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步进送料机传动系统设计（含三维图仅供参考）,步进,送料机,传动系统,设计,三维,仅供参考
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机械设计课程设计 步进送料机传动系统设计 绪 论2一. 总方案的拟定41.1设计参数41.2总体方案分析41.3设计方法51.4零部件来源5二传动装置总体设计计算52.1电机的选取52.2传动比分配72.3.传动装置运动和动力参数的计算7三结构设计93.1带轮的设计93.2减速器的设计113.2.1齿轮的设计113.2.2轴的设计223.3联轴器的选取27四关键零件的校核274.1高速齿轮对中小齿轮的强度校核274.2减速箱输入轴的强度校核29五设计总结30六参考文献31绪 论本次设计题目为步进送料传动系统机设计。步进送料机是输送机的一种，能够实现间歇工作的输送工件，其应用非常广泛。步进送料整机也相对比较复杂，所以对其进行简化，在能实现步进送料功能的前提下，对步进送料机中的电动机、减速器进行分析与三维建模。本次设计要求：（1）根据步进送料机械运动周期以及传动阻力确定出电机功率及转速，从而选择电机型号；（2）利用确定出的电机转速确定出整机传动比，从而设计出二级圆柱齿轮减速箱；（3）使用solidwork软件画出步进送料整机三维图；（4）在ansys里进行强度校核。按照以上4点要求完成此次课程设计。一. 总方案的拟定1.1设计参数对整个送料机的传动进行分析，对动力进行选型，减速机进行详设计考虑传动系统在整个机器上的安装，每个零件移动时间t1=2s,运动距离a=400mm,停歇时间t2=4s。 表一方案号A（mm）c（mm）b（mm）t1（s）t2（s）B400205024 图11.2总体方案分析由已知参数要选取电机，设计减速装置，设计出的传动系统见图如图所示： 图2由电机提供原动力，电机输出的动力，经过带轮传到减速器的输入轴，再经过二级减速器后，通过联轴器供给工作装置。1.3设计方法先通过计算设计出带轮，减速器中个级减速齿轮的相关参数，以及轴的设计，轴承，联轴器等的选取。再用solidworks零部件的建模，用ansys进行有限元分析。1.4零部件来源对于电机只是选择合适的型号，就可以购买，而减速箱箱体就可以通过设计后进行制造，同时，齿轮以及齿轮轴的也可通过制造加工得到。轴承，皮带，联轴器的标准件也可以通过购买得到。二传动装置总体设计计算2.1电机的选取 加工过程要求若干个相同的被输送的工件间隔相等的距离400mm，在导轨上向左依次间歇移动，即每个零件耗时t1,=2s 移动距离a后间歇时间t2=4s。送料机曲柄工作转速。每次送8块料，共重约300Kg，铜块与钢之间的摩擦系数约为0.18 。且一次可以运输可求得连杆工作时所需的功率。其中：F为所受阻力，v是输送机构的速度。代入功率公式即可求出工作所需功率： 电动机功率确定：其中，一个弹性联轴器的效率0.99，一对滚动轴承的效率为0.98，在二级齿轮减速器中包含三对滚动轴承，闭式传动齿轮的效率为0.97（8级精度），共有两对齿轮啮合传动。V带传动的效率为0.94，,则传动装置的总效率为：。因此，工作机所需电动机的功率为：由机械原理设计手册可选电动机的额定功率为1.5kw。电动机型号的选择 由经济性和额定功率可选择电动机型号为：Y-100L-6，其同步转速为1000r/min，满载转矩为940r/min。电机具体参数如表1。 图32.2传动比分配总传动比为按机械设计手册上可以取带传动的传动比,则减速器的总传动比为。且根据机械设计手册要求，减速器传动比为840，且必须满足齿轮间传动比为36。二级圆柱齿轮减速器高速级的传动比为： 低速级的传动比为所得值均符合一般圆柱齿轮传动单级传动比的产用范围。2.3.传动装置运动和动力参数的计算 图4（1）各轴转速 设电动机轴为0轴，减速器的高速轴为1轴，中间轴为2轴，低速轴为3轴，联轴器的输出轴为4轴。如图所示的V带-闭式齿轮传动所示。则各轴的转速为 （2）各轴输入功率 按电动机输出功率计算各轴输入功率，即（3）各轴输入转矩 将上述运动和动力参数的计算结果列入下表 表2 各轴的运动和动力参数轴 名转 速n（r/min）功 率P(kw)转 矩T（N.m）0轴9401.2913.1061轴2681.212643.22轴46.21.153238.343轴101.096 1046.684轴 10 1.0631015.165三结构设计3.1带轮的设计1）确定计算功率。由机械设计手册，查得工作情况系数，故，。2）选择V带的带型 根据，查机械设计书上8-11图，可知选用Z型V带。3)确定带轮的基准直径并验算带速。（1）初选小带轮的基准直径。查书上表8-7和表8-9，取小带轮的基准直径。（2）验算带速，因为，故带速合适。（3）计算大带轮的基准直径。根据表8-9，取标准值为400mm。4）确定V带的中心距a和基准长度。（1）由，可以初定中心距。（2）计算带所需的基准长度由表8-2选带的基准长度。（3）计算实际中心距a。因此，中心距的变化范围为418.2mm到459.6mm。5）验算小带轮上的包角。6）计算带的根数z。（1）计算单根V带的额定功率。由和，查表8-4，用插表法可得,根据，和Z型带，查表8-5得，。查表8-6得,表8-2得，于是，(2)计算V带的根数z。，取2根。7）计算单根V带的初拉力。由表8-3得Z型带的单位长度质量，所以有，8）计算压轴力因此选用Z型普通V带2根，带基准长度为920mm。带轮基准直径，中心距范围为418.2mm到459.6mm。3.2减速器的设计3.2.1齿轮的设计3.2.1.1 高速齿轮对的设计1.选择齿轮类型，精度等级和材料及齿数（1）根据要求可以选用直齿圆柱齿轮。步进送料机为一般工作机器，速度不高，故齿轮选用7级精度。（2）材料的选取。查机械设计手册可选择小齿轮材料为40Cr，经调质处理，硬度为280HBW；大齿轮材料为45钢，调质处理，硬度为248HBW，两者材料相差40HBW。（3）选择小齿轮齿轮为,大齿轮的齿数为，取。2.按齿面接触疲劳强度设计（1）由公式试算小齿轮分度圆直径。确定公式中的各参数值试选。由上面计算可知小齿轮传递的转矩为。由机械设计课本表10-7选取齿宽系数。由图10-20查得区域系数。由表10-5查得材料的弹性影响系数。计算接触疲劳强度用重合度系数。计算接触疲劳许用应力。由图10-25（d）查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为。由此可以计算应力循环次数：由机械设计书上图10-23查取接触疲劳寿命系数，取失效概率为1%，安全系数S=1，所以，得到取和中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即试计算小齿轮的分度圆直径（2）调整小齿轮分度圆直径1) 计算实际载荷系数前的数据准备。圆周速度。齿宽b。 计算实际载荷系数。由表10-2，查得使用系数。根据，7级精度，由图10-8查得动载系数。齿轮的圆周力。查表10-3得齿间载荷分配系数。由表10-4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，得齿向载荷系数分布。由此，得到实际载荷系数按实际载荷系数算得的分度圆直径及相应的齿轮模数按齿根弯曲疲劳强度设计试算模数，即确定公式中的各参数值试选。计算弯曲疲劳强度用重合度系数。 计算由图10-17查得齿形系数由图10-18查得应力修正系数。由图10-24c查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为。由图10-22查得弯曲疲劳寿命系数。取弯曲疲劳安全系数，因为大齿轮的大于小齿轮，所以取。试算模数（2）调整齿轮模数计算实际载荷系数前的数据准备。圆周速度。齿宽b。宽高比。计算实际载荷系数。根据，7级精度，由图10-8查得动载系数。由查表10-3得齿间载荷分配系数。由表10-4可得；，结合查图10-13，得。则有。按实际载荷系数算得的齿轮模数对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数1.457mm，由机械设计手册可知，可选第一系列模数为1.5mm。按接触疲劳强度算得的分度圆直径，算得小齿轮齿数。取，则大齿轮齿数，取。和互为质数。这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。几何尺寸计算计算分度圆直径计算中心距计算齿轮宽度考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽b和节省材料，一般将小齿轮略为加宽（5-10mm），即，取，。3.2.1.2低速级齿轮传动的设计1.选择齿轮类型，精度等级和材料及齿数（1）根据要求可以选用直齿圆柱齿轮。步进送料机为一般工作机器，速度不高，故齿轮选用7级精度。（2）材料的选取。查机械设计手册可选择小齿轮材料为40Cr，经调质处理，硬度为250HBW；大齿轮材料为45钢，调质正火，硬度为200HBW，两者材料相差50HBW。（3）选择小齿轮齿轮为,大齿轮的齿数为，取。2.按齿面接触疲劳强度设计（1）由公式试算小齿轮分度圆直径。确定公式中的各参数值试选。由上面计算可知小齿轮传递的转矩为。由机械设计课本表10-7选取齿宽系数。由图10-20查得区域系数。由表10-5查得材料的弹性影响系数。计算接触疲劳强度用重合度系数。计算接触疲劳许用应力。由图10-25（d）查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为。由此可以计算应力循环次数：由机械设计书上图10-23查取接触疲劳寿命系数，取失效概率为1%，安全系数S=1，所以，得到取和中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即试计算小齿轮的分度圆直径（2）调整小齿轮分度圆直径1) 计算实际载荷系数前的数据准备。圆周速度。齿宽b。 2）计算实际载荷系数。由表10-2，查得使用系数。根据，7级精度，由图10-8查得动载系数。齿轮的圆周力。查表10-3得齿间载荷分配系数。由表10-4用插值法查得7级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，得齿向载荷系数分布。由此，得到实际载荷系数按实际载荷系数算得的分度圆直径及相应的齿轮模数3.按齿根弯曲疲劳强度设计(1)试算模数，即1)确定公式中的各参数值试选。计算弯曲疲劳强度用重合度系数。 计算由图10-17查得齿形系数由图10-18查得应力修正系数。由图10-24c,b查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为。由图10-22查得弯曲疲劳寿命系数。取弯曲疲劳安全系数，因为大齿轮的大于小齿轮，所以取。2)试算模数（2）调整齿轮模数1)计算实际载荷系数前的数据准备。圆周速度。齿宽b。宽高比。2)计算实际载荷系数。根据，7级精度，由图10-8查得动载系数。由查表10-3得齿间载荷分配系数。由表10-4可得；，结合查图10-13，得。则有。3)按实际载荷系数算得的齿轮模数对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.384mm，查机械设计手册并就近圆整为标准值m=2.5mm，按接触疲劳强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数。取。则大齿轮齿数，取，和互为质数。4.几何设计计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿轮宽度考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽b和节省材料，一般将小齿轮略为加宽（5-10mm），即，取，。计算所得减速器直齿轮参数： 表3 减速器直齿轮参数传动类型模数齿数直径中心距齿宽高速级齿轮1.53146.5158.255418027046.5低数级齿轮2.53280223.7588147367.5803.2.2轴的设计3.2.2.1中间轴的设计1、轴的选材、热处理 由于轴的荷载是变荷载或变应力，所以材料应具有较好的强度和韧性；对步进送料机器来说受力不大，所以减速箱轴只需要选择普通材料即可。因此选择45号钢，热处理使用正火、调质处理。2、初选轴的最小直径根据选取轴的材料为45号钢，调质处理，查机械设计课本表15-3得，考虑到轴端只承受转矩，故取，于是得：。考虑到该段开键槽的影响,单键轴径增大5%,于是有：。 3、轴的结构设计根据结构使用要求，将中间轴设计成阶梯轴，共分5段，其中第、段装齿轮，如图所示： 图5（1）轴承部件的结构设计轴不长，故轴承采用两端固定方式。然后，按轴上零件安装顺序，从开始处设计。（2）轴承的选择与轴段1和轴段5的设计该轴段上安装轴承，其设计应与轴承的选择同步进行。考虑有齿轮的轴向力存在，选用角接触球轴承。轴段1和轴段5上安装轴承，其直径既应便于轴承安装，又应符合轴承内径系列。暂取轴承为6007，得轴承内径为35mm，外径62mm，宽度14mm ，故取该段轴的直径为35mm,满足轴的最小直径的要求。通常一根轴上的两个轴承应取相同的型号，即6007，则轴1段和轴5段的直径均为35mm。（3）轴段2和轴段4的设计轴段2上安装与高速级连接的大齿轮，轴段4上安装与低速级连接的小齿轮，为了便于安装，轴段2和轴段4的直径应略大于轴段1和轴段5，可分别初定为50mm和45mm。大齿轮的轮毂宽度范围为51.556.2mm，取大齿轮的齿轮宽度为54mm，取其轮毂宽度56mm。为左端采用轴肩定位，右端采用套筒固定。由于小齿轮的直径比较小，采用实心式，其右端采用轴肩定位，左端采用套筒固定，小齿轮的齿轮宽度为88mm。为使套筒端面能够顶到齿轮端面，轴段2和轴段4的长度应比相应齿轮的轮毂要短，故分别取为54mm,86mm。（4）轴段3的设计该段位中间轴上的两个齿轮提供定位，其轴肩高度范围为，取其高度为3mm,取轴段3的直径为38mm,长度为15mm。（5）轴段1及轴段5的长度轴承采用脂润滑，需要用挡环阻止箱体内润滑油溅入轴承座，取封油环端面到到内壁距离为2mm。轴承内端面距箱体内壁的距离取为14mm，中间轴上两个齿轮的固定均由挡油环完成，则轴段1的长度为：。轴5的长度为。4、键连接两个齿轮与轴间采用普平键连接，查机械设计手册得其型号为 GB/T 1096-1990。3.2.2.2高速轴的设计1、轴的选材、热处理 由于轴的荷载是变荷载或变应力，所以材料应具有较好的强度和韧性；对步进送料机器来说受力不大，所以减速箱轴只需要选择普通材料即可。因此选择45号钢，热处理使用正火、调质处理。2、初选轴的最小直径根据选取轴的材料为45号钢，调质处理，查机械设计课本表15-3得，考虑到轴端既承受弯矩，又承受转矩，故取，于是得：。高速轴的输入端需与带轮连接，因此取轴的最小直径为20mm。3、轴的结构设计根据结构使用要求，将高速轴设计成阶梯轴，共分五段，其中第IV段装齿轮，如图所示： 图6（1）轴承的选择与轴段2和5的设计该段轴上安装轴承，其设计应与轴承的选择同步进行。考虑齿轮有轴向力存在，选用角接触球轴承。轴段2上安装轴承，其直径应符合轴承内径系列。现暂取7204C，查机械设计手册得，此轴承内径55mm，外径75mm，宽度14mm ，故取该段轴的直径为55mm。轴承采用脂滑润，需要用挡油环阻止箱体内润滑油溅入轴承座。为补偿箱体的铸造误差和安装挡油环，轴承靠近箱体内壁的断面距箱体内壁距离取0.2mm，挡油环的挡油凸缘内侧面凸出箱体内壁14mm，挡油环轴孔宽度初定为2mm，则长度。通常一根轴上的两个轴承应取相同的型号，则均为7204C。（2）齿轮与轴段4该段上安装齿轮，为便于齿轮的安装，轴段4应略大于轴段5，可初定为60mm。（3）轴段3的设计该轴段直径可略取大于轴承轴肩的直径66mm，轴段3的长度为22mm。4、键连接皮带轮与轴1间采用普平键连接，查机械设计手册得其型号为 GB/T 1096-1990。3.2.2.3 低速轴的设计1、轴的选材、热处理 由于轴的荷载是变荷载或变应力，所以材料应具有较好的强度和韧性；对步进送料机器来说受力不大，在低速轴上功率也较小，所以减速箱轴只需要选择普通材料即可。所以选择45号钢，热处理使用正火、调质处理。2、初选轴的最小直径根据选取轴的材料为45号钢，调质处理，查机械设计课本表15-3得，考虑到轴端只承受转矩，故取，于是得：。考虑到该段开键槽的影响,单键轴径增大3%,于是有：55.207 mm。 3、轴的结构设计根据结构使用要求，将中间轴设计成阶梯轴，共分五段，其中第、段装齿轮，如图所示： 图7（1）轴承部件的设计该减速器轴不长，故采用轴承两端固定方式。按轴上零件的安装顺序，从最小轴径处开始设计。（2）轴段5及联轴器轴段5上要与联轴器连接，此段设计应与联轴器的选择同步进行。联轴器的计算转矩，查机械设计课本表14-1，考虑到转矩变化很小，故取，则。按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，从GB/T 4323-2002中查得GY8型联轴器的许用转矩3150N.m，许用最大转速4800r/min，联轴器的孔径为60mm，故高速轴5段直径为60mm，联轴器的长度107mm。（3）轴承与轴段1和轴段4的设计轴段1和轴段4安装轴承，其直径应既便于安装轴承，又应符合内径系列。考虑到轴向力的存在，选用角接触球轴承。先暂取7211C，得轴承内径55mm，外径100mm，宽度21mm ，内圈定位轴肩直径64mm，故取该段轴的直径55mm。轴承采用脂润滑，需要挡油环，挡油环宽度初定为2mm。通常一根轴上的两个轴承应取相同的型号，则4段的轴承也选用7211C。（4）齿轮与轴段2的设计该段上安装低速级大齿轮，为便于齿轮的安装，此段轴的直径应略大于55mm，可初定为60mm，齿轮4的轮毂范围为55mm_60mm，齿轮宽度为70mm，取其轮毂宽度等于齿轮宽度70mm，此段轴的宽度应略比轮毂短，故取68mm。（5）轴段3的设计该段轴为齿轮提供定位和固定作用，定位轴肩的高度为4mm，则直径为56mm，齿轮左端面距箱体内壁距离为14mm。3.3联轴器的选取 轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。步进送料机在使用过程中负载很小、转速较低且无冲击荷载，所以对联轴器的要求不高，根据以上叙述内容，选择十字滑块联轴器。且具体选择型号在上一章中已选择。3.4传动系统在整个机器上的安装将整个传动系统用螺栓固定在槽钢架上。四关键零件的校核4.1高速齿轮对中小齿轮的强度校核 高速齿轮收到脉冲变应力，在ansys中进行应力分析，建好模，划好网格后，齿轮的齿相当于悬臂梁，假设把左边的齿轮固定，让右边的齿轮运动，求解查看结果。其等效应力图和接触应力图如图所示。 图8 图9 等效应力图 图10 接触应力图4.2
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