哈工大机械设计课程设计蜗杆减速器设计说明书

目录

一、选择电机 (2)

二、计算传动装置的传动比 (3)

三、计算传动装置各轴的运动参数与动力参数 (3)

四、传动零件的设计计算 (4)

五、热平衡计算 (7)

六、机体的结构尺寸 (7)

七、蜗轮与蜗轮轴的设计计算 (8)

八、蜗杆轴的设计 (15)

九、减速器的润滑及密封条件的选择 (16)

十、减速器的附件设计 (17)

一、选择电机

1、选择电机类型

按工作要求和工作条件选择YB 系列三相鼠笼型异步电动机，其结构为全封闭式自扇冷式结构，电压为380V 。 2.选择电机的容量

工作机的有效功率为:

365.11000

65

.021001000=?==

Fv P W 从电动机到工作机输送带间的总效率为;

4321ηηηηη=∑

式中：

1η---联轴器的传动效率；

2η---轴承的传动效率；

3η---蜗轮的传动效率；

4η---卷筒的传动效率。

由表9.1可知，10.99η=，98.02=η，30.75η=，96.04=η，则692.0=∑η，所以

电动机所需的工作功率为

Kw P P w

d 974.1692

.0365

.1==

=

∑

η 2、确定电动机的转速

工作机卷筒的转速为

min /50250

14.365

.0100060100060r d v n w ≈???=?=

π

由于蜗轮的齿数为28—80，故选则蜗杆的头数Z 1=2。 所以电动机转速可选的范围为

2000~50050)40~10(=?=?=∑w d n i n min /r

符合这一范围的同步转速为500r/min ，1000r/min 和1500r/min 。综合考虑电动机和传动装置的尺寸、质量及价格等因素，为使传动装置结构紧凑，决定选用同步转速为1000r/min

的电动机。

根据电动机的类型、容量和转速，由机械设计手册选定电动机的型号为Y112M-6，其主要性能如表1.1所示，电动机的主要外形尺寸和安装尺寸如表1.2所示。 表1.1

Y112M-6型电动机的主要性能

表1.2

电动机的主要外形和安装尺寸（单位mm ）

二、计算传动装置的传动比

总传动比

8.1850

940===

=∑w m n n i i 三、计算传动装置各轴的运动参数与动力参数

1、各轴的转速

Ⅰ轴min /9401r n n m == Ⅱ轴min /508

.1894012r i n n ===

卷筒轴min /5023r n n ==

2、各轴的输入功率

Ⅰ轴Kw P P d 954.199.0974.111=?==η Ⅱ轴Kw P P 451.175.099.0954.13212=??==ηη 卷筒轴Kw P P 422.199.099.0451.1212卷

=??==ηη 3、各轴的输入转矩

电动机的输出转矩T d 为

mm N n P T m d d ??=??=?=466

1001.2940

974.11055.91055.9 所以：Ⅰ轴mm N T T d ??=??==44111099.199.01001.2η Ⅱ轴mm N i T T ??=????==5432121078.28.1875.099.01099.1ηη 卷筒轴mm N T T ??=???==55212卷1072.299.099.01078.2ηη 将上述计算结果汇总于表1.3，以备查用。

表1.3

传动装置的运动和动力参数

四、传动零件的设计计算

1．蜗轮蜗杆的材料选择

由于输入功率不太大，转速也不是很高，蜗杆材料选用45钢，整体调质，表面淬火，齿面硬度220~250HBW 。对于蜗轮材料，初估蜗杆副的滑动速度v s<6m/s ，故选择蜗轮的材料为铝青铜。

2、按疲劳强度设计模数

根据公式

22212)][(

9H

E z Z KT d m σ≥

式中：z 2——蜗轮的齿数； T ——蜗轮的转矩； z E ——为弹性系数； d 1——蜗杆分度圆直径；

H ][σ——材料金恩许用接触应力；

K ——载荷系数。

根据减速器的工作环境及载荷情况，参考文献[1]表7.4查的使用系数K A =1.0；假设蜗轮圆周速度v 2<3m/s,则动载系数K v =1.0；因为工作平稳，故取齿向载荷分布系数K β=1.0，所以

K=K A K βK v =1.0×1.0×1.0=1.0

由于蜗轮的齿数在28~80之间，且考虑到减速器的尺寸，选取蜗杆头数z 1=2，则蜗轮齿数

z2=z1×i=2×18.8=37.6，取为

38，故此时

192

38

12===

z z i ，)%5~3(%1.1%100|8

.188

.1819|||

<=?-=?i i ，即传动比符合要求。 查表得弹性模量Z E =MPa 160；材料基本许用接触应力MPa H 180][=σ。带入公式

中得

35222210.1369)180

38160

(1078.20.19)][(

9mm z Z KT md H E =?????=≥σ

查参考文献[1]表7.1，选取模数m=5mm ，蜗杆分度圆d 1=63mm 。 3、验算蜗轮圆周速度v 2，相对滑动速度vs 及传动效率η

s m n d v /497.01000

6050

38514.31000

602

22=????=

?=

π

显然v 2<3m/s,与原假设相符，即K 取值合适。

由159.063

2

5tan 11=?==

d mz γ，得02.9=γ°

，所以 s m n d v s /13.3°

02.9cos 100060940

6314.3cos 1000601

1=????=

??=

λ

π

显然v s <6m/s ，与原假设相符，取K v 值合理。

由v s =3.13m/s ，查参考文献[1]表7.7，利用插值法得当量摩擦角'ρ=2°35’，所以

758.0~749.0)

35.202.9tan(02

.9tan )96.0~95.0()'tan(tan )

96.0~95.0(=+?=+=ρλγη

与原来初值取值相符。

4、计算蜗轮蜗杆的主要几何尺寸

中心距mm d d a 5.1262

190

63221=+=+=

，取mm a 130'=，则变位系数

mm m a a x 7.05

5

.126130'=-=-=

。 其他尺寸总汇于表1.4 表1.4

五、热平衡计算

所需散热面积

)

()1(100001t t K P A s --=

η 该设计的减速器工作环境是清洁，取油温t=80℃，周围空气温度t 0=20℃，通风条件良好，取散热系数C)/(152?=m W K s ，传动效率为η=0.78.则

201478.0)

2080(15)78.01(954.11000)()1(1000m t t K P A s =-?-??=--=

η

机体外表面的面积

21395.0)132.0277.0277.0374.0132.0374.0(2m A =?+?++?=

机体表面凸缘面积

21185.022)132.0277.0(84.0048.014.02m A =??+?+??=π

与理论散热面积相比

A m A A A >=?+=-+221488.0185.05.0395.05.0

即箱体与凸缘面积满足散热需求。

六、机体的结构尺寸

蜗轮的圆周速度v 2=0.497m/s ，由参考文献[2]可知，选用精度等级为9级，该传动平稳，选用的侧隙种类为c ，即传动9c GB/T 10089—1988。

蜗杆的圆周速度v 1=3.1m/s,查表选用精度等级为8级，该传动平稳，选用的侧隙种类为c ，即传动8c GB/T 10089-1988.

根据传动中心距a 可以确定铸铁蜗杆减速器机体的结构尺寸计算表如下：

表1.5连接螺栓扳手空间c1，c2值和沉头座直径表

七、蜗轮与蜗轮轴的设计计算

1.轴的材料选择

因传递功率不大，并对质量及结构尺寸无特殊要求，考虑到经济性选用常用材料45#钢，调

质处理。

2.初算轴径及联轴器的确定

2.1、蜗轮轴最小轴颈与联轴器的确定 对于蜗轮轴

mm n p C d 8.3350

451.111033

222min =?=≥ 故蜗轮轴最小轴颈dmin =1.03?33.8=34.8m 。

蜗轮轴计算转矩为

m N mm N KT Tc ?≈???==4171078.25.152

由计算转矩与电动机轴尺寸，选择联轴器的型号为GY6。

3、蜗轮轴结构设计

（1）轴承部件的结构形式：蜗杆减速器的中心距a=130，通过查表选择减速器的机体采用剖分式结构。因传递功率小，故轴承的固定方式可采用两端固定方式。因此，所设计的轴承部件的结构形式如图1所示。然后可按转轴轴上零件的顺序，从d min 处开始设计。

（2）联轴器及轴段1的设计：d min 就是轴段1的直径，又考虑到轴段1上安装联轴器，因此，轴段1的设计和联轴器的设计同时进行。

由于联轴器的一端连接工作机一端连接轴，其转速比较低，传递转矩比较大。采用凸缘刚性联轴器。联轴器所在轴段比联轴器长度短1~2mm ，故取L 1=80mm ，d 1=38mm 。

（3）密封圈与轴段2的设计：考虑到联轴器右端的固定和密封圈的标准，取轴段d 2=48mm ，轴段2的长度根据箱体的壁厚、轴承凸台的厚度、轴承端盖的厚度以及联轴器类型确定:L 2=52mm ，密封圈为毛毡油封密封圈FZ/T92010-1991中直径是内圈直径为47mm,外圈直径为60mm 的。

（4）轴段3与轴段6：考虑到蜗杆减速器有轴向力，轴承类型选用圆锥滚子轴承，轴段3上安装轴承，要使轴承便于安装又符合轴承内径系列，暂取轴承型号为30210，由参考文献[2]表12.4知，其内径d=50mm ，外径D=90mm ，宽度B=20mm ，故取d 3=d 6=50 mm ，考虑到安装挡油板时的长度与套筒的长度，L 3=45mm ，轴段6除了安装轴承外还有有加工倒角，故L 6=35mm 。

（5）蜗轮与轴段4：轴段4上安装蜗轮，为了方便安装蜗轮d 4应该略大于d 3，取d 4=56mm ，按照蜗轮的设计，蜗轮的轮毂宽为（1.5~1.9）d 5，取轮毂宽为90mm ，则轴段5

的长度略小于蜗轮轮毂宽度，取L 5=88mm

（6）轴肩5的设计：轴段6上安装与轴段3成对的甩油环，考虑到轴承受力的对称性轴肩5的长度L 5=7mm

（7）键连接：联轴器及蜗轮的轴向连接均采用普通平键连接，分别为键10×70 GB/T 1096-1990及键16×70 GB/T 1096-1990.

图一

4、蜗轮轴的受力分析

轴向力：N d T Fa 7.63163

1099.1224

112=??==

向心力：N d T F F r r 1.106520tan 1901078.22tan 25

2212=???=?==

切向力：N d T F t 3.2926190

1078.2225

222=??==

受力图如图二所示

图二

在水平面上

N d F F R A r H 1.936154

2

/1907.631791.106576792/792222=?+?=+?+?=

N R F R H r H 1291.9361.1065221=-=-=

在垂直平面上

N F R R t v v 2.14632/3.29262/221====

故轴承Ⅰ上的总支承反力

N R R F H v R 9.14692.14631292221211=+=+=

轴承Ⅱ上的总支承反力

N

R R F v H R 0.17372.14631.9362

222222=+=+=

故在水平面上，A-A 剖面左侧：

mm N L R M H AH ?=?=?=1019179129211

A-A 剖面右侧：

mm N L R M H AH ?=?=?=6.71143761.936322

在竖直平面上：

mm

N L R M v AV ?=?=?=8.115592792.1463211

由于L 2与L 3十分接近，故将竖直面上的M AV1与M AV2相等。 故合成弯矩，A-A 剖面左侧：

mm N M M M AV AH A ?=+=+=1160418.11559210191222211

A-A 剖面右侧：

mm N M M M AV AH A ?=+=

+=1357318.11559271143222211

5校核蜗轮轴的强度

A-A 剖面左侧因弯矩大、有转矩，还有键引起的应力集中，故A-A 剖面右侧为危险截面。 由附表10.1，抗弯剖面模量

3323

7.1541856

2)

656(616561.02)(1.0mm d t d bt d W =?-??-?=--=

抗扭剖面模量

3323

3.3298056

2)

656(616562.02)(2.0mm d t d bt d W T =?-??-?=--=

弯曲应力

MPa W M b 8.87

.15418135731

===

σ MPa b a 8.8==σσ

0=m σ

扭剪应力

MPa W T T T 4.83

.329801078.25

=?==τ

MPa T m 2.42/4.82/===ττ

对于调质处理的45钢，查得MPa B 650=σ，MPa 3001=-σ，MPa 1551=-τ，查得材料的等效系数2.0=σψ，1.0=τψ。键槽引起的应力集中系数，查得57.1,82.1==τσK K 绝对尺寸系数，查得76.0,81.0==τσεε。

轴磨削加工时的表面质量系数查得92.0=β。故安全系数

96.130

8.881

.092.082

.1300

1

=+??=

+=

-m

a K S σψσβεσσσ

σ

σ

04.82

.41.04.876

.092.057

.1155

1

=?+??=

+=

-m

a K S τψτβετττ

τ

τ

97.604.896.1304.896.132

2

2

2

=+?=

+=

τ

στσS S S S S

查得许用安全系数5.1~3.1][=S ，显然][S S >，故A-A 剖面安全。 6、校核键连接的强度

联轴器处键连接的挤压应力

MPa dhl T P 96.60)1070(8381078.2445

2=-????==σ

式中：d ——键连接处直径； T 2——传递的转矩； h ——键的高度； l ——键连接的计算长度。

取键、轴、联轴器的材料都为钢，查机械设计手册得MPa p 150~120][=σ，显然，

p p ][σσ<，故强度足够。

齿轮处键连接的挤压应力

MPa dhl T P 77.36)

1670(10561078.2445

2=-????==σ

取键、轴、齿轮的材料都为钢，得MPa P 150~120=σ。显然，P P ][σσ<，故强度足够。

7、校核蜗轮轴轴承寿命

由参考文献[2]表12.4查的圆锥滚子轴承30210计算系数Y=1.4，e=0.42，则圆锥滚子轴承30210内部轴向力为

N Y F F R S 96.5244.129

.1469211=?==

N Y F F R S 35.6204.120.1737222=?==

图三

21S S 及的方向如图所示，1S 与A 同向，则

N F F A S 7.11567.63196.5241=+=+

显然，21S a S F F F >+，因此轴有右移趋势，但由轴承部件的结构图分析可知轴承Ⅰ将保持平衡，故两轴承的轴向分力分别为

N F F F A S a 7.115612=+= N F F S a 96.52411==

比饺两轴承的受力，故只需校核轴承Ⅱ。 因为

e F F R a >==66.00.1737/7.1156/22

所以X=0.4,Y=1.4。则轴承Ⅱ的计算当量动载荷

N YF XF P a R 8.23147.11564.10.17374.022=?+?=+=

当轴承在C O

100以下工作，查参考文献[1]表10.10得1=T f 。由减速器的工作情况，

查表10.11得载荷系数1=P f 。故轴承的寿命

h P f C f n L F t h

7366101006.1)8

.23140.1103.730.1(506010)(6010?=?????==ε 已知减速器使用4年，二班制工作，则预期寿命

h L h 24000625016'=??=

显然h L 10远大于'h L ，故轴承寿命很充裕。

7.蜗轮设计计算

蜗轮的分度圆直径d=190mm ，为了节约比较贵重的青铜材料，故蜗轮的结构采用装配式，按照机械设计课程设计图号11设计蜗轮结构，其数据如下表所示

八、蜗杆轴的设计

1、材料的选择

因传递功率不大，并对质量及结构尺寸无特殊要求，考虑到经济性选用常用材料45#钢，调质处理。

2、最小轴颈与联轴器的确定

对于转轴，按扭转强度初算轴径，查参考文献[1]表9.4得C=106~118，考虑到轴端的弯矩和转矩的大小，故取C=110，则对于蜗杆轴

mm n p C d 04.14940

954

.111033

111min =?=≥ 该段轴上有一键槽，将计算值加大3%，及dmin=14.46mm 。

为了减小启动转矩，联轴器应具有较小的转动惯量和良好的减震性能，因此选用弹性联轴器，联轴器一端连接电动机，一端连接蜗杆轴。蜗杆轴计算转矩为

m N mm N KT Tc ?≈???==3001099.15.141

式中：T ——联轴器传动的名义转矩；

K ——工作情况系数，查参考文献[1]得：工作机为带式运输机时K=1.25~1.5，该设计取K=1.5。

由计算转矩与电动机轴尺寸，选择联轴器的型号为LH2。

3、结构设计

（1）轴承部件的结构形式：蜗杆减速器的中心距a=130，通过查表选择减速器的机体采用剖分式结构。因传递功率小，故轴承的固定方式可采用两端固定方式。因此，所设计的轴承部件的结构形式如图3所示。然后可按转轴轴上零件的顺序，从d min处开始设计。

（2）联轴器及轴段1的设计：d min就是轴段1的直径，又考虑到轴段1上安装联轴器，因此，轴段1的设计和联轴器的设计同时进行。

由于联轴器的一端连接电动机机一端连接轴，其转速比较高，传递转矩比较小。采用弹性联轴器。联轴器所在轴段比联轴器长度短1~2mm，故取L1=60mm ，d1=28mm。

（3）密封圈与轴段2的设计：考虑到联轴器右端的固定和密封圈的标准，取轴段d2=38mm，轴段2的长度根据箱体的壁厚、轴承凸台的厚度、轴承端盖的厚度以及联轴器类型确定:L2=53mm，密封圈为唇形密封圈GB/T 13871.11—2007中直径是内圈直径为38mm,外圈直径为58mm标准。

（4）轴段3与轴段6：考虑到蜗杆减速器有轴向力，轴承类型选用圆锥滚子轴承，轴段3上安装轴承，要使轴承便于安装又符合轴承内径系列，暂取轴承型号为30209，由参考文献[2]表12.4知，其内径d=45mm，外径D=85mm，宽度B=19mm，故取d3=d6=45mm，考虑到安装挡油板时的长度，L3=29mm，轴段6除了安装轴承外还有有加工倒角，故L6=32mm。

（5）轴肩5、7的设计：轴段3上安装与轴段6成对的挡油板，考虑到轴承受力的对称性轴肩5、6的长度L5=5mm，d5=d6=60mm。

（6）轴段4：由于车制蜗杆，需要两端留出退刀槽，两端都为35mm，直径d4=51mm。螺旋长度为90mm，考虑到倒角，取L4=172mm

（7）键连接：联轴器采用普通平键连接，为键8×53 GB/T 1096-1990

图三

九、减速器的润滑及密封条件的选择

1、蜗轮蜗杆润滑

啮合条件采用油润滑，采用L-CKE220蜗轮蜗杆油，状油深度60~70mm。

2、轴承润滑

轴承采用脂润滑，填充量不超过轴承空间的1/3，每隔半年更换润滑脂。

3、蜗轮蜗杆的密封

蜗杆轴承透盖采用唇型密封圈密封，防止油液溅出；蜗轮轴承透盖采用毛毡密封。

十、减速器的附件设计

1、窥视孔和窥视孔盖得设计

窥视孔的作用是方便人手伸入机箱内手动调节蜗轮的轮齿啮合，因此窥视孔盖的大小应该能伸入手的大小，如果太大，结构会显得不合理而且加工费用会比较贵，综合上述因素，按照机械设计课程设计内容选择窥视孔的参数如下表（单位mm）

2、通气器的设计

根据减速器的工作环境为清洁，选择结构简单的通气螺栓，根据机体的大小按照简明机械设计课程设计图册的表选择的通气器参数如下表（单位mm）

3、放油孔及放油螺栓的设计

放油螺栓的设计按照简明机械设计课程设计图册图号17选取的螺栓及油圈参数如下表。

4、油标的设计

考虑到减速器的结构简单原则，选用杆式油标，其油标孔直接在减速器箱体上铸出，按照简明械设计课程设计图册图号16的选取油标的参数如下表(单位mm)

6、定位销

为保证轴承座空的加工与装配精度，采用两个直径为8mm，长度为42mm，锥度为1:50

的圆锥销定位，呈非对称布置，且两个定位销相聚远一些。

7、启盖螺钉

为了便于拆下机盖，在机盖的凸缘上安装一直径为10mm，长度为30mm的启盖螺钉。十一、参考文件

[1]宋宝玉,王黎钦.机械设计.北京：高等教育出版社,2010.5

[2]宋宝玉.机械设计课程设计指导书.北京：高等教育出版社,2006.8

[3]宋宝玉.简明机械设计课程设计图册.北京：高等教育出版社,2007.5