哈工大机械设计课程设计-带式运输机-二级齿轮.doc

一、传动装置的总体设计
(一)设计题目
课程设计题目：带式运输机传送装置
1.设计数据及要求：
设计的原始数据要求：
F=2200N； d=250mm； v=0.9m/s
机器年产量：小批量； 机器工作环境：清洁；
机器载荷特性：平稳； 机器最短工作年限：6年2班。
2.传动装置简图：

（二）选择电动机
1.选择电动机的类型
根据参考文献[2]，按工作要求和工作条件选用Y系列三相笼型异步电动机。全封闭自扇冷式结构，电压为380V。
2.选择电动机的容量
工作机的有效功率为：

从电动机到工作机传送带间的总效率为：

式中：分别为联轴器、轴承、齿轮传动、卷筒的传动效率。联轴器选用弹性联轴器，轴承为角接触球轴承，齿轮为8级精度齿轮，由参考文献[2]表9.1取。则：

所以电动机所需要的工作功率为：

3.确定电动机转速
按参考文献[2]表9.2推荐的传动比合理范围，二级圆柱齿轮减速器传动比，而工作机卷筒轴的转速为：

所以电动机转速的可选范围为：
符合这一范围的同步转速有750 r/min、1000 r/min、1500 r/min三种。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、质量及价格等因素，为使传动装置结构紧凑，决定选用同步转速为1000r/min的电动机，另需要其中电机工作所需额定功率：。
根据电动机类型、容量和转速，由参考文献[2]表15.1以及有关手册选定电动机型号为Y132S-6。其主要性能如下表：
电动机型号
额定功率/kW
满载转速/(r/min)
起动转矩 额定转矩
最大转矩 额定转矩
Y132S-6
3
960
2.0
2.0

由参考文献[2]表15.2查得电动机的主要安装尺寸及外形尺寸如下：
型号
H
A
B
C
D
E
F×GD
G
K
Y132S
132
216
140
70
38
80
10×8
33
12
----

b
b1
b2
h
AA
BB
HA
L1
----

280
210
135
315
60
200
18
475

（三）计算传动装置的总传动比
1.总传动比为：

2．分配传动比：

考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相接近，取，故：

（四）计算传动装置各轴的运动和动力参数
1.各轴的转速
Ⅰ轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
卷筒轴
2.各轴的输入功率
Ⅰ轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
卷筒轴
3.各轴的输出转矩
电动机轴的输出转矩为

所以：
Ⅰ轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
卷筒轴
将上述计算结果汇总于下表得:
轴名
功率kW
转矩 T/(N·mm)
转速 n/(r/min)
传动比i
效率η
电机轴
2.34
23278
960
1
0.99
Ⅰ轴
2.32
23045
960
4.421
0.96
Ⅱ轴
2.22
97839
217.14
3.158
0.96
Ⅲ轴
2.14
296708
68.76
卷筒轴
2.10
290804
68.76
1
0.98
二、传动零件的设计计算
（一）高速齿轮传动
1．选择材料、热处理方式及精度等级
考虑到带式运输机为一般机械，故大小齿轮均选用45钢，采用软齿面，小齿轮调质处理，齿面硬度为215~255HBW，平均硬度236 HBW；大齿轮正火处理，齿面硬度162~217HBW，平均硬度190HBW。大、小齿轮齿面平均硬度差为46HBW，在30~50HBW范围内。选用8级精度。
2．初步计算传动主要尺寸
由于是软齿面闭式传动，故按照齿面接触疲劳强度进行。由参考文献[1]式（8.21），即

式中各参数为：
1) 小齿轮传递的扭矩

2) 设计时，因v值未知，不能确定，故可初选载荷系数，本题初选
3) 由参考文献[1]表8.6取齿宽系数。
4) 由参考文献[1]表8.5查得弹性系数。
5) 初选螺旋角，由参考文献[1]图8.15查得节点区域系数为。
6) 初选,则，取。
7) 齿数比.421 。
由参考文献[1]式（8.1）得端面重合度

由参考文献[1]式（8.2）得轴面重合度

由参考文献[1]图8.15查得重合度系数。
8) 由参考文献[1]图8.24查得螺旋角系数。
9）许用接触应力由参考文献[1]式（8.26），即算得。
由参考文献[1]图8.28e,图8.28a得解除疲劳极限应力。
小齿轮1和大齿轮2的应力循环次数分别为

由参考文献[1]图8.29查得寿命系数(允许局部点蚀)。
由参考文献[1]表8.7，取安全系数，得

故取。
初算小齿轮1的分度圆直径,得

3．确定传动尺寸
1）计算载荷系数。由参考文献[1]表8.3查得使用系数。

由参考文献[1]图8.7得动载荷系数。
由参考文献[1]图8.11得齿向载荷分布系数(设轴刚性小)。
由参考文献[1]表6.4得齿间载荷分布系数，则

2）对进行修正。因K于有较大差异，故需对按值计算出的进行修正，即

3)确定模数。

由参考文献[1]表8.1，取。
4)计算传动尺寸
中心距：

圆整为,则螺旋角

所以

取,,取。
4．校核齿根弯曲疲劳强度
由参考文献[1]式(8.24)，即

式中各参数：
1） K=1.5456、、、、。
2） 齿形系数和应力修正系数。
当量齿数

由参考文献[1]图8.19查得。
由参考文献[1]图8.20查得
3) 由参考文献[1]图8.22查得重合度系数。
4）由参考文献[1]图8.28查得螺旋角系数。
5）许用弯曲应力可由参考文献[1]式（8.29），即算得。
由参考文献[1]图8.29f,图8.29b查得弯曲疲劳极限应力
,。
由参考文献[1]图8.32查得寿命系数。
由参考文献[1]表8.7查得安全系数，故

满足齿根弯曲疲劳强度。
5．齿轮结构设计
1） 小齿轮结构设计
由轴的设计计算知小齿轮设计成齿轮轴的结构形式。
齿顶高
齿根高
齿顶圆
齿根圆
2） 大齿轮结构设计
齿顶高
齿根高
齿顶圆
齿根圆
由于齿顶圆直径，采用实心式结构。
高速级齿轮参数列表
齿轮
法向模数
分度圆直径
齿宽
齿数

中心距a
小
2
38.738
60
19

105
大
171.262
55
77
（二）低速级直齿圆柱齿轮传动设计
1．选择材料、热处理方式及精度等级
经多次计算，并考虑到减速器总体尺寸的要求，选取齿轮材料为40Cr，采用中硬齿面，即小齿轮调质处理，齿面硬度为306~332HBW，平均硬度319 HBW；大齿轮亦调质处理，齿面硬度283~314HBW，平均硬度298HBW。由于没有轴向力，故选用直齿轮。选用8级精度。
2．初步计算传动主要尺寸
由于是中硬齿面闭式传动，故按照齿根弯曲疲劳强度进行设计。由参考文献[1]式（8.25），即

式中各参数为：
1) 小齿轮传递的扭矩

2) 设计时，因v值未知，不能确定，故可初选载荷系数，本题初选
3) 由参考文献[1]表8.6取齿宽系数。
4) 初选,则，取。
5) 齿数比 。
由参考文献[1]式（8.1）得端面重合度：

由参考文献[1]图8.21查得重合度系数。
7) 齿形系数和应力修正系数的确定。
当量齿数

由参考文献[1]图8.19查得。
由参考文献[1]图8.20查得
8) 许用弯曲应力可由参考文献[1]式（8.29），即算得。
由图8.26h得弯曲疲劳极限应力。
由参考文献[1]表8.7，取安全系数。
小齿轮1和大齿轮2的应力循环次数分别为：

由图8.30查得，故

因此，

综上，可初算法面模数：

3．确定传动尺寸
1） 计算载荷系数K。由参考文献[1]表8.3查得使用系数。

由参考文献[1]图8.7得动载荷系数。
由参考文献[1]图8.11得齿向载荷分布系数(设轴刚性小)。
由参考文献[1]表8.4得齿间载荷分布系数，则

2） 对进行修正。并圆整为标准模数，即

按表8.1，圆整为。
3） 计算传动尺寸
中心距：
因此，

4．校核齿面接触疲劳强度
由式（8.20）

式中各参数：
1） 值同前。
2） 由表8.5查得弹性系数。
由图8.14查得节点区域系数
由图8.15查得重合度系数

许用接触应力：

由参考文献[1]图8.28，得
由参考文献[1]图8.29，得，由表8.7查得安全系数，故

因此有，满足齿面接触疲劳强度要求。
5．计算齿轮传动其他尺寸
1） 小齿轮结构设计
齿顶高
齿根高
齿顶圆
齿根圆
2） 大齿轮结构设计
齿顶高
齿根高
齿顶圆
齿根圆
采用腹板式结构，如下图所示。

，

低速级齿轮参数列表
齿轮
法向模数
分度圆直径
齿宽
齿数

中心距a
小
2.5
62.500
40
25
0
130mm
大
197.500
35
79
三、减速器装配图设计
考虑工艺性能、材料消耗和制造成本，选用剖分是机体，铸铁材料铸造成型，与机体有关的零件结构尺寸如下表所示。
名称
符号
计算公式
结果
机座壁厚

8
机盖壁厚

8
机座凸缘厚度

12
机盖凸缘厚度

12
机座底凸缘厚度

20
地脚螺钉直径

M20
地脚螺钉数目

4
轴承旁联接螺栓直径

M12
机盖与机座联接螺栓直径

M10
连接螺栓的间距
l
150~200mm

轴承端盖螺钉直径

M8
窥视孔盖螺钉直径

=（0.3~0.4）
M6
定位销直径

=（0.7~0.8）

外机壁至轴承座端面距离

=++（5~8）
47
内机壁至轴承座端面距离

55
大齿轮顶圆与内机壁距离

10
齿轮端面与内机壁距离

10
机盖、机座肋厚
m1,m

8
(一)高速轴(轴Ⅰ)的设计计算
1. 轴的基本参数——Ⅰ轴：

作用在齿轮上的力：

2.选择轴的材料
考虑到结构尺寸以及可能出现的特殊要求（1号小齿轮，有可能需要使用齿轮轴，而齿轮所选材料为45钢，第一级轴是高速轴同时传递力矩），故轴的材料选用45钢，热处理方式为调质，以获得良好的综合机械性能。
3.初算轴径
按照扭转强度条件初算轴的最小直径，

式中 d——轴的直径；
τ——轴剖面中最大扭转剪应力，MPa；
P——轴传递的功率，kW；
n——轴的转速，r/min;
——许用扭转剪应力，MPa;
C——由许用扭转剪应力确定的系数；
轴的材料初定为45号钢，根据参考文献[1]表10.2查得C=118～106，考虑轴端弯矩比转矩小，取C=108。

所以

本方案中，轴颈上有一个键槽，应将轴径增大5%，即

4.选择联轴器。
为补偿联轴器所连接两轴的安装误差，隔离振动，拟选用LX型弹性柱销联轴器（GB/T 5014-2003）。
计算转矩为

式中：T——联轴器所传递的名义转矩

K——工作情况系数。查参考文献[1]表12.1可取：K=1.5。
根据，查参考文献[2]表13.1LX型联轴器中LX1型联轴器就能满足传递转矩的要求（）。但其轴孔直径范围为,满足不了电动机的轴颈要求，故选用LX3型联轴器。其轴孔直径,可满足电动机的轴颈要求。
最后确定减速器高速轴轴伸出的直径

5.确定滚动轴承的类型及其润滑与密封方式
考虑轴向力的影响，本方案选用角接触球轴承。因为齿轮1的线速度，靠机体内油的飞溅可以直接润滑轴承。由于该减速器的工作环境清洁，且已选定油润滑，故滚动轴承采用接触式密封中的唇形圈密封。
6.确定轴承端盖的结构形式
轴承端盖用以固定轴承，调整轴承间隙并承受轴向力。轴承端盖的结构形式选用凸缘式，用螺钉与机体轴承座连接。调整轴向间隙比较方便，密封性能好。
7. 轴承部件的设计
取机体的铸造壁厚，机体上轴承旁连接螺栓直径连接螺栓直径，装拆螺栓所需要的扳手空间,故轴承座内壁至座孔外端面距离，取。
为方便轴承部件的装拆，减速器的机体用剖分结构形式。因传递功率小，齿轮减速器效率高，发热小，估计轴不会很长，故轴承部件的固定方式采用两端固定由此所设计的轴承部件的结构形式如图：输出轴的草图1所示，然后，可按轴上零件的安装顺序，从最小直径的轴端1开始设计。
1

2
3
4
5
6
7

(1) 轴段直径确定
轴段1的直径为。
联轴器的右端轴肩固定， 由参考文献[1]图9.16和表9.5计算得到轴肩高度，即。
按标准GB/T 1387.1-1992，选取唇形圈油封的轴基本尺寸 ，其基本外径和宽度分别为，所以对轴段2有 。
轴段3和轴段7安装轴承，尺寸由轴承确定。考虑使用斜齿轮,齿轮有轴向力，轴承类型选用角接触球轴承轴，根据GB/T 276—1994，初选轴承7208C，d=40mm，外形尺寸D=80mm，B=18mm，轴件安装尺寸,采用油润滑。故取。
轴段5做成齿轮轴的形式，取。
(2)轴段长度确定
轴段具体长度要综合考虑其他2根轴的尺寸和联轴器端面到箱体轴承透盖的距离确定。轴段1长度略短于联轴器长度，取。
轴段3和轴段7的长度等于轴承宽度，即。
轴段2长度等于联轴器端面到箱体轴承透盖的距离（取16mm）、轴承端盖总厚度（取9mm）与基座外端面到轴承外侧距离之和，。
轴段4和轴段6为轴承定位轴肩的长度取。
轴段5长度需要在齿轮箱体轴承和其他轴系部件位置固定后综合确定。但考虑到滚刀在加工该轴段上的齿轮时，有与轴段6轴肩相碰的可能，应当避免。

如上图所示，滚刀直径按标准GB/T 6083-2001取，为保证加工到齿轮最右端时滚刀不碰及轴段6的轴肩，应满足：

故安全起见，取。
(二)中间轴(轴Ⅱ)的设计计算
1. 轴的基本参数--Ⅱ轴：

计算得作用在齿轮2上的力：

计算得作用在齿轮3上的力：

2.选择轴的材料
考虑结构尺寸且第二级轴是速度较高同时传递更大力矩，选用40Cr材料，热处理方式为表面淬火，以获得良好的综合机械性能。
3.初算轴径
按照扭转强度条件初算轴的最小直径，

轴的材料初定为40Cr材料，根据参考文献[1]表10.2查得C=97～106，考虑轴端弯矩比转矩小，取C=100。
所以

本方案中，按轴上有两个键槽处理，应将轴径增大10%，即

4.确定滚动轴承的类型及其润滑与密封方式
考虑轴向力的影响，本方案亦选用角接触球轴承。采用油润滑，唇形圈密封。
5.确定轴承端盖的结构形式
轴承端盖用以固定轴承，调整轴承间隙并承受轴向力。选用凸缘式端盖结构，用螺钉与机体轴承座连接。调整轴向间隙比较方便，密封性能好。
6.轴承部件的结构设计
(1)轴承部件的结构形式
轴承部件的固定方式采用两端固定。由此所设计的轴承部件的结构形式如图：中间轴的草图如下图所示，然后，可按轴上零件的安装顺序，从最小直径的轴端1开始设计。

(2)轴段直径确定
轴承类型选用角接触球轴承轴，根据GB/T 276—1994，初选轴承7208C，d=40mm，外形尺寸D=80mm，B=18mm，轴件安装尺寸 ,故。轴承内测可用套筒轴向定位。
轴段2的直径应为。考虑可能出现的齿轮轴问题，进行校核计算，分度圆直径为62.50mm，所用键的尺寸为：b×h=14×9mm，毂槽深则，显然齿轮3需要做成齿轮轴。
轴段4取，则轴段3的轴肩为，轴肩取4mm,则直径为。
(3)轴段长度确定
轴段4长度略短于齿轮2轮毂长度，齿轮2轮毂长度为40mm，则取，轴段3长度取15mm，即。
轴段5长度由轴承宽度、箱体与其他轴系部件位置固定后综合确定，得。
(三)输出轴(轴Ⅲ)的设计计算
1. 轴的基本参数--Ⅲ轴：

则经过计算可得作用在齿轮上的力：

2.选择轴的材料
考虑使用45号钢的时候轴可能会比较粗，结构复杂，而且第三根轴传递力矩较大，故选用40Cr，热处理方式为调质，能获得良好的综合机械性能。
3.初算轴径
按照扭转强度条件初算轴的最小直径，

根据参考文献[1]表10.2查得C=97～106，考虑轴端弯矩比转矩小，取C=100。
所以

本方案中，设轴颈上有两个键槽，应将轴径增大10%，即

4.选择联轴器
由于该轴转速较低，传递转矩较大，考虑到本设计不易保证同心度，采用具有良好补偿位移偏差的金属滑块联轴器（JB/ZQ 4384-1997）。查参考文献[1]表13.5可取：K=1.5。
计算转矩为

根据，查参考文献[2]表13.5中确定选取许用转矩为500的金属滑块联轴器即可满足要求（）。其轴孔直径取,
5.确定滚动轴承的类型及其润滑与密封方式
在该轴上已无轴向力，或轴向力很小，本方案选用深沟球轴承。需要考虑轴承内径及安装，查参考文献[2]表12.2深沟球轴承，取6210,查得d=50mm,D=90mm,B=20mm。同一根轴上两个轴承应该为相同型号，采用油润滑，唇形圈密封。
7.轴承部件的结构设计
(1)轴承部件的结构形式
轴承部件的固定方式采用两端固定。由此所设计的轴承部件的结构形式如图：输出轴的草图如下图所示，然后，可按轴上零件的安装顺序，从最小直径的轴端8开始设计。
1
2
3
4
5
6
7
8

(2)轴段直径设计
轴段8的直径，需要考虑到上述确定的联轴器直径，则。
考虑联轴器的轴向固定和唇形圈密封的内径系列，取轴肩2.5mm，轴段7直径。
轴段6与轴段1要安装轴承，选轴承类型为深沟球轴承。故轴段6和轴段1的直径为：。轴段5的直径应为轴承的定位尺寸，即。轴段4为非工作轴段，故取
轴段2安装齿轮,为保证轴段3轴肩与齿轮2齿顶部位保持一定距离（）,取
(3)轴段长度确定
轴段3与轴5同为定位轴颈，取。
轴段2长度略短于齿轮4的轮毂宽度，齿轮4的轮毂宽度为35mm，则，
轴段1长度等于轴承宽度、轴承与箱体内壁间隙、齿轮与箱体内壁间隙和齿轮4与其所在轴段长的差值组成，即。
轴段5长度等于轴承宽度与挡油板宽度（）之和，。
轴段4长度根据前两根轴确定为。
轴段7长度由轴承端盖宽度、联轴器端面到轴承端盖的距离（取16mm）、机座外表面与轴承外侧距离组成，即，
轴段8长度略短于联轴器长度，联轴器长度为54mm，则取。
（4）轴上键强度校核
输出轴轴段8与轴段2上有键，连接为静连接，载荷平稳，且键材料均选用45号钢，查参考文献[1]表6.1取。由参考文献[1]式6.1需满足挤压强度条件：

1) 轴段2与大齿轮连接处的键
其中轴段2的直径53mm，可取键的尺寸b×h=16×10mm。选取B型键（）
则可解得:

2) 轴段8与联轴器连接处的键
其中轴段8的直径40mm，可取键的尺寸b×h=12×8mm。选取A型键（，）
则可解得:

8.输出轴的强度校核
（1）轴的受力简图
（2）计算支反力

计算支反力，在水平面上：

在垂直平面上

轴承1的总支反力
轴承1的总支反力
（3）画弯矩图
水平面上轴承处：

垂直面上，弯矩为：

因此，

（4）画扭矩图
由弯矩图和扭矩图可知，轴的危险截面是齿轮中心剖面，因弯矩大，有转矩，还有键槽引起的应力集中，故剖面左侧为危险截面。
抗弯截面模量

抗扭截面模量

弯曲应力

扭剪应力

危险截面的当量应力

95
122.5
42.5
1
2
3
4
5
6
7
8
I
II
T

T

查参考文献[1]表10.1，得。材料等效系数。键槽引起的应力集中系数，由附表10.4查得即绝对尺寸系数，由附图10.1查得即。轴磨削加工时的表面质量系数由附图10.2查得即
安全系数：

由表10.5查得许用安全系数,显然,故大齿轮所在剖面安全。
9.校核轴承寿命
由参考文献[2]表12.1得6210轴承的基本额定载荷轴承1的工作环境更恶劣，只需校核其寿命。
计算当量动载荷
轴承在100℃下工作,故，则

已知带式输送机的使用寿命为,显然。
所以轴承寿命合格。
四.减速器其他结构及附件的设计
（一）窥视孔和窥视孔盖
为便于观察齿轮啮合情况及注入润滑油，在箱体顶部设有窥视孔。
为了防止润滑油飞出及密封作用，在窥视孔上加设窥视孔盖板，用钢板焊接制成。尺寸为。连接螺钉用4×M615。
A
B

C

R
螺钉尺寸
螺钉数目
90
60
120
90
105
75
5
M6×15
4
(二) 放油孔及放油螺塞
放油螺塞选用六角螺塞（JB/ZQ 4450-1986）,并选用纸封油圈（ZB 71-1962）。
(三)油面指示器
为方便的检查油面高度，保证传动件的润滑，将油面指示器设在低速级齿轮处油面较稳定的部位。 选用M12杆式油标，参数如下。
d
d1
d2
d3
h
a
b
c
D
D1
M12
4
12
6
28
10
6
4
20
16
(四)通气器
齿轮箱高速运转时内部气体受热膨胀，为保证箱体内外所受压力平衡，减小箱体所受负荷，设通气器及时将箱内高压气体排出。由于是在清洁无尘的环境下，只需使用简易通气器，尺寸选用M16×1.5，具体尺寸参见文献[2]表14.8。
(五)吊耳和吊钩
减速器箱体沉重，采用起重装置起吊，在箱盖上铸有吊耳。按标准GB/T 825-1988选用规格为M12 的吊环螺钉。
为搬运整个减速器，在箱座两端凸缘处铸有吊钩。本设计选用直角型吊耳，参数：。
(六)定位销
保证拆装箱盖时，箱盖箱座安装配合准确，且保持轴承孔的制造精度，在箱盖与箱座的联接凸缘上配两个定位销。
选用GB/T 117-2000 832
(七)起盖螺钉在箱体剖分面上涂有水玻璃，用于密封，为便于拆卸箱盖，在箱盖凸缘上设有启盖螺钉一个，拧动起盖螺钉，就能顶开箱盖。结构参见减速器总装图，尺寸取M10×30。

五.参考文献
【1】.《机械设计》高等教育出版社 宋宝玉 王黎钦 主编
【2】.《机械设计课程设计》 高等教育出版社 王连明 宋宝玉 主编
【3】.《简明机械设计课程设计图册》 高等教育出版社 宋宝玉 主编