高鹏飞-基于SolidWorks的双极三轴线圆柱齿轮减速器设计

河南科技学院河南科技学院 20092009 届毕业论文 设计 届毕业论文 设计 论文题目 基于论文题目 基于 SolidWorksSolidWorks 的双极三轴线圆柱齿轮的双极三轴线圆柱齿轮 减速器设计减速器设计 学生姓名 高鹏飞学生姓名 高鹏飞 所在院系 机电学院所在院系 机电学院 所在专业 机械设计制造及其自动化所在专业 机械设计制造及其自动化 指导老师 杜家熙指导老师 杜家熙 卞平艳卞平艳 完成时间 完成时间 20092009 年年 5 5 月月 1919 号号 摘摘 要要 圆柱齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着 是一种不可缺少的机械 传动装置 当前减速器普遍存在着体积大 重量大 或者传动比大而机械效率 过低的问题 功能强大 易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点 使得 SolidWorks 成为领先的 主流的三维 CAD 解决方案 SolidWorks 能够提 供不同的设计方案 减少设计过程中的错误以及提高产品质量 SolidWorks 不仅提供如此强大的功能 同时对每个工程师和设计者来说 操作简单方便 易学易用 基于 SolidWorks 的双级三轴线圆柱齿轮减速器的设计就是根据原始的 给定参数 如轴的转速 工作载荷等 设计计算减速器各个结构的尺寸 绘制出减速器机构的各个相关附件 从而运用实体造型软件 SolidWorks 绘制出实体 检查减速器设计尺寸的合理性 并进行模拟运动仿真 关关键键字字 减速器 Solidworks 实体造型 Abstract Cylindrical gear reducer widely exists in large range of different industries and is an indispensable mechanical transmission device The problem of current reducer is that size weight and the transmission ratio is large while the mechanical efficiency is rather low Powerful easy to use and technological innovation are the three major characteristics of SolidWorks the Solid Works become a leading mainstream 3D CAD solution SolidWorks can provide different design programs to reduce errors in the design process and improving product quality SolidWorks not only to provide such a powerful and at the same time engineers and designers for each the operation is simple and convenient easy to learn and use SolidWorks bases on three axes of the two stage design of cylindrical gear reducer is given in accordance with the original parameters such as shaft speed work load and so on all the structural design and calculation of the size reducer drawing the annex parts of the cylindrical gear reducer Thus the solid modeling software is indispensable in inspection of a reasonable size reducer design and simulation movement Key words Cylindrical gear reducer SolidWorks simulation movement 目目 录录 1 绪论 1 1 1 圆柱齿轮减速器国内外研究现状 1 1 2 实体造型软件的选择 2 1 3 本文研究的主要内容 4 2 减速器的参数设计 4 2 1 传动简图说明 4 2 2 设计原始数据 5 2 3 机构传动比分配及电机的选择 5 2 6 滚动轴承的选择 11 2 7 轴的尺寸设计 11 2 7 1 轴 1 的设计 11 2 7 2 轴 2 的设计 11 2 7 3 轴 3 的设计 11 2 7 4 各轴的结构简图 11 2 8 连接键的选择 12 2 8 1 连接联轴器 2 和轴 1 的键 12 2 8 2 连接轴 2 和齿轮 2 的键的选择 12 2 8 3 连接轴 2 和齿轮 3 的键的选择 12 2 8 4 连接轴 3 和齿轮 4 的键的选择 12 2 8 5 连接联轴器 4 与轴 3 的键的选择 12 3 构件参数校核 12 3 1 校核轴承的使用寿命 12 3 3 校核键的强度 15 4 润滑与密封 15 5 减速器附件的选择及结构简图 16 5 1 窥视孔及窥视孔盖 16 5 2 放油孔及放油螺塞 M18 17 5 3 油标 M16 17 5 4 通气孔 M12 17 5 5 起盖用螺钉 18 5 6 定位销 M10 18 5 7 凸缘式轴承端盖 18 5 8 减速器装配过程 19 6 结束语 19 致谢 20 参考文献 21 1 绪论绪论 1 1 圆柱齿轮减速器国内外研究现状圆柱齿轮减速器国内外研究现状 50 年代初期 减速器制造仅是按得到的样机及资料仿制 品种少 结构简 单 未形成系列 沈阳变压器厂在 1953 年翻译了苏联图纸 建立起仿苏的产品 系列并开始试制 并于 1956 年试制成功仿苏 220kY 油浸绝缘电压减速器 1958 年试制成功仿苏 220kY 油浸绝缘电流减速器 此 中国已可以制造 0 5kV 220kV 各种规格的电流减速器和电压减速器并形成了系列 958 年后开 始在仿制产品的基础上自行设计 沈阳变压器厂 华通开关厂试制成功 l0kV 环 氧树脂浇注电流减速器 取代了仿苏产品 同时对油浸绝缘减速器进行了改型 设计 形成了新的减速器系列 0 年代后 沈阳变压器研究所先后组织了多次 全国统一设计 完成了 0 5kV 干式电流 电压减速器 l0V 浇注绝缘电流 电 压减速器 35kV 油浸绝 缘电流 电压减速器 110kV 油浸绝缘电流 电压减速 器新系列的设计 试制 提高了产品的技术性能 使产品更符合中国国内市场 的需要 1970 年后 我国减速器的整体技术水平有了更大的提高 品种日益增 加 沈阳变压器厂先后又试制成功 330kV 和 500kV 油纸绝缘电流减速器 西安 电力电容器厂也试制成功 500kV 电容式电压减速器 各减速器制造厂也不断对 产品进行改进和完善 我国已具有当时国际上减速器行业最高电压等级的产品 制造能力 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置 用来降低转速和 增大转矩 以满足工作需要 在某些场合也用来增速 称为增速器 选用减 速器时应根据工作机的选用条件 技术参数 动力机的性能 经济性等因素 比较不同类型 品种减速器的外廓尺寸 传动效率 承载能力 质量 价格 等 选择最适合的减速器 减速器的类别 品种 型式很多 目前已制定为行 国 标的减速器有 40 余种 减速器的类别是根据所采用的齿轮齿形 齿廓曲线划分 减速器的 品种是根据使用的需要而设计的不同结构的减速器 减速器的型式是在基本 结构的基础上根据齿面硬度 传动级数 出轴型式 装配型式 安装型式 联接型式等因素而设计的不同特性的减速器 圆柱齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着 是一种不可缺少的机械 传动装置 当前减速器普遍存在着体积大 重量大 或者传动比大而机械效率 过低的问题 减速器制造方面 国内目前生产厂家数目众多 如对各种类型的 圆柱齿轮机圆锥 圆柱齿轮或者齿轮 蜗杆减速机系列产品 在各类专用传 动装置的开发机制造方面 国内近几年取得的明显的进展 如重庆齿轮箱有限 责任公司生产的 MDH28 型磨机边缘驱动传动装置 其最大功率已达 7000KW 传 动转矩达 5000KN m 总重 46 吨 生产的 1700 热连轧主传动齿轮箱子的最大模 数为 30 重量达 180 吨 由杭州前进齿轮箱有限公司生产的 gwc70 76 型 1 2 万吨及装箱船用齿轮箱 传动功率已达 6250KW 由南京高精齿轮股份有限公司 及重庆齿轮箱有限公司生产的里磨系列齿轮箱最大功率已达 3800KW 由西安重 型机械研究所 洛阳重重齿轮箱有限公司 荆州巨鲸传动机械有限公司等开发 制造的重载行星齿轮箱系列产品在矿山 冶金 建材 煤炭及水电等行业也都 得到了广泛应用 其中西安重型机械研究所开发的水泥行业辊压机悬挂系列行 星齿轮箱的输入功率已达 1250KW 用于铝造轧机的行星齿轮箱有司责任公司 杭州前进出论箱有限公司 西安重型机械研究所开发的风力发电增速箱系列产 品也逐步取代进口产品 广泛应用于国内风电行业 国外的减速器 以德国 丹麦和日本处于领先地位 特别在材料和制造工 艺方面占据优势 减速器工作可靠性好 使用寿命长 但其传动形式仍以定轴 齿轮传动为主 体积和重量问题 也未解决好 最近报导 日本住友重工研制 的 FA 型高精度减速器 美国 Alan Newton 公司研制的 X Y 式减速器 在传动原 理和结构上与本项目类似或相近 都为目前先进的齿轮减速器 当今的减速器 是向着大功率 大传动比 小体积 高机械效率以及使用寿命长的方向发展 因此 除了不断改进材料品质 提高工艺水平外 还在传动原理和传动结构上 深入探讨和创新 平动齿轮传动原理的出现就是一例 减速器与电动机的连体 结构 也是大力开拓的形式 并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品 目前 超小型的减速器的研究成果尚不明显 在医疗 生物工程 机器人等领 域中 微型发动机已基本研制成功 美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸 在纳米级范围 如能辅以纳米级的减速器 则应用前景远大 减速器业涉及的 产品类别包括了各类齿轮减速机 行星齿轮减速机及蜗杆减速机 也包括了各 种专用传动装置 如增速装置 条素装置 以及包括柔性传动装置在内的各类 复合传动装置等 产品服务领域涉及冶金 有色 煤炭 建材 船舶 水利 电力 工程机械及石化等行业 其作为传动机械行业里的一个重要的分支 在 机械制造领域中扮演着越来越重要的角色 近几年 随着中国产业经济的迅猛 发展 减速器业在国内也取得了日新月异的进步 1 21 2 实体造型软件的选择实体造型软件的选择 功能强大 易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点 使得 SolidWorks 成为领先的 主流的三维 CAD 解决方案 SolidWorks 能够提 供不同的设计方案 减少设计过程中的错误以及提高产品质量 SolidWorks 不仅提供如此强大的功能 同时对每个工程师和设计者来说 操作简单方便 易学易用 在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中 设计过程最简便 最方便的莫过于SolidWorks 了 就像美国著名咨询公司 Daratech 所评论的那样 在基于 Windows 平台的三维 CAD 软件中 SolidWorks 是最著名的品牌 是市场快速增长的领导者 在无与伦比的 设计功能和易学易用的操作 使用SolidWorks 整个产品设计是可百分之 百可编辑的 零件设计 装配设计和工程图之间的是全相关的 强大的绘 图自动化强化性能使得设计师能够以前所未有的速度从大型装配件创造产品 级的工程图 新的轻化制图工具使得用户无需加载每一个部件到内存就能创 建装配图 只需拖拽并释放一个装配件到工程图中 用户就能够在10 秒钟 左右生成包括 10 000 个组件的装配件 2D 图 许多系统不能创建这样一个 大型装配视图 SolidWorks 2005 还使得设计工程师第一次能够为零件种 类多 数量庞大和配置复杂的多个项目生成一个单一的材料清单 这是加速 设计到生产的一个关键环节 其他重要的新的制图自动化包括自动序号标注 孔汇总表和修订跟踪表 省时 提高生产力这样的特性使得产品看起来更好 性能更佳 在市场上也更受欢迎 没有任何其他软件能够与SolidWorks 的性能相媲美 SolidWorks 能够比与之竞争的 2D 产品快 10 倍地生成工程 图注释 也是吸引 2D 软件用户迁移到 3D 软件的一个重要原因 SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动 并且可以对运动的零 部件进行动态的干涉检查和间隙检测 用智能零件技术自动完成重复设计 智能零件技术是一种崭新的技术 用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔 中 而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配 镜像部件是 SolidWorks 技术的巨大突破 镜像部件能产生基于已有零部件 包括具有 派生关系或与其他零件具有关联关系的零件 的新的零部件 SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术 来加快装配体的总体装配 智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系 olidWorks 提供了生成完 整的 车间认可的详细工程图的工具 工程图是全相关的 当你修改图纸时 三维模型 各个视图 装配体都会自动更新 从三维模型中自动产生工程图 包括视图 尺寸和标注 增强了的详图操作和剖视图 包括生成剖中剖视图 部件的图层支持 熟悉的二维草图功能 以及详图中的属性管理员 使用 RapidDraft 技术 可以将工程图与三维零件和装配体脱离 进行单独操作 以加快工程图的操作 但保持与三维零件和装配体的全相关 用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置 以便了解运 动的顺序 交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特 的工程图功能 SolidWorks 提供了无与伦比的 基于特征的实体建模功能 通过拉伸 旋转 薄壁 特征 高级抽壳 特征阵列以及打孔等操作来实现 产品的设计 通过对特征和草图的动态修改 用拖拽的方式实现实时的设计 修改 三维草图功能为扫描 放样生成三维草图路径 或为管道 电缆 线 和管线生成路径 通过带控制线的扫描 放样 填充以及拖动可控制的相切 操作产生复杂的曲面 可以直观地对曲面进行修剪 延伸 倒角和缝合等曲 面的操作 最新版本的 SolidWorks 2009 提供了一种快速预览三维轻量化模型的技 术 使得大装配模型的显示速度进一步提高 同时 支持在设计界面下的真 三维显示效果 达到了以往专门的三维渲染软件的显示效果 方便地编辑大 装配件 可以便捷地从大装配件中选取一部分零部件进行显示 编辑 进行 运动仿真 强化了 SWIFT 技术 在 SolidWorks 2007 已经推出的 Sketch Expert Mate Expert 和 Feature Expert 的基础上 又推出了 Corner Expert 在复杂的拓扑结构中自动生成合理的圆角 Tolerance Expert 合理分配公差 和 Large Assembly Expert 检查大装配是否正确 帮助客户更加简便地生产零件和装配结构 最大限度地减少客户的重复操 作 使用户在使用过程中 更加专注于设计本身 SolidWorks 以往的版本 中已经加入了 CosmosXpress 让工程师在设计过程中可以体验仿真分析的 效果 而 SolidWorks2008 中将提供 Cosmos MotionXpress 运动仿真分析 Cosmos FloXpress 和 DFMXpress 可制造性的分析 等模块 使得工程师 能够更好地进行设计验证 为了更好地满足设计要求 SolidWorks 作为最 先进的实体造型软件成为设计的首选软件 1 31 3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 基于 SolidWorks 的双级三轴线圆柱齿轮减速器的设计就是根据原始的 给定参数 如轴的转速 工作载荷等 设计计算减速器各个结构的尺寸 从 而运用实体造型软件 SolidWorks 绘制出实体 检查减速器设计尺寸的合理 性 并进行模拟运动仿真 2 减速器的参数设计减速器的参数设计 2 12 1 传动简图说明传动简图说明 电机 1 通过联轴器 2 将动力传入减速器 3 减速器输出轴通过联轴器 4 与开 式齿轮 6 连接把动力传递到运输机的鼓轮 7 上 从而带动传送带 5 工作 图示输 送带紧边在上 向左前进 图 1 1 电动机 2 联轴器 3 减速器 4 联轴器 5 带式运输机 6 开式齿轮 7 鼓轮 2 22 2 设计原始数据设计原始数据 1 运输机鼓轮上的圆周力 10000N 2 运输机输送带速度 0 375m s 3 运输机鼓轮直径 500m 4 运输带速度允许偏差为 5 5 减速器的设计寿命为 5 年 6 工作情况 二班制 连续工作 2 32 3 机构传动比分配及电机的选择机构传动比分配及电机的选择 设工作机构所需输入功率为 w 已知卷筒的传动效率为 0 96 可知 P w F V 1000 0 96 390625KW 查表可知 联轴器的传动效率为 0 99 轴承的传动效率为 0 99 齿轮的传动 效率为 0 92 双级齿轮减速器的传动效率为 0 95 则 工作机构的总效率 0 99 0 99 0 99 0 99 0 92 0 95 0 8396 卷筒的工作转速 60 1000 V 3 14 D D 500mm V 0 375m s 卷筒的工作转速 143 3r min 查表可知双级齿轮传动比 i 双Fd1 可知轴承 1 被压紧 轴承 2 被放松 Fa1 Fae Fd2 2032N Fa2 Fd2 713 2N 查表知轴承基本额定静载荷 C0 30500N Fa1 C0 0 067 Fa2 C0 0 023 利用线性插值法 0 067 介于 0 058 与 0 087 之间 二者分别对应的数值是 0 43 和 0 46 e1 0 067 0 058 0 087 0 058 0 46 0 43 0 43 0 439 0 023 介于 0 015 和 0 029 之间 二者分别对应的数值是 0 38 和 0 40 e2 0 023 0 015 0 029 0 015 0 4 0 38 0 38 0 391 Fd1 e1 Fr1 1481 2N Fd2 e2 Fr2 648 5N Fa1 Fae Fd2 1967 5N Fa2 Fd2 648 5N Fa1 C0 0 065 Fa2 C0 0 021 二者相差不大 所以确定 e1 0 439 e2 0 391 Fa1 1967 5N Fa2 648 5N Fa1 Fr1 0 58 e1 Fa2 Fr2 0 391 e2 0 065 介于 0 087 和 0 058 之间 二者对应的数值分别为 1 23 和 1 30 利用线性插值法得 Y1 1 3 0 065 0 058 0 087 0 058 0 07 1 283 X1 0 44 Y2 0 X1 1 fp 取 1 1 则 P fp X Fr Y Fa P1 1 1 0 44 3374 1 283 1967 5 4409 7 P2 1 1 1658 5 1824 35 因为 P1 P2 所以按 P1 计算 Lh 1000000 60 57 42 72 1000 4409 7 174423 小时 实际使用寿命为 Lh 5 365 2 8 29200 小时 由于 Lh Lh 所以轴承满足寿命要求 3 2 校核的强度 在减速器内部的三根轴中 在中间的轴承受载荷最大 只校核它的强度 把轴 2 的受力分解在水平面和铅垂面上 水平面上 FNH1 2964 6N FNH2 1653 4N 垂直面上 FNr1 136 6N FNr2 1611N 图 11 水平面上弯矩图 图 12 垂直面上弯矩图 图 13 总弯矩图 Mmax 4 885 100000N m 图 14 扭矩图 ca M W 4 T 2W 34 46 h 60MPa 3 33 3 校核键的强度校核键的强度 连接齿轮 4 与轴 3 的键的强度 L 80mm b h 16 10 键与轮毂槽的接触高度 k 0 5h 5 T 698 7 p 2 698 7 1000 5 57 80 61 3 p p 110MPa 故安全 4 4 润滑与密封润滑与密封 减速器采用脂润滑的润滑方式 润滑油牌号 HJ 50 密封装置 挡油环 毡封 油圈 图 15 挡油环结构简图 5 5 减速器附件的选择及结构简图减速器附件的选择及结构简图 5 15 1 窥视孔及窥视孔盖窥视孔及窥视孔盖 图 16 窥视孔盖剖视图 图 17 窥视孔盖上视图 D4 6 A 6 A1 A 5 6 D4 A2 0 5 A A1 B1 箱体顶部宽 15 20 B B1 5 6 D4 B2 0 5 B B1 R 5 H 根据要求自行设计 5 25 2 放油孔及放油螺塞放油孔及放油螺塞 M18M18 图 18 放油孔剖视图 D0 26 L 23 l 12 a 3 D 19 6 S 17 D1 17 5 3 5 3 油标油标 M16M16 图 19 油标结构尺寸图 D 26mm D1 22mm d1 4mm d2 16mm d3 6mm h 35mm a 12mm b 8mm c 5mm 5 45 4 通气孔通气孔 M12M12 图 20 通气孔剖视图 D 22mm D1 19 6mm S 17mm L 23mm l 12mm a 2mm d1 5mm 5 55 5 起盖用螺钉起盖用螺钉 图 21 起盖螺钉剖视图 起盖螺钉的螺纹长度要大于箱盖连接凸缘的厚度 钉杆端部要做成圆柱形 加 工成大倒角或半圆形 以免顶坏螺纹 5 65 6 定位销定位销 M10M10 图 22 起盖螺钉剖视图 d 0 7 0 8 d2 d3 为箱体连接螺栓的直径 斜度为 1 50 5 75 7 凸缘式轴承端盖凸缘式轴承端盖 图 23 轴 1 轴 2 轴承端盖 图 24 轴 3 轴承端盖 D0 D 2 5d3 D2 D0 2 5d3 e 1 2d3 D4 D 10 15 mm b 5 10 mmD 为轴承外径 5 85 8 减速器装配过程减速器装配过程 对于轴的装配要先把键打入相应的键槽中 接着安装对应的齿轮 然后安装 挡油环 轴承 有必要的还要安装密封毡圈 装配减速器箱座时应先在其一侧安装 轴承端盖用来定位各轴 然后把各轴装配在对应的各个轴孔中 最后把另一侧的 轴承端盖安装上 用螺栓把箱座与箱盖装配完后应安装油标 窥视孔盖 通气孔等 附件 6 6 结束语结束语 本文详细介绍了双级三轴线圆柱齿轮减速器的设计过程 在设计过程中 详细介绍了各个机构参数的每一个过程 即使不是很精通的也能很快 很清晰 地理解减速器设计的特点 在利用 SolidWorks 进行实体造型上 可以通过改变 草图中的相关尺寸 生成一系列的实体图 并且结合软件的干涉检查自动找出 不足