二级变位齿轮减速箱结构设计及强度分析-毕业设计.docx
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本科毕业设计(论文)
题目:
二级变位齿轮减速器结构设计及强度分析
学号:
姓名:
班级:
专业:
机械设计专业
学院:
入学时间:
2011级
指导教师:
日期:
年 月 日
毕业设计(论文)独创性声明
本人所呈交的毕业论文是在指导教师指导下进行的工作及取得的成果。
除文中已经注明的内容外,本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名:
日期:
摘要
齿轮减速器作为一种应用广泛、典型的机械传动装置,主要用途是在电动机和工作机构之间起到调节转速和传递转矩的作用,在现代化生产中起到了无法替代的作用。
本文设计的减速器主要由互相啮合的齿轮、传动轴、箱体结构及轴承等组成,它主要是靠齿轮传动装置来实现运作。
齿轮传动是机械中不可或缺的传动形式之一,而变位齿轮传动又是齿轮传动中较优越的一种类型。
考虑到本设计的应用场合,为了减少减速器的体积,配凑中心距,齿轮传动采用变位齿轮。
本设计综合了运用机械设计、计算机辅助设计、机械精度设计、理论力学、机械原理等,采用UGNX三维造型和装配,完成了齿轮设计、轴设计及箱体结构三维设计等内容,并对重要零件进行有限元强度分析,完成齿轮轴强度校核。
最终完成了减速器装配图、零件图的绘制,使设计结果得到最直接的体现。
关键词:
二级减速器;齿轮传动;变位齿轮;有限元分析。
ABSTRACT
Reduceristhetypicalmechanicaltransmissionwhichwaswidelyused.reducerbeusedmainlytoplaytheroleofmatchingthespeedandtransferringtorquebetweentheprimemoverandtheimplementingagenciesorworkingmachine,itplaysanirreplaceableroleinthemechanizationproduction.Reduceriscomposedofasealedbox,meshinggear,driveshaftandbearingandothercomponents,whichismainlydependedonthegeartransmission.geartransmissionisoneoftheindispensabletransmissioninthemechanicalengineeringareas,andvariablegearisthemoresuperiortype.Takingintoaccountthedesignoftheapplicationareas,inordertoreducethesizeofthegearunit,consideringcenterdistance,geartransmissionusevariablegeartransmission.
Thispaperusesmechanicaldesign,mechanicaldrawing,mechanicalprecisiondesign,theoreticalmechanics,mechanicalprinciples,etc.usingUGthree-dimensionaltomodelandassembly,whichcompletegeardesign,shaftdesignandthedesignofthecabinetstructuralandothercontent.usingfiniteelementanalysistocompletethegearshaftstrengthcheck.Finalcompletionofthereductiongearassemblydrawing,partsdiagramdrawing,makethedesignresultsofthemostdirectexpression.
Keywords:
reducer;gear transmission;variablegear;finiteelementanalysis.
2
目录
摘要:
1
Abstract 2
第一章.绪论 5
1.1国内外研究现状 5
1.2减速器的发展趋势 7
1.3本课题的设计要求 8
1.4本课题的主要研究内容 8
第二章.减速器设计 10
2.1电动机的选择 10
2.1.1.电动机工作条件及要求 10
2.1.2.电动机容量的选择 10
2.1.3.电动机转速的选择 10
2.1.4.电动机型号的确定 10
2.2传动装置的运动和动力参数计算 10
2.2.1.分配各级传动比 10
2.2.2.各轴的转速计算 11
2.2.3.各轴的输入功率计算 11
2.2.4.各轴的输入转矩计算 11
2.3齿轮传动设计计算及校核 11
2.3.1.第一级斜齿轮传动设计计算 11
2.3.2.第一级斜齿轮传动设计校核 13
2.3.3.第二级斜齿轮传动设计计算 14
2.3.4.第二级斜齿轮传动设计校核 16
2.4传动轴的设计计算和校核 18
2.4.1.轴的受力分析 18
2.4.2.轴的设计计算 18
2.4.3.中间轴的校核计算 20
2.5中间滚动轴承的校核计算 23
2.5.1.作用在轴承上的负荷 23
2.5.2.验算轴承的寿命 24
2.6键的校核计算 24
2.7联轴器的选择 25
2.8减速器箱体设计 26
2.9减速器润滑及密封 26
2.9.1.润滑 26
2.9.2.密封 26
2.10附件 26
2.11本章小结 26
第三章.中间轴强度有限元分析 28
3.1有限元基本概念及分析步骤 28
3.2ANSYS软件介绍 29
3.3齿轮轴UG三维建模 31
3.4齿轮轴ANSYS有限元分析 33
3.4.1.导入ANSYS 33
3.4.2.网格划分 34
3.4.3.添加约束及载荷 35
3.4.4.求解及后处理 37
3.5本章小结 41
总结 42
致谢:
44
1绪论
1.1国内外研究现状
电动机作为工程上常用的一种驱动设备,它的扭矩较低,转速却较高,而工作机构要求的转速通常较低,即二者之间的转速不匹配,所以电动机一般无法直接驱动设备,这时就必须使用中间媒介——减速器来传递动力。
从日常生活见到的电动车、汽车到飞机、轮船,从机械行业常见的加工装置到各种自动化生产设备等,都可以看到减速器的使用。
在升降机使用过程中,使用减速机可以帮助它很好的调节升降速度,在装置减速的同时还可以降低升降机的载荷惯量,减少的设备惯量是减速比的平方,可以便于更好的调节速度。
而且减速器在降速的同时还可以提高输出扭矩。
减速器是将高速运动转换为低速运动的一种最常用的传动装置,传动效率较高,结构紧凑,工作可靠,在现代机械设备中应用非常广泛,结构形式也多种多样,基本可以满足现在工程上的需求。
在目前竞争的大环境下,设计出性能高、成本低、适用性强的减速器是企业赢得市场的一个重要因素。
二级圆柱齿轮减速器的形式虽然多种多样,但都是由轴系零部件、箱体及若干附件组成。
减速器的核心是轴系部件,零部件主要包括传动轴、齿轮、键、轴承等,它们决定了减速器的工作性能。
因此,减速器设计的关键是对其齿轮传动机构的设计,齿轮机构是在各种机构中应用最广泛的一种传动机构。
它不仅可以用来传递空间任意两轴件的运动和动力,还具有传动效率高,功率范围大,传动准确,使用寿命长,工作安全可靠等特点。
而作为齿轮机构的最基本组成部分齿轮所起的作用是无可代替的,所以齿轮的设计非常重要。
齿轮是应用最为广泛的通用零件,广泛用在各种传动中,如机床的传动装置,汽车的变速箱,减速器等。
齿轮传动机构中很重要的应用就是减速器。
齿轮减速器作为一种重要的动力传递装置,在机械化生产中起着不可替代的作用。
二级齿轮减速器是最常用的机械传动机构之一。
与国外相比,我国的科技发展起步较晚,机械行业都是以粗放式的生产模式发展,过去生产的大型化减速机设备耗费材料较多,在工作时耗电量也会增加,因此减速机的科技水平含量很低。
自20世纪60年代以来,我国才开始制订通用减速器标准,而且20世纪60年代的减速器大多数是参照前苏联20世纪40年代和50年代的技术制造的,后来虽有所发展,但限于当时的设计、工艺及装备条件,其总体水平与国际水平有较大差距。
改革开放以来,为了提高我国的科技发展水平,引进了一批先进的加工制造装备,通过不断引进、消化和吸收国外先进技术以及科研攻关,我国不仅开始掌握各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术,而且材料和热处理质量及齿轮加工精度都有了较大的提高。
通用圆柱齿轮的制造精度可以达到国标的要求级别,高速齿轮的制造精度可稳定在4—5级。
为了提高承载能力、使用寿命、传动效率,减小体积和重量,减速器采用了硬齿面的齿轮,而且在节能和提高主机的总体水平方面起到了明显的作用。
自1988年以来,我国又相继制定了50—60种齿轮减速器的标准,研制了许多新型减速器,这些产品大多数达到了20世纪80年代的国际水平。
纵观发展历史,我国高速齿轮减速器技术经历了测绘仿制、技术引进、独立设计制造三个阶段。
现在我国自己的设计制造能力基本上可满足国内生产的需要,减速器企业正向着加工能力和技术水平持续提高发展,未来减速器市场行业前景将一片大好。
随着近几年国内经济的迅速发展,我国机械行业的出口量也在迅速增多,作为一个重要基础的减速器行业发展也在不断向前发展。
不过国内减速机行业虽然发展较快,但大部分企业都是引进国外先进技术研发产品,使得各企业生产模式相似,因此在激烈的市场竞争中,很难与国外的减速器公司竞争。
企业在面对激烈的市场竞争的同时理应从容面对,国内企业必须依托企业的生产体系,采取合适的措施,加快产品的创新步伐,向国际化设备的发展趋势迈进,开发简约化、轻量化、环保型的减速机产品,以此来开拓减速机市场,增加企业品牌的市场竞争力,这样才能突破发展瓶颈,蓬勃发展起来。
国外先进减速器的设计生产技术已经十分成熟,动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展。
一些著名的生产商已经拥有一百多年的减速器设计生产经验,占据的市场份额也十分可观。
现在业内最大减速器供应商,在产品结构设计、制造加工方面具有十分高的造诣。
目前国外减速器整体技术以德国、丹麦和日本处于世界领先地位,特别是在材料和制造加工工艺方面占据优势,他们生产的减速器性能稳定、使用寿命长和工作可靠性好。
但由于减速器的传动形式仍然以定轴齿轮传动为主,所以体积和重量问题未能解决好。
目前国际上先进的齿轮减速器,除了不断改进材料品质、提高工艺水平外,还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新。
平动齿轮传动原理和减速器与电动机的连体结构,都是企业正在大力开拓的形式,并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。
国外减速机在电力、食品、建筑、矿业、水利等诸多行业也都有着广泛的应用,其制造生产标准比国内更高。
1.2减速器的发展趋势
减速器在各行各业中十分广泛地使用着,是一种不可缺少的机械传动装置。
20世纪70-80年代,世界上减速器技术有了迅速的发展,并且与新技术革命的发展结合紧密。
当前减速器普遍存在着体积大、重量大,或者传动比大而机械效率过低的问题。
现代工业的快速发展对减速器提出了更高的要求,主要表现在要求更高的功率容量、更短的研发周期、转矩范围大、设计形式多样、高寿命和高可靠性等。
所以未来减速器的发展总趋势是向六高、二低、三化方面发展。
1、六高即高齿面硬度、高承载能力、高速度、高精度、高可靠性和高传动效率:
圆柱齿轮普遍采用渗碳淬火和磨齿加工,承载能力提高4倍以上,可靠性高。
其中硬齿面齿轮减速器具有承载能力高、体积小、重量轻、使用寿命长等特点,已得到各国的广泛应用,采用普遍采用硬齿面技术,可以很好的提高硬度以缩小装置的尺寸。
2、二低即低噪声、低成本:
基本参数采用优先数,尺寸规格整齐,零件通用性和互换性强,系列容易扩充和花样翻新,利于组织批量生产和降低成本。
3、三化即通用化、标准化、多样化:
现在减速器有空心轴悬挂式、浮动支承底座、电动机与减速器一体式联接等不同型式,可以摆脱传统的单一的底座安装方式,扩大使用范围。
目前促使减速器质量提高的主要原因有以下几点:
1、理论知识的完善:
采用齿轮强度计算方法、变形计算、修形技术、优化设计方法、齿根圆滑过渡等方法使理论更接近实际;
2、普遍采用各种优质合金钢锻件以及材料和热处理质量控制水平提高;
3、结构设计更加合理,而且现代加工手段使加工精度可以提高到ISO6级。
4、传动件的质量和润滑质量的提升:
轴承质量和寿命提高,润滑油质量提高。
1.3本课题的设计要求
设计一台与无刷直流电机直接相连的展开式二级变位斜齿圆柱齿轮减速器。
如图1-1传动系统简图:
图1-1传动系统简图
原始数据:
减速箱输出轴扭矩T=33.869N·m;转速N=75.264r/min;功率P=266.921W。
齿轮中心距要求:
高速级中心距为28mm,低速级中心距为38mm。
工作条件和要求:
连续运转,工作时有轻微振动,使用期限为5年,每年按300天计,小批量生产,单班制工作。
1.4本课题的主要研究内容
本课题研究的主要内容是在已有减速器设计的基本理论基础上再设计。
其中有电动机的选择,各级传动比的分配,齿轮传动的设计计算,轴的设计计算,键连接的选择和校核计算,箱体结构尺寸的确定和密封和润滑方式的选择。
由于该齿轮减速器的应用场合要求减速器的体积不能过大,齿数较少(小于17),所以设计时选择使用变位齿轮。
为了节约空间,轴之间的排列并非直线展开式的,而是呈一定的角度,最大化的利用了有限的空间。
为了直观的展现设计过程和结果,设计过程利用三维设计软件UGNX,建立齿轮、轴、轴承、箱体及箱盖等零件的三维模型,然后将各零件进行装配。
本课题研究的意义在于:
在空间受限的情况下,为齿轮减速器的设计提供一种新的方法。
使用三维软件设计,使设计更为直观、形象、生动,可以更好地理解、掌握零部件的结构及装配关系,分析齿轮减速器总装配及各部件之间的结构尺寸约束关系,完成了减速器在计算机中虚拟设计。
2减速器设计
2.1电动机的选择
2.1.1电动机工作条件及要求
本传动的工作状况是:
连续运转,工作时有轻微震动,使用期限为5年,每年按300天计,小批量生产,单班制工作。
电动机要求是无刷直流电机。
2.1.2电动机容量的选择
工作机所需功率Pw
电动机的输出功率
上式中各传动和轴承效率由表查得
2.1.3电动机转速的选择
电动机转速:
2.1.4电动机型号的确定
电动机型号为无刷直流电机90WS013,其额定功率为,满载转速。
符合所需的要求。
中心高45mm,轴外伸轴径16mm,轴外伸长35mm。
2.2传动装置的运动和动力参数计算
2.2.1分配各级传动比
预定总传动比为
第一级齿轮传动比:
第二级齿轮动比为:
齿轮总的传动比:
2.2.2各轴的转速计算
2.2.3各轴的输入功率计算
2.2.4各轴的输入转矩计算
2.3齿轮传动设计计算及校核
2.3.1第一级斜齿轮传动设计计算
小齿轮、大齿轮材料均为40Cr,调质及表面淬火处理,7级精度,齿面硬度为48—55HRC。
齿轮参数:
齿轮1齿数:
;齿轮2齿数:
。
实际中心距为;第一级齿轮副:
。
当量齿数:
标准中心距:
中心距变动系数:
法面压力角:
端面压力角:
啮合角:
变位系数和:
变位系数:
齿高变动系数:
分度圆直径:
齿顶高:
齿根高:
齿顶圆直径:
齿根圆直径:
齿轮宽度:
圆整后取;。
2.3.2第一级斜齿轮传动设计校核
齿面接触强度计算公式:
确定公式内的各计算数值
载荷系数:
齿宽系数:
材料的弹性影响系数:
区域系数:
端面重合度:
齿轮接触疲劳强度极限:
,
应力循环次数:
接触疲劳寿命系数:
,
接触疲劳许用应力:
齿面接触强度计算:
满足要求。
2.3.3第二级斜齿轮传动设计计算
小齿轮、大齿轮材料均为40Cr,调质及表面淬火处理,7级精度,齿面硬度为48—55HRC。
齿轮参数:
齿轮3齿数:
;齿轮4齿数:
;
实际中心距为;第二级齿轮副:
;
当量齿数:
标准中心距:
中心距变动系数:
法面压力角:
端面压力角:
啮合角:
变位系数和:
变位系数:
齿高变动系数:
分度圆直径:
齿顶高:
齿根高:
齿顶圆直径:
齿根圆直径:
齿轮宽度:
考虑体积问题,圆整后取;。
2.3.4第二级斜齿轮传动设计校核
齿面接触强度公式:
载荷系数:
齿宽系数:
材料的弹性影响系数:
区域系数:
端面重合度:
齿轮接触疲劳强度极限:
应力循环次数:
接触疲劳寿命系数:
接触疲劳许用应力:
满足要求。
2-1齿轮参数
高速级小齿轮
高速级大齿轮
低速级小齿轮
低速级小齿轮
分度圆直径
7.448mm
47.88mm
10.640mm
65.968mm
齿顶圆直径
10.222mm
49.684mm
13.261mm
66.709mm
齿根圆直径
5.771mm
45.244mm
8.778mm
62.226mm
变位系数
0.4117
-0.068
0.319
-0.621
齿厚
15mm
10mm
11mm
10mm
结构形式
齿轮轴
实心
齿轮轴
实心
2.4.传动轴的设计计算和校核
2.4.1轴的受力分析
第一级齿轮受力分析:
第二级齿轮受力分析:
2.4.2轴的设计计算
I轴:
40Cr调质,。
取。
(1)I—II段:
安装滑动轴承(内径6mm,外径8mm,宽度8mm),考虑到紧凑性,取宽度为12mm,轴径为5.5mm;
(2)II—III段:
由于小齿轮1的分度圆过小,把轴设计成齿轮轴,直径为10.222mm,宽度为12mm;
(3)III—IV段:
安装滑动轴承015(内径6mm,外径8mm,宽度8mm),考虑到紧凑性,取宽度为12mm,轴径为5.5mm;安装6207轴承,宽度为17mm,所以长度为17mm,轴径为35mm。
该段综合考虑箱体凸缘厚度、调整垫片厚度、轴承盖厚度及带轮安装,定为57mm,轴径为31mm;
(4)VII—VIII段:
安装联轴器,长度为7mm,轴径为5.5mm。
联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。
按III—IV段轴的尺寸查得平键截面,长度为7mm。
按IV—V段轴的尺寸查得平键截面,长度为45mm,半联轴器与轴的配合为。
滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为m6。
ІІ轴:
40Cr调质,。
取。
(1)I—II段:
安装深沟球628ZZ轴承(内径8mm,外径24mm,宽度8mm。
),所以宽度为8mm,轴径为8mm;
(2)II—III段:
轴径为8.5mm,宽度0.5mm;
(3)III—IV段:
由于小齿轮3的分度圆过小,把轴设计成齿轮轴,直径为13.261mm,宽度为11mm;
(4)IV—V段:
此段与齿轮2配合,由于齿轮3的齿根圆直径为8.7784mm,所以选定直径为8mm,宽度为10mm;
(5)V—VI段:
安装深沟球628ZZ轴承,所以直径为8mm,宽度为8mm。
IV—V段轴与齿轮采用过盈配合为;滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为m6。
Ⅲ轴:
40Cr调质,。
考虑到轴端装带轮处有键槽,计算出的轴径应加大5%。
取。
(1)I—II段:
安装轴承6903RS(内径17mm,外径30mm,宽度7mm),宽度为7mm,直径为17mm;
(2)II—III段:
宽度为11mm,直径为24mm;
(3)III—IV段:
此段轴与齿轮4配合,取宽度为10mm,直径为20mm。
考虑到轴径最小直径为17mm,此段安装6904RS轴承(内径20mm,外径37mm,宽度9mm。
),再综合考虑箱盖凸缘厚度、调整垫片厚度,长度定为28mm;
(4)IV—V段:
安装联轴器,长度为44.5mm,轴径为17mm。
齿轮、联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。
按III—IV段轴的尺寸查得平键截面,长度为7mm。
为了保证齿轮与轴的配合有良好的对中性,故选择齿轮轮毂与轴的配合为;按IV—V段轴的尺寸查得平键截面,长度为44.5mm,半联轴器与轴的配合为。
滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的,此处选轴的直径尺寸公差为m6。
2.4.3中间轴的校核计算
中间轴所受的支反力计算:
对于深沟球轴承,轴承的支点位置是轴承的中心,所以作为简支梁的轴的支承跨距。
计算支反力:
图2-1ІІ轴受力分析图
绘制弯矩图和扭矩图:
根据图1-1做出轴的弯矩图如下:
图2-2ІІ轴的载荷分析图
垂直平面内的弯矩图:
水平面弯矩图:
合成弯矩:
转矩:
按弯扭合成应力校核轴的强度:
前面已选定轴的材料为40Cr,调质处理,,因此,故安全。
2.5中间滚动轴承的校核计算
2.5.1作用在轴承上的负荷
选用的轴承型号为深沟球628ZZ轴承,查得额定动载荷,额定静载荷。
径向负荷:
A处轴承:
B处轴承:
轴向负荷:
轴承当量动载荷:
2.5.2验算轴承的寿命
此轴承的寿命不满足要求的时间,但是由于滚动轴承中,只有深沟球轴承满足直径要求,所以此处仍然选择深沟球628ZZ轴承,不过要求在使用过程中应定期更换轴承。
2.6键的校核计算
键的规格,GB/T1096,长度为7mm。
合格。
键的规格,GB/T1096,长度为44.5mm。
合格。
2.7联轴器的选择
低速轴和传动轴用联轴器连接,选用弹性联轴器。
由传动系统的计算知,低速轴的输出转矩为。
联轴器的计算转矩:
选LMX型梅花联轴器。
由机械手册查得联轴器的参数如下:
表2-2 联轴器的选择
型号
额定转矩
/N·m
最高转速
/r·min-1
孔径
mm
长度
mm
LMX型梅花联轴器
70
10600
17
30
所以此联轴器满足要求。
2.8减速器箱体设计
箱体尺寸如下:
箱座壁厚:
箱盖壁厚:
箱座底凸缘厚度:
箱盖凸缘厚度:
机盖与机座连接螺钉
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