北航机械机设计优秀说明书.doc

机械设计课程设计
计算说明书

前 言

加热炉装料机用于向加热炉内送料，由电动机驱动，室内工作，通过传动装置使装料机推杆往复运动，将物料送入加热炉内。
设计一台装料机由减速器与传动机构组成，配以适当的电动机等零部件，实现自动送料过程。要求使用期限是双班制10年。

目　录
一、设计任务书…………………………………………………………………...3

二、总体方案设计………………………………………..…………………….…3
１、传动方案拟定…………………………………………..…………………3
２、电动机的选择………………………………………………………….….5
３、传动系统的运动和动力参数………………………………………..........5

三、传动零件的设计计算…………………………………………………………8
（1）蜗轮蜗杆设计………………………………………………………....……..8
（2）齿轮设计……………………………………………………………......……12
（3）轴的设计和校核计算…………………………………………………….….17
（4）键联接设计计算……………………………………………….…………….23
（5）联轴器的选择计算…………………………………………………………..25
（6）滚动轴承的选择及寿命计算……………………………..………………....25

四、减速器箱体及附件的设计…………………………........................................28
(1)润滑和密封形式的选择，润滑油和润滑脂的选择………………………...28
(2)箱体设计………………………. ………………………. …………………...29
(3)技术要求………………………. ………………………. …………………...29

五、参考资料…………………………………………………………………..…..29
一、设计任务书
1、设计题目：加热炉装料机
2、设计背景：
（1）题目简述：装料机用于向加热炉内送料，由电动机驱动，室内工作，通过传动装置使装料机推杆作往复移动，将物料送入加热炉内。
（2）使用状况：生产批量为5台；动力源为三相交流电380/220V，电机单向转动，载荷较平稳；使用期限为10年，每年工作300天，每天工作16小时；检修期为三年大修。
（3）生产状况：生产厂具有加工7、8级精度齿轮、蜗轮的能力。
3、设计参数：
推杆行程240mm,所需推力7200N，推杆工作周期2.3s.
4、设计任务：
（1）设计总体传动方案，画总体机构简图，完成总体方案论证报告。
（2）设计主要传动装置，完成主要传动装置的装配图（A0）。
（3）设计主要零件，完成两张零件工作图（A3）。
（4）编写设计说明书。

二、总体方案设计
1、传动方案的拟定
根据设计任务书，该传动方案的设计分成原动机和传动装置两部分：
（1）原动机的选择
设计要求：动力源为三相交流电380/220v.
故，原动机选用电动机。
（2）传动装置的选择
<1>减速器
电动机输出转速较高，并且输出不稳定，同时在运转故障或严重过载时，可能烧坏电动机，所以要有一个过载保护装置。
可选用的有：带传动，链传动，齿轮传动，蜗杆传动。
链传动与齿轮传动虽然传动效率高，但会引起一定的振动，且缓冲吸振能力差，也没有过载保护；
带传动平稳性好，噪音小，有缓冲吸震及过载保护的能力，精度要求不高，制造、安装、维护都比较方便，成本也较低，但是传动效率较低，传动比不恒定，寿命短；
而蜗杆传动虽然效率低，没有缓冲吸震和过载保护的能力，制造要求精度高，但还是比较符合本设计的要求，所以采用蜗杆传动。
总传动比为54.5，轴所受到的弯扭矩较大，所以初步决定采用蜗轮蜗杆加斜齿轮减速器，以实现在满足传动比要求的同时拥有较高的效率，和比较紧凑的结构，同时封闭的结构有利于在粉尘较大的环境下工作。
<2>传动机构
工作机应该采用往复移动机构。可选择的有：连杆机构，凸轮机构，齿轮齿条机构，螺旋机构。本设计是要将旋转运动转换为往复运动，且无须考虑是否等速，是否有急回特性。所以连杆机构，凸轮机构，齿轮齿条机构均可，凸轮机构虽然能较容易获得理想的运动规律,但要使执行滑块达到240mm的行程,并保证工作时处于较小的压力角范围,凸轮的径向尺寸较大,此外凸轮与从动件为高副接触,不宜用于低速重载。且凸轮机构和齿轮齿条机构加工复杂，成本都较高，所以还是连杆机构更合适一些。
在连杆机构中，可以选择的又有对心曲柄滑快机构，正切机构和多杆机构。根据本设计的要求，工作机应该带动装料推板，且结构应该尽量简单，所以选择对心曲柄滑快机构
２．电动机的选择
（1）类型和结构形式的选择：
按工作条件和要求：F=7200N，推杆工作周期T=2.3S，。选用一般用途的Y系列三相异步卧式电动机，封闭结构。
（2）电动机功率计算
传动效率：
一对轴承：
齿式联轴器：
蜗轮蜗杆：油润滑２头蜗杆　
一对圆柱斜齿轮：８级精度　
滑块摩擦：槽形摩擦轮
总传动效率：　　　　　　　　　　　

（3）电动机转速计算
确定传动比范围：齿轮传动比范围；涡轮传动比范围
在相关手册中查阅符合这一转速范围的电机，综合考虑总传动比，结构尺寸及成本，选择Y100L2-4型，额定功率3.0kW电动机，满载转速

３．传动系统的运动和动力参数
计算总传动比：
1、 分配减速器的各级传动比：
若齿轮的传动比取，则蜗轮蜗杆的传动比为
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2、 计算传动装置的运动和动力参数
（１）计算各轴转速
电机轴：
Ⅰ轴：
Ⅱ轴：
Ⅲ轴：
（２）计算各轴输入功率
电机轴：
1轴：
2轴：
3轴：
推杆：
a、 计算各轴输入转矩
电动机输出转矩：

1轴：

2轴：

3轴：

将运动和动力参数计算结果进行整理并列于下表：
轴名
功率P / kW
转矩T /N·m
转速n
r/min
传动比i
效率
输入
输出
输入
输出
电机轴

3.0

20.18
1420
1
0.9801
Ⅰ轴
2.94

19.97

1420
15.5
0.8316
Ⅱ轴

2.45

257.46

91.6
3.5
0.9702
Ⅲ轴
2.35

847.27

26.2

三、传动零件的设计计算
1、 蜗轮蜗杆设计
计算项目
计算内容
计算结果
1．选择传动精度等级，材料
考虑主动轮速度不是很高，传动尺寸五严格要求，批量较小，故用40Cr,调至处理，硬度HB=241~286，取平均值260HB，大齿轮用45钢，调制处理，硬度HB=229~286，平均值240HB。精度等级选8级精度。

2．确定蜗杆，涡轮齿数
传动比
,取
涡轮转速为：

3.确定涡轮许用接触应力
蜗杆材料为锡青铜，则,

4.接触强度设计
载荷系数
蜗轮转矩：由表28.8，估取蜗杆传动效率；则
可选用，
传动基本尺寸：
则蜗杆宽度

5.主要几何尺寸计算

涡轮分度圆直径：
蜗杆导程角
，
蜗轮齿宽为

取，传动中心距为

6.计算涡轮的圆周速度和传动效率

涡轮圆周速度

齿面相对滑动速度为

由式28.4 由式28.3查出当量摩擦角

搅油效率滚动轴承效率 。与估取值近似

7.校核接触强度
由式28.11
由表28.11可查弹性系数
由表28.13使用系数
取动载荷系数
载荷分布系数

8.轮齿弯曲强度校核
由式28.12
确定许用弯曲应力
由表28.10查出
由图28.10查出弯曲强度寿命系数

确定涡轮的复合齿形系数
涡轮当量齿数
涡轮无变位查图27.17，27.20得
、

导程角的系数

其他参数和接触强度相同，得

9.蜗杆轴刚度验算
由式28.14
蜗杆所受圆周力

蜗杆所受径向力
蜗杆两支撑间距离L取

蜗杆危险及面惯性矩

许用最大变形

10.蜗杆传动热平衡计算

由式28.15
蜗杆传动效率

导热率取为）
K工作环境温度
传动装置散热的计算面积为

2、 齿轮设计

计算项目
计算内容
计算结果
1.选材、精度
选用斜齿轮，批量较小，小齿轮用40Cr，调质处理，硬度241HB～286HB，平均取260HB，大齿轮用45钢，调质处理，硬度为2 29HB～286HB，平均取240HB。8级精度。

2.初步计算小齿轮直径
因为采用闭式软齿面传动,按齿面接触强度初步估算小齿轮分度圆直径,由附录A表由表A1取，动载荷系数，
转矩，由表27.11查取
接触疲劳极限

取

取
3.确定基本参数
圆周速度精度等级取8级精度合理
,
取
确定模数
查表取
确定螺旋角

小轮直径为
大轮直径为
初定齿宽为
校核传动比误差：因齿数未做圆整，传动比不变。
8级精度合理

取

4.校齿核面接触疲劳强度
1〉计算齿面接触应力
节点区域系数:查图27-16非变位斜齿轮
弹性系数:查表27.11
重合度系数:
端面重合度

由于无变位，断面啮合角
因此断面重合度
纵向重合度

因为 ， 故

螺旋角系数

查表得，,

齿面接触应力

2>计算许用接触应力

查表得
、
总工作时间
应力循环次数

接触寿命系数由图27-23查出
（单向运转取）
齿面工作硬化系数

接触强度尺寸系数由表27.15按调质钢查
润滑油膜影响系数取为

由表27.14取最小安全系数
许用接触应力:

3〉验算:

接触疲劳强度较为合适,齿轮尺寸无须调整
5.确定主要传动尺寸
中心距
取整为180mm 从而：

端面模数为

小齿轮直径

大齿轮直径

齿宽b为
、、
小齿轮当量齿数为
大齿轮当量齿数为

6.齿根弯曲疲劳强度验算
1〉由式27.11

, ,

,
齿根弯曲应力:

2〉计算许用弯曲应力
由式27.17
试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限查图27-24c ，
另外取
、、
其余系数均为1.
由图27-26确定尺寸系数=
由表27.14查最小安全系数

3〉弯曲疲劳强度验算

合格。

=

合格
7.静强度校核
静强度校核,因传动无严重过载,故不作静强度校核

３．轴的设计和校核计算
1、蜗杆轴
计算项目
计算内容
计算结果
1、选择材料，热处理
45钢,正火,硬度170~217HB。

2、初估轴径

查表得，当轴材料为45钢时可取C=112，

根据与联轴器端连接的尺寸，按联轴器的标准系列，取其直径d=30mm。

3、初定轴的结构

初定该轴为一端游动，一端固定

4、轴的空间受力
输入轴转矩

圆周力

径向力

轴向力

法向力
该轴所受的外载荷为转矩和蜗轮上的作用力。

5、轴承支点的支反力绘出水平面和垂直面弯矩图

1）垂直面支反力及弯矩计算

2）水平面支反力及弯矩计算

6、计算机合成弯矩，绘制合成弯矩图

7、转矩图

8、求当量弯矩
,绘制当量弯矩图

危险截面C处当量弯矩：

9、按弯扭合成应力校核轴的强度

合格

2、蜗轮轴
由上面计算得蜗轮齿宽为62mm，齿轮齿宽为96mm，故初步估计该轴长度为240mm
计算项目
计算内容
计算结果
1、选择材料，热处理
45钢,正火,硬度170~217HB。

2、初估轴径

查表得，当轴材料为45钢时可取C=112，

取其直径d=30mm。

3、初定轴的结构

采用圆锥滚子轴承30206（一对）

4、轴的空间受力
输入轴转矩

圆周力

径向力

轴向力

该轴所受的外载荷为转矩和蜗轮上的作用力。

5、轴承支点的支反力绘出水平面和垂直面弯矩图

1）垂直面支反力及弯矩计算

2）水平面支反力及弯矩计算

6、计算机合成弯矩，绘制合成弯矩图

7、转矩图

8、求当量弯矩
,绘制当量弯矩图

危险截面C处当量弯矩：

9、按弯扭合成应力校核轴的强度

合格

3、大齿轮轴
计算项目
计算内容
计算结果
1、选择材料，热处理
45钢,正火,硬度170~217HB。

2、初估轴径

查表得，当轴材料为45钢时可取C=112，

根据与联轴器端连接的尺寸，按联轴器的标准系列，取其直径d=60mm。

3、初定轴的结构

采用圆锥滚子轴承30208（一对）

4、轴的空间受力

输入轴转矩

圆周力

径向力

轴向力

该轴所受的外载荷为转矩和蜗轮上的作用力。

5、轴承支点的支反力绘出水平面和垂直面弯矩图

1）垂直面支反力及弯矩计算

2）水平面支反力及弯矩计算

6、计算机合成弯矩，绘制合成弯矩图

7、转矩图

8、求当量弯矩
,绘制当量弯矩图

危险截面C处当量弯矩：

9、按弯扭合成应力校核轴的强度

合格

4．键联接设计计算
1〉蜗杆连接键
键的选择和参数
选用普通平键，圆头。
由表6-57查得d=30mm时，应选用
键 GB/T 1096

转 矩

键 长

接触长度

许用挤压应力校 核
查表7-3可得钢的许用挤压应力为
=120MPa

故满足要求

3〉大齿轮键的选择与校核
键的选择和参数
为静联接，选用普通平键，圆头。
由表6-57查得d=50mm时，应选用
键 GB/T 1096

转 矩

键 长

接触长度

许用挤压应力校 核
钢的许用挤压应力为
=120MPa

故满足要求

2〉蜗轮轴键的选择与校核
键的选择和参数
为静联接，选用普通平键，圆头。
由表6-57查得d=40mm时，应选用
键 GB/T 1096

转 矩

键 长

接触长度

许用挤压应力校 核
钢的许用挤压应力为
=120MPa

故满足要求
4〉大齿轮轴外伸端键的选择与校核
键的选择和参数
为静联接，选用普通平键，圆头。
由表6-57查得d=30mm时，应选用
键 GB/T 1096

转 矩

键 长

接触长度

许用挤压应力校 核
钢的许用挤压应力为
=120MPa

故满足要求

5．联轴器的选择计算
选择Y型联轴器 公称扭矩Tn=160N·m 蜗杆轴扭矩T1=20.18N·m
Tn> T1 合格
需用转速[n]=7600r/min 蜗杆轴转速 n1=1420r/min
[n]> n1 合格

6．滚动轴承的选择及寿命计算

1>蜗杆轴轴承的校核
深沟球轴承6006（一个），其尺寸：D=55mm,d=30mm, B=13mm
计算项目
计算内容
计算结果
轴承主要性能参数
查表得轴承6006主要性能参数如下：

轴承受力情况
轴承内部轴向力Fs：计算公式为

方向向右

方向向左

因为

所以轴有想左移动的趋势，
故

X、Y值
0.27
0.22
2.82

0.56
1.99
冲击载荷系数

当量动载荷

5352N
轴承寿命
（球轴承）
176089h

、

0.6 ，0.5
当量静载荷
两式中取大值
1584.3N
安全系数
正常使用球轴承,查表

计算额定静载荷
；

静载合格
许用转速

14000r/min
结论：所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求。

2>小齿轮轴轴承的校核
圆锥滚子轴承30206（一对），其尺寸：D=62mm,d=30mm, B=16mm
计算项目
计算内容
计算结果
轴承主要性能参数
查表得轴承7208C主要性能参数如下：

轴承受力情况
轴承内部轴向力Fs：计算公式为

方向向右

方向向左
因为
所以轴有想右移动的趋势，故：

X、Y值
0.37
0.31 0.76

0.4
1.6
冲击载荷系数

当量动载荷

7423N
轴承寿命
（柱轴承）
64508h

、

0.5 ，0.9
当量静载荷
两式中取大值
6748N
安全系数
正常使用圆锥滚子轴承,查表

计算额定静载荷
；

静载合格
许用转速

7500r/min

结论：所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求。

3>大齿轮轴轴承的校核
圆锥滚子轴承30208（一对），其尺寸：D=80mm,d=40mm, B=18mm
计算项目
计算内容
计算结果
轴承主要性能参数
查表得轴承7212C主要性能参数如下：

轴承受力情况
轴承内部轴向力Fs：计算公式为

方向向右

方向向左
因为
所以轴有想右移动的趋势，故：

X、Y值
0.37
0.80
0.4
1.6
冲击载荷系数

当量动载荷

2412N
轴承寿命
（柱轴承）

、

0.5 ，0.9
当量静载荷
两式中取大值
1907N
安全系数
正常使用球轴承,查表

计算额定静载荷
；

静载合格
许用转速

6300r/min

结论：所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求。

四、减速器箱体及附件的设计

1、润滑和密封形式的选择，润滑油和润滑脂的选择
1>润滑形式的选择
(1)油标：选择杆式油标C型
指标：d:
(2)排油装置：管螺纹外六角螺赛及其组合结构
指标：

2>密封装置
（1） 蜗杆轴密封： 毡圈油封 d=30mm,
（2）大齿轮轴密封：毡圈油封 d=30mm.

2、箱体设计：
计算项目
计算内容
计算结果
箱座厚度
箱盖厚度
箱座突缘厚度
箱盖突缘厚度
箱座底突缘厚度
地角螺钉直径
地角螺钉数目
轴承旁连接螺钉直径
机盖与机座连接螺栓直径
轴承端盖螺钉直径
窥视孔盖螺钉直径
连接螺栓d2的间距
定位销直径
大齿轮顶圆与内机壁距离
齿轮端面与内机壁距离
轴承端盖外径
轴承端盖突缘厚度
机盖肋厚
机座肋厚
δ=0.04a+3≥8
δ1=0.85δ=8.5
b=1.5δ
b1=1.5δ1
b2=2.5δ
df=0.036a+12

d1=0.75 df =15
d2=(0.5—0.6) df
d3=(0.4—0.5) df
d4=(0.3—0.4) df
l=(120—200)mm
d=(0.7—0.8)d2
Δ1>1.2δ
Δ2>δ
D2=1.25D+10
t=(1.1—1.2)d3
m1=0.85δ1
m=0.85δ
取δ=11mm
取δ1=9.5mm
b=16.5mm
b1=14mm
b2=27.5mm
df =20mm
n=4
取d1=16mm
取d2=10mm
取d3=8mm
取d4=8mm
取l=150mm
取d=8mm
取Δ1=13.2
取Δ2=11
取D2=116
t=10
取m1=8
取m=10

3、技术要求
1〉 装配前所有零件用煤油清洗，滚动轴承用汽油浸洗，箱体内不允许有任何杂物存生。
2〉 保持侧隙不小于0.115mm。
3〉 调整、固定轴承时应留轴向间隙，。
4〉 涂色检查接触斑点，沿齿高不小于55%，沿齿长不小于50%
5〉 箱体被隔开为两部分，分别装全损耗系统用油L-AN68至规定高度。
6〉 减速器部分面，各接触面及密封处均不允许漏油，剖分面允许涂以密封胶或水玻璃，不允许使用垫片。
7〉 箱体外表面涂深灰色油漆，内表面涂耐油油漆。

五、参考资料
1、 王之栎、王大康 《机械设计综合课程设计》2010年8月第二版，机械工业出版社。
2、 吴瑞祥、王之栎、郭卫东、刘静华主编《机械设计基础（下册）》2007年2月第二版，北京航空航天大学出版社。