卷扬机传动装置设计说明书.doc
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卷扬机传动装置设计说明书.doc
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机械设计课程设计计算说明书
设计题目卷扬机传动装置
机械工程及自动化学院(系)班
设计者
指导老师
2009-5-24
北京航空航天大学
前言
本设计说明书是《机械设计综合课程设计》这门必修课的课程作业之一,它与一张减速器箱体的装配图、两张零件图,共同构成了此门课的作业内容。
本设计说明书是卷扬机传动装置,即减速器箱体及其零件的设计说明。
内容包括:
卷扬机传动装置的设计任务及设计要求,卷扬机传动装置的总体方案设计,传动件的设计计算和箱体及其附件的设计计算等。
其中总体方案设计包括传动方案的设计及可行性分析比较,原动机选择,机械装置的运动和动力参数计算,机械装置总体方案简图等四方面的内容;传动件的设计计算包括带传动的设计计算,斜齿圆柱齿轮的设计计算,轴的设计计算及校核,滚动轴承的校核及计算,键的选择及校核,联轴器的校核及计算等六方面的内容;减速器箱体及附件的设计计算包括箱体主要参数的设计计算,箱体附件的选择及简要说明,润滑及密封方式的选择及说明,技术要求说明等四方面的内容。
减速器设计的几乎全部尺寸及设计的相关参数都在此设计说明书中体现出来,它是产品设计的重要技术文件之一,是图样设计的基础和理论依据,也是进行设计审核的依据。
此设计说明书参考课程设计教材及相关指导书完成,百分之八十内容系原创,部分内容借鉴上届学长的设计说明书和图书馆资料查得的设计说明书。
书写过程中得到毕树生老师的指导帮助,还有各位同学的意见建议,在此一并表示感谢。
目录
一、 设计任务 -3-
(一)设计要求 -3-
(二)原始技术数据 -3-
(三)设计任务 -4-
二、总体方案设计 -4-
(一)传动方案的设计及可行性分析比较 -4-
(二)原动机选择 -7-
1、选择电动机类型和结构形式 -7-
2、选择电动机容量 -7-
3、确定电动机转速 -8-
(三)机械装置的运动和动力参数计算 -9-
1、分配传动比 -9-
2、运动和动力参数计算 -10-
(四)机械装置总体方案简图 -11-
二、传动件设计计算 -12-
(一)带传动的设计计算 -12-
(二)斜齿圆柱齿轮的设计计算 -14-
1、高速级齿轮的设计计算 -14-
2、低速级齿轮的设计计算 -22-
(三)轴的设计计算及校核 -31-
1、轴1的设计计算及校核 -31-
2、轴2的设计计算及校核 -35-
3、轴3的设计计算及校核 -40-
(四)滚动轴承的校核和计算 -45-
1、支承轴1的滚动轴承的校核 -45-
2、支承轴2的滚动轴承的校核 -47-
3、支承轴3的滚动轴承的校核 -49-
(五)键的选择及校核 -50-
1、高速轴外伸端带轮与轴联接处键的选择和校核 -50-
2、中间轴高速级大齿轮与轴联接处键的选择和校核 -51-
3、中间轴低速级小齿轮与轴联接处键的选择和校核 -52-
4、低速轴低速级大齿轮与轴联接处键的选择和校核 -53-
5、低速轴外伸端联轴器与轴联接处键的选择和校核 -53-
(六)联轴器的校核和计算 -54-
四、减速器箱体及附件的设计 -55-
1、箱体主要结构尺寸的设计 -55-
2、减速器箱体附件的选择和简要说明 -56-
3、润滑及密封 -56-
4、技术要求 -57-
五、参考资料 -57-
一、设计任务
(一)设计要求
1、卷扬机由电动机驱动,用于建筑工地提升物料。
2、室外工作,生产批量为五台。
3、动力源为三相交流380/220V,电动机单向运转,载荷较平稳。
4、使用期限为10年,大修周期为三年,双班制工作。
5、专业制造厂制造,可加工7、8级精度的齿轮、蜗轮。
该装置的设计参考图如下图所示。
(二)原始技术数据
数据编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
绳牵引力W/kN
12
12
10
10
10
10
8
8
7
7
绳牵引速度v/(r/min)
0.3
0.4
0.3
0.4
0.5
0.6
0.4
0.6
0.5
0.6
卷筒直径D/mm
470
500
420
430
470
500
430
470
440
460
选择第六组数据:
绳牵引力W(kN)10
绳牵引速度v(m/s)0.6
巻筒直径D(mm)500
(三)设计任务
1、完成卷扬机总体传动方案设计和论证,绘制总体设计原理方案图。
2、完成卷扬机主要传动装置结构设计。
3、完成装配图1张(A0或A1),零件图2张。
4、编写设计说明书。
二、总体方案设计
(一)传动方案的设计及可行性分析比较
总体布置简图如下:
传动装置是将原动机的运动和动力传递给工作机的中间装置,它可以实现减速或增速,改变运动形式以及将动力和运动传递与分配的作用。
卷扬机是由电动机驱动,经传动装置,用于建筑工地提升物料的机械。
它的传动装置主要用来传递动力和运动,实现减速。
原始数据:
绳牵引力W(kN)10
绳牵引速度v(m/s)0.6
巻筒直径D(mm)500
选择最低转速的电动机,其转速为750r∕min,估计传动装置的传动比如下:
工作机转速为
=r∕min
=22.92r∕min
=750r∕min∕22.92r∕min=32.7>25
所以,仅仅使用一个二级减速器会使减速器的外形尺寸过大,不能满足最优的要求。
当电机转速更大时,二级减速器更不能满足要求,故不能只采用一个二级齿轮减速器,需另加一个减速装置以分配传动比。
经分析可设计出以下几种传动方案(其他方案明显不满足传动要求)。
(1)二级闭式齿轮传动和一级开式齿轮传动
方案一:
此传动装置采用二级闭式圆柱齿轮传动和一级开式齿轮传动。
闭式齿轮传动较平稳,润滑条件好,置于高速级;开式齿轮传动置于低速级。
此种方案结构较紧凑,成本较低,但开式润滑困难,致使传动装置整体寿命较短,也不适于较差的工作环境。
(2)蜗轮蜗杆传动和一级闭式齿轮传动
方案二:
此种传动装置采用蜗轮蜗杆传动和一级圆柱齿轮传动,传动比大,传动较平稳,结构紧凑,通过控制某些设计参数可使蜗杆传动自锁;但是传动效率较低,蜗轮较易磨损和胶合,结构较复杂且蜗轮常采用较贵重金属,加工工艺较复杂,制造成本较高,长期连续工作不经济。
(3)带传动和二级闭式圆柱齿轮传动
方案三:
此传动装置采用一级V带传动和二级闭式圆柱齿轮传动。
带传动传动平稳噪声小,可缓和冲击和振动,具有过载保护能力,置于高速级;圆柱齿轮传动效率高,结构尺寸小,置于低速级。
此传动方案外型尺寸较大,传动平稳,传动效率高,V带不适合在恶劣长期过载环境下工作。
(4)一级闭式锥齿轮传动和二级闭式圆柱齿轮传动
方案四:
此传动装置采用一级闭式锥齿轮传动和二级闭式圆柱齿轮传动。
为了减小锥齿轮尺寸,圆锥齿轮布置在高速机,二级圆柱齿轮减速器置于低速级。
该方案中大尺寸的锥齿轮的加工设备较少,加工困难,且采用两个减速装置,使结构复杂,影响传动的稳定性和可靠性。
通过对以上方案分析比较可知,方案三作为卷扬机的传动装置的总体传动方案较合适。
(二)原动机选择
该装置执行机构已给出,不需设计,传动装置选择方案三,如下图。
故只需选择原动机即可。
1、选择电动机类型和结构形式
因为本传动的工作状况是:
载荷平稳、单向运转,根据工作条件和要求,选用一般用途的Y系列全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机,电压380V。
原始数据:
绳牵引力W(kN)10
绳牵引速度v(m/s)0.6
巻筒直径D(mm)500
2、选择电动机容量
电动机所需要的实际功率即电动机的输出功率
工作机的输出功率
所以
=
由电动机至卷筒的传动总效率为(绳索伸长及绳索与卷筒之间的摩擦损失功率忽略不计)
确定各部分效率为:
联轴器效率=0.99
V带传动效率=0.96
滚动轴承效率(一对)=0.99
闭式齿轮传动效率=0.97
代入,得
=
=0.8504
故所需电动机的功率为
==kW=7.06kW
因载荷平稳,电动机额定功率略大于即可。
查机械设计手册,得Y系列电动机的技术数据,选电动机的额定功率为7.5kW。
3、确定电动机转速
确定工作机转速为
=r∕min
=22.92r∕min
为了便于选择电动机转速,需先推算电动机转速的可选范围,查机械设计手册,V带传动常用传动比范围=2~4,二级圆柱齿轮减速器为=8~40,则传动比的范围为=·=16~160,故电动机转速的可选范围为
=·=(16~160)×22.92r∕min
=366.72~3667.2r∕min
符合这一转速范围的同步转速有750r∕min、1000r∕min、1500r∕min和3000r∕min。
根据容量和转速,由有关机械设计手册查出四种适用的电动机型号列于表一,因此可有三种传动比方案。
表一额定功率为7.5kW时电动机选择对总体方案的影响
方案
电动机型号
额定功率∕kW
电动机转速∕(r∕min)
电动机质量∕kg
传动装置的传动比
同步
满载
总传动比
V带传动比
齿轮传动比
1
Y132S2-2
7.5
3000
2920
70
127.4
4
31.85
2
Y132M-4
7.5
1500
1440
81
62.83
3
20.94
3
Y160M-6
7.5
1000
970
116
42.32
2.5
16.93
4
Y160L-8
7.5
750
720
140
31.41
2
15.71
由表一分析可知:
方案一电动机重量轻,但总的传动比过大,传动装置外廓尺寸大,制造成本高,结构不紧凑,故不可取;方案二传动比、传动尺寸、电动机质量都符合要求;方案三和方案四传动比小、结构较紧凑,但电动机的质量大、价格高。
【综合考虑电动机和传动装置的尺寸,重量、价格以及总的传动比,可得方案二的传动比较合适,所以选定电动机的型号为Y132M-4。
】
(三)机械装置的运动和动力参数计算
1、分配传动比
①总传动比
===62.83
②分配传动装置各级传动比
为使V带传动外部尺寸不要太大,初步取=3,则减速器的传动比为
===20.94
取=1.4
则=·=
得
则两级圆柱齿轮减速器高速级的传动比
==5.414
则低速级的传动比
===3.868
以上传动比的分配只是初步的,传动装置的实际传动比必须在各级传动零件的参数,如直径、齿轮齿数等确定后才能计算出来,故应在各级传动零件的参数确定后计算实际总传动比。
一般总传动比的实际值与设计要求值的允许值误差为3﹪~5﹪。
2、运动和动力参数计算
(、为输入功率和输入转矩,、为输出功率和输出转矩,i=1,2,3,4)
0轴(电动机轴):
电动机输出功率==77.06kW
电动机输出满载转矩==1440r∕min
电动机输出转矩=9550×N·m=46.82N·m
1轴(高速轴):
===
=r/min=480r/min
=9550=9550NM
=133.50NM
==6.71kw0.99=6.64kw
==133.50NM0.99=132.17NM
2轴(中间轴):
===
=r/min=88.66r/min
=9550=9550NM
=693.68NM
==6.44kw0.99=6.38kw
==693.68NM0.99=686.74NM
3轴(低速轴):
===
=r/min=22.92r/min
=9550=9550NM
=2575NM
==6.18kw0.99=6.12kw
==2575NM0.99=2549.25NM
4轴(卷筒轴):
===
=r/min=22.92r/min
=9550=9550NM
=2525NM
==6.06kw0.99=6.00kw
==2525NM0.99=2499.75NM
将运动和传动参数进行整理汇总,如表二
表二各轴运动和动力参数
轴名
功率P/kw
转矩T/Nm
转速n/(r/min)
传动比i
效率
输入
输出
输入
输出
电机轴
7.06
46.82
1440
3
5.414
3.868
1
0.95
0.96
0.96
0.98
1轴
6.71
6.64
133.50
132.17
480
2轴
6.44
6.38
693.68
686.74
88.66
3轴
6.18
6.12
2575
2549.25
22.92
卷筒轴
6.06
6.00
2525
2499.75
22.92
(四)机械装置总体方案简图
二、传动件设计计算
(一)带传动的设计计算
1、确定计算功率
查表31-7
取=1.2,
则
2、选择带的型号
=9kW
=1440r∕min
根据计算功率和小带轮转速,查图31-15
选取V带型号为A型,并确定小带轮的直径=112~140mm
3、确定带轮直径和带速
由表31-3选取小带轮直径:
A型带,=1440r∕min,取=125mm。
取滑动率ε=0.01,
大带轮直径为
=3×(1-ε)=3×125×(1-0.01)=282.86mm
取=280mm。
验算小带轮带速:
满足5m/s<25m/s的要求。
4.确定带传动的中心距a和带的基准长度
①初选中心矩
由公式
可得 222.7810;
因此选取中心距a=650mm。
②初选基准长度
由公式
由表31-2选取基准长度
=2000mm。
③求实际中心距a
实际中心距
取a=677mm。
中心距变化范围为:
5、计算主动轮上的包角
满足包角的范围要求。
6.确定带的根数
由表31-3可知,
基本额定功率=1.93kW
又传动比=3
由表31-4可知,
基本额定功率增量△=0.17kW
由表31-9可知,
包角系数=0.97
由表31-2可知,
长度系数=1.03
由公式
得 z=4.29
取 z=5
7.确定带的初拉力
由表31-1可知,
带的单位质量=0.10
由公式,得
8.计算传动带作用在轴上的压轴力
则压轴力=1586N。
(二)斜齿圆柱齿轮的设计计算
1、高速级齿轮的设计计算
⑴选择材料和精度等级
考虑主动轮转速不很高,传动尺寸无严格限制,批量较小,故
小齿轮用40Cr,调质处理,硬度HB=241~286,平均取为260HB
大齿轮用45钢,调质处理,硬度HB=229~286,平均取为240HB
二者材料硬度差为20HB。
精度等级选择8级精度。
⑵初步估算小齿轮直径
因采用闭式软齿面传动,按齿面接触强度初步估算小齿轮分度圆直径。
由
①齿数比u=i==5.414
②查附录B表B-1,初取
螺旋角
与配对齿轮有关的常系数=756
③因载荷平稳,故取
载荷系数K=1.4
④由总体设计部分表二可知,
1轴输入转矩=133.50NM
⑤由表27-14,取
齿宽系数
⑥初步计算需用接触应力
由图27-24查得接触疲劳极限σHlim1=710MPa,σHlim2=580MPa
接触应力
取
=522Mpa
由以上各数据可得,
初取=68mm
⑶确定基本参数
①校核圆周速度V和精度等级
查表27-1可知
取8级精度合理。
②初取齿数
则
取=103
③确定模数
齿端模数==mm=3.5789mm
查表27-4,因第一系列无与之对应数据,故可取第二系列数据,取
法向模数=3.5mm
④确定螺旋角
螺旋角(与估计值接近)
⑤确定小齿轮直径
小齿轮直径
⑥确定大齿轮直径
大齿轮直径
⑦初估齿宽b
初步齿宽b==1.2×68mm=81.6mm
⑧校核传动比误差
因齿数未做圆整,故传动比不变。
⑷齿面接触疲劳强度校核
计算公式
公式中各参数计算如下:
1)计算齿面接触应力
①节点区域系数
查图27-18可知,
非变位斜齿轮
②弹性系数
查表27-15可知,
③重合度系数
ⅰ端面重合度
由表27-5可知,
端面分度圆压力角=
端面齿顶圆压力角
由于没有变位,所以
端面啮合角
又
=103
综上,因此
端面重合度
ⅱ纵向重合度
因此,
故
④螺旋角系数
⑤使用系数
由表27-7可知,
⑥动载荷系数
由图27-6可知,
⑦齿向载荷分布系数
则
查表27-2可得
其中
⑧确定齿向载荷分布系数
非对称支撑,调质齿轮精度等级为8级,
查表27-9可知,
八级精度,装配时不作检验调整,故取,
A=1.17
B=0.16
C=0.61
代入上式,得
由以上各参数计算得,
2)计算许用接触应力
计算公式为
①确定接触强度寿命系数
总工作时间为
应力循环次数为
=3.107
由机械设计手册查得,
当
当
所以
②计算齿面工作硬化系数
因为大齿轮齿面硬度HB=240HB
所以,
③确定接触强度尺寸系数
由表27-18可知,
④确定接触最小安全系数
由表27-17可得,
一般可靠度,取
⑤确定润滑油膜影响系数
因为无合适试验或经验数据,故作简化处理,取
⑥试验齿轮的接触疲劳极限
由以上各参数计算、得,
3)验算:
<=(取和中较小者比较),接触疲劳强度较为合适,齿轮尺寸无需调整。
(5)确定传动主要尺寸
①中心距
圆整取
②螺旋角
由公式
可求得精确的螺旋角为
③端面模数
④大小齿轮分度圆直径d
小齿轮
大齿轮
⑤大小齿轮齿顶圆直径
由公式
可得,
⑥齿宽b
b=81.6mm
取
⑦大小齿轮当量齿数
小齿轮当量齿数
大齿轮当量齿数
(6)齿根弯曲疲劳强度的验算
校核公式为
1)计算齿根弯曲应力
①使用系数、动载荷系数、齿间载荷分配系数分别为
使用系数
动载荷系数
齿间载荷分配系数
与接触疲劳强度计算的参数相同。
②确定齿向载荷分布系数
计算齿宽b=81.6mm
全齿高
所以
又
由图27-9可查得
③确定齿形系数
由于两齿轮无变位,,
由图27-20可得,
复合齿形系数
④确定应力修正系数
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