环面式蜗轮蜗杆减速器设计

摘要

这篇毕业设计的论文主要阐述的是一套系统的关于环面蜗轮蜗杆减速器的设计方法。环面蜗轮蜗杆减速器是蜗轮蜗杆减速器的一种形式.这个方法是以加工过程和蜗轮减速器的使用条件的数学和物理公式为基础的。

在论文中，首先，对蜗轮蜗杆作了简单的介绍，接着，阐述了蜗轮蜗杆的设计原理和理论计算。然后按照设计准则和设计理论设计了环面蜗轮蜗杆减速器。接着对减速器的部件组成进行了尺寸计算和校核。该设计代表了环面蜗轮蜗杆设计的一般过程。对其他的蜗轮蜗杆的设计工作也有一定的价值。

目前，在环面蜗轮蜗杆减速器的设计、制造以及应用上，国内与国外先进水平相比仍有较大差距。国内在设计制造环面蜗轮蜗杆减速器过程中存在着很大程度上的缺点，正如论文中揭示的那样，重要的问题如：轮齿的根切；蜗杆毛坯的正确设计；蜗轮蜗杆的校核。

关键词：蜗轮蜗杆减速器, 蜗杆, 滚动轴承

Abstract

This graduation thesis on the design of the system is a ring on the surface of the worm reducer design method. Torus worm reducer worm reducer is a form of this method is worm reducer and processing conditions of the use of mathematical and physical basis of the formula. In the paper, first of all, the worm made a brief introduction, then the worm on the design principle and the theoretical calculation. Then in accordance with the design criteria and design theory designed toroidal worm reducer. Then the components of the reducer to the size of the calculation and verification. The design represents the torus worm general design process. On the other worm in the design work will have value.

At present, the torus worm reducer for the design, manufacture and application of domestic and foreign advanced level there are still large gaps between the comparison. Central China in the design and manufacture of worm reducer there is a process to a large extent the shortcomings, as revealed by the paper, important issues such as: cutting the root of the tooth; Worm rough the correct design of the worm check.

Key words: worm reducer, Worm, hoist, Rolling

目录

摘要……………………………………………………………………Abstract ………………………………………………………………

目录……………………………………………………………………

调研报告 (1)

第一章选定设计方案 (4)

第二章电动机的选择与计算 (4)

2.1 初选电动机类型和结构型式 (4)

2.2 电动机的容量 (4)

2.2.1 确定提升机所需的功率P

(4)

2.2.2确定传动装置效率 (5)

2.2.3电动机的技术数据 (6)

第三章传动装置的传动比及动力参数计算 (6)

3.1 传动装置运动参数的计算 (6)

3.1.1各轴功率计算 (6)

3.1.2各轴转速的计算 (6)

3.1.3各轴输入扭矩的计算 (7)

第四章减速器部件的选择计算 (7)

4.1 蜗杆传动设计计算 (7)

4.1.1 选择蜗杆、蜗轮材料 (7)

4.1.2 确定蜗杆头数Z1及蜗轮齿数Z2 (7)

4.1.3 验算滚筒的速度 (8)

4.1.4 确定蜗杆蜗轮中心距a (8)

4.1.5 蜗杆传动几何参数设计 (9)

4.2 环面蜗轮蜗杆校核计算 (11)

4.3 轴的结构设计 (13)

4.3.1 蜗杆轴的设计 (13)

4.3.2 蜗轮轴的设计 (16)

4.4 轴的校核 (19)

4.4.1 蜗杆轴的强度校核 (19)

4.4.2 蜗轮轴的强度校核 (22)

4.5 滚动轴承的选择及校核 (25)

4.5.1 蜗杆轴滚动轴承的选择及校核 (25)

4.5.2 蜗轮轴上轴承的校核 (27)

4.6 键联接的选择及校核 (29)

4.6.1 蜗杆轴上安装联轴器处的键联接 (29)

4.6.2 蜗轮轴上装蜗轮处的键联接 (30)

4.6.3 蜗轮轴上装联轴器处的键联接 (30)

4.7 箱体结构尺寸及说明 (31)

4.8 减速器的润滑和密封 (32)

4.9 减速器的附件 (32)

4.9.1 窥视孔和视孔盖 (33)

4.9.2 通气器 (33)

4.9.3 定位销 (33)

4.9.4 起盖螺钉 (33)

4.9.5 起吊装置 (33)

4.9.6 放油孔及螺塞 (34)

4.10 减速器的安装维护和使用 (34)

4.10.1 减速器的安装 (34)

4.10.2 减速器的使用和维护 (34)

致谢 (35)

参考资料 (36)

第一章调研报告

减速器的作用

减速器在原动机和工作机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。减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类，二者的设计、制造和使用特点各不相同。

70～80年代，世界减速器技术有了很大发展。通用减速器体现以下发展趋势：

（1）高水平、高性能。

（2）积木式组合设计。基本参数采取优先数，尺寸规格整齐、零件通用性和互换性强、系列容易扩充和花样翻新，利于组织批量生产和降低成本。

（3）形式多样化、变型设计多。摆脱了传统的单一底座安装方式，增添了空心轴悬挂式、浮动支承底座、电动机与减速机一体式联接，多方位安装面等不同型式，扩大使用范围。

促进减速器水平提高的主要因素有：

（1）硬齿面技术的发展和完善，如大型磨齿技术、渗碳淬火工艺、齿轮强度计算方法、修形技术、变形及三、优化设计方法、齿根强化及其元化过渡、新结构等。

（2）用好的材料，普遍采用各种优质合金钢锻件，材料和热处理质量控制水平高。

（3）结构设计更合理。

（4）加工精度提高到ISO5-6级。

（5）轴承质量和寿命提高。

（6）润滑油质量提高。

齿轮减速器的特点

齿轮传动是机械传动中重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达近十万千瓦，圆周速率可达200m/s。

齿轮传动的特点主要有：

1 效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动效率最高。如一级圆柱齿轮传动

的效率可达99℅。

2 结构紧凑在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般比较小。

3 工作可靠，寿命长设计制造正确合理，使用维护良好的齿轮传动，工作可

靠，寿命可长达一，二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。

4 传动比稳定传动比稳定是对传动性能的基本要求。齿轮传动能广泛应用，也

是因为具有这一特点。

但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格昂贵，且不宜用于传动距离过大的场合。

蜗杆减速器的特点

蜗杆传动是在空间交错的两轴之间传递运动和动力的一种机构，两轴交错的夹角可为任意值，常用的为90度，这种传动由于具有下述特点，故应用颇为广泛。

1 当使用单头蜗杆时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过了一个齿距，因而能实现大的传动

比。在动力传动中，一般传动比I=5-80;在分度机构或手动机构中，传动比可达300；若只传递运动，传动比可达1000。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。

2 在杆蜗传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入

啮合及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。

3 当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动更具有自锁性。

4 蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件

不够良好时，会产生较严重的磨擦和磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此磨损较大，效率低；当蜗杆传动具有自锁性时，效率仅为0.4左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮，以便与钢制的蜗杆配对组合成减磨性良好的滑动摩擦剂。

根据蜗杆分度曲面的形状，蜗杆传动可以分成三大类：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动。

蜗杆分度曲面是圆环内表面的一部分，蜗杆轴线平面内理论齿廓为直线的蜗杆传动称为直廓环面蜗杆传动，俗称“球面蜗轮传动”。它始于1921年的美国造船业，其代表产品是美国CONE DRIVE，50年代起在我国得到推广应用。与普通圆柱蜗杆传动相比，这种蜗杆同时包容齿数多，双线接触线形成油膜条件好，两齿面接触线诱导法曲率半径大。因此，承载能力是相同中心矩普通蜗杆的1.5～3倍（小值适应于小中心矩，大值适应于大中心矩）。在传递同样功率时，中心矩可缩小20%-40%。由于性能优良，美国、日本、俄罗斯等国都将这种传动作为动力传动中的主要形式之一广泛使用。美国生产产品系列中心矩为15～1320㎜；速比为5～343000；最高传动效率可达97%。我国经过40年的研究和发展，目前这种蜗杆的生产品种也十分可观，最大中心矩可达到1200㎜；最少齿数比为5；蜗杆头数达6；最高传动效率可达94%。这种蜗杆传动分为“原始型”和“修整型”两种。“原始型”直廓环面蜗杆的螺旋齿面的形成为：一条与成形圆相切、位于蜗杆轴线平面内的直线，在绕成形圆的圆心作等角速的旋转运动的同时，又与成形圆一起围绕蜗杆的轴线作等角速的旋转运动，这条直线在空间形成的轨迹曲面，就是直廓环面蜗杆的齿面。由于蜗杆齿面的发生线是直线刀刃，蜗杆螺旋面是直线刀刃形成的不可展直纹面而不是由包络产生的，难以实现磨削，这种蜗杆制造钢筋工艺比较复杂，不易获得高精度的传动，这是直廓环面蜗杆传动的主要缺点。

“修整型”直廓环面蜗杆螺旋面的形成，基本上与“原始型”相同，不同之处在于加工

时根据设计要求的修形曲线，将加工参数加以改变。一般常用的有：变位异速修形和变速比修形两种工艺方法。变位异速修形方法就是在加工蜗杆时，刀具位置及固定传动比不同于蜗杆副工作时的位置及速比。变速比修形方法则是加工时瞬时传动比按一定规律变化。用修形加工方法加工的蜗杆与由修形滚刀加工成的蜗轮组成“修整型”直廓环面蜗杆传动，消除了蜗轮齿面中部棱线接触，不仅改善了装配条件，减少了误差敏感性，更重要的是：与“原始型”蜗杆传动比较，接触区扩大，形成油膜条件好，包容齿数间载荷有平均作用，因而其承载能力、啮合性能和传动效率均较“原始型”高。

准平行啮合线二次包络环面蜗杆是河南省焦作市科林齿轮有限公司的一项科研成果。蜗轮滚刀是可铲背可磨削的，蜗轮齿面没有脊线，运动不会产生干涉。工装和理论相吻合。和同类蜗杆相比，它还具有以下几个特点：

1 瞬时接触线和相对运动速度方向夹角稳定，且接近90度。

2 蜗轮齿面是用铲背滚刀制造加工而成，因此蜗轮齿面接触面大、质量稳定。

Z Z为蜗杆齿数）。

3 同时参加啮合的蜗轮齿数多，一般可达22

(

9

4 蜗轮齿面无脊线，传递运动时不会产生干涉。

因此这种蜗杆传动承载功率大，动压油涵稳定传动、噪声低、平衡温度低等特征。

由以上分析可以看出，虽然普通齿轮减速器具有效率高，工作可靠，寿命长，传动比稳定等优点，但是不具备设计条件中重点要求的自锁性，所以不能选用；而准平行啮合线环面蜗杆减速器，它具有普通环面蜗杆减速器所不具备的很多优点。

第一章选定设计方案

根据设计要求并结合以上分析，我们在设计中采用准平行啮合线环面蜗杆减速器。

具体设计方案是：选用的电动机输出转速是940r/min，由凸缘联轴器将电动机轴和准平行啮合线环面蜗杆减速器的输入轴相联接，经过减速器的减速，电动机输出的转速降为18.8r/min，再有凸缘联轴器将减速器的输出轴与滚筒轴联接，将减速器输出轴的转速传给滚筒，滚筒转动带动绕在其上面的钢丝绳旋转，由钢丝绳提起具有一定质量的灯具。

1电动机 2 联轴器 3 蜗轮蜗杆减速器 4 联轴器 5 滚筒

图2-1减速器

第二章电动机的选择

2.1 初选电动机类型和结构型式

电动机是专门工厂批量生产的标准部件，设计时要根据工作机的工作特性、电源种类(交流或直流)、工作条件(环境温度、空间位置等)、载荷大小和性质(变化性质、过载情况等)、起动性能和起动、制动、正反转的频繁程度等条件来选择电动机的类型、结构、容量(功率)和转速，并在产品目录中选出其具体型号和尺寸。

电动机分交流电动机和直流电动机两种。由于生产单位一般多采用三相交流电源，因为此，无特殊要求时均应选用三相交流电动机，其中以三相异步交流电动机应用最广泛。根据不同防护要求，电动机有开启式、防护式、封闭自扇冷式和防爆式等不同的结构型式。

Y系列三相笼型异步电动机是一般用途的全封闭自扇冷式电动机，由于其结构简单、工

作作可靠、价格低廉、维护方便，因此广泛应用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上，如金属切削机床、运输机、风机、搅拌机等。对于经常起动，制动正反转的机械，如起重、提升设备，要求电动机具有较小的转动惯量和较大过载能力，应选用冶金及起重用三相异步电动机Yz 型(笼型)或YzR 型(绕线型)。

电动机的容量(功率)选择的是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。容量选得过小，不能保证工作机正常工作，或使电动机因超载而过早损坏；而容量选得过大，则电动机的价格高，能力又不能充分利用，而且由于电动机经常不满载运行，其效率和功率因数较低，增加电能消耗而造成能源的浪费。电动机的容量主要根据电动机运行时的发热条件来决定。

由以上的选择经验和要求，我选用：

三相交流电 Y 系列笼型三相异步交流电动机。

2.2 电动机的容量

2.2.1 确定减速器所需的功率P ω

由滚筒圆周力F 和滚筒速度v,得

'1000

w Fv P = 其中： F G mg ==（N ）

m ——提升重量，m=450kg ，

4509.84410F =?= N

90.15/60v m s == s 带入数据得 'w P =44100.150.66151000

?= KW ' 1.250.6615 1.250.8269w w P P =?=?= KW

2.2.2确定传动装置效率

传动装置的效率由以下的要求：

(1) 轴承效率均指一对轴承而言。

(2) 同类型的几对运动副或传动副都要考虑其效率，不要漏掉。

(3) 蜗杆传动的效率与蜗杆头数z 1有关，应先初选头数后，然后估计效率。

此外，蜗杆传动的效率中已包括了蜗杆轴上一对轴承的效率，因此在总效率的计算中蜗杆轴上轴承效率不再计入。

各传动机构和轴承的效率为：

法兰效率： 10.98η=

设计中，电动机与减速器相连的法兰，相当于一个凸缘联轴器

一级环面蜗杆传动效率: 7.02=η

一对滚动轴承传动效率：30.98η=

凸缘联轴器效率： 98.04=η

η —— 从电动机至工作机主动轴之间的总效率故传动装置总效率：

21234ηηηηη=＝20.980.70.980.980.646???=，

电动机的输出功率d P

考虑传动装置的功率损耗，电动机输出功率

d P ＝

w P η 则，d P ＝w P η＝0.826875 1.30.646= KW

2.2.3电动机的技术数据

根据计算的功率可选定电动机额定功率，取同步转速1000min r ，6级

由《简明机械设计手册》选用Y100L －6三相异步电动机，其主要参数如下

电动机额定功率：0P =1.5kw ；

电动机满载转速：n =940min r

电 流 ： I=5.6A

电动机外形和安装尺寸为：

D=28mm

E=60mm

H=100mm

A=160mm

B=140mm

C=63mm

K=12mm

AB=205mm

AD=180mm

AC=105mm

HD=245mm

AA=40mm

BB=176mm

第三章 传动装置的传动比及动力参数计算