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机械设计课程设计原始资料
一、设计题目
热处理车间零件输送设备的传动装备
二、运动简图
图1
1—电动机 2—V带 3—齿轮减速器 4—联轴器 5—滚筒 6—输送带
三、工作条件
该装置单向传送,载荷平稳,空载起动,两班制工作,使用期限5年(每年按300天计算),输送带的速度容许误差为±5%.
四、原始数据
滚筒直径D（mm）：320
运输带速度V（m/s）：0.75
滚筒轴转矩T（N·m）：900
五、设计工作量
1减速器总装配图一张
2齿轮、轴零件图各一张
3设计说明书一份
六、设计说明书内容
1. 运动简图和原始数据
2. 电动机选择
3. 主要参数计算
4. V带传动的设计计算
5. 减速器斜齿圆柱齿轮传动的设计计算
6. 机座结构尺寸计算
7. 轴的设计计算
8. 键、联轴器等的选择和校核
9. 滚动轴承及密封的选择和校核
10. 润滑材料及齿轮、轴承的润滑方法
11. 齿轮、轴承配合的选择
12. 参考文献
七、设计要求
1. 各设计阶段完成后,需经指导老师审阅同意后方能进行下阶段的设计;
2. 在指定的教室内进行设计.
一. 电动机的选择
一、电动机输入功率w P
60600.752
44.785/min 22 3.140.32w v n r Rn π??=
==??
90044.785 4.21995509550w w Tn P kw ?===
二、电动机输出功率d P
其中总效率为
32
320.960.990.970.990.960.833v ηηηηηη=????=????=带轴承齿轮联轴滚筒
4.219
5.0830.833
w
d P P kw η
=
=
= 查表可得Y132S-4符合要求,故选用它。 Y132S-4(同步转速1440min r ，4极)的相关参数 表1
二. 主要参数的计算
一、确定总传动比和分配各级传动比
传动装置的总传动比144032.1544.785
m w n i n =
==总 查表可得V 带传动单级传动比常用值2~4，圆柱齿轮传动单级传动比常用值为3~5，展开式二级圆柱齿轮减速器()121.3~1.5i i ≈。 初分传动比为 2.5V i =带，1 4.243i =，2 3.031i =。
二、计算传动装置的运动和动力参数
本装置从电动机到工作机有三轴，依次为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ轴，则
1、各轴转速
1440
576min 2.5m V n n r i ===Ⅰ带
2135.75344.288min 3.031
n n r i =
==ⅡⅢ 2、各轴功率
0 5.50.96 5.28d d V P P P kw ηη==?=?=ⅠⅠ带
5.280.990.97 5.070P P P kw ηηη==??=??=ⅡⅠⅠⅡⅠ轴承齿轮 5.0700.990.97 4.869P P P kw ηηη==??=??=ⅢⅡⅡⅢⅡ轴承齿轮
3、各轴转矩
5.5
9550
955036.4761440
d d d P T N m n ==?=? 036.476 2.50.9687.542d V T T i N m η==??=?ⅠⅠ带
187.542 4.2430.990.97356.695T T i N m η==???=?ⅡⅠⅠⅡ 2356.695 3.0310.990.971038.221T T i N m η==???=?ⅢⅡⅡⅢ
表2
1576135.753min 4.243
n n r i =
==ⅠⅡ
三 V 带传动的设计计算
一、确定计算功率ca P
查表可得工作情况系数 1.2A k = 故 1.2 5.5 6.6ca A P k P kw =?=?= 二、选择V 带的带型
根据ca P n 、，由图可得选用A 型带。 三、确定带轮的基准直径d d 并验算带速v
1、初选小带轮的基准直径1d d 。
查表8-6和8-8可得选取小带轮的基准直径190d d mm = 2、验算带速v
按计算式验算带的速度1901440
6.782601000
601000
d d n
v m s ππ??=
=
=??
因为530m s v m s <<，故此带速合适。 3、计算大带轮的基准直径2d d
按式(8-15a)计算大带轮的基准直径21 2.590225d d V d i d mm ==?=带根据教材
表8-8，圆整得
2224d d mm
=
。
4、确定V 带的中心距a 和基准直径d L
（1）按计算式初定中心距0500a mm = 12012(0.7()2())d d d d d d a d d +≤≤+ （2）按计算式计算所需的基准长度
22100120
()2()24d d d d d d d L a d d a π
-≈+++
2
(22490)2430(90224)24430π-=?+?++? =1364mm
查表可选带的基准长度1400d L mm = （3）按计算式计算实际中心距a
0014001364
(430)44822
d d L L a a mm mm --≈+
=+= 中心距的变化范围为()427490mm mm :。 5、验算小带轮上的包角1α
()()12157.357.318018022490163120448
d d d d a α≈--=--=≥o o o
o
o o
6、计算带的根数
（1）计算单根V 带的额定功率r P
由1901440min d d mm n r ==和查表可得0 1.064P kw =
根据1440min 2.7n r i ==，和A 型带，查表可得00.169P kw ?=、0.956k α=、
0.96L k =。
故()()r 00P 1.0640.1690.9560.96 1.132L P P k k kw α=+?=+??= （2）计算V 带的根数Z
r 6.6
5.830P 1.132
ca P Z =
== 故取V 带根数为6根 7、计算单根V 带的初拉力的最小值()0min F 查表可得A 型带的单位长度质量0.10q kg m =
()()2
0min
2.5500
ca
k P F qv
k Zv
αα-=+()22.50.956 6.6(5000.16.782)1360.9566 6.782
N N
-?=?+?=??
应使带的实际初拉力()00min F F >。 8、计算压轴力p F
压轴力的最小值为
()()1
0min
min 2sin 2
P F Z F α=16326136sin 2=???。
1614N =
四 减速器斜齿圆柱齿轮传动的设计计算
一、高速级齿轮
1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
（1）按图所示的传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。
（2）运输装置为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。
（3）材料选择：查表可选择小齿轮材料为40Cr (调质)，硬度为280HBS ；大齿轮材料为45钢(调质)，硬度为240HBS ，二者材料硬度差为40HBS 。 （4）选小齿轮齿数120Z =，大齿轮齿数2 4.2432085Z =?=，取285Z = （5）选取螺旋角，初选螺旋角14β=o
2、按齿面接触强度设计，按计算式试算即
1t d ≥（1）确定公式内的各计算数值
①试选 1.6t k =，由图10-2610.740αε=，20.820αε=则有12 1.560αααεεε=+= ②小齿轮传递转矩
187.542T N m
=g
③查图10-30可选取区域系数 2.433H Z = 查表10-7可选取齿宽系数1d Φ= ④查表10-6可得材料的弹性影响系数12
189.8E Z MP =。
⑤查图10-21d 得按齿面硬度选取小齿轮的接触疲劳强度极限
lim1600H a MP σ=，大齿轮的接触疲劳强度极限lim 2550H a MP σ=。 ⑥按计算式计算应力循环次数
()811606057612830058.29410h N n jL ==??????=?
8
828.29410 1.95104.243
N ?==?
⑦查图可选取接触疲劳寿命系数1 1.02HN k =，2 1.12HN k =。
⑧计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数1S =，按计算式(10-12)得
[]1lim1
1 1.02600612HN H H a k MP S
σσ=
=?= []2lim2
2 1.12550616HN H H a
k MP S
σσ=
=?=
（2）计算相关数值
①试算小齿轮分度圆直径1t d ，由计算公式得
150.07t d mm ≥
=
②计算圆周速度
11
50.07576
1.509601000
601000
t d n v m s ππ??=
=
=??
③计算齿宽b 及模数nt m
1150.0750.07d t b d mm =Φ=?=
11cos 50.07cos14 2.42920
t nt d m mm Z β?===o
2.25 2.25 2.429 5.466nt h m mm mm ==?=
50.079.165.466
b h == ④计算总相重合度βε
10.318tan 0.318120tan14 1.586d Z βεβ=Φ=???=o
⑤计算载荷系数k
查表可得使用系数1A k =，根据 1.509v m s =，7级精度，查表10-8可得动载系数 1.07V k =，由表10-4查得
H K β
的值与直齿轮的相同，为 1.419
1.350F k β=， 1.4H F k k αα==
[][][]12
612616
6142
2
H H H a MP σσσ++=
=
=
故载荷系数1 1.07 1.4 1.419 2.126A V H H k k k k k αβ==???= ⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，按计算式得
1145.81455.046t
d d mm ==?= ⑦计算模数n m
11cos 55.046cos14 2.67120
n d m mm Z β?===o
3、按齿根弯曲强度设计，按计算式(10-17)试算即
n m ≥
（1）确定公式内的各计算数值 ①、计算载荷系数
1 1.07 1.4 1.35 2.022A V F F k k k k k αβ==???=
②根据纵向重合度 1.586βε=，查图10-28可得螺旋角影响系数0.88Y β=。 ③查图可选取区域系数 2.433H Z =，30.795αε=，40.875αε=则有
34' 1.67αααεεε=+=
④查表取应力校正系数1 1.569Sa Y =，2 1.783Sa Y =。
⑤查表取齿形系数1 2.724Fa Y =，2 2.194Fa Y =。(线性插值法)
⑥查图10-20C 可得小齿轮的弯曲疲劳强度极限1500FE a MP σ=，大齿轮的弯曲疲劳强度极限2380FE a MP σ=。
⑦查图可取弯曲疲劳寿命系数10.87FN k =，20.90FN k =。
⑧计算弯曲疲劳许用应力 ，取弯曲疲劳安全系数 1.4S =，按计算式(10-22)计算得
[]1110.87500
310.7141.4FN FE F a k MP S σσ?=== []222
0.90380244.2861.4
FN FE F a k MP S σσ?===
⑨计算大、小齿轮的
[]
Fa Sa
F Y Y σ并加以计算
[]11
1
2.724 1.569
0.014310.714
Fa Sa F Y Y σ?=
=
[]22
2
2.194 1.783
0.016
244.286Fa Sa F Y Y σ?=
=
大齿轮的数值较大。 （2）设计计算
1.979n m mm ≥
=
对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，故取2n m mm =，已可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径155.046d mm =来计算应有的齿数，于是有
11cos 55.046cos1426.7052n d Z m β?===o
取127Z =，则211 4.24327115Z i Z ==?≈ 4、几何尺寸计算 （1）计算中心距
()()12271152146.3472cos 2cos14n Z Z m a mm
β
++?=
==?o
将中心距圆整为147a mm =。 （2）按圆整后的中心距修正螺旋角
()()12271152arccos
arccos
14.98622147
n
Z Z m a
β++?===?。
因β值改变不多，故参数αε、k β、H Z 等不必修正。 （3）计算大、小齿轮的分度圆直径
11272
55.901cos cos14.986
n Z m d mm β?=
==。
221152
238.099cos cos14.986n Z m d mm β?=
==。
（4）计算齿轮宽度
1155.90155.901d b d mm =Φ=?=
圆整后取155B mm =，260B mm =。 二、低速级齿轮
1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
（1）按图所示的传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。
（2）运输装置为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度。
（3）材料选择，在同一减速器各级小齿轮(或大齿轮)的材料，没有特殊情况，应选用相同牌号，以减少材料品种和工艺要求，故查表可选择小齿轮材料为40Cr (调质)，硬度为52HRC ；大齿轮材料为45钢(调质)，硬度为45HRC.
（4）选小齿轮齿数323Z =，大齿轮齿数423 3.03170.92470Z =?=≈
（5）选取螺旋角，初选螺旋角14β=o
2、按齿面接触强度设计，按计算式试算即
3t d ≥（1）确定公式内的各计算数值 ①试选 1.6t k =
②小齿轮传递转矩2356.695T N m =g
③查表10-7可选取齿宽系数1d Φ=, 查图10-26可选取区域系数
2.433H Z =，30.765αε=，40.870αε=则有
3
4
1.635
ααεεε=+=
④查表可得材料的弹性影响系数1
2
189.8E Z MP =。
⑤查图得按齿面硬度选取小齿轮的接触疲劳强度极限lim3600H a MP σ=，大齿
轮的接触疲劳强度极限lim 4550H a MP σ=。 ⑥按计算式计算应力循环次数
()8326060135.7531283005 1.95510h N n jL ==??????=?
8
74 1.95510 6.450103.031
N ?==?
⑦查图可选取接触疲劳寿命系数3 1.12HN k =，4 1.18HN k =。 ⑧计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数1S =,于是得
[]3lim3
3 1.12600672HN H H a k MP S σσ==?= []4lim44
1.18550649HN H H a k MP S
σ
σ==?=
[][][]34
672649
'660.52
2
H H H a MP σσσ++=
=
= （2）计算相关数值
①试算小齿轮分度圆直径1t d ，由计算公式得
376.848t d mm ≥
=
②计算圆周速度
3276.848135.753'0.546601*********
t d n v m s ππ??=
==??
③计算齿宽'b 及模数'nt m
3'176.84876.848d t b d mm =Φ=?=
33cos 76.848cos14' 3.24023
t nt d m mm Z β?===o
' 2.25' 2.25 3.2407.29nt h m mm ==?=
'76.84810.54'7.29b h == ④计算总相重合度'βε
3'0.318tan 0.318123tan14 1.824d Z βεβ=Φ=???=o
⑤计算载荷系数k
查表可得使用系数1A k =，根据'0.546v m s =，7级精度，查表可得动载系数' 1.04V k =，' 1.425H k β=，' 1.36F k β=，'' 1.4H F k k αα== 故载荷系数''''1 1.04 1.4 1.424 2.075A V H H k k k k k αβ==???= ⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，按计算式得
3376.84883.804t
d d mm ==?= ⑦计算模数'n m
33cos 83.804cos14' 3.53523
n d m mm Z β?===o
3、按齿根弯曲强度设计，按计算式试算即
'n m ≥（1）确定公式内的各计算数值 ①计算载荷系数
''''1 1.04 1.1 1.36 1.556A V F F k k k k k αβ==???=
②根据纵向重合度' 1.824βε=，查图可得螺旋角影响系数'0.88Y β=。 ③计算当量齿数
333323
25.178cos cos 14V Z Z β=
==o
443370
76.628cos cos 14
V Z Z β=
==o
④查表可取齿形系数3 2.616Fa Y =，4 2.227Fa Y =。
⑤查表可取应力校正系数3 1.591Sa Y =，4 1.763Sa Y =。(线性插值法)
⑥查图可得小齿轮的弯曲疲劳强度极限3500FE a MP σ=，大齿轮的弯曲疲劳强度极限4380FE a MP σ=。
⑦查图可取弯曲疲劳寿命系数30.90FN k =，40.93FN k =。 ⑧计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数 1.4S =，按计算式计算
[]3330.90500
321.4291.4FN FE F a k MP S σσ?=
== []4440.93380
252.4291.4
FN FE F a k MP S σσ?==
= ⑨计算大、小齿轮的
[]
'Fa Sa
F Y Y σ并加以计算
[]33
3
2.616 1.591
0.013321.429
Fa Sa F Y Y σ?=
=
[]44
4
2.227 1.763
0.016252.429
Fa Sa F Y Y σ?=
=
大齿轮的数值较大。 （2）设计计算
' 2.572n m mm ≥
=
对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，故取'3n m mm =，已可满足弯曲强度，但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度算得的分度圆直径383.804d mm =来计算应有的齿数，于是有
33cos 83.804cos1427.1053n d Z m β?===o
取326Z =，则423 3.0312884.86885Z i Z ==?=≈ 4、几何尺寸计算 （1）计算中心距
()()34'28853'174.6892cos 2cos14n Z Z m a mm
β
++?=
==?o
将中心距圆整为'175a mm =。
（2）按圆整后的中心距修正螺旋角
()()34'28853'arccos
arccos 14.4032'
2175
n Z Z m a β++?===?。
因'β值改变不多，故参数'αε、'k β、'H Z 等不必修正。 （3）计算大、小齿轮的分度圆直径
33'283
86.726cos 'cos14.403n Z m d mm β?=
==。
44'853
263.274cos 'cos14.403n Z m d mm β?=
==。
（4）计算齿轮宽度
3'186.72686.726d b d mm =Φ=?=
圆整后取390B mm =，495B mm =。
五 轴的设计计算
一、高速轴的设计
1、求作用在齿轮上的力
高速级齿轮的分度圆直径为d 151.761d mm =
112287542
339851.761
te T F N d ?=
== tan tan 2033981275cos cos1421'41"n re te F F N αβ=?=?=o
o
tan 3398tan13.7846ae te F F N β==?=。
2、选取材料
可选轴的材料为45钢，调质处理。 3、计算轴的最小直径，查表可取0112A =
min 0
11223.44d A mm ==?=
应该设计成齿轮轴，轴的最小直径显然是安装连接大带轮处，为使d Ⅰ-Ⅱ 与带
轮相配合，且对于直径100d mm ≤的轴有一个键槽时，应增大5%-7%，然后
将轴径圆整。故取25d mm =Ⅰ-Ⅱ 。
4、拟定轴上零件的装配草图方案(见下图)
5、根据轴向定位的要求，确定轴的各段直径和长度
（1）根据前面设计知大带轮的毂长为93mm,故取90L mm I-II =，为满足大带轮的定位要求，则其右侧有一轴肩，故取32d mm II-III =，根据装配关系，定
35L mm II-III =
（2）初选流动轴承7307AC ，则其尺寸为358021d D B mm mm mm ??=??，故35d mm d III-∨I ∨III-IX ==，III -I∨段挡油环取其长为19.5mm,则
40.5L mm III-I∨=。
（3）III -I∨段右边有一定位轴肩，故取42d mm III-II =，根据装配关系可定
100L mm III-II =，为了使齿轮轴上的齿面便于加工，取5,44L L mm d mm II-∨I ∨II-∨III II-∨III ===。
（4）齿面和箱体内壁取a=16mm,轴承距箱体内壁的距离取s=8mm,故右侧挡油环的长度为19mm,则42L mm ∨III-IX =
（5）计算可得123104.5,151,50.5L mm L mm L mm ===、
（6）大带轮与轴的周向定位采用普通平键C 型连接，其尺寸为
10880b h L mm mm mm ??=??,大带轮与轴的配合为
7
6
H r ，流动轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为m6. 求两轴承所受的径向载荷1r F 和2r F
带传动有压轴力P F (过轴线，水平方向)，1614P F N =。
将轴系部件受到的空间力系分解到铅垂面和水平面上两个平面力系 图一
图二
图三
[注]图二中ae F 通过另加弯矩而平移到作用轴线上
图三中te F 通过另加转矩而平移到指向轴线
()1
21515015102
r V ae re d F F F ?+-?
-?= 22163r V F N =
12r V re r V F F F =-=1824N
同理
2853r H F N
=
1233988532545r H te r H F F F N =-=-=
13131r F N ===
22014r F N === 6 、求两轴承的计算轴向力1a F 和2a F
对于70000AC 型轴承，轴承的派生轴向力0.68d r F F =?
110.680.6831312129.08d r F F N =?=?= 220.680.6820141369.52d r F F N =?=?= 218461369.522215.2ae d d F F N F +=+=>
故2112215.2,1369.52a a d F N F F N === 7、求轴承的当量动载荷1P 和2P 对于轴承1
112215.20.700.683131a r F F ==> 对于轴承2
221369.52
0.682014
a r F F == 查表可得径向载荷系数和轴向载荷系数分别为： 对于轴承110.41X =，10.87Y = 对于轴承221X =，20Y =
()()1111110.4131310.872215.23210.934P r a P f X F Y F N =+=?+?= ()()2222211201402014P r a P f X F Y F N =+=?+= 8、求该轴承应具有的额定载荷值 因为12P P >则有
1
3210.93424993.1r C P N C ==?=<
故7307AC 符合要求。 9、弯矩图的计算
水平面： 1853NH F N =,22545NH F =N,则其各段的弯矩为： BC 段：
由弯矩平衡得M-10NH F x =853(0151)M x x ?=≤≤ CD 段：
由弯矩平衡得
1(151)025********(151201.5)NH M F x x M x x -+-=?=-+≤≤
853*********.H M N mm N mm ∴=?=g g
铅垂面：122163,1824,1614,NV NV P F N F N F N ===则其各段弯矩为： AB 段：
则01614P M F x M -=?= (0104.5)x ≤≤
BC 段：
则1(104.5)0549226034P NV M F x F x M x -+-=?=-+(104.5255.5)x <≤ CD 段：
则1(104.5)(255.5)0p NV r a M F x F x F x M -+-+--=
1824567555M x =-+ (255.5306)x <≤ 做弯矩图如下