(全套)一级直齿圆柱齿轮减速器的设计说明书(doc内嵌CAD图纸)

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根据传动装置总效率及查表 2 4 得 V 带传动 1 0 945 滚动轴承 2 0 98 圆柱齿轮传动 3 0 97 弹性联轴器 4 0 99 滚筒轴滑动轴承 5 0 94 3 电动机额定功率 Ped 由表 20 1 选取电动机额定功率 Ped 2 2kw 3 电动机的转速 为了便于选择电动机转速 先推算电动机转速的可选范围 由表 2 1 查得 V 带传动常用传动比范围 i1 2 4 单级圆柱齿轮传动比范围 i2 3 6 则电动 机转速可选范围为 nd n i1 i2 573 2292r min 电动机转速 r min 传动装置的传动比方 案 电动机型 号 额定功 率 kw 同步满载 电动机 质量 kg 总传动比V 带传动单级减速器 1Y100L1 42 2150014203414 8734 96 2Y112M 62 21000940459 842 53 94 由表中数据可知两个方案均可行 方案 1 相对价格便宜 但方案 2 的 传动比较小 传动装置结构尺寸较小 整体结构更紧凑 价格也可下调 因此 3 采用方案 2 选定电动机的型号为 Y112M 6 4 电动机的技术数据和外形 安装尺寸 由表 20 1 20 2 查出 Y112M 6 型电动机的主要技术数据和外形 安装尺 寸 并列表记录备用 略 3 计算传动装置传动比和分配各级传动比 1 传动装置传动比 84 9 5 95 940n n i m 2 分配各级传动比 取 V 带传动的传动比 i1 2 5 则单级圆柱齿轮减速器传动比为 4 5 2 84 9 1 2 i i i 所得 i2值符合一般圆柱齿轮传动和单级圆柱齿轮减速器传动比的常用范 围 4 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 I 轴 低速轴为 轴 各轴转速为 n0 nm 940r min nI n0 i1 940 2 5 376 nII nI i2 376 3 94 95 5r min 2 各轴输入功率 按电动机额定功率 Ped 计算各轴输入功率 即 P0 Ped 2 2kw 4 PI P0 1 2 2x0 945 2 079kw PII PI 2 3 2 079x0 98x0 97 1 976kw 3 各轴转矩 To 9550 x P0 n0 9550 x2 2 940 22 35N m TI 9550 x PI nI 9550 x2 079 376 52 80N m TII 9550 x PII nII 9550 x1 976 95 5 197 6N m 二 V 带选择 1 选择 V 带的型号 根据任务书说明 每天工作 8 小时 载荷平稳 由 精密机械设计 的表 7 5 查得 KA 1 0 则 kw nT I 3 1 9550 5 95130 9550 P Pd PI KA 1 0 2 2 2 2kW 根据 Pd 2 2 和 n1 940r min 由 机械设计基础课程设计 图 7 17 确定选取 A 型普通 V 带 2 确定带轮直径 D1 D2 由图 7 17 可知 A 型 V 带推荐小带轮直径 D1 125 140mm 考虑到带速不 宜过低 否则带的根数将要增多 对传动不利 因此确定小带轮直径 D1 125mm 大带轮直径 由公式 D2 iD1 1 其中 取 0 02 由查 机械设计基础课程设计 表 9 1 取 D2 315mm 3 检验带速 v v 1 6m s 25m s 4 确定带的基准长度 5 根据公式 7 29 0 7 D1 D2 a 2 D1 D2 初定中心距 500mm 依据式 7 12 计算带的近似长度 L 1708 9mm a DD DDaL 4 2 2 2 21 210 由表 7 3 选取 Ld 1800mm KL 1 01 5 确定实际中心距 a 545 6mm 2 0 LL aa d 6 验算小带包角 1 1600 a a o 12 o 1 57 3 D D 180 7 计算 V 带的根数 z 由表 7 8 查得 P0 1 40 由表 7 9 查得 Ka 0 95 由表 7 10 查得 P0 0 11 则 V 带的根数 1 52 根 La d KKPP P z 00 取 z 2 8 计算带宽 B B z 1 e 2f 由表 7 4 得 B 35mm 三 高速级齿轮传动设计 1 选择材料 精度及参数 小齿轮 45 钢 调质 HB1 240 大齿轮 45 钢 正火 HB2 190 6 模数 m 2 齿数 z1 24 z2 96 齿数比 u z2 z1 96 24 4 精度等级 选 8 级 GB10095 88 齿宽系数 d d 0 83 推荐取值 0 8 1 4 齿轮直径 d1 mz1 48mm d2 mz2 192mm 压力角 a 200 齿顶高 ha m 2mm 齿根高 hf 1 25m 2 5mm 全齿高 h ha hf 4 5mm 中心距 a m z1 z2 2 120mm 小齿轮宽 b1 d d1 0 83 48 39 84mm 大齿轮宽 根据 机械设计基础课程设计 P24 为保证全齿宽接触 通常使小齿轮较大齿轮宽 因此得 b2 40mm 1 计算齿轮上的作用力 设高速轴为 1 低速轴为 2 圆周力 Ft1 2T1 d 2200N Ft2 2T d 2058 3N 径向力 Fr1 F1t tana 800 7N Fr2 F2t tana 749 2N 7 轴向力为几乎为零 2 齿轮许用应力 H F 及校验 H d V EH uc H u u d KKT ZZZ EF 1 2 1 2 3 1 1 2 ZH 节点齿合系数 对于标准直齿轮 n H a Z 2sin cos2 2 an 20 0 ZH 1 76 ZE 弹性系数 当两轮皆为钢制齿轮 1 2 E ZE 0 3 E1 E2 2 10 x10N mm2 时 ZE 271 2 mmN Z 重合系数 对于直齿轮 Z 1 a K Z 1 K 载荷集中系数 由 精密机械设计 图 8 38 选取 k u u F F K max 1 08 Kv 动载荷系数 精密机械设计 图 8 39 kv 1 02 计算得 H 465 00 N mm 2 HL H bH H K S lim 对应于 NHO的齿面接触极限应力其值决定于齿轮齿轮材料及热处 bH lim 理条件 精密机械设计 表 8 10 2HBS 69 240 x2 69 549N mm 2 bH lim SH 安全系数 对于正火 调质 整体淬火的齿轮 去 SH 1 1 KHL 寿命系数 式中 NHO 循环基数 查 精密机械设计 图 8 6 H HO HL N N K 8 41 NHO 1 5x107 NH 齿轮的应力循环次数 NH 60nt 60 x376x60 x8 1 08288x107 取 KHL 1 06 529 04 N mm 2 H H 465 00 N mm 2 529 04 N mm 2 H 因此接触强度足够 F d V FVP t FF md KKT YKK bm F Y 2 1 1 2 B 齿宽 0 83x48 39 84 1 db d 许用弯曲应力 F FCFL F bF F KK S lim 查表 8 11 得 1 8x240 432 N mm 2 1 8 1 齿轮双面受 bFlim F S FC K 载时的影响系数 单面取 1 双面区 0 7 0 8 寿命系数 循环6 FV FO FL N N K 基数取 4x106 循环次数 60nt 60 x376x60 x8 1 08288x107 KFL FO N FV N 0 847 1 YF 齿形系数 查 精密机械设计 图 8 44 YF 3 73 计算得 240 N mm 2 F F 113 45 N mm 2 F F 因此弯曲强度足够 四 轴的结构设计 9 1 轴的材料 选用 45 钢 2 估算轴的直径 根据 精密机械设计 P257 式 10 2 查表 10 2 轴的最小直径取 C 110 或 30 3 3 6 2 0 P1055 9 n P C n d T T 计算得 d1min 20mm d2min 30mm 取 d1 20mm d2 30mm 3 轴的各段轴径 根据 机械设计基础课程设计 P26 当轴肩用于轴上零件定位和承受内 力时 应具有一定高度 轴肩差一般可取 6 10mm 用作滚动轴承内圈定位时 轴肩的直径应按轴承的安装尺寸取 如果两相邻轴段直径的变化仅是为了轴上 零件装拆方便或区分加工表面时两直径略有差值即可 例如取 1 5mm 也可以 采用相同公称直径而不同的公差数值 按照这些原则高速轴的轴径由小到大分别为 20mm 22mm 25mm 48mm 25mm 低速轴的轴径由小到大分别为 30mm 32mm 35mm 40mm 48mm 35mm 4 轴的各段长度设计 10 1 根据 机械设计基础课程设计 表 3 1 表 4 1 以及图 4 1 得 取 8mm 1取 8mm 齿轮顶圆至箱体内壁的距离 1 10mm 齿轮端面至箱体内壁的距离 2 10mm 轴承端面至箱体内壁的距离 轴承用油润滑时 3 5mm 箱体外壁至轴承座孔端面的距离 L1 C1 C2 5 10 45mm 轴承端盖凸缘厚度 e 10mm 2 带轮宽 35mm 联轴器端 60mm 1 轴承的厚度 B01 15mm B02 17mm 根据上面数据 可以确定各段轴长 由小端到大端依次为 高速轴 35mm 42mm 16mm 12mm 40mm 12mm 16mm 低速轴 60mm 40mm 30mm 40mm 10mm 17mm 5 轴的校核计算 精密机械设计 P257 P262 机械设计手册 对于高速轴校核 垂直面内支点反力 La 28 5 带轮中径到轴承距离 Lb 67 5mm 两轴承间 Fr Ft Fz Lc La Lb L 11 距离 N L LL FF b ba rrA 5 1065 5 67 5 67 5 28 2 749 N L L FF b a rrB 3 316 5 67 5 28 2 749 校核 FrA Fr FrB 1065 5N 749 2 316 3 N 类似方法求水平面内支点反力 V 带在轴上的载荷可近似地由下式确定 2 sin2zFF 1 0z F0 单根 V 带的张紧力 N 2 0 1 5 2 500Fqv zv P K d Pd 计算功率 Pd 2 079Kw Z V 带的根数 6 2 m s 1 为带速 Ka 包角修正系数 Ka 0 95 q V 带单位长度质量 q 0 10 kg m 1 精密机械设计 表 7 11 计算得 F0 144 7 Fz 570N N L LFlLF l F F atcbZ c Z tB 1148 5 134 5 28 3 2058 67 5 67 570 5 33570 2 lc Lc 67 中轴到轴承距离 N 3 2066 3 2058114857022FtA ttBz FFF 12 M A Fr La 21352 2N mm M B 0 同理求得 M A Ft La 58662 4 N mm M B Fz Lc 38190 N mm N mm 5 62427 4 58662 2 21352 2222 AA MMM A N mm38190381900 2222 BB MMM B 已知 T 52800N mm 选用轴的材料为 45 钢 并经正火处理 查 精 密机械设计 表 10 1 其强度极限 600N mm 2 并查表 10 3 与其对 B 应的 55N mm 2 95 N mm 2故可求出 b1 b0 58 0 95 55 0 1 b b N mm 3 69534 5280058 0 5 62427 2222 TMM AvA 同理得 MvB 31098 7 N mm mm 3 23 551 0 3 69534 1 0 3 3 1 b vA M d 在结构设计中定出的该处直径 dA 25mm 故强度足够 同理对高速轴的校核中 d 33 2mm 在结构设计中定出的该处直径 d 35mm 故强度足够 五 滚动轴承的选择及校核计算 根据任务书上表明的条件 载荷平稳 以及轴承主要受到轴向力 所以选 择圆锥滚子轴承 由轴径的相应段根据 机械设计基础课程设计 表 15 7 选 择轻窄 2 系列 其尺寸分别为 13 内径 d1 25mm d2 35mm 外径 D1 52mm D2 72mm 宽度 B1 15mm B2 17mm 滚动轴承的当量载荷为 arp YFXFfP 0 X 1 Y 0 a F e0 F F r a 则 N26402200 22002 10 1FfP rp h20 185140 2640 102 23 76360 10 P C n60 10 L 3 10 36 max min 6 max10h C 额定动载荷 机械设计基础课程设计 表 15 7 而题目要求的轴承寿命为 故轴承的寿命完全符合要求 h30000Lh max10h L 六 键联接的选择及校核计算 1 根据轴径的尺寸 由 机械设计基础课程设计 表 14 1 高速轴与 V 带轮联接的键为 键 C8X30 GB1096 79 大齿轮与轴连接的键为 键 12X32 GB1096 79 轴与联轴器的键为 键 C8X50 GB1096 79 2 键的强度校核 齿轮与轴上的键 键 C12 32 GB1096 79 b h 12 8 L 32 则 Ls L b 20mm 圆周力 Fr 2TII d 2 40 9880N 14 挤压强度 123 5 125 150MPa p s r p Lh F 2 因此挤压强度足够 剪切强度 82 3 120MPa s Lb Fr 2 因此剪切强度足够 键 C8 30 GB1096 79 和键 C8 56 GB1096 79 根据上面的步骤校核 并且 符合要求 七 联轴器的选择 根据轴径的和 机械设计基础课程设计 表 17 1 选择联轴器的型号 GB3852 83 J1一对组合 轴孔直径 d 30mm 长度 L 60mm 八 减速器附件的选择 通气器 由于在室内使用 选通气器 一次过滤 采用 M16 1 5 油面指示器 选用游标尺 M16 起吊装置 采用箱盖吊耳 箱座吊耳 双螺钉起吊螺钉 放油螺塞 选用外六角油塞及垫片 M14 1 5 15 根据 机械设计基础课程设计 表 13 7 选择适当型号 起盖螺钉型号 GB5783 86 M6 20 材料 Q235 高速轴轴承盖上的螺钉 GB5783 86 M6 20 材料 Q235 低速轴轴承盖上的螺钉 GB5783 86 M6 20 材料 Q235 螺栓 GB5782 86 M10 80 材料 Q235 九 润滑与密封 1 齿轮的润滑 采用浸油润滑 由于为单级圆柱齿轮减速器 速度 12m s 当 m40 的减速器 单级减速器的传动比如果过大 则其外廓尺寸将很大 二 级和二级以上圆柱齿轮减速器的传动布置形式有展开式 分流式和同轴式等数种 展开式 最简单 但由于齿轮两侧的轴承不是对称布置 因而将使载荷沿齿宽分布不均匀 且使两 边的轴承受力不等 为此 在设计这种减速器时应注意 1 轴的刚度宜取大些 2 转矩应 从离齿轮远的轴端输入 以减轻载荷沿齿宽分布的不均匀 3 采用斜齿轮布置 而且受载 大的低速级又正好位于两轴承中间 所以载荷沿齿宽的分布情况显然比展开好 这种减速 器的高速级齿轮常采用斜齿 一侧为左旋 另一侧为右旋 轴向力能互相抵消 为了使左 右两对斜齿轮能自动调整以便传递相等的载荷 其中较轻的龆轮轴在轴向应能作小量游动 同轴式减速器输入轴和输出轴位于同一轴线上 故箱体长度较短 但这种减速器的轴向尺 寸较大 圆柱齿轮减速器在所有减速器中应用最广 它传递功率的范围可从很小至 40 000kW 圆周速度也可从很低至 60m s 一 70m s 甚至高达 150m s 传动功率很大的减速器最好 采用双驱动式或中心驱动式 这两种布置方式可由两对齿轮副分担载荷 有利于改善受力 状况和降低传动尺寸 设计双驱动式或中心驱动式齿轮传动时 应设法采取自动平衡装置 使各对齿轮副的载荷能得到均匀分配 例如采用滑动轴承和弹性支承 圆柱齿轮减速器有渐开线齿形和圆弧齿形两大类 除齿形不同外 减速器结构基本相 同 传动功率和传动比相同时 圆弧齿轮减速器在长度方向的尺寸要比渐开线齿轮减速器 约 30 15 1 2 圆锥齿轮减速器 它用于输入轴和输出轴位置布置成相交的场合 二级和二级以上的圆锥齿轮减速器常 由圆锥齿轮传动和圆柱齿轮传动组成 所以有时又称圆锥 圆柱齿轮减速器 因为圆锥齿 轮常常是悬臂装在轴端的 为了使它受力小些 常将圆锥面崧 作为 高速极 山手面锥 齿轮的精加工比较困难 允许圆周速度又较低 因此圆锥齿轮减速器的应用不如圆柱齿轮 减速器广 15 1 3 蜗杆减速器 主要用于传动比较大 j 10 的场合 通常说蜗杆传动结构紧凑 轮廓尺寸小 这只是 对传减速器的传动比较大的蜗杆减速器才是正确的 当传动比并不很大时 此优点并不显 著 由于效率较低 蜗杆减速器不宜用在大功率传动的场合 蜗杆减速器主要有蜗杆在上和蜗杆在下两种不同形式 蜗杆圆周速度小于 4m s 时最好 采用蜗杆在下式 这时 在啮合处能得到良好的润滑和冷却条件 但蜗杆圆周速度大于 4m s 时 为避免搅油太甚 发热过多 最好采用蜗杆在上式 15 1 4 齿轮 蜗杆减速器 19 它有齿轮传动在高速级和蜗杆传动在高速级两种布置形式 前者结构较紧凑 后者效 率较高 15 2 传动比分配 在设计二级和二级以上的减速器时 合理地分配各级传动比是很重要的 因为它将影 响减速器的轮廓尺寸和重量以及润滑的条件 传动比分配的基本原则是 1 使各级传动的承载能力近于相等 2 使各级传动中的大齿轮浸入油中的深度大致相近 从而使润滑最为方便 3 使减速器获得最小的外形尺寸或重量等 当二级圆柱齿轮减速器按照轮齿接触强度相等的条件进行传动比分配时 应该取高速 级的传动比 三级圆柱齿轮减速器的传动比分配同样可以采用二级减速器的分配原则 15 3 减速器结构 近年来 减速器的结构有些新的变化 为了和沿用已久 国内目前还在普遍使用的减 速器有所区别 这里分列了两节 并称之为传统型减速器结构和新型减速器结构 15 3 1 传统型减速器结构 绝大多数减速器的箱体是用中等强度的铸铁铸成 重型减速器用高强度铸铁或铸钢 少量生产时也可以用焊接箱体 铸造或焊接箱体都应进行时效或退火处理 大量生产小型 减速器时有可能采用板材冲压箱体 减速器箱体的外形目前比较倾向于形状简单和表面平 整 箱体应具有足够的刚度 以免受载后变形过大而影响传动质量 箱体通常由箱座和箱 盖两部分所组成 其剖分面则通过传动的轴线 为了卸盖容易 在剖分面处的一个凸缘上 攻有螺纹孔 以便拧进螺钉时能将盖顶起来 联接箱座和箱盖的螺栓应合理布置 并注意 留出扳手空间 在轴承附近的螺栓宜稍大些并尽量靠近轴承 为保证箱座和箱盖位置的准 确性 在剖分面的凸缘上应设有 2 3 个圆锥定位销 在箱盖上备有为观察传动啮合情况用 的视孔 为排出箱内热空气用的通气孔和为提取箱盖用的起重吊钩 在箱座上则常设有为 提取整个减速器用的起重吊钩和为观察或测量油面高度用的油面指示器或测油孔 关于箱 体的壁厚 肋厚 凸缘厚 螺栓尺寸等均可根据经验公式计算 见有关图册 关于视孔 通气孔和通气器 起重吊钩 油面指示 Oe 等均可从有关的设计手册和图册中查出 在减速 器中广泛采用滚动轴承 只有在载荷很大 工作条件繁重和转速很高的减速器才采用滑动 轴承 关于滚动轴承类型的选择及其组合设计详见滚动轴承一章 15 3 2 新型减速器结构 20 下面列举两种联体式减速器的新型结构 图中未将电动机部分画出 1 齿轮 蜗杆二级减速器 2 圆柱齿轮 圆锥齿轮 圆柱齿轮三级减速器 这些减速器都具有以下结构特点 在箱体上不沿齿轮或蜗轮轴线开设剖分面 为了便于传动零件的安装 在适 当部位 有较大的开孔 在输入轴和输出轴端不采用传统的法兰式端盖 而改用机械密封圈 在盲孔 端则装有冲压薄壁端盖 输出轴的尺寸加大了 键槽的开法和传统的规定不同 甚至跨越了轴肩 有 利于充分发挥轮毂的作用 和传统的减速器相比 这些结构上的改进 既可简化结构 减少零件数目 同时又改 善了制造工艺性 但设计时要注意装配的工艺性 要提高某些装配零件的制造精度 15 4 减速器润滑 15 4 1 传动的润滑 圆周速度 u 12m s 一 15m s 的齿轮减速器广泛采用油池润滑 自然冷却 为了减少 齿轮运动的阻力和油的温升 浸入油中的齿轮深度以 1 2 个齿高为宜 速度高的还应该浅 些 建议在 0 7 倍齿高左右 但至少为 10mm 速度低的 0 5m s 一 0 8m s 也允许浸 入深些 可达到 1 6 的齿轮半径 更低速时 甚至可到 1 3 的齿轮半径 润滑圆锥齿轮 传动时 齿轮浸入油中的深度应达到轮齿的整个宽度 对于油面有波动的减速器 如船用减 速器 浸入宜深些 在多级减速器中应尽量使各级传动浸入油中深度近予相等 如果发生 低速级齿轮浸油太深的情况 则为了降低其探度可以采取下列措施 将高速级齿轮采用惰 轮蘸油润滑 或将减速器箱盖和箱座的剖分面做成倾斜的 从而使高速级和低速级传动的 浸油深度大致相等 减速器油池的容积平均可按 1kW 约需 0 35L 一 0 7L 润滑油计算 大值用于粘度较高 的油 同时应保持齿轮顶圆距离箱底不低于 30mm 一 50mm 左右 以免太浅时激起沉降在箱 底的油泥 减速器的工作平衡温度超过 90 时 需采用循环油润滑 或其他冷却措施 如 油池润滑加风扇 油池内装冷却盘管等 循环润滑的油量一般不少于 0 5L kW 圆周速度 u 12m s 的齿轮减速器不宜采用油池润滑 因为 1 由齿轮带上的油会被离心力甩出去而送 不到啮合处 2 由于搅油会使减速器的温升增加 3 会搅起箱底油泥 从而加速齿轮和轴 承的磨损 4 加速润滑油的氧化和降低润滑性能等等 这时 最好采用喷油润滑 润滑油 从自备油泵或中心供油站送来 借助管子上的喷嘴将油喷人轮齿啮合区 速度高时 对着 啮出区喷油有利于迅速带出热量 降低啮合区温度 提高抗点蚀能力 速度 u 20 心 s 的 齿轮传动常在油管上开一排直径为 4mm 的喷油孔 速度更高时财应开多排喷油孔 喷油孔 的位置还应注意沿齿轮宽度均匀分布 喷油润滑也常用于速度并不很高而工作条件相当繁 21 重的重型减速器中和需要用大量润滑油进行冷却的减速器中 喷油润滑需要专门的管路装 置 油的过滤和冷却装置以及油量调节装置等 所以费用较贵 此外 还应注意 箱座上 的排油孔宜开大些 以便热油迅速排出 蜗杆圆周速度在 10m s 以下的蜗杆减速器可以采用油池润滑 当蜗杆在下时 油面高 度应低于蜗杆螺纹的根部 并且不应超过蜗杆轴上滚动轴承的最低滚珠 柱 的中心 以免 增加功率损失 但如满足了后一条件而蜗杆未能浸入油中时 则可在蜗杆轴上装一甩油环 将油甩到蜗轮上以进行润滑 当蜗杆在上时 则蜗轮浸入油中的深度也以超过齿高不多为 限 蜗杆圆周速度在 10m s 以上的减速器应采用喷油润滑 喷油方向应顺着蜗杆转入啮合 区的方向 但有时为了加速热的散失 油也可从蜗杆两侧送人啮合区 齿轮减速器和蜗轮 减速器的润滑油粘度可分别参考表选取 若工作温度低于 0 则使用时需先将油加热到 0 以上 蜗杆上置的 粘度应适当增大 15 4 2 轴承的润滑 如果减速器用的是滚动轴承 则轴承的润滑方法可以根据齿轮或蜗杆的圆周速度来 选择 圆周速度在 2m s 一 3n s 以上时 可以采用飞溅润滑 把飞溅到箱盖上的油 汇集到箱体剖分面上的油沟中 然后流进轴承进行润滑 飞溅润滑最简单 在减速器中应 用最广 这时 箱内的润滑油粘度完全由齿轮传动决定 圆周速度在 2m s 3m s 以下时 由于飞溅的油量不能满足轴承的需要 所以最 好采用刮油润滑 或根据轴承转动座圈速度的大小选用脂润滑或滴油润滑 利用刮板刮下 齿轮或蜗轮端面的油 并导人油沟和流人轴承进行润滑的方法称为刮油润滑 采用脂润滑时 应在轴承内侧设置挡油环或其他内部密封装置 以免油池中的油进 入轴承稀释润滑脂 滴油润滑有间歇滴油润滑和连续滴油润滑两种方式 为保证机器起动时轴承能得到一 定量的润滑油 最好在轴承内侧设置一圆缺形挡板 以便轴承能积存少量的油 挡板高度 不超过最低滚珠 柱 的中心 经常运转的减速器可以不设这种挡板 转速很高的轴承需要采用压力喷油润滑 如果减速器用的是滑动轴承 由于传动用油的粘度太高不能在轴承中使用 所以轴承 润滑就需要采用独自的润滑系统 这时应根据轴承的受载情况和滑动速度等工作条件选择 合适的润滑方法和油的粘度 上一章 返回主页 下一章 第 16 章 轴 基本内容 1 轴的分类 22 2 轴的结构设计 3 轴的强度计算 4 轴的刚度计算 5 轴的临界转速 重点与难点 1 重点 轴的结构设计 轴的强度计算方法 轴毂联接 2 难点 轴的结构设计 轴的疲劳强度校核计算 基本内容 1 轴的分类 2 轴的结构设计 3 轴的强度计算 4 轴的刚度计算 5 轴的临界转速 教学重点与难点 1 重点 轴的结构设计 轴的强度计算方法 轴毂联接 2 难点 轴的结构设计 轴的疲劳强度校核计算 教学基本要求 1 了解轴的类型 特点 应用 轴的材料及选用 2 了解轴的疲劳强度校核计算 安全系数法 轴的刚度计算 轴的振动及稳定性的概念 3 复习轴毂联接 4 掌握轴的扭转强度和弯扭组合强度计算 5 掌握轴的结构设计及提高轴的强度的措施 基本要求 23 1 了解轴的类型 特点 应用 轴的材料及选用 2 了解轴的疲劳强度校核计算 安全系数法 轴的刚度计算 轴的振动及稳定性的概念 3 复习轴毂联接 4 掌握轴的扭转强度和弯扭组合强度计算 5 掌握轴的结构设计及提高轴的强度的措施 16 1 概述 作回转运动的零件都要装在轴上来实现其回转运动 大多数轴还起着传递转矩的作用 轴要用滑动轴承或滚动轴承来支承 常见的轴有直轴和曲轴 曲轴主要用于作往复运动的 机械中 本章只讨论直轴 16 1 1 轴的分类 根据轴的承载情况可分为转轴 心轴和传动轴三类 只承受弯矩 不承受转矩的轴称 为 心轴 只承受转矩 不承受弯矩的轴称为 传动轴 同时承受弯矩和转矩的轴称 为 转轴 16 1 2 轴的材料 轴的材料主要采用碳素钢和合金钢 常用的碳素钢有 30 50 钢 最常用的是 45 钢 为保证其力学性能 应进行调质或正 火处理 不重要的或受力较小的轴以及一般传动轴可以使用 Q235 Q275 钢 合金钢具有较高的机械强度 可淬性也较好 可以在传递大功率并要求减少质量和提 高轴颈耐磨性时采用 常用的合金钢有 12CrNi2 12CrNi3 20Cr 40Cr 和 38SiMnMo 等 轴的材料也可采用合金铸铁或球墨铸铁 轴的毛坯是铸造成型的 所以易于得到更合 理的形状 这些材料吸振性较高 可用热处理方法获得所需的耐磨性 对应力集中敏感性 也较低 因铸造品质不易控制 故可靠性不如钢制轴 16 1 3 轴设计的主要问题 在一般情况下 轴的工作能力决定于它的强度和刚度 对于机床主轴 后者尤为重要 高速转轴则还决定于它的振动稳定性 在设计轴时 除应按工作能力准则进行设计计算或 校核计算外 在结构设计上还须满足其他一系列的要求 例如 1 多数轴上零件不允许在 轴上作轴向移动 需要用轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置 2 为传递转矩 轴 上零件还应作周向固定 3 对轴与其他零件 如滑动轴承 移动齿轮 间有相对滑动的表面 24 应有耐磨性的要求 4 轴的加工 热处理 装配 检验 维修等都应有良好的工艺性 5 对重型轴还须考虑毛坏制造 探伤 起重等问题 16 2 轴的结构设计 16 2 1 轴的毛坯 尺寸较小的轴可以用圆钢车制 尺寸较大的轴则应用锻造毛坯 铸造毛坯应用很少 为了减少质量或结构需要 有一些机器的轴 如水轮机轴和航空发动机主轴等 常采用 空心的截面 因为传递转矩主要靠轴的近外表面材料 所以空心轴比实心轴在材料的利用 上较经济 但空心轴的制造比较费工 所以必须从经济和技术指标进行全面分析才能决定 是否有利 有时为了节约贵重的合金钢或优质钢 或是为了解决大件锻造的困难 也可用 焊接的毛坯 16 2 2 轴颈 轴头 轴身 轴主要由轴颈 轴头 轴身三部分组成 轴上被支承部分叫做轴颈轴上被支承部分叫做轴颈 安装轮毂部分叫安装轮毂部分叫 做轴头做轴头 联接轴颈和轴头的部分叫做轴身联接轴颈和轴头的部分叫做轴身 轴颈和轴头的直径应该按规范取圆整尺寸 特 别是装滚动轴承的轴颈必须按轴承的内直径选取 轴颈的结构随轴承的类型及其安装位置 而有所不同 可参看本章及滑动轴承和滚动轴承两章中有关的图 轴颈 轴头与其相联接 零件的配合要根据工作条件合理地提出 同时还要规定这些部分的表面粗糙度 这些技术 条件对轴的运转性能关系很大 为使运转平稳 必要时还应对轴颈和轴头提出平行度和同 轴度等要求 对于滑动轴承的轴颈 有时还须提出表面热处理的条件等 从节省材料 减少质量的观点来看 轴的各横截面最好是等强度的 但是从加工工艺 观点来看 轴的形状却是愈简单愈好 简单的轴制造时省工 热处理不易变形 并有可能 减少应力集中 当决定轴外形时 在保证装配精度的前提下 既要考虑节约材料 又要考 虑便于加工和装配 因此 实际的轴多做成阶梯形 阶梯轴 只有一些简单的心轴和一些 有特殊要求的转轴 才做成具有同一名义直径的等直径轴 16 2 3 零件在轴上的固定 轴上零件常以其毂和轴联接在一起 轴和毂的固定可分为轴向固定和周向固定两 类 1 轴上零件的轴向固定 轴上零件轴向固定的方法有 轴肩 或轴环 挡圈 圆螺母 套筒 圆锥形轴头等 轴肩结构简单 可以承受较大的轴向力 螺钉锁紧挡圈用紧定螺钉固定在轴上 在轴上零 件两侧各用一个挡圈时 可任意调整轴上零件的位置 装拆方便 但不能承受大的轴向力 且钉端坑会引起轴应力集中 当轴上零件一边采用轴肩定位时 另一边可采用套筒定位 以便于装拆 如果要求套筒很长时 可不采用套筒而用螺母固定轴上零件 螺母也可用于 轴端 轴端挡圈常用于轴端零件的固定 圆锥形轴头对中好 常用于转速较高时 也常用 25 于轴端零件的固定 为了使轴上零件与轴肩端面紧密贴合 应保证轴的圆角半径 ra 轮毂 孔的倒角高度 C 或圆角半径 r 轴肩高度 a 之间有下列关系 ra C a 和 ra r a 轴肩 尺寸应符合国标规定 2 轴上零件的周向固定 周向固定方法可采用键 花键 成形 弹性环 销 过盈等联接 通称轴毂联接 16 2 4 结构草图画法 画轴的结构草图是设计轴的重要环节之一 也是轴受力分析和进行强度计算的主 要依据 除了轴的直径有待强度或刚度计算确定外 其他如轴上零件布置和固定方法 支 承点位置 装配工艺 制造方法等都必须在结构设计中有通盘的考虑 16 3 轴的强度计算 轴的强度计算主要有三种方法 许用切应力计算 许用弯曲应力计算 安全系数校核 计算 许用切应力计算只需知道转矩的大小 方法简便 但计算精度较低 许用弯曲应力计算必须先知道作用力的大小和作用点的位置 轴承跨距 各段轴径等 参数 为此 常先按转矩估算轴径并进行轴的结构设计后 即可画出轴的弯扭合成图 然 后计算危险截面的最大弯曲应力 它主要用于计算一般重要的 弯扭复合的轴 计算精度 中等 安全系数校核计算也要在结构设计后进行 不仅要定出轴的各段直径 而且要定出过 渡圆角 轴毂配合 表面粗糙度等细节 它主要用于重要的轴 计算精度较高 但计算较 复杂 且常需有足够的资料才能进行 安全系数校核计算能判断各危险截面的安全程度 从而改善各薄弱环节 有利于提高轴的疲劳强度 以上三种方法可单独使用或逐个使用 一般转轴按许用弯曲应力计算已足够可靠 不 一定再用安全系数法校核 要用安全系数法校按的轴 不一定要再用许用弯曲应力法计算 强度计算不能满足要求时 应修改结构设计 两者常相互配合 交叉进行 16 3 1 按许用切应力计算 受转矩 T 的实心圆轴 计算公式如下 校核公式 设计公式 26 16 3 2 按许用弯曲应力计算 计算公式如下 校核公式 设计公式 一般设计步骤如下 画出轴的空间受力筒图 将轴上作用力分解为水平面受力图和垂直面受力图 求 出水平面上和垂直面上的支承点反作用力 分别作出水平面上的弯矩 Mxy 图和垂直面上的弯矩 Mxz 图 作出合成弯矩 M 作出转矩 T 图 绘出当量弯矩 M 图 16 3 3 安全系数校核计算 1 疲劳强度校核 疲劳强度的校核即计入应力集中 表面状态和尺寸影响斟后的精确校核 同上节所 述方法 绘出轴的弯矩 M 图和转矩 T 以后 选择轴上的危险截面进行校校 根据截面上受 到的弯矩和转矩可求出弯曲应力和切应力 这两项循环应力可分解平均应力和应力幅 然 后就可以分别求出弯矩作用下的安全系数和转矩作用下的安全系数 16 4 轴的刚度计算 轴受载荷以后要发生弯曲和扭转变形 如果变形过大 会影响轴上零件正常工作 例如 在电动机中如果由于弯矩使轴所产生的挠度 J 过大 就会改变电机转子和定于间的 间隙而影响电机的性能 又如 内燃机凸轮轴受转矩所产生的扭角声如果过大就会影响气 门启闭时间 轴的变形有三种 挠度 转角和扭角 在各种机器中对轴的刚度要求并不一致 所以 没有统一的规定 27 16 4 1 扭角的计算 式中 l 轴受转矩作用的长度 Ip 轴截面的极惯性矩 G 轴材料的切变模量 16 4 2 弯曲变形的计算 计算轴在弯矩作用下所产生的挠度夕和转角有几种方法 这里主要介绍两种 1 当量轴径法 对于阶梯轴 可以简化为一当量等径光轴 然后利用材料力学中的公式计算 y 和 式中 l 支点间距离 li di 轴上第 i 段的长度和直径 2 能量法 用能量法计算阶梯轴的弯曲变形 运算较方便 此处略 16 5 轴的临界转速 轴的转速达到一定值时 运转便不稳定而发生显著的反复变形 这现象称为轴的 振动 如果继续提高转速 振动就会衰减 运转又趋于平稳 但是当转速达到另一较 高的定值时 振动又复出现 发生显著变形的转速 称为轴的临界转速 同型振动的 临界转速可以有好多个 最低的一个叫做第一阶临界转速 轴的工作转速不能和其临 界转速重合或接近 否则将发生共振现象而使轴遭到破坏 计算临界转速的目的就在 于使工作转速 n 避开轴的临界转速 轴的振动可分为横向振动 扭转振动和纵向振动 三类 纵向振动的自振频率很高 在轴的工作转速范围内一般不会发生纵向振动 工 作转速低于第一阶临界转速的轴 称为刚性轴 超过第一阶临界转速的轴 称为挠性 轴 16 6 提高轴的强度 刚度和减轻重量的措施 28 可以从结构和工艺两方面采取措施来提高轴的承载能力 轴的尺寸如能减小 整 个机器的尺寸也常会随之减小 1 合理布置轴上零件 减小轴受转矩 2 改进轴上零件结构 减小轴受弯矩 3 采用载荷分担的方法减小轴的载荷 4 采用力平衡或局部相互抵消的办法减小轴的载荷 5 改变支点位置 改善轴的强度和刚度 6 改进轴的结构 减少应力集中 7 改善表面品质提高轴的疲劳强度 上一章 返回主页 下一章 高速 中载圆柱齿轮减速器的稳健设计高速 中载圆柱齿轮减速器的稳健设计 张张 蕾蕾 卢玉明卢玉明 石石 均均 东南大学机械工程系 1 前言前言 众所周知 齿轮的误差对齿轮的寿命会产生很大的影响 特别是在一些重要 机构中 研究齿轮误差的影响 使齿轮误差的综合影响最小 已经成为目前研究 的一个热点和难点 在以往的设计中 为了提高齿轮的寿命 我们往往对齿轮的 精度和使用条件提出更高要求 认为只有提高精度 限制使用条件才能减少误差 产生的不良影响 但事实并非如此 齿轮的精度等级或误差对齿轮的寿命或噪声 等性能的影响是非线性的 在不同设计方案中 同样的误差程度 所产生的性能波动 不尽相同 而且 提高精度等级或限制使用条件的同时大大增加了制造和使用的 成本 稳健设计的出现解决了这个难题 这种方法的核心是找到一种设计方案 使得最终产品既满足性能要求 对误差又不是十分敏感 同时达到了降低成本的 目的 本文即是在这样的目的下 对现有的某高速 中载发动机减速器 齿轮传 动副进行稳健设计 建立了相应的数学模型 并求得了更佳的设计方案 2 机械产品稳健设计的工程分析机械产品稳健设计的工程分析 29 在这一部分中 本文将分析稳健设计的基本思路 按照稳健设计的基本步骤 建立机械产品稳健设计的一般模型 2 1 确定产品的性能指标 在这一步中 我们对产品进行分析 定义产品的综合性能指标或者说是我们 感兴趣的产品性能指标 这个指标可能是产品的某一性能指标 也可能是产品的 各项指标的加权平均 但是这些指标应该能够表示成参数的相应函数形式 2 2 对设计参数分类 有些变量的设计值在设计过程中选定 称为控制变量 有的变量由于产品制 造 使用过程中的种种原因 会产生一定的偏差 这样的变量称为干扰变量 按 照这样的分类标准 我们可以将所有设计变量分为四类 常量 控制变量 干扰 变量 混合变量 混合变量是指设计值可以改变且存在误差的设计变量 分类如 图 1 所示 图图 1 变量分类图变量分类图 为了分析方便 假设设计变量的集合为 V A B C D 其中 A B C D 分别表示常量集 控制变量集 干扰变量集 混合变量集 2 3 建立优化设计方案的数学模型 纯粹从数学角度而言 所谓稳健设计也就是寻找一种方案 使得设计出的产 品 性能 Y 满足一定需要 而性能波动 X 又相对比较小 也即受参数误差的影响 较小 容许变量有较大的变动范围 从而降低产品的实际成本 表示成数学形式 即为 min X F A B C D A B C D 1 s t Y G A B C D Y A B C D 属于求解空间 这里 F 和 G 可能不是显式的函数表达式 而只是一种函数影响关系 但为了 分析上的方便 可以认为这样的表达式是存在的 3 齿轮传动副稳健设计的实现齿轮传动副稳健设计的实现 某型发动机是轻型民用涡浆飞机的动力装置 其发动机体内减速器如图 2 所 示 下面本文即对该二级减速器进行稳健设计 寻求满足给定条件的更佳设计方 案 3 1 原设计方案 30 已知减速器传递功率为 551 25 kW 输入转速为 41350 r min 输出转速为 2200 r min 高速级主从动轮和低速级主动轮的材料均为优质专用合金钢 所有齿 轮为表面淬火 轮齿表面硬度 HRc59 62 齿轮精度等级为 5 4 4GM GB10096 88 其主要设计参数见表 1 图图 2 某齿轮减速器传动简图某齿轮减速器传动简图 表表 1 原设计方案原设计方案 齿轮类别 齿数 Z 齿宽 B mm 法向模数 mn mm 螺旋角 法向变位 系数 高速级25 96251 388 9290 35 0 35 低速级19 93272 259 9170 4 0 3 2 稳键设计要求 以原定型减速器的有关参数和设计规范为基础 在满足齿面接触疲劳强度 齿根弯曲疲劳强度的可靠度要求以及几何 边界约束的条件下 使减速器具有最 稳定的可靠度 3 3 数学模型的建立 3 3 1 设计变量 可取二级圆柱斜齿轮的法向模数 mnh mnl 齿数 Z1 Z2 Z3 Z4 分度圆螺 旋角 h l 中心距 a 高低速级齿轮变位系数 Xn1 Xn2 Xn3 Xn4作为设计变 量 为提高承载能力 高速级采用高变位 同时为配凑中心距 低速级采用角变 位 其中 Z4 18 794 Z1 Z3 Z2 h arccos mnh Z1 Z2 2a Xn1 Xn2 Xn3和 Xn4可以 按照设计手册取值 另外 为简化计算 可参考原始设计方案 根据齿轮强度条 件 给定高低速级齿轮法向模数 mnh 1 38 mm mnl 2 25 mm 于是我们得到设计 变量如下 X X1 X2 X3 X4 X5 X6 T Z1 Z2 Z3 l a Xn1 T 2 3 3 2 目标函数 根据参考文献 3 齿轮接触强度可靠度 99 99 对应于安全系数 Sh 1 5 弯曲强度可靠性 R 99 99 对应于 Sf 1 6 由实验发现 高速级齿轮多发生点蚀 破坏 所以我们将齿轮接触强度作为减速器的性能指标 要求 Sh 1 5 前提下具有 最小的波动 设 Sh的波动为 sh Sh的中心值为 sh 设计目标是 sh大 sh小 目标函 数可写为 31 min sh sh min Shi sh 2 1 2 sh 3 3 3 3 约束条件 1 强度约束 G1 X sh 1 5 0 4 2 边界约束 根据高速 中载齿轮发动机体内减速器的设计经验和设计规范 我们给每个 设计变量一个取值范围 X i min X i X i max 5 4 模型求解模型求解 4 1 对变量进行分析 对于一个齿轮 其接触疲劳安全系数为 Sh H H ZE ZH Z Z KFb 1 bd1 1 2