机械设计课程设计说明书塔式起重机大车行走机构传动.docx

机械设计课程设计
计算说明书

设计题目

塔式起重机大车行走机构传动置设计

材料科学与工程学院
设计者：赵鑫
学号：14095474
指导老师： 赵子江

2023 年 7 月 5 日
中国矿业大学

目 录
页次

1、机械设计课程设计任务书………………………………………………………3
2、传动装置总体设计方案…………………………………………………………4
3、电动机的选择计算………………………………………………………………5
4、传动系统运动学和动力学参数计算……………………………………………7
5、传动零件的设计计算……………………………………………………………10
5.1高速级齿轮参数设计计算 ………………………………………………………… 10
5.2第二级齿轮参数设计计算 ………………………………………………………… 12
6、轴系零件的设计计算……………………………………………………………16
7、键的选择与强度验算……………………………………………………………22
8、轴承的选择与寿命计算…………………………………………………………25
9、联轴器的选择 ………………………………………………………………… 26
10、减速器润滑与密封 …………………………………………………………… 26
11、减速器的结构和附件设计 …………………………………………………… 27
12、 设计小结 ………………………………………………………………………31
13、参考文献 ……………………………………………………………………… 33

一、机械设计课程设计任务书
1、设计条件
⑴机器功用 对露天物料进行起吊，装卸，安装，搬运等；
⑵工作情况 间断型工作，正反方向转动，载荷平稳，环境温度不超过40；
⑶运动规定 运动速度误差不超过5%；
⑷使用寿命 停歇时间与工作时间近似相等，传动零件工作总时数小时，滚动轴承寿命4 000小时；
⑸检修周期 500小时小修；2023小时大修；
2、原始数据
大车运营阻力 F=5kN； 大车运营速度V= 25 m/min
车轮直径 400 mm； 启动系数 = 1.1
3、设计规定
⑴设计内容 ①电动机选型； ②减速器设计；
③闭式齿轮传动设计；④传动件设计；
⑤联轴器选型设计； ⑥车轮及其轴系结构设计。
⑵设计工作量 ①减速器装配图1张；
②零件工作图2张（轴和齿轮各1张）；
③设计计算说明书1份。

4、设计规定
在本次机械设计中将减速器中齿轮设计成直齿圆柱轮。

二.传动装置总体设计方案

1. 组成：传动装置由电机、减速器、传动轴、齿轮传动装置、车轮和轨道。
2. 特点：传动轴过长，故沿径向载荷分布过于集中，
规定轴有较大的强度。
3. 拟定传动方案：其传动方案如下：

图一:(传动装置总体设计图)
1-电动机；2-减速器；3-传动轴；
4-齿轮传动；5-车轮；6-轨道

初步拟定传动系统总体方案如:传动装置总体设计图所示。
选择同向二级圆柱齿轮减速器（展开式）和直齿轮传动。

三、电动机的选择计算
1、 工作机输入功率的计算
已知工作机的阻力和速度则工作机输入功率为

式中

电动机所需的输出功率计算

式中机械传动装置的总效率(由电动机至工作机的输入端)

A． 两对闭式齿轮，传动效率＝0.985，
B． 一对开式齿轮=0.950
C． 四个滚动轴承效率 ＝0.9925
D． 一个弹性联轴器＝0.9925

把上述值带入后得

起动系数，所以

2，电动机转速选择
查表得：
Y系列1480r/min电动机的具体牌号为：Y132M-4型，额定功率为7.5kW，满载转速为1440r/min。

3，拟定电动机型号在此处键入公式。
通过上述计算查表得：
型号：Y132M-4型
额定功率：7.5kW
同步转速：1480r/min
满载转速：1440r/min
轴径：34mm
伸出轴长度：80mm
轴距地面高度：132mm
两脚跨度：265mm
两脚中心距210mm
整体高度：295mm
机身宽度：430mm
机体直径：270mm

四、传动系统运动学和
动力学参数计算
1、分派传动比
（1）总传动比i
在上边已拟定电动机满载转速为n＝1440r/min，
运营速度为v=30m/min，车轮直径为D=400mm，
计算车轮转速

用公式计算总传动比
＝1440/23.87＝60.32
（2）分派传动比

从减速器的高速轴开始为各轴命名为：1轴、2轴、3轴。
，——第1轴至第2轴，
——第2轴至第3轴传动比。
为开式齿轮的传动比。
由于是开式传动,不是本设计的重点
可取
=4,所以=60.32/4=15.08,
又知道,
取
所以 15.08=1.35

取Z1=23 则 可取Z2=104

取Z3=27 则可取Z4=90

总传动比

2、传动装置运动参数的计算
（1）各轴转速计算
第1轴转速

第2轴转速

第3轴转速

外面开式齿轮轴

（2）各轴功率计算

（3）各轴扭矩计算

参 数
轴 名
电动机轴
1轴
2轴
3轴
4轴
转速n/(r/min)
1440
1440
319.29
95.60
23.9
功率P/kW
4
3.97
3.88
3.79
3.57
转矩T/(N·m)
26.53
26.33
116.05
378.6
1426.5
传动比i
1
4.51
3.34
4
效率畏
0.9925
0.977
0.977
0.942

五．各组传动齿轮设计
1、高速级齿轮参数设计
（1）选用齿轮材料，拟定许用应力
由表6.2选 小齿轮40MnB调质解决
大齿轮40Cr 调质解决
由课本表11-1查得

硬度
接触疲劳极限σHlim/MPa
弯曲疲劳极限σFE/MPa
40MnB调质
241~286HBS
(260HBS)
680~760
(720)
580~610
(585)
40Cr调质
217~286HBS
(250HBS)
650~750
(700)
560~620
(590)
注：括号内为选取的近似值。

许用接触应力与齿轮材料、热解决方法、齿面硬度、应力循环次数等因素有关。
查表11-5 取SH=1.0 SF=1.25
则
许用弯曲应力 双向传动乘0.7
弯曲强度尺寸系数 查图6－9
弯曲强度最小安全系数
则

（2）齿面接触疲劳强度设计计算
拟定齿轮传动精度等级，
查课本表11-6 取齿宽系数

查课本表11-3 取载荷系数
K=1.2
T1=193500 N*m
小轮分度圆直径，由式6－5得

故=72.83mm
齿轮模数m
按表6.6圆整
小轮分度圆直径
标准中心距a
齿宽b
为保证齿轮强度
大轮齿宽
小轮齿宽 取 6

（3）齿根弯曲疲劳强度校核计算
齿形系数 查课本图11-8和图11-9拟定小齿轮的齿形系数

大齿轮齿形系数

校验小齿轮弯曲疲劳强度

故
大齿轮亦满足
（4）齿轮其他重要尺寸计算
大轮分度圆直径
根圆直径

顶圆直径

2、第二级齿轮参数设计
（1）选用齿轮材料，拟定许用应力
由表6.2选 小齿轮40CrMnMo 调质解决
大齿轮35SiMn 调质解决
接触强度最小安全系数=1.1
则
许用弯曲应力 由式6－12，
弯曲疲劳强度极限
查图6－7，双向传动乘0.7
弯曲强度最小安全系数=1.25

则

（2）齿面接触疲劳强度设计计算
拟定齿轮传动精度等级，查课本图11-8和图11-9拟定
查课本表11-6 取齿宽系数

查课本表11-3 取载荷系数
K=1.2
小轮分度圆直径，由式6－5得

故
小齿轮的齿数为27
则m=4.54按表6.6圆整
取m=5
小轮分度圆直径
标准中心距

齿宽b
大轮齿宽
小轮齿宽 取

（3）齿根弯曲疲劳强度校核计算
有式6－10
小齿轮的齿形系数
大齿轮的齿形系数
故

（4）齿轮其他重要尺寸计算
大轮分度圆直径
根圆直径

顶圆直径

综上 ，得三组齿轮的相关几何参数

高速级齿轮参数
第二级齿轮参数

4
5

92
135

420
455

256
295

80
122.5

408
442.5

100
145

428
465

90
116

84
110

.1

六、 轴系零件的设计计算
传动零件设计计算完毕后，就可算出作用于轴上载荷的大小，但由于轴支承位置未定，这些载荷相对于轴支承的作用位置也就无法拟定，这样，轴的支支反力无法求出，轴弯矩图无法拟定。为此，一方面要估算出轴的跨度和拟定轴上载荷的作用位置。
1、 I轴
（1）联轴器选择
，电机轴直径：，
所以，选择
（2）初步估算轴的直径
选取45钢作为轴的材料，调质解决
由式14-2 计算轴的最小直径并加大9%以考虑键槽的影响
查表8.6 取外伸轴C=110

取dmin =38mm
（3）轴的结构设计
1）拟定轴的结构方案 阶梯轴初步分为六段。

2）拟定各轴段直径和长度
[1]段 根据圆整，并由、和电动机转轴选择联轴器型号HL3联轴器，电机的轴径和联轴器的长度可取，,
[2]段 为使半联轴器定位，轴肩高度，孔倒角c取（GB6403.3-86）,且符合标准密封圈内径。取轴端盖宽度37mm，端盖外端面与半联轴器右端面30mm则,
[3]段 为便于装拆轴承内圈，且符合标准轴承内径。查GB/T283-93，暂选圆柱滚子轴承，新代号为N209E，,其宽度，轴承润滑方式选择：，选择脂润。轴承距箱体内壁距离，则。
[4]段 作为轴向固定齿轮，保证小齿轮在远离电机的一侧，在数据上没什么图书规定。在这里可取 ，
[5]段 由于本轴属于齿轮轴，长度为齿轮的轮毂宽度减2mm 高级小齿轮宽为90mm。 ，
[6]段 该轴段直径，与齿轮之间用轴套隔开轴宽为19mm，加之轴套长度18mm
（4）轴所受的力及受力分析（过程略）
2、 II轴
（1）计算作用在齿轮上的力
转矩

圆周力
径向力

(2)初步估算轴的直径
选取45号钢作为轴的材料，调质解决
由式8-2 计算轴的最小直径并加大9%以考虑键槽的影响
查表8.6 取A=115
取
(3)轴的结构设计
1）拟定轴的结构方案 初步分为五个轴段
2）拟定各轴段直径和长度
[1]段 根据轴承内径的标准，暂选圆柱滚子轴承（按）新代号为N311。，其宽度B=29mm。加上轴套长度12mm。共长。轴承润滑方式选择：
，选择脂润滑。
[2]段 作为轴向固定 轴径宜取，二级减速中的小齿轮宽度为116mm，所以此轴段长度应比齿轮宽度小2mm，故取。

[3]段 ，无特殊功用故可适当取值即可。在这里取，。

[4]段 该轴段固定一级减速中的大齿轮 ，大齿轮宽度为84mm，故该轴段长取。

[5]段 该轴段固定轴承，轴径，
（4）轴的强度校核过程略

3、 III轴
（1）计算作用在齿轮上的力
转矩
圆周力
径向力
（2）初步估算轴的直径
选取40Cr作为轴的材料，调质解决
由式8-2 计算轴的最小直径并加大5%以考虑键槽的影响
查表8.6 取C=100则
取
（3）轴的结构设计
1）拟定轴的结构方案初步分为7个轴段
如图5

2）拟定各轴段直径和长度
[1]段 该轴段用来固定轴承，轴径为 选用圆柱滚子轴承，新代号为N215，外径为130mm，宽度为37mm，加上轴向固定的轴套15mm，取
[2]段 该轴段为齿轮轴，上面固定二级减速中的大齿轮，大齿轮的宽度为110mm，故取,
[3]段 为增强轴的强度取 。
[4]段 该轴的重要作用是维持减速器在轴向方向上的长度一致。
[5]段 该轴段直径，所用轴承和第一周段相同，由于轴承宽度为37mm ，在这里取
[6]段 该轴段直径，

[7]段 该轴段为固定开式齿轮为保证能正常使用，取，足够长的轴段长度

（4）轴强度校核过程省略 。

以上轴的强度校核以省略，一方面，在选取轴径和材料的时候，已在很大限度上保存了余地。假如有爱好详见可参考《机械设计基础（第五版）》十四章第四节。

七、键的选择与强度验算
本次二级减速器中，每一根轴上都带有两个键，计算轴的最小直径时应当按7%-10%放大.其中第一根轴上一个连接联轴器，一个周向固定齿轮；第二根轴和第三根轴上的两个键均用来固定齿轮。
现将键所在的轴段的参数列出如下：

Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
连接联轴器
连接小齿轮
连接大齿轮
连接小齿轮
连接大齿轮
连接开式齿轮
轴段长L(mm)
82
88
82
114
107
107
轴径d（mm）
38
45
60
60
80
68

（1）选择键联接的类型和尺寸
一般8级以上精度的尺寸的齿轮有定心精度规定，应用平键。
①I轴与联轴器相连的键，由轴径选择键由式10-26挤压强度条件为
其中

由表10-10 查得
则满足强度规定。
Ⅰ轴上轴毂链接键，采用A型平键，取用A14×9×60

满足强度规定
②II轴与轮毂相连的键，由轴径选择键和键由式3-1挤压强度条件为
其中

由表10-10 查得

则 满足强度规定。
则 满足强度规定。

③III轴与二级减速中的大齿轮相连的键，由轴径选择A键和轴与轮毂相连的键，由轴径选择键由式3-1挤压强度条件为
其中

由于减速器的载荷稳定，可认为是静载荷作用取
则 满足强度规定。
则 满足强度规定。
轴弯扭校核之后又通过计算轴承强度从新选择了轴承,但轴承间距变化很小,并且轴的强度余量很大,故不须要重新校核。

八、轴承选择与寿命计算

1、轴承选择

Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
轴承代号
N209E
N311
N215
基本额定负荷/KN
58.2
93.2
84.8
极限转速/r*min-1
6300
4800
4000
外径D
82
120
130
宽度B
19
29
25

2、校核
使用公式进行校核，均满足寿命规定，校核过程略，详见课本《机械设计基础（第五版 ）》十六章第三节。

Ⅰ轴采用C12×8×60连接联轴器

Ⅰ轴采用A14×9×60进行轴毂连接

II轴用连接大齿轮，
用链接小齿轮

III轴上的键均可采用

九、联轴器的选择

类型选择:
选择HL型弹性柱销联轴器，按选取。
与I轴相连的联轴器型号HL3联轴器，公称扭矩为630Nm.

十、减速器的润滑与密封

该二级圆柱齿轮减速器，由于传动装置属于轻型的，且传速较低，所以其速度远远小于，所以采用脂润滑，箱体内选用SH0357-92中的50号润滑，装至规定高度.其中油的粘度大，化学合成油，润滑效果好。

密封性来讲为了保证机盖与机座联接处密封， 联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创，其表面粗度应为密封的表面要通过刮研。并且，凸缘联接螺柱之间的距离不宜太大，并匀均布置，保证部分面处的密封性。

十一、减速器的结构和附件设计

减速器的箱体采用铸造（HT150）制成，采用剖分式结构.
1. 机体有足够的刚度
在机体为加肋，外轮廓为长方形，增强了轴承座刚度。

2. 考虑到机体内零件的润滑，密封散热。
因其传动件速度小于12m/s，故采用侵油润油，同时为了避免油搅得沉渣溅起，齿顶到油池底面的距离H为50mm
为保证机盖与机座连接处密封，联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创，其表面粗糙度为6.3。

3. 机体结构有良好的工艺性.
铸件壁厚为8，圆角半径为R=3。机体外型简朴，拔模方便。

4. 对附件设计
A 视孔盖和窥视孔
在机盖顶部开有窥视孔，能看到 传动零件齿合区的位置，并有足够的空间，以便于能伸入进行操作，窥视孔有盖板，机体上开窥视孔与凸缘一块，有便于机械加工出支承盖板的表面并用垫片加强密封，盖板用铸铁制成，用M8螺钉紧固。
B 油螺塞：
放油孔位于油池最底处，并安排在减速器不与其他部件靠近的一侧，以便放油，放油孔用螺塞堵住，因此油孔处的机体外壁应凸起一块，由机械加工成螺塞头部的支承面，并加封油圈加以密封。
C 油标：
油标位在便于观测减速器油面及油面稳定之处。
油尺安顿的部位不能太低，以防油进入油尺座孔而溢出.
D 通气孔：
由于减速器运转时，机体内温度升高，气压增大，为便于排气，在机盖顶部的窥视孔改上安装通气器，以便达成体内为压力平衡。
E 启盖螺钉：
启盖螺钉上的螺纹长度要大于机盖联结凸缘的厚度。
钉杆端部要做成圆柱形，以免破坏螺纹。
F 定位销：
为保证剖分式机体的轴承座孔的加工及装配精度，在机体联结凸缘的长度方向各安装一圆锥定位销，以提高定位精度。
G 吊耳与吊钩：
在机盖上直接铸出吊耳和吊钩，用以起吊或搬运较重的物体。

减速器机体结构尺寸如下：
名称
符号
计算公式（mm）
结果（mm）
箱座壁厚

10
箱盖壁厚

10
箱盖凸缘厚度

15
箱座凸缘厚度

15
箱座底凸缘厚度

20
地脚螺钉直径

M22
地脚螺钉数目

查手册
4
轴承旁联接螺栓直径

M16
机盖与机座联接螺栓直径

=
M12
轴承端盖螺钉直径

=
M6
视孔盖螺钉直径

=
M8
定位销直径

=
9.5
，，至外机壁距离

查机械课程设计指导书
30
22
18
，,至凸缘边沿距离

查机械课程设计指导书
26
20
16
外机壁至轴承座端面距离

=+
40
大齿轮顶圆与内机壁距离

>
10
齿轮端面与内机壁距离

>
15
机座肋厚

8.5
轴承端盖外径

+
89（1轴）
150（2轴）
210（3轴）
轴承旁联结螺栓距离

189（1轴）
150（2轴）
210（3轴）

十二、设计小结

这次关于螺旋输送机上的两级展开式圆柱斜齿轮减速器的课程设计是我们真正理论联系实际、进一步了解设计概念和设计过程的实践考验，对于提高我们机械设计的综合素质大有用处。
机械设计是机械工业的基础,是一门综合性相称强的技术课程，它融《机械原理》、《机械设计》、《理论力学》、《材料力学》、《公差与配合》、《CAD实用软件》、《机械工程材料》、《机械设计手册》等于一体。
1. 这次的课程设计,对于培养我们理论联系实际的设计思想;训练综合运用机械设计和有关先修课程的理论,结合生产实际反系和解决工程实际问题的能力;巩固、加深和扩展有关机械设计方面的知识等方面有重要的作用。
2. 在这次的课程设计过程中,综合运用先修课程中所学的有关知识与技能,结合各个教学实践环节进行机械课程的设计,一方面,逐步提高了我们的理论水平、构思能力、工程洞察力和判断力,特别是提高了分析问题和解决问题的能力,为我们以后对专业产品和设备的设计打下了宽广而坚实的基础。
3. 本次设计得到了指导老师的细心帮助和支持。衷心的感谢老师的指导和帮助。
4. 设计中还存在不少缺陷，需要我继续努力学习和掌握有关机械设计的知识，继续培养设计习惯和思维从而提高设计实践操作能力。
回想起来，三周的时间不算长，但是它却使我了解了一些工厂设计的程序，以及设计人员设计的环节，使我学到了很多不曾想到的东西。当然这一切都离不开老师的指点，回想一下，三周前的我甚至连表都不会查，但是通过老师的知道帮助，使我在短短的三周里有了很大的提高，是我一生的财富。
当然在设计中也结识到了一些自己的局限性，对于标注件用的并不是很好，有很多东西都是有标准的，但是自己却不知道去用，并且自己有很多想当然的设计过程，也给自己带来了不小的麻烦，但这些教训都是我此后工作的经验，回想起来，多少个不眠之夜还是值得的。

十三、参考文献

[1].程志红主编。机械设计。南京：东南大学出版社 ，2023
[2].程志红、唐大放主编。机械设计课程上机与设计。南京：东南大学出版社，2023
[3].朱龙根主编。简明机械零件设计手册（第二版）。北京：机械工业出版社，2023
[4].李爱军，曾维鑫主编。画法几何及机械制图。徐州：中国矿业大学出版社，2023
[5].甘永立主编。几何量公差与检测（第七版）上海：上海科学技术出版社，2023.7
其他有关数据见装配图的明细表和手册中的有关数据。