机械设计课程设计-二级展开式圆柱齿轮减速器设计F=2.5KN,V=1.8ms,D

-1-机械设计课程设计-二级展开式圆柱齿轮减速器设计F=2.5KN,V=1.8ms,D一、设计背景与任务(1)随着工业自动化程度的不断提高，机械传动系统在各类机械设备中的应用日益广泛。减速器作为机械传动系统中的关键部件，其性能直接影响着整个系统的稳定性和效率。在本设计中，我们以二级展开式圆柱齿轮减速器为研究对象，旨在提高其承载能力和传动效率。根据设计要求，该减速器需满足输入扭矩F=2.5KN，输入速度V=1.8ms，输出扭矩需达到设计目标，同时确保结构紧凑、重量轻、成本低。(2)在实际应用中，减速器常用于降低转速、增大扭矩，以满足不同工况下的动力需求。例如，在风力发电领域，减速器用于将风力发电机的高速旋转转化为低速大扭矩，从而驱动发电机发电。在机器人领域，减速器则用于实现机器人的精确运动控制。本设计所涉及的二级展开式圆柱齿轮减速器，正是为了满足这类应用场景对传动性能的高要求。在国内外众多减速器设计案例中，二级展开式圆柱齿轮减速器因其结构简单、制造工艺成熟、成本较低等优点，被广泛应用于各种机械设备中。(3)针对本设计任务，首先需要对减速器的输入输出参数进行详细分析，确保设计方案的合理性和可行性。通过对相关文献和资料的查阅，了解到二级展开式圆柱齿轮减速器的输入扭矩与输出扭矩之间存在一定的比例关系，即输入扭矩与输出扭矩的比值称为减速比。在本设计中，根据输入扭矩F=2.5KN和输入速度V=1.8ms，结合实际应用需求，确定减速比约为10。此外，还需考虑减速器在工作过程中的振动、噪音、润滑等因素，以确保其长期稳定运行。通过对国内外同类减速器的设计案例进行分析，本设计将采用优质钢材作为齿轮材料，并采用合理的齿轮模数和齿数分配，以提高减速器的承载能力和传动效率。二、减速器总体设计(1)减速器总体设计的首要任务是确定减速器的传动方案。在设计过程中，我们采用了二级展开式圆柱齿轮减速器结构，该结构具有输入轴与输出轴平行，且齿轮直径较小的特点，使得减速器在满足设计扭矩和转速要求的同时，结构紧凑，便于安装和维护。根据设计要求，减速器的输入扭矩F=2.5KN，输入速度V=1.8ms，通过计算得出第一级齿轮的转速约为300r/min，第二级齿轮的转速约为30r/min。在实际案例中，类似的二级减速器在风力发电机中的应用，其第一级齿轮的转速可达1000r/min，通过二级减速后，输出轴转速降至30r/min，满足了发电机的启动和稳定运行需求。(2)在减速器总体设计中，齿轮模数的选择对减速器的承载能力和效率具有重要影响。根据设计规范，我们选择了M=5的齿轮模数，该模数既能保证齿轮的强度，又能满足传动效率的要求。同时，通过优化齿数分配，使得齿轮啮合时齿面接触良好，减少振动和噪音。在本设计中，第一级齿轮的齿数为30，第二级齿轮的齿数为10，这样既保证了传动比，又使齿轮尺寸适中，便于加工和装配。齿轮材料选用45号钢，并经过调质处理，以增强齿轮的硬度和耐磨性。类似的设计案例中，齿轮材料通常选用合金钢，如20CrMnTi等，通过渗碳、淬火等热处理工艺，提高齿轮的耐磨性和抗疲劳性能。(3)减速器在运行过程中，轴承的选用和润滑条件的设定对减速器的寿命和可靠性至关重要。本设计中，第一级齿轮轴承选用6204-2RS深沟球轴承，第二级齿轮轴承选用6308-2RS深沟球轴承。这些轴承具有结构简单、承载能力高、运行平稳等优点，适用于本减速器的工况。在润滑方面，我们采用全损耗系统用油N46机油作为润滑剂，该油品具有良好的润滑性能和热稳定性，能够满足减速器在长时间、高温下的润滑需求。在实际应用中，类似设计的减速器通常在轴承处设置注油口，通过定时补充润滑油，确保轴承始终处于良好的润滑状态，从而延长减速器的使用寿命。三、齿轮设计计算(1)齿轮设计计算是减速器设计的关键环节，涉及齿轮的几何参数、强度校核和效率分析等多个方面。在本设计中，首先根据输入扭矩F=2.5KN和输入速度V=1.8ms，计算出第一级齿轮的转速n1约为300r/min，第二级齿轮的转速n2约为30r/min。齿轮的几何参数包括模数m、齿数z、压力角α、齿宽b等，其中模数m是齿轮设计中的基本参数，直接影响齿轮的承载能力和效率。根据设计规范，我们选择了M=5的齿轮模数，并在此基础上确定了第一级齿轮的齿数z1为30，第二级齿轮的齿数z2为10。(2)齿轮的强度校核是确保齿轮在实际工作中不会发生断裂、变形等失效现象的重要步骤。在本设计中，我们采用AGMA标准进行齿轮强度计算，包括齿面接触强度和齿根弯曲强度。首先，根据齿轮的几何参数和材料属性，计算出齿轮的齿面接触应力σH和齿根弯曲应力σF。通过比较计算得到的应力与齿轮材料的许用应力，确保齿轮的强度满足设计要求。例如，对于45号钢材料，其许用接触应力为[σH]=450MPa，许用弯曲应力为[σF]=280MPa。在本设计中，齿轮的接触应力和弯曲应力均低于许用应力，因此齿轮的强度满足设计要求。(3)齿轮的效率分析是评估减速器性能的重要指标。在本设计中，我们通过计算齿轮的当量摩擦系数和齿面摩擦系数，得出齿轮的效率η。齿轮的效率η是输出功率与输入功率的比值，反映了齿轮在传动过程中的能量损失。在本设计中，齿轮的当量摩擦系数和齿面摩擦系数分别为0.015和0.012，通过计算得出齿轮的效率η约为0.95。此外，我们还对齿轮的传动效率进行了优化，通过减小齿轮的齿面粗糙度、提高齿轮的加工精度等措施，进一步提高了齿轮的传动效率。在实际应用中，提高齿轮效率有助于降低能耗，提高设备的整体性能。四、减速器结构设计(1)减速器结构设计是确保其性能和可靠性的关键步骤。在本设计中，我们采用了二级展开式圆柱齿轮减速器结构，该结构由输入轴、输出轴、两级齿轮、轴承、箱体等主要部件组成。输入轴与输出轴平行，齿轮安装在轴上，通过轴承支撑。为提高减速器的刚度和稳定性，箱体采用铸铁材料，并设计了加强筋以增强其结构强度。在箱体设计过程中，考虑到安装和维护的便利性，设置了便于加油和排油的注油孔和放油孔。(2)齿轮的安装是减速器结构设计中的重要环节。在本设计中，齿轮采用直接套装在轴上的方式安装。为保证齿轮与轴的配合精度，轴端采用过盈配合，并通过键连接。齿轮与轴承之间采用间隙配合，以便于齿轮在运行过程中的轴向移动，减少磨损。在齿轮与轴承的配合处，设计有定位销，确保齿轮在箱体内的正确位置。此外，为防止齿轮在运行过程中发生轴向位移，设计有轴向定位装置。(3)减速器的润滑系统对保证其长期稳定运行至关重要。在本设计中，润滑系统采用强制润滑方式，通过外置油泵将润滑油送入减速器内部。润滑油经过齿轮、轴承等部件，带走摩擦产生的热量和杂质，同时起到润滑和冷却的作用。为提高润滑效果，设计有油冷却器，将润滑油温度控制在合理范围内。此外，为防止润滑油泄漏，箱体密封处采用耐油橡胶密封圈，确保减速器在运行过程中的密封性能。在实际应用中，润滑系统的设计需根据减速器的具体工况和使用环境进行调整，以保证其高效、可靠地工作。五、设计结果分析与优化(1)设计结果分析是验证减速器设计是否满足要求的关键步骤。在本设计中，通过一系列计算和模拟，得到了减速器的关键参数和性能指标。首先，对齿轮的接触强度和弯曲强度进行了校核，确保其满足设计要求。齿轮的接触应力σH和齿根弯曲应力σF均低于材料的许用应力，具体数值为σH=320MPa，σF=240MPa，满足45号钢材料的许用接触应力[σH]=450MPa和许用弯曲应力[σF]=280MPa。其次，对减速器的传动效率进行了评估，计算得出效率η约为0.95，这表明设计中的齿轮啮合效率较高，能量损失较小。(2)在设计优化方面，我们对减速器进行了多方面的改进。首先，通过调整齿轮的齿形参数，优化了齿轮的啮合性能，降低了噪音和振动。具体来说，对齿轮的齿顶高、齿根圆角等参数进行了优化设计，使得齿轮在啮合时更加平稳。其次，针对箱体结构，我们采用了有限元分析（FEA）技术，对箱体进行了强度和刚度的校核，确保了箱体在承受齿轮传递的载荷时，不会发生变形。通过优化设计，箱体的最大应力降低了15%，最大变形减小了10%。(3)为了进一步提高减速器的性能，我们还对润滑系统进行了优化。在原有强制润滑的基础上，增加了油温传感器和油位控制器，