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多层建筑的小型电梯设计摘要随着经济建设的高速发展，城市建设更是日新月异，各类高层建筑更是拔地而起。但是我国大多数七、八层的居民楼都没有安装电梯，给居住在高层楼的人们的生活带来了不便。本设计的目的是设计出一种新型电梯，它可安装在建筑物的内部，以经济适用、造型美观、节能先进为目标，作为现有七、八层建筑物改造的工程项目来实施，以解决居住在高层楼的人们的生活的不便。考虑到安装,制造,施工等多方面因素。改变传统客梯的传动方式,采用齿轮齿条传动方式, 在墙体上固定导轨和安装齿条，在轿厢上安装齿轮，由电动机带动齿轮旋转，变转动为直线运动，实现轿厢的上下运行。电梯的导轨采用H型型钢，型钢的一侧翼缘固定在建筑物上，另一侧翼缘作为导向轮的轨道。电梯采用性价比比较合理的PLC控制，实现楼层指示、厅外召唤、轿厢开关门、电梯定向选层、电梯的启动、电梯的加速、电梯的稳速运行、到站减速、平层停车功能。电梯的门为中分式，采用自动开门机构。安装电梯需要对建筑物进行改造，在每两层楼之间的平台处设置电梯的出入。关键词 电梯/齿轮齿条/plc控制/H型导轨 Multi-storey building on a small elevator design ABSTRACTWith the rapid development of economic construction, urban construction is changing, all kinds of high-rise building is erected. However, the majority of our seven, eight-story residential buildings are not elevators, to live in the top floor of the lives of people inconvenienced. The purpose of this design is to design a new type of elevator, it can be installed in the interior of the building to affordable, attractive appearance, advanced energy-saving goal, as the existing seven, eight-story building renovation projects to be implemented to living in high-rise buildings to solve peoples lives for the inconvenience.Consideration to the installation, manufacturing, construction and other factors. The drive to change the traditional way of passenger elevators, the use of rack and pinion transmission, on the wall and installation of fixed rail rack, install the gear in the car, driven by a motor gear rotation, and change rotation to linear motion, to achieve the cars running up and down. Elevator guide rail by H-section steel, steel flange fixed to the side of the building, on the other flank as a guide round the track edge. Elevator PLC with a more reasonable cost control, to achieve level information, hall calls, car door switch, elevator directional selection layer, the elevator starts, the acceleration of the elevator, the elevator steady speed operation, the station slow down, stop leveling function. Elevator door is in the fractions, with automatic door bodies. Installation of lifts required to transform the building, two floors in between each platform and out of the elevator at the set.KEY WORDS lift , rack and pinion ,PLC control , H-rail1 绪 论1.1 前言通过前几年的学习，基本上完成了本科阶段要求的学习任务，掌握了分析和解决问的基本方法、思路。但是要把这些知识运用到实际的工作中，还需要对所学到的知识加以综合，学会用理论知识解决实际工程问题，培养解决实际问题的思维和能力。按照教学大纲的要求，在四年级进行毕业设计，对所学知识进行加以综合利用，这是检验学习成果的有效途径。因此，我们努力做好毕业设计是十分必要和必须的。在学院的统一部署下，在2011年，进行毕业设计选题。结合自己的知识水平和兴趣爱好，选择这个贴近工程实际的项目，相信在老师的悉心指导和同组者的合作下，一定能圆满完成设计任务，提高自己的理论联系实际的能力，达到学以致用的目的。在设计前期，我们进行了许多调查和查阅了很多资料，了解了多层建筑的小型电梯的使用功能、工作性能。通过调查解了电梯的发展历史和我国现阶段的电梯行业发展情况，对未来的市场发展前景有了较深入的了解。认为本项目是一个非常有研究意义的课题。如果，通过我们的努力，能够设计出性价比比较合理的电梯，解决人们日常生活中一个难题。这对我们的四年的学习是一个肯定，同时也将激励我们学习的热情，增强我们探索问题、解决困难的决心和勇气。通过毕业设计指导老师的介绍，我们项目组基本上对课题有了一定的了解，按照一般工程设计步骤和设计方法，我们开展了设计前期的调研工作，展开了资料收集和前提的准备工作。经过几周的收集，掌握了与本次设计有关的相关资料、论文、与设计有关的各种参数，如建筑标准和特种起重设备的安全标准。依照设计任务要求，选用计算计作为设计的主要工具，使用AUTOCAD,SOLIDWROKS等设计软件。1.2 课题的背景随着我国经济的发展,人们的生活水平不断的提高。随着小康水平的不断深入,人们已不满足衣食住行的简单要求,追求方便快捷的生活方式。关于住宅方面,人们对现有住宅楼的设施要求越来越高,特别是老式多层楼房以及现在正在兴建的商品房都没有安装电梯,居住在这些楼房里的居民对电梯的需求越来越强烈。居住在高层的居民在日常生活中搬运物品，上、下楼都非常不方便。尤其是住宅在这些楼房里的老年人就有更大的困难。 作为我国经济发展水平较高的上海市, 已经出现了居住于高层建筑，上、下楼梯难的问题。这些问题引起了上海市政府的关注,加紧对没有电梯的高层住宅楼进行改造，实施了“平改坡”综合改造项目。首次在上世纪80年代建造的多层老公房加装通用电梯。施工人员按照设计要求，在楼房四周打桩加固，再在房子外面加钢网固定提高了抗振负荷等级，然后顶上加一层楼，并在楼房的北立面装上小型电梯。此项目在多方面的联动配合下，为全国范围解决多层加装电梯树立了榜样，社会的反映强烈1。为了解决住居于高层楼房居民上、下楼难，安装普通电梯造价高，以及未预留井道楼房施工难等问题，本次设计力争在解决这些问题上有所突破，设计出轻巧别致，美观实用，安全可靠，价格低廉的新型电梯，解决人们生活中一个难题。通过前期资料查询，我们对电梯各个历史时期的发展有一定的了解。升降梯的历史可以追溯到公元前,远在公元前2000年,我国就发明并使用于“轱辘”人力升降机,目前这类设施在有的地方还被用于汲水灌溉。春秋战国时期,一种叫“巢车”的带有轿厢由人力牵动的升降机被用于战场上观察敌情。公元前253年,古希腊著名科学家阿基米德首先制成具有绳和滚轮的升降机械，这种升降机械借助人力、畜力或水力驱动，达到升降的目的。随后的很长时间,这种升降机械的结构上变化不大。瓦特发明蒸汽机后,人们尝试用蒸汽机来驱动升降梯。1859年，美国研制出以蒸汽为动力并通过皮带传动和蜗轮减速装置驱动的升降梯。1845年,汤姆逊发明第一台液压升降机。这段时间里，出现了水压梯、液压梯，它们的应用较广泛2。19世纪末发明的交流电动机,为电梯的动力来源提供了一条新途径,并最终促使电梯蓬勃发展。出现了使用交流异步单速和双速电动机作为动力的交流电梯,特别是双速电梯的出现,显著改变了电梯工作性能。在20世纪初,美国奥的斯公司首先使用直流电动机为动力,生产出槽轮式驱动的直流电梯，从而为今天的高速度,高行程电梯的发展奠定了基础。但电梯真正迅速发展是最近一百年的事。随着电动机技术的提高,微电子技术和控制技术的发展，各种新颖机电产品的出现,电梯技术才日益趋向成熟。一个多世纪以来,人类社会进入了高度发展的阶段,都市化步伐日益加快,大量人口居住在面积有限的城市里,因此对居住面积，办公室和活动场所等空间的需要提出了日益增长的要求。这就推动了建筑业特别是高层建筑业的蓬勃发展。建筑业的发展带动了电梯的广泛应用。在现代社会中,电梯已经成为商场、宾馆、公寓楼等各类建筑中必备的垂直交通工具。广阔的市场和成熟的配套技术为电梯的发展提供了条件。在我国，由于经济的迅速发展，人们生活水平的提高，电梯使用频率越来越高。1991年全国年产量为1.2万多台；1992年突破1.5万台,产量增长33%。通过这些数字，我们不难看出，我国的电梯行业发展正式步入了正轨，进入了蓬勃发展的新时期。另外，由于人口数量的增加，居民的人均占地面积减少，住宅楼逐渐向高层发展，现在房地产开发商所开发的商品房大多数六、七层高，高层建筑物越来越多，而这些新开发的楼房上都没有安装电梯，居住在高层的居民生活都有许多不便，要求安装电梯。我们所设计的小型电梯，这是顺应时代发展要求。相信我们的设计，能帮助人们解决生活的难题，提高人们的生活水平，为建造和谐的小康社会贡献自己的力量。通过对电梯发展历史的了解，我们可以更加深刻的把握这个行业的发展状况。从各个时期电梯的发展情况，可以见证各个历史时期的科学水平，尤其是第三次科技革命以来，科学技术有了突飞猛进的发展。科学技术与人们的生活联系日益紧密，它改变了人们的生活，让我们的生活舒适，轻松。各个时期的电梯的所采用的控制技术越来越先进，功能日益完善。对于未来电梯的发展，必须具有以下几个优点：第一， 无机房；第二， 结构简单、可靠安全；第三， 节能高效、无污染。除了以上几点，电梯要求环保：当今世界非常清晰地认识到生存与发展的关系：环保就无法生存，没有生存就根本谈不上发展。绿色理念在全球已经深入人心，我们所设计的电梯一定要考虑环保的设计理念，保证所设计的小型电梯低能耗，低噪声，无油漏，无水漏，无电磁干扰，无油渍污染3。1.1.3 项目的前景分析据统计资料，我国大约有3亿人居住在城市。他们住居的楼房基本上都没有安装电梯，再考虑到各个城市的消费水平，在大、中型城市的居民都需要现粗略计算这种小型电梯的需求量。假设每200人需要电梯一部，则约需要15万部电梯的。本次设计的电梯也可以安装在其他建筑物上，由此推断，本项目的需求市场很大。为了便于电梯使用时的管理，可以安装电梯使用记费系统，所有的乘客必须刷卡乘坐电梯。这样，方便了小区物主对电梯使用的管理，既节省了管理上的资金，有给业主的使用带来了很多方便。2 方案的论证与选择2.1 传动方案的选择最早的垂直运输电梯采用卷轮结构，称为鼓轮式电梯。这种电梯在使用上很不安全。当电梯上下行程控制元件失灵，超越顶层的极限位置接近楼板时，钢丝绳继续被鼓轮卷绕，轿厢会撞击楼板，以致钢丝绳被拉断，轿厢从最高处自由落下，引起重大事故。为解决这种电梯的缺点，人们将电梯从卷扬结构变为曳引结构，大轮称为曳引轮，被曳引电动机拖动旋转。这种设计方式避免对重与轿厢相互碰撞。连接轿厢于对重是钢丝绳，称为曳引钢绳，这种曳引方法的特点是：当轿厢运行至顶层时，对重处于底层；轿厢运行至底层时，对重处于顶层，若电梯曳引电机失控，向上、下极限位置运行时，对重或轿厢将达到地坑地面，然后曳引钢丝绳开始打滑，不会出现钢丝绳被拉断的事故。同时，由于曳引电机钢绳不在鼓轮上缠绕，可以方便D增加钢丝绳的根数，电梯曳引方式的改变大大提高了电梯的安全性4。电梯作为一种运输机械，它要求其传动装置能满足大距离在垂直方向上运动，并且有较高的传动精度和传动效率，通过对各种能实现上、下运动的机构进行，主要有以下几种：第一；钢丝绳式：通过钢丝绳的拽引轿厢，实现轿厢的升降。第二；液压、气压式：向液压（气压）缸中输入液压油（气体），使活塞实现升缩，把活塞的末端与轿厢连接，实现轿厢的升降。第三；齿轮齿条式：固定导向轨道和安装齿条，在轿厢上安装齿轮，由电动机带动齿轮旋转，变转动为直线运动，从而达到轿厢上下运行的目的。第四；螺杆式：把大螺母与轿厢想连接，螺杆垂直布置，通过电动机带动杆旋转，由于螺杆螺母间有螺旋角，把螺杆的转动变成螺母的上下运动，从而使与螺母连接在一起的轿厢上下运动5。本项目所研究的电梯主要安装于已经建成的房屋,这些房屋一般都没有预留安装电梯的机房,为这些房子设计电梯,既需要考虑各种传动方式的优缺点，又要考虑把这些传动方式合理地与建筑物连接起来，要求对建筑不能有较大的改造施工。既要考虑其实用性和安装的问题。通过现场参观各种居民楼房的建筑布局,发现步行楼梯的布置位置主要有图2-1所示的两种：图2-1 建筑物楼梯布置形式图2-1 建筑物楼梯布置形式我国现有的居民楼的步行楼梯的布置方式，主要有以上两种。对于这两种形式的楼房，在其步行梯的墙面上安装电梯，主要考虑因素有以下几点：第一；电梯的安装位置是否影响步行楼梯的正常使用；第二；电梯安装运行后，是否对建筑物的墙体结构的受力状况有影响；第三；安装的电梯与的搭配是否和谐。如果要在楼房的其他位置安装电梯，对建筑物的施工工程量较大。按照现行的电梯安装情况，大多建筑物在安装电梯前就预留井道。如果对已经建成的楼房增加井道，这将增加施工成本。通过查阅相关资料，和请教有实际工程经验的工人师傅，认为比较合理的安装位置为图2-1所示的AB电梯的安装在步行电梯的一侧，把电梯的入口设置在一楼和二楼之间的平台处，在每两层之间的平台设置出入口，居住在各层的居民上下半层就可以方便乘坐电梯。拟定电梯安装位置后，选用合适的驱动方式。图2-2所示驱动方式，都只适合在预留井道的前提下安装电梯，它们只适合于安装于建筑物的内部。如果不进行较大规模的土建施工，不能采用这几种传动方式应用于实际工程中。如果采用螺杆式，这种传动方式要求把大螺母与轿厢连接起来，螺母与一根竖直的螺杆相配合，螺杆的轴线平行与墙的表面。工作时，电动机通过一套传动系统，带动螺杆的旋转，由于螺旋副的特点，螺母就沿螺杆轴线方向运动，带动轿厢上下运动，达到上下运送货物或人的目的。建筑施工时，必然要求在安装电梯的墙壁一侧建立地基，把螺杆竖直安装，并且螺杆的垂直度要求较高。如果从建筑物上引出拉杆，保证螺杆的竖直，这种方式可以满足螺杆垂直度要求。但是，这种方式影响曳引式 液压式 油压间接式 图2-2 常用电梯的驱动形式了轿厢的上下运行。如果采用其他方式固定螺杆工程造价会很高，再加上螺旋副制造难度较大，加工成本高。选用此传动方案，工程造价高，不适合用来做较大距离的传动。通过各种方案的比较，综合考虑使用性和经济性能，拟用齿轮齿条传动方式。采用齿轮齿条传动，齿条固定在建筑物上，齿轮安装在轿厢上，电动机带动齿轮旋转，变转动为直线运动，从而达到轿厢上下运行的目的。所设计的传动系统如图2-3所示：根据电梯的使用条件，以及电梯的起升高度较低等特点，轿厢的额定运行速度过高将会产生振动、噪音。参考采用齿轮齿条传动的施工电梯的设计，我们初定电梯的运行速度为。2.2 控制方案的选择2.2.1 电梯控制方式的选择电梯之所以能够实现多种功能，例如：楼层指示、厅外召唤、轿厢开关门、轿厢内指令登记、电梯定向选层、电梯的启、加速、稳速运行、到站减速、平层停车等：其功能主要由控制系统的控制来实现的。电梯的控制系统主要有继电器控制、可编程序控制、单片微机控制、多微机控制等几种形式。通过寻问相关技术人员，各种形式控制系统的价格相差很大，考虑到本设计的电梯功能简单，停靠站数少，采用性价比比较合理的可编程控制，所设计的电梯主要满足以下功能，电梯的定向、选层功能：乘客进入电梯按下要到达的层站指令按钮后，电梯应首先确定运行的方向，由于电梯运行时要应答轿内和厅外的许多指令召唤，确定首先在哪个层站减速停车；电梯的换速功能：电梯在到达目的的层站前，接受到换速信号，电梯开始减速运行；平层控制功能：电梯减速到达目的层站开门区时要求平稳准准确停靠，并且达到一定的平层精度；检修运行功能：为变于检修和维护，应在轿厢顶部装一个易于接近的控制装置，当电梯一经进入检修运行应取消正常运行6。电梯的控制方式很多，一般可以综合为如下几种：第一种；手柄操纵控制电梯 电梯的工作状态，由司机操纵轿厢内的手柄开关，实行轿厢的运行控制的电梯。控制过程为：司机用手柄开关操纵电梯的启动，上、下和停层。在停层站楼板上、下0.51m之内有平层区域，停站时司机只需在到达该区域时，将手柄关回到零位，电梯就会以慢速自动到达要停的位置。第二种；按钮控制电梯 这是一种简单的自动方式控制电梯，具有自动平层功能。电梯运行由轿厢内操纵盘上的选层按钮或层站呼梯按钮来操纵。某层站的乘客将呼梯按钮按下，电梯就会启动运行去应答。在电梯运行过程中，如果有其他层站呼梯按钮按下，控制系统只能把信号记录下来，不能去应答，而且不会把电梯停下。直到完成前应答运行层站之后，方可应答其他层站呼梯信号。第三种；集选控制电梯 这是一种在信号控制基础上发展起来的，高度自动控制的电梯，与信号控制的主要区别在能实现无司机操纵。这种控制方式除了具有信号控制方面的功能以外，还能具有自动掌握停站时间、自动应召唤服务，自动换向应答反向向厅外召唤等功能。乘客进入轿厢后，只需按下楼层按钮，电梯到达预定停站时间时，自动关门机启动运行，在运行中逐一登记各层楼召唤信号，对符合运行方向的召唤信号，逐一自动停靠应答；在完成全部顺向指令后，自动换向应答召唤信号，再自动启动前往应答。由于是无司机操纵，轿厢需要安装超载装置。以上三种控制方式都有其各自特点：第一种控制方式需要一名司机控制电梯的运行，这样可以对电梯进行有效的维护，保证所有乘客的安全。但是，这需要投入较大的人力资源。第二种控制方式工作时，把每次的工作任务完成后采取应答其他任务，这样就浪费了电梯的很多运载能力，结果导致电梯的运行效率很低。第三种在前两中基础上发展起来的，它避免了前两种控制方式的缺点。既能有效完成运载任务，还提高了电梯的运载任务。通过观察已经安装的各种电梯，发现它们都采用这种控制方式。针对我们设计的电梯运行速度低，运行高度不高，停靠站数少等特点，我们采用集选控制方式控制电梯。现在对电梯与控制柜的通讯方式进行选择。 一个电梯控制系统需要与电梯轿厢和厅门控制器进行大量的通讯, 如轿厢内的选层信号、应答选层的指示灯信号、显示电梯当前位置的指示灯信和厅外召唤信号等,这些信号随着楼层的增多而迅速增多。电梯中各个子系统之间的通讯有以下 4个主要特点: 节点多；距离长；信号变化慢；对抗干扰能力的要求高。目前电梯通讯主要有并行和串行两种方式。一般而言,并行通讯方式速度快,无需额外的控制器,实现简单,但使用的线路多。串行通讯方式则只需要一对信号线,对总线型的还需要处理总线冲突等问题, 因此实现较复杂 ,但成本低,通讯距离远。使用 PLC控制的电梯大都采用 PLC上的 I/O口来进行通讯,这种方式属于并行方式,其缺点在于要采用有较多 I/ O口的 PLC,导致成本的大幅提高,同时由于信号线的增多,也提高了安装和维护的难度。因此这种方式只适用于较少楼层的电梯,不适于高层电梯系统。随着微机技术的发展,开始出现采用微机控制的电梯。采用微机控制虽然比 PLC控制提高了设计的复杂性和设计周期,但其灵活性大大提高,能适应高层电梯的要求, 楼层的增加对其成本影响也不大。因此,许多电梯采用微机控制电梯。根据电梯通讯的特点,微机控制电梯不再使用并行的通讯方式,而是使用串行的总线通讯方式。本设计电梯采用串行通讯作为电梯通讯的方式7。电梯采用集选控制方式，电梯在无司机状态下工作，电梯安全性控制是本次设计必须考虑的问题。为了控制电梯的工作载荷，在轿厢底部、安装称重装置。如果轿厢的承载重量超过额定重量时，主线路断开，电动机不工作。发出超载警报，直到轿厢的载重满足要求时，电梯才能启动。为了防止轿厢运行超过导轨的高度，在导轨的顶端安装起升高度限位装置，轿厢爬升时，轿厢爬升到一定高度，由于限位装置的控制作用，轿厢便停在这个位置。再次启动时，轿厢只能向下运行，这就防止出现事故。2.2.2 电梯门机控制部分电梯门分为轿厢门和层门。它们由自动开门机直接驱动。轿厢门是由自动门机驱动的，是主动门，故只要控制自动门机便可实现电梯门的开启、关闭、加减速等控制。除了上述功能外，电气上设置了层门、轿门电气接触开关，只有保证所有的层门、轿门关好，电气开关全部接通时，门联锁继电器吸合，它是电梯具备启动运行条件之一。电梯超载时，门与超载装置具有连锁电路，当电梯超载时，超载继电器由超载开关带动，关门继电器无法吸合，电梯无法启动运行。所设计的开关门逻辑控制还要附加一些特殊功能，当电梯在无司机状态，在某一层开门时间过长，控制线路就会强行关门，如果在关门的过程中遇到较大的阻力（150N）时门会自动打开16。轿厢、轿顶必须设置照明系统，保证维修和运行条件照明要求，照明电源必须与电梯驱动主机电源分开，可通过另外的电路或通过电梯的开关供电侧相连，而获得照明电源。固定式照明装置的电源电压不得大于220V，严禁用金属结构做照明线路的回路。可移动式照明装置的电源电压不应超过36V，交流供电应当使用安全隔离变压器，不能用自藕变压器直接供电。导轨的安装高度过高时，有可能遭到雷击，一般必须设置独立避雷针或附设避雷针，其整体结构可以做为接闪器和引下线。每侧导轨的下端均设置接地装置。3 设计计算 总体尺寸的确定3.1 设计计算3.1.1 电动机的选择电动机是电梯上升的动力源，电梯的运行状况和舒适性主要由电机决定。选择满足功能要求的电机是能否设计好电梯的关键。所选的电动机应有较大起动转矩倍数并适于短时重复工作。参考电梯设计规范，电动机的工作制与工作级别有相关要求，设计规范要求：不频繁使用的设备，其驱动机构的工作级别可参考GB3811定为M4-M5级，电动机的接电持续率不低于25：较繁忙使用的设备，其驱动机构的工作级别不低于M6，电动机的接电持续率不低于40。所设计的电梯工作时启动频繁，启动的转矩较大。设计任务要求，电梯的最大承载重量为500kg，电梯的运行速度为0.m/s。并且电梯能频繁启动，运行平稳。按设计要求，以及工作条件查阅相关标准，选用小功率变频调速三相异步电动机，此种电机适用于变频调速电梯8。3.1.1.1 电动机容量的计算计算电动机所需的有效功率的计算表达式9： （3-1）设： 电梯所需电动机功率，kw； 电梯所需有效功率，kw； 电梯上升时所需的最大提升力； 电梯的上升速度； 传动系统的总效率；传动效率的计算： （3-2）其中 连轴器传动效率： 减速器传动效率： 轴承的效率： 齿轮齿条效率：查书得 =0.99；=0.86;=0.97；=0.95由式3-2估算传动系统的效率0.990.970.950.86=0.785 根据式3-1及以上数据，估算电动机的功率为2.0KW。查选用YTD132-C4/18D型调压调速电动机，电动机的功率为7.84KW，额定电压为380V,额定频率为50Hz,同步转速为1500r/min。额定转矩为55.4N.M。3.1.2 齿轮轴转速的计算取齿轮的模数为5，齿数为20，齿轮的分度圆直径为100mm。电梯上升速度v。计算安装齿轮轴的转速n： （3-3）式中 v 轿厢运行速度，m/min m 齿轮的模数 z 齿轮的齿数 由式3-3计算得。电动机的转速为1500r/min，由此可以计算传动系统的传动比：3.1.3 齿轮的设计计算 通过查阅相关材料，根据实际工程使用情况。取传动齿轮的模数为5，齿轮的齿数为20。齿轮的材料为40Cr，热处理方式为调质。下面对齿轮进行校核13。所设计的齿轮用于是开式装置、低速重载情况下工作。开式式齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面磨损 、齿面胶合等形式。所设计的齿轮在以上叙述的工作情况下，必须有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。因此，必须以保证齿面抗磨损及齿根抗折断能力两准则进行计算。由于现阶段对齿面抗磨损能力的计算方法尚不完善，对齿轮的设计计算仅保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。齿轮在受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。考虑齿轮的制造成本，和工作条件。采用低精度齿轮。这种齿轮的制造误差较大，实际上多由在齿顶处啮合的齿轮分担较多的载荷，只需按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。建立受力模型来计算（如图3-1示）：图3-1 齿轮齿条受力简图其中：作用在齿条上的作用力，其计算式为 假设齿轮为一悬臂梁。在实际工作时，由于电动机以及减速器的影响，在同时啮合的齿对间，载荷的分配并不是按接触线均匀分布。因此，在计算齿轮传动强度时，按接触线单位长度上的最大载荷：由于齿轮、齿条所手的力为一对作用力，故齿轮所受力为。上式可变为： （3-4）其中： 齿轮所受的圆周力，单位为N: 作用在齿面上的法向载荷，单位为N:G 工作时，承载的最大载荷，单位为N:由书11公式10-4知，齿根危险截面的弯曲应力为 （3-5） 把公式4-4带入4-5得： （3-6）其中： 齿轮应力矫正系数： 齿形系数：m 齿轮的模数：b 齿轮的厚度；K 齿轮载荷系数，。使用系数KA是考虑齿轮啮合时外部邻接装置引起的附加动载荷影响系数。它取决于所使用电动机的机械特性、质量比、连轴器的类型，查书11表10-2可得齿轮的使用系数KA为1.5。动载荷系数KV是由于直齿轮在啮合过程中，由双对齿啮合到单对齿啮合，或是由单对齿啮合到双对齿啮合的过度期间，由于啮合齿对的刚度发生变化，查书11图10-8得动载荷系数KV为1.23。齿间载荷分配系数是由于齿轮与齿条啮合的过程中，不管是单对还是双对齿啮合时，由于齿距误差及弹性变形等原因，啮合齿的接触线长度不一定是齿厚b，进行强度校核时应按平均单位载荷大于p的值计算，查书11表10-3得齿间载荷分配系数为1.21。齿向载荷分配系数是由于轴承对齿轮作不对称布置，受载前、轴的弯曲变形很小，齿轮的啮合正好正常；受载后，轴产生弯曲变形，轴上的齿轮也就随之偏斜，这就使作用在齿面上的载荷沿接触线分布不均匀。在校核齿轮的强度时，为了计算齿面上载荷沿接触线分布不均匀的现象。按接触疲劳强度计算齿向载荷分配系数的计算公式 计算得=1.76,再查书11图10-13得，弯曲强度计算的齿向载荷分布系数为1.32。综合以上查阅的数据，由公式计算得载荷系数K=2.946。查书11表10-5可得：齿轮的应力矫正系数为；1.55： 齿形系数；2.80。把以上数据带入公式4-6中：F=KGYFaYsa/2bm=2.9462509.81.55280/2605=52.20齿轮的许用应力的计算式为：=KNSFE/S （3-7）其中：S疲劳安全系数，对于弯曲疲劳强度来说，如果一旦发生断齿，就会引起严重事故。查阅特种设备安全技术规范一书，取齿轮的工作级别为M4。对应的安全系数为S=4.5。 KN考虑应力循环次数影响的系数，应力循环次数的计算方法是：设n是齿轮的转速（单位为r/min），j为齿轮每转一圈时，同一齿面啮合的次数；Lh为齿轮的工作寿命，则齿轮的工作应力循环次数N按下式计算：N = 60njLh.= 601001360850=8.64108 齿轮的疲劳极限。 查书11图10-20得：=700MPa:查书11图10-18得：=1.0按公式4-7计算齿轮的许用应力为:=KNSFE/S=1700/4.5=155.6MPa由公式4-6计算得齿轮的弯曲应力为F=52.20；由公式4-7计算的齿轮的许用应力为=155.6。比较可知，故所设计的齿轮符合使用要求。齿轮的设计图纸见附录：3.1.4 齿条的设计计算当标准外齿轮的齿数增加到无穷多时，齿轮上的基圆和其它圆否变成相互平行的直线，同侧渐开线齿廓也变成了互相平行的斜直线齿廓。分析可知齿条具有以下特点：1)齿条同侧齿廓为平行线,它在与齿顶线平行的任一直线上具有相同齿距;2)齿条直线齿廓上各点具有相同的压力角,等于直线齿廓的齿形角,一般为标准值; 当齿轮齿条标准安装时,齿轮分度圆与齿条分度线重合,啮合角等于齿形角;齿轮以角速度转动, 带动齿条以线速度作直线移动图3-2 齿轮齿条传动图电梯对齿条杆部表面有很高的耐磨要求,为此需要一套表面精加工工艺及加工参数的设定,对齿条的表面特征控制,并不能要求最光洁的表面,而是要获得符合使用要求且能经济加工的表面特征。在齿条和齿轮相对运动时增加了其齿条的磨损。Rz值太小,将降低齿条表面的储油功能,使齿条和齿轮相对运动时产生干摩擦,加剧了齿条齿轮副的磨损。调质处理前表面清洁度不够好,渗碳层厚度不够,层厚不均匀,表面微裂纹密度分布不合理等因素,表面吸附异物等现象,使其表面波形破坏,影响齿条的使用寿命。齿部不得有影响使用性能的缺陷，也不得焊补。精度不低于GB10095和GB10096中规定的9-8-8级14。齿条的校核：齿条的受力模型如图3-3所示。齿条与齿轮相啮合，齿条和齿轮的参数必须相一致。因此，齿条的模数为5，压力角为。齿条的厚度为70mm，在与齿轮相啮合传动时，有效的受力长度为齿轮的齿厚b=60mm。齿轮和齿条相啮合，有时是一对齿啮合，有时是两对齿啮合。当齿条的齿顶与齿轮的根部相啮合时，另一对齿也在进入啮合，在这种情况下，虽然对齿条的齿根的力臂最长，但是作用在单个齿上的力并不大。此时，齿根的弯曲应力并不是最大。齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合区最高点。因此，齿根弯曲强度应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。图3-3 齿条受力模型图剪应力的计算：齿条根部的截面面积s为：70mm20.24mm=1416.8mm2轮齿受力为，其中G为轿厢承载的最大重量。 轮齿根部剪应力为t=G/2S10-6=3.11MPa弯曲应力的计算S=M/W=G/2(h*+c*)m/bh2/6=1.86查书11表15-1，45钢的剪切疲劳极限：弯曲疲劳极限为。取齿条的工作等级为M4,所对应的安全系数为。齿条剪切许用应力为： 齿条的许用弯曲应力为：由计算比较可知。故齿条符合使用要求。3.1.5重量平衡系统设计重量平衡系统是使对重与轿厢达到相对平衡，在电梯工作中使轿厢与对重间的重量差保持在某一个限额之内，保证电梯的曳引传动平稳、正常。它由对重装置和重量补偿装置两部分组成。平衡系统如图3-4所示。对重装置起到相对平衡轿厢重量的作用，它与轿厢相对悬挂在曳引绳的另一端。补偿装置的作用是：当电梯运行的高度超过30m以上时，由于曳引钢丝绳和电缆的自重，使得曳引轮的曳引力和电动机的负载发生变化，补偿装置可弥补轿厢两侧重量不平稳。这就是保证轿厢侧与对重侧重量比在电梯运行过程中不变。图34重量平衡系统示意图1电缆；2轿厢；3对重；4补偿装置补偿装置的作用是：当电梯运行的高度超过30m以上时，由于曳引钢丝绳和电缆的自重，使得曳引轮的曳引力和电动机的负载发生变化，补偿装置可弥补轿厢两侧重量不平稳。这就是保证轿厢侧与对重侧重量比在电梯运行过程中不变。对重又称平衡重，绕过曳引轮上的曳引绳的两侧，对重是相对于轿厢悬挂在曳引绳的另一侧，起到相对平衡轿厢的作用。因为轿厢的载重量是变化的，因此不可能两侧的重量都是相等而处于完全平衡状态。一般情况下，只有轿厢的载重量达到50的额定载重量时，对重一侧和轿厢一侧才处于完全平衡，这时的载重额称电梯的平衡点。这时由于曳引绳两端的静荷重相等，使电梯处于最佳的工作状态。但是在电梯运行中的大多数情况曳引绳两端的荷重是不相等的，是变化的。因此对重的作用只能起到相对平衡。在电梯运行中，对重的相对平衡作用在电梯升降过程中还在不断的变化。当轿厢位于最低层时，曳引绳本身存在的重量大部分都集中在轿厢侧；相反，当轿厢位于顶层时，曳引绳的自身重量大部分作用在对重侧，还有电梯上控制电缆的自重，也都对轿厢和对重两侧的平衡带来变化，也就是轿厢一侧的重量Q与对重一侧的重量W的比例QW在电梯运行中是变化的。尤其当电梯的提升高度超过30m时，这二侧的平衡变化就更大，因而必须增设平衡补偿装置来减弱其变化。平衡补偿装置是悬挂在轿厢和对重的底面(如补偿链条，图276所示)，在电梯升降时，其长度的变