单管式电动高压气泵传动装置的设计说明书.doc

浙江工贸职业技术学院汽车与机械工程学院

毕业设计（论文）

课题名称： 电动高压气泵传动装置的设计

专 业：
班 级：
姓 名：
学 号：
指导教师：
教师职称：

完毕时间 2023年 1月9 日

论文题目： 电动高压气泵传动装置的设计
专 业： 机电一体化
学 生： （署名）
指导教师： （署名）

摘 要
去野外狩猎，需要随时可以给气动猎枪冲气。如何设计一种依靠汽车110V电压主驱动的、可以达成20MPa气压的电动高压气泵的传动装置呢?设计工作重要从以下几个方面进行:一方面了解电动高压气泵传动装置的工作原理，拟定设计内容；另一方面开始电动高压气泵传动装置的方案设计，通过度析设计方案，并对这些方案进行评价和比较，选择了一个最优方案，然后针对选择的方案开始着手设计，通过运动学分析和动力学计算，选择电动机和减速器，并计算传动装置运动和动力参数；接着根据拟定的最满意方案在图纸上进行技术设计，重要内容涉及总体布置草图和总装配草图；然后运用AutoCAD二维绘图软件根据绘制的草图进行零件图的绘制，在零件设计时通过工作能力计算和结构设计，拟定零件制造所需的所有尺寸及其偏差、表面粗糙度、材料与热解决及技术规定等；通过不断的修改和完善之后，按照最终定型的零件工作图重新绘制总装配图。设计出的单管式电动高压气泵传动装置。
关 键 词：电动 高压气泵 传动装置 设计

目录

1. 电动高压气泵概述 2
1.1 电动高压气泵的分类 2
1.2 产生高压的方法 2
2．传动方案设计 3
2.1 拟定传动方案 4
2.2 选择电动机 4
2.3 核算传动装置总传动比 7
3．减速器传动零件的设计计算 8
3.1传动零件的设计计算 8
3.2 蜗轮蜗杆减速器的传动设计计算 8
4、轴的设计计算及校核 13
4.1 蜗轮轴的设计 13
4.2 蜗杆轴的设计 15
5、蜗轮轴轴承的选择 18
5.1 按承载较大的轴承选择其型号： 18
5.2 初选滚动轴承型号： 19
5.3 滚动轴承的强度计算： 19
6．链传动的设计 19
7. 总结 20
7.1 设计成果 20
7.2 工作展望 21
参考文献 21
结束语 22

1. 电动高压气泵概述
电动高压气泵由原动机、传动装置、空气压缩装置和其他附件组成。电动高压气泵压缩空气一般由空气压缩机来实现。空气压缩机是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。
1.1 电动高压气泵的分类
1） 按输出压力P分类：低压气泵（0．2MPa≤P≤1MPa）、中压气泵（1MPa<P≤1OMPa）、高压气泵（1OMPa<P≤1OOMPa）。
2）按其工作原理可分为：容积型气泵和速度型气泵，容积型气泵的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增大以提高压缩空气的压力。速度型气泵的工作原理是提高气体分子的运动速度，然后使气体的动能转化为压力能以提高压缩空气的压力。

1.2 产生高压的方法
产生高压的原理有：1） 增温法，2）压缩气体法。其中增温法需要燃烧可燃气体或液体等方法提供热源，使气体压强升高。由于这种方法所需设计的设备比较复杂，体积也较大，所以不适合用于本次设计的高压气压泵上，一般先采用压缩气体体积的方法，已达成增压目的。下面介绍气动增压法。
理论依据：根据克拉伯龙方程式PV=nRT，给定容器内物质的量n和绝对温度T是定量，方程式变形为P=nRT/V，把定量归为C，则有f(V)=C/V ，所以缩小气体体积，可以增长气体压强。
实现方法：运用一个大面积气动活塞与一个较小面积的活塞/滑阀相连。根据可知，运用大面积活塞的低压气体驱动小面积活塞，可以产生高压气体，如图1-1所示。压缩气体，输出气压可通过驱动气压无级调节。
达成压力：输出压力很高，如：气动气体管道增压泵的最高工作压力可达成300MPa。

图1-1 气动增压原理示意图，多级增压法：多级增压法就是将大容积里的气体压到小容积里先实现一级增压，再将小容积里的气体压到储气瓶中，实现二级增压。图1-2为活塞式压缩机的二级增压机构。
图1-2 活塞式压缩机的二级增压机构
2．传动方案设计
本电动高压气泵用于发射气压为20MPa的气动猎枪，为了在野外随时可以给猎枪冲气，需要设计一个依靠汽车110V电压主驱动的、可以达成20MPa气压的电动高压气泵。本次设计重要是对电动高压气泵的传动装置的设计。
2.1 拟定传动方案
电动高压气泵由原动机、传动装置和工作装置等三部分组成。传动装置位于原动机和工作装置之间，用来传递运动和动力，并可用以改变转速、转矩的大小或改变运动形式，以适应工作装置功能规定。传动装置的设计对电动高压气泵的性能、尺寸、重量和成本都有很大的影响，因此应当合理地拟定传动方案。
2.1.1 传动装置方案选择
为了估计传动装置的总传动范围，以便选择合适的传动机构和拟定传动方案，可先由已知条件拟定曲柄摇杆机构中曲柄的转速，考虑到三级增压气筒的响应速度和发热情况，拟定增压气筒的工作周期T=1秒，即曲柄的转速=60r/min。一般常选用同步转速大于750r/min的电动机作为原动机，因此传动装置总传动比应大于12。比较表3-1的四种方案，带传动传动比太小，二级圆
表3-1 几种机械传动传动比推荐值
类型
带传动
二级圆柱齿轮传动
单级蜗轮蜗杆传动
单级摆线针轮传动
推荐传动比
2～4
8～60
10～80
11～87
运动简图

柱齿轮传动、单级蜗轮蜗杆传动和单级摆线针轮的传动比都达成规定，但是从安装的位置布置来看，单级蜗轮蜗杆传动占用空间最少、结构更加紧凑，并且蜗轮蜗杆减速器的体积小、重量轻、运转平稳、振动小等特点，所以选择单级蜗轮蜗杆传动方案。

2.2 选择电动机
电动机选择涉及选择类型、结构形式、容量（功率），并拟定型号。按照规定电动高压气泵的电压是依靠汽车110V电压主驱动的，因此一方面考虑选用单相异步电动机
2.2.1 电动机的容量
（1）计算转轴的输出功率
一个三级增压气筒最大的气体压力

式中，为一个三级增压气筒最大压强，其值为20；为受力面积，单位：；活塞直径为5。

图3-1 三级增压气筒的受力分析图
由于三级增压气筒在工作的过程中压力和力臂随时在变，故力矩也随时在变。假设当三级增压气筒转到力臂最大的时候，气筒的压强达成最大值20MPa，在图3-1中，A、B处力臂最大，但是A处是吸气过程，B处是压气过程，所以力矩在B处时达成最大值。
拟定三级增压气筒的行程为100mm，则力臂为50mm。
阻力矩

转轴的输出功率
（2）计算电动机输出功率
其中，，，分别为联轴器，轴承，蜗杆，链的传动效率
查表可知=0.99，=0.98，=0.8，=0.96

所以电动机的功率

2.2.2 电动机的型号拟定
由表3-2可选的电动机转速有2800r/min、1400r/min，由于YU系列单相电阻启动电动机的效率普遍不高，通过计算选择电动机的型号为YU7122。
表3-2 YU系列单相电阻启动电动机重要技术数据
型   号 功率 电流 转速 效率 功率因素 堵转转矩 堵转电流 额定转矩
(W) (A) (r/min) (%) (cosφ) (A)
YU6322 120 1.36 2800 58.0 0.69 1.4 14 1.8
YU6324 90 1.64 1400 43.0 0.58 1.5 12 1.8
YU7112 180 1.89 2800 60.0 0.72 1.3 17 1.8
YU7122 360 2.40 2800 70.0 0.74 1.1 22 1.8
YU7114 120 1.88 1400 50.0 0.58 1.5 14 1.8
YU7124 180 2.49 1400 53.0 0.62 1.4 17 1.8
YU8012 370 3.36 2800 65.0 0.77 1.1 30 1.8
YU8014 250 3.11 1400 58.0 0.63 1.2 22 1.8
YU8024 370 2.24 1400 62.0 0.64 1.2 30 1.8

选择的电动机转速为2800r/min,拟定的增压气筒的工作周期T=1秒，即曲柄的转
速=60r/min，所以计算各轴功率

电动机输出功率
1轴输出功率
2轴输出功率
3轴输出功率
计算各轴的转矩
电动机输出转矩
1轴转矩
2轴转矩
3轴转矩
2.3 核算传动装置总传动比
2.3.1 计算总传动比
传动装置总传动比
设计蜗轮蜗杆减速器的传动比为
此传动比还不能满足设计规定，还需要减少转速，需要的传动比

考虑再连接一个链传动来减少转速。取小链轮的齿数

大链轮齿数 取

所以需要设计链传动的小链轮的齿数，大链轮的齿数
3．减速器传动零件的设计计算
3.1传动零件的设计计算
传动零件是传动系统中最重要的零件，它关系到传动系统的工作能力、结构布置和尺寸大小。此外，支承零件和联接零件也要根据传动零件来设计或选取。因受教学计划学时数的限制，机械设计课程设计对传动系统中减速器以外的传动零件，在不影响减速器有关零件设计计算的条件下，只须确认已分派的传动比和所选的传动效率，假如有影响，也只是进行必要的和简朴的设计计算。传动零件的设计计算重要完毕减速器齿轮传动或蜗杆传动的设计计算，涉及选择传动零件的材料及热解决，拟定传动零件的重要参数、结构和尺寸。传动系统运动和动力参数的计算结果及设计任务书给定的工作条件，即为减速器传动零件设计计算的原始依据。
3.2 蜗轮蜗杆减速器的传动设计计算
已知：蜗杆输入功率，转速=2800r/.min，蜗轮转速=112 r/.min规定使用寿命5年，每年工作300天，天天工作8小时，载荷平稳
3.2.1 选择材料
考虑蜗杆传动功率不大，速度中档，据GB10085-88的推荐，采用阿基米德蜗杆。蜗杆采用45号钢；希望效率高，耐磨性好些，故蜗轮蜗杆螺旋齿面规定淬火，硬度为>45 HRC，表面粗糙度，蜗轮轮缘选用ZCuSn10P1，金属模铸造。
3.2.2 按齿面接触疲劳强度设计

a．选择齿数
传动比，参考表取蜗杆头数，
b．蜗轮上的转矩
估计，则

c．拟定载荷系数K
根据载荷情况，选K=1.1
e.材料系数
由表查得，取
d．拟定许用接触应力
则

查表13-4，得，查表13-3查得，故
e.材料系数
由表查得，取
f．

g．初选m、
查表13-7，选蜗轮模数，蜗轮分度圆直径 ，q=11.2，此时
h．蜗轮的速度

i. 导程角

j．滑动速度

3.2.3 计算传动效率
查表13-9查得
啮合效率

传动效率
取轴承效率，，搅油损耗时的效率 则蜗杆传动效率的总效率为，与假定值相近
检查值

则原选参数，强度足够
3.2.4 拟定传动的重要尺寸
，，， ，q=11.2mm
中心距a

蜗杆尺寸
分度圆直径
齿顶圆直径
齿根圆直径
导程角右旋
轴向齿距
螺纹部分长度
考虑到磨削余量，
齿顶高 高
蜗轮尺寸
分度圆直径
齿顶高 根高
齿根圆直径
顶圆直径
外圆直径
蜗轮轮宽，取
螺旋角
齿顶圆弧半径
齿形角
3.2.5 热平衡计算
传动效率
初估散热面积

油工作温度
取，散热率，则

3.2.6 润滑方式与润滑油粘度
根据，拟定该蜗杆传动采用浸油润滑。同时根据，可得润滑油粘度
3.2.7 弯曲强度验算

齿形系数

查表13-5，用插值法求得
螺旋角系数

许用弯曲应力
查表13-6，，由应力循环次数，查图13-4，得，则
弯曲应力

故安全
4、轴的设计计算及校核
4.1 蜗轮轴的设计
a.轴的材料的选择，拟定许用应力
考虑到减速器为普通用途小功率减速传动装置，轴重要传递蜗轮的转矩。选用45号钢，正火解决 ，
b.按扭转强度估算轴的最小直径
根据表10-3 取
由式得
考虑有键槽，将直径增大5%，则：
c.轴的结构设计
（1）轴上零件的定位，固定和装配
单级减速器中，可以将蜗轮安排在箱体中央，相对两轴承对称分布，蜗轮左面用轴肩定位，右端面用套筒轴向定位，周向定位采用键和过渡配合，两轴承分别以轴承肩和套筒定位，周向定位则用过渡配合或过盈配合，轴呈阶梯状，左轴承从左面装入，蜗轮套筒，右轴承从右面装入
。
（2）拟定轴的各段直径和长度
由输出端开始往里设计。7段直径最小，由计算得出，,轴上的键槽取宽高，66，；6段因定位轴肩高度，，轴承端盖的总宽度为5mm，根据拆装方便，取外端盖外端面与链轮右端面距离为10mm,因此；5段初选用单角接触轴承，参照规定取，型号，考虑到轴承左端用套筒定位蜗轮，留有一定距离，左端直接用端盖定位，；4段为安装蜗轮轴段，，蜗轮的轮毂宽为，轴长有比轮毂宽小点，，蜗轮左端滚动轴承用轴肩轴向定位，高度h=2，可拟定第三段的尺寸；3段，；2段左端为轴承的轴向定位，，；1段该段为轴承安装，故，
（3）选定轴的结构细节，如圆角、倒角、退刀槽等的尺寸，图中略。
d．按弯矩合成强度校核轴径。

计算可得圆周力 轴向力
径向力
画轴的结构简图，如图所示；可拟定出轴承支点跨距，悬臂。由此可画轴的受力简图，如图所示。
水平面支反力
垂直面内支反力 ,
画弯矩图，转矩图
水平面的弯矩图
截面C处
垂直面弯矩图
截面C左边
截面C右边
合成弯矩图
截面C左边
截面C右边

转矩图
转矩
按弯矩合成应力校核轴的强度
从图可见截面C处弯矩最大，校核该截面的强度。
截面C的当量弯矩因减速器单向运转，故可认为转矩脉动循环变化，修正系数为0.6。，拟定危险截面及校核强度。由图可以看出，C处所在截面当量弯矩最大，且轴上尚有键槽，故该截面也许为危险截面，应对其进行校核。
，查表得，由于，故截面C设计的强度足够，并有较大裕量。
4.2 蜗杆轴的设计
(1)按扭转强度条件计算轴的最小直径
由于和蜗杆在一起，所以用45钢
查表得 ：A=125 ，又由式：

考虑到轴的最小直径会有键槽存在，将估算直径加大3%到5%,由设计手册取标准=10mm
(2)轴的结构设计
1)轴上零件的定位，固定和装配
单级蜗轮蜗杆减速器中可将齿轮安排在箱体中央，相对两轴承对称分布，齿轮左面由轴肩定位，右面用套筒轴向固定，联接以平键作过渡配合固定，两轴承分别以轴肩和大筒定位，则采用过渡配合固定
定位轴间的高度h一般取为h=（0.07—0.1）*d =1.4—2mm，取h=2mm
2)拟定各轴段直径和长度

直径：有上述计算得直径=10mm，轴段2直径取14mm，轴段3的直径为17mm，轴段4的直径=22 mm，轴段5的直径，轴段6为蜗杆，因df为18 mm，e<1.6m=1.6*6.3=10，所以轴为蜗杆轴。轴段7的直径同轴段5，轴段8的直径同轴段4，轴段9的直径同轴段3。
长度： 轴段1的长度为23mm,轴段2的长度为25mm，轴段3的长度为10mm，轴段4为5mm， 轴段5的长度为30mm,轴段6的长度为44mm，轴段7的长度同轴段5的长度，轴段8的长度同轴段4，轴段9的长度为10mm。
3)蜗杆轴的受力分析
计算蜗杆的圆周力,径向力和轴向力

126N

可拟定出轴承支点跨距，悬臂。
4)计算作用于轴上的支反力
水平面内的支反力 ===63N
求截面C处的弯距:
求垂直面内的支反力及弯距:由,得

求截面C左侧的弯距:

求截面C右侧的弯距:

5)求合成弯距.
求截面C左侧的合成弯距:

求截面C右侧的合成弯距:

5)计算转距.

6)求当量弯距.因单向转动,转距为脉动循环变化,故折算系数.危险截面C处的当量弯距为

7)计算截面C处的轴径.

由此可画轴的受力简图，如图所示

5、蜗轮轴轴承的选择
5.1 按承载较大的轴承选择其型号：
轴承类型选择为深沟球轴承，轴承预期寿命为=80000h.
由前计算结果得：轴承受径向力,轴承工作的转速为112r/min
5.2 初选滚动轴承型号：
参考文献《机械设计课程设计手册》表6-1初选深沟球轴承6005GB/T 276-1994，基本额定动载荷为=10000N，为载荷系数，取=1.2
5.3 滚动轴承的强度计算：
=126×1.2=151.2 N

对球轴承的寿命指数=3则
=1229.4N
计算轴承的额定寿命L 为温度系数 按文献《机械零件》表12.4取=1

计算轴承的实际寿命

因L＜,＜故轴承6005GB/T 276-1994满足规定。
轴承：D=47mm,B=12mm,d=25mm,=30mm,=42mm。
6．链传动的设计
1) 拟定链轮齿数，
传动比，查表11-6，选取，则，取=47
2) 实际传动比
3) 链轮转速 ，
4) 设计功率P 由表11-7取,由表11-8取

5) 选用链条 由P , n查图11-10，选得链号为08A,节距P=12.7Omm，单排链
6) 验算链速v 由式在范围内
7) 初选中心距 因结构上无限定，结合实际情况，初选=20p
8)拟定链节数 初算链节数
对圆整并取偶数，则=96
9)理论中心距 ，用差值法求得，则

根据设计计算结果，采用单排8A滚子链，节距为12.7mm，节数为96节，其标记为08A-1X96 GB/T1243-1997

7. 总结
7.1 设计成果
本文的目的就是设计一种依靠汽车110V电压主驱动的、可以达成20MPa气压的电动高压气泵传动装置。通过运动学分析和动力学计算,验证了该机构的可行性，以及画出传动机构和整体结构，接着设计或者选用了相关零部件。在此过程中重要做了以下工作:
1.对国内外空气压缩技术和现有的高压气泵进行了理论学习 ，为设计机构提供参考依据。
2.进行了零部件的设计:蜗轮轴、蜗杆轴、轴承座、轴承端盖、链传动等。
3.进行了零部件的选用:电动机、滚子链等。
4. 运用AutoCAD二维绘图软件绘制出装配图和各零件图。
7.2 工作展望
由于个人水平及时间和其他条件的限制，本文的设计上尚有下列工作需要进一步完善和补充:
1.由于零件数目多，机器内部机构较复杂，需要连续改善，渐趋完善。
2．零件制造所需的所有尺寸及其偏差、表面粗糙度、材料与热解决及技术规定等需要认真的考虑，以免无法加工或者是强度不够等问题出现。

参考文献
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[2] 王万钧主编《使用机械设计手册》.中国农业机械出版社.1985
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[12] 田涛, 王仁德. 舰船V型高压空压机平衡减振研究. 压缩机技术, 2023(1)

结束语
毕业设计报告终于在余加红老师认真指导下完毕。一方面我要衷心的感谢余加红老师，在完毕本次毕业设计的过程中，无论是前期的开题报告、任务书阶段，还是在毕业设计的设计报告撰写的每一个环节，无不得到余老师的悉心指导和帮助。在装配图、零件图的设计中，存在很多的错误，余老师都能一一的指出，予以及时的纠正，使我受益非浅。此外，在这次毕业设计的整个过程中，她治学严谨，学识渊博，品德崇高，平易近人，给与我很大的帮助。我学到的不仅是科学知识和工作方法，更学到了学习态度以及为人处世的道理，这一切都将使我终身受益。至此，我再次向余老师表达真挚的谢意。
最后我要对一直给予我莫大帮助和勉励的各位同学、朋友表达感谢。我愿在未来的学习和工作中以更加丰厚的成果来答谢曾经关心帮助和支持过我的所有老师、同学和朋友。
最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位评审表达衷心地感谢！