机械设计课程设计垂直升降货梯动力系统设计.doc

机械设计课程设计
计算说明书

垂直升降货梯动力系统设计

学院：工程学院
专业：机械设计制造及其自动化
班级： 10机械4
姓名：
学号：*
指导老师：张建

目录
一、 前言…………………………..………………………..…3
二、 设计任务书…………………………..…………………4
三、 传动方案的分析和拟定…………………………..….5
四、 电动机的选择…………………………..………………6
五、 传动装置运动和动力参数计算……………………..8
六、 带传动设计计算…………………………..……………10
七、 传动零件设计计算…………………………..………...12
八、 轴的设计计算…………………………..………………19
九、 减速器箱体的设计…………………………..……...30
十、 减速器的润滑方式密封类型的选择………….30
十一、 设计总结………………………………………….31

一、前言
以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货品。踏步板装在履带上连续运营，俗称自动电梯。 服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运营在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货品。
曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达成运送目的。固定在轿厢上的导靴可以沿着安装在建筑物井道墙体上的固定导轨往复升降运动，防止轿厢在运营中偏斜或摆动。常闭块式制动器在电动机工作时松闸，使电梯运转，在失电情况下制动，使轿厢停止升降，并在指定层站上维持其静止状态，供人员和货品出入。轿厢是运载乘客或其他载荷的箱体部件，对重用来平衡轿厢载荷、减少电动机功率。补偿装置用来补偿曳引绳运动中的张力和重量变化，使曳引电动机负载稳定，轿厢得以准确停靠。电气系统实现对电梯运动的控制，同时完毕选层、平层、测速、照明工作。指示呼喊系统随时显示轿厢的运动方向和所在楼层位置。安全装置保证电梯运营安全。
按速度可分低速电梯（1米/秒以下）、快速电梯(1～2米/秒)和高速电梯(2米/秒以上)。19世纪中期开始采用液压电梯，至今仍在低层建筑物上应用。1852年，美国的伊莱莎.格雷夫斯.奥的斯研制出带有安全制动装置的升降机。本次设计的电梯重要是为家庭使用的货梯，具有载重量小，速度慢的特点。

系统布置总图如下：

三、 传动装置总体设计方案：
1、 组成：传动装置由电动机、减速器、工作机组成。
2、 特点：齿轮相对于轴承不对称分布，故沿轴向载荷分布不均匀，规定轴有较大的刚度。
3、 拟定传动方案：考虑到电动机转速高，传动功率大，将V带设立在高速级，其传动方案如下：

图1-1 传动装置总体设计图（Ⅳ轴上的卷筒为电梯的曳引轮）
选择V带传动和二级圆柱斜齿轮减速器。
钢丝绳直径的选择
钢丝绳的允许拉力，按下列公式计算：

式中 ——钢丝绳的允许拉力（kN）；
Fg——钢丝绳的钢丝破断拉力总和（kN）；
a——换算系数
K——钢丝绳的安全系
选用6×19的钢丝绳，则式中的[Fg]=9.8kN，查表得a=0.85；K=5~6，取6，所以，查机械设计手册，选择直径为12mm的钢丝绳
卷筒直径计算
卷筒直径一般为钢丝绳直径的40倍以上，所以卷筒直径D=40d=40×12mm=480mm，选用500mm的卷筒。
四、 电动机的选择
1、选择电动机类型
按工作规定和条件，选用Y型三相笼型异步电动机，封闭式结构，电压380V。
2、选择电动机容量
电动机所需工作功率按式
kw （1）
kw （2）
因此
kw
由电动机至卷筒的传动总效率为

式中取=0.97，=0.99（滚动轴承）；=0.98；=0.99（齿轮联轴器）；=0.96，则=0.97×0.994×0.982×0.99×0.96=0.85

3、拟定电动机转速
卷筒轴工作转速为

按推荐的传动比合理范围，取V带传动的传动比,二级圆柱齿轮减速器传动比，则总传动比合理范围为，故电动机转速的可选范围为

符合这一范围的同步转速有750、1000和1500。
查相关手册后，选定电动机型号为Y160L-4，15kw，1500
电动机重要外形和安装尺寸列于下表：

中心高
H
外形尺寸
L×（AC/2+AD）×HD
底脚安装尺寸
A×B
地脚螺栓孔直径
K
轴伸尺寸
D×E
装键部位尺寸
F×G
160
650×432.5×385
254×254
15
42×110
12×37

4、拟定传动装置的总传动比和分派传动比
1、 总传动比

2、 分派传动装置传动比
由式

式中0、分别为带传动和减速器的传动比。
为使V带传动外廓尺寸不致过大，初步取0=2.9，则减速器传动比为：

5、分派减速器的各级传动比
按展开式布置，考虑润滑条件，可由图查得=4.3，则2=/1=13.54/4.3=3.15。
五、计算传动装置的运动和动力参数
1、各轴转速

2、各轴输入功率：
kW
kW
kW
kW
各轴的输出功率：
kW
kW
kW
kW
各轴输入转矩：

各轴输出转矩：

运动和动力参数计算结果整理于下表：
轴名
效率/kW
转矩/N·m
转速n/r·min-1
传动比
效率
输入
输出
输入
输出
电动机轴

11.53

71.93
1500
2.9
0.97
Ⅰ轴
11.18
10.96
206.42
202.29
517.24
4.3
0.98
Ⅱ轴
10.85
10.63
861.40
843.88
120.29
3.15
0.98
Ⅲ轴
10.53
10.32
2633.19
2580.53
38.19

1.00
0.96
卷筒轴
10.32
10.11
2580.68
2529.07
38.19

六、 设计V带和带轮
1、拟定计算功率
由表8-7查得工作情况系数=1.2，故

2、选择V带的带型
根据、nm由图8-11选用B型。
3、拟定带轮的基准直径dd1并验算带速
1）拟定带轮的基准直径dd1.由表8-6和表8-8，取小带轮的基准直径dd1=160mm。
2）验算带速。按公式（8-13）验算带的速度

满足，故带速合适。
3）计算大带轮的基准直径。根据式（8-15a），计算大带轮的基准直径

根据表8-8，圆整为=500mm。
拟定V带的中心距a和基准长度Ld
1） 根据式（8-20），初定中心距a0=500mm.
2） 由式（8-22）计算带所需的基准长度

由表8-2选带的基准长度=2240mm。
3） 按式（8-23）计算实际中心距a。

中心距的变化范围为539.14~639.94mm。
验算小带轮上的包角α1

计算带的根数z
由dd1=160mm和n1=1500r/min，查表8-4a得P0=3.62kW。
根据n1=1500r/min，=2.9和B型带，查表8-4b得△P0=0.46kW。
查表8-5得，表8-2得，于是
=
取5根。
计算单根V带的初拉力的最小值（F0）min
由表8-3得B型带的单位长度质量q=0.18kg/m，所以
应使带的实际初拉力F0＞（F0）min。
计算压轴力Fp
压轴力的最小值为

七、 齿轮的设计
l 高速轴齿轮的设计
1.选材，精度等级及齿数
1）升降机为一般工作机器，速度不高，故精度等级选7级精度。
2）由课本表10-1可得：选小齿轮：40Cr，调质解决，；选大齿轮：45钢，调质解决，,两者材料硬度差为40HBS。
3）选择小齿轮的齿数，大齿轮齿数，取
4）选取螺旋角。螺旋角范围8~20,初选螺旋角=15

2、按齿面接触强度设计

（1）拟定公式内的各计算数值
1） 试选载荷系数
2） 转矩=
3） 由图10-30，选取区域系数=2.425
由图10-26得，，，则

4） 查有文献1表10-7选取齿宽系数
5） 由文献1表10-6可得材料的弹性影响系数
6） 由文献1图10-21d小齿轮的接触疲劳强度极限；大 齿轮的接触疲劳强度极限。

7） 计算应力循环次数。

8） 由图10-19，根据N，取接触疲劳寿命系数。

9） 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）试计算小齿轮分度圆直径，由计算公式得

2）计算圆周速度。

3） 计算齿宽b及模数

4) 计算纵向重合度

5） 计算载荷系数K
使用系数
根据v=1.87m/s，7级精度,由图10-8可得动载系数
由表10-4用插值法查得7级精度、小齿轮相对支撑非对称布置时，
查图10-13得
由表10-3查得
故载荷系数:

6） 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式 （10-10a）得

7）计算模数

3.按齿根弯曲强度计算
由式（10-17）

⑴ 拟定公式内各计算数值
1）计算载荷系数K

2）根据纵向重合度，从图10-28查得螺旋角影响系数
3） 计算当量齿数

4）查询齿形系数。
由表10-5查得 ；
5）查取应力校正系数。
由表10-5查得 ；
6）由图10-20c查得弯曲疲劳强度极限：
小齿轮 大齿轮
由图10-18得弯曲疲劳寿命系数:

7）计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数

8）计算大小齿轮的 ，并加以比较

故，大齿轮的数值大。

（2） 设计计算

对比计算结果，由于齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯疲劳强度计算的法面模数，按GB/T1357-1987圆整为标准模数,取，此时能满足齿根弯疲劳强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径 ，算出满足条件的齿数

取，则。

4、几何尺寸计算
（1） 计算中心距

将中心距调整为
（2） 按圆整后的中心距修正螺旋角

因值改变不多，故参数，，等不必修正。

（3） 计算大，小齿轮的分度圆直径

（4） 计算齿轮宽度

圆整后取
（5）结构设计
以大齿轮为例。因齿轮齿顶圆直径大于160mm，而又小于500mm，故选用腹板式结构的齿轮。

l 低速轴齿轮的设计
1、选材，精度等级及齿数
（1） 材料
1）选小齿轮：40Cr，调质解决，
选大齿轮：45钢，调质解决，
2） 精度等级选7级精度,齿根喷丸强化
3） 选择小齿轮的齿数，大齿轮齿数，取
初选螺旋角=15

2、按齿面接触强度设计

（1）拟定公式内的各计算数值
1） 试选载荷系数=1.6
2） 转矩
3） 选取区域系数=2.425 ，查图10-26得
，

4） 选取齿宽系数
材料的弹性影响系数
5） 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。

7） 由图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，有文献1式（10-12）得
；

（2） 计算
试计算小齿轮分度圆直径，

2) 计算圆周速度。

计算齿宽b及模数
mm

4) 计算纵向重合度

5） 计算载荷系数K
使用系数=1,
根据,7级精度,由图10-8可得动载系数
由表10-4得
由图10-13得
由表10-3查得
故载荷系数:
6） 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（10-10a） 得

7）计算模数m

3.按齿根弯曲强度计算
由（10-17）
≥

⑴ 拟定公式内各计算数值
1）计算载荷系数K

2）根据纵向重合度，从图10-28查得螺旋角影响系数
3） 计算当量齿数

4）查询齿形系数。
由表10-5查得 ；
5）查取应力校正系数。
由表10-5查得 ；
6）由图10-20c查得弯曲疲劳强度极限：
小齿轮 大齿轮
由图10-18得弯曲疲劳寿命系数:

7）计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数

8）计算大小齿轮的 ，并加以比较

故，大齿轮的数值大。

（2） 设计计算

对比计算结果，由于齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯疲劳强度计算的法面模数，按GB/T1357-1987圆整为标准模数,取，此时能满足齿根弯疲劳强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需要按接触疲劳强度算得的分度圆直径 ，算出满足条件的齿数

取 则,取
4、几何尺寸计算
（1） 计算中心距
计算中心距
将中心距调整为
（2） 按圆整后的中心距修正螺旋角

因值改变不多，故参数，，等不必修正。
（3） 计算大，小齿轮的分度圆直径

（4） 计算齿轮宽度

圆整后取
（5）结构设计
以大齿轮为例，因齿轮齿顶圆直径大于160mm，而又小于500mm，故选用腹板式结构的齿轮。

八、滚动轴承和传动轴的设计
A． 轴Ⅰ的设计
1. 已知传动功率，转速，传动力矩
2. 求作用在齿轮上的力。
已知齿轮直径d＝72.6mm，
则

3. 初步拟定最小直径。
选取轴的材料为45钢，调质解决，查课本P370表15－3，取，
则
4. 轴的结构设计
（1） 根据轴上零件的装配方案，设定轴的结构如图所示。

（2） 根据轴向定位规定拟定轴各段直径和长度
1） 由于高速轴第一段轴径装大带轮，又d，由于装小带轮的电动机轴径d1=42mm，所以取大带轮孔径d=45mm则，查课本P160图8－14，经验公式，，取
2） 大带轮靠轴肩定位，所以，为了避免大带轮与机箱碰撞而轴承端盖总宽度为20mm，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的规定，取端盖的外端面与带轮右端面间的距离为l=30mm取。
3） 3段装轴承，由于轴承同时受径向力和轴向力的作用，故选单列圆锥棍子轴承，选取轴承型号32023。其尺寸为、B=21、＝21、d 故，取
段为过渡段 。
4） 右端轴承采用套筒为齿轮定位，
5） 6段装齿轮，此时齿宽为80mm。，，段为齿轮的轴肩定位，轴肩高度h>0.07d，取h=6mm，，。
6）拟定轴上的圆角和倒角。轴的左端倒角取，其他的为2.045
（3） 求轴上的载荷。取齿轮距箱体内壁之距离a=16mm，齿轮间的距离c=20mm，考虑到箱体的铸造误差，在拟定滚动轴承位置时，应距箱体内壁一段距离s，取s=8mm，已知滚动轴承宽度T=22.75mm，小齿轮宽度B3=130mm，则

因此，作为简支梁的轴支承跨距，,。
求作用在齿轮上的力，其中。

由此前已知，带轮上的压轴力
1) 求水平方向上的支承反力

水平面内的弯矩

2) 求垂直面内的支承反力

垂直面内的弯矩

3) 总弯矩图。

（4）校核轴的强度。进行校核时，只校核危险截面，由弯矩图可知，危险截面位于总弯矩最大截面处。查课本P373，取。抗弯截面系数
许用弯曲应力

该轴是安全的，满足使用规定。
3 键的设计与校核
根据 1段轴颈
选用A型圆头普通平键，尺寸；
轴和键的材料都是钢，查课本P106表6－2，，取。键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度，根据课本P106式6－1，，可见，键是安全的。

B． 轴Ⅱ的设计
1. 已知传动功率，转速，传动转矩
2. 求作用在齿轮上的力。
已知大小齿轮上的分度圆直径

则

3. 初步拟定最小直径。选取轴的材料为45钢，调质解决，查课本P370表15－3，取Ao＝120，则
4. 轴的结构设计
（1） 装配方案如图所示

（2） 根据轴向定位规定拟定轴各段直径和长度
1） 1、5段装轴承，由于轴承同时受径向力和轴向力的作用，故选单列圆锥棍子轴承，选取30211。其尺寸为、B=21、
a＝21、d，故，
2） 取安装齿轮处的轴段齿轮， ＝＝64mm，两齿轮均一套筒定位，两齿轮的宽度，，此段轴长应略小于齿宽，取，L，轴承距箱体内壁一段距离s，取s=8mm，两个齿轮间距离c=20mm取齿轮距箱体内壁之距离a=16mm，

齿轮另一端采用轴肩定位，取。
拟定圆角和倒角。所有的圆角均为
求轴上的载荷
根据以上设计，画轴的计算简图。
则简支梁的轴支承跨距得
水平面支反力：

垂直面支反力：

弯矩M：

总弯矩：

求危险截面的当量弯矩
可见，总弯矩的为危险截面，
扭转应力为脉动循环应力，取
抗弯截面系数
的许用弯曲应力

该轴是安全的，满足使用规定。

3 键的设计与校核
根据 2段轴颈
选用A型圆头普通平键，尺寸；
查课本， 取，
键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度，根据课本P106式6－1，，
4段轴颈
选用A型圆头普通平键，尺寸；
查课本， 取，
键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度，根据课本P106式6－1，，可见，键是安全的。
C． 轴Ⅲ的设计
1. 已知传递功率，转速，传递转矩。
2. 求作用在大齿轮上的力。已知齿轮分度圆直径，
则，，
3. 拟定最小直径。选取轴的材料为45钢，调质解决，。
4. 轴的结构设计
（1） 装配方案如图

（2） 根据轴向定位规定拟定各段轴径及长度
轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径，为了使所选用的轴的直径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，查表选取KA=2.3，则：

按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查零件手册后，选用HL7型鼓形齿式联轴器，其公称转矩为6300N·m。半联轴器的孔径d1=80mm，故取，半联轴器长度L=172mm，所以取。则，左端用轴端档圈定位，按轴端直径取挡圈直径D=100mm。
轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的规定，取端盖的外端面与联轴器右端面间的距离为l=30mm，故取=50mm。
3段装配轴承，由上述计算，选取30318轴承，其尺寸为
，B＝43mm，，a=37.5mm
取，。
4段为过渡段，取。
5段为定位齿轮的轴肩，6段装齿轮，齿轮的齿宽
取。取轴肩高度h=6mm，因此，轴环宽度，取。由于齿轮距箱体内壁之距离a=16mm，齿轮间的距离c=20mm，轴承距箱体内壁额距离s，取s=8mm，已知大齿轮宽度B2=75mm，大小齿轮之间的宽度差为5mm则

轴端倒角，查课本P365，取其余圆角为。
（3） 求轴上的载荷
根据
作用在4齿轮上的力

1） 水平面支反力：

2）垂直面支反力：

弯矩M：

总弯矩：

（4）危险截面的校核
可知，总弯矩截面为危险截面，
扭转应力为脉动循环应力，取
抗弯截面系数
45号钢的许用弯曲应力

该轴是安全的，满足使用规定。
（5）键的选择与校核
1）根据 1段轴颈
选用A型圆头普通平键，尺寸；
键的强度计算公式 ，k=0.5h=7mm，l=L-b=118mm，
取，

2）根据 6段轴颈
选用A型圆头普通平键，尺寸；
键的强度计算公式
有轻微冲击，取，

以上两键均满足强度规定

九、箱体结构的设计
名称
符号
减速器型式及尺寸关系mm
机座壁厚
δ
8
机盖壁厚
δ1
8
机座凸缘壁厚
b
12
机盖凸缘厚度
b1
12
机座底凸缘厚度
b2
20
地脚螺钉直径
df
20
地脚螺钉数目
n
6
轴承旁联接螺栓直径
d1
16
机盖与机座联接螺栓直径
d2
12
联接螺栓d2的间距
l
180
轴承端盖螺钉直径
d3
8
窥视孔盖螺钉直径
d4
8
定位销直径
d
10
df、d1、d2至外机壁距离
c1
22
df、d2至凸缘边沿距离
c2
20
轴承旁凸台半径
R1
24
凸台高度
h
40
外机壁至轴承座端面距离
l1
50
大齿轮顶圆与内机壁距离
△1
10
齿轮端面与内机壁距离
△2
16
机盖、机座肋厚
m1、m
m1 ≈7、m≈7
轴承端盖外径
D2
135、247.5
轴承端盖凸缘厚度
t
11
轴承旁联接螺栓距离
s
151
十、润滑密封设计
由于传动装置属于轻型的，且传速较低，所以轴承采用脂润滑，选用GB/T 7324-1987中的1号润滑。齿轮用油润滑，选用GB/T 443-1989中的L-AN32润滑油。

十一、设计总结
这次设计二级斜齿圆柱齿轮减速器的设计是理论知识与实际的结合，让我理解了减速器的工作原理和功用，对提高我们的综合能力有着很大的帮助。通过这次课程设计，我们巩固了理论知识，同时加强了动手能力。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。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，为我们以后的工作打下基础。由于水平有限，设计中还存在不少错误和缺陷，希望老师指点。