机械课程设计单极圆柱齿轮.doc

机械设计基础
课程设计说明书

题目：皮带运输机的单级圆柱齿轮减速箱

系 别：机械工程系
班 级：Z机械 131
学 号：201306013109
姓 名：赵 帅
指导教师：王 振 成
日 期：2014年12月25日

《机械设计基础》课程设计任务书
一、项目设计：皮带运输机的单级圆柱齿轮减速箱
二、运动简图
1.V带传动；
2.单级减速器
3.运输带；
4.联轴器；
5.电动机；
6.卷筒。
三、原始数据
运输带工作拉力 4000 ；
运输带工作速度 1.5 ；
运输带速度允许误差 ±5% ；
卷筒直径 325 ；
工作年限 8 年 2 班制。
四、设计工作量
减速器装配图（A1号图纸） 1 张；
零件工作图（A3号图纸） 2 张；
1. 低速轴工作图1张,
2. 大齿轮工作图1张;
设计说明书 1 份。
五、设计期限 两 周
指导教师：王振成
日期：2014.12.14
目录
1.传动方案的拟定
2.电动机选择及传动装置运动和动力参数计算
3.传动零件的设计计算
3.1.带传动
3.2.齿轮传动
4.轴的设计及强度计算
4.1.高速轴
4.2.低速轴
5.轴承使用寿命计算
6.键的强度校核
7.联轴器的选择
8.滚动轴承的选择计算
9.箱体与附件的设计
10.密封及润滑设计
11.总结
12.参考文献

1.传动方案的拟定
拟定传动方案首先需要对机器有一定的了解，在机械设计这门课程及生活中的一些了解，我们可以知道机器通常由原动机、传动装置和工作装置三部分组成。
而传动装置是用来传递原动机的运动和动力、变换其运动形式以满足工作装置的需要，是机器的重要组成部分。也是我们本次设计课程的主要设计内容。
传动装置的传功方案是否合理将直接影响机器的工作性能、重量和成本。满足工作装置的需要是拟定传动方案的最基本要求．同一种运动可以由几种不同的传动方案来实现，这就需要把几种传动方案的优缺点加以分析比较，从而选择出最符合实际情况的一种方案。
合理的传动方案除了满足工作装置的功能外，还要求结构简单、制造方 便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。拟定一个合理的传动方案，除了应综合考虑工作装置的载荷、运动及机器的其他要求外，还应熟悉各种传动机构的特点，以便选择一个合适的传动机构。本次课程学习中我们主要学习并了解到了以下几种传动机构。
1.带传动承载能力较低．在传递相同转矩时，结构尺寸较其他形式大，但传动平稳，能缓冲吸振，宜布置在传动系统的高速级，以降低传递的转矩，减小带传动的结构尺寸。
2.链传动传动平稳性差，宣布置在低速级。
3.斜齿轮传动较直齿轮传动平稳，相对应用于高速级。
4.锥齿轮的加工比较困难，一般宜置于高速级，以减小其直径和模数。
5.蜗杆传动大多用于传动比人而功率不大的情况下，其承载能力较齿轮传动低，宜布置在传动的高速级，以获得较小的结构尺寸。
6.开式传动因工作条件差，润滑不良，一般应布置在低速级。 7.在一般情况下，总是将改变运动形式的机构(如连杆机构、凸轮机构等)布置在传动系统的末端。
通过对以上多种传动方式的了解，以及本次设计初衷，所以我的设计选取传动平稳，能缓冲吸振，布置在传动系统的高速级，以降低传递的转矩，减小带传动的结构尺寸的皮带运输机的单级圆柱齿轮减速，即第一种传动机构。
其简要方案设计图如下：
1.V带传动；
2.单级减速器；
3.运输带；
4.联轴器；
5.电动机；
6.卷筒。

2. 电动机选择及传动装置运动和动力参数计算
2.1传动参数计算
工作机功率，根据设计任务书可知：
1)工作原始数据：
运输带工作拉应力：F=4000N
运输带工作速度： V=1.5 m/s
运输带速度允许误差 ±5% ；
工作年限 8 年 2班制
2)其传动效率：
查表得出：
V带传动效率：
滚动轴承效率：
8级精度一般齿轮传动效率：
弹性联轴器传动效率：
传动滚筒效率：
3)则其总效率计算得：
4)则输入电机的功率由公式可得：

根据电动机载荷的平稳性，可知，所需电动机的功率应略大于Pd即可，因此根据需要选取 ped=2.2kW，即为所需功率。
5) 确定电动机转速N：

查表可得：V带的传动比范围：3～6，
由表可得：一级圆柱齿轮减速器=2～4，则总传动比的=6～24，电动机转速的可选范围6～24,则由此可知该传动装置所需电动机的转速N的可选范围为：
N=（6～24）×88.192=1400～2112 r/min
由书中知识可知在这一范围内的同步转速有750 r/min、1000 r/min和1500 r/min三种，查表可得：可选型号为Y132S-4的电动机。
由查表可知所需电动机轴的数据为：
轴伸出端长： E=80mm，
轴中心高：H=112mm，
轴直径： D=28mm4。
2.2确定传动系统的总传动比和分配各级传动比
1）其总传动比 由公式计算可得 ：
2) 根据该传动选取V带传动比，若取该齿轮的传动比为i齿=3.5，那么由此可得出V带的传动比为：
2.3计算传动系统的运动和动力参数【功率P转速N强度T】
1)0轴（即电动机轴）：
公式计算可得：
P0=Pd=6kW n0=nm=1440 r/min

2) 1轴（即所选电机的高速轴）;
公式计算可得：

3) 2轴（所需电机的低速轴）：
公式计算可得：

4) 3轴（所需电机的滚筒轴）由公式计算得
3.传动零件的设计计算
3.1带传动
1)计算带传动功率：
由设计任务书的原始数据，可知其传动载荷平稳，为两班制8年工作制，工作机为轻载荷输送机。
查表可知：KA=1.1
则计算功率由公式可得带传动：
2)选择V带的型号: 由实际情况可选用普通V带即可、
由以上计算所得数据知：PC=6.05kW n0=1440 r/min
所以在图表中可知，点位于B型区域内，故该V型带应选用B型 V带。
3)选择电动机联动部分的大、小带轮直径：
已知V型带轮，由查表得：
若选则的小轮的直径为d1=250mm，则根据公式计算可得，选取d2=858mm。
4) 计算V带的转速V： 由公式计算可得；

由以上计算结果V=5.4m/s在5～20m/s内可知，所选择带轮直径d1和d2符合使用要求。
5)求V带基准长度Ld和中心距a：
选择中心距: a0=1.5*(250+858)=1662mm
符合
然后确定V带的基准长度Ld：

由表得： Ld=5000mm
再计算实际中心距a：

6) 然后需要计算小带轮的包角：
，由此可知本次选择的V带符合设计要求。
7) 求得所需V带的使用根数Z：

已知n1=1440 r/min,d1=250mm,
由查表得：P0=2.5，传动比：
因为i带≥2，为B型带轮，小带轮转速为n1=1440 r/min，
查表中数据可知： 。

已知α=164.6°，查表，结合线性校正得：

因为Ld=5000mm，查表知：KL=1.01，所以由带数公式计算得出所需的V型带的带数Z：
,由此可取Z=2，即2条V带。
8)计算作用在带轮上的预紧力F0和压力Fn
已知普通B型V带，查得：q=0.18kg/m
计算单根V带的预紧力由公式计算为：

那么作用在轴上的压力FQ计算可得：

9)计算V型带的结构参数
由表知：
槽型 A 槽型 A
Bd = 14mm δmin = 6mm
Hamin = 2.75mm φ = 34°
E = 19mm
Fmin = 11.59mm
Hmin = 10.8mm
查表可知根据所需可以用板孔式的带轮：如下图所示

3.2 齿轮传动
1)选择齿轮材料以及许用应力
小齿轮选用45#钢，选用调制处理；
大齿轮选用45#钢，选用正火处理。
查表：。
2)然后计算大小齿轮的许用接触应力和弯曲应力
已知齿轮为一般可靠度，再由表得：
再通过计算可知：
其中两齿面的接触应力应是相等的，取较小的许用接触接触应力： 。
3)按照齿面的接触强度设计

①已知装置的原动机为电动机，载荷为有中等冲击的载荷，查表得：K=1.3
②有数据求得T1=1.337×104 N·m
③齿轮相对于轴承为对称布置，齿轮所选材料为软齿面，由表得：Фd=1
④　计算得出U=4.7
⑤ 45#钢为锻钢，查表知：ZE=189.8。
⑥　齿轮为标准齿轮，所以ZH=2.5。
⑦　计算可得到[σH]=375MPa。
将以上所得数值代入公式得：

取齿数z1=30，则z2=30×3.5=105
M=d1/z1=1.4
再由查表知，应选择第一系列，取m=1.5，则：

齿宽：
中心距：
4)验算齿轮弯曲强度
已知z1=30,z2=105由图查得：
YFa1=2.52 ， YFa2=2.18，
YSa1=1.65 ， YSa2=1.79。
由公式计算可得:
,
所以设计的该齿轮符合弯曲强度的要求。
5) 计算所设计齿轮的圆周速度
公式计算得：

计算结果满足8级精度中V≤6m/s的要求。
由表得知可选用8级精度。
6)最后应计算大、小齿轮的齿顶圆和齿根圆大小
所选齿轮为正常齿制，由书中数据知：

齿顶圆由公式计算知：

齿根圆由公式计算知：

4．轴的设计及强度计算
4.1高速轴（即小齿轮轴）设计计算
1) 选用材料
选用45#钢，需进行调质处理。
2) 结构设计 如图所示

根据零件的安装和固定要求，应将此高速轴分为7段
第①段安装V带轮；第②段为轴肩；第③段安装轴承；第④段为过渡段；第⑤段装齿轮；第⑥段为过渡段；第⑦段安装轴承。
3)计算每一段轴的直径
轴的最小径①
选用45#钢，由查表知C=118～107。
功率P=2.0544 kW，转速n=411.2 r/min,带入公式计算得：

由实际情况考虑到一个键的存在直径应该扩大5%～7%，所以

因为该轴段与V带配合，由表中的标准数据应选取d1=25mm。
轴径②，由图中公式计算可得到：
由查表得：，其中C1一般取1.6或2，可以得到：。由以上两种情况可知，d2=33 mm。
轴径③和⑦，d2=33mm，所以初选用深沟球轴承6207。查表得其内径为35mm，所以d3=d7=35mm。
轴径④和⑥，该部分为轴承和齿轮的过渡段，齿轮的分度圆大小为75mm，选择d4=d6=45mm。
轴径⑤，该部分为小齿轮，其分度圆大小为75mm，齿顶圆大小为80mm。
4)计算出每一段的长度
轴长①，V带轮的孔径长度为42mm，根据实际，轴长应该比其短2~3mm，现选其长度为L1=40mm。
轴长③由表查得：
再经查表后可得：B=17mm；
由数据可知挡油环伸入内箱壁1~3mm时，应选择为2mm。
通过观察装配图可以知道：，轴长⑦，观察图同样可以知道：，
同理，轴长④和⑥由观察装配图可以得到：。
然后通过查表可得：。选取：Δ2=10。
那么第五段轴长⑤的长度为：。
然后第二段轴长长度为过渡段，所以最后再进行计算：
即，将已有数据代入并结合表中数据得：。
5)最后应对高速轴的强度进行校核
分析轴的受力情况：如图所示

为了方便计算和设计，在规范内，将齿轮力的作用简化至齿轮的中点，V带轮上压力作用点简化至带轮轮缘中点 支反力的作用点简化至滚动轴承中点分别为A、B点。
从上图可以知到，此轴上存在径向的力和轴向的力。对各段长度进行计算： ，
，
轴向上的力计算得：，
径向上的力根据受力平衡分析：
。 解得：。
再由公式计算轴的弯矩：

由以上结果结合所学的工程力学知识画出弯矩图：

在A点的弯距MaA=74.5N·m为最大值，再对该点进行强度校核，，取α=0.6得Me=79.8N*M,材料选用45钢，σB=650MPa，再进行查表得出：
[σ-1b]=60MPa。计算最危险截面的直径为：。这一段安装轴承，直径35mm>23.7mm满足强度要求。
4.2低速轴（即大齿轮轴）设计计算
1)选择材料
通常应选用45#钢，调质处理。
2) 大齿轮轴结构

根据零件的安装和固定要求，分为6段：第1段安装联轴器，第2段轴肩，第3段安装轴承，第4段安装大齿轮，第5段：轴肩，第6段：轴承。
3)计算每一段的直径
第一段，由公式计算得
，有两个键槽，应增大107%2，得到，
已知选用LT型弹性套柱销联轴器，查表，查得应选用LT5的联轴器，轴孔的径可选32或35，取d1=35mm。
第二段，该段为轴肩，查表，取d2=45mm。
第三段，该段装轴承，由d2=45mm，轴承内径必须大于该值，查表得到，用型号为6210的深沟球轴承，其内径大小为50mm，取d3=50mm。
第四段，该段装齿轮，查表，选大于50mm的标准值，取d4=56mm。
第五段，该段为轴肩，取h=5mm，得：
第六段安装轴承，取d6=50mm。
4)计算每一段长度
第一段，选用LT5轴孔直径为35mm的联轴器，由查表得轴孔长度为82mm，L1=82-2=80mm。
第二段，由公式计算，所用螺栓M16，由表得：C1=22mm，C2=20mm，δ=8mm
B=20mm，K2为启出螺钉的必需距离，取K2=40mm。
计算得，。
第三段，B为轴承的宽度，B=20mm，e为轴承端盖厚度e=12mm，
L为齿轮距内箱壁距离，计算得L=12.5mm，l为安装间隙l=2mm。所以：。
第四段装齿轮，，B大齿 =75，。
第五段，，查表：h=5mm，L5=7mm。
第六段由公式得到，B为轴承宽度B=20mm，e为轴承端盖厚度e=12mm，C为倒角为1.5mm；2为挡油环深入距离，10.5是套筒长度，此处轴肩段7mm，所以减去。代入以上数据：L6=39MM
5)校核强度
分析轴的受力情况：

与高速轴计算相同，进行简化，将齿轮力的作用点简化齿轮中点C 。联轴器力的作用点简化联轴器轮缘中点 D。支反力的作用点简化为滚动轴承中点，为A、B点。可以看到存在轴向和径向上的力。再计算各段长度：

轴向上计算得：，径向上计算得：
，再计算弯矩：由公式得

然后再画弯矩图：如图所示

C点处弯矩最大，对C进行校核：计算公式
，最危险截面直径由查表计算得：，此处装齿轮，有键，再将d加大5%，计算得到d=27.51mm,56mm≥27.51mm，满足要求。

5.轴承的寿命计算
5.1计算高速轴轴承的使用寿命
该轴不承受轴向力，则Fa=0,查表，e=0，X=1，Y=0，那么
P=FrMAX=1255N，轴承工作温度低于100℃，查表ft=1，
因为载荷冲击，fp=1.5，用型号为6207的轴承，查表知C=25.5kN，计算得n=411.2 r/min，用深沟球轴承，查表可知ε=3，将所得数据代入进行计算后得到结果Lh=100742.2h
采用8年2班制工作，需要寿命：L=8×2×8×52×5=33280h
小于Lh，轴承符合要求。
5.2计算低速轴轴承的寿命
同理该轴不承受轴向力，Fa=0,e=0，X=1，Y=0，计算得
P=FrMAX=236.16N，轴承工作温度低于100℃，ft=1，有载荷冲击，查表得：fp=1.5，用型号为6207的轴承，C=35kN。
计算得n=117.5 r/min，用深沟球轴承，同上知ε=3。代入以上所得数据计算后得到：Lh=1.37×10*8h,若用8年2班制工作，需要寿命为：L=8×2×8×52×5=33280h远小于Lh.
所以，轴承符合要求。

6.键的强度校核
皮带轮用平键连接，求得：T=47.7N·m，d=25mm
查表：h=7mm.L=32mm.b=8mm.l=L-b=32-8=24mm。将已查的数据代入：，皮带轮材料为铸铁，有很小的冲击，查表：[σp]=55MPa≥45.43MPa=σp。强度满足要求。
大齿轮计算知：T=160.36N·m，d=56mm，d=25mm，查表h=10mm，L=63mm，b=16mm，l=L-b=63-16=47mm，同上代入数据得：
σp=24.37MPA，齿轮材料用钢，同上有冲击，查表可知，
[σp]=110MPa≥24.37MPa=σp，强度满足要求。

7.联轴器的选择
根据《机械设计基础课程设计》表10-47、10-48选择联轴
器的型号：GB3852-83 J1一对组合
轴孔直径：d=30mm,
长度：L=60mm

8.滚动轴承的设计计算
根据任务书上原有数据：所加载荷平稳，轴承主要受轴向力，选择圆锥滚子轴承。根据《机械设计基础课程设计》选择表10-38的02尺寸系列，尺寸分别为：
内径：d1=25mm,d2=35mm
外径：D1=52mm. D2=72mm
宽度：B1=15mm，B2=17mm
滚动轴承的当量载荷为：，
其中Fa＝0，X=1,Y=0,所以经计算P=2200~2640N，所以公式

由上述已经求得的数据可知，所需轴承的使用寿命为33280h，远小于185140.20h，符合使用要求。

9.箱体及附件的设计计算
箱体是减速器的一个重要零件，它用于支持和固定减速器中的各种零件并保证传动的啮合精度，使箱体零件具有良好的润滑和密封。主要由铸造和焊接箱体。
根据《机械设计基础课程设计》表5-1可得箱体结构尺寸如下表：
箱座厚度
8
箱盖壁厚
8
箱座凸缘厚度
12
箱座凸缘厚度
12
箱座凸缘厚度
20
地脚螺钉直径
20
地脚螺钉数目
4
轴旁连接螺栓直径
16
盖与座连接螺栓直径
12
连接螺栓d的间距l
160
轴承端盖螺钉直径d3
10
检查孔盖螺钉直径 d4
8
定位销直径d
8
df凸台及凸缘的结构尺寸
26，22，18
d1凸台及凸缘的结构
26，22，18
d2凸台及凸缘的结构尺寸
24,16
轴承旁台半径R1
24
凸台高度
根据低速级轴承座外径确定
外箱壁至轴承座端面的距离l1
60，44
齿轮顶圆与内箱之间的距离
12
齿轮端面与内箱之间距离
10
箱盖、箱座肋厚
7， 7
轴承端盖外径
90， 105
轴承旁连接螺栓距离
10

（1）窥视孔和窥视孔盖 在减速器上部可以看到传动零件啮合处要开窥视孔，以便检查齿面接触斑点和赤侧间隙，了解啮合情况。润滑油也由此注入机体内。窥视孔上有盖板，以防止污物进入机体内和润滑油飞溅出来。
（2）放油螺塞 减速器底部设有放油孔，用于排出污油，注油前用螺塞赌注。
（3)油标 油标用来检查油面高度，以保证有正常的油量。油标有各种结构类型，有的已定为国家标准件。
(4)通气器 减速器运转时，由于摩擦发热，使机体内温度升高，气压增大，导致润滑油从缝隙向外渗漏。所以多在机盖顶部或窥视孔盖上安装通气器，使机体内热涨气自由逸出，达到集体内外气压相等，提高机体有缝隙处的密封性能。
(5)启盖螺钉 机盖与机座结合面上常涂有水玻璃或密封胶，联结后结合较紧，不易分开。为便于取盖，在机盖凸缘上常装有一至二个启盖螺钉，在启盖时，可先拧动此螺钉顶起机盖。在轴承端盖上也可以安装启盖螺钉，便于拆卸端盖。对于需作轴向调整的套环，如装上二个启盖螺钉，将便于调整。
(6)定位销 为了保证轴承座孔的安装精度，在机盖和机座用螺栓联结后，镗孔之前装上两个定位销，孔位置尽量远些。如机体结构是对的，销孔位置不应该对称布置。
(7)调整垫片 调整垫片由多片很薄的软金属制成，用一调整轴承间隙。有的垫片还要起调整传动零件轴向位置的作用。
(8)环首螺钉、吊环和吊钩 在机盖上装有环首螺钉或铸出吊环或吊钩，用以搬运或拆卸机盖。
(9)密封装置 在伸出轴与端盖之间有间隙，必须安装密封件，以防止漏油和污物进入机体内。密封件多为标准件，其密封效果相差很大，应根据具体情况选用。
10.润滑和密封设计
参考《机械设计基础课程设计》第五章第四节得出减速器的润滑密封方法如下：
1.齿轮的润滑
采用浸油润滑，由于为单级圆柱齿轮减速器，速度ν<12m/s，当m<20 时，浸油深度h约为1个齿高，但不小于10mm，所以浸油高度约为36mm。
2.滚动轴承的润滑
由于轴承周向速度为，所以宜开设油沟、飞溅润滑。
3.润滑油的选择
齿轮与轴承用同种润滑油较为便利，考虑到该装置用于小型设备，选用GB443-89全损耗系统用油L-AN15润滑油。
4.密封方法的选取
选用凸缘式端盖易于调整，采用闷盖安装骨架式旋转轴唇型密封圈实现密封。密封圈型号按所装配轴的直径确定为GB894.1-86-25轴承盖结构尺寸按用其定位的轴承的外径决定。
5.技术要求
采用 2号机械油对构件进行润滑。在试运行过程中所有联接面及延伸密封处不允许漏油。作空载实验正反转各一小时，要求运转平稳，噪音小联接固定处不得松动，负载实验时，油池温升不得超过 ，轴承温升不得超过 。对外伸轴极其零件需涂油包装严密，机体表面应涂漆，运输和装卸时不可倒装。

11.总结
通过对本学期《机械设计基础》的学习，我对我所学习的专业有了进一步的了解，也清楚的认识到了王老师在开学之初就讲到的--这门课是整个大学课程里最重要的，没有之一。的确，在学习中我知道了这门课的重要之处，它与我们的专业联系是非常紧密的，因为我们的专业就是机械设计，可以说这门课就是我们的敲门砖。这门课程为我们专业的学生学习专业机械设备课程提供了必要的理论基础，特别是结合这一次的《机械设计基础课程设计》，使我们初步具备了运用手册设计简单机械传动装置的能力。课程设计是我们在学习《机械设计基础》后进行的一个综合的训练，教会了我好多东西。学会了查表和参考必备资料，因为在设计中，好多数据和技术要求对于我这样的初学者来说，不借鉴和参考是很难完成的，而且还有一些地方很难注意到，一些数据在不同的地方有不同的选取方法，丝毫不能大意。
在这次课程设计中，遇到了好多困难，因为第一次设计，对于要求和方法都是一窍不通，好在可以有参考，在进行计算时，需要查表的东西太多了，基本上每一个设计的零件都要通过查表来完成，而且查表也是一个不容易完成的工作，数据太多，因此查表时要很有耐心和细心。
本次设计的时间是两周，但是真心觉得时间不是很充足，因为准备其实都做了好久，前四天都在迷茫，根本无从下手，但是慢慢的还是完成了任务。这份设计书中的俄数据因为全部需要计算，一些数据都是算了好几遍才得到的，在查表选择数据时每一个数据都是考虑好久才选定的。还有装配图和零件图，画的时候遇到了不少问题，画完后，又参照着正规设计图修改了不少地方才有了这次的成果。
总之，课程设计不是一项简单的工作，但是只要肯做还是可以完成的，而且自己做的东西确实学到了不少东西，收获不小。

12. 参考资料
[1]杨丽娜 《工程力学》 华中科技大学出版社 武汉 2010.8
[2]庞国星《工程材料与成型技术基础》 机械工业出版社 2013.1
[3]张建中《机械设计基础课程设计》高等教育出版社 2009.3
[4]杨可祯《机械设计基础》高等教育出版社 2013.1
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