蜗轮蜗杆减速器设计.doc

蜗轮蜗杆减速器设计南京机电职业技术学院目 录1. 引言 11.1 本设计的设计要求 12 设计方案的拟订 22.1 箱体 22.2 轴系部件 22.3 减速器附件 23. 减速器的总体设计 33.1 传动装置的总体设计 33.2 传动零件的设计计算 73.3 轴的设计 133.4 轴承的选择和计算 183.5 减速器铸造箱体的主要结构尺寸 193.6 键联接的选择和强度校核 213.7 联轴器的选择和计算 213.8 减速器的润滑 223.9 部分零件加工工艺过程 23结论 27致谢 28参考文献 29蜗轮蜗杆减速器设计说明书第一章 绪论1. 本课题的背景及意义计算机辅助设计及辅助制造（CAD/CAM）技术是当今设计以及制造领域广泛采用的先进技术。本次设计是蜗轮蜗杆减速器，通过本课题的设计，将进一步深入地对这一技术进行深入地了解和学习。1.1 本设计的设计要求机械零件的设计是整个机器设计工作中的一项重要的具体内容，因此，必须从机器整体出发来考虑零件的设计。设计零件的步骤通常包括：选择零件的类型；确定零件上的载荷；零件失效分析；选择零件的材料；通过承载能力计算初步确定零件的主要尺寸；分析零部件的结构合理性；作出零件工作图和不见装配图。对一些由专门工厂大批生产的标准件主要是根据机器工作要求和承载能力计算，由标准中合理选择。根据工艺性及标准化等原则对零件进行结构设计，是分析零部件结构合理性的基础。有了准确的分析和计算，而如果零件的结构不合理，则不仅不能省工省料，甚至使相互组合的零件不能装配成合乎机器工作和维修要求的良好部件，或者根本装不起来。2.（1）国内减速机产品发展状况国内的减速器多以齿轮传动，蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外材料品质和工艺水平上还有许多弱点。由于在传动的理论上，工艺水平和材料品质方面没有突破，因此没能从根本上解决传递功率大，传动比大，体积小，重量轻，机械效率高等这些基本要求。 （2）国外减速机产品发展状况国外的减速器，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转动为主，体积和重量问题也未能解决好。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。 3.本设计的要求本设计的设计要求机械零件的设计是整个机器设计工作中的一项重要的具体内容，因此，必须从机器整体出发来考虑零件的设计计算，而如果零件的结构不合理，则不仅不能省工省料，甚至使相互组合的零件不能装配成合乎机器工作和维修要求的良好部件，或者根本装不起来。机器的经济性是一个综合性指标，设计机器时应最大限度的考虑经济性。提高设计制造经济性的主要途径有：尽量采用先进的现代设计理论个方法，力求参数最优化，以及应用CAD技术，加快设计进度，降低设计成本；合理的组织设计和制造过程；最大限度地采用标准化、系列化及通用化零部件；合理地选择材料，改善零件的结构工艺性，尽可能采用新材料、新结构、新工艺和新技术，使其用料少、质量轻、加工费用低、易于装配尽力改善机器的造型设计，扩大销售量。提高机器使用经济性的主要途径有：提高机器的机械化、自动化水平，以提高机器的生产率和生产产品的质量；选用高效率的传动系统和支承装置，从而降低能源消耗和生产成本；注意采用适当的防护、润滑和密封装置，以延长机器的使用寿命，并避免环境污染。机器在预定工作期限内必须具有一定的可靠性。提高机器可靠度的关键是提高其组成零部件的可靠度。此外，从机器设计的角度考虑，确定适当的可靠性水平，力求结构简单，减少零件数目，尽可能选用标准件及可靠零件，合理设计机器的组件和部件以及必要时选取较大的安全系数等，对提高机器可靠度也是十分有效的。4.研究内容（设计内容） （1）蜗轮蜗杆减速器的特点 蜗轮蜗杆减速器的特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速化，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。 蜗轮蜗杆减速器是以蜗杆为主动装置，实现传动和制动的一种机械装置。当蜗杆作为传动装置时，在蜗轮蜗杆共同作用下，使机器运行起来，在此过程中蜗杆传动基本上克服了以往带传动的摩擦损耗；在蜗杆作为制动装置时，蜗轮，蜗杆的啮合，可使机器在运行时停下来，这个过程中蜗杆蜗轮的啮合静摩擦达到最大，可使运动中的机器在瞬间停止。在工业生产中既节省了时间又增加了生产效率，而在工艺装备的机械减速装置，深受用户的美誉，是眼前当代工业装备实现大小扭矩，大速比，低噪音，高稳定机械减速传动独揽装置的最佳选择。（2）方案拟订 A、箱体(1)：蜗轮蜗杆箱体内壁线的确定； (2)：轴承孔尺寸的确定；(3)：箱体的结构设计；a. 箱体壁厚及其结构尺寸的确定 b. 轴承旁连接螺栓凸台结构尺寸的确定b. 确定箱盖顶部外表面轮廓 d. 外表面轮廓确定箱座高度和油面e. 输油沟的结构确定 f. 箱盖、箱座凸缘及连接螺栓的布置B、轴系部件(1) 蜗轮蜗杆减速器轴的结构设计a. 轴的径向尺寸的确定 b. 轴的轴向尺寸的确定(2)轴系零件强度校核 a. 轴的强度校核 b. 滚动轴承寿命的校核计算C、减速器附件a.窥视孔和视孔盖 b. 通气器 c. 轴承盖 d. 定位销 e. 油面指示装置 f. 油塞 g. 起盖螺钉 h. 起吊装置第二章 减速器的总体设计2.1 传动装置的总体设计2.1.1 拟订传动方案本传动装置用于带式运输机，工作参数：运输带工作拉力F=5KN，工作速度=1.6m/s，滚筒直径D=500mm，传动效率=0.96，（包括滚筒与轴承的效率损失）两班制，连续单向运转，载荷较平稳；使用寿命8年。环境最高温度80。本设计拟采用蜗轮蜗杆减速器，传动简图如图6.1所示。图6.1 传动装置简图1电动机 2、4联轴器 3级蜗轮蜗杆减速器 5传动滚筒 6输送带6.1.2 电动机的选择（1）选择电动机的类型按工作条件和要求，选用一般用途的Y系列三相异步电动机,封闭式结构,电压380V。（2）选择电动机的功率电动机所需的功率 = /式中 工作机要求的电动机输出功率，单位为KW； 电动机至工作机之间传动装置的总效率； 工作机所需输入功率，单位为KW；输送机所需的功率P=16 Kw电动机所需的功率= = =0.990.990.80.990.990.76=160.76=21.05 kW查表，选取电动机的额定功率=22kw。（3）选择电动机的转速传动滚筒转速=81.06 r/min由表推荐的传动比的合理范围，取蜗轮蜗杆减速器的传动比=1040，故电动机转速的可选范围为：= n=（1040）81.06=8103242r/min符合这范围的电动机同步转速有1000、1500、3000 r/min三种，现以同步转速1000 r/min和1500 r/min两种常用转速的电动机进行分析比较。查机械工程及自动化简明设计手册上册（表2-3）n=2781.06=2188 r/min综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格、传动比及市场供应情况，选取比较合适的方案，现选用型号为Y180M2，其主要安装尺寸如下：中心高：H=180 mm外型尺寸：L（ACAD）HD=670（360+285）430 mm轴伸尺寸：D=48 mm，E=110 mm装键部分尺寸：FGD=1442.548 mm底脚安装尺寸：AB=279241 mm地脚螺栓孔直径：K=19 mm2.1.3 确定传动装置的传动比及其分配减速器总传动比及其分配：减速器总传动比i=294081.06=25.6本课题是一级蜗轮蜗杆减速器，它的传动比i=1040之间，选i=27传动比查机械工程及自动化简明设计手册上册（表2-5）式中i传动装置总传动比工作机的转速，单位r/min电动机的满载转速，单位r/min2.1.4 计算传动装置的运动和动力参数（1）各轴的输入功率轴P= P=21.050.990.99=20.63kW轴P= P=20.630.990.990.8=20.22kW（2）各轴的转速电动机： =2940 r/min轴：n= =2940 r/min轴：n=294027=108 r/min（3）各轴的输入转矩电动机轴：=9550=955021.05294068.37Nm轴：T= i1462.16Nm轴：T= Ti30954.31Nm上述计算结果汇见表3-1表3-1传动装置运动和动力参数输入功率（kW）转速n（r/min）输入转矩（Nm）传动比效率电动机轴21.05294068.3710.99轴20.6329401462.16270.82轴20.2210830954.312.2 传动零件的设计计算2.2.1 蜗轮蜗杆传动设计一.选择蜗轮蜗杆类型、材料、精度 蜗杆材料选用45钢，整体调质，表面淬火，齿面硬度4550HRC。蜗轮齿圈材料选用ZCuSn10Pb1，金属模铸造，滚铣后加载跑合，8级精度，标准保证侧隙c。二.计算步骤1. 确定传动的主要尺寸m=12.5mm，=90mm，z1=2，z2=54（1） 中心距aa=382.5mm（2） 蜗杆尺寸分度圆直径 =90mm齿顶圆直径 =+2=(90+212.5)=115mm齿根圆直径 =2=(80212.5)=60mm导程角 tan=12.5 右旋轴向齿距 =m=3.1412.5=39.25mm齿轮部分长度 m(11+0.06z2)=12.5(11+0.0654)=178mm取=180mm（3） 蜗轮尺寸分度圆直径 =mz2=12.554=675mm齿顶高 =m=12.51=12.5mm齿根高 = (+)m=(1+0.2)12.5=15mm齿顶圆直径 =+2=675+25=700mm齿根圆直径 =2m(+)=67530=645mm导程角 tan=12.5 右旋轴向齿距 =m=3.1412.5=39.25mm蜗轮齿宽 =0.75=0.75115=86.25mm齿宽角 sin(/2)= /=86.2590=0.95蜗轮咽喉母圆半径 =(a)2=32.5mm（4） 润滑方式 根据=4.76m/s，查表7.14，采用浸油润滑，油的运动粘度V40=320/s（5） 蜗杆、蜗轮轴的结构设计(单位：mm) 蜗轮轴的设计最小直径估算 c查机械设计表11.3得 c=120 =120x =53.2根据机械设计表11.5，选=55= +2a =65 a(0.070.1) =4.414.5 取5=+ (15)mm=65+5=70=+ (15)mm=70+2=72=+2a=72+26=84 a(0.070.1) =5.66h由机械设计表11.4查得 h=5.5b=1.4h=1.55.5=7.78=2h=8425=74=65l1=112+2=114 蜗杆轴的设计最小直径估算cx= 120x=45.2 取=55=+2a=55+22=59 a=(0.070.1) =+6=59+6=65=+2a=65+22=69 a=(0.070.1) =65=-4=59h查机械设计表11.4上述几何尺寸计算结果见表3-2 表3-2 传动部件的结构尺寸 （mm）名 称代号计算公式结 果蜗杆中 心 距=a=382.5传 动 比i=27蜗杆分度圆柱的导程角蜗杆轴向压力角标准值齿 数z1=2分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径=60蜗杆螺纹部分长度（mm）名 称代号计算公式结 果蜗轮中 心 距=a=382.5传 动 比i=27蜗轮端面压力角标准值蜗轮分度圆柱螺旋角齿 数=54分度圆直径齿顶圆直径=700齿根圆直径2.3 轴的设计2.3.1 蜗轮轴的设计（1）选择轴的材料选取45钢，调质，硬度HBS=230，强度极限=600 Mpa，由表查得其许用弯曲应力=55Mpa 查机械设计基础（表10-1、10-3）（2）初步估算轴的最小直径取C=120，得=120x =53.2mm根据机械设计表11.5，选=55（3）轴的结构设计 轴上零件的定位、固定和装配 单级减速器中，可将齿轮按排在箱体中央，相对两轴承对称分布，齿轮左面由轴肩定位，右面用套筒轴向固定，周向固定靠平键和过渡配合。两轴承分别以轴肩和套筒定位，周向则采用过渡配合或过盈配合固定。联轴器以轴肩轴向定位，右面用轴端挡圈轴向固定，平键联接作周向固定。轴做成阶梯形，左轴承 从做从左面装入，齿轮、套筒、右轴承和联轴器依次右面装到轴上。 确定轴各段直径和长度段d1=55mm L1=114mm段选30213型圆锥滚子轴承，其内径为65mm，宽度为24.75mm。故段直径d3=75mm。段考虑齿轮端面和箱体内壁、轴承端盖与箱体内壁应有一定距离，长度根据具体情况而定，直径为70段 直径为72 比蜗轮的宽度短1-2mm 所以取126段=+2a=72+26=84 a(0.070.1) d3=5.66， L5=17mm。段d6=d52h=8425=74mmh由机械设计表11.4查得 h=5 ，L6=17mm。段 =65（4）按弯扭合成应力校核轴的强度 绘出轴的计算简图 (a)图 绘制垂直面弯矩图 (b)图NNN 轴承支反力：NN 计算弯矩：截面C右侧弯矩 截面C左侧弯矩 绘制水平面弯矩图 (c)图 轴承支反力：截面C处的弯矩 绘制合成弯矩图 (d)图 绘制转矩图 (e)图 Nm 绘制当量弯矩图 (f)图转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取0.6，截面C处的当量弯矩为 校核危险截面C的强度，安全。图3.2 低速轴的弯矩和转矩(a)轴的结构与装配 (b)受力简图 (c)水平面的受力和弯矩图(d)垂直面的受力和弯矩图 (e)合成弯矩图 (f)转矩图 (g)计算弯矩图轴的结构见图3.4所示图3.3 蜗轮轴的结构图2.3.2 蜗杆轴的设计（1）选择轴的材料选取45钢，调质处理，硬度HBS=230，强度极限=650 Mpa，屈服极限=360 Mpa，弯曲疲劳极限=300 Mpa，剪切疲劳极限=155 Mpa，对称循环变应力时的许用应力=60 Mpa。(2) 初步估算轴的最小直径最小直径估算dmincx= 120x=29.8 （3）轴的结构设计按轴的结构和强度要求选取轴承处的轴径d=30mm，初选轴承型号为30210圆锥滚子轴承（GB/T29794），采用蜗杆轴结构，其中，齿根圆直径mm，分度圆直径mm，齿顶圆直径mm，长度尺寸根据中间轴的结构进行具体的设计，校核的方法与蜗轮轴相类似，经过具体的设计和校核，得该蜗杆轴结构是符合要求的，是安全的，轴的结构见图3.4所示： 图3.4 蜗杆轴的结构草图第三章 轴承的选择和计算3.1 低速轴的轴承的选择和计算按轴的结构设计，初步选用30214（GB/T29794）圆锥滚子轴承（1）计算轴承载荷 轴承的径向载荷 轴承A：轴承B： 轴承的轴向载荷轴承的派生轴向力 查表得：30214轴承153832所以，=29.2N=37.6N无外部轴向力。因为，轴承A被“压紧”，所以，两轴承的轴向力为 计算当量动载荷由表查得圆锥滚子轴承30214的取载荷系数，轴承A：e取X=1，Y=0，则轴承B：e取X=1，Y=0，则3.2 蜗杆轴的轴承的选择和计算按轴的结构设计，选用30210圆锥滚子轴承（GB/T29794），经校核所选轴承能满足使用寿命，合适。具体的校核过程略。3.3 蜗轮轴的轴承的选择和计算按轴的结构设计，选用30214圆锥滚子轴承（GB/T29794）， 具体的校核过程略。3.4 减速器铸造箱体的主要结构尺寸（单位：mm）(1) 箱座（体）壁厚：=8，取=18，其中=382.5；(2) 箱盖壁厚：=0.858，取=15；(3) 箱座、箱盖、箱座底的凸缘厚度：，；(4) 地脚螺栓直径及数目：根据=382.5，得，地脚螺钉数目为4个；(5) 轴承旁联结螺栓直径：(6) 箱盖、箱座联结螺栓直径：=1214.4，取=16；(7) 表2.5.1轴承端盖螺钉直径：高速轴低速轴轴承座孔（外圈）直径120140轴承端盖螺钉直径1010螺 钉 数 目66(8) 检查孔盖螺钉直径：本减速器为一级传动减速器，所以取=10；(9) 轴承座外径：，其中为轴承外圈直径，把数据代入上述公式，得数据如下：高速轴：，取，低速轴：，取；(10) 表2.5.2螺栓相关尺寸：30=16锪孔直径614833至箱外壁的距离403422至凸缘边缘的距离352820(11) 轴承旁联结螺栓的距离：以螺栓和螺钉互不干涉为准尽量靠近，一般取；(12) 轴承旁凸台半径：28，根据而得；(13) 轴承旁凸台高度：根据低速轴轴承外径和扳手空间的要求，由结构确定；(14) 箱外壁至轴承座端面的距离：，取=68；(15) 箱盖、箱座的肋厚：0.85，取=13，0.85，取=16；(16) 大齿轮顶圆与箱内壁之间的距离：，取=18；(17) 铸造斜度、过渡斜度、铸造外圆角、内圆角：铸造斜度=1：10，过渡斜度=1：20，铸造外圆角=5，铸造内圆角=3。第四章 其他零件设计4.1键联接的选择和强度校核 4.11高速轴键联接的选择和强度校核高速轴采用蜗杆轴结构，因此无需采用键联接。4.12 低速轴与蜗轮联接用键的选择和强度校核(1) 选用普通平键（A型）按低速轴装蜗轮处的轴径d=72mm，以及轮毂长 =126mm，查表，选用键2080 GB109679。(2) 强度校核键材料选用45钢，查表知，键的工作长度mm，mm，按公式的挤压应力小于，故键的联接的强度是足够的。4.2 联轴器的选择和计算4.2.1 高速轴输入端的联轴器计算转矩，查表取，有，查表选用TL4型弹性套柱销联轴器，材料为35钢，许用转矩，许用转速r/min，标记：TL4联轴器40112 GB432384。选键，装联轴器处的轴径为40mm，选用键1290 GB109679，对键的强度进行校核，键同样采用45钢，有关性能指标见（2.6.2），键的工作长度mm，mm，按公式的挤压应力，合格。所以高速级选用的联轴器为TL4联轴器40112 GB432384，所用的联结键为1290 GB109679。4.2.2 低速轴输出端的联轴器根据低速轴的结构尺寸以及转矩，选用联轴器TL9联轴器55112GB432384，所用的联结键为1690 GB109679，经过校核计算，选用的键是符合联结的强度要求的，具体的计算过程与上面相同，所以省略。43 减速器的润滑减速器中蜗轮和轴承都需要良好的润滑，起主要目的是减少摩擦磨损和提高传动效率，并起冷却和散热的作用。另外，润滑油还可以防止零件锈蚀和降低减速器的噪声和振动等。本设计选取润滑油温度时的蜗轮蜗杆油，蜗轮采用浸油润滑，浸油深度约为h11个螺牙高，但油面不应高于蜗杆轴承最低一个滚动体中心。 44 部分零件加工工艺过程4.4.1 轴的加工工艺过程轴的工艺过程相对于箱盖，底座要简单许多，本设计输出轴的一般工艺过程为：(1) 落料、锻打(2) 夹短端、粗车长端端面、打中心孔(3) 夹短端、粗车长端各档外圆、倒角(4) 反向夹长端，粗车短端外圆、倒角、粗车短端端面、打中心孔(5) 热处理(6) 夹短端，半精车短端外圆(7) 反向夹长端，半精车短端外圆(8) 磨长端外圆(9) 反向磨短端外圆(10) 铣两键槽图41 加工好的蜗轮轴4.4.2 箱体加工工艺过程蜗轮蜗杆减速器的箱盖和箱体，它们的工艺过程比较复杂，先是箱盖和箱体分别单独进行某些工序，然后合在一起加工，最后又分开加工。箱盖单独先进行的工序有：（1） 箱盖铸造（2） 回火、清沙、去毛刺、打底漆、毛坯检验（3） 铇视孔顶面（4） 铇剖分面（5） 磨剖分面（6） 钻、攻起盖螺钉完成前述单独工序后，即可进行下列工序：（1） 箱盖、箱体对准合拢，夹紧；钻、铰定位销孔，敲入圆锥销（2） 钻箱盖和箱体的联接螺栓孔，刮鱼眼坑（3） 分开箱壳，清除剖分面毛刺、清理切屑（4） 合拢箱壳，敲入定位销，拧紧联接螺栓（5） 铣两端面（6） 粗镗各轴轴承座孔（7） 精镗各轴轴承座孔（8） 钻、攻两端面螺孔（9） 拆开箱壳（10） 装上油塞，箱体地脚螺栓孔划线（11） 钻地脚螺栓孔、刮鱼眼坑（12） 箱盖上固定视孔盖的螺钉孔划线（13） 钻、攻固定视孔盖的螺钉孔（14） 去除箱盖、箱体接合面毛刺，清除铁屑（15） 内表面涂红漆结 论这次通过对已知条件对蜗轮蜗杆减速器的结构形状进行分析，得出总体方案.按总体方案对各零部件的运动关系进行分析得出蜗轮蜗杆减速器的整体结构尺寸，然后以各个系统为模块分别进行具体零部件的设计校核计算，得出各零部件的具体尺寸，再重新调整整体结构，整理得出最后的设计图纸和说明书.此次设计通过对蜗轮蜗杆减速器的设计，使我对成型机械的设计方法、步骤有了