盤磨機傳動裝置中的中間軸設計【含CAD圖紙說明書UG三維】

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1.盤磨機傳動裝置中的中間軸及分析 1.1 盤磨機傳動裝置用途及基本原理 盤磨機中最重要的部件就是齒輪減速器，齒輪減速器在各行各業(yè)中十分廣泛的使用著，是一種不可缺少的機械傳動裝置。圓柱齒輪減速器是最常用的機械傳動機構之一，具有傳遞功率大，制造簡單，維修方便，使用壽命長等諸多優(yōu)點，是通用的機械部件，被廣泛的應用于冶金、礦山、建筑、物料等搬運等行業(yè)。國外的減速器起步比較早，以德國、丹麥和日本處于領先地位，特別在材料和制造工藝方面占據(jù)優(yōu)勢，減速器工作可靠性好，使用壽命長但其傳動形式任以定軸傳動為主，體積和重量問題也未解決好，國內(nèi)的減速器多以齒輪傳動，蝸桿傳動為主，但普遍存在著功率與重量比小，或者傳動比大而機械效率過低的問題。另外，材料品質(zhì)和工藝水平還有許多弱點，特別是大型減速器問題更突出，使用壽命不長。當今世界各國減速器及齒輪技術發(fā)展趨勢是向六高，二低，二化方向發(fā)展。 研究盤磨機的實質(zhì)就是研究減速器，減速器中齒輪傳動具有傳動比準確，可用的傳動比、圓周速度和傳遞功率范圍都很大，以及傳動效率高，使用壽命長，瞬時傳動比為常數(shù)，結構緊湊，工作可靠等一系列優(yōu)點。因此，齒輪傳動及傳動裝置是機械工業(yè)中一大類重要的基礎件。齒輪的設計是組織該類機械產(chǎn)品生產(chǎn)的依據(jù)和頭道工序，因為是決定該產(chǎn)品技術性能和經(jīng)濟效益的重要環(huán)節(jié)，同時對軸的設計與校核也是是機械工業(yè)中不可缺少的環(huán)節(jié)，從某種意義上講，軸的設計對整個減速器的傳動具有十分重大的意義，因此，對盤磨機傳動裝置中的中間軸的設計具有重大的現(xiàn)實意義。 1.2 盤磨機傳動裝置中的中間軸設計任務 1.2.1 設計任務 （1）設計盤磨機傳動裝置中的中間軸。 （2）主要的技術參數(shù)。技術參數(shù)如下表1.1所示 表1.1 盤磨機的技術參數(shù) 組別 n主(rpm) i錐 P電(Kw) n電(rpm) 50 2—3 4 1440 （3）工作條件 每日工作時數(shù)為8h，工作年限為10年，傳動不逆轉(zhuǎn)，有輕微振動，主軸轉(zhuǎn)速允許誤差為±5%。 1.2.2 系統(tǒng)傳動原理圖 方案圖如下圖1.1所示： 圖1.1 系統(tǒng)傳動原理圖 注:1—電動機；2、4—聯(lián)軸器；3—圓柱斜齒輪減速器；5—開式圓錐齒輪傳動；6—主軸；7—盤磨 1.3 盤磨機傳動裝置中的中間軸設計思路 圖1.2 設計思路流程圖 2.項目組織與分工 我們是根據(jù)自己的特長，結合彼此間的優(yōu)勢互補而組成的。大家態(tài)度認真，分工明確，互幫互助，相互探討，積極準備，團結一致，精誠合作。大家都積極、認真地完成自己的分工，總之，整個過程中大家統(tǒng)籌兼顧，也在這個過程當中對所學知識有了更深一步的了解。具體分工如下表2.1,表2.2所示： 2.1 項目組織與分工 表2.1 項目組織與分工情況 姓名 學號 職位 職責 馬家賓 6146211 組長 對項目進行總體的安排與分工，主要承擔盤磨機傳動裝置中的中間軸設計計算部分，以及任務書的撰寫 王 玉 6146210 組員 資料的搜集和繪制中間軸的工作圖以及三維建模部分 趙路航 6146108 組員 主要承擔盤磨機傳動裝置中的中間軸校核部分 王佳杰 6146109 組員 寫零件課程設計任務書以及最后的排版及打印 2.2 進度安排 表2.2 進度安排情況 序號 設計內(nèi)容 天數(shù) 1 設計準備（閱讀和研究任務書、指導書） 1 2 查閱相關文獻，設計高、低速級齒輪 1 3 設計盤磨機傳動裝置中的中間軸 1 4 校核盤磨機傳動裝置中的中間軸、零件圖的繪制 1 5 編寫課程設計說明書 1 6 總計 5 3.傳動系統(tǒng)分析 3.1 電機的選擇 電機型號：額定功率為4KW，滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min。 3.2 傳動系數(shù)的運動 3.2.1總傳動比及分配各級的傳動比 總傳動比高速級的傳動比,低速級傳動比，錐齒輪傳動比，減速箱傳動比。 總傳動比：； 錐齒輪傳動比：； 減速器傳動比：； 高速級傳動比：； 低速級傳動比：。 （對于展開式二級圓柱齒輪減速器，兩級齒輪的傳動比可以按照計算） 3.2.2 傳動參數(shù)的計算 （1）各軸的轉(zhuǎn)速 高速軸的轉(zhuǎn)速：； 中間軸的轉(zhuǎn)速：； 低速軸的轉(zhuǎn)速：； 主軸的轉(zhuǎn)速：。 （2）各軸的輸入功率 高速軸的輸入功率： 中間軸的輸入功率： 低速軸的輸入功率： 主軸的輸入功率：； （其中，為聯(lián)軸器的效率；為一對軸承的效率；為高速級齒輪的傳動效率；為低速級齒輪傳動效率；為錐齒輪的傳動效率；查附錄6.1常用零件的傳遞效率可得：；；，） （3）各軸的輸入轉(zhuǎn)矩 高速軸的輸入轉(zhuǎn)矩: 中間軸的輸入轉(zhuǎn)矩: 低速軸的輸入轉(zhuǎn)矩： 主軸的輸入轉(zhuǎn)矩： 3.3 傳動零件的設計 3.3.1 高速級斜齒輪的設計和計算 （1）選精度等級，材料及齒數(shù) 因傳遞功率不大，轉(zhuǎn)速不高，小齒輪用40Gr，大齒輪用45號鋼，鍛選項毛坯，大齒輪、小齒輪調(diào)質(zhì)處理，均采用軟齒面，小齒輪的硬度為280HBS，大齒輪的硬度為240HBS。齒輪精度為7級，軟齒面閉式傳動，失效形式為點蝕。（詳見附錄表6.6 常用的齒輪材料及其力學性能） 考慮到傳動的平穩(wěn)性，齒數(shù)宜取多些，取，則，取。選取螺旋角，初選螺旋角根據(jù)設計準則，對于閉式軟齒面校核時，應先按齒面接觸強度計算，然后校核齒根彎曲強度。 （2）按齒面接觸強度設計 由按照齒面接觸強度設計公式：，計算下面各量： 1)選取載荷系數(shù)；由查詢附錄表6.4齒寬系數(shù)，可得； 2）查詢附錄表6.5彈性系數(shù)； 3）由齒面強度，查詢附錄表6.6常用的齒輪材料及其力學性能，可得大齒輪的接觸疲勞強度極限； 4）有設計公式計算應力循環(huán)次數(shù)： ； ； 5）取接觸疲勞壽命系數(shù)；區(qū)域系數(shù)。 6）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為0.01，安全系數(shù)S=1，具體參數(shù)詳見附錄表6.7 最小安全系數(shù)SH、SF的參考值，得： ；； ； 7）取，則； 8）輸入轉(zhuǎn)矩： 計算及各項參數(shù)： 1） 2）圓周速度； 3）計算載荷系數(shù)K，根據(jù)，7級精度，可得動載系數(shù)，；使用系數(shù)，當小齒輪相對支撐非對稱布置時，故載荷系數(shù)：； 4）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑： 5）計算模數(shù)： （3）按齒根彎曲強度設計 由齒根彎曲強度設計設計公式： 確定公式的各項計算參數(shù)： 1） 計算載荷系數(shù)K： ； 2） 由縱向重合度，可查的螺旋影響系數(shù)； 3） 計算當量齒數(shù)： ，； 4） 齒形系數(shù)：； 5） 應力校正系數(shù)： 6） 小齒輪的彎曲疲勞強度； 7） 大齒輪的彎曲疲勞強度； 8） 彎曲疲勞強度壽命； 9） 計算彎曲疲勞強度許用應力： ；； 10)計算大、小齒輪的并加以比較： ； ； 比較兩者數(shù)值發(fā)現(xiàn)：大齒輪的數(shù)值比較大 設計計算及各項參數(shù)： 對比計算結果，齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算模數(shù)，齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取，按接觸強度算的分度圓直徑，確定齒數(shù) 經(jīng)校核之后，螺旋角；因此取，。 （4）幾何尺寸計算 高速級齒輪傳動的幾何尺寸如表3.1所示 表3.1 高速級齒輪傳動幾何尺寸 名稱 符號單位 結果 法面模數(shù) 2 法面壓力角 20 螺旋角 14.59 分度圓直徑 41.30 144.66 齒寬 45 50 3.3.2 低速級斜齒輪的設計和計算 （1）選精度等級，材料及齒數(shù) 因傳遞功率不大，轉(zhuǎn)速不高，小齒輪用40Gr，大齒輪用45號鋼，鍛選項毛坯，大齒輪、小齒輪調(diào)質(zhì)處理，均采用軟齒面，小齒輪的硬度為280HBS，大齒輪的硬度為240HBS。齒輪精度為7級，軟齒面閉式傳動，失效形式為點蝕。（詳見附錄表6.6 常用的齒輪材料及其力學性能） 考慮到傳動的平穩(wěn)性，齒數(shù)宜取多些，取，則，取。選取螺旋角，初選螺旋角根據(jù)設計準則，對于閉式軟齒面校核時，應先按齒面接觸強度計算，然后校核齒根彎曲強度。 （2）按齒面接觸強度設計 由按照齒面接觸強度設計公式：，計算下面各量： 1)選取載荷系數(shù)；由查詢附錄表6.4齒寬系數(shù)，可得； 2）查詢附錄表6.5彈性系數(shù)； 3）由齒面強度，查詢附錄表6.6常用的齒輪材料及其力學性能，可得大齒輪的接觸疲勞強度極限； 4）有設計公式計算應力循環(huán)次數(shù)： ； ； 5）取接觸疲勞壽命系數(shù)；區(qū)域系數(shù)。 6）計算接觸疲勞許用應力。取失效概率為0.01，安全系數(shù)S=1，具體參數(shù)詳見附錄表6.7 最小安全系數(shù)SH、SF的參考值，得： ；； ； 7）取，則； 8）輸入轉(zhuǎn)矩： ； 計算及各項參數(shù)： 1） 2）圓周速度； 3）計算載荷系數(shù)K，根據(jù)，7級精度，可得動載系數(shù)，；使用系數(shù)，當小齒輪相對支撐非對稱布置時，故載荷系數(shù)：； 4）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑： ； 5）計算模數(shù)：； （3）按齒根彎曲強度設計 由齒根彎曲強度設計設計公式：； 確定公式的各項計算參數(shù)： 1） 計算載荷系數(shù)K： ； 2）由縱向重合度，可查的螺旋影響系數(shù)； 3）計算當量齒數(shù)： ，； 4）齒形系數(shù)：；應力校正系數(shù)：； 5）小齒輪彎曲疲勞強度； 6） 大齒輪彎曲疲勞強度； 7） 彎曲疲勞強度壽命； 8）計算彎曲疲勞強度許用應力： ；； 9)計算大、小齒輪的并加以比較： ； ； 比較兩者數(shù)值發(fā)現(xiàn)：大齒輪的數(shù)值比較大 設計計算及各項參數(shù)： 對比計算結果，齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取，按接觸強度算的分度圓直徑，確定齒數(shù)。 經(jīng)校核之后，螺旋角；因此取，。 （4）幾何尺寸計算 低速級齒輪傳動的幾何尺寸如表3.2所示 表3.2 低速級齒輪傳動幾何尺寸 名稱 符號單位 結果 法面模數(shù) 2 法面壓力角 20 螺旋角 14.72 分度圓直徑 62.30 211.96 齒寬 65 70 綜上，選擇合適的齒輪參數(shù)，為設計盤磨機傳動裝置中的中間軸提供必要的參數(shù)標準，因篇幅時間的限制，只將少量關于下文設計中間軸所涉及的必要參數(shù)進行展示，下文未涉及到參數(shù)，就不再此展示。 4.中心軸設計 4.1 中心軸的結構設計 4.1.1 確定中心軸上參數(shù) 中間軸上的功率：； 中間軸的轉(zhuǎn)速：； 中間軸的轉(zhuǎn)矩：。 4.1.2 確定軸的最小直徑 先根據(jù)式子，初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45號鋼，調(diào)制處理，根據(jù)附錄表6.6 常用的齒輪材料及其力學性能，取。得。 4.1.3 擬定軸上零件的裝配方案 軸的設計示意圖如圖4.1所示 圖4.1 軸的裝配示意圖 4.1.4 軸的各段直徑和長度。 （1）由于，軸上開有兩鍵槽，增加后軸徑（按照5%-7%增加截面直徑）取安裝軸承處（該軸的直徑最小處）軸徑為，則 （2）初步選擇滾動軸承，根據(jù)要求選深溝球軸承。參照工作要求并根據(jù)，選軸承的型號為6205，參考附錄表6.8常用深溝滾珠軸承，其尺寸為，考慮到箱體的鑄造誤差，使軸承距離箱體內(nèi)壁為6mm. （3）取軸上安裝大齒輪和小齒輪處的軸端Ⅱ-Ⅲ和Ⅳ-Ⅴ的直徑，兩端齒輪與軸承之間采用擋油板定位，已知大齒輪的輪轂寬度為50mm，小齒輪的輪轂寬度為70mm。為了使套筒可靠地壓緊齒輪，此軸段應略短于輪轂寬度2-3mm,故分別取。兩齒輪的另一端采用軸肩定位，軸肩的高度，軸環(huán)處的直徑為，軸環(huán)寬度取。 （4）由二級減速器的內(nèi)部軸上的裝配可得： ； 。 軸的總體設計尺寸如表4.1所示： 表4.1 軸的各項設計尺寸 Ⅰ—Ⅱ Ⅱ—Ⅲ Ⅲ—Ⅳ Ⅳ—Ⅴ Ⅴ—Ⅵ 直徑/mm 25 28 32 28 25 長度/mm 40 67 6 47 40 4.1.5 軸上零件的周向定位 齒輪與軸的周向定位均采用平鍵連接，按和分別由查的平鍵截面，長度分別為，長度分別為63mm,36mm,同時，為了保證齒輪與軸的配合具有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為；滾動軸承與軸的周向定位是由過度配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為m6。 4.1.6 軸上的圓角和倒角 根據(jù)設計要求，取軸端倒角 4.2 軸的校核 4.2.1 繪制軸的受力圖 4.2.3 計算軸上的作用力： 齒輪2 ； ； ； 齒輪3 ； ； ； 4.2.4 計算支撐反力 垂直面支反力（XY平面），見圖4-2（a） 繞支點B點的力矩和，得： ； 同理，； ； 校核：； 計算無誤 水平平面（XY平面），見圖4-2（b） 同樣，繞支點B的力矩和； ； 同樣，； ； 校核：； 計算無誤 4.4.5 轉(zhuǎn)矩，繪彎矩圖 垂直平面內(nèi)的彎矩圖，見圖4-2（c） C處彎矩： ； ； D處彎矩： ； ； 水平面彎矩圖，見圖4-2（d） C處、D處： ； ； ； ； ； ； 應力校正系數(shù)：； ； C處、D處： ； ； ； ； 校核軸徑： C剖面、D剖面： ； 。 強度足夠。 圖4.2 軸的校核圖 5.零件圖紙 5.1 二維圖紙 圖5.1 二維圖紙 圖5.2 零件圖紙 5.2 三維圖示 圖5.3（a）三維圖示主視 圖5.3（b）三維圖示 參考文獻 （1）《機械設計》教材 （2）《機械設計課程設計指導書》 （3）《機械設計課程設計圖冊》 （4）《機械零件手冊》 附錄： 表6.1 常用零件的傳遞效率 類型 效率 圓柱齒輪傳動 7級精度（油潤滑） 0.98 8級精度（油潤滑） 0.97 9級精度（油潤滑） 0.96 開式傳動（脂潤滑） 0.94~0.96 錐齒輪傳遞 7級精度（油潤滑） 0.97 8級精度（油潤滑） 0.94~0.97 開式傳動（脂潤滑） 0.92~0.95 蝸桿傳動 自鎖蝸桿（油潤滑） 0.4~0.45 單頭蝸桿（油潤滑） 0.70~0.75 雙頭蝸桿（油潤滑） 0.75~0.82 滾子鏈傳動 開式 0.90~0.93 閉式 0.95~0.97 帶傳動 V帶 0.90~0.94 平帶 0.94~0.98 同步帶 0.96~0.98 摩擦輪傳動 圓柱摩擦輪 0.85~0.92 槽摩擦輪 0.88~0.90 圓錐摩擦輪 0.85~0.90 螺旋傳動 滑動螺旋 0.3~0.6 滾動螺旋 ≥0.90 靜壓螺旋 0.99 滾動軸承 0.98~0.99 滑動軸承 0.97~0.99 聯(lián)軸器 有彈性元件的撓性聯(lián)軸器 0.99 齒式聯(lián)軸器 0.99 表6.2 軸的常用材料及其主要力學性能 材料及熱處理 毛坯直徑 mm 硬度 HBS 強度極限σB 屈服極限 σS 彎曲疲勞極限σ-1 應用說明 Q235 400 240 170 用于不重要或載荷不大的軸 35正火 ≤100 149~187 520 270 250 有好的塑形和適當?shù)膹姸?，可做一般曲軸、轉(zhuǎn)軸等 45正火 ≤100 170~217 600 300 275 用于較重要的軸，應用最為廣泛 45調(diào)制 ≤200 217~255 650 360 300 40Cr調(diào)制 25 1000 800 500 用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸 ≤100 241~286 750 550 350 >100~300 241~266 700 550 340 40MnB調(diào)制 25 1000 800 485 性能接近于40Cr，用于重要的軸 ≤200 241~286 750 500 335 35CrMo調(diào)制 ≤100 207~269 750 550 390 用于重載荷的軸 20Cr滲碳淬火回火 15 56~62HRC 850 550 375 用于要求強度、韌性及耐磨性均較高的軸 ≤60 650 400 280 表6.3 常用材料的[τ]值和C值 軸的材料 Q235，20 35 45 40Cr，35SiMn [τ]/MPa 12~20 20~30 30~40 40~52 C 160~135 135~118 118~107 107~98 注1)：當作用在軸上的彎矩比傳遞的轉(zhuǎn)矩小或只傳遞轉(zhuǎn)矩時，C取最小值；否則取最大值。 表6.4 齒寬系數(shù)фd 齒輪相對于軸承的位置 齒面硬度 軟齒面 硬齒面 對稱布置 0.8~1.4 0.4~0.9 非對稱布置 0.2~1.2 0.3~0.6 懸臂布置 0.3~0.4 0.2~0.25 表6.5 彈性系數(shù)ZE 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 鑄鋼 鍛鋼 夾布膠木 鍛鋼 162.0 181.4 188.9 189.8 56.4 鑄鋼 161.4 180.5 188.0 — — 球墨鑄鐵 156.6 173.9 — — — 灰鑄鐵 143.7 — — — — 表6.6 常用的齒輪材料及其力學性能 材料牌號 熱處理方式 硬度 接觸疲勞強度 σHlim/MPa 彎曲疲勞強度 σFE/MPa 45 正火 156~217HBS 350~400 280~340 調(diào)制 197~286HBS 550~620 410~480 表面淬火 40~50HRC 1120~1150 680~700 40Cr 調(diào)制 217~286HBS 650~750 560~620 表面淬火 48~55HRC 1150~1210 700~740 表6.7 最小安全系數(shù)SH、SF的參考值 使用要求 SHmin SFmin 高可靠度（失效概率≤1/10000） 1.5 2.0 較高可靠度（失效概率≤1/1000） 1.25 1.6 一般可靠度（失效概率≤1/100） 1.0 1.25 表6.8 常用深溝滾珠軸承 型號 主要尺寸(mm) 型號 主要尺寸(mm) 型號 主要尺寸(mm) d D B d D B d D B 6000 10 26 8 6200 10 30 9 6300 10 35 11 6001 12 28 8 6201 12 32 10 6301 12 37 12 6002 15 32 9 6202 15 35 11 6302 15 42 13 6003 17 35 10 6203 17 40 12 6303 17 47 14 6004 20 42 12 6204 20 47 14 6304 20 52 15 6005 25 47 12 6205 25 52 15 6305 25 62 17 6006 30 55 13 6206 30 62 16 6306 30 72 19 6007 35 62 14 6207 35 72 17 6307 35 80 21 6008 40 68 15 6208 40 80 18 6308 40 90 23 6009 45 75 16 6209 45 85 19 6309 45 100 25 6010 50 80 16 6210 50 90 20 6310 50 110 27 6011 55 90 18 6211 55 100 21 6311 55 120 29 6012 60 95 18 6212 60 110 22 6312 60 130 31 6013 65 100 18 6213 65 120 23 6313 65 140 33 6014 70 110 20 6214 70 125 24 6314 70 150 35 6015 75 115 20 6215 75 130 25 6315 75 160 37 6016 80 125 22 6216 80 140 26 6316 80 170 39 6017 85 130 22 6217 85 150 28 6317 85 180 41 6018 90 140 24 6218 90 160 30 6318 90 190 43 6019 95 145 24 6219 95 170 32 6319 95 200 45 6020 100 150 24 6220 100 180 34 6320 100 215 47 6021 105 160 26 6221 105 190 36 6321 105 225 49 6022 110 170 28 6222 110 200 38 6322 110 240 50 6024 120 180 28 6224 120 215 40 6324 120 260 55 6026 130 200 33 6226 130 230 40 6326 130 280 58 6028 140 210 33 6228 140 250 42 6328 140 300 62 6030 150 225 35 6230 150 270 45 6330 150 320 65 圖6.1 外齒輪的齒形系數(shù)— 圖6.2 外齒輪齒根修正系數(shù)— 第 34 頁 共 34 頁