二级蜗杆齿轮减速器设计-机械设计课程设计说明书-大学论文.doc

燕山大学
机械设计课程设计说明书

题目： 二级蜗杆齿轮减速器设计

学院（系）：机械工程学院
年级专业： 10级机控（1）班
学 号：
学生姓名：
指导教师：韩晓娟
教师职称：教授

目录

一、传动方案分析 1
1.斜齿轮传动 1
2.蜗杆传动 1
二．电动机选择计算 1
1．原始数据 1
2．电动机型号选择 1
三．总传动比确定及各级传动比分配 3
四．传动装置的运动和动力参数 3
五．传动零件的设计计算 5
1．蜗杆蜗轮的选择计算 5
2．齿轮传动选择计算 10
六．轴的设计和计算 16
1．初步计算轴径 16
2．轴的结构设计 17
3．3轴的弯扭合成强度计算 18
七. 角接触轴承的选择校核 23
八．键的选择及其大齿轮键校核 25
九．传动装置的附件及说明 26
十．联轴器的选择 27
十一．润滑和密封说明 28
1．润滑说明 28
2．密封说明 28
十二．拆装和调整的说明 28
十三．设计小结 28
十四．参考资料 29

燕山大学 机械设计课程设计
一、传动方案分析
1.斜齿轮传动
啮合性能好：斜齿圆柱齿轮轮齿之间是一种逐渐啮合过程，轮齿上的受力也是逐渐由小到大，再由大到小；因此斜齿轮啮合较为平稳，冲击和噪声小，适用于高速、大功率传动。斜齿轮传动的平稳性较直齿圆柱齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合。因此斜圆柱齿轮传动，这样的传动方案是比较合理的。
2.蜗杆传动
蜗杆传动平稳，适用于中小功率间歇运转的场合。当与齿轮传动同时使用时若要求减速器结构紧凑，可布置于低速级。因此，在传动方案中设置蜗杆齿轮传动是合理的。
二．电动机选择计算
1．原始数据
①传输带牵引力F=1842N
②传输带工作速度V=0.34m/s
③滚筒直径D=0.38m
2．电动机型号选择
1. 选择电动机类型
由于Y系列三相异步电动机具有高效节能按工作要求和工作条件，选用Y系列三相异步电动机
2. 确定电机容量
电动机的输出功率Pd=Pw / ηa
其中，传输带所需功率
P= Kw
式中为卷筒效率（不包括轴承），取=0.96
传动装置的总效率ηa=（η1）2×η2× η3× (η4)4
式中η1为联轴器的效率η1=0.99，η2为齿轮传动效率（8级精度齿轮传动）η2=0.97 , η3为蜗轮蜗杆传动效率（双头蜗杆）η3=0.75，η4为轴承效率（滚动轴承）η4=0.993,；
ηa=0.992×0.970.750.9934=0.694
电动机功率 Pd=Pw / ηa=0.626/0.694=0.94kw
3. 选择电动机转速
卷筒轴的工作转速为

按推荐的传动比合理范围，i‘=60~90，故电动机可选转速范围为
符合这一范围的同步转速有1500r/min。因此选用同步转速为1500r/min的电动机。综合考虑电动机和传动装置尺寸的重量、价格、功率等因素，决定选用型号为Y90S-4电动机。其主要性能如表：
电动机型号
额定功率
/kw
同步转速
/(r/min)
满载转速
/(r/min)
堵转转矩/
额定转矩
最大转矩/
额定转矩
Y90S-4
1.1
1500
1400
2.2
2.3
电动机型号Y90S-4
Pd =0.94 kw

三．总传动比确定及各级传动比分配
总传动比为（满载转速nm=1400r/min）
Ia=nm/n=1400/17.1=81.87
取齿轮传动比i2=(0.04~0.07)ia=(0.04~0.07)81.87=3.27~5.73
取i2=4.55，i1=i/i2=81.87/4.55=18
四．传动装置的运动和动力参数
设蜗杆为1轴，蜗轮轴为2轴，圆柱齿轮轴为3轴,卷筒轴为4轴，
1.各轴转速：
n1=nm =1400 r / min
n2=n1 / i1=1400 /18=77.78 r / min
n3=n2 / i2=77.78 /4.55=17.10r / min
n4=n3=17.10r/min
2.各轴输入功率：
P1=Pd×η01= Pd×η1=1.1×0.99=1.089kw
P2=P1×η12= P1×η3×η4=1.089×0.993×0.75=0.811kw
P3=P2×η23= P2×η2×η4=0.811×0.993×0.97=0.78kw
P4=P3×η34= P3×η1×η4=0.78×0.993×0.99=0.767kw
3.各轴输入转距：
电动机轴输出转矩为：
Td=9550×Pd/nm=9550×1.1/1440=7.5N·m
T1=Td×η01= Td×η1=7.5×0.99=7.425 N·m
T2=T1×i1×η12= T1×i1×η3×η4=7.425×18×0.75×0.993=99.54 N·m
T3=T2×i2×η23= T2×i2×η2×η4=99.54×4.55×0.97×0.993=436.24 N·m
T4=T3×η34= T3×η1×η4=436.24×0.99×0.993=428.85 N·m
运动和动力参数计算结果整理于下表：
轴号
功率P
/kw
转矩T
/（N·m）
转速n
/(r·min)

传动比i

效率
电机轴
1.`
7.5
1400
1.00
0.99
1轴
1.089
7.425
1400
18
0.74
2轴
0.811
99.54
77.78
4.55
0.96
3轴
0.78
436.24
17.10
1.00
0.98
卷筒轴
0.767
428.85
21.28

五．传动零件的设计计算
1．蜗杆蜗轮的选择计算
(1).选择蜗杆的传动类型
根据GB/T 10085—1988的推荐,采用渐开线蜗杆(ZI)。
(2).初选材料、精度等级和蜗杆头数
蜗杆传动传递的功率不大，速度中等，故蜗杆用45钢，调质处理，蜗轮用铸锡青铜ZCuSn10P1，沙模铸造。轮芯用灰铸铁HT100制造。
精度等级：初选9级
蜗杆头数Z1=2
Z2=iZ1=182=36
(3).按齿面接触疲劳强度进行设计
根据闭式蜗杆传动的设计准则,先按齿面接触疲劳强度进行设计,再校核齿根弯曲疲劳强度。

l =9.26 由Z1=2得。
l 确定载荷K
因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数Kβ=1，由于所选用为电动机，《机械设计》查表6-4取KA=1，取KV=1.1，预估v23m/s；则
K=KA×Kβ×KV =1×1.1×1=1.1
l 确定作用在蜗轮上的转距 T2=99540N/mm

l 确定弹性影响系数
因选用的是铸锡青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故ZE=155MPa1/2
l 确定许用接触应力
[σH]=
根据蜗轮材料为铸锡青铜ZCuSn10P1，砂模铸造，可查得=220MPa
应力循环次数
则
l
l 取,查表得
(4). 传动基本尺寸确定
1.d2=mZ2=5×36=180mm
2.a=1/2×（d1+d2）=1/2（50+180）=115
3.
4.确定精度等级
V2=
l 滑动速动
初选9级精度合适
（5）复核m3q
啮合效率

取其中2为滚动轴承效率，5为搅油效率
则=123=0.872×0.955=0.833 则

应力无问题，不必再修正。
（6）.校核齿根弯曲疲劳强度

l 当量齿数

由此，查表可得齿形系数。
l 螺旋角系数
l 许用弯曲应力

由表7-2查得=140MPa =220MPa
1.25是蜗杆硬度45HRc时所乘的系数

满足弯曲强度。
(7).热平衡核算。
由于摩擦损耗的功率，则产生的热流量
P——蜗杆传递的功率
以自然冷却方式，能从箱体外壁散逸到周围空气中去的热流量为
——箱体的散热系数，可取；
A——散热面积，箱内能溅到，而外表面又可为周围空气所冷却的箱体表面面积，单位为m2；
t——油的工作温度；
——周围空气的温度，常温情况可取；
按热平衡条件，可求得在即定工作条件下的油温
< 80oC
满足温度要求。
（8）蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸
①蜗杆
轴向齿距 =15.7mm；直径系数q=10；齿顶圆直径 =60mm；分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚 7.85mm
②蜗轮
蜗轮齿数z2=36；变位系数x2=0；
验算传动比i = z2/z1=36/2=18；传动比误差为0
蜗轮分度圆直径 d2=m×z2=5×36=180mm
蜗轮喉圆直径 da2=d2+2m×(ha*+x)=180+2×5×1=190mm
蜗轮齿根圆直径 df2=d2-2m×(ha*-x+c*)=180-2×5×1.25=167mm
齿宽 b2=2m(0.5+)=2×5(0.5+)=38.66
中心距a=1150.0435mm 导程角
(9). 精度等级公差和表面粗糙度的确定
考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T 10089—1988 圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择9级精度，侧隙种类为f，标注为9f GB/T 10089—1988。
2．齿轮传动选择计算
(1).初选传动类型、精度等级、材料和热处理方式及部分参数
1． 传动类型：斜齿圆柱齿轮传动
2 .精度等级：运输机一般工作机器，速度不高，故初选8级精度。
3. 材料选择和热处理方式。
由表选择小齿轮材料为45钢（调质），硬度为250HBS，大齿轮材料为45钢（正火）硬度为200HBS，二者材料硬度差为50HBS。
4. 选取齿数
小齿轮齿数初选Z1=20
大齿轮齿数Z2=i×Z1=4.55×20=91
5. 选取螺旋角。=8~25 初选螺旋角。
6. 齿宽系数 取=0.8
(2).按齿面接触疲劳强度设计

① 确定公式内各计算数值
计算载荷系数K=KAKV
使用系数KA=1.25
动载荷系数: 8级精度，估计v=4m/svZ1//100=0.92查表Kv=1.07
齿间载荷分配系数=1.41
端面重合度

轴向重合度

总重合度
齿向载荷分布系数=1.07
K=KAKV=2.03
② 计算
弹性系数=189.8
节点区域系数=2.41
重合度系数
因>1取=1

螺旋角系数
=189.82.410.7830.985=352.79
③ 计算接触疲劳许用应力

接触疲劳强度极限
=600MPa =390MPa
寿命系数KHN1= KHN2=1
N1=60n2jLn=6077.81(83006)=6.72107
N2=60n3jLn=1.48107
④ 取安全系数SH=1，取失效概率为1%

⑤ 试算小齿轮分度圆直径，代入

⑥ 校正试算的分度圆直径
校正齿轮圆周速度

修正载荷系数

=1.01vZ1/100=0.232920/100=0.047
校正分度圆直径

（2）确定主要参数尺寸
1.计算法向模数

取第二系列mn=3mm
2.计算中心距

圆整取a=170mm
3.按圆整后的中心距修正螺旋角

因β值改变不多，故等值不必修正。
4.计算大、小齿轮的分度圆直径

5.计算齿轮宽度
B1=B2+(5~10)mm
所以取
（3）校核齿根弯曲疲劳强度

1. 重合度系数=0.25+0.75/=0.25+0.75/1.63=0.71
2. 螺旋角系数=1-=1-1.2711.65o/120o=0.877
3. 当量齿数

4.查取齿形系数
由图6-21查得
4. 查取应力修正系数
由图6-22查得
5. 计算弯曲疲劳许用应力
l 弯曲疲劳极限应力

l 寿命系数
查得==1
l 安全系数SH=1 取失效概率为1%

l 计算弯曲应力

齿轮的主要参数和几何尺寸
合适
（4）齿轮的主要参数和几何尺寸
齿顶圆
齿根圆

中心距a=1700.315mm 螺旋角= 11.65
分度圆
齿根高
齿顶高
齿宽
中心距a=1700.315mm 螺旋角=11.65o
六．轴的设计和计算
1．初步计算轴径
轴的材料选用常用的45钢
当轴的支撑距离未定时， 无法由强度确定轴径，要用初步估算的方法，即按纯扭矩并降低许用扭转切应力确定轴径d，计算公式为：

1，3轴为外伸轴，初算轴径作为最小直径，查表取C=118。

考虑到1轴要与电动机联接，初算直径d1必须与电动机轴和联轴器空相匹配，所以初定d1=20mm d2 =30mm d3 =45mm
2．轴的结构设计
蜗杆的初步设计如下图：

装配方案是：甩油环、轴承、联轴器、端盖、密封圈依次从轴的左端向右端安装，甩油环、轴承依次从轴的右端安装。
轴的径向尺寸：当直径变化处的端面用于固定轴上零件或承受轴向力时，直径变化值要大些，可取（3~8）mm，否则可取（1~3）mm
轴的轴向尺寸：轴上安装传动零件的轴段长度是由所装零件的轮毂宽度决定的，而轮毂宽度一般是和轴的直径有关，确定了直径，即可确定轮毂宽度。轴的端面与零件端面应留有距离L，以保证零件端面与套筒接触起到轴向固定作用，一般可取L=（1~3）mm。轴上的键槽应靠近轴的端面处。
2轴的初步设计如下图：

装配方案：左端从左到右依次安装蜗轮、套筒、挡油板和角接触轴承，右端从右到左依次安装斜齿轮、套筒、挡油板、角接触轴承。
3．轴的初步设计如下图

装配方案：左端从左到右依次安装挡油板、角接触轴承、端盖、密封圈和联轴器，右端从右到左依次安装大齿轮、挡油板、角接触轴承。

3．3轴的弯扭合成强度计算
由3轴两端直径d=55mm，查《机械零件手册》得到应该使用的轴承型号为7211C，D=100mm，B=21mm
l 求作用在齿轮上的力，轴上的弯距、扭距，并作图
齿轮上的作用力：
转矩T2=436.24N·m=436240N·mm
圆周力
径向力
轴向力
由此可画出大齿轮轴的受力图

l 计算轴承支反力
水平面

垂直面N
画出水平弯矩图图，垂直面弯矩图，和合成弯矩图图
水平面受力图

l 判断轴的危险截面，初步分析截面3有较大的应力和应力集中。对此截面进行安全系数校核。
轴的材料选用45钢调质，由表10-5所列公式可求的疲劳极限
由式得
0.11，
求截面的应力中 弯矩M1=436211N·mm
，

l 求截面的有效应力集中系数，因在此截面处有轴直径的变化，过渡圆角半径r=2mm，其应力集中可由表10-9查得D/d=63/57=1.1
r/d=2/57=0.035
由查得，
l 求表面状态系数及尺寸系数由表10-13查得0.92
由表10-14查得
l 求安全系数 由式10-5（设为无限寿命，kN=1）得

由式10-6得综合安全系数

因此轴的强度满足要求
七. 角接触轴承的选择校核
校核3轴轴承7211C，查手册得
1. 寿命计算，计算内部轴向力

由表11-4知，7211C轴承S=0.7Fr，则
，

轴承I被压紧，轴承II被放松
计算当量动载荷
由表11-7 ，由表11-6
，，
，
计算寿命，取中较大的值代入寿命计算公式

2.静载校核
，
3.极限转速校核
，由图11-4查得

由图11-5查得

，

轴承的各项指标均合格，选用7211C型轴承符合要求。

八．键的选择及其大齿轮键校核
普通平键具有靠侧面传递转矩。对中良好，结构简单、装拆方便的特点。
因此减速器的键连接选用普通平键。
1. 输入轴与联轴器联接采用平键联接
选择A型平键联接
根据轴径d =20mm ，L =52mm，查手册得，选用GB1096-79系列的键6×40，键高h=6。
2. 2轴与蜗轮、齿轮联接采用平键联接
选择A型平键联接，根据轴径d =32mm ，与蜗轮配合的轴长度
L =48mm，查手册选用GB1096-93系列的键10×40，键高h=8。
与小齿轮配合的轴的长度L=74mm，轴径d=32查手册选用GB1096-93系列的键10×40，键高h=8。
3. 3轴与大齿轮、联轴器联接采用平键联接
与大齿轮的连接：选择A型平键联接根据轴径d =57mm ，L =68mm，查手册得，选用A型平键，选用GB1096-93系列的键16×56，则键高h=10。
与联轴器的联接：选择A型平键联接根据轴径d =45mm ，L =112mm，选用GB1096-93系列的键12×100，则键高h=9。
4.大齿轮键校核
键的接触强度l’=l-b=(56-16)=40,由表3-1取联接的许用挤压应力,=712.5N.m>436.24
所以选取的键符合要求。

九．传动装置的附件及说明
1．窥视孔盖
为了检查传动件啮合情况，润滑状态以及向箱内注油，在减速器箱盖顶部开窥视孔，以便于检查传动件的啮合情况、润滑状况、接触斑点级齿侧间隙等。
窥视孔应设在能看到传动零件啮合区的位置，并有足够大小，以便手能深入操作。
减速器内的润滑油也有窥视孔注入，为了减少油的杂质，可在窥视孔装一过滤网。
平时将检查孔盖板盖上并用螺钉予以固定，盖板与箱盖凸台接合面间加装防渗漏的纸质封油垫片。
2．放油螺塞
放油孔的位置设置在油池的最低处，并安装在减速器不与其他部件靠近的一侧，以便于放油。螺塞材料采用Q235A。
3．油标
油标尺常放置在便于观测减速器油面级油面稳定处，对于多级传动油标安置在低速级传动件附近。长期连续工作的减速器，在杆式油标的外面常装有油标尺套，可以减轻油的搅动干扰，以便在不停车的情况下随时检测油面。
4．通气器
减速器在运转时，箱体内温度升高，气压增大，对减速器密封极为不利。为沟通箱体内外的气流使箱体内的气压不会因减速器运转时的温升而增大，从而造成减速器密封处渗漏，在箱盖顶部或检查孔盖板上安装通气器。
通气器设有金属滤网，可减少停车后灰尘随空气吸入机体。
5．起盖螺钉
箱盖，箱座装配时在剖分面上涂密封胶给拆卸箱盖带来不便，为此常在箱盖的联接凸缘上加工出螺孔，拆卸时，拧动装与其中的起盖螺钉便可方便地顶起箱盖。起盖螺钉材料为45。螺杆顶部做成半圆形，以免顶坏螺纹。
6．定位销
为保证剖分式箱体的轴承座孔的加工及装配精度，在箱体的联接凸缘的长度方向两端各安置一个圆锥定位销，并尽量设置在不对称位置。定位销为圆公称直径（小端直径）可取，为箱座，箱盖凸缘联接螺栓的直径；取长度应稍大于箱体联接凸缘的总厚度，以利于装
7．起吊装置
吊环螺钉装在箱盖上，用来拆卸和吊运箱盖，也可用来吊运轻型减速器。
8．轴承盖
轴承盖结构采用螺钉式可分为螺钉联接式，材料为铸铁（HT200）。
9．调整垫片组
调整垫片组的作用是调整轴承的轴向位置。垫片组材料为08F。

十．联轴器的选择
为了改善减速器的缓冲性能，因此选择弹性柱销联轴器，这种联轴器机构简单、成本低。
1轴的联轴器选择根据电机轴的直径选择HL1轴孔直径20mm轴孔长度52mm
3轴的联轴器选择HL4轴孔直径45mm，轴孔长度112mm
十一．润滑和密封说明
1．润滑说明
蜗杆采用浸油润滑，大、小斜齿圆柱齿轮采用甩油环润滑。
1号轴轴承选择油润滑，其余轴轴承采用润滑脂润滑，因为轴承转速v<1500r /min，所以选择润滑脂的填入量为轴承空隙体积的1/2~2/3。
2．密封说明
在试运转过程中，所有联接面及轴伸密封处都不允许漏油。剖分面允许涂以密封胶或水玻璃，不允许使用任何垫片。轴伸处密封应涂上润滑脂。橡胶油封应注意按图纸所示位置安装。
十二．拆装和调整的说明
在安装齿轮或蜗杆蜗轮时，为了使运动副能正常运转，必须保证需要的侧隙及足够的齿面接触斑点。蜗杆副沿齿高接触斑点不小于55%，沿齿长接触斑点不小于50%，齿轮副按齿高接触斑点不于40%，按齿长接触斑点不小于35%。必要时可用研磨或刮后研磨以改善接触情况。当传动侧隙及接触斑点不符合精度要求时，可以对齿面进行刮研、跑合或调整传动件的啮合位置。也可调整蜗轮轴承的垫片，使蜗杆轴中心线通过蜗轮中间平面。
十三．设计小结
紧张而又充实的机械设计课程程设计马上就要结束了，仔细回味这一个月的生活与学习，疲惫之余又学到了许多设计常识以及作为一名机械设计者缩影具备的一些优良素养与习惯。
草图设计阶段刚开始时，由于缺乏设计经验，思路比较模糊。但随着铺图，定中心距等工作有条不紊的展开，我所设计的涡杆齿轮减速器终于有了初步的造型，看着自己辛苦设计的成果，十分欣慰。
在图纸抄正过程中，由于对二维软件运用不够娴熟，开始阶段走了许多可笑又可气的弯路，但经过了几天的学习和运用，我对CAXA电子图版有了比较全面的认识。最终的结果证明，只有不断经历挫折，才能学到真正的重视和技能。
零件图的标注过程虽然略显乏味，但是通过不断地查图表，定数据，标注，我逐渐意识到了在机械设计过程中，要始终有严谨的态度和思路。
三维图的绘制过程还是比较有趣的，恰好赶上研究生考试，我们集体在宿舍绘制三维图，大家相互讨论，设计过程比较顺利。最后的动态仿真设计激起了我浓厚的兴趣，前前后后的修改录制视频就花费了将近一天的时间。虽然很累，但是当看到自己设计的成果能够在电脑上流畅的旋转运行，心里无比愉悦。
虽然课程设计结束了，但是我感觉我的机械旅途才刚刚开始！

十四．参考资料
1. 《机械设计课程设计指导手册》 韩晓娟 主编 北京：中国标准出版社 2009

2. 《机械设计》 周玉林 许立忠主编 北京：中国标准出版社 2009
3. 《机械设计课程设计图册》 龚溎义 主编 北京：高等教育出版社 2009
4. 《画法几何与机械制图》 贾春玉 郑长民 主编 北京：中国标准出版社 2008
5. 《机械原理》 安子君 主编 北京：国防工业出版社 2009
6. 《机械设计手册》 成大先 主编 北京：化学工业出版社 2008

F=1842N
V=0.34m/s
D=0.38m

功率
0.626kw

i2=4.55
i1= 18

蜗轮副传动比18
齿轮副传动比4.55

运动和动力参数

渐开线蜗杆
蜗杆用45钢
蜗轮用铸锡青铜
ZCuSn10P1

Z1=2
Z2=36

KA=1 KV=1.1

ZE=155MPa1/2

=220MP

=1250

a=115mm

9级精度合适

m=4mm d1=50m q=12.5

=140MPa
=220MPa

=15.7mm
q=10
=60mm
7.85mm
z2=36
d2= 180mm
a=1150.0435mm

9级精度，侧隙种类为f，

初选8级精度

Z1=20
Z2= 91

初选螺旋角

KA=1.25
KV=1.07

=1.41

=1.07

=189.8
=2.41

=600MPa =390MPa

SH=1
失效概率为1%

=1.01

分度圆直径
55.57mm

mn=3mm

a=170mm

=0.71
=0.877

SH=1

T2=436240N·mm

M1=436211N·mm

kN=1

S=0.7Fr

S=0.7Fr

燕山大学 《机械设计》 课程设计综评
项目
细则
成绩
平时成绩
(30分)
出勤
(15分)
(A)全勤

(B)缺勤不多于2次
(C)缺勤不多于5次
(D)缺勤5次以上的
态度
(15分)
(A)积极

(B)比较积极
(C)一般
(D)不积极
图面成绩
(50分)
结构
(10分)
合理

比较合理
图面
质量
(40分)
优

良
中
及格
不及格
答辩成绩
(20分)

优

良
中
及格
不及格
总成绩

答辩小组成员签字

年 月 日

29