2024年5月15日发(作者:师黛)
.
机械设计课程设计计算说明书
一、传动方案拟定 3
二、电动机的选择 3
三、运动、动力学参数计算 5
四、传动零件的设计计算 6
五、轴的设计 11
六、轴承的选择和计算 24
七、键连接的校核计算 26
八、联轴器选择 27
九、箱体设计 28
十、减速器附件 28
十一、密封润滑 29
十二、设计小结 30
十三、参考文献 31
.
.
计算过程及计算说明 注释及说明
一、传动方案拟定
设计二级圆锥-圆柱齿轮减速器
工作条件:
输送机连续单向运转工作时有轻微震动,空载启动,卷筒效率
为0.96,输送带工作速度误差为
5%;每年按300个工作日计
算,使用期限为10年,大修期4年,单班制工作;在专门工厂
小批量生产
(1) 原始数据:运输机工作周转矩:T=1800N·m;带速
V=1.30m/s;
滚筒直径D=360mm
T=1800N·m
V=1.30m/s
D=360mm
1—电动机;2联轴器;3—减速器;4—鼓轮;5—传送带
.
二、电动机选择
1、电动机类型的选择
: Y系列三相异步电动机
2、电动机功率选择:
.
(1)工作机所需功率:
P
W
=Tn/9550,
因为
V
Dn/6000
,把数据带入式子中得n=68.97r/min,所以
P
W
=1800*68.97/9550=13.00kW
(2)
1)传动装置的总效率:
η
总
=η
滚筒
×η
4
轴承
×η
圆柱齿轮
×η
4
2
联轴器
P
W
=13.00kW
η
总
=0.86
×η
圆锥齿轮
P
d
=15.13kW
n
w
=68.97r/min
2
=0.96×0.99×0.98×0.99×0.97
=0.86
2)电动机的输出功率:
P
d
= P
W
/η
总
=13.00/0.86
=15.13kW
3、确定电动机转速:
计算工作机轴工作转速:
n
w
=60×1000V/πD
=60×1000×1.30/π×360
=68.97r/min
按表14-2推荐的传动比范围,取圆柱齿轮和圆锥齿轮传动
的一级减速器传动比范围分别为2~3和3~5,则总传动比范围
为I’
d
=6~15。故电动机转速的可选范围为
n
d
=I’
d
×n
w
=(6~15)×68.97=413.8~1034.6r/min
.
.
符合这一范围的同步转速有750和1000r/min。
4、确定电动机型号
由上可见,电动机同步转速可选750和1000r/min,可得到两
种不同的传动比方案
方
案
电
动
机
型
号
额
定
功
率
P
ed
/
kW
1 Y20
0L1
-6
2 Y22
5S-
8
综合各方面因素选择第一种方案,即选电动机型号为
Y225S-8机。
电动机的主要参数见下表
型号 额定功率
/kW
满载转速
n
m
(r/min
电动机转
速
同
步
转
速
满
载
转
速
电
动
机
重
量
/kg
传动装置的传动
比
传
动
比
圆
锥
传
动
比
圆
柱
传
动
比
电动机型号
Y200L1—6
18.
5
100
0
970 220 14 3.5 4
18.
5
750 730 266 10.
6
2.6
6
3.9
9
i
总
=10.6
i
1
=2.66
i
2
=3.99
中心高
mm
轴伸尺寸
《机械设计学
习指导》57页
)
Y225S-8
18.5 730 225 60*140
n
I
=730r/min
n
II
=274.4r/min
.
三、运动参数及动力参数计算
.
计算总传动比及分配各级的传动比
1、总传动比:
i=n
m
/n
w
=730/68.97=10.58
2、分配各级传动比:
取i直=1.52 i锥
锥齿轮啮合的传动比:i
1
=0.25i=2.66
圆柱齿轮啮合的传动比:i
2
=i/ i
1
=10.58/2.66=3.99
n
III
=68.8r/min
n
IV=
n
III
=68.8
P
I
=14.98Kw
P
II
=14.3kW
P
III
=13.9kW
P
IV
=13. 8 kW
1.计算各轴转速(r/min)
n
I
=n
m
=730
n
II
=n
I
/i
1
=730/2.66=274.4
T
d
=198 N·m
T
I
=196N·m
n
III
=n
II
/i
2
=274.4/4=68.8
T
II
=497.7N·m
n
IV=
n
III
=68.8
T
III
=1929.4N·
m
P
I
=P
d
·η
联轴器
=15.13×0.99=14.98
T
W
=1910.1
N·m
P
II
=P
I
·η
轴承
·η
圆锥齿轮
=14.98×0.99×0.98=14.3
P
III
=P
II
·η
轴承
·η
圆柱齿轮
=14.3×0.99×0.98=13.9
P
IV
= P
Ⅲ*
η
轴承*
η
联轴器
=13.9×0.99×0.99=13. 8
2.计算各轴的功率(kW)
3.计算各轴扭矩(N·m)
T
d
=9550* P
d
/ n
m
=9550×15.13/730=198
T
I
=9550*P
I
/n
I
=194
T
II
=9550*P
II
/n
II
=497.7
T
III
=9550*P
III
/n
III
=1929.4
T
W
=9550* P
W
/n
W
=1910.1
.
.
T
d
、T
I
、T
II
、T
III
、T
W
=依次为电动机轴,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和工作
机轴的输入转矩。
参数 轴名
V= 1.296m/s
电动机轴 Ⅰ轴 Ⅱ轴 Ⅲ轴 工作机轴
转
r/min
速
730 730 274.4 68.8 68.8
功率P/kW
转矩/n*m
传动比
效率
15.13
198
1
0.99
14.98
196
2.66
0.97
14.3
497.7
3.99
0.97
13.9 13.8
1929.4 1910.1
1
0.98
1
4.验证带速
V= n
III
=1.296m/s
60*1000
1.291.3
误差为
=-0.003<5%,合适
1.3
D1
四、传动零件的设计计算
1. 圆锥齿轮的设计计算
已知输入功率P
1
=P
Ⅰ
=14.98Kw,小齿轮的转速为730r/min,
齿数比为u=2.66,由电动机驱动,工作寿命为10年(每年工作
300天),单班制,输送机连续单向运转,工作时有轻微震动,
空载启动。
σ
Fp1
=446Mpa
σ
Fp2
= 338Mpa
σ
Hp2n
=580Mpa
(1)选定齿轮精度等级,材料和确定许用应力
1)该减速器为通用减速器,速度不高故选用7级精度
(GB10095-88)
2)选择小齿轮材料为35SiMn钢调质,硬度为229~286HBS,
大齿轮为45钢(调质),硬度为229~286HBS,按齿面硬度中
.
.
间值,有图5-29b按碳钢查MQ线得
σ
Flim1
=290Mpa σ
Flim2
=220Mpa
同理由图5-32b查得
σ
Hlim1
=700Mpa σ
Hlim2
=580Mpa
3)有式(5-29),(5-30)分别求得
σ
Fp1
=σ
Flim1
Y
ST
Y
N
Y
x
/S
Fmin
=446Mpa
σ
Fp2
=σ
Flim2
Y
ST
Y
N
Y
x
/S
Fmin
=338Mpa
σ
Hp2
=σ
Hlim2
Y
ST
Z
N
Z
W
/S
Hmin
=580Mpa
由于为闭式齿面硬度中,主要失效形式为齿面疲劳点蚀,
故应按接触疲劳强度进行设计,并校核其齿根的弯曲强度。
《机械设计基
础第四版》P82
P92~P93
T
(2)按接触疲劳强度进行设计计算
由设计公式进行计算 即
d
1
≥1017{kT
1
Z
2
/[σ
Hp
(1-0.5φ
R
)]
2
φ
R
u[σ
H
]
2
}
1/3
1)小齿轮的名义转矩 T
1
= T
I
=194N·m
2)选取载荷系数K=1.3~1.6
同小齿轮悬臂设置,取k=1.5
3)选取齿宽系数,取
R
0.3
4)选取重合度系数,取Z
0.88
5)初算小齿轮大端分度圆直径
d
1
1017*
3
(
0.88
)
(10.5*0.3)*550
2
*
1.5*150.25
0.3*3.5
109.1mm
6)确定齿数和模数
.
.
选取
z
1
28,则z
2
i
1
*z
1
2.662874.5
取
z
2
=75
大端模数m=
d
1
/z
1
3.89
mm,取m=4
7)计算主要尺寸
d
1
mz
1
428112mm
d
2
mt
2
475300mm
锥距R1/2d
1
2
d
2
2
1/2112
2
300
2
160mm
b
R
*R0.3160mm48mm
m4
z
1
28mm
z
2
75mm
P
70
表51
d
1
112mm
d
2
300mm
2
(3) 校核齿根弯曲疲劳强度
2360KT
1
F
bmz
1
(10.5
R
)
2
Y
Fs
Y
Fp
R160mm
b48mm
1)计算从重合度系数
Y
0.25
0.75
11
)1.72
,所以
z
1
z
2
Y
0.69
Z
V1
29.9
Z
V2
214
(
因为重合度
1.883.2
Y
0.25
0.75
0.69
。
1.72
2)确定
Y
Fs
/
Fp
的大值
1
arctan
1
arctan
z
1
z
arctan28/7520.47
0
2
Z
1
Z
2
2
90
1
69.53
Z
V1
Z
V2
cos
1
cos
2
29.9
214
.
由图5-26查得
Y
Fs1
4.3,Y
Fs2
4.0
。则
.
Y
Fs1
Fp1
Y
Fs2
4.15
0.00928Mpa
1
446
4.0
0.01183Mpa
1
338
Fp2
YY
因为
Fs1
Fs2
,所以选择大齿轮进行校核
F2
112
FP2
Fp1
Fp2
3)校核大齿轮的齿根弯曲疲劳强度
23601.5194
F2
4.00.69
2
484
2
28(10.50.3)
112Mpa
FP2
338Mpa
故齿根弯曲疲劳强度足够,所选参数合适。
2.圆柱直齿轮的设计计算
已知:输入功率
P
2
14.3kW
,小齿轮转速为274.4r/min,
齿数比为u=4,电动机驱动,工作寿命为10年(每年工
作300天)单班制,带式输送机,时有轻微震动,单项运
转。
(1)选择齿轮材料,确定许用应力
根据题设条件看,大小齿轮均采用20CrMnTi钢渗碳淬
火,硬度56~62HRC。
由图5-29c查得弯曲疲劳强度极限应力
Flim
450Mpa
由图5-32c查得接触疲劳强度极限应力
Hlim
1500Mpa
(2)按轮齿弯曲疲劳强度计算齿轮的模数m
m12.6
3
KT
1
Y
FS
Y
Flim
450Mpa
Hlim
1500Mpa
d
Z
1
2
FP
1)确定弯曲应力
FP
FP
Y
FlimST
S
Flim
Y
N
Y
X
.
.
采用国标时,
Y
ST
2.0,S
Fmin
1.5,Y
X
1.
因为齿轮的循环次数
N60nat60274.41(103008)4.010
8
FP1
=563Mpa
所以取
Y
N
1
;则
FP1
Flim
Y
ST
2)小齿轮的名义转矩
T
1
T
1
T
497.7Nm
3)选取载荷系数K=1.6
4)初步选定齿轮的参数
T
1
497.7Nm
S
Flim
Y
N
Y
X
=600Mpa
m=4
Z
1
20,Z
2
80
d
0.5,u4
Y
FS1
4.25
Z
1
20,Z
2
iZ
1
3.992079.8,取Z
2
80
d
0.5,u
Z
2
4
Z
1
5)确定复合齿形系数
Y
FS
,因大小齿轮选用同一材料及热处
理,则
FP
相同,故按小齿轮的复合齿形系数带入即可
由《机械设计基础》第四版P88,图5-26可查得:
Y
FS1
4.25
6)确定重合度系数
Y
11
()1.7
因为重合度
1.883.2
Z
1
Z
2
所以
Y
0.25
0.75
0.69
将上述各参数代入m式中得
m12.6
3
3
Y
0.68
KT
1
Y
FS
Y
d
Z
1
2
FP
12.6
1.5497.74.060.68
3.3
0.520
2
563
a=200mm
按表5-1,取标准模数
m4mm
。则中心距
.
.
a
1
m(Z
1
Z
2
)200mm
2
7)计算传动的几何尺寸:
d
1
80mm
d
2
320mm
R160mm
b
1
48mm
d
1
mZ
1
42080mm
d
2
mZ
2
480320mm
齿宽:
b
2
48mm
b
2
d
d
1
40mm
b
1
b
2
(5~10)48mm
(3)校核齿面的接触强度
KT(
1
u1)
H
112Z
E
Z
bd
1
u
2
HP
《机械设计课
程设计》P22
1) 重合度系数
Z
0.85
2) 钢制齿轮
Z
E
189.8Mpa
把上面各值代入式中可算得:
H
1125.2Mpa
Hlim
S
Hlim
HP
Z
N
Z
W
1500
111250Mpa
1.2
H
HP
符合要求
(4)校核齿根弯曲强度
F1
F2
2000T
1
K
Y
FS1
Y
351.97
2
bmZ
1
2000T
1
K
Y
FS1
Y343.4
bm
2
Z
1
许用弯曲应力:
F1
F2
Flim
Y
ST
Y
N
S
Fmin
600MPa
F1
FP1
,
F2
FP1
故,轴强度满足要求。
.
.
五、轴的设计计算
输入轴的设计计算
1.已知:
P1 =14.98kw, n1 =730r/min,T1 =196 N·m
2.选择材料并按扭矩初算轴径
选用45#调质,硬度217~255HBS,
b
=650Mp
根据课本P235(10-2)式,并查表10-2,取c=115
F1
F2
600MPa
dmin=115mm=31.38mm
考虑到最小直径处要连接联轴器要有键槽,将直径增大5%,则
d=31.38×(1+5%)mm=33mm
3.初步选择联轴器
要使轴径d12与联轴器轴孔相适应故选择连轴器型号
查课本P297,查kA=1.5, Tc=kA T1=1.5*196=294 N·m
查《机械设计课程设计》P298,取HL弹性柱销联轴器,其额
定转矩315 N·m,半联轴器的孔径d
1
=35mm,故取d
12
=35mm,
轴孔长度L=82mm,联轴器的轴配长度L1 =60mm.
d
min
31.38mm
d
12
=35mm
d
2-3
=42mm
d
3-4
=d
5-6
=45mm
d
4-5
=54mm
d
67
=42mm
l
12
=60mm.
4.轴的结构设计
(1)拟定轴的装配方案如下图:
.
.
l
23
=50
l
3-4
=26mm
l
45=120mm
l56=26mm
l67=78mm
(2)轴上零件的定位的各段长度,直径,及定位
○1为了定位半联轴器,1-2轴右端有一轴肩,取d2-3=42mm
○2选滚动轴承:因轴承同时承受有径向力和轴向力,故选用系
列圆锥滚子轴承。参考d2-3=42mm。查《机械设计课程设计》
P311,表18-4.选取标准精度约为03.尺寸系列30309.尺寸:
dDT4510027.25
故d3-4= d5-6=45mm,而l3-4=26mm 此两对轴承均系采用轴
肩定位,查表18-4,3030轴承轴肩定位高度h=4.5mm
因此取d4-5=54mm。
○3取安装齿轮处的直径d67=42mm,使套筒可靠的压在轴承上,
故l56 ○4轴承端盖总宽度为20mm,由于装拆及添加润滑油的要求, 轴承端盖与外端面与半联轴器右端面的距离l=30mm,故 l23=20+30=50mm。取l 45=120mm. . Ft1 =4117.6N . ○5圆锥齿轮的轮毂宽度lh=(1.2~1.5)ds,取l h =63mm,齿轮端 面与箱壁间距取15mm,故l67=78mm。 ○6轴上零件的周向定位 半联轴器与轴、齿轮与轴采用平键连接,即过盈配合。由设计 Fr1=1404.1N Fa1=524.1N 手册,并考虑便于加工,取半联轴器与齿轮处的键剖面尺寸 bh1610 , 齿轮键长L=B-(5~10)=57.5mm 配合均用H7/K6,滚动轴承采用轴肩及套筒定位。轴承内圈与 轴的配合采用基孔制,轴尺寸公差为K6 F BX =255.6N F BY =704.3N ○7轴圆角: 245 0 F Cx 5.轴强度的计算及校核 ①求平均节圆直径: 已知d1=28mm dm1= d1(1-0.5R)=4 428(10.50.31)95.2 mm 圆周力:Ft1=2000T1/dm1= 径向力:Fr1=Ft1· tancos 1 =1404.1N 轴向力:Fa1=Ft1·tanα sin 1 =524.1N =6684.0N FCy=2108.4N ②锥齿轮受力: 已知T1=196N·m,则 =4117.6N ○3轴承的支反力 (1) 绘制轴受力简图(如下图) . . (2)轴承支反力 水平面上的支反力: M c 0 tan20 0 cos20.47 0 1404.1N W0.1d 3 M Cx =-347.7N ·m e M e W [ 1 ] b 59MPa d 12 d 56 40.34mm M Cy1 =64.1N·m M C y2=-24.9N ·m F Bx + F Cx =Ft=4117.6N 解得: F Bx =-255.6 N, F Cx =6684.0N 垂直面上的支反力 M c 0 FBy ==-704.3 N FCy= F r1 - FBy=2108.4N Mec =275.06N·m σe =1.36Mpa (3) 求弯矩,绘制弯矩图(如下图) MCx=-Ft·CD=-347.7N·m MCy1 =FBy·BC=-64.1 N·m MCy2=-Fa·dm/2=-24.9 N·m M C1 ' 372.8 N·m . . M C2 ' 367 N·m (4)合成弯矩: 22 M c1 = M cx M cy1 = 353.6 N·m P 2 14.3KW n 2 274.4r/min 22 M c2 = M cx M cy2 348.6 N·m (5)求当量弯: T497.7 N·m 2 [ 1 ] b /[ 0 ] b , b 650MPa 因单向回转,视转矩为脉动循环, [ 1 ] b 59MPa,[ 0 ] b 98MPa . . 则 d min =40.34mm 剖面C的当量弯矩: M C1 ' M C1 2 (T) 2 372.8 N·m M C2 M C2 (T)367 N·m '22 6断危险截面并验算强度 1)剖面C当量弯矩最大,而直径与邻段直径相差不大,故剖面 C为危险截面。 已知Me= MC 1`=372.8MPa, W0.1d 3 e M e =40.9MPa< [ 1 ] b 59MPa W 2)A处虽只受扭矩但截面最小也为危险截面 M e e =27.5MPa< [ 1 ] b 59MPa W 所以其强度足够. 中间轴的设计 1.已知 : P 2 14.3KW,n 2 274.4r/min,T 2 497.7N?m 2.选择材料并按扭矩初算轴径 1 选用45#调质, 650M pa ,硬度217~255HBS ○ b d 12 = d 56 =50mm d 23 =d 45 =57mm d 34 =63mm 根据课本P235(10-2)式,并查表10-2,取c=108 d min C 3 P 2 40.34mm n 2 3.轴的结构设计 (1)拟定轴的装配方案如下图 l 12 80mm l 23 =52mm . . l 34 16mm l 45 =46mm。 l 56 116mm (2)轴上零件的定位的各段长度,直径,及定位 ○1初步选择滚动轴承。 因轴承同时受到径向力和轴向力,故 选用单列圆锥滚子轴承 ,参照工作要求并根据 d 12 d 56 40.34mm , Ft1=12442.5N Fr1=4528.7N Ft2=3903.5N Fr2= 496.87N 查<<机械设计课程设计>>取30310型,尺寸 dDT50mm110mm29.25mm 故d12= d56=50mm, 此两对轴承均系采用套筒定位, 查表18-4, 轴定位轴肩高度h=4.5mm,因此取套筒直径 为59mm. ○2取安装齿轮处的直径:d23=d45=57mm,锥齿轮右端与左轴 承之间采用套筒定位,已知锥齿轮轮毂长lh=(1.2~1.5)ds, 取lh=55m为了使套筒可靠的压紧端面,故取 l 23 =52mm, 齿轮的右端采用轴肩定位,轴肩高度h>0.07d,取h=4mm,则 此处轴环的直径d34=63mm. ○3已知圆锥直齿轮的齿宽为b1=48mm,为了使套筒端面可靠地 . Fa1= 1331.1N . 压紧齿轮端面,此处轴长l45 l 45 =46mm。 ○4以箱体——小圆锥齿轮中心线为对称轴,取 AB=92mm, BC=65mm, CD=125mm l 12 80mm,l 34 16mm,l 56 116mm (3) 轴上零件的周向定位 半联轴器与轴、齿轮与轴采用平键连接,即过盈配合。由 设计手册,并考虑便于加工,取半联轴器与齿轮处的键剖面 尺寸 bh1610 mm,齿轮键长L=B-(5~10)=50mm 配合均用H7/K6,滚动轴承采用轴肩及套筒定位。轴承内 圈与轴的配合采用基孔制,轴尺寸公差为K6 (4) 轴圆角:2 45度 4. 轴强度的计算及校核 1.(1)小直齿轮分度圆直径:已知d1=80mm, T 2 497.7N•m 圆周力:Ft1=2000T2/d1=12442.5N 径向力:Fr1=Ft1·tanα=4528.7N (2) 锥齿轮受力: 已知T 2 =497.7N·m ,dm2= d2(1-0.5 R )= 255mm 则 圆周力:Ft2=2000T2/dm2=3903.5N 径向力:Fr2=Ft1·tanαcos 2 =496.87N 轴向力:Fa1=Ft2·tanα sin 2 =1331.1N (3)求轴承的支反力 轴承的受力简图 F AX =-8145.3N F DX =-8200.7N F AY 1070.83N . . F DY 2961N M B 749.37N•m M B1 '98.52N•m M B2 '268.2N•m 水平面上,竖直面上的支反力平衡则: FF DX F t2 F t1 0 AX F AY F DY F r2 F t1 对A求矩 Ft2•ABF t1 •ACF DX •AD0 d 2 F•ADFF r2 •AB-F r1 •AC0 DYa2 2 解方程组得: F AX =-8145.3N, F DX =-8200.7N, F AY 1070.83N,F DY 2961N Mc11089.9N•m M B2 795.93N•m ' M B1 847.51N•m ' M C1 1128.1N•m (4)画弯矩图 . . b 650MPa, [ 1 ] b 59MPa, [ 0 ] b 98MPa 2. B.处的弯矩: 水平:M B F tAX •AB749.37N•m 竖直:M B1 'F AY •AB98.52N•m M B2 'F DY •BDFr1•BC268.2N•m C处的弯矩: 水平:M c F DX •CD1025.3N•m 竖直:M C1 'F Dy •CD370.2N•m M c2 'F Ay •AcF a2 •d 2 /2F r2 •BC370.13N•m 3.合成弯矩: 2'2 Mc1M Bc M b1 1089.9N•m 2'2 M B2 M B M b2 795.93N•m d min 65.7mm 4.转矩 T 2 497.7N•m 5. 因单向回转,视转矩脉动循环 [ -1 ] b /[ 0 ] b ,已知 b 735MPa ,查表12-1[ 1 ] b =65MPa, [ a ] b 118 MPa , 则 65/1180.585 . . 剖面B处的当量弯矩: 2 M ' B1 M B2 ( T 2 )847.51N•m 2 剖面C处的当量弯矩图: ' M C1 ( T 2 ) 2 1128.1N•m M C1 2 (7) 判断危险截面并验算强度 剖面C当量弯矩最大,而直径与邻段直径相差不大,故剖 面C为危险截面。 已知:M e = M C 1 `=1128.1MPa, [ 1 ] b 69M pa , W=0.1 e M e M 60.1M pa [ 1 ] b 69M pa 3 W 0.1d d 1-2 =70mm d 2-3 =77mm d 34 d 78 80mm 所以其强度合适。 输出轴设计(Ⅲ轴) 已知:输出轴功率为P 3 =13.9kW,转速为68.8r/min,转矩为 1929.4N·m,大圆柱齿轮的直径为320 mm,齿宽为4mm。 1.选择轴的材料 b 650MPa, 选取轴的材料为45钢(调质), [ 1 ] b 59MPa, [ 0 ] b 98MPa 2. 按扭矩初算联轴器处的最小直径 先据表12-2,按45钢(调质)取C=110,则: d min d 45 92mm d 56 =104mm d 67 =90mm P C 3 3 65.7mm ,考虑到最小直径处要连接联轴器 n 3 要有键槽,将直径增大5%,则d=65.7×(1+5%)mm=69mm 要使轴径d 12 与联轴器轴孔相适应,故选择连轴器型号 . l 1-2 =130mm l 23 =50mm . 查课本P 297, 查T A =1.5, 设计扭矩:T c =T A T 3 =1.51929.4=2893.5N·m,查《机械设计课 程设计》P 298, 取HL6弹性柱销联轴器,额定扭矩为3150N·m 其半联轴器的孔径d =70mm,长度为132mm。故取d 1-2 =70mm, l 1-2 =130mm l 34 =42.5mm l 45 90.5mm l 56 =10mm l 67 52mm l 78 113mm 3. 轴的结构设计 (1)拟定轴的装配方案如下图: (2)轴上零件的定位的各段长度,直径,及定位 1)为了定位半联轴器,1-2轴右端有一轴肩,取d 2-3 =77mm, 轴承端盖总宽度为20mm,由于装拆及添加润滑油的要求,轴 承端盖与外端面与半联轴器右端面的距离l=30mm,故 l 23 =20+30=50mm挡圈直径D=78mm 2)选取轴承型号:圆锥滚子轴承30316型号, d D T=80mm 170mm 42.5mm F t2 1066.8N F r2 3530.8N 所以取 . . d 34 d 78 80mm 3)根据轴承采用轴肩定位,轴肩高度h=6mm,选 d 45 92mm 4)齿轮与右轴承间采用套筒定位,套筒直径为92mm, F DX 6315.5N F BX 5743.3N 齿轮的轮毂宽度 l h (1.2~1.5) d s 故取 l h 为60mm,轴肩h>0.07d, 取h=7mm,轴环处处的直径 d 56 =104mm, l 56 >1.4h,取 l 56 =10mm, F BY 2090.4N F DY 2298.6N l 67 52mm 5)取 箱体——小圆锥齿轮的中心线为对称轴, l 45 90.5mm,l 78 113mm, M CX 871.5N•m M Cy 317.2N•m 6)轴上的周向定位 齿轮与轴用键连接查《机械设计课程设计》取 L=B-(5~10)=55mm.同时保证齿轮与轴有良好 bh2514 , 对中性,选择齿轮轮毂与轴合为H7/m6,滚动轴承宇宙的轴 向定位有过渡配合来保证,轴尺寸公差为m6 7)确定轴的倒角尺寸:2 45 。 0 M C 927N•m 4.轴的强度校核 1)齿轮上的作用力的大小 F t2 1066.8N,F r2 3530.8N 2)求直反力 . . 水平方向:F BX F DX F t2 M B 0, F t2 •BC 6315.5NF DX F BX F BY F DY BD 5743.3N 竖直方向: F r2 •CD2090.4N BD F r2 •BC2298.6N BD 3)画弯矩图: M CX F BX •BC871.5N•m M Cy F BY •BC317.2N•m M C M CX 2 M Cy 2 927N•m . . 4)画扭矩图: T 3 1929.4N•m 5)弯扭合成: [ 1 ] b /[ 0 ] b , b 650MPa 因单向回转,视转矩为脉动循环, [ 1 ] b 59MPa,[ 0 ] b 98MPa 则 剖面C的当量弯矩: M C ' M C 2 (T) 2 1486.1 N·m T =1161.5 N·m 6)判断危险剖面: C截面: e M e 24.2MPa< [ 1 ] b 59MPa W M e 33.9MPa< W A截面直径最小也为危险截面: e [ 1 ] b 59MPa 满足强度要求 . . 六.轴承的选择与计算 1. 输入轴的轴承:30309圆锥滚子轴承 1 ○ F BX 2556.4N,F BY 704.3N,F CX 6684.0N.F BX 2108.4N,n730r/min C r 108000N e=0.35,Y=1.7 2 轴承内部轴向力:○ F RB F BX 2 F BY 2 2661.3N,F RC F CX 2 F CY 2 F sB F RB /2Y782.7N,F sc F RC /2Y2061.3N, =7008.5N F sB F sc 故轴承B被压紧 F AC 'F a 524.1N,F AB 'FaF SC 2585.3N F C ' F' 0.07e0.35, B 0.97e0.35 F RC F RB 3 查得:f p 1.2,x0.4,当量动载荷P c f p •F RC 8410.2N ○ P B f p (xF RB YF B ')6551.4N P B P c ,校核C轴承就行 C 10 6 10/3,实际寿命,L h ( r )113118h 60730P C 4 滚子轴承 单班制工作预期寿命:30081024000h ○ 故实际寿命大于预期寿命,合适! 2.中间轴轴承30310圆锥滚子轴承 1 ○ F R1 8718.9N,F R2 8215.42N,F a2 1331.05N.n274.4r/min C r 130000N e=0.35,Y=1.7 . . 2 轴承内部轴向力:○ F s1 F R1 /2Y2564.38N,F S2 F R2 /2Y2416.3N, =7008.5N F s1 F a2 F s2 故轴承2被压紧 F A1 F s1 2564.4N,F A2 FaF S1 3895.4N F A! F 0.29e0.35, A2 0.0.47e0.35 F R1 F R2 3 查得:f p 1.2,x0.4,当量动载荷P ○ 1 f p •F R1 10462.7N P 2 f p (xF 1 YF A2 )19836.8N P 1 P 2 ,校核2轴承就行 4 滚子轴承○ C 10 6 10/3,实际寿命,L h ( r )31792.06h 60274.7P 2 单班制工作预期寿命:30081024000h 故实际寿命大于预期寿命,合适! 3.输出轴轴承30316圆锥滚子轴承 1 ○ F BX 5743.3N,F BY 2090.4N,F DX 6315.5N.F DY 2298.6N,n68.8r/min C r 278000N e=0.35,Y=1.7 2 轴承内部轴向力:○ F RB F BX 2 F BY 2 6112N,F RD F DX 2 F DY 2 6720.8N F sB F RB /2Y1797.6N,F sD F RD /2Y1976.7N, F sB F sD 故轴承B被压紧 F AD 'F AB '1976.7N . . F AD 'F' 0.3e0.35, AB 0.29e0.35 F RD F RB 3 查得:f p 1.2,x0.4,当量动载荷P D f p •F RD 8064.9N ○ P B f p F RB 7334.4N P B P D ,校核D轴承就行 C 10 6 10/3,实际寿命,L h ( r )32000000h 6068.8P C 4 滚子轴承 单班制工作预期寿命:30081024000h ○ 故实际寿命大于预期寿命,合适! 七.键的计算校核 1.输入轴上的键 1 联轴器处:○ bhL161057,K4.3,轴径d 1 35mm,T i 196N•m, l=L-b=41mm p 4T 54.6MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个A键即可 2 小锥齿轮处: ○ bhL12855,K3.3,轴径d 2 42mm,T 1 196N•m, l=L-b=43mm p 4T 54.3MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个A键即可 2.轴的键的校核计算: 1 大锥齿轮处: ○ bhL161050,K4.3,轴径d 3 57mm,T 2 497.7N•m, l=L-b/2=42mm . . p 4T 83.2MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个C键即可 2 小直齿轮处: ○ bhL161043,轴径d 4 57mm, T 2 497.7N•m, l=L-b=35mm p 4T 99.8MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个C键即可 3.输出轴键的校核: 1 直齿轮处的键: ○ bhL251455,轴径d 5 80mm,T 3 1929.4N•m, l=L=55mm p 4T 110MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个B键即可 2 联轴器处键的校核: ○ bhL2012122,轴径d70mm,T 3 1929.4N•m, l=L-b=102mm p 4T 90.1MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个A键即可 八.联轴器的选择 输入轴联轴器: 查《机械设计课程设计》P298,取HL弹性柱销联轴器,其额 定转矩315 N·m,半联轴器的孔径d1 =35mm,轴孔长度L=82mm, 联轴器的轴配长度L1 =60mm. . . 输出轴联轴器: 查《机械设计课程设计》P 298, 取HL6弹性柱销联轴器,额定扭 矩为3150N·m其半联轴器的孔径d =70mm,长度为132mm。 所选联轴器的额定扭矩均大工作扭矩故,满足需求。 九.减速器箱体结构尺寸 名称 机座壁厚 机盖壁厚 机座凸缘厚度 机盖凸缘厚度 机座凸底缘厚度 地脚螺钉直径 地脚螺钉数目 轴承旁连接螺栓直径 机盖与机座连接螺栓 直径 联接螺栓d 2 的间距 轴承端盖螺钉直径 符号 结果 8 8 12 12 20 M20 4 M16 M10 1 0.025a3 1 0.02a3 b=1.5 1 b 1 1.5 1 b 2 2.5 d f =0.036a+12=19.2 n d 1 0.75d f d 2 (0.5~0.6)d f 9.6~11.52 l=150~200 d 3 (0.4~0.5)d f 7.68~9.6 180 M8 窥视孔盖螺钉直径 d 4 (0.3~0.4)d f 5.76~7.68 M8 定位销直径 d(0.7~0.8)d 2 7~8 8 d f、 d 1、 d 2 到外机壁 C 1 (27,23,17) . 27,23,17 . 距离 d 1、 d 2 离 至凸缘边缘距 C 2 (21,15) 21,15 轴承旁凸台半径 凸台高度 外机壁至轴承座端面 距离 大齿轮顶圆与内机壁 距离 齿轮端面与内机壁距 离 机盖、机座肋厚 R 1 = C 2 (21,15) h=20mm 21,15 l 1= C 1 +C 2 +(8~12)=44~48 46 △ 1>1.2 12 △ 2> 10 m 1 ≈0.85 0.85 1 , m 2 ≈ 7 轴承端盖外径 D2=1.25D+10 135,148, 223 轴承端盖凸缘厚度 轴承旁联接螺栓距离 t=(1~1.2)d 3 S≈D 2 9 135,148, 223 十.减速器附件的选择 由《机械设计课程设计》选择通气塞M16×1.5,A型压配式 圆形油压表A32JB/T7941.1-1995,外六角螺塞及封油垫M14× 1.5,箱座吊耳,吊环螺钉M16(GB/T825-1988),启盖螺钉M8。 十一.齿轮的密封与润滑 齿轮采用润滑油润滑,由《机械设计基础课程设计》选名 称为工业闭式齿轮油(GB-5903-1995),代号为L-CKC220润滑 . . 剂。因为齿轮的速度小于12m/s,所以圆锥齿轮浸入油的深 度约一个齿高,三分之一齿轮半径,大齿轮的齿顶到油底面 的距离≥30~60mm。因为大圆锥齿轮的线速度为 4.87m/s>2m/s,可以利用齿轮飞溅的油润滑轴承,并通过油槽 润滑其他轴上的轴承,且有散热作用,效果较好。对箱体进 行密封为了防止外界的灰尘,水分等侵入轴承,并阻止润滑 剂的流失。 十二.设计小结 通过这次对圆锥圆柱二级减速器的设计,使我们真正的了 解了机械设计的概念,在这次设计过程中,反反复复的演算 一方面不断的让我们接进正确,另一方面也在考验我们我们 的耐心,思维的严密性和做研究的严谨性。我想这也是这次 设计我们是哟应该达到的。这些让我感受颇深。通过三个星 期的设计实践,我们真正感受到了设计过程的谨密性,为我 们以后的工作打下了一定的基础。 机械设计是机械这门学科的基础的基础,是一门综合性较 强的技术课程,他融汇了多门学科中的许多知识,例如,《机 械设计》,《材料力学》,《工程力学》,《机械设计课程设计》 等,我们对先前学的和一些未知的知识都有了新的认识。也 让我们认识到,自己还有好多东西还不知道,以后更要加深 自己的知识内涵,同时,也非常感谢老师对我们悉心的指导, 得已让我们能更好的设计。 . . 参考文献: 1. 黄华梁、彭文生编《机械设计》四版 高等教育出版社2007 2. 王旭、王积森 《机械设计课程设计》 机械工业出版社 2003 3. 朱文坚 《机械设计课程设计》 科学出版社 4. 刘鸿文主编 《材料力学》 第四版 高等教育出版社 2003 .
2024年5月15日发(作者:师黛)
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机械设计课程设计计算说明书
一、传动方案拟定 3
二、电动机的选择 3
三、运动、动力学参数计算 5
四、传动零件的设计计算 6
五、轴的设计 11
六、轴承的选择和计算 24
七、键连接的校核计算 26
八、联轴器选择 27
九、箱体设计 28
十、减速器附件 28
十一、密封润滑 29
十二、设计小结 30
十三、参考文献 31
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计算过程及计算说明 注释及说明
一、传动方案拟定
设计二级圆锥-圆柱齿轮减速器
工作条件:
输送机连续单向运转工作时有轻微震动,空载启动,卷筒效率
为0.96,输送带工作速度误差为
5%;每年按300个工作日计
算,使用期限为10年,大修期4年,单班制工作;在专门工厂
小批量生产
(1) 原始数据:运输机工作周转矩:T=1800N·m;带速
V=1.30m/s;
滚筒直径D=360mm
T=1800N·m
V=1.30m/s
D=360mm
1—电动机;2联轴器;3—减速器;4—鼓轮;5—传送带
.
二、电动机选择
1、电动机类型的选择
: Y系列三相异步电动机
2、电动机功率选择:
.
(1)工作机所需功率:
P
W
=Tn/9550,
因为
V
Dn/6000
,把数据带入式子中得n=68.97r/min,所以
P
W
=1800*68.97/9550=13.00kW
(2)
1)传动装置的总效率:
η
总
=η
滚筒
×η
4
轴承
×η
圆柱齿轮
×η
4
2
联轴器
P
W
=13.00kW
η
总
=0.86
×η
圆锥齿轮
P
d
=15.13kW
n
w
=68.97r/min
2
=0.96×0.99×0.98×0.99×0.97
=0.86
2)电动机的输出功率:
P
d
= P
W
/η
总
=13.00/0.86
=15.13kW
3、确定电动机转速:
计算工作机轴工作转速:
n
w
=60×1000V/πD
=60×1000×1.30/π×360
=68.97r/min
按表14-2推荐的传动比范围,取圆柱齿轮和圆锥齿轮传动
的一级减速器传动比范围分别为2~3和3~5,则总传动比范围
为I’
d
=6~15。故电动机转速的可选范围为
n
d
=I’
d
×n
w
=(6~15)×68.97=413.8~1034.6r/min
.
.
符合这一范围的同步转速有750和1000r/min。
4、确定电动机型号
由上可见,电动机同步转速可选750和1000r/min,可得到两
种不同的传动比方案
方
案
电
动
机
型
号
额
定
功
率
P
ed
/
kW
1 Y20
0L1
-6
2 Y22
5S-
8
综合各方面因素选择第一种方案,即选电动机型号为
Y225S-8机。
电动机的主要参数见下表
型号 额定功率
/kW
满载转速
n
m
(r/min
电动机转
速
同
步
转
速
满
载
转
速
电
动
机
重
量
/kg
传动装置的传动
比
传
动
比
圆
锥
传
动
比
圆
柱
传
动
比
电动机型号
Y200L1—6
18.
5
100
0
970 220 14 3.5 4
18.
5
750 730 266 10.
6
2.6
6
3.9
9
i
总
=10.6
i
1
=2.66
i
2
=3.99
中心高
mm
轴伸尺寸
《机械设计学
习指导》57页
)
Y225S-8
18.5 730 225 60*140
n
I
=730r/min
n
II
=274.4r/min
.
三、运动参数及动力参数计算
.
计算总传动比及分配各级的传动比
1、总传动比:
i=n
m
/n
w
=730/68.97=10.58
2、分配各级传动比:
取i直=1.52 i锥
锥齿轮啮合的传动比:i
1
=0.25i=2.66
圆柱齿轮啮合的传动比:i
2
=i/ i
1
=10.58/2.66=3.99
n
III
=68.8r/min
n
IV=
n
III
=68.8
P
I
=14.98Kw
P
II
=14.3kW
P
III
=13.9kW
P
IV
=13. 8 kW
1.计算各轴转速(r/min)
n
I
=n
m
=730
n
II
=n
I
/i
1
=730/2.66=274.4
T
d
=198 N·m
T
I
=196N·m
n
III
=n
II
/i
2
=274.4/4=68.8
T
II
=497.7N·m
n
IV=
n
III
=68.8
T
III
=1929.4N·
m
P
I
=P
d
·η
联轴器
=15.13×0.99=14.98
T
W
=1910.1
N·m
P
II
=P
I
·η
轴承
·η
圆锥齿轮
=14.98×0.99×0.98=14.3
P
III
=P
II
·η
轴承
·η
圆柱齿轮
=14.3×0.99×0.98=13.9
P
IV
= P
Ⅲ*
η
轴承*
η
联轴器
=13.9×0.99×0.99=13. 8
2.计算各轴的功率(kW)
3.计算各轴扭矩(N·m)
T
d
=9550* P
d
/ n
m
=9550×15.13/730=198
T
I
=9550*P
I
/n
I
=194
T
II
=9550*P
II
/n
II
=497.7
T
III
=9550*P
III
/n
III
=1929.4
T
W
=9550* P
W
/n
W
=1910.1
.
.
T
d
、T
I
、T
II
、T
III
、T
W
=依次为电动机轴,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和工作
机轴的输入转矩。
参数 轴名
V= 1.296m/s
电动机轴 Ⅰ轴 Ⅱ轴 Ⅲ轴 工作机轴
转
r/min
速
730 730 274.4 68.8 68.8
功率P/kW
转矩/n*m
传动比
效率
15.13
198
1
0.99
14.98
196
2.66
0.97
14.3
497.7
3.99
0.97
13.9 13.8
1929.4 1910.1
1
0.98
1
4.验证带速
V= n
III
=1.296m/s
60*1000
1.291.3
误差为
=-0.003<5%,合适
1.3
D1
四、传动零件的设计计算
1. 圆锥齿轮的设计计算
已知输入功率P
1
=P
Ⅰ
=14.98Kw,小齿轮的转速为730r/min,
齿数比为u=2.66,由电动机驱动,工作寿命为10年(每年工作
300天),单班制,输送机连续单向运转,工作时有轻微震动,
空载启动。
σ
Fp1
=446Mpa
σ
Fp2
= 338Mpa
σ
Hp2n
=580Mpa
(1)选定齿轮精度等级,材料和确定许用应力
1)该减速器为通用减速器,速度不高故选用7级精度
(GB10095-88)
2)选择小齿轮材料为35SiMn钢调质,硬度为229~286HBS,
大齿轮为45钢(调质),硬度为229~286HBS,按齿面硬度中
.
.
间值,有图5-29b按碳钢查MQ线得
σ
Flim1
=290Mpa σ
Flim2
=220Mpa
同理由图5-32b查得
σ
Hlim1
=700Mpa σ
Hlim2
=580Mpa
3)有式(5-29),(5-30)分别求得
σ
Fp1
=σ
Flim1
Y
ST
Y
N
Y
x
/S
Fmin
=446Mpa
σ
Fp2
=σ
Flim2
Y
ST
Y
N
Y
x
/S
Fmin
=338Mpa
σ
Hp2
=σ
Hlim2
Y
ST
Z
N
Z
W
/S
Hmin
=580Mpa
由于为闭式齿面硬度中,主要失效形式为齿面疲劳点蚀,
故应按接触疲劳强度进行设计,并校核其齿根的弯曲强度。
《机械设计基
础第四版》P82
P92~P93
T
(2)按接触疲劳强度进行设计计算
由设计公式进行计算 即
d
1
≥1017{kT
1
Z
2
/[σ
Hp
(1-0.5φ
R
)]
2
φ
R
u[σ
H
]
2
}
1/3
1)小齿轮的名义转矩 T
1
= T
I
=194N·m
2)选取载荷系数K=1.3~1.6
同小齿轮悬臂设置,取k=1.5
3)选取齿宽系数,取
R
0.3
4)选取重合度系数,取Z
0.88
5)初算小齿轮大端分度圆直径
d
1
1017*
3
(
0.88
)
(10.5*0.3)*550
2
*
1.5*150.25
0.3*3.5
109.1mm
6)确定齿数和模数
.
.
选取
z
1
28,则z
2
i
1
*z
1
2.662874.5
取
z
2
=75
大端模数m=
d
1
/z
1
3.89
mm,取m=4
7)计算主要尺寸
d
1
mz
1
428112mm
d
2
mt
2
475300mm
锥距R1/2d
1
2
d
2
2
1/2112
2
300
2
160mm
b
R
*R0.3160mm48mm
m4
z
1
28mm
z
2
75mm
P
70
表51
d
1
112mm
d
2
300mm
2
(3) 校核齿根弯曲疲劳强度
2360KT
1
F
bmz
1
(10.5
R
)
2
Y
Fs
Y
Fp
R160mm
b48mm
1)计算从重合度系数
Y
0.25
0.75
11
)1.72
,所以
z
1
z
2
Y
0.69
Z
V1
29.9
Z
V2
214
(
因为重合度
1.883.2
Y
0.25
0.75
0.69
。
1.72
2)确定
Y
Fs
/
Fp
的大值
1
arctan
1
arctan
z
1
z
arctan28/7520.47
0
2
Z
1
Z
2
2
90
1
69.53
Z
V1
Z
V2
cos
1
cos
2
29.9
214
.
由图5-26查得
Y
Fs1
4.3,Y
Fs2
4.0
。则
.
Y
Fs1
Fp1
Y
Fs2
4.15
0.00928Mpa
1
446
4.0
0.01183Mpa
1
338
Fp2
YY
因为
Fs1
Fs2
,所以选择大齿轮进行校核
F2
112
FP2
Fp1
Fp2
3)校核大齿轮的齿根弯曲疲劳强度
23601.5194
F2
4.00.69
2
484
2
28(10.50.3)
112Mpa
FP2
338Mpa
故齿根弯曲疲劳强度足够,所选参数合适。
2.圆柱直齿轮的设计计算
已知:输入功率
P
2
14.3kW
,小齿轮转速为274.4r/min,
齿数比为u=4,电动机驱动,工作寿命为10年(每年工
作300天)单班制,带式输送机,时有轻微震动,单项运
转。
(1)选择齿轮材料,确定许用应力
根据题设条件看,大小齿轮均采用20CrMnTi钢渗碳淬
火,硬度56~62HRC。
由图5-29c查得弯曲疲劳强度极限应力
Flim
450Mpa
由图5-32c查得接触疲劳强度极限应力
Hlim
1500Mpa
(2)按轮齿弯曲疲劳强度计算齿轮的模数m
m12.6
3
KT
1
Y
FS
Y
Flim
450Mpa
Hlim
1500Mpa
d
Z
1
2
FP
1)确定弯曲应力
FP
FP
Y
FlimST
S
Flim
Y
N
Y
X
.
.
采用国标时,
Y
ST
2.0,S
Fmin
1.5,Y
X
1.
因为齿轮的循环次数
N60nat60274.41(103008)4.010
8
FP1
=563Mpa
所以取
Y
N
1
;则
FP1
Flim
Y
ST
2)小齿轮的名义转矩
T
1
T
1
T
497.7Nm
3)选取载荷系数K=1.6
4)初步选定齿轮的参数
T
1
497.7Nm
S
Flim
Y
N
Y
X
=600Mpa
m=4
Z
1
20,Z
2
80
d
0.5,u4
Y
FS1
4.25
Z
1
20,Z
2
iZ
1
3.992079.8,取Z
2
80
d
0.5,u
Z
2
4
Z
1
5)确定复合齿形系数
Y
FS
,因大小齿轮选用同一材料及热处
理,则
FP
相同,故按小齿轮的复合齿形系数带入即可
由《机械设计基础》第四版P88,图5-26可查得:
Y
FS1
4.25
6)确定重合度系数
Y
11
()1.7
因为重合度
1.883.2
Z
1
Z
2
所以
Y
0.25
0.75
0.69
将上述各参数代入m式中得
m12.6
3
3
Y
0.68
KT
1
Y
FS
Y
d
Z
1
2
FP
12.6
1.5497.74.060.68
3.3
0.520
2
563
a=200mm
按表5-1,取标准模数
m4mm
。则中心距
.
.
a
1
m(Z
1
Z
2
)200mm
2
7)计算传动的几何尺寸:
d
1
80mm
d
2
320mm
R160mm
b
1
48mm
d
1
mZ
1
42080mm
d
2
mZ
2
480320mm
齿宽:
b
2
48mm
b
2
d
d
1
40mm
b
1
b
2
(5~10)48mm
(3)校核齿面的接触强度
KT(
1
u1)
H
112Z
E
Z
bd
1
u
2
HP
《机械设计课
程设计》P22
1) 重合度系数
Z
0.85
2) 钢制齿轮
Z
E
189.8Mpa
把上面各值代入式中可算得:
H
1125.2Mpa
Hlim
S
Hlim
HP
Z
N
Z
W
1500
111250Mpa
1.2
H
HP
符合要求
(4)校核齿根弯曲强度
F1
F2
2000T
1
K
Y
FS1
Y
351.97
2
bmZ
1
2000T
1
K
Y
FS1
Y343.4
bm
2
Z
1
许用弯曲应力:
F1
F2
Flim
Y
ST
Y
N
S
Fmin
600MPa
F1
FP1
,
F2
FP1
故,轴强度满足要求。
.
.
五、轴的设计计算
输入轴的设计计算
1.已知:
P1 =14.98kw, n1 =730r/min,T1 =196 N·m
2.选择材料并按扭矩初算轴径
选用45#调质,硬度217~255HBS,
b
=650Mp
根据课本P235(10-2)式,并查表10-2,取c=115
F1
F2
600MPa
dmin=115mm=31.38mm
考虑到最小直径处要连接联轴器要有键槽,将直径增大5%,则
d=31.38×(1+5%)mm=33mm
3.初步选择联轴器
要使轴径d12与联轴器轴孔相适应故选择连轴器型号
查课本P297,查kA=1.5, Tc=kA T1=1.5*196=294 N·m
查《机械设计课程设计》P298,取HL弹性柱销联轴器,其额
定转矩315 N·m,半联轴器的孔径d
1
=35mm,故取d
12
=35mm,
轴孔长度L=82mm,联轴器的轴配长度L1 =60mm.
d
min
31.38mm
d
12
=35mm
d
2-3
=42mm
d
3-4
=d
5-6
=45mm
d
4-5
=54mm
d
67
=42mm
l
12
=60mm.
4.轴的结构设计
(1)拟定轴的装配方案如下图:
.
.
l
23
=50
l
3-4
=26mm
l
45=120mm
l56=26mm
l67=78mm
(2)轴上零件的定位的各段长度,直径,及定位
○1为了定位半联轴器,1-2轴右端有一轴肩,取d2-3=42mm
○2选滚动轴承:因轴承同时承受有径向力和轴向力,故选用系
列圆锥滚子轴承。参考d2-3=42mm。查《机械设计课程设计》
P311,表18-4.选取标准精度约为03.尺寸系列30309.尺寸:
dDT4510027.25
故d3-4= d5-6=45mm,而l3-4=26mm 此两对轴承均系采用轴
肩定位,查表18-4,3030轴承轴肩定位高度h=4.5mm
因此取d4-5=54mm。
○3取安装齿轮处的直径d67=42mm,使套筒可靠的压在轴承上,
故l56 ○4轴承端盖总宽度为20mm,由于装拆及添加润滑油的要求, 轴承端盖与外端面与半联轴器右端面的距离l=30mm,故 l23=20+30=50mm。取l 45=120mm. . Ft1 =4117.6N . ○5圆锥齿轮的轮毂宽度lh=(1.2~1.5)ds,取l h =63mm,齿轮端 面与箱壁间距取15mm,故l67=78mm。 ○6轴上零件的周向定位 半联轴器与轴、齿轮与轴采用平键连接,即过盈配合。由设计 Fr1=1404.1N Fa1=524.1N 手册,并考虑便于加工,取半联轴器与齿轮处的键剖面尺寸 bh1610 , 齿轮键长L=B-(5~10)=57.5mm 配合均用H7/K6,滚动轴承采用轴肩及套筒定位。轴承内圈与 轴的配合采用基孔制,轴尺寸公差为K6 F BX =255.6N F BY =704.3N ○7轴圆角: 245 0 F Cx 5.轴强度的计算及校核 ①求平均节圆直径: 已知d1=28mm dm1= d1(1-0.5R)=4 428(10.50.31)95.2 mm 圆周力:Ft1=2000T1/dm1= 径向力:Fr1=Ft1· tancos 1 =1404.1N 轴向力:Fa1=Ft1·tanα sin 1 =524.1N =6684.0N FCy=2108.4N ②锥齿轮受力: 已知T1=196N·m,则 =4117.6N ○3轴承的支反力 (1) 绘制轴受力简图(如下图) . . (2)轴承支反力 水平面上的支反力: M c 0 tan20 0 cos20.47 0 1404.1N W0.1d 3 M Cx =-347.7N ·m e M e W [ 1 ] b 59MPa d 12 d 56 40.34mm M Cy1 =64.1N·m M C y2=-24.9N ·m F Bx + F Cx =Ft=4117.6N 解得: F Bx =-255.6 N, F Cx =6684.0N 垂直面上的支反力 M c 0 FBy ==-704.3 N FCy= F r1 - FBy=2108.4N Mec =275.06N·m σe =1.36Mpa (3) 求弯矩,绘制弯矩图(如下图) MCx=-Ft·CD=-347.7N·m MCy1 =FBy·BC=-64.1 N·m MCy2=-Fa·dm/2=-24.9 N·m M C1 ' 372.8 N·m . . M C2 ' 367 N·m (4)合成弯矩: 22 M c1 = M cx M cy1 = 353.6 N·m P 2 14.3KW n 2 274.4r/min 22 M c2 = M cx M cy2 348.6 N·m (5)求当量弯: T497.7 N·m 2 [ 1 ] b /[ 0 ] b , b 650MPa 因单向回转,视转矩为脉动循环, [ 1 ] b 59MPa,[ 0 ] b 98MPa . . 则 d min =40.34mm 剖面C的当量弯矩: M C1 ' M C1 2 (T) 2 372.8 N·m M C2 M C2 (T)367 N·m '22 6断危险截面并验算强度 1)剖面C当量弯矩最大,而直径与邻段直径相差不大,故剖面 C为危险截面。 已知Me= MC 1`=372.8MPa, W0.1d 3 e M e =40.9MPa< [ 1 ] b 59MPa W 2)A处虽只受扭矩但截面最小也为危险截面 M e e =27.5MPa< [ 1 ] b 59MPa W 所以其强度足够. 中间轴的设计 1.已知 : P 2 14.3KW,n 2 274.4r/min,T 2 497.7N?m 2.选择材料并按扭矩初算轴径 1 选用45#调质, 650M pa ,硬度217~255HBS ○ b d 12 = d 56 =50mm d 23 =d 45 =57mm d 34 =63mm 根据课本P235(10-2)式,并查表10-2,取c=108 d min C 3 P 2 40.34mm n 2 3.轴的结构设计 (1)拟定轴的装配方案如下图 l 12 80mm l 23 =52mm . . l 34 16mm l 45 =46mm。 l 56 116mm (2)轴上零件的定位的各段长度,直径,及定位 ○1初步选择滚动轴承。 因轴承同时受到径向力和轴向力,故 选用单列圆锥滚子轴承 ,参照工作要求并根据 d 12 d 56 40.34mm , Ft1=12442.5N Fr1=4528.7N Ft2=3903.5N Fr2= 496.87N 查<<机械设计课程设计>>取30310型,尺寸 dDT50mm110mm29.25mm 故d12= d56=50mm, 此两对轴承均系采用套筒定位, 查表18-4, 轴定位轴肩高度h=4.5mm,因此取套筒直径 为59mm. ○2取安装齿轮处的直径:d23=d45=57mm,锥齿轮右端与左轴 承之间采用套筒定位,已知锥齿轮轮毂长lh=(1.2~1.5)ds, 取lh=55m为了使套筒可靠的压紧端面,故取 l 23 =52mm, 齿轮的右端采用轴肩定位,轴肩高度h>0.07d,取h=4mm,则 此处轴环的直径d34=63mm. ○3已知圆锥直齿轮的齿宽为b1=48mm,为了使套筒端面可靠地 . Fa1= 1331.1N . 压紧齿轮端面,此处轴长l45 l 45 =46mm。 ○4以箱体——小圆锥齿轮中心线为对称轴,取 AB=92mm, BC=65mm, CD=125mm l 12 80mm,l 34 16mm,l 56 116mm (3) 轴上零件的周向定位 半联轴器与轴、齿轮与轴采用平键连接,即过盈配合。由 设计手册,并考虑便于加工,取半联轴器与齿轮处的键剖面 尺寸 bh1610 mm,齿轮键长L=B-(5~10)=50mm 配合均用H7/K6,滚动轴承采用轴肩及套筒定位。轴承内 圈与轴的配合采用基孔制,轴尺寸公差为K6 (4) 轴圆角:2 45度 4. 轴强度的计算及校核 1.(1)小直齿轮分度圆直径:已知d1=80mm, T 2 497.7N•m 圆周力:Ft1=2000T2/d1=12442.5N 径向力:Fr1=Ft1·tanα=4528.7N (2) 锥齿轮受力: 已知T 2 =497.7N·m ,dm2= d2(1-0.5 R )= 255mm 则 圆周力:Ft2=2000T2/dm2=3903.5N 径向力:Fr2=Ft1·tanαcos 2 =496.87N 轴向力:Fa1=Ft2·tanα sin 2 =1331.1N (3)求轴承的支反力 轴承的受力简图 F AX =-8145.3N F DX =-8200.7N F AY 1070.83N . . F DY 2961N M B 749.37N•m M B1 '98.52N•m M B2 '268.2N•m 水平面上,竖直面上的支反力平衡则: FF DX F t2 F t1 0 AX F AY F DY F r2 F t1 对A求矩 Ft2•ABF t1 •ACF DX •AD0 d 2 F•ADFF r2 •AB-F r1 •AC0 DYa2 2 解方程组得: F AX =-8145.3N, F DX =-8200.7N, F AY 1070.83N,F DY 2961N Mc11089.9N•m M B2 795.93N•m ' M B1 847.51N•m ' M C1 1128.1N•m (4)画弯矩图 . . b 650MPa, [ 1 ] b 59MPa, [ 0 ] b 98MPa 2. B.处的弯矩: 水平:M B F tAX •AB749.37N•m 竖直:M B1 'F AY •AB98.52N•m M B2 'F DY •BDFr1•BC268.2N•m C处的弯矩: 水平:M c F DX •CD1025.3N•m 竖直:M C1 'F Dy •CD370.2N•m M c2 'F Ay •AcF a2 •d 2 /2F r2 •BC370.13N•m 3.合成弯矩: 2'2 Mc1M Bc M b1 1089.9N•m 2'2 M B2 M B M b2 795.93N•m d min 65.7mm 4.转矩 T 2 497.7N•m 5. 因单向回转,视转矩脉动循环 [ -1 ] b /[ 0 ] b ,已知 b 735MPa ,查表12-1[ 1 ] b =65MPa, [ a ] b 118 MPa , 则 65/1180.585 . . 剖面B处的当量弯矩: 2 M ' B1 M B2 ( T 2 )847.51N•m 2 剖面C处的当量弯矩图: ' M C1 ( T 2 ) 2 1128.1N•m M C1 2 (7) 判断危险截面并验算强度 剖面C当量弯矩最大,而直径与邻段直径相差不大,故剖 面C为危险截面。 已知:M e = M C 1 `=1128.1MPa, [ 1 ] b 69M pa , W=0.1 e M e M 60.1M pa [ 1 ] b 69M pa 3 W 0.1d d 1-2 =70mm d 2-3 =77mm d 34 d 78 80mm 所以其强度合适。 输出轴设计(Ⅲ轴) 已知:输出轴功率为P 3 =13.9kW,转速为68.8r/min,转矩为 1929.4N·m,大圆柱齿轮的直径为320 mm,齿宽为4mm。 1.选择轴的材料 b 650MPa, 选取轴的材料为45钢(调质), [ 1 ] b 59MPa, [ 0 ] b 98MPa 2. 按扭矩初算联轴器处的最小直径 先据表12-2,按45钢(调质)取C=110,则: d min d 45 92mm d 56 =104mm d 67 =90mm P C 3 3 65.7mm ,考虑到最小直径处要连接联轴器 n 3 要有键槽,将直径增大5%,则d=65.7×(1+5%)mm=69mm 要使轴径d 12 与联轴器轴孔相适应,故选择连轴器型号 . l 1-2 =130mm l 23 =50mm . 查课本P 297, 查T A =1.5, 设计扭矩:T c =T A T 3 =1.51929.4=2893.5N·m,查《机械设计课 程设计》P 298, 取HL6弹性柱销联轴器,额定扭矩为3150N·m 其半联轴器的孔径d =70mm,长度为132mm。故取d 1-2 =70mm, l 1-2 =130mm l 34 =42.5mm l 45 90.5mm l 56 =10mm l 67 52mm l 78 113mm 3. 轴的结构设计 (1)拟定轴的装配方案如下图: (2)轴上零件的定位的各段长度,直径,及定位 1)为了定位半联轴器,1-2轴右端有一轴肩,取d 2-3 =77mm, 轴承端盖总宽度为20mm,由于装拆及添加润滑油的要求,轴 承端盖与外端面与半联轴器右端面的距离l=30mm,故 l 23 =20+30=50mm挡圈直径D=78mm 2)选取轴承型号:圆锥滚子轴承30316型号, d D T=80mm 170mm 42.5mm F t2 1066.8N F r2 3530.8N 所以取 . . d 34 d 78 80mm 3)根据轴承采用轴肩定位,轴肩高度h=6mm,选 d 45 92mm 4)齿轮与右轴承间采用套筒定位,套筒直径为92mm, F DX 6315.5N F BX 5743.3N 齿轮的轮毂宽度 l h (1.2~1.5) d s 故取 l h 为60mm,轴肩h>0.07d, 取h=7mm,轴环处处的直径 d 56 =104mm, l 56 >1.4h,取 l 56 =10mm, F BY 2090.4N F DY 2298.6N l 67 52mm 5)取 箱体——小圆锥齿轮的中心线为对称轴, l 45 90.5mm,l 78 113mm, M CX 871.5N•m M Cy 317.2N•m 6)轴上的周向定位 齿轮与轴用键连接查《机械设计课程设计》取 L=B-(5~10)=55mm.同时保证齿轮与轴有良好 bh2514 , 对中性,选择齿轮轮毂与轴合为H7/m6,滚动轴承宇宙的轴 向定位有过渡配合来保证,轴尺寸公差为m6 7)确定轴的倒角尺寸:2 45 。 0 M C 927N•m 4.轴的强度校核 1)齿轮上的作用力的大小 F t2 1066.8N,F r2 3530.8N 2)求直反力 . . 水平方向:F BX F DX F t2 M B 0, F t2 •BC 6315.5NF DX F BX F BY F DY BD 5743.3N 竖直方向: F r2 •CD2090.4N BD F r2 •BC2298.6N BD 3)画弯矩图: M CX F BX •BC871.5N•m M Cy F BY •BC317.2N•m M C M CX 2 M Cy 2 927N•m . . 4)画扭矩图: T 3 1929.4N•m 5)弯扭合成: [ 1 ] b /[ 0 ] b , b 650MPa 因单向回转,视转矩为脉动循环, [ 1 ] b 59MPa,[ 0 ] b 98MPa 则 剖面C的当量弯矩: M C ' M C 2 (T) 2 1486.1 N·m T =1161.5 N·m 6)判断危险剖面: C截面: e M e 24.2MPa< [ 1 ] b 59MPa W M e 33.9MPa< W A截面直径最小也为危险截面: e [ 1 ] b 59MPa 满足强度要求 . . 六.轴承的选择与计算 1. 输入轴的轴承:30309圆锥滚子轴承 1 ○ F BX 2556.4N,F BY 704.3N,F CX 6684.0N.F BX 2108.4N,n730r/min C r 108000N e=0.35,Y=1.7 2 轴承内部轴向力:○ F RB F BX 2 F BY 2 2661.3N,F RC F CX 2 F CY 2 F sB F RB /2Y782.7N,F sc F RC /2Y2061.3N, =7008.5N F sB F sc 故轴承B被压紧 F AC 'F a 524.1N,F AB 'FaF SC 2585.3N F C ' F' 0.07e0.35, B 0.97e0.35 F RC F RB 3 查得:f p 1.2,x0.4,当量动载荷P c f p •F RC 8410.2N ○ P B f p (xF RB YF B ')6551.4N P B P c ,校核C轴承就行 C 10 6 10/3,实际寿命,L h ( r )113118h 60730P C 4 滚子轴承 单班制工作预期寿命:30081024000h ○ 故实际寿命大于预期寿命,合适! 2.中间轴轴承30310圆锥滚子轴承 1 ○ F R1 8718.9N,F R2 8215.42N,F a2 1331.05N.n274.4r/min C r 130000N e=0.35,Y=1.7 . . 2 轴承内部轴向力:○ F s1 F R1 /2Y2564.38N,F S2 F R2 /2Y2416.3N, =7008.5N F s1 F a2 F s2 故轴承2被压紧 F A1 F s1 2564.4N,F A2 FaF S1 3895.4N F A! F 0.29e0.35, A2 0.0.47e0.35 F R1 F R2 3 查得:f p 1.2,x0.4,当量动载荷P ○ 1 f p •F R1 10462.7N P 2 f p (xF 1 YF A2 )19836.8N P 1 P 2 ,校核2轴承就行 4 滚子轴承○ C 10 6 10/3,实际寿命,L h ( r )31792.06h 60274.7P 2 单班制工作预期寿命:30081024000h 故实际寿命大于预期寿命,合适! 3.输出轴轴承30316圆锥滚子轴承 1 ○ F BX 5743.3N,F BY 2090.4N,F DX 6315.5N.F DY 2298.6N,n68.8r/min C r 278000N e=0.35,Y=1.7 2 轴承内部轴向力:○ F RB F BX 2 F BY 2 6112N,F RD F DX 2 F DY 2 6720.8N F sB F RB /2Y1797.6N,F sD F RD /2Y1976.7N, F sB F sD 故轴承B被压紧 F AD 'F AB '1976.7N . . F AD 'F' 0.3e0.35, AB 0.29e0.35 F RD F RB 3 查得:f p 1.2,x0.4,当量动载荷P D f p •F RD 8064.9N ○ P B f p F RB 7334.4N P B P D ,校核D轴承就行 C 10 6 10/3,实际寿命,L h ( r )32000000h 6068.8P C 4 滚子轴承 单班制工作预期寿命:30081024000h ○ 故实际寿命大于预期寿命,合适! 七.键的计算校核 1.输入轴上的键 1 联轴器处:○ bhL161057,K4.3,轴径d 1 35mm,T i 196N•m, l=L-b=41mm p 4T 54.6MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个A键即可 2 小锥齿轮处: ○ bhL12855,K3.3,轴径d 2 42mm,T 1 196N•m, l=L-b=43mm p 4T 54.3MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个A键即可 2.轴的键的校核计算: 1 大锥齿轮处: ○ bhL161050,K4.3,轴径d 3 57mm,T 2 497.7N•m, l=L-b/2=42mm . . p 4T 83.2MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个C键即可 2 小直齿轮处: ○ bhL161043,轴径d 4 57mm, T 2 497.7N•m, l=L-b=35mm p 4T 99.8MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个C键即可 3.输出轴键的校核: 1 直齿轮处的键: ○ bhL251455,轴径d 5 80mm,T 3 1929.4N•m, l=L=55mm p 4T 110MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个B键即可 2 联轴器处键的校核: ○ bhL2012122,轴径d70mm,T 3 1929.4N•m, l=L-b=102mm p 4T 90.1MPa[ p ]120MPa dhl 满足强度要求,单个A键即可 八.联轴器的选择 输入轴联轴器: 查《机械设计课程设计》P298,取HL弹性柱销联轴器,其额 定转矩315 N·m,半联轴器的孔径d1 =35mm,轴孔长度L=82mm, 联轴器的轴配长度L1 =60mm. . . 输出轴联轴器: 查《机械设计课程设计》P 298, 取HL6弹性柱销联轴器,额定扭 矩为3150N·m其半联轴器的孔径d =70mm,长度为132mm。 所选联轴器的额定扭矩均大工作扭矩故,满足需求。 九.减速器箱体结构尺寸 名称 机座壁厚 机盖壁厚 机座凸缘厚度 机盖凸缘厚度 机座凸底缘厚度 地脚螺钉直径 地脚螺钉数目 轴承旁连接螺栓直径 机盖与机座连接螺栓 直径 联接螺栓d 2 的间距 轴承端盖螺钉直径 符号 结果 8 8 12 12 20 M20 4 M16 M10 1 0.025a3 1 0.02a3 b=1.5 1 b 1 1.5 1 b 2 2.5 d f =0.036a+12=19.2 n d 1 0.75d f d 2 (0.5~0.6)d f 9.6~11.52 l=150~200 d 3 (0.4~0.5)d f 7.68~9.6 180 M8 窥视孔盖螺钉直径 d 4 (0.3~0.4)d f 5.76~7.68 M8 定位销直径 d(0.7~0.8)d 2 7~8 8 d f、 d 1、 d 2 到外机壁 C 1 (27,23,17) . 27,23,17 . 距离 d 1、 d 2 离 至凸缘边缘距 C 2 (21,15) 21,15 轴承旁凸台半径 凸台高度 外机壁至轴承座端面 距离 大齿轮顶圆与内机壁 距离 齿轮端面与内机壁距 离 机盖、机座肋厚 R 1 = C 2 (21,15) h=20mm 21,15 l 1= C 1 +C 2 +(8~12)=44~48 46 △ 1>1.2 12 △ 2> 10 m 1 ≈0.85 0.85 1 , m 2 ≈ 7 轴承端盖外径 D2=1.25D+10 135,148, 223 轴承端盖凸缘厚度 轴承旁联接螺栓距离 t=(1~1.2)d 3 S≈D 2 9 135,148, 223 十.减速器附件的选择 由《机械设计课程设计》选择通气塞M16×1.5,A型压配式 圆形油压表A32JB/T7941.1-1995,外六角螺塞及封油垫M14× 1.5,箱座吊耳,吊环螺钉M16(GB/T825-1988),启盖螺钉M8。 十一.齿轮的密封与润滑 齿轮采用润滑油润滑,由《机械设计基础课程设计》选名 称为工业闭式齿轮油(GB-5903-1995),代号为L-CKC220润滑 . . 剂。因为齿轮的速度小于12m/s,所以圆锥齿轮浸入油的深 度约一个齿高,三分之一齿轮半径,大齿轮的齿顶到油底面 的距离≥30~60mm。因为大圆锥齿轮的线速度为 4.87m/s>2m/s,可以利用齿轮飞溅的油润滑轴承,并通过油槽 润滑其他轴上的轴承,且有散热作用,效果较好。对箱体进 行密封为了防止外界的灰尘,水分等侵入轴承,并阻止润滑 剂的流失。 十二.设计小结 通过这次对圆锥圆柱二级减速器的设计,使我们真正的了 解了机械设计的概念,在这次设计过程中,反反复复的演算 一方面不断的让我们接进正确,另一方面也在考验我们我们 的耐心,思维的严密性和做研究的严谨性。我想这也是这次 设计我们是哟应该达到的。这些让我感受颇深。通过三个星 期的设计实践,我们真正感受到了设计过程的谨密性,为我 们以后的工作打下了一定的基础。 机械设计是机械这门学科的基础的基础,是一门综合性较 强的技术课程,他融汇了多门学科中的许多知识,例如,《机 械设计》,《材料力学》,《工程力学》,《机械设计课程设计》 等,我们对先前学的和一些未知的知识都有了新的认识。也 让我们认识到,自己还有好多东西还不知道,以后更要加深 自己的知识内涵,同时,也非常感谢老师对我们悉心的指导, 得已让我们能更好的设计。 . . 参考文献: 1. 黄华梁、彭文生编《机械设计》四版 高等教育出版社2007 2. 王旭、王积森 《机械设计课程设计》 机械工业出版社 2003 3. 朱文坚 《机械设计课程设计》 科学出版社 4. 刘鸿文主编 《材料力学》 第四版 高等教育出版社 2003 .