一级圆柱齿轮减速器 毕业设计.docx
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一级圆柱齿轮减速器毕业设计
毕业设计说明书
一级圆柱齿轮减速器
班级：
学号：
软件学院
姓名：
学院：
专业：
指导教师：
2014年6月
一级圆柱齿轮减速器
摘要
通过对减速器的了解，开始学习设计齿轮减速器，尝试设计增强感性认知和对社会的适应能力，以及进一步巩固已学过的理论知识，提高综合应用所学知识发现问题、解决问题的能力。
以求把理论与实践相结合。
学习如何进行机械设计，了解机械传动装置的原理及参数搭配。
学习运用多种工具，比如AutoCAD等，直观地将机械结构呈现在平面图上。
通过对圆柱齿轮减速器的设计，对单级圆柱齿轮减速器有了一个简单的了解与认识。
齿轮减速器是机械传动装置中不可或缺的一部分。
机械传动装置在不断的使用中，会不同程度的磨损，因此要经常对机械予以维护和保养，延长其使用寿命，高效化的运行，提高生产的效率。
关键词：
机械传动装置，圆柱齿轮减速器，设计原理与参数配置
One-stagecylindricalgearreducer
Abstract
Throughtheunderstandingofthereducer,beganlearningtodesigngearreducer,tryingtodesignenhancedperceptualawarenessandabilitytoadapttothesociety,andtofurtherconsolidatethetheoreticalknowledgeyou'velearned,andlearnedtoimproveyourapplication'sabilitytodiscoverandsolveproblems.Inordertocombinetheorywithpractice.
Learnhowtomakemechanicaldesign,understandtheprinciplesandparametersofmechanicaltransmissiondevices.Learnhowtouseavarietyoftools,suchasAutoCAD,visuallyrendersmechanicalstructureonthefloorplan.Throughthedesignofcylindricalgearreducersforsingle-stagecylindricalgearreducershaveasimpleunderstandingandawareness.Gearreducersareanintegralpartofthemechanicaltransmissiondevices.Mechanicaltransmissiondevicesinconstantuse,withvaryingdegreesofwearandtear,soregularmaintenanceformachinery,toextenditsservicelife,efficientrunning,improvingtheefficiencyofproduction.
Keywords:
Mechanicalgearing,Gearreducers,Designprinciplesandparametersareconfigured
1绪论
减速器的结构随其类型和要求不同而异。
单级圆柱齿轮减速器按其轴线在空间相对位置的不同分为：
卧式减速器和立式减速器。
前者两轴线平面与水平面平行。
后者两轴线平面与水平面垂直。
一般使用较多的是卧式减速器，故以卧式减速器作为主要介绍对象[1]。
图1.1卧式减速器
单级圆柱齿轮减速器可以采用直齿、斜齿或人字齿圆柱齿轮。
由于减速器已成为一种通用的传动部件，因此，圆柱齿轮减速器多数已经标准化，ZD（JB1130-70）为单级圆柱齿轮减速器的标准型号。
其主要参数均已标准化和规格化。
单级圆柱齿轮减速器的主要性能参数为：
传递功率P（标准ZD型减速器P=1~2000KW）
传动比i为避免减速器的外廓尺寸过大，一般i〈6，其最大传动比imax=8~10，高速轴转速n1，中心距a（标准ZD型减速器a=100~700mm）
工作类型及装配型式
机械零件课程设计，可以根据任务书的要求参考标准系列产品进行设计，也可自行设计非标准的减速器。
图1.2和图1.3所示分别为单级直齿圆柱齿轮减速器的轴测投影图和结构图。
减速器一般由箱体、齿轮、轴、轴承和附件组成。
图1.2单级直齿圆柱齿轮减速器的轴测投影图
箱体由箱盖与箱座组成。
箱体是安置齿轮、轴及轴承等零件的机座，并存放润滑油起到润滑和密封箱体内零件的作用。
箱体常采用剖分式结构（剖分面通过轴的中心线），这样，轴及轴上的零件可预先在箱体外组装好再装入箱体，拆卸方便。
箱盖与箱座通过一组螺栓联接，并通过两个定位销钉确定其相对位置。
为保证座孔与轴承的配合要求，剖分面之间不允许放置垫片，但可以涂上一层密封胶或水玻璃，以防箱体内的润滑油渗出。
为了拆卸时易于将箱盖与箱座分开，可在箱盖的凸缘的两端各设置一个起盖螺钉（参见图1.3），拧入起盖螺钉，可顺利地顶开箱盖。
箱体内可存放润滑油，用来润滑齿轮；如同时润滑滚动轴承，在箱座的接合面上应开出油沟，利用齿轮飞溅起来的油顺着箱盖的侧壁流入油沟，再由油沟通过轴承盖的缺口流入轴承（参图1.3）[2]。
图1.3单级直齿圆柱齿轮减速器的轴测结构图
减速器箱体上的轴承座孔与轴承盖用来支承和固定轴承，从而固定轴及轴上零件相对箱体的轴向位置。
轴承盖与箱体孔的端面间垫有调整垫片，以调整轴承的游动间隙，保证轴承正常工作。
为防止润滑油渗出，在轴的外伸端的轴承盖的孔壁中装有密封圈（参见图1.3）。
减速器箱体上根据不同的需要装置各种不同用途的附件。
为了观察箱体内的齿轮啮合情况和注入润滑油，在箱盖顶部设有观察孔，平时用盖板封住。
在观察孔盖板上常常安装透气塞（也可直接装在箱盖上），其作用是沟通减速器内外的气流，及时将箱体内因温度升高受热膨胀的气体排出，以防止高压气体破坏各接合面的密封，造成漏油。
为了排除污油和清洗减速器的内腔，在减速器箱座底部装置放油螺塞。
箱体内部的润滑油面的高度是通过安装在箱座壁上的油标尺来观测的。
为了吊起箱盖，一般装有一到两个吊环螺钉。
不应用吊环螺钉吊运整台减速器，以免损坏箱盖与箱座之间的联接精度。
吊运整台减速器可在箱座两侧设置吊钩（参见图1.3）[3]。
减速器的箱体是采用地脚螺栓固定在机架或地基上的。
2减速器概述
2.1减速器的主要型式及其特性
减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮—蜗杆传动所组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置；在少数场合下也用作增速的传动装置，这时就称为增速器。
减速器由于结构紧凑、效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单，并可成批生产，故在现代机械中应用很广。
减速器类型很多，按传动级数主要分为：
单级、二级、多级；按传动件类型又可分为：
齿轮、蜗杆、齿轮-蜗杆、蜗杆-齿轮等[4]。
以下主要介绍圆柱齿轮减速器：
当传动比在8以下时，可采用单级圆柱齿轮减速器。
大于8时，最好选用二级（i=8—40）和二级以上（i>40）的减速器。
单级减速器的传动比如果过大，则其外廓尺寸将很大。
二级和二级以上圆柱齿轮减速器的传动布置形式有展开式、分流式和同轴式等数种。
展开式最简单，但由于齿轮两侧的轴承不是对称布置，因而将使载荷沿齿宽分布不均匀，且使两边的轴承受力不等。
为此，在设计这种减速器时应注意：
1）轴的刚度宜取大些；2）转矩应从离齿轮远的轴端输入，以减轻载荷沿齿宽分布的不均匀；3）采用斜齿轮布置，而且受载大的低速级又正好位于两轴承中间，所以载荷沿齿宽的分布情况显然比展开好。
这种减速器的高速级齿轮常采用斜齿，一侧为左旋，另一侧为右旋，轴向力能互相抵消。
为了使左右两对斜齿轮能自动调整以便传递相等的载荷，其中较轻的龆轮轴在轴向应能作小量游动。
同轴式减速器输入轴和输出轴位于同一轴线上，故箱体长度较短。
但这种减速器的轴向尺寸较大。
圆柱齿轮减速器在所有减速器中应用最广。
它传递功率的范围可从很小至40000kW，圆周速度也可从很低至60m/s一70m／s，甚至高达150m／s。
传动功率很大的减速器最好采用双驱动式或中心驱动式。
这两种布置方式可由两对齿轮副分担载荷，有利于改善受力状况和降低传动尺寸。
设计双驱动式或中心驱动式齿轮传动时，应设法采取自动平衡装置使各对齿轮副的载荷能得到均匀分配，例如采用滑动轴承和弹性支承。
圆柱齿轮减速器有渐开线齿形和圆弧齿形两大类。
除齿形不同外，减速器结构基本相同。
传动功率和传动比相同时，圆弧齿轮减速器在长度方向的尺寸要比渐开线齿轮减速器约30％[5]。
2.2减速器结构
近年来，减速器的结构有些新的变化。
为了和沿用已久、国内目前还在普遍使用的减速器有所区别，这里分列了两节，并称之为传统型减速器结构和新型减速器结构。
（1）传统型减速器结构
绝大多数减速器的箱体是用中等强度的铸铁铸成，重型减速器用高强度铸铁或铸钢。
少量生产时也可以用焊接箱体。
铸造或焊接箱体都应进行时效或退火处理。
大量生产小型减速器时有可能采用板材冲压箱体。
减速器箱体的外形目前比较倾向于形状简单和表面平整。
箱体应具有足够的刚度，以免受载后变形过大而影响传动质量。
箱体通常由箱座和箱盖两部分所组成，其剖分面则通过传动的轴线。
为了卸盖容易，在剖分面处的一个凸缘上攻有螺纹孔，以便拧进螺钉时能将盖顶起来。
联接箱座和箱盖的螺栓应合理布置，并注意留出扳手空间。
在轴承附近的螺栓宜稍大些并尽量靠近轴承。
为保证箱座和箱盖位置的准确性，在剖分面的凸缘上应设有2—3个圆锥定位销。
在箱盖上备有为观察传动啮合情况用的视孔、为排出箱内热空气用的通气孔和为提取箱盖用的起重吊钩。
在箱座上则常设有为提取整个减速器用的起重吊钩和为观察或测量油面高度用的油面指示器或测油孔。
关于箱体的壁厚、肋厚、凸缘厚、螺栓尺寸等均可根据经验公式计算，见有关图册。
关于视孔、通气孔和通气器、起重吊钩、油面指示等均可从有关的设计手册和图册中查出。
在减速器中广泛采用滚动轴承。
只有在载荷很大、工作条件繁重和转速很高的减速器才采用滑动轴承。
（2）新型减速器结构
1）齿轮—蜗杆二级减速器；2）圆柱齿轮—圆锥齿轮—圆柱齿轮三级减速器。
这些减速器都具有以下结构特点：
——在箱体上不沿齿轮或蜗轮轴线开设剖分面。
为了便于传动零件的安装，在适当部位有较大的开孔。
——在输入轴和输出轴端不采用传统的法兰式端盖，而改用机械密封圈；在盲孔端则装有冲压薄壁端盖。
——输出轴的尺寸加大了，键槽的开法和传统的规定不同，甚至跨越了轴肩，有利于充分发挥轮毂的作用。
和传统的减速器相比，新型减速器结构上的改进，既可简化结构，减少零件数目，同时又改善了制造工艺性。
但设计时要注意装配的工艺性，要提高某些装配零件的制造精度[6]。
2.3减速器润滑
圆周速度u≤12m/s一15m／s的齿轮减速器广泛采用油池润滑，自然冷却。
为了减少齿轮运动的阻力和油的温升，浸入油中的齿轮深度以1—2个齿高为宜。
速度高的还应该浅些，建议在0．7倍齿高左右，但至少为10mm。
速度低的（0．5m／s一0．8m／s）也允许浸入深些，可达到1／6的齿轮半径；更低速时，甚至可到1／3的齿轮半径。
润滑圆锥齿轮传动时，齿轮浸入油中的深度应达到轮齿的整个宽度。
对于油面有波动的减速器（如船用减速器），浸入宜深些。
在多级减速器中应尽量使各级传动浸入油中深度近予相等。
如果发生低速级齿轮浸油太深的情况，则为了降低其探度可以采取下列措施：
将高速级齿轮采用惰轮蘸油润滑；或将减速器箱盖和箱座的剖分面做成倾斜的，从而使高速级和低速级传动的浸油深度大致相等。
减速器油池的容积平均可按1kW约需0．35L一0．7L润滑油计算（大值用于粘度较高的油），同时应保持齿轮顶圆距离箱底不低于30mm一50mm左右，以免太浅时激起沉降在箱底的油泥。
减速器的工作平衡温度超过90℃时，需采用循环油润滑，或其他冷却措施，如油池润滑加风扇，油池内装冷却盘管等。
循环润滑的油量一般不少于0．5L/kW。
圆周速度u>12m/s的齿轮减速器不宜采用油池润滑，因为：
1）由齿轮带上的油会被离心力甩出去而送不到啮合处；2）由于搅油会使减速器的温升增加；3）会搅起箱底油泥，从而加速齿轮和轴承的磨损；4）加速润滑油的氧化和降低润滑性能等等。
这时，最好采用喷油润滑。
润滑油从自备油泵或中心供油站送来，借助管子上的喷嘴将油喷人轮齿啮合区。
速度高时，对着啮出区喷油有利于迅速带出热量，降低啮合区温度，提高抗点蚀能力。
速度u≤20m/s的齿轮传动常在油管上开一排直径为4mm的喷油孔，速度更高时财应开多排喷油孔。
喷油孔的位置还应注意沿齿轮宽度均匀分布。
喷油润滑也常用于速度并不很高而工作条件相当繁重的重型减速器中和需要用大量润滑油进行冷却的减速器中。
喷油润滑需要专门的管路装置、油的过滤和冷却装置以及油量调节装置等，所以费用较贵。
此外，还应注意，箱座上的排油孔宜开大些，以便热油迅速排出。
蜗杆圆周速度在10m/s以下的蜗杆减速器可以采用油池润滑。
当蜗杆在下时，油面高度应低于蜗杆螺纹的根部，并且不应超过蜗杆轴上滚动轴承的最低滚珠（柱）的中心，以免增加功率损失。
但如满足了后一条件而蜗杆未能浸入油中时，则可在蜗杆轴上装一甩油环，将油甩到蜗轮上以进行润滑。
当蜗杆在上时，则蜗轮浸入油中的深度也以超过齿高不多为限。
蜗杆圆周速度在10m／s以上的减速器应采用喷油润滑。
喷油方向应顺着蜗杆转入啮合区的方向，但有时为了加速热的散失，油也可从蜗杆两侧送人啮合区。
齿轮减速器和蜗轮减速器的润滑油粘度可分别参考表选取。
若工作温度低于0℃，则使用时需先将油加热到0℃以上。
蜗杆上置的，粘度应适当增大[7]。
3减速机设计计算
3.1选择电动机：
3.1.1选电动机类型
滚动轴承效率
=0.995；联轴器效率
=0.98。
=0.96x0.97x0.995x0.995=0.9
由上述计算，T=137
我们取减速机轴最大扭矩
=150
需要略大于
，按已知工作要求和条件，选用Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机。
3.1.2确定电动机转速
按参考文献[2]P7表1推荐的传动比合理范围，取圆柱齿轮传动一级减速器传动比范围I’a=3~6。
故电动机转速的可选范围为n’d=I’a×3=459~1834r/min
符合这一范围的同步转速有750、1000、和1500r/min。
根据容量和转速，由有关手册查出有三种适用的电动机型号：
因此有三种传支比方案。
综合考虑电动机和传动装置尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，可见第2方案比较适合，则选n=1000r/min 。
3.1.3确定电动机的型号
根据以上选用的电动机类型，所需的额定功率及同步转速，选定电动机型号为Y132S-6。
其主要性能：
额定功率：
3KW，满载转速960r/min，额定转矩2.0。
质量63kg。
3.2传动比：
传动比：
取i=2
计算各传动参数：
1.计算各轴转速（r/min）nI=n电机=960r/minn
=nI/i=960/2=480（r/min）
2.计算各轴的功率（KW）
P
=P工作=15.08KWP
=P
×η总=15.08×0.9=13.572KW
3.计算各轴扭矩（N·mm）T
=9.55×106P
/n
=150N·mm
T
=9.55×106P
/n
=9.55×106×13.572/480=270026.25N·mm
4齿轮的选择
4.1齿轮传动的设计计算
4.1.1选择齿轮材料及精度等级
考虑减速器传递功率不在，所以齿轮采用软齿面。
小齿轮选用40Cr调质，齿面硬度为240~260HBS。
大齿轮选用45钢，调质，齿面硬度220HBS；根据表选7级精度。
齿面精糙度Ra≤1.6~3.2μm
4.1.2按齿面接触疲劳强度设计
由d1≥76.43（kT1（u+1）/φdu[σH]2）1/3
确定有关参数如下：
传动比i齿=2
取小齿轮齿数Z1=16。
则大齿轮齿数：
Z2=iZ1=2×16=32
实际传动比I0
传动比误差：
i-i0/I=0%<2%可用
齿数比：
u=i0=2
由参考文献[2]表取φd=0.9
4.1.3转矩T1
T1=9.55×106×P/n1=9.55×106×15.08/960=150N·m
4.1.4载荷系数k
由参考文献[1]P128表6-7取k=1
4.1.5许用接触应力[σH]
[σH]=σHlimZNT/SH由图查得[2]：
σHlimZ1=570MpaσHlimZ2=350Mpa
由查表得计算应力循环次数NL
NL1=60n1rth=60×384×1×（16×365×8）=1.28×109
NL2=NL1/i=1.28×109/6=2.14×108
由查图表得接触疲劳的寿命系数：
ZNT1=0.92ZNT2=0.98
通用齿轮和一般工业齿轮，按一般可靠度要求选取安全系数SH=1.0
[σH]1=σHlim1ZNT1/SH=570×0.92/1.0Mpa=524.4Mpa
[σH]2=σHlim2ZNT2/SH=350×0.98/1.0Mpa=343Mpa
故得：
d1≥76.43（kT1（u+1）/φdu[σH]2）1/3=76.43[1×150000×（6+1）/0.9×6×3432]1/3mm
=68.4mm
模数：
m=d1/Z1=68.4/16=3.8mm
根据表取标准模数：
m=4mm
4.1.6校核齿根弯曲疲劳强度
根据由公式
σF=（2kT1/bm2Z1）YFaYSa≤[σH]
确定有关参数和系数
分度圆直径：
d1=mZ1=4×16mm=64mmd2=mZ2=4×32mm=128mm
齿宽：
b=34mm
取b=34mmb2=30mm
4.1.7齿形系数YFa和应力修正系数YSa
根据齿数Z1=16,Z2=32由表得
YFa1=2.80YSa1=1.55
YFa2=2.14YSa2=1.83
4.1.8许用弯曲应力[σF]
根据公式式：
[σF]=σFlimYSTYNT/SF
由查表得：
σFlim1=290MpaσFlim2=210Mpa
由参考文献[2]图6-36查得：
YNT1=0.88YNT2=0.9
试验齿轮的应力修正系数YST=2
按一般可靠度选取安全系数SF=1.25
计算两轮的许用弯曲应力
[σF]1=σFlim1YSTYNT1/SF=290×2×0.88/1.25Mpa=408.32Mpa
[σF]2=σFlim2YSTYNT2/SF=210×2×0.9/1.25Mpa=302.4Mpa
将求得的各参数代入式（6-49）
σF1=（2kT1/bm2Z1）YFa1YSa1
=（2×1×150000/45×2.52×20）×2.80×1.55Mpa=77.2Mpa<[σF]1
σF2=（2kT1/bm2Z2）YFa1YSa1
=（2×1×150000/45×2.52×120）×2.14×1.83Mpa=11.6Mpa<[σF]2
故轮齿齿根弯曲疲劳强度足够
4.1.9计算齿轮传动的中心矩a
a=m/2（16+32）=4/2（16+32）=96mm
4.1.10计算齿轮的圆周速度V
V=πd1n1/60×1000=3.14×64×960/60×1000=3.22m/s
5减速器的轴及轴上零件的结构设计
5.1轴的结构设计
轴结构设计包括确定钢的结构形状和尺寸。
轴的结构是由多方面的因素决定的，其中主要考虑轴的强度、刚度、轴上零件的安装、定位、轴的支承结构以及轴的工艺性等，其设计方法和结构要素的确定，可参照教科书有关章节进行[1]。
单级圆柱齿轮减速器的轴一般均为阶梯轴，确定阶梯轴各段的直径和长度是阶梯轴设计的主要内容。
下面通过图5.1和表5.1、表5.2来说明。
5.1.1阶梯轴各段直径的确定
图5.1中阶梯轴各段的直径可由表5.1确定。
图5.1阶梯轴各段的直径
表5.1阶梯轴直径
符号
确定方法及说明
d1
按许用扭转应力进行估算。
尽可能圆整为标准直径，如果选用标准联轴器，d1应符合联轴器标准的孔径。
d2
d2=d1+2a，a为定位轴肩高度。
通常取a=3-10mm
d2尽可能符合密封件标准孔径的要求，以便采用标准密封圈。
d3
此段安装轴承，故d3必须符合滚动轴承的内径系列。
为便于轴承安装，此段轴径与d2段形成自由轴肩，因此，d3=d2+1~5mm，然后圆整到轴承的内径系列。
当此轴段较长时，可改设计为两个阶梯段，一段与轴承配合，精度较高，一段与套筒配
d4
d4=d3+1~5mm（自由轴肩），d4与齿轮孔相配，应圆整为标准直径。
d5
d5=d4+2a，a为定位轴环高度，通常可取a=3~10mm
d6
d6=d3，因为同一轴上的滚动轴承最好选取同一型号。
5.1.2阶梯轴各段长度的确定
图5.1中各阶梯长度可由表5.2确定。
表5.2轴各段长度的确定
符号
确定方法及说明
L1
按轴上零件的轮毂宽度决定，一般比毂宽短2~3mm。
也可按（1.2~1.5）d1取定。
L2
L2=l3+l4（l3为轴承端盖及联接螺栓头的高度）
L3
L3=B+l2+⊿2+（2~3）B轴承宽度
L4
L4按齿轮宽度b决定，L4=b-（2~3）mm
L5
无挡油环时，L5=B有挡油环时，L5=B+挡油环的毂宽
注：
表中l2、l3、l4、⊿2参见表5.3。
由表中计算式可知，各段长度的确定与箱外的旋转零件至固定零件的距离l4；轴承端盖及联接螺栓头高度的总尺寸l3；轴承端面至箱体内壁的距离l2；转动零件端面至箱体内壁的距离⊿2以及档油环的结构尺寸有关，这些尺寸又取决于轴承盖的类型、密封型式以及各零件在装配图中的相关位置。
因此，阶梯轴各段的长度应通过装配草图设计过程中边绘制边计算确定。
尤其值得注意的是：
当各零件相对位置确定以后，支承点的跨距即可确定，这时就可以计算支承反力，对轴的危险截面进行复合强度核核以及轴承寿命计算等，如果轴的强度不合格或者轴承寿命不符合要求，这时就要重新选择轴承和调整结构。
当然，轴的各阶梯段直径和长度也相应发生变化。
由上述可知，轴的结构设计应该在装配草图设计过程中，以边绘图、边计算、边修改的方式逐步完成。
表5.2为单级圆柱齿轮减速器的位置尺寸关系。
5.2齿轮的结构设计
中小型减速器的齿轮一般用锻钢制造。
当齿轮的齿顶圆直径da≤200mm时，可以做成圆盘式结构。
当齿轮的齿根圆与键槽底部的距离小于!
&（&为模数）时，则齿轮与轴应做成一体的齿轮轴。
当da=200~500时，可以做成腹板式结构。
齿轮结构设计可参照教科书有关章节进行[1]。
5.3支承部件的结构
单级圆柱齿轮减速器轴的支承一般采用滚动轴承，如图5.2所示。
图5.2轴承图
滚动轴承类型与尺寸选择以及轴承组合设计可参照教材有关章节进行。
轴承组合中，除滚动轴承外，还有轴承盖、调整垫片、内外密封装置的结构设计。
5.3.1轴承盖
轴承盖的作用是固定轴承的位置并承受轴向力和密封轴承座孔。
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