機械課程設計說明書
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《機械設計課程設計說明書》 華南理工大學 課程設計說明書 題目 單級圓柱齒輪減速器 學院 :設計學院 專業(yè) :工業(yè)設計 學號 :200930031109 學生 :羅賢軍 指導老師:胡廣華 2011年7月9日 設 計 說 明 書 設計及說明 結果 一、傳動方案的確定(如下圖): 采用普通V帶傳動加一級斜齒輪傳動。 二、原始數(shù)據(jù): a) 帶拉力: F=5000N b) 帶速度: v=2.03m/s c) 滾筒直徑: D=505mm 三、確定電動機的型號: 1.選擇電動機類型: 選用Y系列三相異步電動機。 2.選擇電動機功率: 運輸機主軸上所需要的功率: Pw=Fv1000=50002.031000=10.15kW 傳動裝置的總效率: η總=η聯(lián)軸η軸承2η齒輪ηV帶ηw 其中,查《機械設計課程設計》P6表2-3 ηV帶,V帶傳動的效率ηV帶=0.95 η齒輪,閉式圓柱齒輪的效率(精度等級8)η齒輪=0.97 η軸承,滾子軸承的效率η軸承=0.98 η聯(lián)軸,彈性聯(lián)軸器的效率η聯(lián)軸=0.933 ηw,工作機的效率ηw=0.96 所以: η總=η聯(lián)軸η軸承2η齒輪ηV帶ηw=0.9330.9820.970.950.96=0.844 電動機所需功率:Pd=kPwη=1.210.150.844=14.431kW 查《機械設計課程設計》P152的表16-1,取電動機的額定功率為15kW。 3.選擇電動機的轉速: 工作機的轉速: nw=v601000πD=2.036010003.14505=76.8r/min 根據(jù)《機械設計課程設計》P5表2.2 V帶傳動比范圍i1=2~4, 單級圓柱齒輪(閉式,斜齒)傳動比i2=3~6, 電動機轉速范圍: nd=nwi1i2=76.82~43~6=460.8~1843.2r/min 選擇電動機同步轉1000r/min,滿載轉速nm=970r/min。 四、確定傳動裝置的總傳動比及各級分配: 傳動裝置得總傳動比: i=nmnw=97076.8=12。6 取V帶傳動比:i1=2.5; 單級圓柱齒輪減速器傳動比:i2=5.04 1.計算各軸的輸入功率: 電動機軸Pd=14.431kW 軸Ⅰ(高速軸) P1=η1Pd=0.9514.431=13.71kW 軸Ⅱ(低速軸) P2=η2η3P1=0.970.9813.71=13.03kW 2.計算各軸的轉速 電動機軸 nm=970r/min 軸Ⅰn1=nmi1=9702.5=388r/min 軸Ⅱn2=n1i2=3885.04=76.98r/min 3.計算各軸的轉矩 電動機軸Td=9550Pdnm=955014.431970=142.1N?m 軸ⅠT1=9550P1n1=955013.71388=337.4N?m 軸ⅡT2=9550P2n2=955013.0376.98=1616.5N?m 4.上述數(shù)據(jù)制表如下: 參數(shù) 軸名 輸入功率 P(kW) 轉速 n(r/min) 輸入轉矩 T(N?m) 傳動比 i 效率 η 電動機軸 14.431 970 142.1 2.5 0.96 軸Ⅰ(高速軸) 13.71 388 337.4 5.04 0.95 軸Ⅱ(低速軸) 13.03 76.98 1616.5 五、傳動零件的設計計算: 1.普通V帶傳動的設計計算: ① 確定計算功率Pc Pc=KAPd=1.214.431=17.32kW KA根據(jù)《機械設計》P347附表2.6,此處為帶式運輸機,載荷變動小,每天兩班制工作每天工作8小時,選擇工作情況系數(shù)KA=1.2 ② 選擇V帶型號 根據(jù)《機械設計》P344附表2.5a,此處功率Pc=17.32kW與小帶輪的轉速nm=970r/min,選擇B型V帶,d=180mm。 ③ 確定帶輪的基準直徑dd1,dd2 根據(jù)《機械設計》P344/P345,附表2.5a和附表2.5b取 小帶輪直徑Dd1=180mm 大帶輪的直徑Dd2=450mm ④ 驗證帶速 v=πDd1nm601000=9.14m/s 在5m/s~25m/s之間。故帶的速度合適。 ⑤ 確定V帶的基準長度和傳動中心距a0 初選傳動中心距范圍為:0.7(Dd1+ Dd2)≤a0≤2(Dd1+ Dd2), 即441≤a0≤1260,初定a0=500mm V帶的基準長度: L0=2a0+π2Dd1+ Dd2+ (Dd2-Dd1)24a0=2500+3.142180+450+450-18024500=1454mm 根據(jù)《機械設計》P349附表2.9,選取帶的基準直徑長度L0=1600mm。 實際中心距: a=a0+Ld-L02=500+1600-14542=573mm ⑥ 驗算主動輪的包角 α1=180-Dd2-Dd157360=151.7 故包角合適。 ⑦ 計算V帶的根數(shù)z z=Pc(P0+?P0)KaKL 由nm=970r/minDd1=180mm 根據(jù)《機械設計》P344/P345,附表2.5a和附表2.5b, P0=3.27kW ?P0=0.29kW 根據(jù)《機械設計》表12-7,Ka=0.92 根據(jù)《機械設計》附表2.9,KL=0.93 z=17.323.27+0.290.920.93=5.69 取z=6根。 ⑧ 計算V帶的合適初拉力F0 F0=500Pczv2.5Ka-1+qv2 根據(jù)《機械設計》P343附表2.2,q=0.19 F0=50017.3269.142.50.92-1+0.199.142=287.1N ⑨ 計算作用在軸上的載荷 Q=2zF0sinα12=3340.7N ⑩ V帶輪的結構設計 (根據(jù)《機械設計》表14.1)(單位:mm) 帶輪 尺寸 小帶輪 大帶輪 槽型 B B 基準寬度bp 14 14 基準線上槽深hamin 3.5 3.5 基準線下槽深hfmin 10.8 10.8 槽間距e 190.4 190.4 槽邊距fmin 11.5 11.5 輪緣厚δmin 7.5 7.5 外徑Da Dd1=180mm Dd2=450mm 內(nèi)徑Ds 30 30 帶輪寬度 B3=2f+ze =137mm B3=2f+ze=137mm 帶輪結構 腹板式 輪輻式 V帶輪采用鑄鐵HT200制造,其允許的最大圓周速度為25m/s 2.齒輪傳動設計計算 (1)選擇齒輪類型,材料,精度,及參數(shù) ① 選用斜齒圓柱齒輪傳動(外嚙合) ② 選擇齒輪材料(考慮到齒輪使用壽命較長): 根據(jù)《機械設計》P382附表12.8 小齒輪材料取為40Cr,調(diào)質(zhì)處理,HBS1=260 大齒輪材料取為40Cr,調(diào)質(zhì)處理,HBS2=255 ③ 初選取齒輪為8級的精度(GB10095-2001) ④ 初選螺旋角β=12 ⑤ 初選小齒輪的齒數(shù)z1=25;大齒輪的齒數(shù)z2=5.0425=126 取z2=126 考慮到閉式軟齒面齒輪傳動最主要的失效為點蝕,故按接觸強度設計,再按彎曲強度校核。 (2)按齒面接觸疲勞強度計算 ①確定計算參數(shù) 傳遞扭矩T1=9.55106P1n1=3.37105(Nmm) 載荷系數(shù)k:因載荷比較平穩(wěn),齒輪相對軸承對稱布置,由表10-4取k=1.1 齒寬系數(shù)ψa=0.5 許用接觸應力[σ]H:由圖10-26(c)查得[σ]Hlim1=720MPa [σ]Hlim2= 680MPa 安全系數(shù)由表10-5取sH=1 則σH1=[σ]Hlim1SH=720MPa σH2=[σ]Hlim2SH=680MPa σH1<σH2,因此應取較小值[σ]H2代入 齒數(shù)比u=5.04,將以上參數(shù)代入下式得 aH≥u+13(305σH)2kT1ψau=186.8mm ②確定齒輪參數(shù)及主要尺寸 圓整中心距取a=187mm 計算模數(shù) mn=2acosβz1+z2=2.4 取標準值mn=2.5,適當減少齒數(shù)z1=24, z2=121 修正螺旋角并計算主要尺寸 β=arccosmn(z1+z2)2a=14.2452 d1=mnz1cosβ=61.90mm d1=mnz2cosβ=312.10mm b=ψaa=93.5mm 圓整后取b2=94mm ,b1=102mm (3)校核彎曲疲勞強度 根據(jù)式(10-35)得σF=1.6kT1cosβz1bmn2YF≤[σF] 許用彎曲應力:由圖10-24(c)得 σFlim1=245MPa σFlim2=240MPa 安全系數(shù)由表10-5取SF=1.3 則σF1=σFlim1SF=188.5MPa σF1=σFlim2SF=184.6MPa 當量齒數(shù)zv1=z1cos3β=26.36 zv2=z2cos3β=132.88 查圖10-23得齒形系數(shù)YF1=2.69 YF2= 2.2 σF1=1.6kT1cosβz1bmn2YF1=41.89MPa<σF1 σF2=σF1YF2YF1=34.26MPa<σF2 (4)齒輪主要尺寸 齒輪傳動的幾何尺寸,制表如下:(詳細見零件圖) 名稱 代號 計算公式 結果 小齒輪 大齒輪 中心距 a a=mn(z1+z2)2cosβ 187mm 傳動比 i i=z2za 5.04 法面模數(shù) mn 設計和校核得出 2.5 端面模數(shù) mt mt=mncosβ 2.6 法面壓力角 αn 標準值 20 螺旋角 β 一般為8~20 14.2452 齒頂高 ha ha=mn 2.5mm 齒根高 hf hf=1.25mn 3.125mm 全齒高 h h=ha+hf 5.625mm 齒數(shù) z 24 121 分度圓直徑 d d=mnzcosβ 61.9mm 312.1mm 齒頂圓直徑 da da=d+2ha 66.9mm 317.1mm 齒根圓直徑 df df=d-2hf 55.65 305.85 齒輪寬 B B=ψaa 93.5mm 86.5mm 螺旋角方向 查表7-6 右旋 左旋 (4)齒輪的結構設計 小齒輪采用齒輪軸,大齒輪采用腹板式 六、減速器鑄造箱體的主要結構尺寸設計 根據(jù)《機械設計課程設計》P14表3-1經(jīng)驗公式,列出下表: 名稱 代號 尺寸計算 結果(mm) 底座壁厚 δ 0.025a+1≥7.5 8 箱蓋壁厚 δ1 (0.8~0.85)δ≥8 8 底座上部凸緣厚度 h0 (1.5~1.75)δ 12 箱蓋凸緣厚度 h1 (1.5~1.75)δ1 12 底座下部凸緣厚度 h2 (2.25~2.75)δ 20 底座加強肋厚度 e (0.8~1)δ 8 底蓋加強肋厚度 e1 (0.8~0.85)δ1 7 地腳螺栓直徑 d 2δ 16(M16) 地腳螺栓數(shù)目 n 表3-4 6 軸承座聯(lián)接螺栓直徑 d2 0.75d 12 箱座與箱蓋聯(lián)接螺栓直徑 d3 (0.5~0.6)d 8(M8) 軸承蓋固定螺釘直徑 d4 (0.4~0.5)d 12 視孔蓋固定螺釘直徑 d5 (0.3~0.4)d 6 軸承蓋螺釘分布圓直徑 D1 D+2.5d4 60,80 螺栓孔凸緣的配置尺寸 c1/c2/D0 表3-2 22/20/30 地腳螺栓孔凸緣的配置尺寸 c1/c2/D0 表3-3 25/23/45 箱體內(nèi)壁與齒輪距離 ? ≥1.2δ 10 箱體內(nèi)壁與齒輪端面距離 ?1 ≥δ 12 底座深度 H 0.5da+(30~50) 190 外箱壁至軸承座端面距離 l1 c1+c2+(5~10) 47 七、軸的設計: 1.高速軸的設計: (1)選擇軸的材料:選取45號鋼,調(diào)質(zhì), HBS2=230(GB699-1988) (2)初步估算軸的最小直徑 根據(jù)《機械設計課程設計》P115表16-2,取A=110, d≥A3P1n1=110313.71388=36.1mm (3)軸的結構設計 因為與V帶聯(lián)接處有一鍵槽,所以直徑應增大5%,考慮帶輪的機構要求和軸的剛度,取安裝帶輪處軸徑d=40mm,根據(jù)密封件的尺寸,選取小齒輪軸徑為d=55mm。初選取型號為30210的圓錐滾子軸承,d=50mm D=90mm B=21.75mm。 1) 兩軸承支點間的距離: L1=B1+2?1+2Δ2+B 式中:B1,小齒輪齒寬,B1=93.5mm ?1,箱體內(nèi)壁與小齒輪端面的間隙,?1=12mm ?2,箱體內(nèi)壁與軸承端面的距離,?2=10mm B,軸承寬度, B=21.75mm 代入上式得 L1=93.5+212+210+21.75=159.25mm 2) 帶輪對稱線到軸承支點的距離: L2=B2+l2+k+l3+B3/2 式中:,軸承蓋高度 l2=δ+c1+c2+5+t-?2-B=8+22+20+5+10-10-21.75=33.25mm t,軸承蓋凸緣厚度,t=1.2d4=10mm, l3,螺栓頭端面至帶輪端面的距離,l3=15mm k,軸承蓋M8螺栓頭的高度,查《機械設計課程設計》P82表9-2可得 k=5.3mm B3,帶輪寬度,B3=118mm 解得 L2=21.752+33.25+15+5.3+1182=143.425mm (4)按彎扭合成應力校核軸的強度 ① 軸的計算簡圖(見下圖) ② 計算作用在軸上的力 小齒輪受力分析 圓周力:Ft1=2T1d1=2337.4100061.9=10901N 徑向力:Fr1=Ft1tanαncosβ=10901tan20cos14.2452=4094N 軸向力:Fa1=Ft1tanβ=10901tan14.2452=2768N ③ 計算支反力 水平面:RAH=RBH=Ft12=5450.5N 垂直面: ∵∑MB=0 RAVL1-Fr1L12+Fa1d2-QL1+L2=0 RAV159.25-4094159.252+276861.92-3340.71159.25+123.425=0 得:RAV=7439N ∵∑F=0 ∴RBV=RAV-Q-Fr1=7439-3340.7-4094=4.3N ④ 作彎矩圖 水平面彎矩: MCH=-Fa1d2=-276861.92=-85670N?mm 垂直面彎矩: MAV=-QL2=-3340.7123.425=-412326N?mm MCV1=-QL2+L12+RAHL12=-3340.7123.425+159.252+5450.5159.252=-244333N?mm MCV2=-RBVL12=-4.3159.252=-342N?mm 合成彎矩: MA=MAV=-412326N?mm MC1=MCH2+MCV12=(-85670)2+(-244333)2=258917N?mm MC2=MCH2+MCV22=(-85670)2+(-342)2=85671N?mm ⑤ 作轉矩圖 T1=144400N?mm 當扭轉剪力為脈動循環(huán)應變力時,取系數(shù)α=0.6,則: McaD=MD2+αT12=02+0.63374002=202440N?mm McaA=MA2+(αT1)2=(-412326)2+(0.6337400)2=459342N?mm McaC1=MC12+αT12=2589172+0.63374002=328664N?mm McaC2=MC22+(αT1)2=(85671)2+(0.6337400)2=219821N?mm ⑥ 按彎扭合成應力校核軸的強度. 軸的材料是45號鋼,調(diào)質(zhì)處理,其拉伸強度極限σb=650MPa,對稱循環(huán)變應力時的許用應力σ-1b=60MPa 由彎矩圖可以知道,A剖面的計算彎矩最大,該處的計算應力為: σcaC2=McaAW≈McaA0.1dA3=4593420.1503=36.75MPa<σ-1b=60MPa D剖面的軸徑最小,該處的計算應力為: σcaD=McaDW≈McaD0.1dD3=2024400.1403=31.63Pa<σ-1b=60MPa 均滿足強度要求。 2.低速軸的設計 (1)選擇軸的材料:選取45號鋼,調(diào)質(zhì), HBS2=250(GB699-1988) (2)初步估算軸的最小直徑 根據(jù)《機械設計課程設計》P115表16-2,取A=110, d≥A3P2n2=110313.0376.98=60.8mm (3)軸的結構設計 考慮聯(lián)軸器的結構要求及軸的剛度,取裝聯(lián)軸器處的軸d=65mm,根據(jù)《機械設計課程設計》P150表15-4。十字滑塊聯(lián)軸器處軸徑取d=65mm,安裝長度L1=125mm。 按軸的結構和強度要求選取軸承處的軸徑d=75mm,初選型號為30215型的圓錐滾子軸承,d=75mm D=130mm B=27.25mm。 3) 兩軸承支點間的距離: L3=B2+2?1+2Δ2+B 式中:B2,大齒輪齒寬,B2=86.5mm ?1,箱體內(nèi)壁與小齒輪端面的間隙,?1=12mm ?2,箱體內(nèi)壁與軸承端面的距離,?2=10mm B,軸承寬度,選取30214型軸承,B=27.25mm 代入上式得 L3=86.5+212+210+27.25=157.75mm 4) 聯(lián)軸器對稱線到軸承支點的距離: L4=B2+l2+k+l3+B3/2 式中:,軸承蓋高度 l2=δ+c1+c2+10+t-?2-B=8+22+20+10+5-10-27.25=27.75mm t,軸承蓋凸緣厚度,t=1.2d4=10mm, l3,螺栓頭端面至聯(lián)軸器端面的距離,l3=15mm k,軸承蓋M8螺栓頭的高度,查《機械設計課程設計》P82表9-2可得 k=5.3mm B3,聯(lián)軸器的安裝長度,B3=125mm 解得 L4=27.252+27.75+5.3+15+1252=124.175mm (4)按彎扭合成應力校核軸的強度 ① 計算作用在軸上的力 小齒輪受力分析 圓周力:Ft1=2T2d2=21616.51000312.1=10359N 徑向力:Fr1=Ft1tanαncosβ=10359tan20cos14.2452=3890N 軸向力:Fa1=Ft1tanβ=10359tan14.2452=2630N ③ 計算支反力 水平面:RAH=RBH=Ft12=5179.5N 垂直面: ∵∑MB=0 RAVL3-Fr1L32-Fa1d22=0 RAV157.75-3890172.752-2630312.12=0 得:RAV=4547N ∵∑F=0 ∴RBV=RAV-Fr1=4547-3890=657N ④ 作彎矩圖 水平面彎矩: MCH=-RAHL32=-5179.5157.752=-408533N?mm 垂直面彎矩: MAV=0N?mm MCV1=RAVL32=4547157.752=358645N?mm MCV2=-RBVL32=-657157.752=-53241N?mm 合成彎矩: MA=MAV=0N?mm MC1=MCH2+MCV12=(-408533)2+(358645)2=543623N?mm MC2=MCH2+MCV22=(-408533)2+(-53241)2=411988N?mm ⑤ 作轉矩圖 T1=1616500N?mm 當扭轉剪力為脈動循環(huán)應變力時,取系數(shù)α=0.6,則: McaA=MA2+(αT1)2=(0)2+(0.61616500)2=969900N?mm McaC1=MC12+αT12=5436232+0.616165002=1111860N?mm McaC2=MC22+(αT1)2=(411988)2+(0.61616500)2=1053774N?mm ⑥ 按彎扭合成應力校核軸的強度. 軸的材料是45號鋼,調(diào)質(zhì)處理,其拉伸強度極限σb=650MPa,對稱循環(huán)變應力時的許用應力σ-1b=60MPa 由彎矩圖可以知道,C1剖面的計算彎矩最大,該處的計算應力為: σcaC2=McaC1W≈McaC10.1dC13=11118600.1803=21.7MPa<σ-1b=60MPa 聯(lián)軸器處軸頸最小 σcaD=McaDW≈McaD0.1dD3=9699000.1653=35.32MPa<σ-1b=60MPa 均滿足強度要求。 八、滾動軸承的選擇和計算 初定高速軸軸承型號30210,低速軸上軸承型號30215. 1.高速軸滾動軸承校核 ① 初步選取的軸承:選取30210, e=1.5tanα=1.26 Cr=72.2kN ② 軸承徑向載荷 R1=RAH2+(RAV)2=5450.52+74392=9222N R2=RBH2+RBV2=5450.52+-4.32=5451N 軸承軸向載荷:S1=5950N S2=3517N 外部軸向力: Fα=2768N S2- 配套講稿:
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