机械设计综合课程设计(一级蜗轮蜗杆减速器).doc

设计原理与方法综合训练计算说明书 一级蜗轮蜗杆减速器设计姓名 学号 设计地点 指导教师 日期 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11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=3000N，运输带工作速度V=0.8m/s，滚筒直径D=400mm。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：摘 要通过这段时间的独立计算并绘制装配及零件图，我学习到了很多东西。比如学习如何进行机械设计，了解机械传动装置的原理及参数搭配。学习运用工具，直观的呈现在平面图上。通过对蜗杆减速器的设计，对蜗杆减速器有个简单的了解与认知。减速器是机械传动装置中不可缺少的一部分。机械传动装置在不断的使用过程中，会不同程度的磨损，因此要经常对机械予以维护和保养，延长其使用寿命，高效化的运行，提高生产的效率，降低生产的成本，获得最大的使用效率。通过对减速器的简单了解，开始学习设计齿轮减速器，尝试设计增强感性认知和对社会的适应能力，及进一步巩固已学过的理论知识，提高综合运用所学知识发现问题、解决问题，以求把理论和实践结合一起，为以后的工作和更好的学习积累经验。计算部分：1电机选择1：工作机所需输入功率Pw = Fv/1000= 3000*0.8/1000 = 2.4 kw所需电动机的输出功率hPd = Pw/a= 3.48 Kw传递装置总效率a=1*3*4*5=0.69式中：蜗杆的传动效率0.8 （此处选用双头蜗杆，效率初估值为0.8）：每对轴承的传动效率0.98：链条的传动效率0.965：联轴器的效率0.99：卷筒的传动效率0.96因载荷轻微振动，实际效率应该稍高于假设效率，电动机即可， 故选电动机的额定功率为4kw2;确定电机转速： = 60*1000v/D =38.197 = 1500/ 38.197=39.270= 2.6*15 = *符合这一要求的同步转速为1500r/min的电机，故选择：电动机 Y112M-4。 额定功率 ：4Kw满载转速 ：1440 r/min2选择传动比2.1总传动比 = 1450/38.197 =37.670 = *2.2减速装置的传动比分配 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。所以 =15 =2.53各轴的参数将蜗轮蜗杆减速器的蜗杆轴和涡轮轴依次定为I轴和II轴，则：3.1各轴的转速 = 1440 r/min = = 91.7r/min3.2各轴的功率 输入：轴 P1 = * = 3.48 * 0.99 = 3.44 Kw轴 P2 = * * * = 3.48* 0.99 * 0.98 *0.8 = 2.70 Kw输出： P1 = 3.44 *0.98=3.37KwP2 = 2.70*0.98=2.64Kw3.3各轴的转矩 输入：轴 T1 = 9550 = 9550 *3.48*0.99/1440 =22.8 N*m轴 T2 = 9550 = 9550 *3.48*0.99*0.98*0.8/97.7 =281.0 N*m输出：T1 = 22.4N*mT2 = 275.4N*m4.蜗轮蜗杆的选择 P = 3.48 Kw n = 1400 r/min i = 15 4.1选择蜗轮蜗杆的传动类型根据GB/T 10085-1988，拟采用阿基米德蜗杆（ZA）根据GB/T100851998 选择Z1 = 2 ;4.2选择材料蜗杆选45钢，齿面要求表面淬火，硬度为45-55HRC.蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1 , 金属模制造。为了节约材料齿圈选青铜，而轮芯用灰铸铁HT200制造4.3按计齿面接触疲劳强度计算进行设（1）根据闭式蜗杆传动的设计进行计算，先按齿面接触疲劳强度计进行设计，再校对齿根弯曲疲劳强度。由文献1P254式（11-12）， 传动中心距由 前面的设计知作用在蜗轮上的转矩T2，按Z=2 ，估取=0.8，则： T2 = 9550 = 9550 *3.48*0.99*0.98*0.8/1440 =281003 Nmm（2）确定载荷系数 因有轻微震动，由表9-10选取使用系数 = 1.25 ； （3）确定弹性影响系数因选用的是45钢的蜗杆和蜗轮用ZCuSn10P1匹配的缘故，有（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径 和中心距的比值，从图10-9中可查到（5）确定许用接触应力根据选用的蜗轮材料为ZCuSn10P1，金属模制造，蜗杆的螺旋齿面硬度45HRC，可从表10-4中查蜗轮的基本许用应力 = 220 MPa应力循环次数N = 60k = 60*1440/15*1.25*16*300*10 = 20.58* (双班制时间=2830010） 寿命系数 = 0.693再按P = 3.48 Kw ,由图10.10查得 = 3.8m/s ,采用油浴润滑。再由图10.11查得滑动速度影响系数 = 0.92,则许用接触应力 = * = 0.92* 0.693* 220 = 140.328（6）计算中心距: = 149.04(7) 校核 和 取a=160mm，由 i=15，则从表10-1中查取，模数m=8蜗杆分度圆直径 分度圆导程角 =54238。这时 / a = 0.5；从图中10-9中可查 = 2.6，由于，即符合要求。 = d n/(1000*60*cos54238) = 6.06 m/s ；由图10.11 查得 = 0.92；修正的 = 156.062MPa, 复算中心距 a = 156.02 < 160 。因此计算结果可用。4.4蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（1）蜗杆轴向尺距 = 25.133mm直径系数q= =10齿顶圆直径 齿根圆直径 分度圆导程角 蜗杆轴向齿厚蜗杆的法向齿厚（2）蜗轮 蜗轮齿数 = 31, 变位系数 验算传动比i = = 31/2 = 15.5 ，这时传动比误差为：(15.5-15)/15 = 0.033 < 0.05，故在误差允许值内。蜗轮分度圆直径 = m = 240 mm喉圆直径 248mm 齿根圆直径 = (328-2*1.2*8) = 228.8mm咽喉母圆半径 =36mm 。4.5验算总效率根据滑动速度=6.06m/s等，由课本表10-6得 -总效率 取=0.95，则 =0.95=0.793实际总效率=0.990.980.7930.9650.96=0.684复算需要的电机输出功率 kw=3.51kw于是，预选Y型电机Y1114M-4的额定功率4kw3.51kw，该电机可用。（2） 工作油温1） 箱体散热面积估计S=9=9=1.253 2） 实际面积S=0.312*0.45*2+0.239*0.45*2+0.239*0.312=0.573） 需要散热面积S=1.074） 工作油温 取=20，=15 =64.66>60故在装配图中加散热片和风扇4.6精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，蜗轮精度选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f GB/T10089-1988。然后由有关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，此处从略。详细情况见零件图。5链传动的设计 P=/ = 2.4/（0.965*0.98*0.96）= 4.5559 KW ，N = 91.7r/min， i = 2.55.1 链条齿数由表12.8 选取 Z1=26;则，大链轮齿数 = 2.5*26= 65 ，故取 65 则，实际转动比 i = 65/26 = 2.5，误差远小于 0.05，故允许;5.2链条节数 初步定中心距 a = 40p。由式12.11，得： =126.5 取链条数为偶数，则=126 5.3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 = 25.4 mm;5.4 实际中心距 由公式 =580.5mm5.5 选择润滑方式 按16A链，V=1.057m/s，由课本图12-17查得应采用滴油润滑（2区）。按照16A链，由图12.17 查得应该采用油浴或飞溅润滑（3区）。5.6 作用在轴上的压力 如前所述，取,则 ： 如前所述，取F=1000P/V=10005.24/1.057=4959N5000N6.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/ =22.8Nm =9.55/ =281Nm =9.55/ =637.8Nm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03.4422.81440蜗杆轴13.3722.4144010.99蜗轮轴22.7.281.096150.8滚筒轴32.5625.038.22.40.9657.轴的设计计算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48mm。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(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 =20.6MPa 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28mm。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（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=22.8Nm根据GB/T 5843-1997，选用J型联轴器，根据孔径28mm。由于与电动机轴径完全相等，转速又低，转矩又小，故有很多种联轴器均可选用。如可选用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32010滚动轴承，组成两个固定端，其尺寸为与其配合的轴段的轴径为50mm，查手册配合为k6。与其配合的轴段的轴径为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。8.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30210。查手册得 =73.2KN；=72KN由表17-8得 =1.2（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 =183N =513N =455N擦手册得Y=1.4；=183N=163N(2) 、计算轴承所受轴向载荷因为 分析得知，轴承被压紧，轴承被放松。由此可得=183N =742N(3) 、计算当量动载荷 查手册知系数e=0.42轴承 =0.357<0.42则有手册知615.6N轴承 =1.63>0.42则由手册知()=1491N（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 = = =78793335h14400h所选轴承30210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=56mm，L=60mm 查设计手册选用A型平键，得：b=16 h=10 L=45即：l=L-b=44mm T2=281000Nmm 根据课本公式得p=4T2/dhl=4281000/601031MPAa=60MPa<p(110MPa)该键可靠强度达标。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=28mm，L=40mm 查设计手册选用A型平键，得：b=12 h=8 L=30即：l=L-b=28mm T2=22800Nmm 根据课本公式得p=4T2/dhl=422800/28831MPAa=13MPap(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=605000Nmm 根据课本公式得p=4T2/dhl=4605000/701280MPAa=36MPap(110MPa)强度达标。10.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：22.8N.m由课本表18-1查得=1.1。故计算转矩为：=1.122.8=25Nm3、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=28mm，即轴伸直径为28mm 。11.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。因为是下置式蜗杆减速器，且其传动的圆周速度，故蜗杆采用浸油润滑，取浸油深度h=12mm；润滑油使用50号机械润滑油。蜗杆轴承采用润滑油润滑，涡轮轴承使用润滑脂润滑，因为轴承转速v<1500r /min，所以选择润滑脂的填入量为轴承空隙体积的1/2。在试运转过程中，所有联接面及轴伸密封处都不允许漏油。剖分面允许涂以密封胶或水玻璃，不允许使用任何碘片。轴伸处密封应涂上润滑脂。 当然，涡轮轴承处需要密封圈，防止润滑脂流失。12拆装和调整的说明在安装调整滚动轴承时，必须保证一定的轴向游隙，因为游隙大小将影响轴承的正常工作。在安装齿轮或蜗杆蜗轮后，必须保证需要的侧隙及齿面接触斑点，侧隙和接触斑点是由传动精度确定的，可查手册。当传动侧隙及接触斑点不符合精度要求时，可以对齿面进行刮研、跑合或调整传动件的啮合位置。也可调整蜗轮轴垫片，使蜗杆轴心线通过蜗轮中间平面。13减速箱体的附件说明机座和箱体等零件工作能力的主要指标是刚度，箱体的一些结构尺寸，如壁厚、凸缘宽度、肋板厚度等，对机座和箱体的工作能力、材料消耗、质量和成本，均有重大影响。但是由于其形状的不规则和应力分布的复杂性，未能进行强度和刚度的分析计算，但是可以根据经验公式大概计算出尺寸，加上一个安全系数也可以保证箱体的刚度和强度。箱体的大小是根据内部传动件的尺寸大小及考虑散热、润滑等因素后确定的。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 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） =425000=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 = =56.760油温正常，设计可用。3） 润滑油牌号的选取计算力-速度因子=47.2N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6.06m/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。14.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.铸造箱体，材料HT150。3、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。设计小结连续4周的一级蜗轮蜗杆减速器设计让我受益匪浅。机械设计课程设计是机械设计课程的一个重要环节，它可以让我们进一步巩固和加深学生所学的理论知识，通过设计把机械设计及其他有关先修课程（如机械制图、理论力学、材料力学、热力学等）中所获得的理论知识在设计实践中加以综合运用，使理论知识和生产实践密切的结合起来。而且，本次设计是我们学生首次进行完整综合的机械设计，它让我树立了正确的设计思想，培养了我对机械工程设计的独立工作能力；让我具有了初步的机构选型与组合和确定传动方案的能力；为我今后的设计工作打了良好的基础。第一阶段，设计计算阶段。在这一阶段中在老师的开题讲座中，我明白了我们本课程设计要设计什么，那一阶段该干些什么。在设计计算阶段中，我遇到了最大的一个问题就是蜗轮的传动比分配不合理。在这问题直接导致了我重新分配传动比，再次对减速器的各个零件的设计及选用。第二阶段，减速器装配图草图绘制阶段。在这一阶段我们主要要根据我们之前的计算实现在图纸上，要确定箱体的大小，以及各个零件该安装在箱体的那个位置上。在老师的帮助下，我也参考了书籍资料，最终毫不费力的把草图绘制出来了。第三阶段，用CAD绘制装配图和零件图。由于前两个阶段我做的比较仔细所以各个零件的尺寸我很快的就绘制了出来，但是由于工程制图的很多相关知识的遗忘，在绘制标准件和减速器附件时不是很顺利，要不停的去看书和查尺寸。但是经过我废寝忘食的绘制，最后这个难关也被我攻克了。第四阶段，减速器设计说明书的书写。在这一阶段中，由于个零件图和装配图，与我最初的设计计算有一些出入，所以很多数据又进行了再计算。但是当我把说明书在word中体现出来后，文章的排版是一个很繁琐而又复杂的难题，按照老师的版面要求，最后把说明书排成了老师要求的版式。通过本次课程设计，还提高了我的计算和制图能力；我能够比较熟悉地运用有关参考资料、计算图表、手册、图集、规范；熟悉有关的国家标准和行业标准（如GB、JB等），获得了一个工程技术人员在机械设计方面所必须具备的基本技能训练。感谢我的指导老师钱瑞明老师的无私帮助和同学之间的互助，当一份比较像样的课程设计完成的时候，我的内心无法用文字来表达。几天以来日日夜夜的计算与绘图和在电脑前编辑排版说明书，让我感觉做一个大学生原来也可以这么辛苦。但是，所有的这一切，都是值得的，她让我感觉大学是如此的充实。参考文献【1】、吴克坚、于晓红、钱瑞明主编 机械设计 -北京：高等教育出版社， 2003.3【2】、王之栎、吴大康主编 机械设计综合课程设计 2版 -北京：机械工业出版社， 2007.8【3】、杨世铭、陶文铨主编 传热学 4版 -北京：高等教育出版社，2006.8（2010重印）【4】、 龚桂义、潘沛森、陈秀、严国良主编机械设计课程设计图册 -北京：高等教育出版社，1989.5（2010重印）