机械设计课程设计.ppt

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1、机械设计课程设计任务书,一、设计题目(18.2) 运送原料的带式运输机用的圆柱齿轮减速器。设计内容：根据给定的工况参数，选择适当的电动机、选取联轴器、设计V带传动、设计一(两)级齿轮减速器（所有的轴、齿轮、轴承、减速箱体、箱盖以及其他附件）和与输送带连接的联轴器。,二、传动简图,图18.18 传动方式,三、原始数据 运输带拉力F=（N） 运输带速度V= （m/s） 滚筒直径D= （mm） 滚筒及运输带效率=0.94。工作时，载荷有轻微冲击。事内工作，水分和颗粒为正常状态，产品生产批量为成批生产，允许总速比误差4%，要求齿轮使用寿命为10年，二班工作制，轴承使用寿命不小于15000小时，试设计齿

2、轮减速器（两级）。,四、设计工作量及要求 每个同学独立利用手工或计算机绘制（使用autoCAD绘制）完成总装图一张（一号图纸），高速轴、低速大齿轮和箱盖零件图各一张（二号或三号图纸）、设计计算说明书一份。设计内容包括电机和联轴器选用，轴承选用与校核，V带、齿轮、轴、齿轮箱设计（包括V带、轴、齿轮的校核）。具体内容参见机械设计课程设计一书14-18章。,请参考下列文献： 朱文坚、黄平：机械设计课程设计，广州：华南理工大学出版社 机械零件设计手册，北京：冶金工业出版社 机械零件设计手册，北京：化学工业出版社,第14章机械系统传动装置设计 由于原动机的输出转速、转矩、运动形式往往和工作机的要求不同，

3、因此需要在它们之间加入传动系统装置。由于传动装置的选用、布局及其设计质量对整个设备的工作性能、重量和成本等影响很大，因此合理地拟定传动方案具有重要的意义。机械系统传动装置设计的内容包括：确定传动方案、选定电动机型号、计算总传动比和合理分配各级传动比、计算传动装置的运动和动力参数。,14.2传动方案的确定 为了满足某一工作机的性能要求，可采用不同的传动机构、不同的组合和布局，在总传动比保持不变的情况下，还可按不同的方法分配各级传动的传动比，从而得到多种传动方案以供分析、比较。合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传递功率的大小、转速和运动形式。此外还要适应工作条件（工作环境、场地、工作制度

4、等），满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性好、成本低等要求。,图14.1是电动铰车的三种传动方案。其中：方案a采用二级圆柱齿轮减速器，适合于繁重及恶劣条件下长期工作，使用与维护方便，但结构尺寸较大；方案b采用蜗轮蜗杆减速器，结构紧凑，但传动效率较低，长期连续使用不够经济；方案c用一级圆柱齿轮减速器和开式齿轮传动，成本较低，但使用寿命较短。从上述分析可见，虽然这三种方案都能满足电动铰车的功能要求，但结构、性能和经济性都不同，要根据工作条件要求来选择较好的方案。,图14.1电动绞车传动方案简图 1-电动机；2、5-联轴器；3-制动器；4-减速器；6-卷筒；7-轴承；8

5、-开式齿轮,为了便于设计时选择传动装置，表14.1列出了常用减速器的类型及特性，表A.6列出了各种机械传动的传动比。,若课程设计任务书中已提供了传动方案，则应对该方案的可行性、合理性及经济性进行论证，也可提出改进性意见并另行拟定方案。,14.3电动机的选择 电动机的选择应在传动方案确定之后进行，其目的是在合理地选择电动机类型、功率和转速的基础上，具体确定电动机型号。 1.选择电动机类型和结构型式 电动机类型和结构型式要根据电源（交流或直流）、工作条件和载荷特点（性质、大小、起动性能和过载情况）来选择。,工业上广泛使用三相异步电动机。对载荷平稳、不调速、长期工作的机器，可采用鼠笼式异步电动机。Y

6、系列电动机为我国推广采用的新产品，它具有节能、启动性能好等优点，适用于不含易燃、易爆和腐蚀性气体的场合以及无特殊要求的机械中。对于经常起动、制动和反转的场合，可选用转动惯量小、过载能力强的YZ型、YR型和YZR型等系列的三相异步电动机。,电动机的结构有开启式、防护式、封闭式和防爆式等，可根据工作条件选用。同一类型的电动机又具有几种安装型式，应根据安装条件确定。 2. 确定电动机的功率 电动机的功率选择是否恰当，对整个机器的正常工作和成本都有影响。所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。功率小于工作要求的功率，则不能保证工作机正常工作，或使电动机长期过载、发热大而过早损坏；但功率过大，

7、,则增加成本，并且由于效率和功率因数低而造成浪费。电动机的功率受运行时发热条件限定，由于课程设计中的电动机大多是在常温和载荷不变（或变化不大）的情况下长期连续运转，因而在选择其功率时，只要使其所需的实际功率（简称电动机所需功率）Pd不超过额定功率Ped，即可避免过热。即使PedPd。,1)工作机主轴所需功率 若已知工作机主轴上的传动滚筒、链轮或其他零件上的圆周力（有效拉力）F(N）和圆周速度（线速度v(m/s),则在稳定运转下工作机主轴上所需功率Pw按下式计算：,(14.1),若已知工作机主轴上的传动滚筒、链轮或其他零件的直径D(mm)和转速n（r/min)，则圆周速度v按下式计算：,(14.

8、2),若已知工作机主轴上的转矩T(Nm)和转速n (r/min),则工作机主轴所需功率Pw按下式计算：,(1.3),有的工作机主轴上所需功率，可按专业机械有关的要求和数据计算。 2)电动机所需功率 电动机所需功率Pd按下式计算：,(14.4),式中：Pw -工作机主轴所需功率，kW；由电动机至工作机主轴之间的总效率。,总效率按下式计算：,(14.5),式中1，2，n分别为传动装置中每一传动副（齿轮、蜗杆、带或链）、每对轴承、每个联轴器的效率，其概略值见表A.7。w为工作机的效率。,计算总效率时，要注意以下几点： (1)选用表A.7数值时，一般取中间值。如工作条件差、润滑不良时，应取低值；反之取

9、高值。 (2)动力每经过一对运动副或传动副，就有一次功耗，故在计算总效率时，都要计入。 (3)表A.7中齿轮、蜗杆、带与链的传动效率未计入轴承效率，故轴承效率须另计。表中轴承效率均指一对轴承的效率。,3.确定电动机的转速 同一功率的异步电动机有3000r/min、1500r/min、 1000r/min,750r/min等几种同步转速。一般来说，电动机的同步转速愈高，则磁极对数愈少，外廓尺寸愈小，价格愈低；反之，转速愈低，外廓尺寸愈大，价格愈高。因此，在选择电动机转速时，应综合考虑与传动装置有关的各种因素，通过分析比较，选出合适的转速。一般选用同步转速为1000r/min和1500r/min的

10、电动机为宜。,根据选定的电动机类型、功率和转速，可由表K.1和表K.2查出电动机的具体型号和外形尺寸。后面传动装置的计算和设计工作，就按照已选定的电动机型号的额定功率Ped、满载转速n,、电动机的中心高度、外伸轴径和外伸轴长度等条件来进行。,14.4计算总传动比和分配各级传动比 根据电动机的满载转速nm和工作机主轴的转速nw，传动装置的总传动比按下式计算： i=nm/nw（14.6) 总传动比i为各级传动比的连乘积，即 i=i1i2.in 总传动比的一般分配原则： (1)限制性原则。各级传动比应控制在表A.6给出的常用范围以内。采用最大值时将使传动机构尺寸过大。,(2)协调性原则。传动比的分配

11、应使整个传动装置的结构匀称、尺寸比例协调而又不相互干涉。如传动比分配不当，就有可能造成V带传动中从动轮的半径大于减速器输入轴的中心高、卷筒轴上开式齿轮传动的中心距小于卷筒的半径、多级减速器内大齿轮的齿顶与相邻轴的表面相碰等情况。,(3)等浸油深度原则。对于展开式双级圆柱齿轮减速器，通常要求传动比的分配应使两个大齿轮的直径比较接近，从而有利于实现浸油润滑。由于低速级齿轮的圆周速度较低，因此其大齿轮的直径允许稍大些（即浸油深度可深一些）。其传动比分配可查图14.2。,(4)等强度原则。在设计过程中，有时往往要求同一减速器中各级齿轮的接触强度比较接近，以使各级传动零件的使用寿命大致相等。若双级减速器

12、各级的齿宽系数和齿轮材料的接触疲劳极限都相等，且两级中心距之比a2/a1=1.1,则通用减速器的公称传动比可按表14.2搭配。,图14.2两级圆柱齿轮减速器传动比分配,(5)优化原则。当要求所设计的减速器的重量最轻或外形尺寸最小时，可以通过调整传动比和其他设计参数（变量），用优化方法求解。上述传动比的搭配只是初步的数值。由于在传动零件设计计算中，带轮直径和齿轮齿数的圆整会使各级传动比有所改变，因此，在所有传动零件设计计算完成后，实际总传动比与要求的总传动比有一定的误差，一般相对误差控制在(3-5) %的范围内。,14.5传动装置的运动和动力参数计算 为了给传动件的设计计算提供依据，应计算各传动

13、轴的转速、输入功率和转矩等有关参数。 计算时，可将各轴由高速至低速依次编为0轴（电动机轴）、I轴、II轴，并按此顺序进行计算。 1计算各轴的转速 传动装置中，各轴转速的计算公式为：,（14.7）,式中：i0l、i12、i23分别为相邻两轴间的传动比；nm为电动机的满载转速。,2计算各轴的输入功率 电动机的计算功率一般可用电动机所需实际功率Pd作为计算依据，则其他各轴输入功率为：,（14.8）,式中：01、12、23分别为相邻两轴间的传动效率。,3计算各轴输入转矩 电动机输出转矩,其他各轴输入转矩为,（14.9）,（14.10）,第15章传动零件的设计计算和轴系零件的初步选择 15.1传动零件的

14、设计计算 传动装置零部件包括传动零件、支撑零部件和联接零件，其中对传动装置的工作性能、结构布置和尺寸大小起主要决定作用的是传动零件，支撑零部件和联接零部件都要根据传动零件的要求来设计。因此，一般应先设计传动零件，确定其尺寸、参数、材料和结构，为设计装配草图和零件工作图做准备。,传动零件包括V带传动、链结构、齿轮传动、蜗杆蜗轮传动等，传动零件的设计计算方法已在机械设计和机械设计基础教材中讲述，这里不再重复。 15.2轴系零件的初步选择 轴系零件包括轴、联轴器、滚动轴承等。轴系零件的选择步骤如下：,1初估轴径 当所计算的轴与其他标准件（如电机轴）通过联轴器相连时，可直接按照电机的输出轴径或相连联轴

15、器的允许直径系列来确定所计算轴的直径值。当所计算的轴不与其他标准件相连时，轴的直径可按扭转强度进行估算。初算轴径还要考虑键槽对轴强度的影响，当该段轴截面上有一个键槽时，d增大5；有两个键槽时，d增大10%，然后将轴径圆整为标准值。按扭转强度计算出的轴径，一般指的是传递转矩段的最小轴径，但对于中间轴可作为轴承处的轴径。,初估出的轴径并不一定是轴的真实直径。轴的实际直径是多少，还应根据轴的具体结构而定，但轴的最小直径不能小于轴的初估直径。 2选择联轴器 选择联轴器包括选择联轴器的型号和类型。 联轴器的类型应根据传动装置的要求来选择。在选用电动机轴与减速器高速轴之间连接用的联轴器时，由于轴的转速较高

16、，为减小起动载荷、缓和冲击，应选用具有较小转动惯量和有弹性元件的联轴器，如弹性套柱销联轴器等。,在选用减速器输出轴与工作机之间连接用的联轴器时，由于轴的转速较低，传递转矩较大，且减速器与工作机常不在同一机座上，要求有较大的轴线偏移补偿，因此常选用承载能力较强的无弹性元件的挠性联轴器，如鼓形齿式联轴器等。若工作机有振动冲击，为了缓和冲击，避免振动影响减速器内传动件的正常工作，可选用有弹性元件的联轴器，如弹性柱销联轴器等。,联轴器的型号按计算转矩、轴的转速和轴径来选择。要求所选联轴器的许用转矩大于计算转矩，还应注意联轴器两端毂孔直径范围与所联接两轴的直径大小相适应。,3初选滚动轴承 滚动轴承的类型

17、应根据所受载荷的大小、性质、方向、转速及工作要求进行选择。若只承受径向载荷或主要是径向载荷而轴向载荷较小，轴的转速较高，则选择深沟球轴承；若轴承同时承受较大的径向力和轴向力，或者需要调整传动件（如锥齿轮、蜗杆蜗轮等）的轴向位置，则应选择角接触球轴承或圆锥滚子轴承。由于圆锥滚子轴承装拆方便，价格较低，故应用最多。,根据初步计算的轴径，考虑轴上零件的轴向定位和固定要求，估计出装轴承处的轴径，再选用轴承的直径系列，这样就可初步定出滚动轴承型号。,设计实例 例题17-1设计某工厂螺旋输送机的传动装置。 设计的原始数据：输送物料为面粉，输送机螺旋直径D=0.3m,螺距p=0.24m，主轴转速n=90r/

18、min，连续单向运转，水平输送长度L=40m，载荷变动小，三班制，使用期限10年。 解： （一）输送机的输送量及功率计算 1输送量计算,按式（17-1)计算输送量： Q=47D2 pnC 式中，D=0.3m，p=0.24m，n=90r/min。 由表17-3，取=0.6104 N/m3；由表17-2取=0.36；由表17-4，因=0，取C=1.0。 代入各数值得 Q=20104 N/h 2计算功率 按式（17-2)计算输送机主轴上所需功率,式中，Q=20l04 N/h。 由表17-5取0=1.2；L1=L=40m；H=0。 代入各数值得 Pw=2.61 kW （二）传动装置的总体设计 1拟定传

19、动方案,图17-2螺旋输送机传动装置简图 1-电动机；2-V带传动；3-单级圆柱齿轮减 速器；4-联轴器；5-螺旋输送器,本传动装置采用普通V带传动和单级圆柱齿轮减速器，其传动装置如图17-2所示。 2选择电动机 （1)选择电动机类型 按工作条件和要求，选用Y系列三相异步电动机。 (2）选择电动机功率 按式（17-3)计算电动机所需功率,式中，取k=1.3；Pw=2.61kW；传动装置的总效率,l、2、3、4分别为V带传动、齿轮传动、滚动轴承、十字滑块联轴器的效率。由表A.7，取1=0.96；2=0.97；3=0.99；4=0.97。故,查表K.1，选取电动机的额定功率Ped= 4kW。 （3

20、)选择电动机转速 根据输送机主轴转速n及有关机械传动的常用传动比范围（见表A.6），取普通V带传动的传动比i1=24，单级圆柱齿轮减速器的传动比i2=36，可计算电动机转速的合理范围为,查表K.1，符合这一范围的电动机同步转速有750、1000,1500和3000r/min四种，现选用同步转速1500r/min,满载转速nm=1440r/min的电动机，由表K.2查得其型号和主要数据如下：,3.确定传动装置的总传动比及其分配 传动装置的总传动比,取V带传动比i1=3.2,则单级圆柱齿轮减速器的传动比为,4计算传动装置的运动和动力参数 （1)计算各轴输入功率 电动机轴 轴I（减速器 高速轴） 轴

21、II （减速器 低速轴）,（2）计算各轴转速 电动机轴 轴I 轴II,（3）计算各轴转矩 电动机轴 轴I 轴II,把上述计算结果列于下表：,三）传动零件的设计计算 1普通V带传动的设计计算 普通V带传动的设计计算可参考教材中相应内容。 V带轮的结构如图17-3所示。,图17-3 V带轮结构图,2齿轮传动设计 （1)选择齿轮类型、材料、精度及参数 选用斜齿圆柱齿轮传动。 选择齿轮材料；选取小齿轮材料为45号钢，调质，HBS1=230；大齿轮材料为ZG310-570，正火，HBS2=190。 选取齿轮为8级精度（GB 10095-1988）。 选小齿轮齿数z1=23，大齿轮齿数z2=uz1=i2z

22、1=523=115。 初选螺旋角=12。,(2）按齿面接触疲劳强度设计 (3)校核齿根弯曲疲劳强度 齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的计算请参阅教材内容。 (4）齿轮传动的几何尺寸计算（略） (5)齿轮结构设计 小齿轮采用齿轮轴结构，大齿轮采用辐板式结构。 大齿轮的结构如图17-4所示。,图17-4大齿轮结构图,四）减速器铸造箱体的主要结构尺寸。 按表16.6经验公式计算，其结果列于下表：,（五）轴的设计 1高速轴设计 （1)选择轴的材料 选取45号钢，调质，HBS=230。 (2）初步估算轴的最小直径 根据教材公式，取A0=110，得,(3)轴的结构设计，初定轴径及轴向尺寸 考虑带轮的结构

23、要求及轴的刚度，取装带轮处轴径dmin=30mm，按轴的结构要求，取轴承处轴径d=40mm，轴的装配草图如图17-5。,图17-5轴的装配草图,两轴承支点间的距离为,式中B1小齿轮齿宽，B1=65mm； 1箱体内壁与小齿轮端面的间隙，1=12mm; 2箱体内壁至轴承端面的距离，取2=10mm;B轴承宽度，初选6308型深沟球轴承，查表13-3得B=23mm。,代入上式得,带轮对称线至轴承支点的距离为,式中l2轴承盖的高度，,t-轴承盖凸缘厚度，t=1.2d4=1.28l0mm； k -轴承盖M8螺栓头的高度，查表得k=5.6mm； l3螺栓头端面至带轮端面的距离，取l3=15mm； B3带轮宽

24、度，B3=65mm。 代入上式得,(4）按弯扭合成应力校核轴的强度 绘出轴的计算简图 轴的计算简图如图17-6a所示。 计算作用在轴上的力 小齿轮受力分析 圆周力,径向力,轴向力,带传动作用在轴上的压力 Q=1147 N 计算支反力 水平面,垂直面,作弯矩图 水平面弯矩,垂直面弯矩,合成弯矩,作转矩图,作计算弯矩图 当扭转剪应力为脉动循环变应力时，取系数a=0.6，则,按弯扭合成应力校核轴的强度 轴的材料为45号钢，调质，查表得拉伸强度极限B=650MPa，对称循环变应力时的许用应力-1b=60MPa。 由计算弯矩图可见，A剖面的计算弯矩最大，该处的计算应力为,D剖面轴径最小，该处的计算应力为

25、,(5)精确校核轴的疲劳强度（略）。 (6）轴的结构图如图17-7所示。 2低速轴设计（从略）。,图17-7高速轴的结构图,（六）滚动轴承的选择和计算 滚动轴承的选择和计算见教材相应内容。 （七）键联接的选择和强度校核 1高速轴与V带轮用键联接 （1)选用单圆头普通平键（C型） 按轴径d=30mm及轮载长B3=65mm，查表10-1选键C863 (GB/T 1096-1979）。,（2）强度校核 键材料选用45号钢，V带轮材料为铸铁，查表得键联接的许用应力p=5060MPa，键的工作长度l=L-b/2=63-8/2=59mm，k=h/2=7/2=3.5mm。 挤压应力,安全。,2低速轴与齿轮用

26、键联接 （1)选用圆头普通平键（A型） 按轴径d=55mm及轮毅长B2=66mm，查表10-1选键1650（GB/T 1096-1979）。 （2）强度校核 键材料选用45号钢，齿轮材料为铸钢，查表得许用应力p=100-120MPa，键的工作长度l=L-b=56-16=40mm，k=h/2=10/2=5mm。 挤压应力,安全。 3低速轴与联轴器用键联接（从略）,（八）联轴器的选择和计算 联轴器的计算转矩 Tca=KATII 查表取工作情况系数KA=1.5，因前面在计算电动机功率时已考虑功率备用系数1.3，故计算转矩为,根据工作条件，选用十字滑块联轴器，查表15-4得十字滑块联轴器的许用转矩T=

27、500Nm，许用转速n=250r/min，配合轴径d=40mm，配合长度L1=70mm。,（九）减速器的润滑 齿轮传动的圆周速度v为,因v12m/s，所以采用浸油润滑，由表14-1，选用L-AN68全损耗系统用油（GB 443-1989），大齿轮浸入油中的深度约为1-2个齿高，但不应少于l0mm。,对轴承的润滑，因v2m/s，采用脂润滑，由表14-2选用钙基润滑脂L-XAANIHA2(GB 491-1987)，只需填充轴承空间的1/31/2,并在轴承内侧设挡油环，使油池中的油不能进入轴承以致稀释润滑脂。 （十）绘制装配图及零件工作图 减速器的装配图和零件工作图参考附录的参考图例，这里从略。,1

28、7.4编写设计计算说明书 设计计算说明书是设计过程的总结，是图纸设计的理论根据，也是审核设计的技术文件 之一，故它是设计工作的一个组成部分。 1说明书的内容 编写说明书的主要内容如下：,(1）目录（标题和页码）。 （2）设计任务书。 （3)传动装置的总体设计： 拟定传动方案； 选择电动机； 确定传动装置的总传动比及其分配； 计算传动装置的运动及动力参数。 （4)设计计算传动零件。 （5）设计计算箱体的结构尺寸。,（6)设计计算轴。 （7)选择滚动轴承及寿命计算。 （8）选择和校核键联接。 （9）选择联轴器。 （10）选择润滑方式、润滑剂牌号及密封件。 （11)设计小结（包括对课程设计的心得、体会、设计的优缺点及改进意见等）。 （12)参考资料（包括资料编号、作者、书名、出版单位和出版年月）。,