二级圆锥圆柱齿轮减速器

机械设计课程设计

机械设计课程设计

说明书

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日期：年月日

任务书

设计任务书

1、设计任务

设计带式输送机的传动系统，采用两级同轴式圆柱直齿齿轮减速器传动。

2、设计要求

（1）外形美观，结构合理，性能可靠，工艺性好；

（2）多有图纸符合国家标准要求；

（3）按毕业设计（论文）要求完成相关资料整理装订工作。

3、原始数据

（1）运输带工作扭矩 T=2300Nm

（2）运输带工作速度V=1.5m/s

(3)输送带滚筒直径 D=320mm

4、工作条件

工作经常载，空载起动，工作有轻震，不反转。单班制工作。运输带容许速度误差为5％。减速器为小批生产，使用期限10年，年工作300天。

确定传动方案

１．电动机２．联轴器３．圆锥齿轮减速器４．带式运输机

附图1

1、由于V带的传动工作平稳性好,具有过载保护作用,并具有缓冲吸振能力,所以选用V带传动;

2、圆锥齿轮传动结构紧凑且宽度尺寸较小传递的效率也高,所以减速器选择选择圆锥与圆柱齿轮;

3、考虑到制造成本与实用性,圆锥与圆柱齿轮都选用直齿.

传动方案简图如下:

目录

机械设计课程设计 (1)

说明书 (1)

0引言 (6)

第一章设计方案分析 (7)

1.1 选择电动机的类型和结构 (7)

1.2 确定电动机功率和型号 (7)

1.3传动比的计算与分配 (7)

1.4 各轴的转速，功率和转速 (8)

第二章传动零件设计计算 (9)

2.1 传动零件设计计算 (9)

2.2 选择齿轮材料，热处理方式及计算许用应力 (9)

2.3初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸 (10)

2.4 直齿圆柱齿轮的设计 (12)

第三章轴的设计 (17)

3.1低速轴的设计计算 (17)

3.2中间轴的结构设计计算 (20)

3.3高速轴的结构设计计算 (21)

第四章轴承的选择与校核 (23)

4.1高速圆锥齿轮轴轴承的校核 (23)

4.2中间轴轴承的选择与校核 (25)

4.3 低速直齿圆柱齿轮轴的选择与校核 (27)

第五章键的选择及计算 (29)

5.1高速圆锥齿轮轴的键联接的选择及计算 (29)

5.2中间轴系键联接的选择及计算 (29)

5.3低速斜齿圆柱齿轮轴的键联接的选择及计算 (29)

第六章密封及润滑 (31)

6.1齿轮的润滑 (31)

6.2滚动轴承的润滑 (31)

6.3润滑油的选择 (31)

6.4密封方法的选取 (31)

第七章设计小结 (32)

参考文献 (33)

致谢 (34)

机械设计课程设计

0引言

齿轮传动是现代机械中应用最广的一种传动形式。它的主要优点是：①瞬时传动比恒定、工作平稳、传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力；②适用的功率和速度范围广；③传动效率高，η=0.92-0.98；④工作可靠、使用寿命长；⑤外轮廓尺寸小、结构紧凑。由齿轮、轴、轴承及箱体组成的齿轮减速器,用于原动机和工作机或执行机构之间,起匹配转速和传递转矩的作用,在现代机械中应用极为广泛。

国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。

当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。近十几年来,由于近代计算机技术与数控技术的发展，使得机械加工精度，加工效率大大提高，从而推动了机械传动产品的多样化，整机配套的模块化，标准化，以及造型设计艺术化，使产品更加精致，美观化。

在21世纪成套机械装备中,齿轮仍然是机械传动的基本部件。CNC机床和工艺技术的发展,推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中的电子控制、液压传动、齿轮、带链的混合传动,将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。在传动设计中的学科交叉,将成为新型传动产品发展的重要趋势。

第一章 设计方案分析

1.1 选择电动机的类型和结构

因为装置的载荷平稳，长期工作，因此可选用鼠笼型异步电动机，电机结构简单，工作可靠，维护容易，价格低廉，、配调速装置，可提高起动性能。

1.2 确定电动机功率和型号

运输带机构输出的功率：

w P F V 2300N 1.5m/s 3.45kw =?=?=

传动系得总的效率：

4

4123450.990.980.950.960.960.8242ηηηηηη=????=????=

η1→联轴器的效率,取0.99 η2→滚动轴承效率,取0.98

η3→锥齿轮的(闭式8级精度)传动效率,取0.95 η4→圆柱直齿轮的效率,取0.96

η5→V 带传动效率,取0.97. 电机所需的功率为： w

d P 3.45

P 4kw 0.8242

η

=

=

= 由题意知，直齿锥形齿轮放在第一级，不宜传输过大的转矩，同功率的电机如下（Y112M-2，Y112-4，Y32M-6，Y160M1-8），选择Y132M1-6 比较合理，额定功率p=4kw,满载转速960/min.

1.3传动比的计算与分配

运输机的转速：nw=60v ／(πD)=1.5×60/(3.14×320×10-3)=89.52r/min 总传动比：i=960/89.52=10.84 取联轴器传动比：i 1=1

取高速级锥形齿轮传动比： i 2=3 直齿圆柱齿轮传动比：i 3=3.61

1.4 各轴的转速，功率和转速1 各轴的转速（r/min）：

n

1

=960

n 2=960/i

1

=960

n 3=384/i

2

=320

n 4=145.29/i

3

=89.52

2 各轴的输入功率（kw）

P 1=pη

5

η

2

=4×0.97×0.98=3.8

P 2= P

1

η

3

η

2

=3.8×0.95×0.98=3.54

P 3= P

2

η

4

η

2

=3.54×0.96×0.98=3.33

P 4= P

3

η

1

η

2

=3.33×0.98×0.99=3.232

3 各轴输入扭矩的的计算(N·MM)

T

1

=(9550×3.8/960)×103=113.4×103

T

2

=(9550×3.54/320)×103=211.29×103

T

3

=(9550×3.33/47.62)×103=667.82×103

将以上算得的运动和动力参数列表如下：

I轴II轴III轴转速（r/min）960 320 89.52

输入功率P（kw） 3.8 3.54 3.33

输入扭矩T

（N.MM）

113400 211290 667820 传动比（i） 3 3.57

效率（ ）0.95 0.96

第二章 传动零件设计计算

2.1 传动零件设计计算

因该例中的齿轮传动均为闭式传动，其失效形式主要是点蚀。 1. 要求分析 1) 使用条件分析 对于锥形齿轮主动轮有： 传动功率：p 1=3.8kw 主动轮转速：n 2=320 齿数比：1：2

圆周速度：估计v ≤4m/s 2)设计任务

确定一种能满足功能要求和设计约束的较好的设计方案； 包括：一组基本参数：12,,,,d m z z β? 主要基本尺寸：12,,d d a 等

2.2 选择齿轮材料，热处理方式及计算许用应力

1) 选择齿轮材料，热处理方式：

按使用条件属中速，低载，重要性和可靠性一般齿轮传动，可选用软面齿轮，也可选用硬齿面齿轮，本例选用软齿面齿轮并具体选用：

小齿轮：45钢。调质处理，硬度为230~255HBS ；大齿轮：45钢。正火处理，硬度为190~217HBS 。

2）确定许用应力

A: 确定极限应力lim H σ和lim F σ

齿面硬度：小齿轮按230HBS ，大齿轮按190HBS 。

查得lim1H σ=580Mpa, lim 2H σ=550 Mpa

查得lim1F σ=450Mpa, lim 2F σ=380Mpa

B: 计算应力循环次数N ，确定寿命系数k HN ，k FN N 1=60n 2jt=60×960×1×1×8×10×300=13.82×108

N 2=N 1/i 2=13.82×108/3.57=3.43×108 查得k HN1=1，k HN2=1 C ：计算接触许用应力

取min 1H S = m i n 1.4F S = 由许用应力接触疲劳应力公式 σHP1=σHlim1 k HN1/s Hmin =580×1/1=580MPa

σHP2=σHlim 2k HN2/ s Hmin =550×1/1=550MPa

查得k FE1=1 k FE2=1 σFp1=σFlim1 k FE1/S Flim =4500.85/1.4=273.21MPa σ

FP2=σFlim2 k FE2/ S Flim =3800.88/1.4=238.85 MPa

2.3初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸

1.选择齿轮的类型

根据齿轮的工作条件可选用直齿圆锥齿轮，也可选用斜齿轮圆锥齿轮，本例选择直齿圆锥齿轮（考虑到制造成本和实用性）

2.选择齿轮精度等级

按估计的圆周速度和功能条件要求选择8级精度。 3.初选参数

初选212126,26378Z Z Z i ==?=?= 120,0.3R x x ?=== 4.初步计算齿轮的主要尺寸

因电动驱动，有轻微震动，查得1A K =。 取 1.2, 1.2,1V K K K βα===

则载荷系数K 1 1.2 1.21 1.44A V K K K K βα==???=

因为为直齿圆锥齿轮，取变位系数X=0。查得材料的系数189.8E Z MPa = 由式，可初步计算出齿轮的分度圆直径1,d m 等主要参数。

()()2

1

3122

3312

2.9210.5189.8 1.4411

3.4102.925500.310.50.32102E Hp R R Z kT d u d mm

σ????= ?

?-???????

=? ????-??=

5.验算圆周速度m v

11(10.5)(10.50.3)10286.7m R d d ?=-=-??=

m v 12

3.1486.7320

1.5/601000

601000

m d n m s π??=

=

=??

与估计值近似，且不超过速度允许值。 6.确定主要传动参数 大端模数：11102 3.92326

d m z =

== mm 取模数：m=4mm 。 大端分度圆直径：

11426104d mz mm ==?= 22478302d mz mm ==?=

2210.510.510413116.3R d u =+=?+=

0.3116.334.89R b R ?==?= 取整：b=35mm 。 7.验算轮齿弯曲强度条件

因为齿形系数和应力修正系数按当量齿数cos v z

z δ=

算。其中 12

2

2cos 0.89112u u δ=

=

=++

22211cos 0.45112

u

δ=

=

=++

126

29.210.89

v z =

=

232

71.110.45

v z =

= 查齿形系数 1 2.53Fa Y = 2 2.24Fa Y = 应力修正系数 1 1.62Sa Y = 21.75Sa Y = 齿轮的工作应力：

11

1(10.5)t Fa sa F R K F Y Y bm σ????=

-

1

2t m T

F d =

11111312(10.5)

2 1.44113.410 2.5

3 1.62102354(10.50.3)110.3273

Fa sa F m R Fp K T Y Y d bm σ?σ???=

-?????=

??-?=<= 2221

11

21.75 2.24110.3

2.53 1.62

105.5239

Fa sa F F Fa sa Fp Y Y Y Y σσσ=?=?=<= 直齿轮圆锥齿轮的设计结果如下：

小齿轮 大齿轮 齿数z 26 78 直径d （mm ）

104 302 模数m 4

4

锥距R （mm ） 116.3 齿宽b （mm ）

35

2.4 直齿圆柱齿轮的设计

运输机为一般工作机器，速度不高故选用8级精度 小齿轮:45号钢.调质处理,齿面硬度取230HBS 大齿轮:45号钢.正火处理,齿面硬度取190HBS 选择小齿轮的齿数z 1＝20，

大齿轮齿数2Z ＝3.57×20＝67.2，取2Z =68

1.按照齿面接触强度设计

由设计计算公式进行试算，即

d t 1≥2.323

2

]

1)[(1H E d Z u u KT σφ+? 1) 确定公式内的各计算数值 试选载荷系数：K t ＝1.3 2)计算小齿轮传递的转矩

∏I ?=n P T 5

1105.95 =595.510 3.54

320

??=1.373×510N ?m

3)选取齿宽系数Φd ＝1

4)查得材料的弹性影响系数Z E =189.8Mpa 21

5)按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限σ1

lim H ＝660Mpa ；大齿轮的接

触疲劳强度极限σ

2

lim H ＝550Mpa 。

6)算应力循环次数。

N 1=60n 2jL h =60×160×1×(3×8×300×10)=6.912×108

N 2=8

6.912103.36

?=2.06×108

7)取接触疲劳寿命系数K 1HN ＝0.95；K 2HN ＝0.97 8)计算接触疲劳许用应力。

取失效概率为1％，安全系数S ＝1得

[σ

H ]1=

S K HN 1

lim 1σ=0.95×600Mpa=570Mpa [σH ]2=S

K HN 2lim 2σ

=0.97×550Mpa=533.5Mpa

9)试算小齿轮的分度圆直径d t 1，代入[σ

H

]中较小的值。

d t 1≥2.323

2

]

1)[(1H E d Z u u KT σφ+? ＝5

2

31.3 1.37310 4.36189.82.32()1 3.36533.5

???＝71.535mm

2)计算圆周速度v 。 V ＝

13

601000

t d n π?＝

71.535160

601000

π???＝0.6m/s

3)计算齿宽b 。

b ＝Φd ? d t 1＝1×71.535＝71.535mm 4）计算齿宽和齿高之比h

b 。 5)模数 m t ＝

1

1z d t

＝71.535/20＝3.577mm 6)齿高 h ＝2.25 m t ＝2.25×3.577＝8.04mm

h b ＝71.5358.04

＝8.09 7)计算载荷系数。

根据v ＝0.6m/s ，8级精度，由查得动载系数K v ＝0.8； 直齿轮， H K α＝F K α＝1； 查得使用系数A K ＝1.0

用插值法查得8级精度、小齿轮相对之承非对称布置时H K β＝1.411由h

b

＝8.89，H K β＝1.411查得F K β＝1.4；

故载荷系数： K ＝K A K V K H K αH K β＝1×0.8×1×1.411＝1.1288 8)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由得 d 1＝3

1t t K K d ＝31.128871.535 1.3

?＝76.566.mm 9)计算模数。

m ＝11z d ＝76.566

20

＝3.5mm

2按照齿根弯曲强度设计 得弯曲强度的设计公式为 m 3

2

11)]

[(2F Sa

Fa d Y Y z KT σφ≥

1)确定公式内的各计算数值 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σ1

FE ＝450Mpa ；大齿轮的弯曲强度极限

σ

2

FE ＝380Mpa

取弯曲疲劳寿命系数K 1FN ＝0.85, K 2FN ＝0.88； 2)计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数S ＝1.4得

[σ

F ]1＝

S K FE FN 11σ=0.85450

1.4?=273.21MPa [σF ]2=S K FE FN 22σ=0.88380

1.4

?＝238.86MPa

3)计算载荷系数K 。

K ＝K A K V H K αH K β＝1×0.8×1×1.4＝1.12 4)查取齿形系数。

查得 Y 1Fa ＝2.65；Y 2Fa ＝2.255 查取应力校正系数。 查得

Y 1Sa ＝1.58；Y 2Sa ＝1.748

5)计算大、小齿轮的][F Sa

Fa Y Y σ并加以比较。

111][F Sa Fa Y Y σ＝2.65 1.58

273.21?＝0.01532 222][F Sa Fa Y Y σ＝2.255 1.748

238.86

?＝0.0165 大齿轮的数值大。 6)设计计算

m 33

2

2 1.12 1.37310(0.0165)120

???≥?＝2.534mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m 的大小主要取决与弯曲所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，