防爆型有轨运输牵引机车变速箱的设计.doc

1 机车的用途，特点及主要技术参数科学技术的飞速发展，社会所需求机械产品的结构越来越合理，其性能和效率要求也越来越高。因此，为了适应国民经济发展的需求，提高生产效率，在运输系统上对运输工具相应的提出了高性能，高技术，高效率的要求。能源是国民经济的命脉。就我国煤炭系统目前发展的状况而言，在煤矿运输中有三种运输类型：有轨运输、无轨运输和皮带运输。而有轨运输以其效率高、安全性好等优点在煤矿业中得到较广泛的使用。在目前有轨运输中作为动力系统的有三种形式：矿井电力、蓄电池和柴油机。而以防爆柴油机作为动力的轨道运输牵引机车以其特有的防爆安全和大功率的特点作为有轨运输的主力军。虽然防爆柴油机轨道运输牵引机车目前已在某些矿井使用，但并未普及，而象此次设计功率18马力的牵引机车目前还未开发生产。所以，此设计可以说填补了国内空白。设计轨道运输牵引机车的变速箱，就是为了解决过去运输牵引机车变速复杂，变速范围小，效率低等问题。该轨道运输牵引技术的变速箱的工作原理是，防爆柴油发动机作为动力，通过带传动将高转速传入变速箱。高转速在变速箱里通过拨叉使不同齿数齿轮合理相啮合，从而使变速箱的输出转速达到前行33.2 km/h、6.58 km/h和后行33.2 km/h、 6.58 km/h的不同转速。变速箱是轨道牵引机车的主要组成部分，同时变速箱又是由许多不同的部分组成，其中包括一根传入轴、二根传递轴、一根输出轴和一根惰轮轴、十个圆柱齿轮和三个拨叉，此外，还有变速箱壳体、轴承等其他零件。装备此次设计变速箱的轨道运输牵引机车一般选用常州S195M型18马力柴油机作为动力。牵引机车上的照明、喇叭信号及蓄电池充电都是由柴油机带动直流发电机发电来供给的。本牵引机车功率大，燃料消耗率低。此外，机车还具有催化器及水洗箱两极净化装置。本次设计的变速箱在速度上具有前行和后行共4种不同的速度，使机车在不同的情况下采用不同的挡位。所以，此轨道运输牵引机车具有节能、高效、方便、污染少、变速广、适用面宽等优点，可以广泛推广生产使用。但目前这种具有该设计变速箱的机车正处于研究开发阶段。随着各种技术的完善，此种大功率牵引机车的前景一定辉煌！1.1 机车的用途就我国目前而言,此种机车有其非常重要的作用,应说是填补了一项空白,我国目前还没有此类型号的牵引机车。它使用于广大厂矿企业的货物、能源、资料、产品等的运输。1.2 机车的特点此机车的设计适应了当前形势的需要,它以柴油作为燃料,投资少,效率高,可靠性高,也是一代环保产品；它结构简单,紧凑；工作灵活,方便,适应范围广。此机车的变速箱与其它汽车的变速箱不同点是：a) 其它汽车的变速箱一般只有一个后退挡；b) 轨道运输牵引机车前进挡和后退挡基本相同，速度差不多。1.3 机车的主要技术参数(1) 动力装置：防爆柴油发动机 功 率：P=18 马力 额定转速：n=2200 rpm(2) 高速级带传动传动比为 i1=D2/D1=228/132=1.727 经变速箱后有链轮驱动，链传动比为 i3=Z2/Z1=17/13=1.307(3) 车轮直径： D=300 mm(4) 牵引车速度：前进 33.2 、6.58 km/h 后退 33.2 、6.58 km/h(5) 防爆柴油机输出转矩： T = Td = 9.55106 P/n=9.5510618/2200 nmm T = Td = 0.07813636364 nmm 即： T = Td = 78.14103 nmm(6) 变速箱的输入转速： n1 = n / i1 = 2200/1.727 rpm n1 = 1273.88535032 rpm 即： n1 = 1274 rpm(7) 变速箱输入轴扭矩： TI = Td01i1 = 78.141030.951.727 nmm TI = 128.200391103 nmm 即： TI = 128.20103 nmm2 变速箱传动方案设计2.1 传动方案的拟订主变速传动系从动力机到主轴，通常为降速传动，接近动力机的传动件转速较高，传递的扭矩较小，尺寸小一些；反之，靠近主轴的传动件转速较底，传递的扭矩较大，尺寸就较大。因此在拟订主变速传动系时，应尽可能将传动副较多的变速组安排在前面，传动副数少的变速组放在后面。这符合传动副前多后少原则。在设计主变速传动时，还应尽可能做到变速组的传动顺序与扩大顺序相一直。此外，变速组的降速要前慢后快，中间轴的转速不宜超过动力机的转速。上述原则在设计主变速传动系时一般应该遵循，也要根据具体情况加以灵活运用。防爆型有轨运输牵引机车变速箱为四轴式，具有前行、后行各两种速度。由于变速箱能以较少的齿轮数获得较多的挡位数和较大的变速范围，并且变速箱体积较小，所以选用空间型组成式变速箱。拟订传动方案，包括传动型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个传动系统的确定。为了使牵引机车得到适当的车速以增强运输能力，选择变速级数为两级，牵引车便有前行、后行各两个挡位。在-轴间采用滑移齿轮，在-轴间采用双联滑移齿轮。2.2 齿数选择与传动比的分配由动力机满载转速nm和工作机轴的转速nw，可得传动装置总传动比为：ia = nm/nw总传动比为各级传动比i0 = i1i2i3in传动比分配得合理，可以减小传动装置的外廓尺寸、重量，达到结构紧凑、降低成本的目的，还可以得到较好的润滑条件。分配传动比主要应考虑以下几点：(1) 各级传动比均应在推荐范围内选取，不得超过最大值。各种传动的传动比常用值参见设计手册（课程设计手册P8页2-1表）。(2) 各级传动零件应做到尺寸协调，结构匀称，避免相互间发生碰撞或安装不便。(3) 尽量使传动装置的外廓尺寸紧凑或重量较小。(4) 在变速箱中，各级齿轮都应得到充分润滑。高速级带传动传动比为 i1=D2/D1=228/132=1.727经变速箱后有链轮驱动，链传动比为 i3=Z2/Z1=17/13=1.307(5)由于发动机的标定转速多在1500rpm以上，目前20002500rpm较多，并有提高的趋势。所以，变速箱的多数挡为减速档，传动比大于1，个别升速挡的传动比不宜小于0.8单对齿轮的传动比不宜小于0.6，以避免齿轮转速过高而增大轮齿上的载荷和增加搅油损失。(6)要保证拖拉机工作速度范围，使变速箱各档传动比能“拉的开”距离。(7)为了减少零部件的尺寸和质量，应降低零部件的载荷。为此，应尽量使前级部件的传动比减小，而使最终传动的传动比增大。所以变速箱的传动比以较小为益。综合考虑以上各因素制定了以下的传动比分配方案：表1 变速箱传动比分配-前进挡Z21/Z1模数3Z22/Z1模数3Z33/Z23模数4Z41/Z31模数5Z42/Z32模数5Z5/Z1模数3总传动比70/3061/2254/1840/3230/301挡2.333332.77273319.40909092挡2.333332.772731.258.08712121后退挡Z22/Z165/301挡2.166672. 77273318.02272732挡2.166672. 772731.257.5094697带传动的传动比i=1.727链传动的传动比i=1.3072.3 机车牵引速度计算ni=n/I前进后退变速箱总传动比1挡2挡1挡2挡19.40909098.0871212118.02272737.5094697带传动传动比1.7271.7271.7271.727链传动传动比1.3071.3071.3071.307发动机转速2200机车轮轴转速50.2168609120.520466354.0796964129.79127机车行驶速度3.013011667.2312279763.244781787.78747632.4 变速箱各轴最大功率计算 kw按前行1挡链传动效率0.95带传动效率0.957级齿轮传动效率0.97发动机功率KW13.42261挡时各级传动比2.3333333332.7727272732挡时各级传动比2.3333333332.772727271.25变速箱1轴功率12.751472轴功率12.24523663轴功率11.75910074轴功率11.29226442.5 变速箱各轴最大扭矩计算 N.mm按前行1挡发动机输出扭矩58266.28641挡时1轴转速1273.885351轴扭矩95594.582722轴转速545.9508642轴扭矩216362.40563轴转速196.9003123轴扭矩581916.52444轴转速65.63343734轴扭矩1693377.0862.6 几何尺寸计算齿数模数分度圆直径中心距齿宽齿顶圆直径齿根圆直径齿形角全齿高Z130390150209682.5206.75Z2170321020216202.5206.75Z22653195与Z5142.520201187.5206.75Z232248816635967820899Z336142443525223420899Z31185721803580622011.24Z4154527035280257.52011.24Z3232516018035170147.52011.24Z4240520035210187.52011.24惰轮Z530390与Z190209682.5206.752.7 各齿轮传动的受力分析Z21/Z1Z33/Z23Z41/Z31Z42/Z32惰轮与Z1Z22与惰轮mm分度圆直径9088721609090N.mm各轴扭矩95594.5827216362.4056581916.5244581916.524495594.58392726.74524圆周力FtN2T/d2124.324064917.32739916164.34797273.9565552124.32412060.594339径向力FrN2T/d*tg20773.2539581789.9071735883.8226362647.720186773.25396750.05633933 变速箱主要传动零件的设计与校核3.1 齿轮的设计与校核齿轮设计要考虑以下几个方面：(1)齿轮运转性能方面：噪声低、振动小、传动效率高。(2)承载能力方面：具有所要求的强度和工作寿命，或在规定寿命下的可靠度。(3)工艺性方面：能采用容易得到的刀具加工，齿轮参数与刀具参数相协调。(4)经济性方面：在保证使用性能和耐久性的条件下，加工和使用成本低。所选齿轮一般不产生根切既Zmin17，齿轮齿根圆到键槽的壁厚一般取5mm，齿轮的齿宽b=mn，齿宽系数的选择与齿面硬度、齿向精度和支承刚度有关，它直接影响轮齿的承载能力。对于变速箱齿轮=57，低档齿轮取大值，高挡取小值。3.2 齿轮的校核拖拉机圆柱齿轮承载能力计算方法及有关系数的特点，拖拉机圆柱齿轮承载能力计算方法，是在国家标准GB348083渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法的基础上，结合拖拉机齿轮的具体情况，参照ISO/DP6336车辆圆柱齿轮承载能力计算方法标准，吸取国内外齿轮设计、制造和使用中的最近技术和积累的经验而提出来的。其基本公式为：(1) 接触应力公式：(2) 弯曲应力公式：3.3 前进挡Z1Z21齿轮设计结果报告、齿轮设计输入参数 1. 传递功率 P 12.62 (kW) 2. 传递转矩 T 94.63 (N.m) 3. 齿轮1转速 n1 1273.89 (r/min) 4. 齿轮2转速 n2 545.95 (r/min) 5. 传动比 i 2.33 6. 预定寿命 H 28000 (小时) 7. 原动机载荷特性 中等振动 8. 工作机载荷特性 中等振动 、齿轮传动结构形式和布置形式 1. 结构形式 闭式 2. 齿轮1布置形式 非对称布置(轴刚性较小) 3. 齿轮2布置形式 非对称布置(轴刚性较小) 、材料及热处理 1. 齿面类型 硬齿面 2. 热处理质量要求级别 MQ 3. 齿轮 1 的材料及热处理 材料名称 40Cr 热处理 表面淬火 硬度范围 4855(HRC) 硬度取值 52 (HRC) 接触强度极限应力 b(H1) 1186 (N/mm2) 接触强度安全系数 S(H1) 1.10 弯曲强度极限应力 b(F1) 337 (N/mm2) 弯曲强度安全系数 S(F1) 1.40 4. 齿轮 2 的材料及热处理 材料名称 40Cr 热处理 表面淬火 硬度范围 4855(HRC) 硬度取值 52 (HBS) 接触强度安全系数 S(H2) 1.10 弯曲强度极限应力 b(F2) 337 (N/mm2) 弯曲强度安全系数 S(F2) 1.40 弯曲强度许用应力 (F2) 470 (N/mm2) 、齿轮基本参数(mm)- 项目名称 齿轮 1 齿轮 2 1. 模 数 m 3.00 2. 齿 数 z 30 70 3. 变位系数 x 0.00 0.00 4. 总变位系数 x 0.00 5. 齿 宽 B 20.00 20.00 6. 齿宽系数 d 0.22 0.10 7. 分度圆直径 d 90.00 210.00 8. 齿顶圆直径 da 95.99 215.99 9. 齿根圆直径 df 82.50 202.50 10. 基圆直径 db 84.57 197.34 11. 节圆直径 d 90.00 209.99 12. 齿 顶 高 ha 3.00 3.00 13. 齿 根 高 hf 3.75 3.75 14. 全 齿 高 h 6.75 15. 齿 数 比 u 2.33 16. 标准中心距 A 150.00 17. 实际中心距 A 150.00 18. 中心距变动系数 y -0.002 19. （端面）啮合角 20.00 (度） 20. 齿高变动系数 y 0.002 21. 齿顶压力角 a 28.23 23.99 （度） 22. 端面重合度 a 1.73 23. 纵向重合度 b 0.00 24. 总重合度 1.73 25. 分度圆弦齿厚 s 4.71 4.71 26. 分度圆弦齿高 h 3.06 3.02 27. 固定弦齿厚 sc 4.16 4.16 28. 固定弦齿高 hc 2.24 2.24 29. 公法线跨齿数 K 3 8 30. 公法线长度 Wk 23.40 69.36 -、接触强度、弯曲强度校核结果和参数 . 齿轮1接触强度许用应力H1 1091.64 (N/mm2) . 齿轮2接触强度许用应力H2 1091.64 (N/mm2) . 接触强度计算应力H 904.51 (N/mm2) 满足 . 齿轮1弯曲强度许用应力F1 469.68 (N/mm2) . 齿轮1弯曲强度计算应力F 284.47 (N/mm2) 满足 . 齿轮2弯曲强度许用应力F2 469.68 (N/mm2) . 齿轮2接触强度计算应力F 275.47 (N/mm2) 满足 1. 圆 周 力 Ft 2102.92 (N) 2. 齿轮线速度 V 6.00 (m/s) 3. 使用系数 Ka 1.75 4. 动载系数 Kv 1.27 5. 齿向载荷分布系数 KH 1.18 6. 综合变形对载荷公布的影响 Kbs 1.05 7. 安装精度对载荷分布的影响 Kbm 0.13 8. 齿间载荷分布系数 KH 1.10 9. 安装处理方法 一般 10. 是否修形齿轮 0 11. 节点区域系数 Zh 2.49 12. 材料的弹性系数 ZE 189.80 13. 接触强度重合度系数 Ze 0.87 14. 接触强度螺旋角系数 Zb 1.00 15. 重合、螺旋角系数 Z 0.87 16. 接触疲劳寿命系数 Zn 1.00 17. 是否允许有一定量的点蚀 1 18. 润滑油膜影响系数 Zlvr 0.97 19. 润滑油粘度（50度） 120.00 20. 工作硬化系数 Zw 1.00 21. 接触强度尺寸系数 Zx 1.04 22. 齿向载荷分布系数 KF 1.18 23. 齿间载荷分布系数 KF 1.10 24. 抗弯强度重合度系数 Ye 0.68 25. 抗弯强度螺旋角系数 Yb 1.00 26. 抗弯强度重合、螺旋角系数 Y 0.68 27. 复合齿形系数 Yfs 4.11 3.98 28. 应力校正系数 Ysa 1.62 1.75 29. 寿命系数 Yn 1.00 1.00 30. 齿根圆角敏感系数 Ydr 0.95 0.95 31. 齿根表面状况系数 Yrr 1.00 1.00 32. 尺寸系数 Yx 1.03 1.03 33. 载荷类型 对称循环载荷 34. 齿根表面粗糙度 Rz16m 、齿轮精度- 项目名称 齿轮 1 齿轮 2 1. 第一组精度 7 7 2. 第二组精度 7 7 3. 第三组精度 7 7 4. 上偏差 F F 5. 下偏差 H H -、检验项目- 项 目 名 称 齿轮 1 齿轮 2 1. 齿距累积公差 Fp 0.05121 0.07348 2. 齿圈径向跳动公差 Fr 0.03979 0.04960 3. 公法线长度变动公差 Fw 0.03097 0.03708 4. 齿距极限偏差 fpt() 0.01603 0.01716 5. 齿形公差 ff 0.01213 0.01363 6. 一齿切向综合公差 fi 0.01690 0.01847 7. 一齿径向综合公差 fi 0.02271 0.02428 8. 齿向公差 F 0.01189 0.01189 9. 切向综合公差 Fi 0.06333 0.08710 10. 径向综合公差 Fi 0.05571 0.06944 11. 基节极限偏差 fpb() 0.01507 0.01613 12. 螺旋线波度公差 ff 0.01690 0.01847 13. 轴向齿距极限偏差 Fpx() 0.01189 0.01189 14. 齿向公差 Fb 0.01189 0.01189 15. x方向轴向平行度公差 fx 0.01189 0.01189 16. y方向轴向平行度公差 fy 0.00595 0.00595 17. 齿厚上偏差 Eup -0.06414 -0.06864 18. 齿厚下偏差 Edn -0.12828 -0.13728 19. 中心距极限偏差 fa() 0.03150 -3.4 前进1挡Z31Z41齿轮设计结果报告、齿轮设计输入参数 1. 传递功率 P 11.64 (kW) 2. 传递转矩 T 564.57 (N.m) 3. 齿轮1转速 n1 196.90 (r/min) 4. 齿轮2转速 n2 65.63 (r/min) 5. 传动比 i 3.00 6. 预定寿命 H 28000 (小时) 7. 原动机载荷特性 中等振动 8. 工作机载荷特性 中等振动 、齿轮传动结构形式和布置形式 1. 结构形式 闭式 2. 齿轮1布置形式 非对称布置(轴刚性较大) 3. 齿轮2布置形式 非对称布置(轴刚性较大) 、材料及热处理 1. 齿面类型 硬齿面 2. 热处理质量要求级别 MQ 3. 齿轮 1 的材料及热处理 材料名称 40Cr 热处理 表面淬火 硬度范围 4855(HRC) 硬度取值 52 (HRC) 接触强度极限应力 b(H1) 1186 (N/mm2) 接触强度安全系数 S(H1) 0.99 弯曲强度极限应力 b(F1) 337 (N/mm2) 弯曲强度安全系数 S(F1) 1.40 4. 齿轮 2 的材料及热处理 材料名称 40Cr 热处理 表面淬火 硬度范围 4855(HRC) 硬度取值 52 (HBS) 接触强度安全系数 S(H2) 1.10 弯曲强度极限应力 b(F2) 337 (N/mm2) 弯曲强度安全系数 S(F2) 1.40 弯曲强度许用应力 (F2) 457 (N/mm2) 、齿轮基本参数(mm)- 项目名称 齿轮 1 齿轮 2 1. 模 数 m 5.00 2. 齿 数 z 18 54 3. 变位系数 x 0.00 0.00 4. 总变位系数 x 0.00 5. 齿 宽 B 35.00 35.00 6. 齿宽系数 d 0.39 0.13 7. 分度圆直径 d 90.00 270.00 8. 齿顶圆直径 da 99.99 279.99 9. 齿根圆直径 df 77.50 257.50 10. 基圆直径 db 84.57 253.72 11. 节圆直径 d 90.00 269.99 12. 齿 顶 高 ha 4.99 4.99 13. 齿 根 高 hf 6.25 6.25 14. 全 齿 高 h 11.24 15. 齿 数 比 u 3.00 16. 标准中心距 A 180.00 17. 实际中心距 A 179.99 18. 中心距变动系数 y -0.001 19. （端面）啮合角 20.00 (度） 20. 齿高变动系数 y 0.001 21. 齿顶压力角 a 32.24 25.02 （度） 22. 端面重合度 a 1.65 23. 纵向重合度 b 0.00 24. 总重合度 1.65 25. 分度圆弦齿厚 s 7.84 7.85 26. 分度圆弦齿高 h 5.17 5.05 27. 固定弦齿厚 sc 6.94 6.94 28. 固定弦齿高 hc