机械设计课程设计--设计链式运输机上的圆锥圆柱齿轮减速.doc

重庆理工大学
机械设计课程设计任务书

题目 设计链式运输机上的圆锥圆柱齿轮减速器 编号 Z-1
传动系统图：

图一

原始数据：
设计一用于链式运输机上的圆锥圆柱齿轮减速器。工作平稳，经常满载，双班制工作。曳引链容许速度误差为5%。减速器小批生产，使用期限5年。

目录
1选择电动机 1
1.1电动机类型和结构型式 1
1.2电动机容量 1
1.3电动机的转速 2
1.4电动机的技术数据和外形,安装尺寸 2
2 计算传动装置总传动比和分配各级传动比 3
2.1传动装置总传动比 3
2.2分配各级传动比 3
3计算传动装置的运动和动力参数 4
3.1各轴转速 4
3.2各轴输入功率 4
3.3各轴转矩 4
4传动件的设计计算 6
4.1圆锥直齿轮设计 6
4.1.1选定齿轮齿轮类型、精度等级、材料及齿数 6
4.1.2按齿面接触强度设计 6
4.1.3校核齿根弯曲疲劳强度 8
4.1.4几何尺寸计算 9
4.2圆柱直齿齿轮设计 10
4.2.1选定齿轮精度等级、材料及齿数 10
4.2.2按齿面接触强度设计由设计 10
4.2.3按齿根弯曲疲劳强度设计 10
5轴的设计计算 15
5.1输入轴设计 15
5.2中间轴设计 21
5.3输出轴设计 26
6滚动轴承的选择及校核计算 32
6.1输入轴滚动轴承计算 32
7键联接的选择及校核计算 33
7.1输入轴键计算 33
7.2中间轴键计算 33
7.3输出轴键计算 33
8.联轴器的选择及校核计算 34
8.1各种联轴器的比较 34
8.1.1 刚性联轴器 34
8.1.2弹性元件的挠性联轴器 34
8.2联轴器的选择 34
8.3联轴器的校核计算 35
9.减速器附件的选择 36
9.1视孔盖和窥视孔 36
9.2放油孔与螺塞 36
9.3油标 36
9.4通气孔 36
9.5起盖螺钉 36
9.6定位销 36
9.7吊环 37
10.润滑与密封 38
11.铸铁直齿锥齿轮减速器箱体结构尺寸的确定 39
12.设计小结 40
13.参考文献 41

设计计算及说明
结果

1选择电动机
计算驱动卷筒的转速

选用同步转速为1000r/min或1500r/min的电动机作为原动机，可拟定以下传动方案：
1.1电动机类型和结构型式
按工作要求和工作条件，选用一般用途的Y（IP44）系列三相异步电动机。它为卧式封闭结构。
1.2电动机容量
(1)工作机的输出功率

(2)电动机输出功率

传动装置的总效率

依次确定式中各效率：链传动效率=0.98、4个滚动轴承 =0.98、圆柱齿轮传动=0.98、圆锥齿轮传动=0.98、联轴器、运输机效率。
则

故

(3)电动机额定功率
由文献【４】中选取电动机额定功率。
1.3电动机的转速
推算电动机转速可选范围，由文献【２】表 1 中查得圆锥-圆柱齿轮传动比范围，则电动机转速可选范围为：

1.4电动机的技术数据和外形,安装尺寸
根据容量和转速，查文献【４】Y系列三相异步电动机，选定电机，额定功率，满载转速，同步转速。
由文献【４】表19-1查得主要数据，并记录备用，如表1-1所示：

表1-1电机技术数据
电机型号
额定功率
电流
满载转速
电机质量
轴径mm
Y160M-8
4Kw
9.9A
720
轻
38

2 计算传动装置总传动比和分配各级传动比
2.1传动装置总传动比

2.2分配各级传动比
链传动
减速器传动比
圆锥齿轮传动比
圆柱齿轮传动比

3计算传动装置的运动和动力参数
3.1各轴转速

工作轴
3.2各轴输入功率
按电动机所需功率计算各轴输入功率，即

3.3各轴转矩

表3-1运动和动力参数
轴号
功率P/kw
转矩T/（n.m）
转速
传动比
效率η
输入
输出
输入
输出
电动机轴

4

51.994
720
1
0.99
Ⅰ轴
3.92
3.84
51.994
50.95
720
2.019
0.94
Ⅱ轴
3.76
3.68
100.69
98.68
356.6
4
0.95
Ⅲ轴
3.62
3.55
387.77
380.02
89.15
1
0.97
工作机轴
3.4
3.33

4传动件的设计计算
4.1圆锥直齿轮设计
已知输入功率3.92kw，小齿轮转速720r/min，齿数比u=2.019，由电动机驱动，工作寿命5年（设每年工作300天），双班制，工作时有轻微振动。
4.1.1选定齿轮齿轮类型、精度等级、材料及齿数
（1）按传动方案选用直齿锥齿轮传动。
（2）圆锥圆柱齿轮减速器为通用减速器，速度不高，故选用7级精度(GB10095-88)
（3）材料选择 由文献【１】表10-1选择小齿轮材料为
(调质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。
（4） 选小齿轮齿数，大齿轮齿数，取整。则
4.1.2按齿面接触强度设计
由文献【１】式10-9a由设计计算公式进行试算，即

（1） 确定公式内的各计算数值
① 试选载荷系数
② 计算小齿轮的转矩为输

③ 选齿宽系数

④由文献【１】图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限
⑤由文献【１】表10-6查得材料的弹性影响系数

⑥计算应力循环次数

⑦由文献【１】图10-19取接触疲劳寿命系数。
⑧ 计算接触疲劳许用应力式10-12取失效概率为1%，安全系数S=1，得

（2）计算
①试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值
②平均分度圆直径

③计算圆周速度v

④计算载荷系数
根据，7级精度，由文献【１】图10-8查得动载系数
表10-3直齿轮
由文献【１】表10-2查得使用系数
根据小齿轮一端悬臂布置，查文献【１】表10-9得轴承系数，则
接触强度载荷系数

⑤按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得

⑥计算模数
取标准值，文献【５】表10-6模数圆整为
⑦计算齿轮相关参数

计算齿宽

文献【５】表10-7圆整为（取整）
4.1.3校核齿根弯曲疲劳强度
（1）确定计算参数
①载荷系数

②计算当量齿数

③由文献【１】表10-5查得齿形系数

④应力校正系数
⑤安全系数
⑥由文献【１】图10-18取弯曲疲劳寿命系数

⑦由文献【１】图10-20c查得
小齿轮的弯曲疲劳强度极限，
大齿轮的弯曲疲劳强度极限
⑧许用应力

（2）校核强度
由式10-23

计算得
可知弯曲强度满足，参数合理。
4.1.4几何尺寸计算
（1）锥齿轮大端分度圆直径 103.5mm,=211.5mm
（2）计算锥距 117.71mm
（3）节圆锥角：
（4）大端齿顶圆直径:

（5）计算齿宽

文献【５】表10-7圆整为（取整）
4.2圆柱直齿齿轮设计（软齿面）
已知输入功率3.76 kw，小齿轮转速356.612r/min，齿数比u=4，由电动机驱动，工作寿命5年（设每年工作300天），双班制，工作有轻微震动。
4.2.1选定齿轮精度等级、材料及齿数
（1）圆锥圆柱齿轮减速器为通用减速器，速度不高，故选用7级精度(GB10095-88)
（2）材料选择 由文献【１】表10-1选择大小齿轮材料均为45钢（调质），小齿轮齿面硬度为250HBS，大齿轮齿面硬度为220HBS。
（3）选小齿轮齿数，大齿轮齿数
4.2.2按齿面接触强度设计由设计
计算公式进行试算，即

（1） 确定公式内的各计算数值
①试选载荷系数
②计算小齿轮的转矩

③选齿宽系数
① 由文献【１】表10-6查得材料的弹性影响系数

⑤由文献【１】图10-21d按齿面硬度查得
小齿轮的接触疲劳强度极限，
大齿轮的接触疲劳强度极限
⑥计算应力循环次数由文献【１】式10-13

⑦由文献【１】图10-19取接触疲劳寿命系数

⑧计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1，由式10-12得

（2） 计算
①试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得

②计算圆周速度v

③计算齿宽b及模数

④ 计算载荷系数
根据，7级精度，由文献【１】图10-8查得动载系数
由文献【１】表10-3查得
由文献【１】表10-2查得使用系数
由文献【１】表10-4查得
由文献【１】图10-13查得
接触强度载荷系数

⑤按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，式10-10a得

⑥计算模数
4.2.3按齿根弯曲疲劳强度设计
由式10-5得弯曲疲劳强度的设计公式

（1）确定公式内的个计算数值
①由文献【１】图20-20c查得
小齿轮的弯曲疲劳强度极限，
大齿轮的弯曲疲劳强度极限，
②由文献【１】图10-18取弯曲疲劳寿命系数

③计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数，由式10-12得

⑤ 计算载荷系数

由文献【１】表10-5查得齿形系数

应力校正系数
计算大、小齿轮的并加以比较，取较小值计算。

大齿轮的数值大
（2） 设计计算

齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数2.15
文献【５】表10-1就近圆整为标准值
按接触疲劳强度算得分度圆直径

这样设计出的齿轮传动既满足了齿面接触疲劳强度又满足
了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。
① 分度圆直径

②中心距

③齿宽

则
按计算后再作适当圆整，而常将小齿轮的齿宽在圆整值的基础上人为的加宽5-10,以防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大轮齿单位齿宽的工作载荷。

5轴的设计计算
5.1输入轴设计
(1) 求输入轴上的功率、转速和转矩

(2)求作用在齿轮上的力
已知高速级小圆锥齿轮的分度圆半径为

而

圆周力、径向力及轴向力的方向如图5-1所示
(3)初步确定轴的最小直径
先按式15-2初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为（调质）根据文献【１】表15-3，取，得

取高速轴的输入轴的最小直径为安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。
联轴器的计算转矩，查文献【１】表14-1，由于转矩变化很小，故取，则

图5-1轴的载荷分析
由于该轴与连轴器相连的一端直径要与电机相同，应小于
联轴器的公称转矩，所以查标准GB/T5014-2003或文献【４】，选
HL3弹性套柱销联轴器，其公称转矩为，半联轴器的孔径，故取，半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为。
①拟定轴上零件的装配方案（见图5-2）
②根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1）为了满足半联轴器的轴向定位，1-2轴段右端需制出一轴肩，故取2-3段的直径，为了满端盖密封，2-3轴段右端需制出一轴肩，故取3-4段的直径，
2）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力，故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据，由文献【１】表15-7中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30308，其尺寸为

图5-2轴的结构与装配

③轴上的周向定位
圆锥齿轮的周向定位采用平键连接，按由文献【１】表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为36mm，同时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为r6。
④确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为
（5）求轴上的载荷，确定截面
表5-1轴上载荷

载荷
水平面H
垂直面V
支反力F

弯矩M

总弯矩

扭矩T

（6）按弯扭合成应力校核轴的强度
根据上表中的数据及轴的单向旋转，扭转切应力为脉动循环
应力，取，轴的计算应力

前已选定轴的材料为（调质），由文献【１】表15-1查得，故安全。
（7）精确校核轴的疲劳强度
①判断危险截面截面
截面5右受应力最大
②截面5左侧
抗弯截面系数

抗扭截面系数

截面5左侧弯矩M为
mm
N
.
6
.
49479
M
=

截面5上的扭矩为
mm
N
.
1994
5
T
=

截面上的弯曲应力
MPa
54
.
11
5
.
4287
6
.
49479
=
=
=
W
M
b
s

截面上的扭转切应力
MPa
06
.
6
8575
51994
T
T
=
=
=
W
b
t

轴的材料为，调质处理。由表15-1查得
。
截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按文献【１】附表3-2查取。因，，经插值后查得

又由文献【１】附图3-1可得轴的材料敏感系数为

故有效应力集中系数为

由文献【１】附图3-2的尺寸系数，扭转尺寸系数。
轴按磨削加工，由文献【１】附图3-4得表面质量系数为

轴未经表面强化处理，即，则综合系数为

又取碳钢的特性系数

计算安全系数值

故可知安全。

③截面5右侧
抗弯截面系数

抗扭截面系数

截面5右侧弯矩M为
截面5上的扭矩为

截面上的弯曲应力

截面上的扭转切应力

过盈配合处的，由文献【１】附表3-8用插值法求出，并取 ，于是得

轴按磨削加工，由文献【１】附图3-4得表面质量系数为

故得综合系数为

计算安全系数值

故可知安全。

5.2中间轴设计
（1）求输入轴上的功率、转速和转矩

（2）求作用在齿轮上的力
已知圆柱直齿轮分度圆直径

已知圆锥齿轮的分度圆半径为

圆周力、，径向力、及轴向力、如图5-3

图5-3轴的载荷分析图
（3）初步确定轴的最小直径
先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为（调质），根据文献【１】表15-3，取，得
12
.
24
356.612
76
.
3
110
3
3
2
2
0
min
=
´
=
=
n
P
A
d
，
中间轴最小直径显然是安装滚动轴承的直径和
（4）轴的结构设计
①拟定轴上零件的装配方案（见下图5-4）
②根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1） 初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力，故选用单列圆锥滚子轴承，由文献【２】表15-1中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30206，其尺寸为，。 这对轴承均采用套筒进行轴向定位。
2） 取安装齿轮的轴段，锥齿轮左端与左轴承之间采用套筒定位，已知锥齿轮轮毂长，为了使套筒端面可靠地压紧端面，此轴段应略短于轮毂长，故取，齿轮的右端采用轴肩定位 轴肩高度，故取，则轴环处的直径为。取。
3） 已知圆柱斜轮齿宽，由于结构上的需要，将其设计为齿轮轴，轴段应略短于轮毂长，故取，在齿轮右端再设一轴肩，取，。
② 上的周向定位
圆锥齿轮的周向定位采用平键连接，按由文献【１】表6-1查得平键截面，键槽用键槽铣刀加工，长为32mm，同时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；
③ 定轴上圆角和倒角尺寸 ，取轴端倒角为
图5-4轴的结构与装配

(5) 求轴上的载荷
表5-2轴上载荷

载荷
水平面H
垂直面V
支反力F

弯矩M

总弯矩

扭矩T

(6) 按弯扭合成应力校核轴的强度
根据上表中的数据及轴的单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力

前已选定轴的材料为（调质），由文献【１】表15-1查得，
故安全。
(7) 精确校核轴的疲劳强度
①判断危险截面
截面5左右侧受应力最大
②截面5右侧
抗弯截面系数

抗扭截面系数

截面5右侧弯矩M为

截面5上的扭矩为

截面上的弯曲应力

截面上的扭转切应力

轴的材料为，调质处理。由表15-1查得
。
截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按文献【１】附表3-2查取。因，，经插 值后查得

又由文献【１】附图3-1可得轴的材料敏感系数为

故有效应力集中系数为

由文献【１】附图3-2的尺寸系数，扭转尺寸系数。
轴按磨削加工，由文献【１】附图3-4得表面质量系数为
轴未经表面强化处理，即，则综合系数为

又取合金钢的特性系数
计算安全系数值

③截面5左侧
抗弯截面系数

抗扭截面系数

截面5右侧弯M为

截面5上的扭矩为

由文献【１】附图3-2的尺寸系数，扭转尺寸系数。
轴按磨削加工，由文献【１】附图3-4得表面质量系数为
轴未经表面强化处理，即，则综合系数为

又取合金钢的特性系数
计算安全系数值

③截面5左侧
抗弯截面系数

抗扭截面系数

截面5右侧弯M为

截面5上的扭矩为

截面上的弯曲应力

截面上的扭转切应力

过盈配合处的，由文献【１】附表3-8用插值法求出，并取，于是得

轴按磨削加工，由文献【１】附图3-4得表面质量系数为
故得综合系数为

计算安全系数值

故可知安全。
5.3输出轴设计
(1) 求输出轴上的功率、转速和转矩

(2) 求作用在齿轮上的力
已知圆柱直齿轮的分度圆直径
而

圆周力、径向力及轴向力如图5-5
(3) 初步确定轴的最小直径
①先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢（调质），根
据文献【１】表15-3，取，得
，
输出轴的最小直径为安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。
②联轴器的计算转矩，查文献【１】表14-1，由于转矩变化很小，故取，则

③查文献【２】表17-1，选HL3型弹性柱销联轴器，其公称转矩为630000，半联轴器的孔径，故取，半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为84mm。

图5-5轴的载荷分析图

(4) 轴的结构设计
拟定轴上零件的装配方案（见图5-6）
①根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1）为了满足半联轴器的轴向定位，1-2轴段右端需制出一轴肩，故取2-3段的直径,长度42mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度，为了保证轴端挡圈只压在半联 轴器上而不压在轴的端面上，故1-2段的长度应比略短些，现取

2）初步选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力，故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据，由文献【２】表15-1中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30310，其尺寸为，算上挡油环长度，取。左端轴承采用挡油环进行轴向定位。齿轮左端以及轴承的定位采用挡油环，已知齿轮轮毂的宽度为75mm，为了使挡油环端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取，。齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度，故取，则轴环处的直径为。轴环宽度，取。
②轴上的周向定位
齿轮、半联轴器的周向定位均采用平键连接，按由文献【１】表6-1查得平键截面，键槽用键槽 铣 刀加工，长为,56mm，同时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键，半联轴器与轴的配合为，滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为r6。
(5) 确定轴上圆角和倒角尺寸
取轴端倒角为
图5-6轴的结构与装配

(6) 求轴上的载荷
表5-3轴上载荷
载荷
水平面H
垂直面V
支反力F

弯矩M

总弯矩

扭矩T

(7) 按弯扭合成应力校核轴的强度
根据上表中的数据及轴的单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力

前已选定轴的材料为45钢（调质），由文献【１】表15-1查得，故安全。
(8) 精确校核轴的疲劳强度
①判断危险截面 截面7左右侧受应力最大
②截面7右侧抗弯截面系数

抗扭截面系数

截面7右侧弯矩M为

截面7上的扭矩为

截面上的弯曲应力

截面上的扭转切应力

轴的材料为45钢，调质处理。由表15-1查得
。
截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按文献【１】附表3-2查取。因，，经插 值后查得

又由文献【１】附图3-1可得轴的材料敏感系数为

故有效应力集中系数为

由文献【１】附图3-2的尺寸系数，扭转尺寸系数。轴按磨削加工，由文献【１】附图3-4得表面质量系数为

轴未经表面强化处理，即，则综合系数为

又取碳钢的特性系数

计算安全系数值

故可知安全。

6滚动轴承的选择及校核计算
6.1输入轴滚动轴承计算
初步选择滚动轴承，由文献【２】表15-7中初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30308，其尺寸为,e=0.35,Y=1.7,
表6-1轴承上的载荷
载荷
水平面H
垂直面V
支反力F

则

则
则
则
则

则

故合格。
链传动的设计
传动比 主动轮转速
虚拟电动机额定功率

(1)轮齿
取，
则,取
2）计算功率
查表9-6，
查图9-13， 单排链

3） 链条型号和节距

由和n 查表选型号56B ，查表9-1，p=80mm

4) 连接和中心矩

初选
取

取
查表9-7
最大中心矩
5） 链速v和润滑方式

查图9-14 采用地油润滑
6） 压轴力

有效圆周力
水平布置

铸铁直齿锥齿轮减速器箱体结构尺寸的确定
铸铁减速器箱体结构尺寸如下表11-1：
表11-1铸铁减速器箱体结构尺寸
部位名称
符号
公式
尺寸值
箱座厚度

8
箱盖厚度

8
箱座凸缘厚度

12
箱盖凸缘厚度

12
箱座底凸缘厚度

20
地脚螺栓直径

20
地脚螺栓数目

6
轴承旁连接螺栓直径

15
箱盖和座连接螺栓直径

10
联接螺栓的间距

150-200
200
轴承端盖螺钉的直径

8
视孔盖螺钉直径

6
定位销直径

15
至外箱壁距离

26
至凸缘边缘距离

24
轴承旁凸台半径

24
凸台高度

40
外箱壁至轴承座端面距

55
大齿轮顶圆与内机壁距

8
齿轮端面与内机壁距离

8
箱盖、箱座肋厚

7
高速轴轴承端盖外径

111
中间轴轴承端盖外径
122
低速轴轴承端盖外径
128
轴承旁连接螺栓距离

120

参考文献
【1】 《机械设计（第八版）》高等教育出版社
主编 濮良贵 纪明刚 副主编 陈国定 吴立言
【2】 《机械设计课程设计指导书（第4版）》机械工业出版社
主编 陆玉 副主编 冯立艳
【3】 《机械制图》高等教育出版社
主编 刘朝儒
【4】 《机械设计课程设计手册》机械工业出版社
主编 张龙
【5】 《机械原理》高等教育出版社
【6】 《理论力学》高等教育出版社

=0.99
=0.98
=0.97
=0.96

23
1
=
z

47
2
=
z

mm
m
5
.
4
=

mm
.5
.
103
d
1
=

mm
211.5.
d
2
=

"
'
2
"
'
1
25
9
69
75
0
26
。
。
=
=
d
d

mm
71
.
117
R
=

mm
b
b
39
2
1
=
=

MPa
MPa
F
F
29
.
244
]
[
29
.
314
]
[
2
1
=
=
s
s

103.5mm
=211.5mm
117.71mm

u=4

96
2
=
z

mm
N
.
6
.
49479
M
=

mm
N
.
1994
5
T
=

mm