双速变速箱的设计

学 号 密 级 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 双速变速箱的设计 院 系 名 称 机电工程学院 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 指 导 教 师 哈尔滨工程大学 2013 年 6 月 学 号 密 级 双速变速箱的设计 The design of Two speed gearbox 学学 生生 姓姓 名名 所所 在在 学学 院院 机电工程学院 机电工程学院 所所 在在 专专 业业 机械设计制造及其自动化 机械设计制造及其自动化 指指 导导 教教 师师 职职 称称 所所 在在 单单 位位 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学 论文提交日期 论文提交日期 2013 年年 6 月月 13 日日 论文答辩日期 论文答辩日期 2013 年年 6 月月 22 日日 学位授予单位 哈尔滨工程大学学位授予单位 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 摘 要 双速变速箱是一种现代新型变速装置 综合了传统减速器和双离合器式变速箱 Double Clutch Transmission DCT 的基本工作原理 它能够在不进行更换零部件的前 提下 通过程序控制进行不同的传动比输出 它的的传动效率高 结构简单 克服了 普通变速箱换挡动力中断的缺陷 使高速运动和低速运动之间的转换更加平稳 可靠 本文以双速变速箱的设计为任务展开设计 其在零件设计和部件组合上 采用现代科 技方法 利用有限元分析和三维建模的方法 对设计的零部件件进行装配校核分析 使其在满足性能要求的基础上 力争总体质量最轻 在设计完成后进行三维运动仿真 实验 并测绘其输出运动图线 验证该设计是否按照给定运动图线进行运动 并在此 基础上进行优化设计 确保双速变速箱的设计满足设计要求 能够准确无误的完成传 动动力的工作 关键词 双速变速箱 有限元分析 三维仿真 双速变速箱的设计 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 ABSTRACT The two speed gearbox is a new modern speed shifting device which works based on combination of the basic working principle of the traditional reducer and double clutch transmission DCT Using program control it can transmit two different ratios of speed instead of changing its elements It has advantage of high transmission efficiency simple structure and overcomes the defect of power interruption by the ordinary gearbox therefore the conversion between the high speed and low speed movement is more stable and reliable Using modern science and technology method the two speed gearbox parts was designed With the method of finite element analysis and three dimensional simulation modeling the design of parts and components assembly was checked which ensure to meet the performance requirement for the overall quality of the lightest After completion of the design of 3 D movement simulation experiment check the output movement of surveying and mapping graph line verifying whether the design is carried out based on the given motion diagram line to ensure that whether the two speed gearbox design meets the design requirements and to complete accurate work with the drive power Keywords Two speed gearbox Finite Element Analysis three dimensional simulation 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 概述 1 1 2 国内外发展现状 1 1 2 1 减速机 1 1 2 2 双离合式变速箱 2 1 3 课题背景 3 1 4 本文主要研究内容 3 第 2 章 总体方案设计 4 2 1 参数和运动图线 4 2 2 设计参数 6 2 2 1 传动装置布置 6 2 2 2 设计承载能力参数 6 2 3 传动方案的设计 7 2 4 本章小结 8 第 3 章 零部件的设计及质量计算 9 3 1 电动机的选择 9 3 1 1 电动机类型选择 9 3 1 2 机械效率计算 9 3 1 3 电动机所需功率计算 10 3 1 4 电动机所需转速选择 10 3 1 5 电动机定型 11 3 2 传动齿轮的设计计算 12 3 2 1 各级传动比的设计计算及分配 12 3 2 2 传动装置的运动动力参数计算 13 3 2 3 齿轮设计及校核 16 3 2 4 圆柱齿轮设计 16 3 2 5 齿轮结构设计 20 3 2 6 齿轮的加工 21 双速变速箱的设计 3 3 轴的设计计算 21 3 3 1 高速运动轴的设计计算 21 3 3 2 低速运动轴的设计 24 3 4 离合器的选择 24 3 4 1 电磁离合器 24 3 4 2 超越离合器 25 3 5 轴承的选择与校核 27 3 5 1 轴承选用 27 3 5 2 轴承的校核 27 3 6 箱体设计 润滑 密封及附件 29 3 6 1 变速箱的结构形状设计 29 3 6 2 附件的设计 31 3 6 3 润滑和密封 31 3 7 质量计算 31 3 7 1 零部件质量计算 31 3 8 本章小结 34 第 4 章 有限元分析 36 4 1 圆柱齿轮的校核 36 4 1 1 分析环境 36 4 1 2 分析过程 36 4 1 3 分析结果 39 4 1 4 结果分析 41 4 2 轴的校核 41 4 3 本章小结 45 结 论 46 参考文献 47 致 谢 49 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 0 第 1 章 绪 论 机械工业是现代化过程的主要推动力量 在国民经济的发展过程中起着不可或缺 的作用 它为国民经济建设各个部门提供技术装备和先进的技术服务 随着科学技术的发展和人们对产品日益增加的新的需求 机械产品的设计不仅要 实现产品的基本功能 更应该在满足此功能的基础上 优化产品性能 使设计的产品 更能体现人性化 智能化 在环境保护和能源消耗上也应当体现其先进的绿色设计理 念 促进社会 经济与自然的和谐发展 1 1 1 概述 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置 主要用来降低原动机的转 动速度同时增大其转矩 以满足工作机对转速和转矩的要求 2 目前 各行各业在普 遍使用的齿轮减速器主要分为 圆柱齿轮减速器 圆锥齿轮减速器 蜗杆减速器 齿 轮 蜗杆减速器和行星齿轮减速器 其作用场合和功用也千差万别 共同服务于人类 社会 减速器的发展使用贯穿于机械行业的始终 1894 年法国工程师路易斯 雷纳 本哈 特和埃米尔 拉瓦索尔经过研制首次在本哈特 拉瓦索尔牌汽车上装了变速器 使汽车变 速箱走进了人们的生活 3 现在汽车行业所用的变速箱只要有无级变速箱和手动变速 箱 应不同的使用要求和经济情况而分别使用在不同的汽车上 4 1 2 国内外发展现状 1 2 1 减速机 减速器的发展经历了很长的历程 目前国内外动力齿轮传动正沿着小型化 高速 化 标准化 小震动 低噪声的方向发展 5 减速机的使用可以降低设备的负载惯量 便于设备更好地调速 而且 减速机在 降速的同时还可以提高输出扭矩 但是输出扭矩超出了减速器的额定扭矩 就会在一 定程度上影响减速器的寿命 6 目前世界上主要有积木式组合设计 良好的设置减速 机的基本参数 规范的尺寸规格 良好的零件通用性和互换性 水平与性能 将齿轮 减速器的齿轮设计成圆柱形 采用渗碳淬火 磨齿以提高设备的承载能力 这样的减 速器体积小 重量轻 噪音低 样式多样化 一改多去单一的底座安装方式 在满足 第 1 章 绪论 设备生产需要的同时 可以采用空心轴悬挂式 浮动支承底座 电机与减速器一体式 连接等安装方法 7 目前国内的减速机研究主要以换肚子的方法 在原有减速机的基础上更换核心零 部件以制造出新型减速机 像 DNK DQJ 系列减速器的生产就是将点线传动啮合技术 应用到中硬齿面减速机领域 研制出的上规模 上档次 高技术附加值的标准系列产品 而国外减速器的设计在承载能力方面有着大幅度的提高 在模块化设计方面有着新的 发现 降噪措施也有进一步的改进 产品密封和外观设计也比国内出众很多 此外国 际机构也在着手开始制订减速机的技术条件标准 在此方面的代表减速机有德国 sewR S K F 系列减速机 西门子弗兰德减速机和韩国的 DKW 减速机 1 2 2 双离合式变速箱 双离合式变速箱 DCT 英文全称为 Dual Clutch Transmission 的出现主要是为了 解决汽车换挡时动力传递中断的现象 至今为止有近 70 年的历史 8 它优势明显 但 是内部结构非常复杂 首先它内部的两组离合器分别由电子控制并由液压系统推动 这样传动轴也相应复杂的被分为两部分 中心的是新传动轴负责一组齿轮传动 而空 心传动轴负责另外一组 其结构设计几乎颠覆了传统变速箱的设计 9 虽然现阶段他的制造成本相对较高 且制作复杂 但是其以传动效率高 动力传 动无间断 传动平稳的优点 引起了机械行业的广泛关注 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 2 图 1 1 双离合式变速箱内部结构 1 3 课题背景 现代经济的快速发展 科技已经成为第一生产力 企业之间的竞争已经不仅仅限 于资金 人力之间的竞争 如何在相同的能源消耗和人力劳动下获得最大的经济效益 已经成为一个企业在经济迅猛发展的今天获得生存的首要问题 10 现一运输类企业为了获得更大的经济效益 精减运载装置的质量 在变速机模块 想更改原有传动模式模式 以减轻装置质量 改善传动平稳性 提高传动效率 要求 设计一双速变速箱满足以上条件 又该双速变速箱的工作时间特别短 且处于真空工 作状态 经计划协商可以在设计零件上取应力极限状态 以最大程度的减重 1 4 本文主要研究内容 毕业设计是围绕新型变速装置 双速变速箱的设计而展开的 所涉及的的主要内 容是双速变速箱的方案设计和总体装配 根据课题需要 工作需求以及双速变速箱的 工作环境的特殊性 在参阅国内外相关资料的基础上 对双速变速箱进行整体结构设 计 机械零件部分 并以此为根据完成论文撰写 装配图 零件图 即将在论文中做详尽阐述的包括以下几个方面 1 设计双速变速箱的传动路线 2 设计双速变速箱的总体结构 包括电动机的选型 齿轮的设计 轴的设计 轴 承的选择与校核 箱体及其附件的设计以及双速变速箱的润滑和密封 3 所设计的零部件进行三维建模 质量计算 4 应用有限元分析的方法 对所设计的零部件进行初步的分析与校核 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 第 2 章 总体方案设计 应厂商要求 根据运载装置的实际状况 可以确定双速变速箱的工作环境为真空 微重力状态 高速运动 周围环境可能处于高温或低温状态 为了保证较好的经济效 益 双速变速箱的质量应该尽量轻 以使在消耗相同燃料的基础上 运载质量尽量大 的货物 根据上诉条件 可以做如下分析 2 1 参数和运动图线 要求设计一双速变速箱 能够把原动机 电动机 的运动 经过分路齿轮箱和转 向齿轮箱的传动 变换成滚珠丝杠的外伸运动 同时还能够满足以下要求 1 滚珠丝杠的运动能够按照既定的运动图线实现 2 双速变速箱的工作环境为真空状态 要能够适应极端的工作环境 极寒和极热 条件 无法进行油润滑 3 在满足设计要求 保证装置安全可靠的基础上 尽量减轻装置的质量 根据厂商要求和具体的运动环境可以得到如下图 2 1 所示的运动图线 综合分析可 以得到各运动参数 图 2 1 运动图线 总行程 L 1400mm 总时间 T 9 5s 第 2 章 总体方案设计 高速段行程 Lh 1370mm 高速段速度 Vh 180mm s 低速段行程 Ll 30mm 低速段速度 Vl 27mm s 加速度 a 250mm s2 位置锁止状态 Fc 20000N 高速段 Fh 1500N 低速段 Fl 10000N 根据运动图线可以知道双速变速箱在工作时 使丝杠由静止状态加速到外伸速度 最大状态所需要的时间为 2 1 s smm smm a V t h a 72 0 250 180 2 此段时间滚珠丝杠的伸长距离为 2 2 mmsssmmatLa 8 6472 072 0 250 2 1 2 1 22 高速段运行时间为 2 3 s smm mm V L t h h h 61 7 180 1370 减速运动段时间为 2 4 s smm smmsmm a V t l a 61 0 250 27 180V 2 h 减速段滚珠丝杠外伸的长度为 2 5 mm smm smmsmm a VV L lh a 342 63 2502 27 180 2 2 2222 低速段运行时间为 2 6 s smm mm V L t l l l 11 1 27 30 在这段时间中滚珠丝杠外伸距离比需求长度长了 2 7 mmmmmmLLL aa 142 128342 63 8 64 此段长度均按照高速运动阶段的运动速度来计算可知运动时间为 2 9 s smm mm V l t h 7119 0 180 142 128 即 双速变速箱在运载装置中总的工作时间约为 2 10 stttttt laha 34 9 71 0 11 161 061 7 72 0 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 2 2 设计参数 2 2 1 传动装置布置 该双速变速箱为运载装置的一部分 后接其他传动装置 已知的传动装置为 分 路齿轮箱 转向齿轮箱 丝杠螺母运动副 且已知各传动装置的传动参数如下 分路齿轮箱传动比为 1 2 转向齿轮箱传动比为 2 1 滚珠丝杠选型 BLK1616 2 8 直径 16 中空内孔 8 导程 Sb 16 材料 Ti 合金 TB2 GB T3620 1 1994 滚珠丝杠采用一端固定一端支撑的安装方式 重点校核其抗拉强度 屈曲稳定性 以及振动稳定性 2 2 2 设计承载能力参数 1 位置锁止状态时丝杠受力Fc为单根丝杠在运载装置启动时承受的最大惯性力 且 Fc KW M Amax 3 2 70 5 5 9 8 3 2515N 2 11 其中 KW为工况系数 取 2 0 M 为延伸段质量 取 70kg Amax为运载装置启动时的最大加速度 取 5 5g 2 高速段丝杠受力 Fh为单根丝杠在高速段外伸时承受的力 Fh KO KS F 3 150 200 100 9 8 3 980N 2 12 KO为超载系数 取 150 KS为载荷不均匀系数 取 200 F为要求负载 取 100kg 3 锁片推压力 Ft 为单根丝杠低速段外伸时的推压力 Ft KTO FTA 3 300 500 3 500N 2 13 FTA为总的推压力 取 500N 第 2 章 总体方案设计 KTO为低速段运动结束时的超载系数 取 300 4 低速段丝杠最大受力 FL 为单根丝杠低速段外伸时的最大力 由低速段外伸受 力和锁片推压力两部分构成 FL Fh Ft 1000 500 1500N 2 14 2 3 传动方案的设计 如图 2 2 传动原理图所示 电动机的运动由圆柱齿轮 Z1 通过 1 路 Z1 Z4 C1 Z5 Z6 传递给齿轮 Z6 实现输出轴的高速运动 其中 C1 为电磁离合器 通过 2 路 Z1 Z2 C2 Z3 Z6 传递给齿轮 Z6 实现输出轴的低速运动 C2 为超越离合器 当 C1 电磁离合器闭合时 经传递路线 1 传递到 Z6 转速高于经路线 2 传递的转速 超 越离合器 C2 处于分开状态 即不传递运动 此时 Z6 处于高速状态 当 C1 电磁离合 器分开时 电动机 M1 的转速只能够通过路线 2 传递给齿轮 Z6 此时 Z6 处于低速状态 图 2 2 传动原理图 电池离合器的控制主要靠传感器的识别 在双速变速箱启动时 电磁离合器处于 闭合状态 工作状态 此时滚珠丝杠先加速到 180mm s 然后进行匀速运动 当运动 距离到达 1370mm 时 传感器发出断开电源的信号 传递给控制中心 然后转化成电 磁离合器的断开状态 非工作状态 此时电磁离合器和超越离合器均处于非工作状态 滚珠丝杠的外伸运动为减速运动 当速度减至 27mm s 时 超越离合器开始工作 此时 滚珠丝杠的外伸运动速度为 27mm s 即处于低速运动阶段 滚珠丝杠完成后续运动 在滚珠丝杠的外伸长度达到 1400mm 时 检测器再次向控制中心发出信号 转换成为 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 控制中心发出的电动机终止工作的指令 至此 装速变速箱的工作任务完成 2 4 本章小结 本章在综合分析减速器和双离合式变速箱传动原理的基础上 充分的分析厂商给 定的应用环境 提炼出了相关的技术参数 按照机械设计的一般步骤 设计出了双速 变速箱的传动路线原理图 并对传动过程做了简要说明 第 3 章 零部件的设计及质量计算 第 3 章 零部件的设计及质量计算 3 1 电动机的选择 3 1 1 电动机类型选择 由于工作场合为真空 为了避免电机的真空放电可以选择直流永磁无刷电机 11 直流永磁无刷电机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机 其性能与恒定励磁 电流的他励直流电动机相似 可以由改变电枢电压来方便调速 与他励直流电动机相 比具有体积小 效率高 结构简单 用铜量少等优点 是小功率电动机的主要类型 12 3 1 2 机械效率计算 根据已经确定的传动方案 可以确定在电动机与滚珠丝杠之间的传动类型有 圆柱齿轮传动 2 组 圆锥齿轮传动 2 组 滚阻丝杠传动 1 组 离合器传动 2 组 滚动轴承 5 组 由机械设计手册可查 各机械传动机构的传动效率如表 3 1 所示 表 3 1 各传动机构的传动效率 但是当装置在真空状态下的极端条件工作时 由于工作条件的不同 双速变速箱 内部各传动机构的的传动效率也不尽相同 根据某检测机构提供的数据 外界因素对 传动效率的影响如表 3 2 所示 传动类型传动结构特点效率 圆柱齿轮传动很好跑合的 6 级和 7 级精度齿轮传动0 98 0 99 圆锥齿轮传动很好跑合的 6 级和 7 级精度齿轮传动0 97 0 98 丝杠传动滚动丝杠0 85 0 95 滚动轴承球轴承0 99 联轴器固定式刚性联轴器0 97 0 98 电磁离合器0 98 0 99离合器 超越离合器0 98 0 99 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 表 3 2 真空状态下各传动机构传动效率 则电动机 M1 到分路齿轮箱主动齿轮 Z7 的传动效率为 3 1 22 1bcz 即 8498 0 97 0 98 0 96 0 22 1 齿轮 Z7 以下的传动效率为 3 2 sbbjzz 2 2 即 5939 0 96 0 92 0 97 0 92 0 91 0 96 0 2 2 系统的总效率为 3 3 5047 05939 0 8498 0 21 3 1 3 电动机所需功率计算 以工作状态下工作载荷作的 150 为计算载荷 则相应的各计算功率如下 高速运 动时所需电动机提供的功率为 3 4 WFKVP hW 2701000 150180 0 低速运动时所需电动机提供的功率为 3 5 WFKVP lW 75 601500 15027 0 其中为工况系数 K0 故 按照理想状态下高速运动阶段需要电动机提供的功率 来计算在工作条件下 需要电动机所提供的最小功率为 效率 名称符号 静态动态润滑温度总效率 齿轮 内 z 0 9810 9810 96 齿轮 外 z 0 9810 970 960 91 离合器 c 0 9910 9910 98 轴承 内 b 0 9910 9810 97 轴承 外 b 0 9910 970 960 92 丝杠螺母 s 0 9510 980 960 90 联轴器 j 0 9810 980 960 92 第 3 章 零部件的设计及质量计算 3 6 W P P W 97 534 5047 0 270 此功率也是电动机需要提供的最小电功率 以此对电动机的额定功率进行选型 3 1 4 电动机所需转速选择 由已知设计参数可知 滚珠丝杠型号选择 BLK1616 2 8 直径 16 中空内孔 8 导程 S b 16 滚珠丝杠高速转速为 3 7 min 675 16 180 6060 h r S V n b h 滚珠丝杠低速转速为 r min 3 8 25 101 16 27 6060 1 1 b S V n 根据机械设计手册可以查得推荐传动比为 i 7 1 35 5 可以计算出电动机的转速范 围为 高速运动阶段电动机的转速范围 3 9 r min 5 23962 5 4792 5 35 1 7675 inn hm 低速运动阶段电动机的转速范围为 3 10 r min375 3594 875 7185 35 1 725 101 inn lm 由于两运动阶段电动机的转速范围内没有同一数值 为了保证电动机能够提供足 够的转矩 所以按照低速运动阶段的转速范围来选择电动机的转速 即电动机的转速 范围为 718 875 3594 375r min 3 1 5 电动机定型 按照上述计算结果发现在现有电动机中 满足上述条件电动机比较笨重 不能够 起到很好的减重作用 这样就与双速变速箱的设计背道而驰 故与厂商协定选用特制 电动机 按照设计需求 在电动机厂原用的型号上进行改造的电动机 电动机型号为 80WS24 600 3200 供电电压 24V 直流 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 额定转速 3000r min 3000 3200r min 根据电压可调 额定功率 600W 重量约 2 7kg 驱动器重量约 1 5 1 8kg 总重量可以控制在 4 5kg 以内 图 3 1 直流永磁无刷电动机 3 2 传动齿轮的设计计算 在此设计中 如何减轻装置的质量是贯穿于设计始终的一个关键问题 为了在大 限度的减轻质量 传统的校核方法已经不能满足本次设计的需要 应用有限元分析的 方法 可以在已完成设计部件的基础上 对零部件进行优化设计 以使零件的质量达 到临界状态 最大限度的的减轻零部件的质量 13 故设计计算的过程中不涉及校核的 计算问题 在设计完各齿轮之后 统一用有限元分析的方法进行校核 生成有限元分 析报告 3 2 1 各级传动比的设计计算及分配 考虑到变速箱结构的设计 参照减速器和变速箱的设计规范取 iii 21 其中 表示高速级传动比 1 i 表示低速级传动比 2 i 表示总传动比 i 考虑到在双速变速箱中电动机输入齿轮和变速箱的输出齿轮在高速运动阶段和低 速运动阶段是共用的 在后续设计计算中应当充分考虑这一具体情况 又双速变速箱 的工作时间特别短 只用 10s 每对齿轮啮合的次数也特别少 可以不考虑一对齿轮中 第 3 章 零部件的设计及质量计算 的两齿轮齿数必须互为质数的这一要求 故可先初步设定各齿轮的齿数如表 3 4 表 3 3 各级传动比分配 计算项目计算及说明计算结果 高速运动 44 4 675 3000 h i 44 4 h i 总传动比 低速运动 63 29 25 101 3000 l i 63 29 l i 高速运动11 244 4 21 hhh iii11 2 1 h i 高速级 传动比 低速运动44 5 63 29 21 lll iii44 5 1 l i 高速运动11 244 4 21 hhh iii11 2 1 h i 低速级 传动比 低速运动44 5 63 29 21 lll iii44 5 1 l i 表 3 4 初步设定各齿轮齿数 则在此齿数设定的结果上可以对各对齿轮的传动比进行重新计算 计算后的传动 比如表 3 5 所示 表 3 5 计算传动比 经验算设定的齿轮齿数所形成的传动比数值 与双速变速箱所需要满足的传动比 数值一致 且传动各齿轮的转速为一确定的准确数值 在理论设计上能够避免不必要 的误差 因此按照此齿数来设计双速变速箱 3 2 2 传动装置的运动动力参数计算 3 2 2 1 各轴转速的计算 电机轴 r min 3 11 3000 mi nn 高速运动轴 齿轮Z1Z2Z3Z4Z5Z6 齿数1810015505080 项目 h i l i 1h i 1l i 2h i 2l i 数值4 4429 632 785 561 65 33 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 r min 3 12 1080 78 2 3000 1 h i h i n n 低速运动轴 r min 3 13 540 56 5 3000 1 l i l i n n 高速运动阶段输出轴 r min 3 14 675 6 1 1080 2 h h ho i n n 低速运动阶段输出轴 r min 3 15 25 101 33 5 540 2 l l lo i n n 表 3 6 各轴转速计算结果 单位 r min 项目 i n h n l n ho n lo n 转速30001080540675101 25 3 2 2 2 各轴功率计算 1 高速运动时 输入轴功率 3 16 WPP bhi 92 51897 0 97 534 高速运动轴功率 3 17 WPP bzih 22 48397 0 96 0 92 518 输出轴功率 3 18 WPP czhho 61 45498 096 022 483 表 3 7 高速轴功率计算结果 单位 W 项目 hi P h P ho P 功率518 92483 22454 61 2 低速运动时 低速运动时所需电动机提供的电功率 位置锁止时最大 为 3 19 WFKVP hW 5 1213000 15027 0 第 3 章 零部件的设计及质量计算 3 20 W P P W 74 240 5047 0 5 121 故各轴功率计算如下 输入轴功率 WPP bli 52 23397 0 74 240 低速运动轴功率 WPP bzil 45 21797 0 96 0 52 233 输出轴功率 WPP czhlo 58 20498 0 96 0 45 217 表 3 8 低速轴功率计算结果 单位 W 项目 li P l P lo P 功率233 52217 45204 58 3 2 2 3 各轴转矩计算 1 高速运动阶段 电动机轴 mN6519 1 mN10 3000 92 518 95509550 3 i hi hm n P T 高速运动轴 mN2729 4mN10 1080 22 483 95509550 3 h h h n P T 输出轴 mN4316 6 mN10 675 61 454 95509550 3 ho ho ho n P T 表 3 9 高速运动轴转矩计算结果 单位 N m 项目 hm T h T ho T 转矩1 65194 27296 4319 2 低速运动阶段 电动机轴 mN7434 0 mN10 3000 52 233 95509550 3 i li lm n P T 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 低速运动轴 mN8456 3 mN10 540 45 217 95509550 3 l l l n P T 输出轴 mN2962 19mN10 25 101 58 204 95509550 3 lo lo lo n P T 表 3 10 低速运动轴转矩计算结果 单位 N m 3 2 3 齿轮设计及校核 参照下表 3 11 14 考虑到该双速变速箱的用途及工作场合 各齿轮均采用 45 钢 中速 中载车床变速箱 钻床变速箱次要齿轮及高速 中载磨床砂轮齿轮 钢号选 择 40Cr 处理方式为 调质 高频淬火 15 而双速变速箱的工作时间有特别短故而 大 小齿轮可以均进行淬火处理 齿轮表面硬度为 346HBW 平均硬度 HBWHBW426 小 HBWHBW354 大 HBW72 大小 HBWHBW 在 722 5mm 故 齿轮可以不做成齿轮轴 做成实心式齿轮或腹板式齿轮 为了减轻质量和节约材料 决定 Z2 齿轮的设计采用锻造式腹板结构 又 Z2 齿轮与离合器相连 故内空的尺寸与 离合器相匹配后再进行设计 3 2 5 2 齿轮 Z4 结构设计 齿轮 Z4 为高速运动轴输出齿轮 齿轮内孔 轮毂 与轴相连 且由于齿轮 Z4 的 齿根圆直径 mmchzmd375 59 25 0 21250 25 1 2 2 4f 高速状态低速状态 标号名称技术参数 转速 rpm转矩 Nm转速 rpm转矩 Nm Z1电机齿轮Z 18 m 130001 9130001 91 Z2高速输入轮Z 50 m 110804 9410800 Z3低速输入轮Z 100 m 154005409 89 Z4高速输出轮Z 50 m 1 2510804 69162 0 Z5低速输出轮Z 15 m 1 253600 0 5409 39 Z6输出齿轮Z 80 m 1 256757 21101 2548 12 第 3 章 零部件的设计及质量计算 又相应的轴的直径为 10mm 为了保证轴有足够的刚度与强度 齿轮与轴的连接采用 薄型平键进行连接 则必然满足齿根圆到键槽底面的径向距离 e 2 5mm 故齿轮不必 做成齿轮轴 做成实心式齿轮或腹板式齿轮即可 为了减轻质量和节约材料 决定把 Z4 齿轮的设计成锻造式腹板结构 3 2 5 3 齿轮 Z5 结构设计 齿轮 Z5 为低速运动轴输出齿轮 齿轮内孔 轮毂 与轴相连 且由于齿轮 Z5 的 齿根圆直径 mmchzmd625 15 25 021215 25 1 2 2 4f 又相应的轴的直径为 10mm 为了保证轴有足够的刚度与强度 齿轮与轴的连接采用 薄型平键进行连接 则必然有齿根圆到键槽底面的径向距离 e 2 5mm 故齿轮 Z5 为了 保证强度和刚度要求 只能够和低速运动轴连成一体 做成齿轮轴 由齿轮 Z5 设计成 的齿轮轴的结构尺寸如下图所示 3 2 6 齿轮的加工 由于齿轮 Z5 的齿数为 154 14 4 14 0 03 0 05 4 3 4 35mm 取 5mm min d 3 3 1 4 结构设计 高速运动轴的初步结构设计及构想如下图所示 1 轴承的结构设计 轴不长故轴承采用两端固定方式 然后按轴上零件的安装顺 序 从左端开始设计 图 3 2 轴的结构设计 第 3 章 零部件的设计及质量计算 2 轴承的选择与轴承段的设计 1 轴段 1 和轴段 5 的设计 该轴段上安装轴承 其设计应当与轴承的选择同步进 行 由于该齿轮箱的传动 只受到径向力的作用 故选择深沟球轴承 61800 经计算满 足设计性能要求 但是考虑到要求该装置的质量尽量轻 故改选轴承 628 8 型 由设计 手册可查 内径 d 8mm 外径 D 16mm 宽度 B 5mm 定位轴肩直径 da 10mm 外径 定位直径 Da 20mm 故 d1 8mm 通常一根轴上的两个轴承取相同型号 则 d5 8mm 2 轴段 2 3 的设计 轴段 2 3 上分别安装齿轮 4 和齿轮 5 为了便于齿轮的安装 d2 d3应分别大于 d1 d5 可初步设定 d2 d3 10mm 齿轮 4 的轮毂宽度范围一般为 1 2 1 5 d2 12 15mm 但是为了减轻齿轮的质量 可取齿轮的轮毂宽度为 11mm 右端采用轴肩固定 左侧用套筒固定 齿轮挡圈 齿轮 5 固定在电磁离合器上 电磁 离合器左端采用轴肩固定 右端采用套筒固定 为使套筒端面能够顶到齿轮端面 轴 段 2 3 的长度应当比相应齿轮的轮毂长度短 故取 10mm 56 4mm 2 L 3 L 3 轴段 4 和轴段 2 3 之间的轴肩为齿轮和轴承的安装起定位作用相应的直径可 取为 10mm 和 12mm 4 轴段 1 5 的两端为伸出端 可相应的取长度为 3mm 包含退刀槽 经上述过程轴的设计如下图 图 3 3 电磁离合器轴的结构尺寸 3 3 1 5 键连接 齿轮和离合器与轴的连接均采用薄型平键连接 因为薄型平键的侧面为工作面 对中性好 装拆方便 定位精度高 可以承受高速运动 按照工作面的平均挤压应力进行条件性计算 其强度条件为 p 3 37 p kld T 2 p 式中 工作面的挤压应力 MPa p T 传递的转矩 N m 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 d 轴的直径 mm l 键的工作长度 A 型 l L b k 键与毂槽接触的高度 mm 许用挤压应力 MPa p 设定选用薄型平键 GB T 1567 键 5 3 10 带入计算可得 3 38 MPa120 MPa19 0 355 722 p p kld T 故选用薄型平键 GB T 1567 键 5 3 10 同理计算可知 另一连接键也可以选用薄型平键 GB T 1567 键 5 3 10 3 3 2 低速运动轴的设计 按照上述步骤设计低速运动轴 又因为模数为 1 25mm 齿数为 15 的圆柱齿轮的分 度圆直径与轴的直径相差不大 故可以设计成齿轮轴 既可以增加齿轮和轴的刚度 又可以减轻两者的质量 因此低速运动轴的结构设计如下图所示 同样可以选择薄型平键 GB T 1567 键 5 3 10 图 3 4 齿轮轴结构尺寸 3 4 离合器的选择 3 4 1 电磁离合器 电磁离合器靠线圈的通断电来控制离合器的接合与分离 可分为 干式单片电磁 离合器 干式多片电磁离合器 湿式多片电磁离合器 磁粉离合器 转差式电磁离合 器等 电磁离合器工作方式又可分为 通电结合和断电结合 20 为了最大限度的减轻装置质量 可以选用通电结合式电磁离合器 当工作时间达 到设计时间时 电池电力不足 电磁离合器断开连接 不再工作 由于现阶段主要是按照理想状况下进行设计 为了便于后续的转矩的调解可以选 用无滑环湿式多片电磁离合器 无滑环湿式多片电磁离合器是引进西德技术产品 采用多片 无滑环 磁通过片的结构 在有润滑条件下工作 其寿命长 属半永久型 第 3 章 零部件的设计及质量计算 性能稳定 安装方便 适用于机床 印刷 船舶等各种机械传动系统 21 由于在真 空环境下工作时间特别短 大约 10 秒 可以不适用润滑油 而采用浸油润滑 无滑环湿式多片电磁离合器选型步骤 1 所需要的静力矩 运转时的最大负载力矩 6 4N m 安全系数 1 即所需的静力矩为 运转时最大负载力矩 X 安全系数 6 4N m 2 所需动力矩 连接时负载力矩 加速力矩 安全系数 连接时负载力矩 运转时最大负载力矩 加速力矩 在启动时双速变速箱的加速度为 250mm s2 0 25m s2 加速时质量按照 20kg 计算 可以确定加速力矩为 0 015m 为启动时估算距离 mN075 0 015 02025 0 综上 离合器所需动力矩可以估算为 6 5N m 可以选择 DLM3 系列无滑环湿式多 片电磁离合器 其主要参数如下 额定动转距 12mN 额定静转矩 20mN 空载转矩 0 39 mN 接通时间 0 28s 断开时间 0 09s 额定电压 DC 24V 线圈消耗功率 20 18W 允许最高转速 3500 r min 质量 1 6Kg 表 3 15 无滑环湿式多片电磁离合器 DLM3 尺寸参数 单位 mm 结构形状和安装实例如图 3 5 D1D2Ddb ehLL1L2St 86502017620621 85144 55 53 56 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 3 4 2 超越离合器 超越离合器是随着机电一体化产品的发展而出现的基础件 它是应用于工作及和 原动机之间或机器内主 从动轴之间动力传递与分离功能的重要部件 主要利用主 从动 图 3 5 电磁离合器及其装配示意图 部分的速度差或旋转方向的改变 来自行离合的功能装置 22 超越离合器分为滚珠式 超越离合器 楔块式超越离合器和棘轮式超越离合器三种 23 滚柱式超越离合器根其星轮位置不同分为外星轮和内星轮两种 所谓星轮 轭 是指圆柱与圆柱孔的共轭面 而星轮是具有容纳滚柱的凹槽的零件 为了便于加工且 保证其加工精度 内星轮式被广泛采用 按星轮工作面的形状不同 又可分为平面型 对数螺旋面型和偏心圆柱面型等三种 平面型加工简单 应用广泛 可是其楔触角不 随滚柱磨损和接触位置的不同而改变 且加工较困难 偏心圆柱面的加工难易程度 使用性能 寿命均居于平面型和对数螺旋面型之间 24 楔块超越离合器用异形楔块代替滚柱作为楔紧件 是用楔块和内 外滚道组成摩 擦副的一种离合器 当内 外环与楔块间无相对运动 转速相等 方向相同时 才能 传递转矩 否则均为相对滑动 这种不传递转矩的相对滑动状态称为超越 楔块超越 离合器主要有基本型 无内环型和带轴承型 其连接形式分为键连接 齿轮连接 带 轮连接 链轮连接 螺栓连接等 25 根据双速变速箱的设计需要可以选择滚柱式单向超越离合器 平面型 根据选型方法 可以进行如下选型 额定扭矩 在超越离合器作用时其额定扭矩为低速运动轴上的转矩 大小为 19 62 第 3 章 零部件的设计及质量计算 mN 由此可以选择 GC A1547 型滚柱式单向离合器 无轴承支承 主要性能参数如下 型号 GC A1547 额定扭矩 44mN 内环超运转速度 1100r min 外环超运转速度 2800r min 质量 0 30Kg 外形尺寸 图 3 6 超越离合器及其装配示意图 表 3 16 滚柱式单向离合器 GC A1547 型尺寸参数 单位 mm 3 5 轴承的选择与校核 3 5 1 轴承选用 轴承 Bearing 是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的关键部件 也可以说 当其它零部件在轴上彼此产生相对运动时 用来降低动力传递过程中零部 件之间的摩擦系数和保持轴中心位置固定的部件 26 轴承是当代机械设备中一种举足 轻重的零部件 它的主要功用是支撑机械旋转体 用以降低设备在传动过程中的机械 载荷摩擦系数 按运动元件摩擦性质的不同 轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类 27 滚动轴承主要是利用滚动摩擦代替滑动摩擦 最大限度的降低因部件之间的摩擦 而消耗的能量 此外还可以零部件的使用寿命 28 目前 国际上有很多种类的滑动轴 承 性能较为优越的应当推选航空应用的轴承 它在满足相同的应力条件下 体积较 小 质量较轻 且耐高温 能在极寒条件下工作 对润滑条件要求不高 29 针对双速 变速箱的工作条件 拟选用航空类轴承 D h7 Lbt D H7 b1 t1 473042 5 154X1 8 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 3 5 2 轴承的校核 先以高速运动轴为例 确定轴承的型号 在真空工作环境中 微重力条件 轴不 受外界里的干扰 主要的受力来源于两齿轮产生的径向力 忽略齿面摩擦力 并用齿 宽中点处的集中载荷 代替沿接触线的分布载荷 则作用于齿面只有沿啮合线方向的 法向力 法向力分解为两个互相垂直的力 切与分度圆的圆周力和指向轮心的径向力 30 圆周力 3 39 1 1 2 d T Ft 径向力 3 40 tan tr FF 法向力 3 41 cos t n F F 对于左端齿轮带入相关数据计算可得 圆周力 N d T F hm t 4534 18 2729 4 2 1055 9 2 3 1 左 径向力 N165020tanN4534tan 左tr FF 同理可以计算右端齿轮的径向力为 圆周力 N504 5 62 6519 1 2 1055 9 2 3 5 h d T Ft右 径向力 N18420tan504820tan 右tr FF 计算左右两轴承所承受的支反力 左边轴承 3 42 N494N 80 70184161650 80 7016 右左 左 FF R 第 3 章 零部件的设计及质量计算 右边轴承 3 43 N1343N 80 10184641650 80 1064 右左 右 FF R 由于右边轴承所承受的支反力明显大于左边轴承 故按右边轴承来检核所选用的轴承 已知所选用轴承的型号为 628 8深沟球轴承 其性能参数为 基本额定载荷 kN 30000 r C38000 0 r C 在此状况下轴承的寿命为 3 44 s990793625 1343 30000 675 6010 P 6010 3 6 3 r 6 C n Ls 此寿命远远大于双速变速箱所需要的轴承寿命 10s 故选择的628 8深沟球轴承满足 设计要求 同理可以计算低速运动轴上选用628 8深沟球轴承也满足设计要求 3 6 箱体设计 润滑 密封及附件 双速变速箱的箱体是变速箱其他组建的安装基体 是双速变速箱与其他传动机构 相连接的重要组成部分 是双速变速箱中结构和受力最复杂的零件 与之相配合的附 件是箱体设计不可或缺的一部分 部件设计的质量直接关系到变速箱箱体设计的优劣 31 箱体及其附件的结构对变速箱的工作性能 加工工艺 重量及成本等各方面都有较大 的影响 本次设计在满足强度刚度要求的基础上 最大限度的使箱体的结构紧凑 重 量最轻 在设计的过程中综合考虑多种金属及合金的密度和力学性能 决定选用 6061 型铝 合金作为箱体的原材料 采用焊接技术进行制作 因为焊接箱体比铸造箱体的质量轻 1 4 1 2 32 但需要较高的焊接技术 并在焊接完成后要做退火处理 以保证焊接箱体 具有良好的力学性能 3 6 1 变速箱的结构形状设计 由于双速变速箱的结构为四轴三轴线的形式如下图 3 7 可以现在一端的三各齿轮啮合的条件下确定三个齿轮轴线的位置 此时三轴线应 当是在保证不出现干涉的条件下所能确定的最小圆周之内 由此便可以确定两长轴线 的位置 按照另一端三个齿轮的啮合情况 在保证两轴线不动的前提下 画出两齿轮 所确定的分度圆 作出第三个齿轮的分度圆 即此端短轴上安装的齿轮的分度元 添 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 加约束使第三个齿轮的分度圆与另外两个齿轮的分度圆的相外切 此时 两端都确定了一个最小圆 在此基础上做一个外圆 把两端确定的最小圆 包含在内 即为双速变速箱的内圆直径 按照此方法确定的双速变速箱的箱体结构如 图 3 8 和图 3 9 所示 图 3 7 齿轮箱内部结构图 图 3 8 箱体 图 3 9 箱体底盖 箱体内圆直径为 184mm 壁厚 3mm 箱体长度 94mm 齿轮分度圆离箱体内壁的最近距离为 5mm 箱体与