其传动结构和均载方式都不断完善，同时生产工艺水平也不南华大学机械工程学院毕业设计第 12 页 共 56 页断提高。因此，对于它的制造安装问题，目前已不再视为一件什么困难的事情。实践表明，在具有中等技术水平的工厂里也是完全可以制造出较了的行星轮传动减速速器。在设计电动滚筒的行星齿轮传动中,不仅要了解其优点,也要了解其缺点,充分发挥其优点,且把其缺点降低到最低的限度.从而设计出性能优良的行星齿轮传动装置.我设计的电动滚筒的传动机构将采用这种机构。其原理图（图 1.1）如下：传 动 简 图 z6314（图 1.1）是两级行星齿轮传动的结构原理图。从图中可见，按基本构件命名，这是典型的 2K-H型周转轮系。按啮合形式分类，它属于 NCW型传动机构。图中齿数为 Z1的太阳轮与电动机的转子轴联结。第一级传动齿数为 Z3的内齿圈固定，由行星架输出，同时作为第二级传动齿数为 Z4的输入。第二级传动齿数为Z6的齿圈通过螺栓联接电动滚筒的卷筒,从而驱动电动滚筒的筒体旋转 .在行星传动中，NGW 型机构也是目前电动滚筒中应用最广泛的传动机构。在设计行星齿轮传动时，除了要考虑传动比条件外，还要考虑齿轮的同心条件、装配条件和邻接条件。有关这方面的资料和计算方法会在后面的部分说明。很明显,第一级传动的传动比 i1=(1+z3/z1), 第二级传动的传动比为 南华大学机械工程学院毕业设计第 13 页 共 56 页i2=(1+z6/z4)。总传动比 i为两极传动比之积。即：i=i1i2=(1+z3/z1) (1+z6/z4)这种传动机构的优点在于，各级行星齿轮的数目都在两个以上，负荷可以由多个行星轮分担。在电动滚筒长度足够长的情况下，可以通过增加传动机构的级数。获得更大的传动比。而总传动比为各级传动比之积。i=i1i2i3in式中 n 为传动机构的级数；in为每级传动机构的传动比。而随着传动级数的增加，传动机构的总效率也随之降低。因此，设计中采用二级 NGW型传动机构。设计齿轮传动需确定的内容是：齿轮材料和热处理方式，齿轮的齿数、模数、变位系数、齿宽、分度圆螺旋角、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、结构尺寸等；对圆柱齿轮传动还有中心距；对锥齿轮传动，还有锥距、节锥角、顶锥角和根锥角等。 齿轮材料及热处理方式的选择，应考虑齿轮的工作条件、传动尺寸的要求、制造设备条件等。若传递功率大，且要求尺寸紧凑，可选用合金钢或合金铸钢，并采用表面淬火或渗碳淬火等热处理方式；若一般要求，则可选用碳钢或铸钢或铸铁，采用正火或调质等热处理方式。当齿轮顶圆直径 d400-500mm时，因受锻造是被能力的限制，应采用铸铁或铸钢铸造。当齿轮直径与轴径相差不大时，对于圆柱齿轮，若齿轮的齿根至键槽的距离 x零件的轴向定位； 2零件的周向定位。（3）各轴段直径和长度的确定；（4）提高轴的强度的措施：1合理布置轴上零件以减小轴的载荷；2改进轴上零件的结构以减小轴的载荷；3改进轴的结构以减小应力集中的影响；4改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度；轴的结构工艺性。5.2 轴的工作能力计算轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴和受力大的细长轴，还应进行计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。对高速运转的轴，还应该进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。（一）轴的强度校核进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对于仅仅受扭矩的轴，应按扭转强度条南华大学机械工程学院毕业设计第 32 页 共 56 页件计算；对于只受弯矩的轴，应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴，应按弯扭合成强度条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精确校核。此外，对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较严重的轴，还应按峰尖载荷校核其静强度，以免产生过量的塑性变形。下面是几种常用的计算方法。5.2.1 按扭转强度条件计算这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。轴的扭转强度条件为= = TW32.095dnPT式中： 扭转切应力，单位为 MPa；TT 轴所受的扭矩，单位为 N mm;轴的抗扭截面系数，单位为 ;3mn 轴的转速，单位为 r/min;P 轴传递的功率，单位为 KW；d计算截面处轴的直径，单位为 mm; 许用扭转切应力，单位为 MPa。T5.2.2 按弯扭强度条件计算通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷已可以求得，因而可按弯曲合成强度条件对轴进行校核计算。其轴的弯扭合成强度条件为= ca22)(4)(WTM1式中 轴的计算应力，单位为 MPa；caM轴所受的弯矩，单位为 N mm；T轴所受的扭矩，单位为 N mm南华大学机械工程学院毕业设计第 33 页 共 56 页W轴的抗弯截面系数，单位为 ；3m 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。15.3 轴的刚度校核计算轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。因此，在设计有刚度要求的轴时必须进行刚度的校核计算。5.3.1 轴的弯曲刚度校核计算用当量直径法校核，把不等直径的阶梯轴，连同安装的零件，当成直径为dv的等直径轴计算。其计算公式为= v41ZidlLZ轴的弯曲刚度条件：挠度 y y;偏转度 。5.3.2 轴的扭转刚度校核计算轴的扭转变形用每米长的扭转角 来表示。圆轴扭转角 的计算公式为光轴 =5.73410PGIT阶梯轴 =5.73 4ZipiIlL1式中 T轴所受的扭矩，单位为 N mm；G轴的材料的剪切弹性模量，单位为 MPa；轴截面的极惯性矩；单位 ；PI 4mL阶梯轴受扭矩作用的长度，单位 mm；、 、 分别代表阶梯轴第 i段上所受的扭矩、长度和极惯性iTilpiI矩。南华大学机械工程学院毕业设计第 34 页 共 56 页Z阶梯轴受扭矩作用的轴段数。轴的扭转刚度条件为 。6 电动滚筒的结构方案分析6.1 结构概述电动滚筒的卷筒缠绕单层钢绳，其传动系统如（图 1.1）所示。 卷筒 11支承在滚动支承 5上，用圆筒 12联接。在圆筒内的滑座 1上装有电磁带式制动器 14的直流电机 13.。卷扬机减速器由两级行星传动组成，第一级 7安装在单独的箱体中，由电机通过花键轴 6驱动，花键轴 6穿过第二级太阳轮孔，花键轴与电机联轴器和第一级减速器太阳轮的联接为铰接，可确保各行星轮受载均衡。第一级减速器箱体悬挂在杠杆系统上，承受见速器的反力距，使减速器径向能自由移动。力传感器安装在杠杆系统的封闭构件中，由吨位限制器和吨位指示器组成。传感器只有在拉力作用时才工作，因此杠杆的安装取决于卷筒工作时的工作方向，可按简图或按简图对称方向进行安装。止动钢球 8限制第一级减速器的轴向位移，钢球位置确定箱体的加工端面，弹簧 9承受减速器的重量。在减速器的输出轴上装有第二级太阳轮。由于减速器是浮动悬挂，所以，太阳轮可沿第二级行星轮自行调整，使各行星轮所承受的载荷均匀。卷筒 11上的扭矩通过减速器第二级内齿圈来传递。卷筒支承 5和第二级减速器置于封闭腔内，腔的下部注有润滑油，润滑机构运动零件。为了检盘扣维护电机和制动器，可将滑座从卷筒处推出（电机和制动器均安装在滑座上） 。滑座的移动可用手动螺旋机构进行。滑座有经机加工的两纵向滑道。滑座从滑道对中在两圆环上。圆环焊于圆筒内侧，并经镗孔加工。电机和制动器可固定在滑座上，相对滑道在卷筒外进行校正。这样做可确保电机和卷筒的正确定心，因为滑座在圆筒中通常是单向固定的。滑座固定在圆筒中用螺杆 4拉紧，楔紧在斜面 3上。楔紧力应能压紧沿座不致下滑，同时还能承受一定的扭矩。滑座固定在圆筒上无需任何附加构件。广告当滑座推出，重心超出支承面时，圆筒内焊接的凸缘 2可防止滑座倾南华大学机械工程学院毕业设计第 35 页 共 56 页覆。此时用起重机吊起滑座并离开凸缘 2时，则与螺杆机构的螺母脱离，滑座呈自由状态，卷扬机与滑座呈两体。这种结构的电动滚筒可使用任何型式的一般电机，且在使用中电机的更换是很容易的。电动滚筒是一种组合结构。可较容易地分离出去的部件是减速器第一级 7和第二级 10。 组合结构便于机构的修理，同时在此基型的基础上为各种变型的生产开创了广阔的前途。 减速器高速级的第一级 7为人字齿轮。太阳轮做成浮动的。行星轮和行星架在球轴承上转动。传动在油池中运行，密封采用标准的带骨架的橡胶油封。减速器第二级 10为直齿齿轮，其行星架带有制动器，减速器箱体为整体式，由钢板焊接而成。在行星轮之间，减速器箱体中开有穿孔。用型管联接箱体内外。箱体穿孔除能提高箱体刚度外，还能保证滚筒内腔的对流通风，因其内部装有电机。滚筒的滚动支承 5是两个专用球轴承，每一只轴承均有两个座圈（外座圈和内座圈） ，外座圈通过端面侧壁与通穿圆筒 12相连；内座圈固定在卷筒 11，并与卷筒一起旋转。其中一只内座圈同时也是与第二级减速器的内齿圈相联接的花键。座圈的滚道面经热处理。由于球轴承的速度和相对载荷均较小，球间无需保持架，使结构大为简化。为防止地脚螺栓受力弯曲，应加设球面垫圈6.2 零件结构中心轮的结构及其支承结构 中心轮的结构在行星齿轮传动中，其中心轮的结构取决于行星传动类型、传动比的大小、传递转距的大小和支承方式以及所采用的均载机构。对于不浮动的中心轮 a，当传递的转矩较小时，可以将齿轮和其支承轴做成一个整体，即采取齿轮轴的结构；当它传递的转矩较大时或中心轮 a的的直径 d较大时，也可以把齿轮与轴分开来制造，然后用平键或花键将具有内孔的的齿轮套装在轴上。中心轮 a可以安装在其本身轴的两个支承位置的中间，也可以安装在轴的一端，形成悬臂安装。在行星轮数 np=3的行星齿轮传动中，由于各齿轮副的啮合力呈轴线对称作用，而且无径向载荷；因此，对于悬臂布置的中心轮 a也不会引起沿齿宽方向上的载荷其中现象。在 3Z型行星齿轮传动中，当中心轮 a的两支承之一安装在内齿轮 e的输出南华大学机械工程学院毕业设计第 36 页 共 56 页轴上，另一支承安装在箱体上，而且其轴又是转臂 x的支承时，中心轮可以制成为较细长的齿轮轴结构，在行星齿轮传动中，内齿中心轮的结构主要与其安装方式和过采用的均载机构的结构型式等有关。同时，还因考虑到内齿轮的加工工艺性和装配等问题。例如，插齿加工所需的退刀槽宽度和插齿刀的最小外径的空间位置。通常，内齿轮可以做成一个环形齿圈，故又将内齿中心齿轮称为内齿圈。在一些较重要的行星齿轮传动中，固定的内齿圈可以用凸缘和铰制制用紧定螺钉、销钉或键在其周缘方向上加以固定。在较特殊的情况下，为了减小行星齿轮传动的外廊尺寸和避免采用各种紧固件，内齿轮可以在上述圆柱环形槽上或者在可拆卸的箱体内壁上直接切制其齿轮。此时，圆柱环形槽上或者箱体本身的材料必须满足内齿轮轮齿的强度要求。对于旋转的和固定的内齿轮，还可以将其制成薄壁圆筒结构，以增加内齿轮本身的柔性，则可以得到缓和冲击和使行星轮间载荷分配均匀的良好效果。当内齿轮采用具有外齿轴的齿轮联轴器浮动时，与内齿轮相啮合的浮动轴套外齿轮的轮齿，其啮合参数（模数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数等）应与内齿轮的轮齿相同，以便于齿轮的加工和测量。当采用具有没齿圈的齿轮联轴器浮动时，为了实现与该内齿圈的轮齿进行内啮合传动，则必须在内齿轮的外缘上切制浮动的外齿轮轮齿。6.2.1行星结构及其支承结构行星轮的结构应根据行星齿轮传动的类型、承载能力的大小、行星齿轮转速的高低和所选用的轴承类型及其安装形式而确定。在大多数行星传动中，行星轮应具有内孔，以便在该内孔中安装轴承或与心轴相配合。同时，这种带内孔的行星轮结构，可以保证在一个支承和支承组件上的安装方便和定位精确。为了减少 3个行星轮间的尺寸=差异，可以将同一个行星齿轮传动中的行星轮组合起来一次进行加工，这样制造的行星轮可以安装在整体式转壁上。对于整体式的双联行星轮，若其轮齿为软齿面（HB350） ，经表面淬火、渗碳或氮化后，再进行磨削加工。为了磨削轮齿和装配的方便起见，则应采用组合式的行星轮结构；即可将双联行星轮的两齿轮分开，分别进行磨削加工，然后再组装到行星轮轴上。根据受力分析可知，行星轮上的转矩是平衡的，当支承行星轮的轴承安装在行星架上时，行星轮与轴的联接不必一定是用键联接，采用圆柱定位销就行；这样既简化加工，又便于安装。为使行星轮间的载荷分配均匀，人字型行星轮在同一传动机构中，其 3个行星轮之间的位置必须一致，以达到在相同的啮合齿轮副中个齿轮的运动情况相同；否则，不仅影响行星轮间载荷分布均衡性，而且有可能使行星齿轮机构不能运转。在高速行星齿轮传动中，作为一个完整部件的行星轮机构，不仅需要相对本身轴线的动平衡，而且要求 3个行星轮的重量应相等，以保证行星轮部件安装在行星架上的动平衡。6.2.2 行星轮的支承结构由星星齿轮传动的原理可知，行星轮是支承在动轴上的齿轮，即通过各类轴承将行星轮安装在行星架的动轴上。而在行星齿轮传动中，行星轮的轴承是属于承受载荷最大的支承构件。在一般用途的机械传动中，如其重运输机械的主传动、军事装备、火炮和坦克以及航空飞行器的驱动装置中，大都采用滚动轴承作为行星轮的支承；对于长期运行的、大功率的重载装置的行星齿轮传动以及船舶动力装置中的行星齿轮传动，一般采用滑动轴承。此例中的行星轮支承采用滚动轴承，高速级采用双列向心圆锥滚子轴承，低速级采用深沟球轴承作为支承。平键联接键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键联接的主要类型有：平键联接、半圆键联接、楔件键联接、切向键联接。肩的的两侧是工作面。工作时靠键同键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的键槽低面间则留有间隙。平键联接举有结构简单、装卸方便、对中性较好的优点，因南华大学机械工程学院毕业设计第 38 页 共 56 页而得到广泛的应用。但这种键联接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定的作用。根据用途的不同，平键可分为普通平键、导向平键、薄型平键和滑键四种。其中普通平键薄型平键用于静联接，导向平键和滑键用于动联接。普通平键按构造分，有圆头、平头和单圆头三种。圆头平键适宜放在轴上用键槽铣刀铣出的键槽中，键在键槽中轴向固定良好。缺点的键的头部侧面与轮毂上的键槽并不接触，因而键的圆头部分不能充分利用，而且轴上键槽端部的应力集中较大。平头平键是放在用盘铣刀铣出的键槽中，因而避免了上述缺点，但对于尺寸大的键，应用紧定螺钉固定在轴上的键槽中，以防松动。单圆头平键则常用于轴端与毂类零件的联接。薄型平键与普通平键的主要区别是键的高度约为普通平键的 60%-70%，也分为三种，如普通平键一样。但传递转矩的能力较低，常用于薄壁结构、空心轴及一些径向尺寸受限制的场合。键的选择：键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来确定。键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽 b*键高 h表示）与长度 L。键的截面尺寸 b*h按轴的直径 d有标准中选定。键的长度及其滑动距离而定。一般轮毂的长度可取为 L=（1.5-2）d，这里 d为轴的直径。所选定的键长亦应符合标准规定的长度系列。普通平键和普通楔键的主要尺寸可查表得知。重要的键联接在选出键的类型和尺寸后，还应进行强度校核计算。在进行强度校核后，如果强度不够时，可采用双键。这时应考虑键的合理布置。在低速级的行星传动中，输入轴与低速级太阳轮的联接采用圆头普通平键联接。键联接的强度计算：键的的材料采用抗拉强度不小于 600MPa的钢，通常为 45钢。平键联接传递转矩时，联接中各零件的受力情况见图 1-2。对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键联接（静联接） ，其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断（如图 1.3中沿 a-a面剪断） 。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。对于导向平键南华大学机械工程学院毕业设计第 39 页 共 56 页联接和滑键联接（动联接） ，其主要失效形式是工作面的过度磨损。因此，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。 bhdtakFO平 键 联 接 受 力 情 况图 1-2（图 1.3）假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为 PPkldT310*2式中：T 为传递的转矩，单位为 ；mN.k为键与轮毂键槽的接触高度， ，此处 h为键的高度；k5.0l为键的工作强度，单位为 mm；d为轴的直径，单位为 mm；为键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，单位为PMpa；计算362*107.2*1094.4PaPaTkldM花键联接：花键联接是由外花键和内花键组成的。而花键联接是平键联接在数目上的发展。但是，由于结构型式和制造工艺的不同，与平键联接相比较，南华大学机械工程学院毕业设计第 40 页 共 56 页花键联接强度、工艺和使用有下述一些优点：1. 因为在轴上与毂孔上直接而均匀地制出较多的齿和槽，故联接受力比较均匀；2. 因槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较少；3. 齿数较多，总接触面积较大，因而可承受较大的载荷；4. 轴上零件与轴的对中性好（这对高速及精密机器很重要） ；5. 导向性较好（这对动联接很重要） ；6. 可用磨削的方法提高加工精度及联接质量。 其缺点是：1. 齿根仍有应力集中；2. 有时需用专门设备加工；3. 成本较高。因此，花键联接适用于定心精度要求高、载荷大或经常滑移的联接。花键联接的齿数、尺寸、配合等均应按标准选取。花键联接可用于静联接或动联接。按其齿形不同，可分为矩形花键和渐开线花键两类，均已标准化。（1）矩形花键按齿高的不同，矩形花键的齿形尺寸在标准中规定了两个系列，即轻系列和中系列。轻系列的承载能力较小，多用于静联接或轻载联接；中系列用于中等载荷的联接。矩形花键的定心方式为小定心，即外花键和没花键的小径为配合面。其特点是定心精度高，定心的稳定性好，能用磨削的方法消除热处理引起的变形。矩形花键联接应用广泛。（2）.渐开线花键渐开线花键的齿廊为渐开线，分度圆压力角有 30度和 45度两种，齿顶高分别为 0.5m和 0.4m，与渐开线齿轮相比，渐开线花键齿较短，齿根较宽，不发生根切的最小齿树较少。渐开线花键可以制造齿轮的方法来加工，工艺性较好，制造精度也较高，花键齿的根部强度高，应力集中小，易于定心，当传递的转矩较大且轴径也大时，宜采用渐开线花键联接。压力角为 45度的渐开线花键，由于齿形钝而短，南华大学机械工程学院毕业设计第 41 页 共 56 页与压力角为 30度的渐开线相比，对连接件的削弱较少，但齿的工作面高度较小，故承载能力较低，多用语载荷较轻，直径较小的静联接，特别适用于薄壁零件的轴毂联接。渐开线花键的定心方式为齿形定心。当齿受载时，齿上的径向力能起到自动定心作用，有利于个齿均匀承载。在我的电动滚筒设计中，将把键速器的输入周与高速级的太阳轮做在一起，带动 3个行星轮转动，将扭矩通过行星架传递给下一级齿轮机构。花键与输入轴做成一体，成为花键轴，其材料是 40Cr。花键联接的强度计算与键联接相似，首先根据联接的结构特点、使用要求和工作条件选定花键类型和尺寸，再进行必要的强度校核计算。花键联接的受力情况如（图 1.4）所示。其主要失效形式是工作面被压溃（静联接）或工作面过度磨损（动联接） 。因此，联接通常按工作面上的挤压应力进行强度计算，动联接则按工作面上的压力进行条件性的强度计算。FdDChm花 键 联 接 受 力 情 况图 1-3（图 1.4）计算时，假定载荷在键的工作面上均匀，每个齿工作面上压力的合力 F作用在平均 处（如图 1.4） ，即传递的转矩 ，并引入系数 来考虑md 2/*mdzFT实际载荷在各花键齿上分配不均匀的影响，则花键联接的强度条件为南华大学机械工程学院毕业设计第 42 页 共 56 页因花键轴与高速级行星轮为动联接 pzhldTpm310*2代入数据632*104.9.757*.36(0)maapzhldMPpP花键符合强度条件销接联销主要用来固定零件之间的相对位置，称为定位销，它是组合加工和装配时的重要辅助零件；也可用于联接，称为联接销，可传递不大的载荷；还可作为安全装置中的过载剪断元件，称为安全销。销有多种类型，如圆柱销、圆锥销、槽销、销轴和开口销等，这些销均以标准化。圆锥销具有 1：50 的锥度，在受横向力时可以自锁。它安装方便，定位精度高，可多次装拆而不影响定位精度。端部带螺纹的圆锥销可用于盲孔或拆卸困难的场合。开尾圆锥销适用于有冲击、振动的场合。定位销通常不受载荷或只受很小的载荷，故不作强度校核计算，其直径可按结构确定，数目一般不少于两个。销装入每一被联接件内的长度，约为销直径的 1-2倍。联接销的类型可根据工作要求选定，其尺寸可根据联接的结构特点按经验或规范确定，必要时再按剪切和挤压强度条件进行校核计算。在箱体和内齿轮间用销联接和定位，以确定内齿轮在减速器的位置。且将内齿轮固定在箱体壁上。而行星架与行星轴也是通过销联接在一起，同行星轮一起旋转，从而把转矩通过行星架输出给减速器第二级。销的材料为 35、45 钢（开口销为低碳钢） ，许用切应力为 80MPa,许用挤应力可查表。 南华大学机械工程学院毕业设计第 43 页 共 56 页6.3 均载机构行星齿轮传动中行星轮可以分担负荷，传动结构更紧凑。一般行星轮的数目为两个、三个或四个，最多时甚至可以达到八个。但是，随着行星轮数目的增加，各行星轮所承受的负荷是否能均匀分配，是一个至关重要的问题。而为了充分发挥行星齿轮传动的优点，采用能够补偿不可避免的制造误差，以 2各个行星轮均匀地分担负荷的均载机构是十分必要是。因此采用均载机构可以降低载荷的不均匀系数，从而提高承载能力，降低噪声，提高运转平稳性，降低齿轮制造精度等优点。均载机构是靠三个基本构件太阳轮、内齿圈或行星架，没有固定的径向浮动，以使各行星轮均匀分担载荷。均载机构的种类很多，有使太阳轮浮动的，有使行星轮浮动的，有使行星架浮动的。大多适用于三个行星轮的行星齿轮传动。且各有特点，在选用行星齿轮传动中的均载机构时，根据该机构的功用和工作情况，应对其提出如下几点要求。均载机构在结构上应组成静定系统，能较好地补偿制造和装配误差及零件的变形，且使载荷分布不均匀系数 Kp值最小。均载机构的补偿动作要可靠、均载效果要好。为此，应使均载构件所受力较大，因为，作用力大才能使其动作灵敏、准确。在均载过程中，均载构件应能以较小的自动调整位移量补偿行星齿轮传动存在的制造误差。均载机构应制造容易，结构简单、紧凑，布置方便，不得影响到行星齿轮的传动性能。均载机构本身的磨擦损失应尽量小，效率要高。均载机构应具有一定的缓冲和减振性能；至少不应增加行星齿轮传动的振动和噪声。在行星轮系中，各轮齿数的选配需满足下述四个条件。第一，尽可能近似地实现给定的传动比；第二保证满足同心条件，要行星轮系