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机械设计基础课程设计ZDL-4B

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1、

设计任务书

1.1 设计题目 1.2 工作条件 1.3 技术条件 2、 传动装置总体设计

2.1 电动机选择 2.2 分配传动比 2.3 传动装置的运动和动力参数计算 3、 传动零件设计计算以及校核

3.1 减速器以外的传动零件设计计算 3.2 减速器内部传动零件设计计算 4、 轴的计算

4.1 初步确定轴的直径 4.2 轴的强度校核 5、 滚动轴承的选择及其寿命验算

5.1 初选滚动轴承的型号 5.2 滚动轴承寿命的胶合计算 6、 7、 8、 9、 键连接选择和验算 连轴器的选择和验算 减速器的润滑以及密封形式选择 参考文献

1.设计内容
1.1 设计题目
设*捍浠拇爸

1.2 工作条件
工作年限 10 工作班制 2 工作环境 多灰尘 载荷性质 稍有波动 生产批量 小批

1.3 技术数据
题号 ZDL-4 滚筒圆周 带 速 滚筒直径 滚 筒 长 度 力 F(N) v(m/s) D(mm) L(mm) 1800 1.5 300 500

2.传动装置总体设计
2.1 电动机的选择 2.1.1 选择电动机系列
根据工作要求及工作条件应选用三相异步电动机,封闭自扇冷式 结构,电压 380 伏,Y 系列电动机

2.1.2 选择电动机的功率
(1)卷筒所需有效功率
pw ? FV 1800 ?1.5 ? ? 2.7k w 1000 1000

p w ? 2.7kw

(2)传动总效率 根据表 4.2-9 确定各部分的效率: 弹性联轴器效率 一对滚动轴承效率 闭式齿轮的传动效率 开式滚子链传动效率 一对滑动轴承的效

η η η η η

1=0.99 2=0.99 3=0.97(8 级) 4=0.92 5=0.97

传动滚筒的效率
2 ? ? ?1 ? ? 2 ? ?3 ? ? 4 ? ?5 ? ? 6

η 6=0.96

? 0.99 ? 0.99 2 ? 0.97 ? 0.92 ? 0.97 ? 0.96 ? 0.8063

? ? 0.8063

(3)所需的电动机的功率
pr ? pw 2.7 ? ? 3.35 Kw ? 0.8063

Pr=3.35kw

按工作要求及工作条件选用三相异步电动机,封闭自扇冷式 结构,电压 380V,Y 系列。 查表 2.9-1 可选的 Y 系列三相异步电动机 Y112M-4 型,额定
P0 ? 4.0kw,或选 Y132M1-6 型,额定 P0 ? 4.0kw。

满足 P0 ? Pr

2.1.3 确定电动机转速
传动滚筒转速
60v 60 ? 1.5 ? ? 95.5r / min ?D ? ? 0.30 现以同步转速为 Y132S-4 型(1500r/min) 及 Y132M2-6 型(1000r/min)两种方案比较,查得电动机数据 nw ?
方 案 号 1 2 电动机 型号 Y112M-4 Y132M16 额定功率 (kW) 4.0 4.0 同步转速 (r/min) 1500 1000 满 载 转 速 (r/min) 1440 960 电动机质 量/kg 43 73 总 传 动比 15.08 10.05

比较两种方案,方案 1 选用的电动机使总传动比较大。为使传 动装置结构紧凑,选用方案 2。电动机型号为 Y132M1-6。由表 2.9-2 查得其主要性能数据列于下表 电动机额定功率 P0 /kW 电动机满载转速 n 0 /(r/min) 电动机轴伸直径 D/mm 电动机轴伸长度 E/mm 4.0 960 38 80

电动机中心高 H/mm 堵转转矩/额定转矩

132 2.0

2.2 分配传动比.
i? n0 960 ? ? 10.05 n w 95.5

(1)

总传动比

查表 2.2-1 得

取链传动比 i 23 =2.5
i i23 ? 10.05 ? 4.002 2.5

则齿轮传动的传动比为 i12 ?

2.3 传动装置的运动和动力参数计算 2.3.1 各轴功率、转速和转矩的计算
0 轴:即电动机的主动轴
p0 ? pr ? 3.35k w

n0 ? 960 r / min
T0 ? 9.55 ? p0 3.35 ? 10 3 ? 9.55 ? ? 33 .33 N ? m n0 960

1 轴: 即减速器的高速轴

p1 ? p0 ??01 ? 3.35 ? 0.99 ? 3.32 k w
n1 ? n0 ? 960 r / min i01

p1 3.32 ? 10 3 T1 ? 9.55 ? ? 9.55 ? ? 33.03 N ? m n1 960
2 轴:即减速器的低速轴
p2 ? p1??12 ? 3.32 ? 0.99 ? 0.97 ? 3.19 kw

n2 ?

n1 960 ? ? 239.88 r / min i12 4.002
P2 3.19 ? 10 3 ? 9.55 ? ? 127.00 N ? m n2 239.88

T2 ? 9.55 ?

3 轴:即传动滚筒轴
p3 ? p2?? 23 ? 3.19 ? 0.99 ? 0.92 ? 2.91kw

n3 ?

n2 239.88 ? ? 95.95 r / min i23 2.5
P3 2.91 ? 10 3 ? 9.55 ? ? 289.64 N ? m n3 95.95

T3 ? 9.55 ?

2.3.2 各轴运动及动力参数列表示
轴序 号 0 功率 P(kw)
3.35

转速 n(r/min )
960

转矩 T(N.m)
33.33

传动 形式 联轴 器

传动 比i

效率 η

1

0.99

1

3.32

960

33.03 齿轮传 动 4.002 0.98

2

3.19

239.88

127.00

3

2.91

95.95

289.64

链传动

2.5

0.91

3.传动零件的设计计算
3.1 减速器以外的传动零件设计计算
设计链传动
1)确定链轮齿数 由传动比取

小链轮齿数 大链轮齿数 实际传动比

Z 1 =23
Z 2 ? iZ1 ? 2.5 ? 23 ? 57.5
i? Z 2 57 ? ? 2.487 Z 1 23

所以取 Z 2 =57

2)确定链条节距 由式
P0 ? K AP KzK p

查表得,工况系数 K A ? 1.4 小链轮齿数系数
Kz ? ( Z1 1.08 ) ? 1.23 19

取双排链,由表 10—17 取 K p =1.7
P0 ? 1.4 ? 3.19 ? 2.136 kW 1.23 ? 1.7

因为 n1 ? 298 .50 r/min 查表得选链号 No10A,节距 p=15.875 3)计算链长 初选 链长
Lp ? 2 a0 z 2 ? z1 p z ? z1 2 57 ? 23 15.875 57 ? 23 2 ? ? ( 2 ) ? 2 ? 40 ? ? ( ) ? 121 节 p 2 a0 2? 2 635 2?

a 0 =40p=40 ? 15.875=635mm

取 L p =122 节 所以实际中心距 a≈635 4)验算链速
v? z1n1 p 23 ? 239 .88 ? 15.875 ? ? 1.46 60 ? 1000 60 ? 1000

V<15 m/s 适合 5)选择润滑方式 按 v=1.46m/s,链号 10A,查图选用滴油润滑。 6)作用在轴上的力 1000 P 1000 ? 3.19 有效圆周力 Fe ? ? ? 2185 N v 1.46



用在轴上的力 FQ ? 1.2 Fe ? 1.2 ? 2185 ? 2622 N

7)链轮尺寸及结构 分度圆直径
d1 ? p 15.875 ? ? 116 .585 mm 0 180 180 0 sin sin z1 22

d1 ?

15.875 ? 288 .177 mm 180 0 sin 55

3.2 减速器以内的传动零件设计计算 设计齿轮传动
1) 材料的选择: 小齿轮选用 45#钢,调质处理,齿面硬度 217—255HBS, 大齿轮选用 45#钢,正火处理,齿面硬度 162—217HBS。 计算应力循环次数
N1 ? 60 n1 jL h ? 60 ? 960 ? 1 ? (10 ? 300 ? 8 ? 2) ? 2.76 ? 10 9
9 N1 2.76 ? 10 N2 ? ? ? 6.91 ? 10 8 i 4.002

查图 11-14,ZN1=1.0 ZN2=1.07(允许一定点蚀) 由式 11-15,ZX1=ZX2=1.0 , 取 SHmin=1.0 由图 11-13b,得

? H lim1 ? 570 MPa , ? H lim 2 ? 510 MPa
计算许用接触应力

?? ? ? ? S
H 1

H lim 1 H min

Z N1Z X 1 ?

570 ? 1.0 ? 1.0 ? 570 .0MPa 1.0

?? ?

H 2

?

? H lim 2 510 Z N2Z X 2 ? ?1.07 ?1.0 ? 545 .7 MPa 1.0 S H min
2 H 1

因 ?H

? ? ? ?? ? ,故取 ?? ? ? ?? ?
H

H 2

? 545 .7 N / mm 2

2) 按齿面接触强度确定中心距

小轮转矩 T1 ? 33027 N ? m 初取 K t Z ?2t ? 1.3 ,取 ? a ? 0.4 ,由表 11-5 得 Z E ? 189 .8 MPa 由图 11-7 得, Z H ? 2.5 ,减速传动, u ? i ? 4.002 ; 由式(5-39)计算中心距 a

KT1 ? Z H Z E Z ? Z ? ? a t ? (u ? 1)3 2? a u ? ?H ?

? ?

? ? ? ?

2

1.3 ? 33027 ? 2.5 ? 188 .9 ? ? (3.216 ? 1)3 ? ? 2 ? 0.4 ? 4.002 ? 545 .7 ? ? 107 .92

2

由 4.2-10,取中心距 a=140mm。 估算模数 m=(0.007~0.02)a=0.98—2.8mm, 取标准模数 m=2.5mm。 小齿轮齿数: z1 ? 大齿轮齿数: 取 z1=22,z2=90 实际传动比 i实 ? 传动比误差
2a 2 ? 125 ? ? 22.4 m ?u ? 1? 2.5 ? ?4.002 ? 1?

a=140mm m=2.5mm

z2=uz1=90 z1=22,z2=90
z 2 90 ? ? 4.091 z1 22

?i ?

i理 ? i实 i理

? 100 % ?

4.002 ? 4.091 4.002

? 100 % ? 2% ? 5% ,

在允许范围内。 齿轮分度圆直径
d1 ? mn z1 ? 2.5 ? 22 ? 55mm

d 2 ? mn z 2 ? 2.5 ? 90 ? 225 mm

圆周速度 v ?

?d1 n1
60 ? 10
3

?

? ? 55 ? 960
6 ? 10 4

? 2.76 m / s

由表 11-6,取齿轮精度为 8 级. (3) 验算齿面接触疲劳强度 按电机驱动,载荷稍有波动,由表 11-3,取 KA=1.2 由图 11-2(a) ,

5

按 8 级精度和 vz1 / 100 ? 3.014 ? 22 / 100 ? 0.607 m / s , 得 Kv=1.07。 齿宽 b ? ? a a ? 0.4 ? 140 ? 56 mm 。 由图 11-3(a),按 b/d1=56/55=1.02,取 Kβ =1.09。 由表 11-4,得 Kα =1.1 载荷系数 K ? K A K v K ? K ? ? 1.25 ? 1.07 ? 1.09 ? 1.1 ? 1.60 由图 11-4,得 ? ? 1 ? 0.770 , ? ? 2 ? 0.846 , 所以 ? ? ? ? ? 1 ? ? ? 2 ? 1.616 由图 11-6 得, Z ? ? 0.89 计算齿面接触应力
2 KT1 u ? 1 ? 2.5 ? 189 .8 ? 0.89 ? bd12 u

? H ? Z H Z E Z?

2 ? 1.60 ? 33027 4.091 ? 1 ? ? 370 MPa ? ? H ? 545 .7 MPa 4.091 56 ? 55 2 故在安全范围内。 (4)校核齿根弯曲疲劳强度 按 Z1=24,Z2=76,

? ?

由图 11-10 得,Y Fa 1 =2.80,Y Fa 2 =2.23 由图 11-11 得, Ysa1 ? 1.57 , Ysa 2 ? 1.78 由图 11-12 得, Y? ? 0.7 由图 11-16(b) ,得 ? F lim1 ? 210 N / mm 2 , ? F lim 2 ? 205 N / mm 2 由图 11-17,得 Y N 1 =1.0,Y N 2 =1.0 由图 11-18 得,Y X 1 =Y X 2 =1.0。 取 Y ST =2.0,S F min =1.4 计算齿根许用弯曲应力

?? ? ? ? S
F1

F lim 1 ST F min

Y

YN 1YX 1 ?

210 ? 2 ? 1.0 ? 1.0 ? 300 MPa 1.4

?? ? ? ? S
F2

F lim 2 ST F min

Y

YN 2Y X 2 ?

200 ? 2 ? 1.0 ? 1.0 ? 286 N / mm 2 1.4

? F1 ?

2 KT1 2 ? 1.6 ? 33027 YFa 1Ysa1Y? ? ? 2.8 ? 1.57 ? 0.7 bd1 mn 56 ? 55 ? 2.5

? 422 .2MPa ? ? F 1 ? 300 MPa 故安全。

? ?

? F 2 ? ? F1
故安全。

YFa 2YSa 2 1.78 ? 2.23 ? 42 .2 ? YF 1YSa1 2.8 ? 1.57

? 38 .1MPa ? 292 .8MPa

(5) 齿轮主要几何参数 z1=22, z2=90, u=4.091, m=2.5 mm,
d1 ? mz1 ? 2.5 ? 22 ? 55 mm, d 2 ? mz 2 ? 2.5 ? 90 ? 225 mm
? d a1 ? d1 ? 2ha m ? 55 ? 2 ? 1.0 ? 2.5 ? 60 mm, ? d a 2 ? d 2 ? 2ha m ? 225 ? 2 ? 1.0 ? 2.5 ? 230 mm

? d f 1 ? d1 ? 2(ha ? c ? )m ? 55 ? 2(1.0 ? 0.25) ? 2.5 ? 48.75 mm ? d f 2 ? d 2 ? 2(ha ? c ? )m ? 225 ? 2(1.0 ? 0.25) ? 2.5 ? 218 .75 mm

a=140mm
b2 ? b ? 56 mm,

b1=b2+(5~10)=64mm

4. 轴的设计计算
4.1 初步确定轴的直径 4.1.1 高速轴及联轴器的设计
1.初步估定减速器高速轴外伸段轴径 根据所选电机 d电机 ? 38mm, 轴伸长E ? 80 mm 则 d=(0.8~1.0)d 电机 =(0.8~1.0)×38=30.4~38mm 取 d=32mm。 d=32mm

2.选择联轴器 根据传动装置的工作条件你选用弹性柱销联轴器 (GB5014-85) 。计算转矩 Tc 为
Tc = K AT =1.25×39.8=49.75mm

式中 T——联轴器所传递的标称扭矩, T=9.55×
4 ? 10 3 P =9.55× ? 39 .8 960 n

K A ——工作情况系数,取 K A =1.25。

根据 Tc =54.7N m,从表 2.5-1 可查的 HL2 号联轴器就可以 转矩要求( Tn ? 315 N ? m, Tn ? Tc ) 。但其轴孔直径(d=20~32mm) 不能满足电动机及减速器高速轴轴径的要求。因此重选 HL3 号联轴器( Tn ? 630 N ? m ? Tc ? 68.375 N ? m, ?n? ? 5000 r / min ? n ? 960 r / min ) 。

4.1.2 低速轴的设计计算

1.选择轴的材料
选择材料为 45 号钢,调质处理。

2.按转矩初步计算轴伸直径
d ? A0 3 P 3.19 ? 130 ? 3 ? 30.8mm n 239 .88

取 d =35mm

4.2 轴的强度校核
计算小齿轮上的作用力 转矩 T=127.00N.m 圆周力 Ft ?
2T d ? 2 ? 127000 ? 1128 .9 N 225

Ft= 1196 .7 N Fr=435.56 N

径向力 Fr ? Ft ? tg? ? 1128 .9 ? tg 20 ? 410 .9 N

轴向力 Fa ? Ft ? tg? ? 1128 .9 ? tg 0 ? 0 N (1) 绘轴的受力简图,求支座反力

Fa =0N

a.

垂直面支反力

?M B ? 0

? R Ay ( L2 ? L3 ) ? Ft L2 ? 0
R Ay ? Ft L2 F 1128 .9 ? t ? ? 564 .45 2 2 L2 ? L3

RAY=564.45N

?Y ? 0
RBy ? Ft ? R Ay ? 1128 .9 ? 564 .45 ? 564 .45 N

RBY=564.45N

b. 水*面支反力
?M c ? 0 得, ? R Az ( L2 ? L3 ) ? Fa

d ? Fr L2 ? 0 2

R Az ? ?

Fr L2 ? F? d / 2 L1 ? L2

410 .9 ? 54 .5 ? 205 .45 N 49 .5 ? 49 .5

?Z ? 0得:
RBz ? Fr ? RAz ? 410 .9 ? 205 .45 ? 205 .45

(2)作弯矩图
a. 垂直面弯矩 MY 图

C 点 , M Cy ? R Ay L3 ? 205 .45 ? 54.5 ? 11197 N ? mm b. 水*面弯矩 MZ 图 C 点右 C 点左,
M 'Cz ? RBz L2 ? 11197 N ? mm M Cz ? RAz L3 ? 11197 N ? mm

McY=11197N.mm

M 'Cz =11197N.mm M Cz =11197N.mm

c. 合成弯矩图
2 C 点右, M ’ ? M Cy ? ? CZ ? 32736 .4 N ? mm C 2 C 点左, Mc ? M cy ? M cz ? 32736 .4 N ? mm

M’ =32736.4N.mm C

Mc =32736.4N.mm

(3)作转矩 T 图 d T ? Ft ? ? 127000 N ? mm 2 (4)作计算弯矩 Mca 图 该轴单向工作,转矩产生的弯曲应力按脉动循环应力考虑, 取α =0.6 C 点左边
Mvc ? M c2 ? (?T ) 2 ? 82934 N ? mm

T =127000N.mm

Mvc=82934N.mm

C 点右边
' M vc ? M c'2 ? (?T ' ) 2 ? 1.03 ? 10 5 N ? mm

' M vc =82934N.mm

D点
2 M vD ? M D ? ?T 2 ? 76200 N ? mm

McaD=76200N.mm

(5)校核轴的强度 由以上分析可见,C 点弯矩值最大,而 D 点轴径最小,所以该 轴危险断面是 C 点和 D 点所在剖面。 查表 13-1 得 ? B ? 650 N / mm 2 查表 13-3 得 [? b ]?1 ? 60 N / mm 2 。 C 点轴径

dC ? 3

M vC 0.1 ? b

? ?

? 24 mm

?1

因为有一个键槽 d C ? 24 ? (1 ? 0.05) ? 25.2mm 。该值小于原 dc=25.2mm<45mm ,故安全。 D 点轴径 d D ? 3

M vD 0.1 ? b

? ?

? 23.3mm

?1

因为有一个键槽 d C ? 23.3 ? (1 ? 0.05) ? 24.5mm 。该值小于原

设计该点处轴径 35mm,故安全。

5.滚动轴承的选择及其寿命验算
低速轴轴承
1) 、选定轴承类型及初定型号 深沟球轴承(GB/T276-96) ,型号 6209 : 查表得 C r ? 24.5 / kN 2) 、计算径向支反力
R1 ? R12H ? R12 ? 1703 .540 N V
2 2 R2 ? R2 H ? R2V ? 3913 .423 N

C0 r ? 17.5 / kN

R1=1703.54N R2=3913.423N A1=1574.46N A2=1304.474N

3) 、求轴承轴向载荷 A1=S2+FA=1304.474+242.99=1574.46>S1=1304.474 A2= S1=1304.474N 4) 、计算当量动载荷 A1/R1=1574.46/1703.54=0.908>e=0.4 , X1=0.4, Y1=1.5 A2/R2=1304.47/3913.42=0.33 <e=0.4 , X2=1 , Y2=0 查表 13—11,取 fd=1.2,fm=1.0,ft=1.0 P1=fdfm1(X1R1+Y1A1)=1.5×(0.4×1703.54+1.5×1547.464) =2022N P2=fdfm2(X2R2+Y2A2)=1.3×1.5×3913.423 =7631.175N 5) 校核轴承寿命
3 10 ? C ? 10 6 ? 64200 ? 3 ? ? ? L10h ? ?? ? 60 n ? p ? 60 ? 230 .22 ? 7367 .175 ? ? 2? ? 87670 ? 48000 h(2 ? 8 ? 300 ? 10 ) 6 10 10

P1=2022N P2=7631.175N

故满足轴承的寿命要求

高速轴轴承
高速轴承的确定与低速轴承相同,选取 深沟球轴承(GB/T276-96)型号 6208。

6.键联接的选择和验算
1.减速器大齿轮与低速轴的键联接
1)键的材料类型 45 号钢,A 型普通*键 2)确定键的尺寸 b=14mm, h=9mm, L=40mm 3)验算键的挤压强度 键和轴的材料为钢轮毂材料为铸铁,铸铁的许用力比钢的 许用挤压应力低,按铸铁校核键连接的挤压强度。 查表的许用挤压应力 ? p ? 53mPa ,键的计算长度 l=L-b=40-14=26mm 由下式得 4T 4 ? 123490 ?p ? ? ? 43.97 N / mm 2 ? ? p dkl 48 ? 9 ? 26 该键安全。所以选 14×40GB1096-79

? ?

? ?

2.小齿轮与减速器低速轴轴伸的联接
1)键的材料类型 45 号钢 A 型普通*键,轧毂为铸铁

2) 确定键的尺寸 3) b=10mm,
同上面的方法 h=8mm, L=50mm , ? p

? ?=100 N / mm

2

?p ?

4T 4 ? 123490 ? ? 48.23 N / mm 2 dhl 32 ? 8 ? (50 ? 10)

因 ? p ? ? p ,故安全。所以选 10×8GB1096-79。

? ?

3.联轴器与减速器高速轴轴伸的联接
经计算得,该键与小齿轮与减速器低速轴轴伸的联接的键 相同。

7.联轴器的选择
根据传动装置的工作条件你选用弹性柱销联轴器(GB5014-85) 计算转矩 Tc 为
Tc = K AT =1.25×54.7=68.375mm

式中 T ——联轴器所传递的标称扭矩, T=9.55×
4 ? 10 3 P =9.55× ? 54 .7 960 n

K A ——工作情况系数,取 K A =1.25。

根据 Tc =54.7N m,从表 2.5-1 可查的 HL2 号联轴器就可以 转矩要求( Tn ? 315 N ? m, Tn ? Tc ) 。但其轴孔直径(d=20~32mm) 不能满足电动机及减速器高速轴轴径的要求。因此重选 HL3 号联轴器( Tn ? 630 N ? m ? Tc ? 68.375 N ? m, ?n? ? 5000 r / min ? n ? 960 r / min ) 。

8.减速器的润滑及密封形式选择
1 减速器的润滑采用油润滑,润滑油选用中负荷工业齿 轮油 GB5903-86。 2 油标尺 M16,材料 Q235A。 3 密封圈 低速轴选用 35×55×8 GB9877.1-88 高速轴选用 40×62×8

GB9877.1-88




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