一级蜗轮蜗杆减速器设计说明书
第一章绪论
1.1本课题的背景及意义
计算机辅助设计及辅助制造（CADCAM）技术是当今设计以及制造领域广泛采用的先进技术。本次设计是蜗轮蜗杆减速器，通过本课题的设计，将进一步深入地对这一技术进行深入地了解和学习。
1.1.1 本设计的设计要求
机械零件的设计是整个机器设计工作中的一项重要的具体内容，因此，必须从机器整体出发来考虑零件的设计。设计零件的步骤通常包括：选择零件的类型；确定零件上的载荷；零件失效分析；选择零件的材料；通过承载能力计算初步确定零件的主要尺寸；分析零部件的结构合理性；作出零件工作图和不见装配图。对一些由专门工厂大批生产的标准件主要是根据机器工作要求和承载能力计算，由标准中合理选择。
根据工艺性及标准化等原则对零件进行结构设计，是分析零部件结构合理性的基础。有了准确的分析和计算，而如果零件的结构不合理，则不仅不能省工省料，甚至使相互组合的零件不能装配成合乎机器工作和维修要求的良好部件，或者根本装不起来。
1.2.（1）国内减速机产品发展状况
国内的减速器多以齿轮传动，蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外材料品质和工艺水平上还有许多弱点。由于在传动的理论上，工艺水平和材料品质方面没有突破，因此没能从根本上解决传递功率大，传动比大，体积小，重量轻，机械效率高等这些基本要求。
（2）国外减速机产品发展状况
国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮转动为主，体积和重量问题也未能解决好。当今的减速器是向着大功率、大传动
比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。
1.3.本设计的要求
本设计的设计要求机械零件的设计是整个机器设计工作中的一项重要的具体内容，因此，必须从机器整体出发来考虑零件的设计计算，而如果零件的结构不合理，则不仅不能省工省料，甚至使相互组合的零件不能装配成合乎机器工作和维修要求的良好部件，或者根本装不起来。
机器的经济性是一个综合性指标，设计机器时应最大限度的考虑经济性。提高设计制造经济性的主要途径有：①尽量采用先进的现代设计理论个方法，力求参数最优化，以及应用CAD技术，加快设计进度，降低设计成本；②合理的组织设计和制造过程；③最大限度地采用标准化、系列化及通用化零部件；
④合理地选择材料，改善零件的结构工艺性，尽可能采用新材料、新结构、新工艺和新技术，使其用料少、质量轻、加工费用低、易于装配⑤尽力改善机器的造型设计，扩大销售量。
提高机器使用经济性的主要途径有：①提高机器的机械化、自动化水平，以提高机器的生产率和生产产品的质量；②选用高效率的传动系统和支承装置，从而降低能源消耗和生产成本；③注意采用适当的防护、润滑和密封装置，以延长机器的使用寿命，并避免环境污染。
机器在预定工作期限内必须具有一定的可靠性。提高机器可靠度的关键是提高其组成零部件的可靠度。此外，从机器设计的角度考虑，确定适当的可靠性水平，力求结构简单，减少零件数目，尽可能选用标准件及可靠零件，合理设计机器的组件和部件以及必要时选取较大的安全系数等，对提高机器可靠度也是十分有效的。
1.4.研究内容（设计内容）
（1）蜗轮蜗杆减速器的特点
蜗轮蜗杆减速器的特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速化，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。
蜗轮蜗杆减速器是以蜗杆为主动装置，实现传动和制动的一种机械装置。当蜗杆作为传动装置时，在蜗轮蜗杆共同作用下，使机器运行起来，在此过程中蜗杆传动基本上克服了以往带传动的摩擦损耗；在蜗杆作为制动装置时，蜗轮，蜗杆的啮合，可使机器在运行时停下来，这个过程中蜗杆蜗轮的啮合静摩擦达到最大，可使运动中的机器在瞬间停止。在工业生产中既节省了时间又增加了生产效率，而在工艺装备的机械减速装置，深受用户的美誉，是眼前当代工业装备实现大小扭矩，大速比，低噪音，高稳定机械减速传动独揽装置的最佳选择。
（2）方案拟订
A、箱体
(1)：蜗轮蜗杆箱体内壁线的确定； (2)：轴承孔尺寸的确定；
(3)：箱体的结构设计；
a.箱体壁厚及其结构尺寸的确定
b. 轴承旁连接螺栓凸台结构尺寸的确定
c.确定箱盖顶部外表面轮廓
d. 外表面轮廓确定箱座高度和油面
e. 输油沟的结构确定
f. 箱盖、箱座凸缘及连接螺栓的布置
B、轴系部件
(1) 蜗轮蜗杆减速器轴的结构设计
a. 轴的径向尺寸的确定
b. 轴的轴向尺寸的确定
(2)轴系零件强度校核
a. 轴的强度校核
b. 滚动轴承寿命的校核计算
C、减速器附件
a.窥视孔和视孔盖
b. 通气器
c. 轴承盖
d. 定位销
e. 油面指示装置
f. 油塞
g. 起盖螺钉=（10~40）×
符合这范围的电动机同步转速有750、1000、1500、3000 rmin四种，现以同步转速1000 rmin和1500 rmin两种常用转速的电动机进行分析比较。
综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格、传动比及市场供应情况，选取比较合适的方案，现选用型号为Y132M—4。
2.1.3 确定传动装置的传动比及其分配
减速器总传动比及其分配：
减速器总传动比i==144073.96=19.47
式中i—传动装置总传动比
—工作机的转速，单位rmin
—电动机的满载转速，单位rmin
2.1.4 计算传动装置的运动和动力参数
（1）各轴的输入功率
轴ⅠP= P=5.92×0.99×0.99=5.8kW
轴ⅡP= P=5.8×0.99×0.99×0.8=4.54kW
（2）各轴的转速
电动机： =1440 rmin
轴Ⅰ：n= =1440 rmin
轴Ⅱ：n==144019.47=73.96 rmin
（3）各轴的输入转矩
电动机轴： =9550p
d n
m
=9550×5.921440=39.26Nm
轴Ⅰ：T= 9550p
1n
1
=9550×5.81440=38.46Nm
轴Ⅱ：T= 9550p
2n
2
=9550×4.5473.96=586.22Nm
上述计算结果汇见表3-1
表3-1传动装置运动和动力参数
2.2 传动零件的设计计算
2.2.1 蜗轮蜗杆传动设计
一.选择蜗轮蜗杆类型、材料、精度
钢，整体调质，表面淬火，齿面硬度45~50HRC。蜗轮齿圈材料选用ZCuSn10Pb1，金属模铸造，滚铣后加载跑合，8级精度，标准保证侧隙c。
二.计算步骤
1.按接触疲劳强度设计
设计公式≥mm
（1）选z
1，z
2
：
查表7.2取z
1
=2，
z 2= z
1
×n1n2=2×144073.96=38.94≈39.
z
2
在30～64之间，故合乎要求。初估=0.82
（2）蜗轮转矩T2：
T2=T1×i ×=9.55×106×5.8×19.47×0.821440=614113.55 Nmm （3）载荷系数K ：
因载荷平稳，查表7.8取K=1.1 （4）材料系数ZE 查表7.9，ZE=156 （5）许用接触应力[0H ]
查表7.10，[0H ]=220 Mpa N=60×jn 2×L h =60×73.96×1×12000=5.325×107 （6）md1：
md1≥=1.1×614113.55×=2358.75mm （7）初选m ，d1的值： 查表7.1取m=6.3 ，d1=63 md1=2500.47〉2358.75 （8）导程角 tan= =0.2
=arctan0.2=11.3° （9）滑动速度Vs
Vs=
?
???=
??3.11cos 100060144063cos 1000601
1π
γ
πn d =4.84ms
（10）啮合效率
由Vs=4.84 ms 查表得 ν=1°16′
1 =
()()
?+??
=
+23.11tan 3.11tan tan tan φνγγ=0.20.223=0.896 （11）传动效率
取轴承效率 2=0.99 ，搅油效率3=0.98 =1×2×3=0.896×0.99×0.98=0.87
T2=T1×i ×=9.55×106×5.8×19.47×0.871440=651559.494Nmm （12）检验md1的值
md1≥=0.×651559.494×=1820＜2500.47 原选参数满足齿面接触疲劳强度要求 2.确定传动的主要尺寸
m=6.3mm ， =63mm ，z 1=2，z 2=39 （1） 中心距a
a==154.35mm
(2)蜗杆尺寸
分度圆直径d1 d1=63mm
齿顶圆直径da1 da1=d1+2ha1=(63+2×6.3)=75.6mm 齿根圆直径df1 df1=d1﹣2hf=63﹣2×6.3 (1+0.2)=47.88mm
轴向齿距 Px1=πm=3.14×6.3=19.78mm
齿轮部分长度b1 b1≥m(11+0.06×z2)=6.3×(11+0.06×39)=84.04mm
取b1=90mm (2)蜗轮尺寸
分度圆直径d2 d2=m ×z 2=6.3×39=245.7mm 轴向齿距 Px2=Px1=π m=3.14×6.3=19.78mm 蜗轮齿宽b2 b2=0.75da1=0.75×75.6=56.7mm 齿宽角 sin(α2)=b2d1=56.763=0.9
蜗轮咽喉母圆半径 rg2=a —da22=154.35﹣129.15=25.2mm (3)热平衡计算 ①估算散热面积A
A=275
.175
.17053.010035.15433.010033.0m a =?
?
?
??=?
?
?
??
②验算油的工作温度ti 室温：通常取。
散热系数：Ks=20 W(㎡·℃)。
()()=??
? ??+??-?=+-=
207053.0208.587.01100011000
1t A k P t s i η73.45℃＜80℃ 油温未超过限度 （4） 润滑方式
根据Vs=4.84ms ，查表7.14，采用浸油润滑，油的运动粘度V40℃=350×10-6
㎡s
(5)蜗杆、蜗轮轴的结构设计(单位：mm)
①蜗轮轴的设计
最小直径估算
dmin≥c×
c查《机械设计》表11.3得 c=120 dmin≥=120×=47.34
根据《机械设计》表11.5，选dmin=48
d1= dmin+2a =56 a≥(0.07～0.1) dmin=4.08≈4
d2=d1+ (1～5)mm=56+4=60
d3=d2+ (1～5)mm=60+5=65
d4=d3+2a=65+2×6=77 a≥(0.07～0.1) d3=5.525≈6
≥c×= 120×=19.09 取dmin=30
d1=dmin+2a=20+2×2.5=35 a=(0.07～0.1)dmin
d2=d1+(1～5)=35+5=40
d3=d2+2a=40+2×2=44 a=(0.07～0.1)d2
d4=d2=40
≥=120×=47.34mm
根据《机械设计》表11.5，选dmin=63
（3）轴的结构设计
①轴上零件的定位、固定和装配
单级减速器中，可将齿轮按排在箱体中央，相对两轴承对称分布，齿轮左面由轴肩定位，右面用套筒轴向固定，周向固定靠平键和过渡配合。两轴承分别以轴肩和套筒定位，周向则采用过渡配合或过盈配合固定。联轴器以轴肩轴向
定位,右面用轴端挡，圈轴向固定.
键联接作周向固定。轴做成阶梯形，左轴承 从做从左面装入，齿轮、套筒、右轴承和联轴器依次右面装到轴上。
② 确定轴各段直径和长度 Ⅰ段d 1=50mm L 1=70mm
Ⅱ段选30212型圆锥滚子轴承，其内径为60mm ，宽度为22mm 。故Ⅱ段直径d 2=60mm 。
Ⅲ段考虑齿轮端面和箱体内壁、轴承端盖与箱体内壁应有一定距离，则取套筒长为38mm 。故L 3=40mm ，d 3=65mm 。
Ⅳ段d4=77mm,L4=70mm
Ⅴ段d5=d4+2h=77+2×5.5=88mm,L5=8mm Ⅵ段d6=65mm,L6=22mm Ⅶ段 d7=d2=760mm,L7=25 （4）按弯扭合成应力校核轴的强度 ① 绘出轴的结构与装配图 (a)图 ②绘出轴的受力简图 (b)图
③绘出垂直面受力图和弯矩图 （c ）图
46.1977
18
.749221
1
=?==
d T F a N
1.937
.24502
.11437222
2
=?==
d T F t N
88.3320tan 1.93tan =??=*=αt r F F N
轴承支反力：
N
F RBV =Fr+F RAV =33.88+16.94=50.82N 计算弯矩： 截面C 右侧弯矩
m N L F M RBV cv ?=?=?=795.21000
55
82.502 截面C 左侧弯矩
m N L F M RAV cv
'?=?=?='932.01000
5594.162 ④绘制水平面弯矩图 (d)图 轴承支反力：
m N F F F t
RBH RAH ?===
=55.462
1.932
截面C 处的弯矩
m N L F M RAH CH ?=?=?=56.21000
5555.462
⑤绘制合成弯矩图 (e)图
79.356.2795.2222
2=+=+=CH CV C M M M Nm
图3.2 低速轴的弯矩和转矩
(a)轴的结构与装配 (b)受力简图 (c)水平面的受力和弯矩图
(d)垂直面的受力和弯矩图 (e)合成弯矩图 (f)转矩图 (g)计算弯矩图
()72.256.2932.0222
=+=+'='CH CV
C
M M M Nm
⑥绘制转矩图 (f)图
86.596.7354.41055.91055.966=??=??=n P T ×105 Nmm=586 Nm
⑦绘制当量弯矩图 (g)图
转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取0.6，截面C 处的当量弯矩为
()()62.3515866.079.32
22
2
=?+=+=T M M C EC α Nm
⑧校核危险截面C 的强度
＜，安全。
2.3.2 轴的结构见图3.3所示
图3.3 蜗轮轴的结构图
2.3.3 蜗杆轴的设计 （1）选择轴的材料
选取45钢，调质处理，硬度HBS=230，强度极限=650 Mpa ，屈服极限=360 Mpa ，弯曲疲劳极限=300 Mpa ，剪切疲劳极限=155 Mpa ，对称循环变应力时的许用应力=60 Mpa 。 (2) 初步估算轴的最小直径
最小直径估算
dmin ≥cx= 120x=19.09 取dmin=20 （3）轴的结构设计
按轴的结构和强度要求选取轴承处的轴径d=35mm ，初选轴承型号为30207圆锥滚子轴承（GBT297—94），采用蜗杆轴结构，其中，齿根圆直径mm ，分度圆直径mm ，齿顶圆直径mm ，长度尺寸根据中间轴的结构进行具体的设计，校
核的方法与蜗轮轴相类似，经过具体的设计和校核，得该蜗杆轴结构是符合要求的，是安全的，轴的结构见图3.4所示：
图3.4 蜗杆轴的结构草图
第三章 轴承的选择和计算 3.1 蜗轮轴的轴承的选择和计算
按轴的结构设计，初步选用30212（GBT297—94）圆锥滚子轴承，内径d=60mm,外径D=110mm,B=22mm. （1）计算轴承载荷 ① 轴承的径向载荷
轴承A ：N R R R AV AH
A 54.4994.1655.46222
2=+=+= 轴承B ：N R R R BV BH
B 92.6882.5055.462222=+=+= ② 轴承的轴向载荷 轴承的派生轴向力
查表得：30212轴承15°38′32″ 所以， =17.173N
=23.89N 无外部轴向力。
因为＜，轴承A 被“压紧”，所以，两轴承的轴向力为 ③ 计算当量动载荷
由表查得圆锥滚子轴承30211的 取载荷系数， 轴承A ：＜e
取X=1，Y=0，则N YA XR f P A A P rA 448.59)054.491(2.1)(=+??=+= 轴承B ：＜e
取X=1，Y=0，则N YA XR f P B B P rB 7.82)092.681(2.1)(=+??=+= 3.2 蜗杆轴的轴承的选择和计算
按轴的结构设计，选用30207圆锥滚子轴承（GBT297—94），经校核所选轴承能满足使用寿命，合适。具体的校核过程略。 3.3 减速器铸造箱体的主要结构尺寸（单位：mm ） (1) 箱座（体）壁厚： =≥8，取=15，其中=154.35； (2) 箱盖壁厚： =0.85≥8，取=12； (3) 箱座、箱盖、箱座底的凸缘厚度：，；
(4) 地脚螺栓直径及数目：根据=154.35，得，取d f =18,地脚螺钉数目为4个； (5) 轴承旁联结螺栓直径：
(6) 箱盖、箱座联结螺栓直径： =9～14.4，取=12； (7) 表2.5.1轴承端盖螺钉直径：
(8) 检查孔盖螺钉直径：本减速器为一级传动减速器，所以取=10； (9) 轴承座外径：，其中为轴承外圈直径，
把数据代入上述公式，得数据如下：
高速轴：144~14012)5.5~5(802=?+=D ，取， 低速轴：198~19016)5.5~5(1102=?+=D ，取； (10) 表2.5.2螺栓相关尺寸：
(11) 轴承旁联结螺栓的距离：以螺栓和螺钉互不干涉为准尽量靠近，一般取； (12) 轴承旁凸台半径： 20，根据而得；
(13) 轴承旁凸台高度：根据低速轴轴承外径和扳手空间的要求，由结构确定； (14)
箱
外
壁
至
轴
承
座
端
面
的
距
离
：
50~478~520228~521=++=++=c c L ，取=48； (15) 箱盖、箱座的肋厚：＞0.85，取=12，≥0.85，取=14； (16) 大齿轮顶圆与箱内壁之间的距离：≥，取=16；
(17) 铸造斜度、过渡斜度、铸造外圆角、内圆角：铸造斜度=1：10， 过渡斜度=1：20，铸造外圆角=5，铸造内圆角=3。 第四章 其他零件设计 4.1键联接的选择和强度校核
4.1．1高速轴键联接的选择和强度校核
高速轴采用蜗杆轴结构，因此无需采用键联接。 4.1．2 低速轴与蜗轮联接用键的选择和强度校核 (1) 选用普通平键（A 型）
按低速轴装蜗轮处的轴径d=77mm ，以及轮毂长=73mm ， 查表，选用键22×14×63 GB1096—2003。 (2) 强度校核
键材料选用45钢，查表知，键的工作长度mm ， mm ，按公式的挤压应力
MPa kld T p 84.6463
4171022.58621023
3=????=?=σ
小于，故键的联接的强度是足够的。 4.2 联轴器的选择和计算 4.2.1 高速轴输入端的联轴器
计算转矩，查表取，有，m N T K T A ca ?=?==69.5746.385.11，查表选用TL5型弹性套柱销联轴器，材料为35钢，许用转矩，许用转速rmin ，标记：LT5联轴器30×50 GB4323—84。
选键，装联轴器处的轴径为30mm ，选用键8×7×45 GB1096—79，
对键的强度进行校核，键同样采用45钢，有关性能指标见（2.6.2），键的工作长度mm ， mm ，按公式的挤压应力
MPa kld T p 8.1930
375.31046.38210233=????=?=σ＜，合格。所以高速级选用的联轴器
为LT5联轴器30×50 GB4323—84，所用的联结键为8×7×45 GB1096—79。 4.2.2 低速轴输出端的联轴器
根据低速轴的结构尺寸以及转矩，选用联轴器LT8联轴器50×70 GB4323—84，所用的联结键为14×9×60 GB1096—79，经过校核计算，选用的键是符合联结的强度要求的，具体的计算过程与上面相同，所以省略。 4．3 减速器的润滑
减速器中蜗轮和轴承都需要良好的润滑，起主要目的是减少摩擦磨损和提高传动效率，并起冷却和散热的作用。另外，润滑油还可以防止零件锈蚀和降低减速器的噪声和振动等。
本设计选取润滑油温度时的蜗轮蜗杆油，蜗轮采用浸油润滑，浸油深度约为h1≥1个螺牙高，但油面不应高于蜗杆轴承最低一个滚动体中心。 4．4 部分零件加工工艺过程 4.4.1 轴的加工工艺过程
轴的工艺过程相对于箱盖，底座要简单许多，本设计输出轴的一般工艺过程为： (1) 落料、锻打
(2) 夹短端、粗车长端端面、打中心孔 (3) 夹短端、粗车长端各档外圆、倒角
(4) 反向夹长端，粗车短端外圆、倒角、粗车短端端面、打中心孔 (5) 热处理
(6) 夹短端，半精车短端外圆
(7)反向夹长端，半精车短端外圆
(8)磨长端外圆
(9)反向磨短端外圆
(10)铣两键槽
(11) 加工好的蜗轮轴
4.4.2 箱体加工工艺过程
蜗轮蜗杆减速器的箱盖和箱体，它们的工艺过程比较复杂，先是箱盖和箱体分别单独进行某些工序，然后合在一起加工，最后又分开加工。
箱盖单独先进行的工序有：
（1）箱盖铸造
（2）回火、清沙、去毛刺、打底漆、毛坯检验
（3）铇视孔顶面
（4）铇剖分面
（5）磨剖分面
（6）钻、攻起盖螺钉
完成前述单独工序后，即可进行下列工序：
（1）箱盖、箱体对准合拢，夹紧；钻、铰定位销孔，敲入圆锥销
（2）钻箱盖和箱体的联接螺栓孔，刮鱼眼坑
（3）分开箱壳，清除剖分面毛刺、清理切屑
（4）合拢箱壳，敲入定位销，拧紧联接螺栓
（5）铣两端面
（6）粗镗各轴轴承座孔
（7）精镗各轴轴承座孔
（8）钻、攻两端面螺孔
（9）拆开箱壳
（10）装上油塞，箱体地脚螺栓孔划线
（11）钻地脚螺栓孔、刮鱼眼坑
（12）箱盖上固定视孔盖的螺钉孔划线
（13）钻、攻固定视孔盖的螺钉孔
（14）去除箱盖、箱体接合面毛刺，清除铁屑
（15）内表面涂红漆
结论
这次通过对已知条件对蜗轮蜗杆减速器的结构形状进行分析，得出总体方案.按总体方案对各零部件的运动关系进行分析得出蜗轮蜗杆减速器的整体结构尺寸，然后以各个系统为模块分别进行具体零部件的设计校核计算，得出各零部件的具体尺寸，再重新调整整体结构，整理得出最后的设计图纸和说明书.此次设计通过对蜗轮蜗杆减速器的设计，使我对成型机械的设计方法、步骤有了较深的认识.熟悉了蜗轮、轴等多种常用零件的设计、校核方法；掌握了如何选用标准件，如何查阅和使用手册，如何绘制零件图、装配图；以及设计非标准零部件
的要点、方法。
这次设计贯穿了所学的专业知识，综合运用了各科专业知识，查各种知识手册从中使我学习了很多平时在课本中未学到的或未深入的内容。我相信这次设计对以后的工作学习都会有很大的帮助。
由于自己所学知识有限，而机械设计又是一门非常深奥的学科，设计中肯定存在许多的不足和需要改进的地方，希望老师指出，在以后的学习工作中去完善它们。
参考文献
1 吴彦农，康志军.Solidworks2003实践教程. 淮阴：淮阴工学院，2003
2 叶伟昌. 机械工程及自动化简明手册（上册）. 北京：机械工业出版社，
2001
3 徐锦康. 机械设计. 北京：机械工业出版社，2001
4 成大先. 机械设计手册（第四版第4卷）. 北京：化学工业出版社，2002
5 葛常清. 机械制图（第二版）. 北京：中国建材工业出版社，2000
6 朱敬. 孙明，邵谦谦.AutoCAD2005.电子工业出版社，2004
7 董玉平. 机械设计基础.机械工业出版社，2001
8 曾正明. 机械工程材料手册. 北京：机械工业出版社，2003
9 周昌治. 杨忠鉴，赵之渊，陈广凌. 机械制造工艺学. 重庆：重庆大学出
版社，1999
10 曲宝章. 黄光烨. 机械加工工艺基础. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，
2002
11 张福润. 徐鸿本，刘延林. 机械制造基础（第二版）. 武汉：华中科技大
学出版社，2002