两级锥齿轮设计计算说明书
2011-09-29 22:57阅读：
计算与说明
主要结果
一、电动机的选择
1、电动机转速的确定
工作机转速
锥齿轮圆柱齿轮减速器传动比范围一般为i=8～15
电动机转速应在范围内即848～1590
所以选取电动机同步转速为1000r/min
2、电动机功率的确定
查[1]表12-8
类别
效率
数量
弹性柱销联轴器
0.995
2
圆柱齿轮（8级，稀油润滑）
0.97
1
圆锥齿轮（8级，稀油润滑）
0.97
1
圆锥滚子轴承（一对）（稀油润滑）
0.98
3
计算得传动的装置的总效率
又有工作机效率为
工作机效率
所需电动机输出功率为
计算得
查[1]表19-1，选则电动机额定功率为5.5kW
最后确定电机Y系列三相异步电动机，型号为Y132M2-6，额定功率5.5kW，满载转速960r/min。
二、传动系统的运动和动力参数计算
1、分配各级传动比
总传动比
查[2]表16-1-3，推荐，且，
得，
2、由传动比分配结果计算轴速
各轴输入功率
各轴输入转矩
将计算结果列在下表
轴号
功率P/kW
转矩T/()
转速n/（r/min）
电机轴
4.63
46.06
960
I轴
4.61
45.86
960
II轴
4.38
98.42
425
III轴
4.17
379.27
105
工作机轴
4.07
370.18
105
三、传动零件的计算
1、圆锥直齿齿轮传动的计算
选择齿形制GB12369-90，齿形角
设计基本参数与条件：齿数比u=2.26，传递功率，主动轴转速，采用一班制工作，寿命20年（一年以300天计），小锥齿轮悬臂布置。
（1）选择齿轮材料和精度等级
①材料均选取45号钢调质。小齿轮齿面硬度为250HBS，大齿轮齿面硬度为220HBS。
②精度等级取8级。
③试选小齿轮齿数
取
调整后
（2）按齿面接触疲劳强度设计
查[3](10-26)有齿面接触疲劳强度设计公式
① 试选载荷系数：。
② 计算小齿轮传递的扭矩：
③ 取齿宽系数：
④ 确定弹性影响系数：由[3]表10-6，
⑤ 确定区域系数：查[3]图10-30，标准直齿圆锥齿轮传动：
⑥ 根据循环次数公式[3]式10-13，计算应力循环次数：
⑦ 查[3]图10-19得接触疲劳寿命系数：，
⑧ 查[3]图10-21(d)得疲劳极限应力：，
⑨ 由[3]式10-12计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数，
，
⑩ 由接触强度计算出小齿轮分度圆直径：，
则
? 齿轮的圆周速度
? 计算载荷系数：
a：齿轮使用系数，查[3]表10-2得
b：动载系数，查[3]图10-8得
c：齿间分配系数，查[3]表10-3得
d：齿向载荷分布系数
查[3]表10-9得，所以
e：接触强度载荷系数
○13按载荷系数校正分度圆直径
取标准值，模数圆整为
○14计算齿轮的相关参数
，
，
○15确定齿宽：
圆整取
(3)校核齿根弯曲疲劳强度
○1载荷系数
○2当量齿数，
○3查[3]表10-5得，，，
○4取安全系数
由[3]图10-18得弯曲疲劳寿命系数，
查[3]图10-20(c)得弯曲疲劳极限为：，
许用应力
○5校核强度，由[3]式10-23
计算得
可知弯曲强度满足，参数合理。
2、圆柱斜齿齿轮传动的计算
设计基本参数与条件：齿数比u=4.03，传递功率，主动轴转速，采用一班制工作，寿命20年（一年以300天计）。
（1）选择齿轮材料、精度等级和齿数
①小齿轮材料选取40Cr钢调质，大齿轮选取45钢调质，小齿轮齿面硬度为280HBS，大齿轮齿面硬度为240HBS。
②精度等级取8级。
③试选小齿轮齿数
取
调整后
○4初选螺旋角
（2）按齿面接触疲劳强度设计
查[3](10-21)有齿面接触疲劳强度设计公式
○1试选载荷系数：
○2 计算小齿轮传递的扭矩：
○3取齿宽系数：
○4确定弹性影响系数：由[3]表10-6，
○5确定区域系数：查[3]图10-30，标准直齿圆锥齿轮传动：
○6根据循环次数公式[3]式10-13，计算应力循环次数：
查[3]图10-19得接触疲劳寿命系数：，
查[3]图10-21(d)得疲劳极限应力：，
由[3]式10-12计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数，
，
○7由[3]图10-26查得
○8代入数值计算
小齿轮直径
○9圆周速度
○10齿宽b及模数，
○11计算纵向重合度
○12计算载荷系数：
a：齿轮使用系数，查[3]表10-2得
b：动载系数，查[3]图10-8得
c：齿间分配系数，查[3]表10-3得
d：查[3]表10-4得齿向载荷分布系数
查[3]图10-13得
e：接触强度载荷系数
○13按载荷系数校正分度圆直径
○14计算模数
(3)按齿根弯曲强度设计
由[3]式10-17
○1计算载荷系数
○2由纵向重合度，从[2]图10-28得
○3计算当量齿数
○4由[3]图10-20得弯曲疲劳强度极限，
○5由[3]图10-18取弯曲疲劳寿命系数，
○6取弯曲疲劳安全系数
由[3]式10-12得
○7由[3]表10-5得齿形系数，
得应力校正系数，
○8计算大、小齿轮的并加以比较。
，
大齿轮的数值大。
○9计算得，去
○10校正齿数
，
○11圆整中心距
圆整为
○12修正螺旋角
变化不大，不必修正前面计算数值。
○13计算几何尺寸
，
，取齿宽为，
四、轴的计算
1、I轴的计算
(1)轴上的功率，转速，转矩，
(2)求作用在齿轮上的力
圆周力，轴向力，径向力
(3)初估轴的最小直径
先按[3]式15-2初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据[3]表15-3，取，于是得
由于输入轴的最小直径是安装联轴器处轴径。为了使所选轴径与联轴器孔径相适应，故需同时选择联轴器型号。
联轴器的计算转矩，查[3]表14-1
查[1]表17-2，由于电动机直径为38mm，所以选取型号为HL3，孔径选为30mm。联轴器与轴配合的轮毂长度为60mm。
(4)轴的结构设计
拟定轴上零件的装配方案，如下图
○1轴段1-2，由联轴器型号直径为30mm，右端应有轴肩定位，轴向长度应该略小于60mm，取58mm。
○2轴段4-5，先初选轴承型号，由受力情况选择圆锥滚子轴承，型号取30207，内径为35mm。所以轴段直径为35mm，长度应略小于轴承内圈宽度17mm，取为15mm。
○3轴段2-3，由轴承内圈直径得轴段直径为35mm。左端联轴器又端面距离短盖取30mm，加上轴承宽度和端盖宽度，轴段长度定为65.25mm。
○4轴段5-6，小锥齿轮轮毂长度为38mm，齿轮左端面距离套杯距离约为8mm，再加上套杯厚度，确定轴段长度为54mm，直径为32mm。
○5轴段3-4，由于小齿轮悬臂布置，轴承支点跨距应取悬臂长度的大约两倍，由此计算出轴段长度为93mm。又有轴肩定位的需要，轴肩高度取3.5mm，所以轴段直径取42mm。
○6零件的周向定位
查[1]表14-24得
左端半联轴器定位用平键，宽度为8mm，长度略小于轴段，取50mm，选取键，
右端小齿轮定位用平键，宽度为10mm，长度略小于轴段，取30mm，选取键。
○7轴上圆角和倒角尺寸
参考[1]表12-13，取轴端倒角为2mm，圆角取1.6mm
(5)求轴上的载荷
根据轴的结构图和受力情况得出轴所受弯矩扭矩如图所示
(6)按弯扭合成应力校核轴的强度
由上图可知，应力最大的位置，只需校核此处即可，根据[3]式15-5及以上数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力
查[3]表15-1得，因此，轴安全。
2、II轴的计算
(1)轴上的功率，转速，转矩，
(2)求作用在齿轮上的力
大圆锥齿轮：圆周力，轴向力，径向力
圆柱齿轮：圆周力，轴向力，径向力。
(3)初估轴的最小直径
先按[3]式15-2初步估算轴的最小直径。由于此轴为齿轮轴，选取轴的材料应同圆柱齿轮一样，为40Cr，调质处理。根据[3]表15-3，取，于是得
(4)轴的结构设计
○1轴段4-5，由设计结果，小齿轮分度圆直径为59.59mm，齿宽为65mm，取此轴段为65mm。
○2轴段2-3，齿轮轮毂长度为40mm，轴段长度定为38mm，直径为齿轮孔径40mm。
○3轴段1-2，选用轴承型号为30207，轴段直径为35mm，齿轮端面距离箱体内壁取7mm，轴承距内壁2mm，所以轴段长度取30mm。
○4轴段6-7，用于装轴承，长度取19mm，直径取35mm。
○5轴段5-6，轴承应该距离箱体内壁2mm左右，且小齿轮端面距离箱体内壁8mm左右，长度取10mm，又根据轴肩定位需要，轴径取41mm。
○6轴段3-4，由于箱体内壁应该相对于输入轴的中心线对称，通过计算此段长度为20mm，又有定位需要，轴径取47mm。
○7零件的周向定位
查[1]表14-24得
齿轮定位用平键，宽度为12mm，长度略小于轴段，取32mm，选取键12X32。
○8轴上圆角和倒角尺寸
参考[1]表12-13，取轴端倒角为2mm，圆角取1.6mm
(5)求轴上的载荷
根据轴的结构图和受力情况得出轴所受力和弯矩扭矩如表所示
载荷
水平面H
垂直面V
支反力F
弯矩M
总弯矩
扭矩T
弯矩和扭矩图如下：
(6)按弯扭合成应力校核轴的强度
由上图可知，应力最大的位置，校核此处即可，根据[3]式15-5及以上数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力
查[3]表15-1得，因此。
另外小齿轮的两个端面处较危险，右端按照轴颈35mm，若弯扭组合按照最大处计算，有，所以最终可以确定弯扭校核结果为安全。
(7)精确校核轴的疲劳强度
○1判断危险截面
由上述计算已知小齿轮中点处应力最大，但是此处轴颈较两侧高出许多，所以应选4的左侧和5的右侧进行精确校核计算。
○2截面4的左侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面4左侧的弯矩为
截面4上的扭矩为
截面上的弯曲应力
截面上扭转切应力
轴的材料为40Cr，调质处理。由[3]表15-1查得
。
综合系数的计算
查[3]附表3-2，由，
经直线插入，得因轴肩而形成的理论应力集中为
，，
由[3]附图3-1得轴的材料敏感系数为，，
则有效应力集中系数为，按[3]式（附表3-4）
由[3]附图3-2，3-3查得尺寸系数为，扭转尺寸系数为，
查[3]附图3-4，轴采用精车加工，表面质量系数为，
轴表面未经强化处理，即，则综合系数值为
碳钢系数的确定
碳钢的特性系数取为，
安全系数的计算
轴的疲劳安全系数为
故此处安全。
○3截面5的右侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面5右侧的弯矩为
截面5上的扭矩为
截面上的弯曲应力
截面上扭转切应力
轴的材料为40Cr，调质处理。由[3]表15-1查得
。
综合系数的计算
查[3]附表3-2，由，
经直线插入，得因轴肩而形成的理论应力集中为
，，
由[3]附图3-1得轴的材料敏感系数为，，
则有效应力集中系数为，按[3]式（附表3-4）
由[3]附图3-2，3-3查得尺寸系数为，扭转尺寸系数为，
查[3]附图3-4，轴采用精车加工，表面质量系数为，
轴表面未经强化处理，即，则综合系数值为
碳钢系数的确定
碳钢的特性系数取为，
安全系数的计算
轴的疲劳安全系数为
故此处安全。
综上得出，此轴疲劳强度达到要求。
3、III轴的计算
(1)轴上的功率，转速，转矩，
(2)求作用在齿轮上的力
圆周力，轴向力，径向力
(3)初估轴的最小直径
先按[3]式15-2初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为40Cr，调质处理。根据[3]表15-3，取，于是得
，此处有一个平键，直径增加5%，得出直径最小为34.74mm。
由于输入轴的最小直径是安装联轴器处轴径。为了使所选轴径与联轴器孔径相适应，故需同时选择联轴器型号。
联轴器的计算转矩，查[3]表14-1
选取型号为HL3，孔径选为35m。联轴器与轴配合的轮毂长度为60mm。
(4)轴的结构设计
拟定轴上零件的装配方案，如下图
○1轴段1-2，由联轴器型号得直径为35mm，右端应有轴肩定位，轴向长度应该略小于60mm，取56.5mm。
○2轴段5-6，此处与大齿轮配合，取直径为齿轮孔径45mm，长度略小于轮毂长度取为58mm。
○3轴段6-7，选取轴承型号为30208，由轴承内圈直径得轴段直径为40mm。又考虑大齿轮与小齿轮的配合，大齿轮与内壁距离为10.5mm。轴承距离内壁取2mm左右，最后确定轴段长度为35mm。
○4轴段4-5，此段用于大齿轮定位，轴肩高度为4mm，所以直径取53mm，长度取10mm。
○5轴段3-4，左端用于轴承定位，轴肩高度取3.5mm，直径为47mm，又有轴承距离内壁2mm左右，轴段长度得出为61.5mm。
○6轴段2-3，根据轴承和端盖宽度，再是轴稍微伸出一段，确定轴段长度为56.5mm，直径取轴承内圈大小为40mm。
○7零件的周向定位
查[1]表14-24得
左端半联轴器定位用C型平键，宽度为10mm，长度略小于轴段，取50mm，选取键C，
右端大齿轮定位用平键，宽度为12mm，长度略小于轴段，取50mm，选取键。
○7轴上圆角和倒角尺寸
参考[1]表12-13，取轴端倒角为2mm，圆角取1.6mm
(5)求轴上的载荷
根据轴的结构图和受力情况得出轴所受弯矩扭矩如图所示
(6)按弯扭合成应力校核轴的强度
由上图可知，应力最大的位置，只需校核此处即可，根据[3]式15-5及以上数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力
查[3]表15-1得，因此，轴安全。
五、轴承的计算
1、I轴的轴承校核
轴承30207的校核
求两轴承受到的径向载荷
径向力，
查[1]表15-1，得Y=1.6，e=0.37，
派生力，
轴向力，左侧轴承压紧
由于，
所以轴向力为，
当量载荷
由于，，
所以，，，。
由于为一般载荷，所以载荷系数为，故当量载荷为
，
轴承寿命的校核
2、II轴的轴承校核
轴承30207的校核
求两轴承受到的径向载荷
径向力，
查[1]表15-1，得Y=1.6，e=0.37，
派生力，
轴向力，右侧轴承压紧
由于，
所以轴向力为，
当量载荷
由于，，
所以，，，。
由于为一般载荷，所以载荷系数为，故当量载荷为
，
轴承寿命的校核
3、III轴的轴承校核
轴承30208的校核
求两轴承受到的径向载荷
径向力，
查[1]表15-1，得Y=1.6，e=0.37，
派生力，
轴向力，左侧轴承压紧
由于，
所以轴向力为，
当量载荷
由于，，
所以，，，。
由于为一般载荷，所以载荷系数为，故当量载荷为
，
轴承寿命的校核
六、键连接的选择及校核计算
将各个连接的参数列于下表
键
直径mm
工作长度mm
工作高度mm
转矩 Nm
极限应力Mpa
30
42
3.5
45.86
20.80
32
20
4
45.86
35.83
40
20
4
98.42
61.51
45
44
4
379.27
95.77
35
51
4
379.27
106.25
查[3]表6-1得，所以以上各键强度合格。
七、减速器附件的选择
1、通气器
由于在室内使用，选简易式通气器，采用M12×1.25
2、油面指示器，油面变动范围大约为17mm，取A20型号的圆形游标
3、起吊装置
采用箱盖吊换螺钉，按重量取M12，箱座采用吊耳
4，放油螺塞
选用外六角油塞及垫片M16×1.5
八、润滑与密封
1、齿轮的润滑
采用浸油润滑，浸油高度为半个齿宽到一个齿宽，取为35mm。
2、滚动轴承的润滑
由于轴承周向速度为3.4m/s，所以开设油沟、飞溅润滑。
3、 润滑油的选择
齿轮与轴承用同种润滑油较为便利，考虑到该装置用于闭式齿轮设备，选用中负荷工业齿轮油220。
4、 密封方法的选取
选用凸缘式端盖易于调整，采用毡圈密封，结构简单。
轴承盖结构尺寸按用其定位的轴承的外径决定。
九、设计小结
由于时间紧迫，所以这次的设计存在许多缺点，比如某些尺寸没有考虑圆整，齿轮的计算不够精确等。通过这次的实践，能使我在以后的设计中避免很多不必要的工作，有能力设计出结构更紧凑，传动更稳定精确的设备。另外认识到机械设计是一个系统性很强的工作，是需要明晰的条理与充分的耐心才可以圆满完成的。
十、参考资料目录
[1]《机械设计课程设计》，机械工业出版社，陆玉主编，2006年12月第一版；
[2]《机械设计手册.第3卷》，化学工业出版社，成大先主编，1992年第三版；
[3]《机械设计》，高等教育出版社，濮良贵，纪明刚主编，2005年12月第八版；
[4]《机械原理》，高等教育出版社，孙桓主编，2005年12月第七版；
