10KW圆锥圆柱齿轮减速器设计.doc

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1、 第 26 页 共 26 页 毕 业 设 计(论文) 题 目 名 称 10KW圆锥－圆柱齿轮减速器的设计 题 目 类 别 学 院（系） 山 东 理 工 专 业 班 级 学 生 姓 名 指 导 教 师 开题报告日期 目 录 1 引言 ……………………………………………………………………… 1 2 传动装置的总体设计…………………………

2、……………………………1 2.1 拟订传动方案 …………………………………………………………1 2.2 电动机的选择………………………………………………………… 2 2.3 确定传动装置的传动比及其分配…………………………………… 3 2.4 计算传动装置的运动和动力参数…………………………………… 3 3 传动零件的设计计算…………………………………………………… 4 3.1 高速级圆锥齿轮传动设计…………………………………………… 4 3.2 低速级圆柱直齿轮设计……………………………………………… 8 4 轴的

3、设计………………………………………………………………… 11 4.1 中间轴的设计…………………………………………………………11 4.2 高速轴的设计…………………………………………………………16 4.3 低速轴的设计…………………………………………………………17 5 轴承的选择和计算……………………………………………………… 18 5.1 中间轴的轴承的选择和计算…………………………………………18 5.2 高速轴的轴承的选择和计算…………………………………………19 5.3 低速轴的轴承的选择和计算………………………

4、…………………19 6 减速器铸造箱体的主要结构尺寸……………………………………… 19 7 键联接的选择和强度校核………………… ……………………………21 7.1 中间轴与齿轮联接用键的选择和强度校核…………………………21 8 结 论…………………………………………………………………… 23 9 致 谢…………………………………………………………………… 24 10 参考文献………………………………………………………………… 26 1 引言 减速器是机械行业中较为常见而且比较重要的机械传动装置。减速器的种类非常

5、多，各种减速器的设计各有各的特点，但总的设计步骤大致相同。其设计都是根据工作机的性能和使用要求，如传递的功率大小、转速和运动方式，工作条件，可靠性，尺寸，维护等等。本文是关于圆锥齿轮减速器的设计，主要用于搅拌机的传送。这种减速器相对于其他种类的减速器来讲，运用不是很广泛。本课题主要通过计算机辅助设计（CAD）完成。计算机辅助设计及辅助制造（CAD/CAM）技术是当今设计以及制造领域广泛采用的先进技术，通过本课题的研究，将进一步深入地对这一技术进行了解和学习。 2 传动装置的总体设计 2.1 拟订传动方案 本传动装置用于搅拌机，工作参数：传动效率η=0.96，在室内工作（环境最高温度35

6、℃），载荷平稳，连续单向运转，使用寿命24000小时。本设计拟采用二级圆锥直齿轮减速器，锥齿轮应布置在高速级，使其直径不至于过大，便于加工。传动简图如图2-1所示。 图2-1 传动装置简图 1— 电动机 2—传动带轮 3—二级圆锥齿轮减速器 4—输出轴 2.2 电动机的选择 （1）选择电动机的类型 按工作条件和要求，选用一般用途的Y系列三相异步电动机。 电压380V。 （2）选择电动机的功率 电动机所需工作功率为：P=P／； 查表确定各部分装置的效率：V带传动效率1=0.96，滚动轴承传动效率（一对）2=0.99，圆锥齿轮传动效率3=0.96，圆柱齿轮传

7、动效率4=0.99，联轴器传动效率5=0.99，分析传动装置传动过程可得： 传动装置的总效率为：=1●24 ●3●4●5； 所以=0.960.9940.960.970.99=0.894； 所以所需电动机功率为：P= P／=10/0.894=11.1 kW 查表，选取电动机的额定功率P=12.5 kW。 （3）选择电动机的转速 通常，V带的传动比范围为：i1’=2~4,二级圆锥齿轮减速器传动比为：i2’=8~15,则减速器的总传动比=16~60， 符合这范围的电动机同步转速有1000、1500、3000 r/min三种，现以同步转速1000 r/min和1500 r/min两种常用

8、转速的电动机进行分析比较（查表） 综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格、传动比及市场供应情况，选取比较合适的方案，现选用型号为Y160M—4，其主要安装尺寸如下： 中心高：H=160 mm 外型尺寸：L（ACAD）HD=600（325+255）385 mm 轴伸尺寸：D=42 mm，E=110 mm 装键部分尺寸：FGD=123742 mm 底脚安装尺寸：AB=254210 mm 地脚螺栓孔直径：K=15 mm 2.3 确定传动装置的传动比及其分配 （1）减速器总传动比ia=12.6（n为满载转速） （2）分配传动装置各级传动比：取V带传动的传动比i0=3，则减速器的

9、传动比为i=ia/i0=12.6/3=4.2 为了避免圆锥齿轮过大，制造困难，并考虑齿轮的浸油深度，取高速级传动比i=2，低速级传动比为i=i/i1=2.1。 2.4 计算传动装置的运动和动力参数 （1）各轴的输入功率 轴0（电动机轴）：P0= P=11.1 kW 轴Ⅰ（高速轴）P= P01=11.10.96=10.66kW 轴Ⅱ（中间轴）P= P23=10.660.990.96=10.13 kW 轴Ⅲ（低速轴）P= P24=10.130.990.97=9.73 kW （2）各轴的转速 轴0：n0= n=1460 r/min 轴Ⅰ：n= n0／i01=1460／3=486.

10、67 r/min 轴Ⅱ：n=n1／i12=486.67／2=243.335 r/min 轴Ⅲ：n=n2／i23=243.335／2.1=115.874 r/min （3）各轴的输入转矩 轴0：T0=T=9550=9550≈72.6Nm 轴Ⅰ：T=9550=9550≈209.18 Nm 轴Ⅱ：T=9550=9550≈397.57Nm 轴Ⅲ：T=9550=9550≈801.92Nm 表2-1 设计轴的传动特性表 轴名 输入功率（kW） 转速n（r/min） 输入转矩（Nm） 传动比 效率 电动机轴 11.1 1460 72.6 3 0.96 轴Ⅰ 10

11、.66 486.67 209.18 2 0.96 轴Ⅱ 10.13 243.335 397.57 2.1 0.97 轴Ⅲ 9.73 115.874 801.92 3 传动零件的设计计算 3.1 高速级圆锥齿轮传动设计 （1）选择齿轮类型、材料、精度以及参数 ① 选用圆锥直齿齿轮传动 ② 选用齿轮材料：选取大小齿轮材料均为45钢，小齿轮调质处理齿面硬度取240HBS；大齿轮正火处理齿面硬度取200HBS。 ③ 选取齿轮为8级精度（GB10095—88） ④ 选取小齿轮齿数Z=26，Z=Z=226≈52 （2）按齿面

12、接触疲劳强度设计 首先确定计算参数 （a）使用系数KA：查表得KA=1.0 （b）使用系数KV：查图得KV=1.3 （c）齿间载荷分配系数KHa：估计KAKt/b<100N/mm, cos===0.8944 cos===0.4472 当量齿数：ZV1=Z1/cos=26/cos=29 ZV2=Z2/ cos=52/ cos=116 当量齿轮的重合度：=[1.88-3.2（1/ ZV1+1/ ZV2）] =1.88-3.2（1/29+1/116）

13、 =1.742 Z==0.868 （d）KH=1/ Z2=1/（0.868）2=1.33 （e）查取齿向载荷分布系数K=1.2 所以载荷系数K：K=KAKV KH K=1.01.31.31.2=2.028 转矩T1=209.18Nm=209180Nmm （f）查取齿宽系数=0.3 （g）查得弹性影响系数=189.8 （h）查得区域系数=2.5 （i）查取材料接触疲劳强度极限：查图得，小齿轮为=580Mpa,大齿轮=540 Mpa （j）计算应力循环次数N N=60 thn1=60124000486.67=700.8010

14、6 N==280.32106 （k）查表得：对N1,取m1=14.16,对N2取m2=17.56（m为疲劳曲线方程指数） ZN1===1.025 ZN2==1.075 （l）查得接触疲劳强度最小安全系数S=1.05 （m）计算许用接触应力[]： []===566.19 Mpa []==552.86 Mpa （n）小齿轮大端分度圆直径d1： = =120.14mm 即d1=120mm （3）确定主要参数： （a）大端模数m：m=d1/z1=120/26=4.62,即m=4.6 （b）大端分度圆直径d1=m z1

15、=264.6=119.6mm d2=mz2=239mm （c）锥距R：R==133.72 （d）齿宽b：b=R=40.11，取整b=40 (4)轮齿弯曲疲劳强度验算： （a）齿形系数YFa1=2.65, YFa2=2.15 （b）应力修正系数YSa按当量齿数查图得： YSa1=1.67，YSa2=2.25 （c）重合度系数Y：Y=0.25+=0.25+=0.68 （d）齿间载荷分配系数KFa：KFa=1/ Y=1/0.68=1.47 载荷系数K：K=2.028 （e）齿根工作应力：=

16、 = =202.21N/mm2 ==221.04N/mm2 （f）弯曲疲劳极限由图查得：=330 N/mm2 310N/mm2 由表查得：N0=3106，m=49.91(为疲劳曲线方程指数) （g）弯曲寿命系数YN：YN1===0.9 YN2=

17、=0.91 （h） 由图查得尺寸系数：YX=1.0 （i）弯曲疲劳强度最小安全系数SFmin查得：SFmin=1.25 （j）许用弯曲疲劳应力： ===237.6N/mm2 ===225.68 N/mm2 （k）弯曲疲劳强度校核： = 237.6N/mm2〈 =225.68N/mm2〈 所以满足弯曲疲劳强度要求。（注：本节查表查图见《机械工程及自动化简明设计手册》 叶伟昌 2001） （5）齿轮传动几何尺寸计算 几何尺寸计算结果列于下表3-1：（取，,） 表3-1 圆锥齿轮参数（单位mm）

18、名 称 代号 计算公式 结 果 小齿轮 大齿轮 传 动 比 法面模数 法面压力角 标准值 齿 数 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿 宽 3.2 低速级圆柱直齿轮的设计： （1）选择齿轮类型、材料、精度以及参数 ①选用齿轮材料：选取大小齿轮材料均为45钢，小齿轮调质处理齿面硬度取240HBS；大齿轮正火处理齿面硬度取200HBS。 ② 选取齿轮为8级精度（GB10095—88）

19、③ 选取小齿轮齿数Z=25，Z=Z=2.125=52.5取Z=53 （2）设计计算： ①设计准则：按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 ②按齿面接触疲劳强度设计 其中 ， （a）查图选取材料的接触疲劳极限应力为： 小齿轮为=580Mpa,大齿轮=560 Mpa。 （b）由图查得弯曲疲劳极限：=330 N/mm2 310 N/mm2 （c）应力循环次数N：N1=60n2at=60194.67124000 N1=2.8108 则N2=N1/μ2=

20、2.8108/3.184=0.88108 （d）由图查得接触疲劳寿命系数 （e）由图查得弯曲疲劳寿命系数； （f）查表得接触疲劳安全系数=1；弯曲疲劳安全系数=1.4； 又=2.0，试选=1.3。 （g）求许用接触应力和许用弯曲应力： =580Mpa; =571Mpa; =23021/1.4Mpa=328Mpa; =300Mpa. （h）将有关值代入下式得： = 即：=94.86mm 则=0.96m/s ∴/100=250.96/100=0.24 m/s （i）查图可得，由表查得，；取， 则1.251.091.051=1.431

21、 修正=94.861.03mm=97.71mm （j）m==3.91,所以由表取标准模数m=4mm. （k）计算几何尺寸： =425=100mm， 453=212mm, a=m(Z1+Z2)/2=156mm, b=1100mm=100mm, 取b2=105,b1=b2+10=115mm (3).校核齿跟弯曲疲劳强度： 由图可查得 由下式校核大小齿轮的弯曲强度： ，即Mpa<; MPa = 87.8MPa<; 所以满足弯曲疲劳强度要求。（注：本节查表查图见《机械工程及自动化简明设计手册》 叶伟昌 2001） （4）齿轮传动几何尺寸计算 几何尺寸计算结

22、果列于下表3-2：（取，） 表3-2 圆柱齿轮的参数（单位mm） 名 称 代号 计算公式 结 果 小齿轮 大齿轮 中 心 距 = 传 动 比 法面模数 法面压力角 标准值 齿 数 分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 =202 齿 宽 大齿轮采用腹板式锻造齿轮机构。小齿轮与轴材料相同采用齿轮轴。 4 轴的设计 4.1中间轴的设计 （1）选择轴的材料 根据

23、所设计的轴零件选用45钢，加工方法为调质处理。查轴的常用材料及其力学性能，得抗拉强度，屈服点。查轴的许用弯曲应力表，得，，。 （2）按扭转强度估算轴的最小直径 取C=106，得≥ （3）轴的结构设计 图4-1 中间轴装配草图 按轴的结构和强度要求选取安装轴承处①和⑥的轴径d=45mm，初选轴承型号为30209圆锥滚子轴承（GB/T297—94），装齿轮②处的轴径d=50mm，轴肩③直径 d=55mm，齿轮轴④处的齿顶圆直径d=108mm，轴肩⑤直径d=50 mm，轴的装配草图如图所示，两轴承支点之间的距离为= 式中——轴承宽度，查得30209轴承=20 mm ——齿轮端面

24、与轴承端面的距离=35.5 ——锥齿轮的宽度，=30mm ——两齿轮轮毂端面之间的距离=6mm ——圆柱齿端面和轴承端面的距离=27.5 ——圆柱齿轮的宽度，=115mm （4）按弯扭合成应力校核轴的强度 ① 计算作用在轴上的力 （a）锥齿轮受力分析 圆周力 径向力 轴向力 （b）圆柱齿轮受力分析 圆周力 径向力 ② 计算支反力 水平面： = 求得：， 再由，得： 垂直面：，， 求得 再由， ③ 作弯矩图 水平面弯矩 ： 垂直面弯矩 ： ④ 合成弯矩 ：

25、 ⑤ 转矩 ⑥计算当量弯矩 单向运转，转矩为脉动循环折合系数取为： B截面的当量弯矩为 ⑦ 校核轴径 分别校核B，C截面，校核该截面直径 考虑到键槽的设计会降低轴的强度，所以轴的设计应在原来设计基础上增大5%， 则 . 结构设计确定的最小直径B为50mm，C为55mm，所以强度足够。 （5）轴的校核 图4-2 中间轴的受力分析及弯扭矩图 （6）轴的结构 图4-3 中间轴结构 4.2 高速轴的设计 （1）选择轴的材料 根据所设计的轴零件选用45钢，加工方法为调质处理。查轴的常用材料及其力

26、学性能，得抗拉强度，屈服点。查轴的许用弯曲应力表，得，，。 （2）按扭转强度估算轴的最小直径 取C=106，得≥ （3）轴的结构设计 按轴的结构和强度要求选取联轴承处的轴径d=30，初选轴承型号为30208圆锥滚子轴承（GB/T297—94），长度尺寸根据结构进行具体的设计，校核的方法与中间轴相类似，经过具体的设计和校核，得该齿轮轴结构是符合要求的，是安全的，轴的结构如下图所示： 图4-4 高速轴结构 4.3 低速轴的设计 （1）选择轴的材料 根据所设计的轴零件选用45钢，加工方法为调质处理。查轴的常用材料及其力学

27、性能，得抗拉强度，屈服点。查轴的许用弯曲应力表，得，，。 ( 2 ) 初步估算轴的最小直径 取C=106，得≥ （3）轴的结构设计 按轴的结构和强度要求选取联轴承处的轴径d=65，初选轴承型号为30214圆锥滚子轴承（GB/T297—94）。其中长度尺寸根据中间轴的结构进行具体的设计，校核的方法与中间轴相类似，经过具体的设计和校核，得该齿轮轴结构是符合要求的，是安全的，轴的结构如图所示： 图4-5 低速轴结构 5 轴承的选择和计算 5.1 中间轴的轴承的选择和计算 按轴的结构设计，初步选用30209（GB/T297—94）圆锥滚子轴承 （1） 计算轴承载荷

28、 图5-1 中间轴轴承的受力简图 ① 轴承的径向载荷 轴承A： 轴承B： ② 轴承的轴向载荷 查表可得圆锥滚子轴承的内部轴向力计算公式为 查表可得30209轴承的Y=1.5。 故，方向为自左向右； ，方向为自右向左。 由，故轴承A被压紧，B被放松。 所以，两轴承的总轴向力为： ，。 ③ 计算当量动载荷 由表查得圆锥滚子轴承30209的 取载荷系数， 轴承A：>e 则 轴承B：＜e 则 ④ 计算轴承寿命 因为＞，轴承B受载大，所以按轴承B计算寿命，查得30209轴承基本额定载荷，轴承工作温度小于，取温度系数，则轴承寿命， 若按8年的使用寿命计算

29、，两班制工作，轴承的预期寿命为 ，＞,所以所选轴承合适。 5.2 高速轴的轴承的选择和计算 按轴的结构设计，选用30208（GB/T297—94）圆锥滚子轴承，经校核所选轴承能满足使用寿命，合适。 5.3 低速轴的轴承的选择和计算 按轴的结构设计，选用30213（GB/T297—94）圆锥滚子轴承，经校核所选轴承能满足使用寿命，合适。 6 减速器铸造箱体的主要结构尺寸（单位：mm） (1) 箱座（体）壁厚：=≥8，取=10，其中=210； (2) 箱盖壁厚：=0.02a+3≥8，取=8； (3) 箱座、箱盖、箱座底的凸缘厚度：，,； (4) 地脚螺栓直径及数目：根据=

30、210，得，根据螺栓的标准规格，选得20，数目为6个； (5) 轴承旁联结螺栓直径：； (6) 箱盖、箱座联结螺栓直径：=10～12，取=10； (7) 轴承端盖螺钉直径： 表6-1 减速器所用螺钉规格 高速轴 中间轴 低速轴 轴承座孔（外圈）直径 80 85 125 轴承端盖螺钉直径 8 10 10 螺 钉 数 目 6 6 6 (8) 检查孔盖螺钉直径：本减速器为二级传动减速器，所以取=5； (9) 螺栓相关尺寸：视具体设计情况而定，以图纸设计为准 (10) 轴承座外径：，其中为轴承外圈直径， 把数据代入上述公式，得数据如下： 高

31、速轴：mm取为125mm; 中间轴：取为130mm; 低速轴：取为180mm. (11) 轴承旁联结螺栓的距离：以螺栓和螺钉互不干涉为准尽量靠近； (12) 轴承旁凸台半径：40mm，根据结构而定； (13) 轴承旁凸台高度：根据低速轴轴承外径和扳手空间的要求，由结构确定； (14) 箱外壁至轴承座端面的距离：，取=60mm； (15) 箱盖、箱座的肋厚：≥0.85，取=8mm，≥0.85，取=10mm； (16) 大齿轮顶圆与箱内壁之间的距离：≥1.2，取=20mm； (17) 铸造斜度、过渡斜度、铸造外圆角、内圆角：铸造斜度=1：10， 过渡斜度=1：20，铸造外圆角=

32、5，铸造内圆角=3。 7 键联接的选择和强度校核 7.1 中间轴与齿轮用键联接的选择和强度校核 （1）锥齿轮与轴的键联接 ① 选用普通平键（A型） 按中间轴装齿轮处的轴径=50，以及轮毂长=50， 查表，选用键1445GB1096—79。 ② 强度校核 键材料选用45钢，查表知，键的工作长度，，按公式的挤压应力 ＜ 所以键的联接的强度是足够的，选用本键合适。 （2） 低速轴和高速轴上的键效核方法同上，材料同样选用45钢。 经效核，合格。 结 论 减速器的设计是一个较为复杂的过程，期间设计计算、绘制工程图、编制工艺等等，都是较为繁琐

33、的事情。但随着科学技术的发展这些过程都变的简单化。为了适应现代市场的需求，就必须运用计算机辅助设计技术解决过去计算繁琐，绘图工作量大及工作效率低，更新速度慢的问题。 正是基于此，在本毕业设计中，运用了强大的三维造型软件Pro-E造型，它图形界面友好，直观，在绘图过程中易变换，修改错误，方便用户及时调整，提高了效率，并能生成二维图纸，主要计算也通过编写程序来上机完成，让我们省去了不少繁琐的计算过程。主要零件的工艺设计在计算机辅助设计的条件下也显得一目了然。但这都要建立在我们熟练掌握这些软件的运用的基础上。本人对于Pro-E软件的运用只是刚入门，所以设计二维图纸主要通过CAD完成，三维造型还有很

34、多不足之处。希望自己在今后的学习工作中来弥补自身的不足之处。 通过本设计我对各种减速器的结构和设计步骤有了一个大概的了解，对以前所学的专业知识作了一个很好的总结，设计中尚有很多不合理和不理解的地方，以待在今后的学习工作中来弥补。 致 谢 感谢学校和系里为我们学生提供了优越的学习环境和学习条件，使我们能够顺利的完成毕业设计的任务。经过三个多月的学习工作，我顺利的完成了学校所布置的毕业设计任务。在这我要特别感谢我的指导老师李茂胜老师，正是他的严格要求和悉心指导才使我完成了二级圆锥齿轮减速器的设计。通过毕业设计我把以前没学好的知识再次进行了学习

35、，使我的机械设计理论和实践知识得到了丰富。这些都是与李老师严谨的风格是分不开的。他有很多工作要做，平时还要给学生上课，但对我们的毕业设计从没放松过，他总是尽量挤出时间来帮我们解决问题，并让我们积极参与探讨，调动我们的学习热情，这些都是值得我们倾佩的。同时我要感谢和我同组的同学，他们在我设计中也给了我很多宝贵的意见 。以及监督我们签到和帮助我们在机房用机、打印图纸的老师们。我要对所有帮助过我的老师我同学说一声感谢，你们都辛苦了！ 参考文献 1 吴彦农，康志军.Solidworks2003实践教程.淮阴：淮阴工学院，2003 2 孙江宏，段

36、大高.中文版Pro/Engineer2001入门与实例应用.北京：中国铁道出版社，2003 3 叶伟昌.机械工程及自动化简明设计手册（上册）.北京：机械工业出版社，2001 4 徐锦康.机械设计.北京：机械工业出版社，2001 5 成大先.机械设计手册（第四版 第四卷）.北京：化学工业出版社，2002 6 葛常清.机械制图（第二版）.北京：中国建材工业出版社，2000 7 谭浩强.C程序设计（第二版）.北京：清华大学出版社，2000 8 谭浩强.C程序设计题解与上机指导（第二版）.北京：清华大学出版社，2000 9 刘鸿之.材料力学（第三版 上、下册）.北京：高等教育出版社，2001 10 吕广庶，张远明.工程材料及成型技术.北京：高等教育出版社，2001 11 曾正明.机械工程材料手册.北京：机械工业出版社，2003 12 周昌治，杨忠鉴，赵之渊，陈广凌.机械制造工艺学.重庆：重庆大学出版社，1999 13 张耀宸.机械加工工艺设计手册.北京：航空出版社，1989 14 许高燕.机械设计手册及课程设计.中国地质大学出版社，1989 15 彭万波，张云静，张然.Pro/Engineer2001实例精解.北京：清华大学出版社，2002 16 张展.减速器设计选用手册.上海：上海科学技术出版社，