机械设计基础课程设计解答.docx
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机械设计基础课程设计解答
上海交通大学成教学院
机械设计课程设计
计算说明书
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引言1
引言
机械设计课程设计是机械设计课程的重要实践环节。
通过课程设计，可综合运用机械设计课程和其它先修课程的理论和实际知识，培养解决实际问题的能力，掌握机械设计的一般规律，树立正确的设计思想。
通过课程设计，可学习运用标准，规范，手册，图册和查阅科技文献资料及计算机应用等，培养机械设计的基本技能和获得相关信息的能力。
齿轮变速器广泛应用于机械，冶金，化工，建筑，运输。
船舶等领域，是一个典型的动力传动机构，它是一种利用齿轮角速度的变化，将电机的回转转速减速到所要求的回转速度，并得到较大转矩的装置，具有承载能力强，寿命长，体积小，效率高，重量轻等优点。
通过齿轮变速器的课程设计，可逐步学会从机器功能的要求出发，合理选择执行机构和传动机构的类型，制定传动方案，合理选择标准部件的类型和型号，正确计算零件的工作能力，确定其尺寸、形状、结构及材料，并考虑制造工艺、使用、维护、经济和安全等问题，培养机械设计能力。
一．机构介绍
1.课题要求
运输带工作速度V=1.5m/s，运输带工作拉力F=1100N，卷筒直径D=250mm。
工作条件：
连续单项运转，载荷平稳，空载启动，使用年限为10年，小批量生产，两班制工作，运输带速度允许误差-5%~5%。
2.机构传动示意图
（图1-1）
3.机构传动过程
电机￫￫￫带传动￫￫￫高速级齿轮￫￫￫低速级齿轮￫￫￫联轴器￫￫￫滚筒
￫￫￫运输带
二.电机的选择
1.工作机的功率Pw
根据工作阻力和速度来确定Pw即：
Pw=
…………………………………………………（式2.1）
F—运输带工作拉力V—运输带工作速度
Pw=
=
=1.65KW
2.电机所需输出功率Pd
Pd=
……………………………………………………（式2.2）
传动装置的总效率η总=η1η22η3η4η5
η1—V形带传动效η1=0.96
η2—滚动轴承传动效率η2=0.99
η3—闭式带轮传动效率η3=0.97
η4—联轴器效率η4=0.99
η5—传动滚筒效率η5=0.96
η总=η1η22η3η4η5=0.96×0.992×0.97×0.99×0.96＝0.87
Pd=
=
=1.883KW≈1.9KW
因载荷平稳电机额定功率Ped略大于Pd即可。
3.确定电机计算转速n
n=
……………………………………………（式2.3）
n=
x10=114.59r/min≈115r/min
4.确定电机型号
V形带传动的传动比通常采用i=2∽4；一级圆柱齿轮减速器传动比通常采用i=3∽5；
所以本系统的传动比：
i总=i1i2=（2∽4）×（3∽5）=6∽20
n电=i总×n=（6∽20）×115=（690∽2300）r/min
查表选T112M-6电机额定功率Ped=2.2KW转速n电=940r/min
5.传动比的分配
i总=
……………………………………………………………（式2.4）
i总=
=8.2
i1=iV带=2
i2=i齿=4.1
三．计算传动装置的运动和动力参数
1.皮带输入高速轴
P0=Pd=1.9kw
n0=940r/min
T带=9.55x
………………………………………………………（式3.1）
T带=9.55
=18.9N·m
2.Ⅰ轴减速器高速轴
P1=P0η1……………………………………………………………（式3.2）
P1=1.9×0.96=1.824kw
n1=
……………………………………………………（式3.3）
n1=
=470r/min
T1=9.55×
=9.55×
=36.3N·m
3.Ⅱ轴减速器高速轴
P2=P1η22η3…………………………………………………………（式3.4）
P2=1.824kw×0.992×0.97=1.735kw
n2=
=
=115r/min
T2=9.55×
=9.55×
=143.7N·m
4.Ⅲ轴传动滚筒轴
P3=P2η4η5……………………………………………………………（式3.5）
P3=1.735kw×0.99×0.96=1.645kw
n3=n2=115r/min
T3=9.55×
=9.55×
=136.6N·
四．带传动设计
1.确定计算功率Pc
Pc=KA×P…………………………………………………………（式4.1）
KA—工作情况系数：
由表查得KA=1.2
Pc=KA×P=1.2×1.9=2.28kw
2.选取普通V带型号
按Pc=2.28KW，n1=940r/min
根据V带选型图选用A型普通V带
3.确定带轮基准直径d1，d2
查表选取小带轮基准直径d1=125mm.
大带轮基准直径d2=
iV带xd1………………………………………（式4.2）
∵iV带=2
∴d2=2x125=250mm
n2=
=
=470r/min
4.验算带速V
V=
…………………………………………………（式4.3）
V=
=6.149≈6.15m/s
此带速在5∽25m/s范围内，符合要求
5.确定中心距a和胶带长Ld
1）初步确定中心距a0
0.7x（d1+d2）≤a0≤2x（d1+d2）……………………………（式4.4）
0.7x（125+250）≤a0≤2x（125+250）
263mm≤a0≤750mm∴取a0=500mm
2）初选a0后，可根据下式计算带的初选长度Ld0
Ld0=2a0+
+
………………………（式4.5）
Ld0=2×500+
+
=1596.8
3）查表选取与Ld0相近的标准带近似长度Ld=1600mm
6.计算实际中心距a
a=a0+
…………………………………………（式4.6）
a=500+
=501.6mm≈502mm
中心距的变动范围为
a-0.015Ld=amin=501.6-0.015×1600=477.6mm
a+0.03Ld=amax=501.6+0.03×1600=549.6mm
∴478mm≤a≤550mm
7.验算小带轮包角α1
α1=180
-
×57.3
…………………………………………（式4.7）
α1=180
-
×57.3
=179.75
＞120
8.确定V带根数Z
Z≥
……………………………………………（式4.8）
Ka—包角系数：
由表查得Ka=0.97
KL—长度修正系数：
由表查得KL=0.99
根据d1=125mm.n1=940r/min
P0=F1（1-
……………………………………………（式4.9）
也可以查表按插入法得
P0=0.45+
×（980-940）=0.47KW
单根普通V带额定功率增量
=Kbn1（1-
）……………………（式4.10）
Kb—弯曲影响系数：
由表查得Kb=
Ki—弯曲影响系数：
由表查得Ki=1.1202
=
x940x（1-
）=0.107KW
得普通V带根数：
Z=
=
=4.136
∴取Z=5根
9.求初拉力F0及带轮轴上的压力Fa
由表查得A型普通V带的每米质量q=0.10kg/m，根据式求单根V带的初拉力
F0=
+qV2…………（式4.11）
F0=
+0.10×6.152=62.26N
作用在轴上的压力Fa
Fa=2F0×Z×
………………………………（式4.12）
Fa=2×62.26×5×
=311.3N
10.带轮的结构设计
图4-1
11.设计结果
选用5根A系列1600/LdGB11544-89带
中心距a=502m
带轮直径d1=125mm,d2=250mm
轴上压力Fa=311.3N
皮带截面图如下所示：
图4-2
五.齿轮设计
1选择齿轮材料及精度等级
小齿轮选用45#钢调质处理，硬度为220-250HBS
大齿轮运用45#钢正火处理，硬度为170-210HBS
由表查得选8级精度齿面粗糙度为Ra≤3.2-6.3
2齿面接触疲劳强度计算
因两齿轮均为钢质齿轮，应用公式求出d1值确定有关系数和参数
1）转矩T1
T1=
…………………………………………（式5.1）
T1=
=
N·mm
2）载荷系数K
查表取K=1.1
3）齿数Z和齿宽系数φd
小齿轮的齿数Z1取25，则大齿轮齿数Z2=104
因单级齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面为软齿轮，由表选取φd=1
4）许用接触应力[σH]
[σH]=
……………………………………………（式5.2）
σHmin—接触疲劳强度极限值
由图查得小齿轮接触疲劳强度极限值σHmin1=560MPa，
由图查得大齿轮接触疲劳强度极限值σHmin2=530MPa
SH—最小安全系数：
由表查得SH=1
N—应力循环次数
N1=60xnjLn……………………………………………（式5.3）
N1=60×470×1×（10×52×40×2）=1.2×109
N2=
……………………………………………………（式5.4）
N2=
=2.9×108
ZNT—齿轮接触疲劳寿命系数
查图得ZNT1=1，ZNT2=1.06
[σH]1=
=560MPa
[σH]2=
=
=562MPa
∴d1≥76.73x
……………………………（式5.5）
φd—齿宽系数φd=1
K—载荷系数K=1.1
U—齿数比U=Z2/Z1=104/25=4.16
[σH]1—小齿轮许用接触应力[σH]1=560MPa
d1≥76.73x
=41.4m
m=
=
=1.66
由表取标准模数m=2
5）确定齿轮主要尺寸
d1=m×Z1=2×25=50mm
d2=m×Z2=2×104=208mm
b2=φd×d1=1×50=50mm
b1=b2+5=55mm
a=
m×（Z1+Z2）……………………………………（式5.6）
a=
×2×（25+104）=129mm
6）齿根弯曲疲劳强度校核
由公式得σF，如σF≤[σF]则校核合格，确定有关系数和参数
（1）σF=
xYFxYS……………………………（式5.7）
确定有关系数和参数
YF—齿形参数
查表得：
YF1=2.65，YF2=2.18
Ys—应力修正系数
查表得：
Ys1=1.59，Ys2=1.8
K—载荷系数
查表取：
K=1.1
m—齿轮模数m=2
Z—齿数
Z1=25，Z2=104
b—齿轮宽度b=50
T—转矩
齿轮1弯曲疲劳强度σF1=
x2.65x1.59=66.4MPa
齿轮2弯曲疲劳强度σF2=σF1X
=66.4×
=61.8MPa
（2）[σF]=
………………………………………（式5.8）
σFlim—许用弯曲应力
查图得：
σFlim1=210MPa，σFlim2=190MPa
SF—最小安全系数查表得：
SF=1.3
YNT—弯曲疲劳寿命系数
查图得：
YNT1=YNT2=1
[σF]1=
=162MPa
[σF]2=
=
=146MPa
（3）校核齿根弯曲疲劳强度
σF1=66.4MPa＜[σF]1=162MPa
σF2=61.8MPa＜[σF]2=146MPa
综合上述齿根弯曲强度校核合格
7）验证齿轮的圆周速度V
V=
……………………………………………………（式5.9）
V=
=1.256m/s
由表可知8级速度是适合的。
六．轴承选择及实际使用寿命计算
1轴承类型的选择
由二轴承受力情况：
主要承受径向力及部分轴向载荷，所以采用深沟球轴承，该轴承主要
受径向载荷，同时也承受一定的轴向载荷
1）Ⅰ轴（高速级）63092）Ⅱ轴（低速级）6308
2计算实际寿命
1）需要轴承工作寿命LH
LH=10×8×2×365=58400h
2）轴承的预期寿命Lh
Lh=
………………………………………（式6.1）
P--当量动载荷
∵输入径向拉力—311.3N
∴P1=311.3N（Ⅰ轴当量动载荷）
∵输出径向拉力—1100N
∴P2=1100N（Ⅱ轴当量动载荷）
Cr–基本额定动载荷查表得:
轴承6309Cr1=17KN（Ⅰ轴）
轴承6308Cr2=21KN（Ⅱ轴）
n–轴的转速根据前面的计算结果有：
n1=470r/m﹒in（Ⅰ轴）n2=115r/min（Ⅱ轴）
ε–寿命指数查表得ε=3
ft–温度系数查表得ft=1
fp–载荷系数查表得fp=1
则Ⅰ轴（高速轴）轴承预期寿命
Lh1=
=5775110>LH=58400
则Ⅱ轴（低速轴）轴承预期寿命
Lh2=
=1008395>LH=58400
综合上述：
所选轴承预期寿命远大于轴承实际需要工作寿命，
所以所选轴承符合设计要求。
七．润滑密封设计
1轴承和传动齿轮的润滑
轴承和传动齿轮的润滑一般采用浸油润滑。
浸油润滑摩擦阻力小并能散热，适合有一定温度的工况，油面高度一般不超过最低滚动体中心，以免过大的搅油损耗和热量，考虑啮合齿轮油耗，润滑油面还应略低于低速轮的底面大约三到四个齿高，全部采用齿轮飞溅润滑。
2润滑油的选用
润滑油选用耗损油润滑。
润滑油标准号为：
GB443-89；代号L-AN68，在40
时，粘度为61.2-74.8。
润滑油粘度选用的原则：
温度高，粘度高；温度低，粘度低。
3密封形式
1）箱盖与箱座凸缘结合面的密封采用在结合面涂密封漆或垫片。
2）观察孔与油孔处结合面的密封：
观察孔用橡胶或垫片密封。
3）轴承盖的密封：
盖与壳体用金刚纸或垫片密封；防漏盖与轴颈间的密封，盖的内径大于轴径，间隙0.5mm，在盖的内径开V型槽，用羊毛毡镶嵌密封，并注意轴的转动轻重，避免产生过大的摩擦阻力。
八．联轴器的设计
由于减速输出轴转速低且平稳，为考虑拆装方便及经济，并补充安装时精度误差，减小冲击振动，所以采用弹性套柱销联轴器。
型号TL9型（GB12458-1990）弹性套柱销联轴器。
工程转矩Tn—1000N﹒M
Tc
九．设计心得
本次课程设计的内容为单级圆柱直齿齿轮减速机，通过此次的课程设计，让我对单级圆柱直齿齿轮减速机的结构有了更进一步的了解，同时也巩固了机械设计基础课程中的相关知识，学习了解了机械设计的一般流程，锻炼了我综合运用了机械设计基础课程和其他相关的课程并结合生产实践过程中的有关经验去分析和解决在机械设计问题的能力。
在整个设计过程中，从电机的选型，传动装置的运动和动力参数的计算，带传动的设计，齿轮的设计，轴承的设计到润滑密封设计，联轴器的设计及AutoCAD绘制组装图及部分零件图，让我所学的一些基础知识得到进一步的理解及巩固。
在计算过程中，对于一些参数，系数的选取，让我学习了如何查表和查图，选取合理的数值。
同时也初步掌握了如何在设计过程找一些相关的资料，查阅机械设计手册等。
同时我也深深感觉到自己所掌握的知识与实际需要存在很大的差距。
单级圆柱直齿齿轮减速机在机械设计领域是一个相对比较简单的机构，但设计一开始还是让我无法下手，如过没有老师的指导，不知从哪里开始计算。
在计算过程中，如何选取合理的参数，系数，既要考虑经济性又要考虑安全性；如何考虑一些边界条件对参数，系数选值的影响，这方面的经验还很欠缺。
这次的课程设计只是一个起步，需要学习的东西还很多，通过学习和实践，逐步培养设计习惯和思维，从而提高自己的设计实践操作能力。
总之，此次的课程设计让我很有收获，但要做到理论与实际相结合，今后的路还很长。
十．致谢
本次课程设计是在张青老师的悉心指导下完成的。
在整个课程设计过程中，张青老师给予了我耐心、细致的指导，他多次询问设计过程,画图进展，精心点拨，帮助我开拓思路。
他严谨的治学态度，务实的工作作风，广博深厚的理论知识，以及平易近人的态度都深深地感染了我，使我受益非浅。
在此对张青老师给我的帮助和指导表示由衷的感谢。
十一参考文献
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高等教育出版社2006.
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高等教育出版社2006.
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上海交大出版社2006.
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高等教育出版社2006.
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南京大学出版社2003.
【6】方晨主编«AutoCAD2006»上海：
科学普及出版社2006.
【7】同济大学数学系编«高等数学»第6版北京：
高等教育出版社2007.
【8】
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