机械设计基础课程设计(二级-斜齿圆柱齿轮-减速器)

目录

一课程设计书 2

二设计要求 2

三设计步骤 2

1. 传动装置总体设计方案 3

2. 电动机的选择 4

3. 确定传动装置的总传动比和分配传动比 5

4. 计算传动装置的运动和动力参数 5

5. 设计V带和带轮 6

6. 齿轮的设计 8

7. 滚动轴承和传动轴的设计 19

8. 键联接设计 26

9. 箱体结构的设计 27

10.润滑密封设计 30

11.联轴器设计 30

四设计小结31

五参考资料32

一. 课程设计书

设计课题:

设计一用于带式运输机上的两级展开式圆柱齿轮减速器.运输机连续单向运转,载荷变化不大,空载起动,卷筒效率为0.96(包括其支承轴承效率的损失),减速器小批量生产,使用期限8年(300天/年),两班制工作,运输容许速度误差为5%,车间有三相交流,电压380/220V

表一:

题号

1 2 3 4 5

参数

运输带工作拉

2.5 2.3 2.1 1.9 1.8

力（kN）

运输带工作速度

1.0 1.1 1.2 1.3 1.4

（m/s）

卷筒直径（mm）250 250 250 300 300

二. 设计要求

1.减速器装配图一张(A1)。

2.CAD绘制轴、齿轮零件图各一张(A3)。

3.设计说明书一份。

三. 设计步骤

1. 传动装置总体设计方案

2. 电动机的选择

3. 确定传动装置的总传动比和分配传动比

4. 计算传动装置的运动和动力参数

5. 设计V带和带轮

6. 齿轮的设计

7. 滚动轴承和传动轴的设计

8. 键联接设计

9. 箱体结构设计 10. 润滑密封设计 11. 联轴器设计

1.传动装置总体设计方案:

1. 组成：传动装置由电机、减速器、工作机组成。

2. 特点：齿轮相对于轴承不对称分布，故沿轴向载荷分布不均匀， 要求轴有较大的刚度。

3. 确定传动方案：考虑到电机转速高，传动功率大，将V 带设置在高速级。

其传动方案如下：

η2η3

η5

η4

η1

I II

III

IV

Pd

Pw

图一:(传动装置总体设计图)

初步确定传动系统总体方案如:传动装置总体设计图所示。 选择V 带传动和二级圆柱斜齿轮减速器（展开式）。 传动装置的总效率a η

5423321ηηηηηη=a ＝0.96×398.0×2

95.0×0.97×0.96＝0.759；

1η为V 带的效率,1η为第一对轴承的效率， 3η为第二对轴承的效率，4η为第三对轴承的效率，

5η为每对齿轮啮合传动的效率（齿轮为7级精度，油脂润滑.

因是薄壁防护罩,采用开式效率计算)。

2.电动机的选择

电动机所需工作功率为： P ＝P /η＝1900×1.3/1000×0.759

＝3.25kW, 执行机构的曲柄转速为n ＝

D

π60v

1000?=82.76r/min ， 经查表按推荐的传动比合理范围，V 带传动的传动比i ＝2～4，二级圆柱斜齿轮减速器传动比i ＝8～40，

则总传动比合理范围为i ＝16～160，电动机转速的可选范围为n ＝i ×n ＝（16～160）×82.76＝1324.16～13241.6r/min 。

综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，

选定型号为Y112M —4的三相异步电动机，额定功率为4.0 额定电流8.8A ，满载转速=m n 1440 r/min ，同步转速1500r/min 。

3.确定传动装

置的总传动比和分配传动比

（1） 总传动比

由选定的电动机满载转速n 和工作机主动轴转速n ，可得传动装置总传动比为a i ＝n /n ＝1440/82.76＝17.40 （2） 分配传动装置传动比

a i ＝0i ×i

式中10,i i 分别为带传动和减速器的传动比。

为使V 带传动外廓尺寸不致过大，初步取0i ＝2.3，则减速器传动比为i ＝0/i i a ＝17.40/2.3＝7.57

根据各原则，查图得高速级传动比为1i ＝3.24，则2i ＝1/i i ＝2.33

4.计算传动装置的运动和动力参数 （1） 各轴转速

n ＝0/i n m ＝1440/2.3＝626.09r/min Ⅱn ＝1/　Ⅰi n ＝626.09/3.24＝193.24r/min Ⅲn ＝ Ⅱn / 2i ＝193.24/2.33=82.93 r/min

方案 电动机型号

额定功

率 P ed kw 电动机转速

min

r

电动

机重量

N

参考价

格 元 传动装置的传动比 同步转

速

满载转速 总传动比 V 带传动

减速器

1 Y112M-4 4 1500 1440 470 230 16.15 2.3

7.02 中心高

外型尺寸 L ×（AC/2+AD ）×HD

底脚安装尺寸A ×B

地脚螺栓孔直径K 轴伸尺寸D ×E

装键部位尺寸F ×GD

132

515× 345× 315

216 ×178

12

36× 80

10 ×41

Ⅳn =Ⅲn =82.93 r/min

（2） 各轴输入功率

ⅠP ＝d p ×1η＝3.25×0.96＝3.12kW

ⅡP ＝Ⅰp ×η2×3η＝3.12×0.98×0.95＝2.90kW ⅢP ＝ⅡP ×η2×3η＝2.97×0.98×0.95＝2.70kW

ⅣP ＝ⅢP ×η2×η4=2.77×0.98×0.97＝2.57kW

则各轴的输出功率：

'ⅠP ＝ⅠP

×0.98=3.06 kW 'ⅡP ＝ⅡP ×0.98=2.84 kW 'ⅢP ＝ⅢP ×0.98=2.65kW

'ⅣP ＝ⅣP ×0.98=2.52 kW

（3） 各轴输入转矩 1T =d T ×0i ×1η N·m 电动机轴的输出转矩d T =9550

m

d

n P =9550×3.25/1440=21.55 N· 所以: ⅠT ＝d T ×0i ×1η =21.55×2.3×0.96=47.58 N·m

ⅡT ＝ⅠT ×1i ×1η×2η=47.58×3.24×0.98×0.95=143.53 N·m

ⅢT ＝ⅡT ×2i ×2η×3η=143.53×2.33×0.98×0.95=311.35N·m ⅣT =ⅢT ×3η×4η=311.35×0.95×0.97=286.91 N·m

输出转矩：'ⅠT ＝ⅠT ×0.98=46.63 N·m

'ⅡT ＝ⅡT ×0.98=140.66 N·m 'ⅢT ＝ⅢT ×0.98=305.12N·m 'ⅣT ＝ⅣT ×0.98=281.17 N·m

运动和动力参数结果如下表 轴名

功率P KW 转矩T Nm 转速

r/min 输入

输出 输入 输出 电动机轴

3.25

21.55

1440

1轴 3.12 3.06 47.58 46.63 626.09

2轴 2.90 2.84 143.53 140.66 193.24 3轴 2.70 2.65 311.35 305.12 82.93 4轴 2.57

2.52

286.91 281.17 82.93

5.设计Ｖ带和带轮

⑴ 确定计算功率

查课本178P 表9-9得：2.1=A K

8.442.1=?=?=P k P A ca ,式中

为工作情况系数， p 为传递的额定功

率,既电机的额定功率. ⑵ 选择带型号

根据8.4=ca P ，3.1=A k ,查课本152P 表8-8和153P 表8-9选用带型为A 型带．

⑶ 选取带轮基准直径21,d d d d

查课本145P 表8-3和153P 表8-7得小带轮基准直径mm d d 901=，则大带轮基准直径mm d i d d d 207903.2102=?=?=,式中ξ为带传动的滑动率，通常取（1%～2%），查课本153P 表8-7后取mm d d 2242=。

⑷ 验算带速v s m s m n d V m

d /35/17.71000

601400

901000

601<=???=

?=

ππ 在5～25m/s 范围

内，Ｖ带充分发挥。

⑸ 确定中心距a 和带的基准长度

由于

,所以初步选取中心距a ：

471)22490(5.1)(5.1210=+=+=d d d d a ，初定中心距mm a 4710=，所以带长,

'd L =76.14444)()(2

20

2

20121=-+

++

a d d d d a d d d d π

mm .查课本142P 表8-2选取基准

长度mm L d 1400=得实际中心距

mm L L a a d

d 62.4482/76.444712

0=-=-+='

取mm a 450=

⑹ 验算小带轮包角1α

94.162180

180121=?--

=π

αa d d d d ，包角合适。

⑺ 确定v 带根数z

因mm d d 901=，带速s m v /79.6=，传动比3.20=i ,

查课本148P 表8-5a 或8-5c 和8-5b 或8-5d,并由内插值法得

17.0.7.1000=?=p p .

查课本142P 表8-2得L K =0.96.

查课本154P 表8-8,并由内插值法得K ?=0.96 由154P 公式8-22得

20.496

.096.0)17.007.1(8.4)(00=??+=??+=

l ca k k p p p Z α

故选Z=5根带。

⑻ 计算预紧力0F

查课本145P 表8-4可得m kg q /1.0=,故: 单根普通Ｖ带张紧后的初拉力为

N qv k zv P F ca 80.15817.71.0)196

.05.2(17.755008.4)15.2(500220=?+-??=+-?

=α ⑼ 计算作用在轴上的压轴力p F 利用155P 公式8-24可得:

N F z F p 43.15702

94

.162sin

80.158522

sin

21

0=???=?=α

6.齿轮的设计

（一）高速级齿轮传动的设计计算

１． 齿轮材料，热处理及精度

考虑此减速器的功率及现场安装的限制，故大小齿轮都选用硬齿面渐开线斜齿轮

（1） 齿轮材料及热处理

① 材料：高速级小齿轮选用45#钢调质，齿面硬度为小齿轮 280HBS 取小齿齿数1Z =24

高速级大齿轮选用45#钢正火，齿面硬度为大齿轮 240HBS Z 2=i ×Z 1=3.24×24=77.76 取Z 2=78. ② 齿轮精度

按GB/T10095－1998，选择7级，齿根喷丸强化。

２．初步设计齿轮传动的主要尺寸

按齿面接触强度设计

2

1

3

1)]

[(12H E H d t t Z Z u u T K d σεφα

?±?

≥

确定各参数的值: ①试选t K =1.6

查课本215P 图10-30 选取区域系数 Z H =2.433 由课本214P 图10-26 78.01=αε 82.02=αε

则6.182.078.0=+=αε

②由课本202P 公式10-13计算应力值环数

N 1=60n 1j h L =60×626.09×1×（2×8×300×8） =1.4425×109h

N 2= =4.45×108h #(3.25为齿数比,即3.25=

1

2

Z Z ) ③查课本203P 10-19图得：K 1H N =0.93 K 2H N =0.96

④齿轮的疲劳强度极限

取失效概率为1%,安全系数S=1,应用202P 公式10-12得: [H σ]1=S

K H HN 1

lim 1σ=0.93×550=511.5 MPa [H σ]2=

S K H HN 2

lim 2σ=0.96×450=432 MPa 许用接触应力

MPa H H H 75.4712/)4325.511(2/)][]([][21=+=+=σσσ

⑤查课本由198P 表10-6得：E Z =189.8MP a 由201P 表10-7得: d φ=1

T=95.5×105×11/n P =95.5×105×3.19/626.09

=4.86×104N.m

3.设计计算

①小齿轮的分度圆直径d t 1

2

1

3

1)]

[(12H E H d t t Z Z u u T K d σεφα

?+?

≥

=

mm 53.49)75

.4718.189433.2(25.324.46.111086.46.122

43

=???????

②计算圆周速度υ

=?=

10006011　n d t πυs m /62.11000

6009

.62653.4914.3=???

③计算齿宽b 和模数nt m 计算齿宽b

b=t d d 1?φ=49.53mm 计算摸数m n 初选螺旋角β=14?

nt m =

mm Z d t 00.224

14

cos 53.49cos 11=?=β ④计算齿宽与高之比h b

齿高h=2.25 nt m =2.25×2.00=4.50mm

h b =5

.453.49 =11.01 ⑤计算纵向重合度

βε=0.3181Z Φd 14tan 241318.0tan ???=β=1.903

⑥计算载荷系数K 使用系数A K =1

根据s m v /62.1=,7级精度, 查课本由192P 表10-8得 动载系数K V =1.07,

查课本由194P 表10-4得K βH 的计算公式: K βH =)6.01(18.012.12d φ++ 2d φ?+0.23×103-×b

=1.12+0.18(1+0.6?1) ×1+0.23×103-×49.53=1.42 查课本由195P 表10-13得: K βF =1.35 查课本由193P 表10-3 得: K αH =αF K =1.2 故载荷系数:

K ＝K K K αH K βH =1×1.07×1.2×1.42=1.82 ⑦按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径

d 1=d t

1t

K K /3

=49.53×

6

.182

.13

=51.73mm ⑧计算模数n m

n m =

mm Z d 09.224

14

cos 73.51cos 11=?=β 4. 齿根弯曲疲劳强度设计

由弯曲强度的设计公式

n m ≥

)][(cos 212213

F S F a

d Y Y Z Y KT σεφββ?

?

⑴ 确定公式内各计算数值

① 小齿轮传递的转矩＝48.6kN·m 确定齿数z

因为是硬齿面，故取z ＝24，z ＝i z ＝3.24×24＝77.76 传动比误差 i ＝u ＝z / z ＝78/24＝3.25

Δi ＝0.032％5％，允许 ② 计算当量齿数

z ＝z /cos ＝24/ cos 314?

＝26.27 z ＝z /cos

＝78/ cos 314?＝85.43

③ 初选齿宽系数 按对称布置，由表查得＝1

④ 初选螺旋角 初定螺旋角

＝14 ⑤ 载荷系数K

K ＝K K K

K =1×1.07×1.2×1.35＝1.73

⑥ 查取齿形系数Y 和应力校正系数Y

查课本由197P 表10-5得: 齿形系数Y ＝2.592 Y ＝2.211

应力校正系数Y ＝1.596 Y

＝1.774

⑦ 重合度系数Y

端面重合度近似为

＝[1.88-3.2×（

2

111Z Z +）]βcos ＝[1.88－3.2×（1/24＋1/78）]×cos14?＝

1.655 ＝arctg （tg

/cos ）＝arctg （tg20/cos14?）＝20.64690

＝14.07609

因为

＝

/cos

，则重合度系数为Y ＝0.25+0.75 cos

/

＝0.673

⑧ 螺旋角系数Y 轴向重合度

＝09

.214sin 53.49??πo

＝1.825,

Y ＝1－＝0.78

⑨ 计算大小齿轮的

]

[F S F F Y σαα

安全系数由表查得S ＝1.25

工作寿命两班制，8年，每年工作300天

小齿轮应力循环次数N1＝60nkt ＝60×271.47×1×8×300×2×8＝6.255×10

大齿轮应力循环次数N2＝N1/u ＝6.255×10/3.24＝1.9305×10 查课本由204P 表

10-20c

得到弯曲疲劳强度极

限

小齿轮a FF MP 5001=σ 大齿轮a FF MP 3802=σ 查课本由197P 表10-18得弯曲疲劳寿命系数: K 1FN =0.86 K 2FN =0.93 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4 [F σ]1=14.3074

.1500

86.011=?=S K FF FN σ [F σ]2=

43.2524

.1380

93.022=?=S K FF FN σ 01347.014.307596

.1592.2][111=?=F S F F Y σαα

01554.043

.252774

.1211.2][2

22=?=

F S F F Y σαα

大齿轮的数值大.选用.

⑵ 设计计算 ① 计算模数

mm mm m n 26.1655

.124101554

.014cos 78.01086.473.122

243

=????????≥

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数m n 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，按GB/T1357-1987圆整为标准模数,取m n =2mm 但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径d 1=51.73mm 来计算应有的齿数.于是由:

z 1=n

m ??14cos 73.51=25.097 取z 1=25

那么z 2=3.24×25=81

② 几何尺寸计算

计算中心距 a=

βcos 2)(21n m z z +=?

?+14cos 22

)8125(=109.25mm

将中心距圆整为110mm 按圆整后的中心距修正螺旋角

β=arccos

01.1425

.10922)8125(arccos 2)(21=??+=Z +Z αn m 因β值改变不多,故参数αε,βk ,h Z 等不必修正. 计算大.小齿轮的分度圆直径 d 1=01

.14cos 225cos 1?=βn m z =51.53mm d 2=

01

.14cos 2

81cos 2?=βn m z =166.97mm 计算齿轮宽度

B=mm mm d 53.5153.5111=?=Φ 圆整的 502=B 551=B

（二） 低速级齿轮传动的设计计算

⑴ 材料：低速级小齿轮选用45#钢调质，齿面硬度为小齿轮 280HBS 取小齿齿数1Z =30

速级大齿轮选用45#钢正火，齿面硬度为大齿轮 240HBS z 2=2.33×30=69.9 圆整取z 2=70. ⑵ 齿轮精度

按GB/T10095－1998，选择7级，齿根喷丸强化。 ⑶ 按齿面接触强度设计 1. 确定公式内的各计算数值 ①试选K t =1.6

②查课本由215P 图10-30选取区域系数Z H =2.45 ③试选o 12=β,查课本由214P 图10-26查得

1αε=0.83 2αε=0.88 αε=0.83+0.88=1.71

应力循环次数

N 1=60×n 2×j ×L n =60×193.24×1×(2×8×300×8) =4.45×108

N 2==?=

33

.21045.48

1i N 1.91×108 由课本203P 图10-19查得接触疲劳寿命系数 K 1HN =0.94 K 2HN = 0.97 查课本由207P 图10-21d

按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限MPa H 6001lim =σ,

大齿轮的接触疲劳强度极限MPa H 5501lim =σ

取失效概率为1%,安全系数S=1,则接触疲劳许用应力 [H σ]1=S K H HN 1lim 1σ=5641

600

94.0=?MPa [H σ]2=S

K H HN 2

lim 2σ=0.98×550/1=517MPa [=+=

2

)

(]2lim 1lim H H H σσσ540.5MPa

查课本由198P 表10-6查材料的弹性影响系数Z E =189.8MP a 选取齿宽系数1=d φ

T=95.5×105×22/n P =95.5×105×2.90/193.24

=14.33×104N.m

32421

3

1)5

.5408.18945.2(33.233.371.111033.146.12)][(12???????=?±?≥

H E H d t t Z Z u u T K d σεφα

=65.71mm 2. 计算圆周速度 =???=?=1000

6024

.19371.6510006021ππυ　n d t 0.665s m /

3. 计算齿宽

b=d φd t 1=1×65.71=65.71mm 4. 计算齿宽与齿高之比h b 模数 m nt =

mm Z d t 142.230

12

cos 71.65cos 11=?=β 齿高 h=2.25×m nt =2.25×2.142=5.4621mm

h

b =65.71/5.4621=12.03 5. 计算纵向重合度

028.212tan 30318.0tan 318.01=??==βφεβz d

6. 计算载荷系数K

K βH =1.12+0.18(1+0.622)d d φφ+0.23×103-×b

=1.12+0.18(1+0.6)+ 0.23×103-×65.71=1.4231 使用系数K A =1

同高速齿轮的设计,查表选取各数值

v K =1.04 K βF =1.35 K αH =K αF =1.2

故载荷系数

K ＝βH H v A K K K K ?=1×1.04×1.2×1.4231=1.776 7. 按实际载荷系数校正所算的分度圆直径 d 1=d t

1t

K K 3

=65.71×

mm 91.723

.1776

.13

= 计算模数mm z d m n 3772.230

12

cos 91.72cos 11=?==

β 3. 按齿根弯曲强度设计

m ≥

]

[cos 212213

F S F d Y Y Z Y KT σεφβ

β?

??

?

㈠确定公式内各计算数值

（1） 计算小齿轮传递的转矩＝143.3kN·m （2） 确定齿数z

因为是硬齿面，故取z ＝30，z ＝i ×z ＝2.33×30＝69.9 传动比误差 i ＝u ＝z / z ＝69.9/30＝2.33 Δi ＝0.032％5％，允许 （3） 初选齿宽系数

按对称布置，由表查得＝1

（4） 初选螺旋角

初定螺旋角β＝12 （5） 载荷系数K

K ＝K K K K =1×1.04×1.2×1.35＝1.6848

（6） 当量齿数 z ＝z /cos

＝30/ cos 312?＝32.056 z ＝z /cos

＝70/ cos 312?

＝74.797

由课本197P 表10-5查得齿形系数Y 和应力修正系数Y

232.2,491.221==ααF F Y Y 751.1,636.121==ααS S Y Y

（7） 螺旋角系数Y

轴向重合度 ＝＝2.03

Y ＝1－

＝0.797

（8） 计算大小齿轮的 ]

[F S F F Y σαα

查课本由204P 图10-20c 得齿轮弯曲疲劳强度极限 a FE MP 5001=σ a FE MP 3802=σ

查课本由202P 图10-18得弯曲疲劳寿命系数 K 1FN =0.90 K 2FN =0.93 S=1.4 [F σ]1=

a FE FN MP S K 43.3214.1500

90.011=?=σ [F σ]2=

a FF FN MP S K 43.2524

.1380

93.022=?=σ 计算大小齿轮的

]

[F Sa

Fa F Y σ,并加以比较 01268.043

.321636

.1491..2][111=?=F Sa Fa F Y σ 01548.043

.252751

.1232.2][222=?=F Sa Fa F Y σ

大齿轮的数值大,选用大齿轮的尺寸设计计算. ① 计算模数

mm mm m n 5472.171

.130101548

.012cos 797.010433.16848.122253

=????????≥

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数m n 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，按GB/T1357-1987圆整为标准模数,取m n =3mm 但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径d 1=72.91mm 来计算应有的齿数.

z 1=n

m ??12cos 91.72=27.77 取z 1=30

z 2=2.33×30=69.9 取z 2=70 ② 初算主要尺寸 计算中心距 a=

βcos 2)(21n m z z +=?

??+12cos 22

)7030(=102.234mm

将中心距圆整为103 mm 修正螺旋角

β=arccos

86.13103

22

)7030(arccos 2)(21=??+=Z +Z αn m 因β值改变不多,故参数αε,βk ,h Z 等不必修正 分度圆直径 d 1=

12

cos 2

30cos 1?=βn m z =61.34mm d 2=

12

cos 2

70cos 2?=βn m z =143.12 mm 计算齿轮宽度

mm d b d 91.7291.7211=?==φ

圆整后取 mm B 751= mm B 802=

3.2

1.6

低速级大齿轮如上图：

V 带齿轮各设计参数附表 1.各传动比

V 带 高速级齿轮 低速级齿轮 2.3 3.24

2.33

2. 各轴转速n

(r/min)

Ⅳn

(r/min) (r/min) (r/min) 626.09 193.24 82.93 82.93 3. 各轴输入功率 P

（kw）（kw）（kw）ⅣP(kw)

3.12 2.90 2.70 2.57

4. 各轴输入转矩 T

(kN·m)

(kN·m)(kN·m)

Ⅳ

T (kN·m)

47.58 143.53 311.35 286.91 5. 带轮主要参数

小轮直径（mm）大轮直径

（mm）中心距a

（mm）

基准长度

（mm）带的根数z

90 224 471 1400 5

7.传动轴承和传动轴的设计

1. 传动轴承的设计

⑴. 求输出轴上的功率P

3，转速

3

n，转矩3T

P

3=2.70KW

3

n=82.93r/min