(手绘)(zhao623796302)--联轴器-一级蜗杆-开式圆柱齿轮,P=3.5,n=9.3,16小时300天6年(左侧_向上)

目录
第一部分设计任务书 (3)
1.1设计题目 (3)
1.2设计步骤 (3)
第二部分选择电动机 (3)
2.1电动机类型的选择 (3)
2.2确定传动装置的效率 (4)
2.3计算电动机容量 (4)
2.4确定电动机功率及转速 (4)
2.5确定传动装置的总传动比和分配传动比 (5)
第三部分计算传动装置运动学和动力学参数 (6)
3.1电动机输出参数 (6)
3.2高速轴的参数 (6)
3.3低速轴的参数 (6)
3.4工作机轴的参数 (7)
第四部分开式圆柱齿轮传动设计计算 (8)
4.1选精度等级、材料及齿数 (8)
4.2确定传动尺寸 (10)
4.3校核齿面接触疲劳强度 (11)
4.4计算齿轮传动其它几何尺寸 (12)
4.5齿轮参数和几何尺寸总结 (13)
第五部分减速器蜗杆副传动设计计算 (13)
5.1选择蜗杆传动类型 (13)
5.2选择材料 (13)
5.3按齿面接触疲劳强度进行设计 (13)
5.4蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸 (14)
5.5校核齿根弯曲疲劳强度 (15)
5.6验算效率η (16)
5.7热平衡计算 (16)
第六部分轴的设计 (16)
6.1高速轴设计计算 (16)
6.2低速轴设计计算 (21)
第七部分滚动轴承寿命校核 (28)
7.1高速轴上的轴承校核 (28)
7.2低速轴上的轴承校核 (30)
第八部分键联接设计计算 (31)
8.1高速轴与联轴器键连接校核 (31)
8.2低速轴与涡轮键连接校核 (31)
8.3低速轴与开式圆柱齿轮键连接校核 (31)
第九部分联轴器的选择 (32)
9.1高速轴上联轴器 (32)
第十部分减速器的密封与润滑 (32)
10.1减速器的密封 (32)
10.2轴承的润滑 (33)
第十一部分减速器附件 (33)
11.1油面指示器 (33)
11.2通气器 (33)
11.3放油孔及放油螺塞 (34)
11.4窥视孔和视孔盖 (34)
11.5定位销 (34)
11.6启盖螺钉 (34)
11.7螺栓及螺钉 (35)
第十二部分减速器箱体主要结构尺寸 (35)
第十三部分设计小结 (36)
第十四部分参考文献 (36)
第一部分设计任务书
1.1设计题目
一级蜗杆减速器，工作机所需功率Pw=3.5kW，转速nw=9.3r/min，每天工作小时数：16小时，工作年限（寿命）：6年，每年工作天数：300天，配备有三相交流电源，电压380/220V。

1.2设计步骤
1.传动装置总体设计方案
2.电动机的选择
3.确定传动装置的总传动比和分配传动比
4.计算传动装置的运动和动力参数
5.开式圆柱齿轮传动设计计算
6.减速器内部传动设计计算
7.传动轴的设计
8.滚动轴承校核
9.键联接设计
10.联轴器设计
11.润滑密封设计
12.箱体结构设计
第二部分选择电动机
2.1电动机类型的选择
按工作要求及工作条件选用三相异步电动机，封闭式结构，电压380V，Y系列。

2.2确定传动装置的效率
查表得：
联轴器的效率：η1=0.99
轴承的效率：η2=0.98
开式圆柱齿轮的效率：ηo=0.96
蜗杆的效率：η3=0.8
工作机的效率：ηw=0.97
2.3计算电动机容量
工作机所需功率为
2.4确定电动机功率及转速
电动机所需额定功率:
工作转速：
经查表按推荐的合理传动比范围，开式圆柱齿轮传动比范围为：2～5，一级蜗杆传动比范围为：10～40，因此理论传动比范围为：20～200。

可选择的电动机转速范围为nd=ia×nw=(20～200)×9.3=186--1860r/min。

进行综合考虑价格、重量、传动比等因素，选定电机型号为：Y132M2-6的三相异步电动机，额定功率Pen=5.5kW，满载转速为nm=960r/min，同步转速为nt=1000r/min。

电机主要尺寸参数
2.5确定传动装置的总传动比和分配传动比
（1）总传动比的计算
由选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速nw，可以计算出传动装置总传动比为：
（2）分配传动装置传动比
取开式圆柱齿轮传动比：ic=5
减速器传动比为
第三部分计算传动装置运动学和动力学参数
3.1电动机输出参数
3.2高速轴的参数
3.3低速轴的参数
3.4工作机轴的参数
运动和动力参数计算结果整理于下表:
第四部分开式圆柱齿轮传动设计计算
4.1选精度等级、材料及齿数
（1）由选择小齿轮40Cr（调质），齿面硬度280HBS，大齿轮45（调质），齿面硬度240HBS （2）选小齿轮齿数Z1=30，则大齿轮齿数Z2=Z1×i=30×5=151。

实际传动比i=5.033
（3）压力角α=20°。

（1）由式（10-7）试算齿轮模数，即
1）确定公式中的各参数值。

①试选载荷系数KFt=1.3
②计算弯曲疲劳强度的重合度系数Yε
④计算YFa×YSa/[σF]
查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为:
由图查取弯曲疲劳系数：
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得
两者取较大值，所以
2）试算齿轮模数
（2）调整齿轮模数
1）计算实际载荷系数前的数据准备
①圆周速度ν
②齿宽b
③齿高h及齿宽比b/h
2）计算实际载荷系数KF
查图得动载系数Kv=1.054
查表得齿间载荷分配系数：KFα=1.2
查表得齿向载荷分布系数：KHβ=1.403
查表得齿向载荷分布系数：KFβ=1.075
实际载荷系数为
3）计算按实际载荷系数算得的齿轮模数
4）计算分度圆直径
4.2确定传动尺寸
（1）计算中心距
（2）计算小、大齿轮的分度圆直径
（3）计算齿宽
取B1=80mm B2=75mm
4.3校核齿面接触疲劳强度
齿面接触疲劳强度条件为
1）KH、T、φd和d1同前
④由图查取区域系数ZH=2.46
⑤查表得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa
⑥由式计算接触疲劳强度用重合度系数Zε
⑦计算接触疲劳许用应力[σH]
由图查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为：
计算应力循环次数
由图查取接触疲劳系数：
取失效概率为1%，安全系数S=1，得接触疲劳许用应力
故接触强度足够。

4.4计算齿轮传动其它几何尺寸
（1）计算齿顶高、齿根高和全齿高
（2）计算小、大齿轮的齿顶圆直径
（3）计算小、大齿轮的齿根圆直径
4.5齿轮参数和几何尺寸总结
第五部分减速器蜗杆副传动设计计算
5.1选择蜗杆传动类型
根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）
5.2选择材料
考虑到蜗杆传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度未45～55HRC。

涡轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。

为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。

5.3按齿面接触疲劳强度进行设计
（1）确定作用在涡轮上的转矩T2
按Z1=4，故取效率η=0.8
（2）确定载荷系数K
因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数载荷系数Kβ=1；由表11-5选取使用
系数KA=1；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数Kv=1；则
（3）确定弹性影响系数ZE
因选用的是铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配，故ZE=164MPa。

（4）确定涡轮齿数z2
（5）确定许用接触应力[σH]
根据涡轮材料为涡轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度>45HRC，可从表11-7中查得涡轮的基本许用应力[σH]'=268MPa。

故寿命系数为：
（6）计算m^2×d1值
因z1=4，故从表11-2中取模数m=5mm，蜗杆分度圆直径d1=50mm
5.4蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸
（1）中心距
（2）蜗杆
轴向齿距pa=15.7mm；直径系数q=10；齿顶圆直径da1=60mm；齿根圆直径df1=38mm；分度圆导程角γ=21°48'0"；蜗杆轴向齿厚sa=8mm
（3）涡轮
涡轮分度圆直径
涡轮齿顶圆直径
涡轮齿根圆直径
涡轮咽喉母圆半径
5.5校核齿根弯曲疲劳强度
当量齿数
根据zv2=103.69，从图11-17中可查得齿形系数YFa2=2.16。

螺旋角系数
许用弯曲应力
从表11-8中查得由ZCuSn10P1制造的涡轮的基本许用应力[σF]'=56MPa。

寿命系数
弯曲强度是满足要求的。

5.6验算效率η
已知γ=21°48'0"；φv=arctanfv；fv与相对滑动速度Vs有关。

代入得η=0.847，因此不用重算。

5.7热平衡计算
取油温t=70℃，周围空气温度t0=20℃，通风良好，取Ks=15W/(m^2•℃)，传动效率为0.847，则散热面积为：
第六部分轴的设计
6.1高速轴设计计算
（1）已知的转速、功率和转矩
转速n=960r/min；功率P=4.99kW；轴传递的转矩T=49640.1N•mm （2）轴的材料选择并确定许用弯曲应力
由表选用45（调质），齿面硬度217～255HBS，许用弯曲应力为[σ]=60MPa
（3）按扭转强度概略计算轴的最小直径
由于高速轴受到的弯矩较大而受到的扭矩较小，故取A0=112。

由于最小轴段截面上要开1个键槽，故将轴径增大5%
查表可知标准轴孔直径为30mm故取dmin=30
（4）设计轴的结构并绘制轴的结构草图
a.轴的结构分析
为方便安装和调整涡轮轴。

采用沿涡轮轴线的水平面剖分箱体结构，蜗杆轴不长，故轴承采用两端固定方式。

可按轴上零件的安装顺序。

b.确定各轴段的直径和长度。

第1段：d1=30mm，L1=80mm
第2段：d2=35mm（轴肩），L2=62mm
第3段：d3=40mm（与轴承内径配合），L3=20mm
第4段：d4=45mm（轴肩），L4=159mm
第5段：d5=60mm（蜗杆段），L5=80mm
第6段：d6=45mm（轴肩），L6=159mm
第7段：d7=40mm（与轴承内径配合），L7=20mm
（5）蜗杆的受力分析
a.画蜗杆的受力图
如图所示为蜗杆受力图以及水平平面和垂直平面受力图
b.计算作用在蜗杆的力
蜗杆所受的圆周力（d1为蜗杆的分度圆直径）
蜗杆所受的径向力（d2为涡轮的分度圆直径）
蜗杆所受的轴向力
第一段轴中点到轴承中点距离La=111mm，轴承中点到蜗杆中点距离Lb=208mm，蜗杆中点到轴承中点距离Lc=208mm
轴所受的载荷是从轴上零件传来的，计算时通常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。

作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。

通常把轴当做置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关
轴承A和轴承B在水平面内的支承反力为：
轴承A在垂直面内的支承反力为：
轴承B在垂直面内的支承反力为：
轴承A的总支承反力为：
轴承B的总支承反力为：
e.画弯矩图弯矩图如图所示：
在水平面上，蜗杆受力点截面C处弯矩为：
在垂直面上，蜗杆受力点截面C左侧弯矩为：
在垂直面上，蜗杆受力点截面C右侧弯矩为：
合成弯矩，蜗杆受力点截面C左侧为
合成弯矩，蜗杆受力点截面C右侧为
f.转矩和扭矩图
g.校核轴的强度
由弯矩图可知，蜗杆受力点截面左侧为危险截面
其抗弯截面系数为
抗扭截面系数为
最大弯曲应力为
剪切应力为
按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向传动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数α=0.6，则当量应力为
查表得调质处理，抗拉强度极限σB=640MPa，则轴的许用弯曲应力[σ-1b]=60MPa，σe<[σ-1b]，所以强度满足要求。

6.2低速轴设计计算
（1）已知的转速、功率和转矩
转速n2=46.49r/min；功率P2=3.91kW；轴传递的转矩T2=803194.24N•mm
（2）轴的材料选择并确定许用弯曲应力
由表选用45（调质），齿面硬度217～255HBS，许用弯曲应力为[σ]=60MPa
（3）按扭转强度概略计算轴的最小直径
由于低速轴受到的弯矩较小而受到的扭矩较大，故取A0=112。

由于最小轴段直径截面上要开1个键槽，故将轴径增大7%
查表可知标准轴孔直径为55mm故取dmin=55
（4）设计轴的结构并绘制轴的结构草图
a.轴的结构分析
低速轴设计成普通阶梯轴，轴上的齿轮、一个轴承从轴伸出端装入和拆卸，而另一个轴承从轴的另一端装入和拆卸。

轴输出端选用A型键，b×h=20×12mm(GB/T 1096-2003)，长L=70mm；定位轴肩直径为60mm；联接以平键作过渡配合固定，两轴承分别和轴承端盖定位，采用过渡配合固定。

已知涡轮宽度b2=38.17mm
第1段：d1=55mm，L1=40mm
第2段：d2=60mm（轴肩），L2=50mm
第3段：d3=65mm（与轴承内径配合），L3=43mm（由轴承宽度确定）
第4段：d4=70mm（与涡轮内径配合），L4=b2-2-10=38.17-2-10=82mm（等于涡轮轮毂宽度-2mm，以保证齿轮轴向定位可靠）
第5段：d5=80mm（轴肩），L5=5mm
第6段：d6=65mm（与轴承内径配合），L6=38mm
（5）弯曲-扭转组合强度校核
a.画低速轴的受力图
如图所示为低速轴受力图以及水平平面和垂直平面受力图
b.计算作用在轴上的力
涡轮所受的圆周力（d2为涡轮的分度圆直径）
涡轮所受的轴向力（d1为蜗杆的分度圆直径）
涡轮所受的径向力
c.计算作用在轴上的支座反力
第一段轴中点到轴承中点距离Lc=81.5mm，轴承中点到涡轮中点距离Lb=44.585mm，涡轮中点到轴承中点距离La=44.585mm
a.支反力
轴承A和轴承B在水平面上的支反力RAH和RBH
轴承A和轴承B在垂直面上的支反力RAV和RBV
轴承A的总支承反力为：
轴承B的总支承反力为：
b.画弯矩图弯矩图如图所示：
在水平面上，轴截面A处所受弯矩：
在水平面上，轴截面B处所受弯矩：
在水平面上，轴截面C右侧所受弯矩：
在水平面上，轴截面C左侧所受弯矩：
在水平面上，轴截面D处所受弯矩：
在垂直面上，轴截面A处所受弯矩：
在垂直面上，轴截面B处所受弯矩：
在垂直面上，涡轮所在轴截面C处所受弯矩：
在垂直面上，轴截面D处所受弯矩：
c.绘制合成弯矩图
截面A处合成弯矩弯矩：
截面B处合成弯矩：
截面C左侧合成弯矩：
截面C右侧合成弯矩：
截面D处合成弯矩：
d.绘制扭矩图
e.绘制当量弯矩图
截面A处当量弯矩：
截面B处当量弯矩：
截面C左侧当量弯矩：
截面C右侧当量弯矩：
截面D处当量弯矩：
f.校核轴的强度
因涡轮所在轴截面弯矩大，同时截面还作用有转矩，因此此截面为危险截面。

其抗弯截面系数为
抗扭截面系数为
最大弯曲应力为
剪切应力为
按弯扭合成强度进行校核计算，对于单向传动的转轴，转矩按脉动循环处理，故取折合系数α=0.6，则当量应力为
查表得调质处理，抗拉强度极限σB=640MPa，则轴的许用弯曲应力[σ-1b]=60MPa，σe<[σ-1b]，所以强度满足要求。

第七部分滚动轴承寿命校核
7.1高速轴上的轴承校核
根据前面的计算，选用30208轴承，内径d=40mm，外径D=80mm，宽度B=18mm 查阅相关手册，得轴承的判断系数为e=0.37。

当Fa/Fr≤e时，Pr=Fr；当Fa/Fr>e，Pr=0.4×Fr+Y×Fa
轴承基本额定动载荷Cr=63kN，轴承采用正装。

要求寿命为Lh=28800h。

由前面的计算已知轴水平和垂直面的支反力，则可以计算得到合成支反力：
查表得X1=0.4，Y1=1.6，X2=1，Y2=0
查表可知ft=1，fp=1
因此两轴承的当量动载荷如下：
取两轴承当量动载荷较大值带入轴承寿命计算公式
由此可知该轴承的工作寿命足够。

7.2低速轴上的轴承校核
根据前面的计算，选用30213轴承，内径d=65mm，外径D=120mm，宽度B=23mm 查阅相关手册，得轴承的判断系数为e=0.4。

当Fa/Fr≤e时，Pr=Fr；当Fa/Fr>e，Pr=0.4×Fr+Y×Fa
轴承基本额定动载荷Cr=120kN，轴承采用正装。

要求寿命为Lh=28800h。

由前面的计算已知轴水平和垂直面的支反力，则可以计算得到合成支反力：
查表得X1=0.4，Y1=1.5，X2=1，Y2=0
查表可知ft=1，fp=1
因此两轴承的当量动载荷如下：
取两轴承当量动载荷较大值带入轴承寿命计算公式
由此可知该轴承的工作寿命足够。

第八部分键联接设计计算
8.1高速轴与联轴器键连接校核
选用A型键，查表得b×h=8mm×7mm（GB/T 1096-2003）,键长63mm。

键的工作长度l=L-b=55mm
联轴器材料为45，可求得键连接的许用挤压应力[σ]p=120MPa。

键连接工作面的挤压应力
8.2低速轴与涡轮键连接校核
选用A型键，查表得b×h=20mm×12mm（GB/T 1096-2003）,键长70mm。

键的工作长度l=L-b=50mm
涡轮材料为45，可求得键连接的许用挤压应力[σ]p=120MPa。

键连接工作面的挤压应力
8.3低速轴与开式圆柱齿轮键连接校核
选用A型键，查表得b×h=16mm×10mm（GB/T 1096-2003）,键长28mm。

键的工作长度l=L-b=12mm
开式圆柱齿轮材料为40Cr，可求得键连接的许用挤压应力[σ]p=120MPa。

键连接工作面的挤压应力
第九部分联轴器的选择
9.1高速轴上联轴器
（1）计算载荷
由表查得载荷系数K=1.3
计算转矩Tc=K×T=64.53N•m
选择联轴器的型号
（2）选择联轴器的型号
轴伸出端安装的联轴器初选为LX3弹性柱销联轴器（GB/T4323-2002），公称转矩Tn=1250N•m，许用转速[n]=4700r/min，Y型轴孔，主动端孔直径d=38mm，轴孔长度L1=82mm。

从动端孔直径d=30mm，轴孔长度L1=82mm。

Tc=64.53N•m<Tn=1250N•m
n=960r/min<[n]=4700r/min
第十部分减速器的密封与润滑
10.1减速器的密封
为防止箱体内润滑剂外泄和外部杂质进入箱体内部影响箱体工作，在构成箱体的各零件间，如箱盖与箱座间、及外伸轴的输出、输入轴与轴承盖间，需设置不同形式的密封装置。

对于无相对运动的结合面，常用密封胶、耐油橡胶垫圈等；对于旋转零件如外伸轴的密封，则需根据其不同的运动速度和密封要求考虑不同的密封件和结构。

本设计中由于密封界面的相对速度较小，故采用接触式密封。

输入轴与轴承盖间V <3m/s，输出轴与轴承盖间也为V <3m/s，故均采用半粗羊毛毡封油圈。

蜗杆副及高速级轴承选择全损耗系统用油L-AN100润滑油润滑，润滑油深度为7.5cm，箱体底面尺寸为457×80.2cm，箱体内所装润滑油量为
该减速器所传递的功率为5.5kW。

对于单级减速器，每传递1kW的功率，需油量为V0=350cm^3，则该减速器所需油量为：
润滑油量满足要求。

10.2轴承的润滑
滚动轴承的润滑剂可以是脂润滑、润滑油或固体润滑剂。

选择何种润滑方式可以根据齿轮圆周速度判断。

由于涡轮圆周速度≤2m/s，所以均选择脂润滑。

采用脂润滑轴承的时候，为避免稀油稀释油脂，需用挡油环将轴承与箱体内部隔开，且轴承与箱体内壁需保持一定的距离。

在本箱体设计中滚动轴承距箱体内壁距离故选用通用锂基润滑脂（GB/T 7324-1987），它适用于宽温度范围内各种机械设备的润滑，选用牌号为ZL-1的润滑脂。

第十一部分减速器附件
11.1油面指示器
用来指示箱内油面的高度，油标位在便于观察减速器油面及油面稳定之处。

油尺安置的部位不能太低，以防油进入油尺座孔而溢出。

11.2通气器
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，以便达到体内为压力平衡。

11.3放油孔及放油螺塞
为排放减速器箱体内污油和便于清洗箱体内部，在箱座油池的最低处设置放油孔，箱体内底面做成斜面，向放油孔方向倾斜1°～2°，使油易于流出。

11.4窥视孔和视孔盖
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。

11.5定位销
采用销GB/T117-2000，对由箱盖和箱座通过联接而组成的剖分式箱体，为保证其各部分在加工及装配时能够保持精确位置，特别是为保证箱体轴承座孔的加工精度及安装精度。

11.6启盖螺钉
由于装配减速器时在箱体剖分面上涂有密封用的水玻璃或密封胶，因而在拆卸时往往因胶结紧密难于开盖，旋动启箱螺钉可将箱盖顶起。

11.7螺栓及螺钉
用作安装连接用。

第十二部分减速器箱体主要结构尺寸
箱体是减速器中所有零件的基座，是支承和固定轴系部件、保证传动零件正确相对位置并承受作用在减速器上载荷的重要零件。

箱体一般还兼作润滑油的油箱。

机体结构尺寸，主要根据地脚螺栓的尺寸，再通过地板固定，而地脚螺尺寸又要根据两齿轮的中心距a来确定。

设计减速器的具体结构尺寸如下表：
第十三部分设计小结
这次关于一级蜗杆减速器的课程设计，是我们真正理论联系实际、深入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。

通过设计实践，使我对机械设计有了更多的了解和认识，为我们以后的工作打下了坚实的基础。

在设计的过程中，培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力。

由于时间紧迫，所以这次的设计存在许多缺点，比如说箱体结构庞大，重量也很大。

齿轮的计算不够精确等等缺陷，我相信，通过这次的实践，能使我在以后的设计中避免很多不必要的工作，有能力设计出结构更紧凑，传动更稳定精确的设备。

第十四部分参考文献
[1] 濮良贵、纪名刚主编. 机械设计. 北京：高等教育出版社，2006.5
[2] 机械设计手册编委会. 机械设计手册（第1 卷、第2 卷、第3卷）（新版）北京机械工业出版社，2004
[3] 郑文纬、吴克坚主编. 机械原理. 7版. 北京：高等教育出版社，1997.7
[4] 陈立德主编.机械设计课程设计指导书
[5] 龚桂义主编.机械设计课程设计图册（第三版）
[6] 陈铁鸣主编.新比恩机械设计课程设计图册
[7] 邱宣怀主编.机械设计（第四版）.北京：机械工业出版社，1995
[8] 周开勤主编.机械零件手册（第四版）.北京：高等教育出版社，1994
[9] 徐灏主编.机械设计手册.北京：机械工业出版社，1991。