机械设计综合课程设计（一级蜗轮蜗杆减速器）

机械课程设计 设计说明书 课程名称： 机械设计原理课程设计 系 别： 机械系 姓 名： 丁戈 学 号： 指导教师： 王鸿翔 一、设计原理与方法课程综合训练任务书 1.设计题目 带式输送机传动装置。第3题，第6组2.工作条件及设计要求带式传送机工作装置如下图所示，主要完成由传送带运送机器零、部件的工作。该机室内工作，单向运转，工作有轻微振动，两班制。要求使用期限十年，大修期三年。输送带速度允许误差5。在中小型机械厂批量生产。 3. 原始数据 传动带工作拉力F=4100N，运输带工作速度V=1m/s，滚筒直径D=500mm。2、 传动方案的拟定与分析 用一级蜗轮蜗杆减速器和一级链传动达到减速要求，传动方案图已经给出：三、电动机的选择1、电动机类型的选择 选择Y系列三相异步电动机。2、电动机功率选择（1）传动装置的总效率：=0.990.990.80.960.97=0.73（蜗轮蜗杆减速器效率包括减速器中的轴承）（2）电机所需的功率：电动机输出功率： kw工作机所需的功率： = 所以 kw=5.6kw因载荷轻微振动，电动机即可，但5.6kw与5.5kw较为接近，效率又为保守估计，实际效率应该稍高于假设效率，故可先取5.5kw。3、确定电动机转速计算滚筒工作转速符合这一范围的同步转速有1000、1500、和3000r/min。一般全取转速在1000r/min到1500r/min之间故可选用方案2，电机转速为1440r/min。方案电动机型号额定动率/kw(r/min)1Y132S1-25.53000/28902Y132S1-45.51500/14403Y132M2-65.51000/9604、确定电动机型号根据以上选用的电动机类型，所需的额定功率及同步转速，选定电动机型号为Y132S1-4。其主要性能：额定功率5.5KW；满载转速1440r/min；三角形接法；额定电流11.6A；质量68kg。4、 计算总传动比及分配各级的传动比1、总传动比2、分配各级传动比由课本可查得：蜗轮蜗杆传动比一般在之间。链传动比一般在。故可试取蜗杆传动比，链传动比。确定蜗轮蜗杆减速器的具体参数后，传动比会略有改动，此处仅为初设计，并非已定设计。五、传动零件的设计计算蜗杆蜗轮设计计算1、蜗杆传动类型 根据GB/T 10085-1988，拟采用阿基米德蜗杆（ZA）2、选择蜗轮蜗杆材料 蜗杆用45钢，考虑到要求使用年限为十年，效率需高一些，耐磨性好一些，蜗杆螺旋面进行表面淬火4555HRC。查表得蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，为节省贵重金属，仅齿圈用青铜制成，轮芯用HT150制造。3、 确定蜗杆头数 由课本表10-2，传动比20时，可取。4、按齿面接触疲劳强度设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，按齿面接触疲劳强度进行设计，设计公式为 （1） 、确定蜗杆上的转矩 按，根据课本表10-8，估取，则 T2=9.55106P2/n2 =9.551065.60.820/1440KNm=594.2KNm（2）、确定载荷系数 由题工作时轻微振动，故查课本表9-11，选用系数=1.10。（3）、许用接触应力 蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,由课本表10-4知涡轮的基本许用接触应力=220Mpa。应力循环次数： =601440/2011630010=(双班制时间=2830010）寿命系数： =0.687 按，由课本图10-10查得=6.1m/s。采用油浴润滑，再由课本图10-11查得滑动速度影响系数=0.88，则许用接触应力 =0.880.687220MPa=133MPa（4）、计算中心距 因为选用的是锡青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=160；假设蜗杆分度圆直径与中心距的比值为/a=0.35,从课本图10-9可查得。 = =199.6mm（5） 、校核和取中心距=200mm，因为i=20，则从课本表10-1中选取模数m=8，蜗杆分度圆直径=80mm，分度圆导程角=111836。这时/a=0.4，从课本图10-9可以查得=2.74，符合要求。计算滑动速度 = =6.13m/s由图查得=0.88，修正的=133MPa，复算中心距=199.6mm200mm。因此计算结果可用。 5、 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸(1) 、蜗杆：轴向齿距 =25.133mm直径系数 =10齿顶圆直径 96mm齿根圆直径 60.8mm分度圆导程角=111836 蜗杆轴向齿厚12.57mm(2) 、蜗轮：由课本表10-1查得蜗轮系数=41，变为系数=-0.5；验算传动比：i= = =20.5蜗轮分度圆直径=328mm蜗轮喉圆直径336mm 蜗轮齿根圆直径300.8mm蜗轮咽喉母圆半径=32mm6、热平衡核算（1）、总效率1当量摩擦角 根据滑动速度=6.13m/s等，由课本表10-6得 -2总效率 取=0.95，则 =0.95=0.858蜗轮蜗杆实际效率大于原预算=0.8，所以不用重新计算。而实际总效率=0.990.990.8580.960.97=0.783复算需要的电机输出功率 kw=5.24kw于是，预选Y型电机Y132S1-4的额定功率5.5kw5.24kw，该电机可用。（2） 、工作油温1） 箱体散热面积估计S=9=9=1.906 2） 工作油温 取=20，=15 =47符合要求。滚子链设计计算 所以 （此为传动比终设计）（1） 、链轮齿数 因为传动比，由课本表12-8知， 链齿轮小链轮可选=30 大链轮=54 实际总传动比传送带速度误差e=5%所以该滚子链传动比符合要求。（2） 、链条节数初定中心距。 =122.4取链接数为偶数，故选取=124。(3) 、链条节距工况为有轻微震动，由课本表12-6取工作情况系数,由课本图12-14取齿数系数，采用带排链，由课本表12-7，故 当时，由课本图12-13查得，16A链条能传递需要的功率，其节距p=15.875。（4） 、实际中心距 =1037mm（5） 、选择润滑方式 按16A链，V=0.89m/s，由课本图12-17查得应采用滴油润滑（2区）。（6） 、作用在轴上的压力 如前所述，取F=1000P/V=10005.240.858/0.89N=5052N5050N(7) 、滚子链齿轮主要参数查得可直接选用RS80规格的滚子链齿轮。考虑到承重与稳定性选用有轮毂的B型链齿轮。参数如下：齿数节圆外径（DP)mm外径（OD)mm齿底径mm轴径（D)mm轮毂（DH)mm长（L)mm概略重量Kg30243257227.1226-7597507.2354436.84451420.9630-801175519.8六、动力学参数计算1、计算各轴转速2、计算各轴的功率3、计算各轴扭矩 =9.55/ =9.555.2/1440Nmm=34486Nmm =9.55/ =9.554.45/70.24Nmm=Nmm =9.55/ =9.554.1/39.02Nmm=Nmm轴名功率p/kw转矩T/N.m转速n(r/min)传动比i效率电动机轴05.2434.4861440蜗杆轴15.234.486144010.99蜗轮轴24.45605.0370.2420.50.858滚筒轴33.131003.539.0236.90.737、 轴的设计计算蜗轮轴的设计1、选择轴的材料考虑到减速器为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗轮的转矩。选用45号钢，经调质处理，硬度为217-255HBS。由课本表19-1查得对称循环许用应力 =180MPa。2、初步估计轴径 取=0，并由课本表19-3选系数A=110，得 d轴伸部位有键并安装链齿轮，一方面消弱了轴的强度，另一方面增加了轴的径向载荷，故增加轴径至55mm。3、 轴的结构设计（1） 、拟定轴上零件布置方案根据轴上轴承、蜗轮、端盖、链齿轮的装配方向、顺序和相互关系，轴的直径选择方案如图所示。（2） 、轴上零件定位及轴的主要尺寸的确定1） 轴端链齿轮选用和定位 链条选择A16单排滚子链，链齿轮选择RS80,链轮轴孔长L=50mm。取轴端长为48mm。按轴径选择用普通平键bh=16mm10mm，键长45mm（GB/T 1095-1990)。挡圈取D=65mm,厚度H=6mm，紧固轴端挡圈螺栓为M825mm（GB/T 892-1986)。2）轴承及蜗轮的定位及轴段主要尺寸轴受中等载荷，有轴向力，选取32213滚动轴承。其尺寸为dDB=65mm120mm32.75mm，与其配合的轴段的轴径为65mm，查手册配合为m。左端轴承也选用32213，由于要加挡油环，长度无法确定。如图轴径逐步加大，安装蜗轮处直径取70mm，查手册配合为H7/r6,配合轴段长应比蜗轮宽度小一些，取108mm。蜗轮处键根据轴径查手册选bh=20mm12mm，键长100mm。轴肩定位，轴肩直径取80mm，宽度取10mm。3） 轴结构的工艺性取轴端倒角为245，按规定确定轴肩的圆角半径，键槽位于同一轴线上。4、 按弯扭合成校核轴的强度（1） 、画轴空间受力简图如下，将轴上作用力分解为垂直面受力图和水平面受力图。取集中力作用于蜗轮、链轮和轴承宽度的中点。（2） 、轴上受力分析蜗轮圆周力蜗轮轴向力蜗轮径向力轴头所受力由链轮设计时求得 F=6560N(3) 、计算作用于轴上的支反力水平面内的支反力 对A点取矩 由力平衡 求得 垂直面内的支反力 (4) 、计算轴的弯矩，并画弯矩图计算A、B中点蜗轮处的弯矩计算B处弯矩分别画出垂直面和水平面的弯矩图；求合成弯矩并画出其弯矩图 （5） 、画扭矩图（6） 、校核轴的强度危险截面多为承受最大弯矩和扭矩的截面，通常只需要该截面进行校核。必要时也对其他截面进行校核。由于转矩不变，故选取0.65；实心轴=0，则有 =36MPa 故安全。蜗杆轴的设计计算1、 选择轴的材料选用45号钢，经调质处理，硬度为217-255HBS。由课本表19-1查得对称循环许用应力 =180MPa。2、 初步计算轴径 取=0，并由课本表19-3选系数A=110，得 d由于轴头要与电机头用联轴器连接，故取轴头最小直径与电机输出轴轴径相同为38mm。3、轴的结构设计（1）、拟定轴上零件布置方案 根据轴上轴承、联轴器、端盖的装配方向、顺序和相互关系，轴的直径选择方案如图所示。（2）、轴上零件的定位及主要尺寸的确定1)轴端联轴器选用和定位蜗杆扭矩T=34.5Nm根据GB/T 5843-1997，选用J型联轴器，根据孔径38mm可选用HL3，L=60mm，可选轴头长度为55mm。挡圈直径D=55mm。挡圈厚度H=5mm。紧固轴端挡圈螺栓为M620mm。按轴径选择用普通平键bh=12mm8mm，键长45mm（GB/T 1095-1990)。2）轴承轴承及蜗轮的定位及轴段主要尺寸轴受轻载荷，有轴向力，选取两枚32011滚动轴承，组成固定端，其尺寸为dDB=55mm90mm23mm，与其配合的轴段的轴径为55mm，查手册配合为k。游动端轴承选用6211，其尺寸为dDB=55mm90mm21mm，与其配合的轴段的轴径为55mm，查手册配合为j。如图轴径逐步加大。两端轴肩定位，轴肩直径取65mm，宽度取10mm。轴左端为M50螺纹，两个圆螺母锁死轴承，长度为15mm。3）轴结构的工艺性取轴端倒角为245，按规定确定轴肩的圆角半径。4、 按弯扭合成校核轴的强度 蜗杆轴为轻载，故强度达标，不用校核。八、滚动轴承的选择及校核计算 根据条件，两班制，大修期三年。三年更换一次轴承。轴承预计寿命： 330016=14400小时。1、 计算蜗轮轴轴承蜗轮已选轴承32213。查手册得 =160KN；=222KN由表17-8得 =1.1（机器有轻微震动，轴承所受载荷较为平稳）（1） 、计算附加轴向力、 由蜗轮轴的校核知 =960N =4586N =14560N擦手册得Y=1.5；=4586/(21.5)N=1530N=14560/(21.5)N=4850N(2) 、计算轴承所受轴向载荷因为 =（960+4850)N=5810N分析得知，轴承被压紧，轴承被放松。由此可得=5810N =4850N(3) 、计算当量动载荷 查手册知系数e=0.4轴承 =5810/4586=1.270.4则由手册知()=11605N轴承 =4850/14560=0.330.4则有手册知16016N（4） 、轴承寿命计算因为，所以按照轴承计算轴承寿命,一直蜗轮轴转速=70.24r/min = = =h14400h所选轴承32213寿命足够，合格。2、 计算蜗杆轴轴承 蜗杆轴为轻载，故轴承寿命足够，此处不再计算。9、 键连接的选择及校核计算1、 链齿轮与输出轴连接采用平键连接 机器有轻微震动，所以查课本表15-19选择p=110MPa。 轴径d1=55mm，L=45mm 查设计手册选用A型平键，得：b=16 h=10 L=45即：l=L-b=31mm T2=Nmm 根据课本公式得p=4T2/dhl=4/551031MPAa=142MPap(110MPa)该键不可靠，可改成双键，考虑到在和分布的不均匀性，计算时可按照1.5个键来计算。p=4T2/1.5dhl=95MPa强度达标。2、输入轴与蜗杆连接采用平键连接 机器有轻微震动，所以查课本表15-19选择p=110MPa。 轴径d1=38mm，L=45mm 查设计手册选用A型平键，得：b=12 h=8 L=45即：l=L-b=31mm T2=34486Nmm 根据课本公式得p=4T2/dhl=434486/38831MPAa=14.6MPap(110MPa)强度达标。3、蜗轮轴与蜗轮连接用平键连接 机器有轻微震动，所以查课本表15-19选择p=110MPa。 轴径d1=70mm，L=100mm 查设计手册选用A型平键，得：b=20 h=12 L=100即：l=L-b=80mm T2=Nmm 根据课本公式得p=4T2/dhl=4/701280MPAa=36MPap(110MPa)强度达标。十、联轴器的选择及校核计算蜗杆端联轴器的选择1、类型选择：为了隔离振动与冲击，选用非金属弹性元件挠性联轴器。2、载荷计算： 公称转矩：34.5N.m由课本表18-1查得=1.3。故计算转矩为：=1.334.5=44.9Nm3、型号选择： 依据蜗杆轴的设计与计算中知：查GB/T 5014-1955 HL3选J型弹性销柱联轴器，标准孔径d=38mm，即轴伸直径为38mm 。十一、减速器的润滑与密封在以上设计选择的基础上，对该减速器的结构，减速器箱体的结构，轴承端盖的结构尺寸，减速器的润滑与密封，减速器的附件作一简要的阐述。1、 减速器的结构 本课题所设计的减速器主要由传动零件（蜗轮蜗杆），轴和轴承，联结零件（键，销，螺栓，螺母等）。箱体和附属部件以及润滑和密封装置等组成。箱体为剖分式结构，由上箱体和下箱体组成，其剖分面通过蜗轮传动的轴线；箱盖和箱座用螺栓联成一体；采用圆锥销用于精确定位以确保和箱座在加工轴承孔和装配时的相互位置；起盖螺钉便于揭开箱盖；箱盖顶部开有窥视孔用于检查齿轮啮合情况及润滑情况并用于加住箱体内加润滑油，窥视孔平时被封住；通气器用来及时排放因发热膨胀的空气，以放高气压冲破隙缝的密封而致使漏油；副标尺用于检查箱内油面的高低；为了排除油液和清洗减速器内腔，在箱体底部设有放放油器；吊环螺栓用来提升箱体；减速器用地脚螺栓固定在机架或地基上。2、减速箱体的结构 该减速器箱体采用铸造的剖分式结构形式，具体结构详见装配图。3、轴承端盖的结构尺寸具体尺寸本设计不予说明，大概尺寸可见装配图。4、 减速器的润滑与密封（1） 、蜗轮蜗杆传动部分润滑油的选取1) 润滑油种类的选择考虑载荷为中载，载荷平稳，选取L-CKE复合型蜗轮蜗杆油。2) 工作油温 箱体散热面积为内部能被润滑油溅到而外表面空气流通正常的箱体表面积。箱体长度L=413mm；宽度B=152mm；高度H=515mm。轴承外径大小的圆的区域无法被润滑油溅到，其面积 =3.14()/4 =36820=0.368 箱体下表面离机架或地面很近，故空气无法正常流通。故箱体散热面积为S=LB+2LH+2BH- =152413+2413515+2152515-36820 =0.608由蜗轮蜗杆设计时油温初估计公式知，实际工作油温 = =100.670油温过高，必须加散热片。现加散热片的高度H=40mm；只在机体正面和背面合理添加散热片共32片，经测得总长度L=32002mm=6400mm。铸铁按含碳量1.0碳钢查传热学课本可得=43.2W/(mk）由之前的假设h=15；散热片平均厚度可以取=7.5mm；=200;=H+3mm=43mm。由传热学课本公式 =0.37查传热学课本图2-19散热片散热效率= 83。故增加的散热面积 =6400240（双面） =0.43所以加完散热片后的散热面积 S=0.61+0.43=1.04复算实际工作油温 = =67.770油温正常，设计可用。3） 润滑油牌号的选取计算力-速度因子=52.2N查课本图10-13得润滑油动力粘度为为200，并查表10-8得蜗杆蜗轮油牌号为L-CKE220，润滑方式油浴润滑。（2） 、蜗杆轴轴承的润滑 蜗杆轴周向速度6.13m/s，速度较大，故箱体内的润滑油可以摔倒轴承内，轴承用箱底内的润滑油润滑。（3） 、蜗轮轴轴承的润滑 蜗轮轴转速慢，无法用箱体内润滑油润滑，故使用脂润滑，轴承端加挡油环，防止稀油污染轴承。5、减速器附件简要说明该减速器的附件含窥视孔，窥视孔盖，排油孔与油盖，通气空，油标，吊环螺钉，起盖螺钉，其结构及装配详见装配图。12、 箱体及附件的结构设计1、减速器结构减速器由箱体、轴系部件、附件组成，其具体结构尺寸见装配图及零件图。采用上置剖分式蜗杆减速器（由于Vs=6.13m/s5m/s时，蜗杆上置）。铸造箱体，材料HT150。2、铸铁箱体主要结构尺寸和关系 名称减速器型式及尺寸关系下箱体壁厚 =15mm 上箱体壁厚1 1=15mm上箱体凸缘厚度b1，下箱体凸缘厚度b，箱座底凸缘厚度b2 b=15mm b1=15mm b2=30mm地脚螺钉直径及数目 M20 n=4轴承旁联接螺栓直径 M20上下箱体联接螺栓直径 M16 轴承端盖螺钉直径 M10 n=6检查孔盖螺钉直径 d4=6mm，d1，d2至外壁距离 ，d2至凸缘边缘距离 C1=35,13,25 C2=28,25轴承端盖外径 150mm 170mm轴承旁联接螺栓距离 S=214mm轴承旁凸台半径 150mm 170mm轴承旁凸台高度根据轴承座外径和扳手空间的要求由结构确定散热片平均厚度 =7.5mm蜗轮外圆与箱内壁间距离 15mm蜗轮轮毂端面与箱内壁距离 6mm3、注意事项（1）装配前，所有的零件用煤油清洗，箱体内壁涂上两层不被机油浸蚀的涂料；（2）圆锥滚子轴承及深沟球轴承的轴向游隙均为0.200.40mm；（3）箱体与接触面之间禁止用任何垫片，允许涂密封胶和水玻璃，各密封处不允许漏油；（4）减速器装置内装L-CKE 220润滑油，工业用油至规定的油面高度范围；（5）减速器外表面涂灰色油漆；（6）按减速器的实验规程进行试验。=0.73=5.6kw=4.1kw=5.5kw =38.2r/min电动机型号为Y132S1-4=37.7T2= Nmm=1.10=220MpaN=0.687=133MPa=160a=199.6mm=200mm=111836=6.13m/s25.133mmq=10=96mm=60.8mm=111836328mm336mm300.8mm32mm=0.858=5.24kw=47=30=54e=2.2%5%=124p=15.875=34486Nmm=Nmm=Nmm =180MPa d=55mmbh=16mm10mmD=65mmH=6mmM825mmdDB=65mm120mm32.75mm32213bh=20mm12mmF=6560N =180MPad=38mmT=34.5NmHL3D=55mmbh=12mm8mm32011dDB=55mm90mm23mm6211dDB=55mm90mm21mm=4586N =14560N=15