贵州大学机械设计课程设计.docx
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贵州大学机械设计课程设计
课程设计
课程名称:
机械设计课程设计
学院:
机械工程学院专业:
材料成型
姓名:
学号:
年级:
大二任课教师:
2014年06月26日
一.总论………………………………………………………………1
二.机械传动装置总体设计…………………………………………1
2.1分析拟定传动方案……………………………………………………………1
2.2电动机的选择……………………………………………………………………2
2.3传动装置转动比的分配…………………………………………………………2
2.4传动装置运动动力参数的计算………………………………………………3
三.传动零件设计………………………………………………………5
3.1V带传动设计…………………………………………………………………5
3.2带轮结构设计…………………………………………………………………7
3.3齿轮传动设计…………………………………………………………………8
3.4齿轮结构设计…………………………………………………………………10
四.轴的结构设计……………………………………………………11
4.1高速轴的设计…………………………………………………………11
4.2低速轴的设计…………………………………………………………17
五.滚动轴承组合设计………………………………………………22
5.1滚动轴承的选择………………………………………………………………22
5.2滚动轴承的寿命计算…………………………………………………………23
六.键和联轴器的选择………………………………………………24
6.1键的选用………………………………………………………………………24
6.2联轴器的选择…………………………………………………………………25
七.减速器的箱体、润滑、密封及附件…………………………25
7.1箱体的结构设计…………………………………………………………25
7.2减速器的润滑…………………………………………………………………27
7.3减速器的密封…………………………………………………………………27
7.4减速器的附件…………………………………………………………………28
7.5螺纹、螺纹联接及紧固件……………………………………………………29
总结………………………………………………………………30
参考文献………………………………………………………………31
第一章总论
带式输送机是一种摩擦驱动以连续方式运输物料的机械。
主要由机架、输送带、托辊、滚筒、张紧装置、传动装置等组成。
它可以将物料在一定的输送线上,从最初的供料点到最终的卸料点间形成一种物料的输送流程。
它既可以进行碎散物料的输送,也可以进行成件物品的输送。
除进行纯粹的物料输送外,还可以与各工业企业生产流程中的工艺过程的要求相配合,形成有节奏的流水作业运输线。
胶带输送机又称皮带输送机,输送带根据摩擦传动原理而运动,适用于输送堆积密度小于1.67/吨/立方米,易于掏取的粉状、粒状、小块状的低磨琢性物料及袋装物料,如煤、碎石、砂、水泥、化肥、粮食等。
胶带输送机可在环境温度-20℃至+40℃范围内使用,被送物料温度小于60℃。
其机长及装配形式可根据用户要求确定,传动可用电滚筒,也可用带驱动架的驱动装置。
减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用,减速器是一种相对精密的机械,使用它的目的是降低转速,按照传动级数不同可分为单级和多级减速机厂轮形状可分为圆柱齿轮减速机、圆锥齿轮减速机和圆锥-圆柱齿引轮减速机;按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同进轴式减速机。
减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件,常用作原动件与工作机之间的减速传动装置。
在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用,在现代机械中应用极为广泛。
第二章机械传动装置总体设计
2.1分析拟定传动方案
本设计中,原动机为电动机,工作机为皮带输送机。
传动方案采为1级传动,带传动承载能力较低,在传递相同转矩时,结构尺寸较其它形式大,但有过载保护的优点,还可缓和冲击和振动,故布置在传动的高速级,以降低传动的转矩,减小带传动的结构尺寸。
齿轮传动的传动效率高,适用的功率与速度范围广,使用寿命较长,是现代机器中应用最为广泛的机构之一。
所给定方案结构尺寸大,传动效率较高,成本低,连续工作性好,在所要求的工作条件下满足要求。
图2.1传动装置草图
2.2电动机的选择
电动机是一种旋转式电动机器,它将电能转变为机械能,它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。
在定子绕组旋转磁场的作用下,其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。
这些机器中有些类型可作电动机用,也可作发电机用。
它是将电能转变为机械能的一种机器。
通常电动机的作功部分作旋转运动,这种电动机称为转子电动机;也有作直线运动的,称为直线电动机。
电动机能提供的功率范围很大,从毫瓦级到千瓦级。
机床、水泵、皮带机、风机等需要电动机带动;电力机车、电梯,需要电动机牵引。
家庭生活中的电扇、冰箱、洗衣机,甚至各种电动机玩具都离不开电动机。
电动机已经应用在现代社会生活中的各个方面。
(1)电动机类型的选择
根据动力源和工作条件,选用Y系列三相异步电动机。
(2)电动机功率的选择
工作机所需要的有效功率为:
Pw=Fv/1000η=(2000×1.70)/1000=3.4KW(η=1)
初估电动机的额定功率:
P=Pw/η=3.4/0.9=3.78KW
查表2.1选用Y112M-4电动机,其主要参数如下:
电动机额定功率P
4KW
电动机满载转速nm
1440(r·min-1)
电动机轴伸出轴端直径
28mm
电动机伸出端安装长度
60mm
2.3传动装置转动比的分配
运输机驱动卷筒转速
Nw=(60x1000xV)/πD=(60x1000x1.7)πD=108.28r·min-1
总传动比
i′=1440/108.28=13.3
传动比分配id 取id=3u=4.433 确定齿数比及校核转速误差 因闭式传动取小齿轮齿数z1=22 大齿轮齿数z2=z1×u=98 齿数比u1=z2/z1=4.455 取小带轮基准直径d1=200mm 大带轮直径d2=d1id(1-ε)=589mm(ε=0.02) 直径比i1=d2/d1=3 实际传动比i=u1×i1=13.37 卷筒的实际转速nw′=nm/i=1440/13.37=107.7r/min 转速误差△nw=(nw-nw′)/nw=0.54%≤5%符合要求 2.4传动装置运动,动力参数的计算 ⑴传动装置的传动效率计算 带的传动效率η1=0.96 8级精度齿轮传动效率η2=0.97 轴承传动效率η3=0.99 弹性联轴器传动效率η4=0.99 传动装置的总效率η=η1η2η3η3η4=0.904 ⑵各轴功率计算 电机轴P0=P=4kw 高速轴P1=Pη1=4×0.96=3.84kw 低速轴P2=Pη1η2η3=4×0.96×0.97×0.99=3.69kw 滚筒轴P3=P2η3η4=3.69×0.99×0.99=3.62kw ⑶各轴转速计算 电机轴n0=nm=1440r/min 高速轴n1=n0/i1=1440/3=480r/min 低速轴n2=n/i=107.7r/min 滚筒轴n3=n2=107.7r/min ⑷各轴转矩计算 电机轴T0=9550ⅹ103P0/n0=26.5ⅹ103N·mm 高速轴T1=9550ⅹ103P1/n1=76.3ⅹ103N·mm 低速轴T2=9550ⅹ103P2/n2=326.7ⅹ103N·mm 滚筒轴T3=9550ⅹ103P3/n3=321.0ⅹ103N·mm 各轴主要参数的计算结果汇总如下表: 轴名 功率P/KW 转矩T(103N·mm) 转速n/(r/min) 传动比i 效率 η 输入 输出 输入 输出 电机轴 高速轴 低速轴 滚筒轴 3.84 3.69 3.62 4 3.69 3.62 76.3 326.7 321.0 26.5 326.7 321.0 1440 480 107.7 107.7 3 4.45 1 0.96 0.96 0.98 表2.3各轴参数表 第三章传动零件设计 3.1V带传动设计 带传动是通过中间挠性件传递运动和动力的,适用于两轴中心距较大的场合。 在这种场合下,与应用广泛的齿轮传动相比,它们具有结构简单、成本低廉等优点。 带传动通常是由主动轮1、从动轮2和张紧在两轮上的环形带3所组成的。 安装时带被张紧在带轮上,这时带所受的拉力称为初拉力,它使带与带轮的接触面间产生压力。 主动轮回转时,依靠带与带轮接触面的摩擦力拖动冲动轮一起回转,从而传递一定的运动和动力。 1带的型号选择 由工作条件,载荷平稳,2班制工作,采用交流电动机,参考《机械设计基础》第222页,表13-9得: KA=1.2 设计计算功率Pc=KAP=1.2×4=4.8KW(其中KA为工作情况系数,P为所需传递功率) 根据设计计算功率Pc和小带轮的转速n0,由《机械设计基础》第219页,表13-4查得: 带的型号为B型。 初选小带轮直径d1=200mm。 2.验算带的速度 v=(π×d1×n0)/(60×1000)=(3.14×200×1440)/(60×1000) =15.07m/s 带速v在5~25m/s之间,符合要求。 3.核验大带轮的转速误差 D2=(n0/n1)×(1-ε)×d1=(1440/480)×(1-0.02)×200=589mm 由《机械设计基础》第224页,表13-10取大带轮直径: d2=600mm取ε=0.02 实际大带轮转速: n1’=n0×(1-ε)×d1/d2=940×(1-0.02)×200/600=470.4r/min △n=|(470.4-480)/480|=1.88%<5%所以转速误差符合要求。 4.计算基准长度Ld和实际中心距a ①初定中心矩a0 由于设计要求中未对中心距提出明确要求,先按下式初选中心距a0: 0.7(d1+d2)≤a0≤2(d1+d2) 560mm≤a0≤1600mm 暂时取a0=1000mm ②初算带的基准长度L0 L0≈2a0+(π/2)(d1+d2)+(d1+d2)2/(4×a0)=2×1000+(3.14/2)×(200+600)+(200+600)2/(4×1000)=3336mm ③确定带的基准长度Ld 由《机械设计基础》第216页,表13-2将带的基准长度圆整至相近的标准基准长度: Ld=3200mm ④确定中心距 确定带的基准长度Ld后,按下式计算实际中心距a a≈a0+(Ld-L0)/2=1000+(3200-3336)/2=932mm 考虑到安装、调整和松弛后张紧的需要,实际中心距允许有一定的调整范围,其大小为: amin=a-0.015Ld=-0.015×3200=884mm amax=a+0.03Ld=932+0.03×3200=1028mm 取a=900mm 5.验算带的包角α1 α1=180°-57.3°×(d2-d1)/α=180°-57.3ºⅹ(600-400)/900 =154.53º>120º α1在允许的范围内,满足要求。 6.计算带的根数 由《机械设计基础》第219页,表13-4,查得P0=1.35KW 由《机械设计基础》第221页,表13-6,查得ΔP0=0.46KW 由《机械设计基础》第222页,表13-8,查得Kα=0.92 由《机械设计基础》第216页,表13-2,查得KL=1.07 按下式计算V带的根数: Z≥Pd/[P0]=Pd/((P0+ΔP0)KαKL)=5.13/((5.13+0.46)×0.92×1.07)=0.87 将Z圆整为整数: Z=1 7.计算带的初拉力F0和带的轴压力FQ 由《机械设计基础》第216页,表13-1,查得q=0.17kg/m 1按下式计算V带的初拉力: F0=500×(Pc/vz)×(2.5/Kα-1)+qv2=500×(4.8/(1×15.07))×(2.5/0.92-1)+0.17×15.072=312.11N 2下式计算V带的轴压力 FQ≈2zF0sin(α1/2)=2×1×312.11×sin(154.53/2)=608.86N 8.V带传动的主要参数见下表: 名称 结果 名称 结果 名称 结果 带型 B 传动比 i=3 根数 Z=1 带轮基准直径 d1=200mm d2=600mm 基准长度 Ld=3200mm 预紧力 F0=312.11N 中心距 a=900mm 压轴力 FQ=608.86N 表3.3V带传动主要参数 3.2带轮的设计 带轮常用铸铁制造,有时也会采用钢或非金属材料(塑料、木材)。 铸铁带轮允许的最大圆周速度为30m/s。 速度更高时,可采用铸钢或钢板冲压后焊接。 塑料带轮的重量轻,摩擦系数大,常用于机床中。 (一)轮槽的设计 由于选用带型为B型,根数为1。 由《机械设计基础》表13-11,bp=14mmb=17mmh=11mm (二)小带轮的结构设计 小带轮可采用腹板式结构,由《机械设计基础》和《机械设计课程设计》上相关内容设计。 孔径由选用联轴器决定(在后文中会有联轴器的选择部分,具体内容参考后文。 )。 故轮毂孔径ds=25mm,轮毂长度L=(1.5~2)ds=50mm,轮毂宽度B=2Zbp=28mm,S=(0.2~0.3)B=5mm,dh=(1.8~2)ds=50mm. (三)大带轮的结构设计 大带轮采用轮幅式结构,其孔径与减速箱高速轴轴径按结构设计(后文会有高速轴的设计,具体内容参考后文),故轮毂孔径ds=25mm,轮毂直径 d1=(1.8~2)d0=50mm,轮毂宽度L=(1.5~2)d0=45mm。 3.3齿轮传动设计 1.齿轮强度计算 ①齿轮材料选择 该齿轮传动无特殊要求,减速器是闭式传动,选择硬度HB≤350,根据《机械设计基础》第171页表11-1,选小齿轮材料40Cr,调质处理,;选大齿轮材料45钢,调质处理。 ②齿轮强度计算 由《机械设计基础》第171页表11-1查得σHlim1=700MPa,σHlim2=560MPa;减速器使用期5年,故选用较高可靠度,由《机械设计基础》第176页表11-5查得SHmin=1.25。 计算大小齿轮齿面许用接触应力: [σH1]=σHlim1/SHmin=700/1.25=560MPa [σH2]=σHlim2/SHmin=560/1.25=448MPa 因[σH]应取配对齿轮中较小的许用接触应力,故[σH]=[σH2]=448MPa 2.按齿面接触疲劳强度条件计算小齿轮直径d1 由《机械设计基础》第174页表11-3查得K=1.2;由《机械设计基础》第179页表11-6取Фd=1,已知u=4.45zE=180.0T=76.4ⅹ103N·mm 按下式计算小齿轮直径: d1≥3√(zE/[σH])2×(KT1/Фd)×((u+1)/u)ⅹ2.32 =3√(180/4482×(1.2×76400/1)×((4.45+1)/4.45)ⅹ2.32 =60.95mm 3.确定齿轮传动的主要参数和几何尺寸 1.确定齿轮模数: m=d1/z1=60.95/22=2.77取m=3 2.计算齿轮传动中心距: a=m(z1+z2)/2=3×(22+98)/2=180mm 3.分度圆直径d1=mz1=3×22=66mm,d2=mz2=3×98=294mm 4.齿顶圆直径查表4-2得ha*=1c*=0.25 da1=m(z1+2ha*)=3×(22+2×1)=72mm da2=m(z2+2ha*)=3×(98+2×1)=300mm 5.齿根圆直径 df1=m(z1-2ha*-2c*)=3×(22-2×1-2×0.25)=58.5mm df2=m(z2-2ha*-2c*)=3×(98-2×1-2×0.25)=286.5mm 6.齿宽的确定 b=Фdd1=1×66=66mm取b1=65mm、b2=60mm。 7.核验齿轮的弯曲应力 由《机械设计基础》第171页表11-1取 σFlim1=560MPa,σFlim2=410MPa; 由《机械设计基础》第176页表11-5取SFmin=1.6 按下式计算齿轮轮齿许用弯曲应力: [σF1]=σFlim1/SFmin=560/1.6=350MPa [σF2]=σFlim2/SFmin=410/1.6=256.25MPa 由《机械设基础》第177页图11-8取标准齿轮的复合齿形系数: YFa1=2.84,YFa2=2.21 由《机械设计基础》第178页图11-9取标准齿轮的复合齿形系数: YSa1=1.57YSa2=1.81 σF1=(2×K×T1×YFa1)/(d1×b1×m) =(2×1.2×76400×2.84)/(65×65×3)=62.48MPa<[σF1] σF2=(2×K×T2×YFa2)/(d×b2×m)=72.03MPa 经验算,齿根弯曲疲劳强度满足要求,故合格。 8.验算速度v v=(π×d1×n1)/(60×1000)=(3.14×65×480)/(60×1000)=1.66m/s 根据圆周速度v=1.66m/s,取该齿轮传动为8级精度。 齿轮传动的尺寸归于下表: 名称 结果/mm 模数 m=3 分度圆直径 d1=66 d2=294 齿顶圆直径 da1=72 da2=300 齿根圆直径 df1=58.5 df2=286.5 中心距 a=180 齿宽 b1=66 b2=60 表3.3齿轮传动主要尺寸 3.4齿轮结构设计 (一)小齿轮的结构设计 小齿轮由于直径较小,采用齿轮轴结构,在下文高速轴的设计中会有具体结构参数。 (二)大齿轮的结构设计 大齿轮2的直径较大,应把齿轮和轴分开制造,采用腹板式结构,其结构尺寸按《机械设计课程设计》表3.11和后续设计出的孔径直径计算如下表。 代号 结构尺寸计算公式 结果/mm 轮毂处直径D1 D1=1.6d=1.6X50 80 轮毂轴向长L L=(1.2~1.5)d 60 倒角尺n n=0.5mn 1.5 齿根圆处厚度σ0 σ0=(2.5~4)mn 10 腹板最大直径D0 D0=Df2-2σ0 266.5 板孔分布圆直径D2 D2=0.5(D0+D1) 173.25 板孔直径d1 d1=0.25(D0-D1) 46.625 腹板厚C C=0.3b2 18 表3.4大齿轮结构设计参数 其结构草图如下: 图3.4大齿轮结构草图 第四章轴的结构设计 轴是机器中的重要零件之一,用来支持旋转的机械零件和传递转矩。 轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。 其主要要求是: 1.轴应便于加工,轴上零件要易于拆装;2.轴和轴上零件要有准确的工作位置;3.各零件要牢固而可靠地相对固定;4.改善受力情况,减小应力集中和提高疲劳强度。 4.1高速轴的设计 ㈠.高速轴的设计计算 1.根据工作条件选择材料 由小齿轮材料选择高速轴材料40Cr调质,硬度241~286HBS, 强度极限为750MPa 2.按扭矩初算轴的最小直径 由《机械设计基础》第250页表14-2取C=107其中: P=P1=3.84,n=n1=480r/min d≥C3√(P/n)=115ⅹ3√(3.84/480)=21.4mm 考虑有键槽,将直径增大3%~5%,则 d=dⅹ(1+5%)=21.4ⅹ(1+5%)=22.48mm 输入轴最小直径处安装大带轮,将22.48取大一点,d=25mm 其初步设计如下: 图4.1高速轴结构草图 3.轴的结构分析 单级减速器中可将齿轮安排在箱体中央,相对两轴承对称分布。 由于小齿轮尺寸很小,所以和轴一起做成齿轮轴。 由于是直齿轮传动,传动过程中只受径向作用力,不会有轴向力,选用深沟球轴承。 根据上述需要初定轴的结构应是阶梯轴,阶梯轴的各轴段为: ①安装大带轮;轴段②为轴段①提供轴肩对带轮定位和安装密封圈。 轴段③用于安装轴承;轴段④是轴环,对轴承进行轴向定位;轴段⑤是小齿轮;轴段⑥是轴环,对轴承进行轴向定位;轴段⑦用于安装轴承。 如下图所示: 4.轴各段直径和长度 1段: 轴段①的直径为最小,已确定为d1=30mm若将d1=25mm定为带轮轮毂孔径,则带轮的大致宽度为: L=(1.5~2)d1=(1.5~2)×25=34.5~46mm,取轴段①的长度L1=40mm. 2段: 根据h=(0.07~0.1)d1的计算方法,(h为轴肩单侧高度)h=(0.07~0.1)×25=1.67~2.5mm,考虑到装带轮放大一点, 取轴段②的直径为d2=28mm 考虑到轴承端盖的厚度与拆卸紧固螺钉的空间,取L2=40mm。 3、⑦段: 根据数据选择深沟球轴承,由于本设计载荷很小而且平稳,参照轴 径要求按照经验初步选择型号6206,其内径为d3=30mm(d7=30mm) 轴承宽度b=16mm,考虑到大齿轮圆周速度小于2m/s,所以可以采用脂润滑,挡油环的厚度为10~15,取挡油环厚度为12mm,则取轴段③、⑦的长度为L3=L7=16+12=28mm。 4、⑥段: 是轴环,考虑到要保证箱体内表面与齿轮端面之间的距离,取L4=L6=12mm,d4=d6=0.7D+(1~2)=45mm 5段: 用于齿轮轴部分,根据小齿轮定尺寸,Z1=22,m=3,d1=66mm,da1=72mm,df1=58.5mmd5=,da1=72mm,轴段⑤的直径d5=da1=72mm,小齿轮的齿宽为: b1=65mm,则轴段⑤的长度为: L5=65mm。 则输入轴的基本尺寸如图: (二)高速轴的强度校核 1.确定两轴承之间的支承跨距l1(两支反力作用点距离)查出代号为6206的深沟球轴承的外形尺寸,D=62mm,B=16mm。 将轴承装到轴上,并取支承点为轴承宽度的中点,即可求L。 L=129mm 2.绘制并计算轴上的作用力 由于是直齿圆柱齿轮,齿轮所受法向力可以分解为两个相互垂直的分力,即圆周力Ft和径向力Fr。 此外,皮带轮传递进来扭矩T与轴压力FQ。 Ft=2T/d=(2×76400)/66=2312.12N Fr=Fttanα=2312.12×tan20°=841.5N 其中: T为高速轴的输入转矩 d为小齿轮的分度圆直径 α为分度圆压力角 3.以下求解FAY、FAZ、FBY、FBZ。 由于空间平衡的力系,在任意平面上的投影力系也平衡,所以分别作出XY平面与XZ平面上的受力简图,利用平面一般力系的平衡方程,即可解出FAY、FAZ、FBY、FBZ。 1XY面受力图: 列方程求解: ∑MB(F)=0 FAY×129+Fr×64.5-FQ×197=0
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