《机械设计方案基础》设计方案.docx
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《机械设计方案基础》设计方案
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作者：
PanHongliang
仅供个人学习
《机械设计基础》课程设计
《机械设计基础》课程设计
第一节《机械设计基础》课程设计概述
一、课程设计的目的
《机械设计基础》课程是一门技术基础课，目的在于培养学生机械设计能力。
课程设计是《机械设计基础》课程最后一个重要的实践性教案环节，也是机电类专业学生第一次较为全面的机械设计训练，其目的为：
（1）通过课程设计培养学生综合运用《机械设计基础》课程及其它先修课程的理论知识，解决工程实际问题的能力，并通过实际设计训练，使理论知识得以巩固和提高。
（2）通过课程设计的实践使学生掌握一般机械设计的基本方法和程序，培养独立设计能力。
（3）进行机械设计工作基本技能的训练，包括训练、计算、绘图能力、计算机辅助设计能力，熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准、规范等）。
二、课程设计的内容和任务
1、课程设计的内容
本课程设计选择齿轮减速器为设计课题，设计的主要内容包括以下几方面：
（1）拟定、分析传动装置的运动和动力参数；
（2）选择电动机，计算传动装置的运动和动力参数；
（3）进行传动件的设计计算，校核轴、轴承、联轴器、键等；
（4）绘制减速器装配图及典型零件图（有条件可用AutoCAD绘制）；
（5）编写设计计算说明书。
2、课程设计的任务
本课程设计要求在2周时间内完成以下的任务：
（1）绘制减速器装配图1张（A1图纸）；
（2）零件工作图2张（齿轮、轴、箱体等任选2个，A3图纸）；
（3）设计计算说明书1份，约6000字左右。
三、课程设计的步骤
课程设计是一次较全面较系统的机械设计训练，因此应遵循机械设计过程的一般规律，大体上按以下步骤进行：
（1）设计准备认真研究设计任务书，明确设计要求和条件，认真阅读减速器参考图，拆装减速器，熟悉设计对象。
（2）传动装置的总体设计根据设计要求拟定传动总体布置方案，选择原动机，计算传动装置的运动和动力参数。
（3）传动件设计计算设计装配图前，先计算各级传动件的参数确定其尺寸，并选好联轴器的类型和规格。
一般先计算外传动件、后计算内传动件。
（4）装配图设计计算和选择支承零件，绘制装配草图，完成装配工作图。
（5）零件工作图设计零件工作图应包括制造和检验零件所需的全部内容。
（6）编写设计说明书设计说明书包括所有的计算并附简图，并写出
设计总结。
《机械设计基础》课程设计时间分配如表1-1。
表1-1课程设计步骤
次序
设计内容
时间分配（天）
1
设计准备
0.5
2
拟定设计方案
0.5
3
传动件和轴的设计计算
1.5
4
装配图的设计
4
5
设计零件图
2
6
编写设计说明书
1.5
四、设计任务书
设计题目设计带式运输机传动装置
原始数据见表1-2。
运输带工作拉力F=_________N
运输带工作速度V=_________m/s
卷筒直径D=___________mm
每日工作时间T=24h
传动工作年限a=5年
工作条件转动不逆转，载荷平稳，起动载荷为名义载荷的1.25倍，运输带速度允许误差为+5%
表1-2原始数据
参数
题号
1
2
3
4
5
运输带工作拉力F/（N）
2300
2100
1900
2200
2000
运输带工作速度V/（m/s）
1.5
1.6
1.6
1.8
1.2
卷筒直径D/（mm）
400
400
400
450
450
第二节传动装置的总体设计
传动装置的总体设计，主要包括拟定传动方案、选择原动机、确定总传动比和分配各级传动比以及计算传动装置的运动和动力参数。
一、拟定传动方案
机器通常由原动机、传动装置和工作机三部分组成。
传动装置将原动机的动力和运动传递给工作机，合理拟定传动方案是保证传动装置设计质量的基础。
课程设计中，学生应根据设计任务书，拟定传动方案，分析传动方案的优缺点。
现考虑有以下几种传动方案如图2-1：
a）b）
c）d）
图2-1带式运输机传动方案比较
传动方案应满足工作机的性能要求，适应工作条件，工作可靠，而且要求结构简单，尺寸紧凑，成本低，传动效率高，操作维护方便。
设计时可同时考虑几个方案，通过分析比较最后选择其中较合理的一种。
下面为图1中a、b、c、d几种方案的比较。
a方案宽度和长度尺寸较大，带传动不适应繁重的工作条件和恶劣的环境。
但若用于链式或板式运输机，有过载保护作用；
b方案结构紧凑，若在大功率和长期运转条件下使用，则由于蜗杆传动效率低，功率损耗大，很不经济；
c方案宽度尺寸小,适于在恶劣环境下长期连续工作.但圆锥齿轮加工比圆柱齿轮困难；
d方案与b方案相比较,宽度尺寸较大，输入轴线与工作机位置是水平位置。
宜在恶劣环境下长期工作。
故选择方案a，采用V带传动（i=2~4）和一级圆柱齿轮减速器（i=3~5）传动。
传动方案简图如图2：
1-V带传动；2-电动机；3-圆柱传动减速器；4-联轴器；5-输送带；6-滚筒
图2-2带式运输机传动装置
二、选择原动机--电动机
电动机为标准化、系列化产品，设计中应根据工作机的工作情况和运动、动力参数，根据选择的传动方案，合理选择电动机的类型、结构型式、容量和转速，提出具体的电动机型号。
1、选择电动机类型和结构型式
电动机有交、直流之分，一般工厂都采用三相交流电，因而选用交流电动机。
交流电动机分异步、同步电动机，异步电动机又分为笼型和绕线型两种，其中以普通笼型异步电动机应用最多，目前应用较广的Y系列自扇冷式笼型三相异步电动机，结构简单、起动性能好，工作可靠、价格低廉、维护方便，适用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体、无特殊要求的场合，如运输机、机床、农机、风机、轻工机械等。
2、确定电动机的功率
电动机功率选择直接影响到电动机工作性能和经济性能的好坏：
若所选电动机的功率小于工作要求，则不能保证工作机正常工作；若功率过大，则电动机不能满载运行，功率因素和效率较低，从而增加电能消耗，造成浪费。
本课程设计的题目为长期连续运转、载荷平稳的机械，确定电动机功率的原则是：
Ped≥kPd
Pd=Pw/η
Pw=FV/1000ηw=Tnw/9550ηw
Ped--电动机的额定功率
Pd--电动机的输出功率
Pw--工作机的输入功率
η-电动机至工作机间的总效率
η=η1η2η3......ηn
η1η2η3......ηn分别为传动装置中各传动副（齿轮、蜗杆、带或链、轴承、联轴器）的效率，设计时可参考表2-1选取。
F-工作机的工作阻力
V-工作机卷筒的线速度
T-工作机的阻力矩
nw-工作机卷筒的转速
ηw-工作机的效率
表2-1机械传动和轴承效率的概略值
类型效率
开式
闭式
圆柱齿轮传动
0.94-0.96
0.96-0.99
V带传动
0.94-0.97
--
滚动轴承（每对）
0.98-0.995
弹性联轴器
0.99-0.995
计算传动装置的总效率时需注意以下几点：
（1）若表中所列为效率值的范围时，一般可取中间值
（2）同类型的几对传动副、轴承或联轴器，均应单独计入总效率
（3）轴承效率均指一对轴承的效率
3、确定电动机的转速
同一类型、相同额定功率的电动机低速的级数多，外部尺寸及重量较大，价格较高，但可使传动装置的总传动比及尺寸减少；高速电动机则与其相反，设计时应综合考虑各方面因素，选取适当的电动机转速。
三相异步电动机常用的同步转速有3000r/min,1500r/min,1000r/min,750r/min,常选用1500r/min或1000r/min的电动机。
常用传动机构的性能及适用范围见表2-2。
表2-2常用机构的性能及适用范围
传动机构
选用指标
平带传动
V带传动
链传动
圆柱齿轮传动
功率（常用值）/kw
小
（≤20）
中
（≤100）
中
（≤100）
大
（最大达50000）
单级传动比
常用值
2~4
2~4
2~5
3~5
最大值
5
7
6
8
传动效率
查表2-1
许用的线速度
≤25
≤25~30
≤40
6级精度≤18
外廓尺寸
大
大
大
小
传动精度
低
低
中等
高
工作平稳性
好
好
较差
一般
自锁性能
无
无
无
无
过载保护作用
有
有
无
无
使用寿命
短
短
中等
长
缓冲吸振能力
好
好
中等
长
要求制造及
安装精度
低
低
中等
高
要求润滑条件
不需
不需
中等
高
环境适应性
不能接触酸、碱、油、爆炸性气体
好
一般
设计时可由工作机的转速要求和传动结构的合理传动比范围，推算出电动机转速的可选范围，即
nd=（i1·i2·i3......in）nW
nd--电动机可选转速范围
i1,i2......in--各级传动机构的合理传动比范围
由选定的电动机类型、结构、容量和转速查手册，查出电动机型号，并记录其型号、额定功率、满载转速、中心高、轴伸尺寸、键联接尺寸等。
设计传动装置时，一般按电动机的实际输出功率Pd计算，转速则取满载转速nW。
例2.1如前图a所示带式运输机的传动方案。
已知卷筒直径D=500mm，运输带的有效拉力F=1500N,运输带速度v=2m/s,卷筒效率为0.96，长期连续工作。
试选择合适的电动机
解：
（1）选择电动机类型
按已知的工作要求和条件，选用Y形全封闭笼型三相异步电动机。
（2）选择电动机的功率
工作机时所需电动机输出功率为：
pd=pw/η
pw=Fv/（1000ηw）所以pd=Fv/（1000ηwη）
电动机至工作机间的总效率（包括工作机效率）为
ηηw=η1η22η3η4η5ηw
η1η2η3η4η5ηw分别为带传动、齿轮传动的轴承，齿轮传动、联轴器、卷筒轴的轴承及卷筒的效率。
取η1=0.96η2=0.99η3=0.97η4=0.97η5=0.98ηw=0.96
所以ηηw=η1η22η3η4η5ηw=0.96×0.992×0.97×0.99×0.98×0.96=0.83
所以pd=Fv/（1000ηwη）=1500×2/（1000×0.83）KW=3.61KW
（3）确定电动机转速
卷筒轴的工作转速为：
nw=60×1000V/（?
D）=60×1000×2/（3.14×500）r/min=76.4r/min
按推荐的合理传动比范围取V带传动的传动比i1'=2~4,单级齿轮传动比i2'=3~5则合理总传动比的范围为：
i'=6~20，故电动机转速的可选范围为
n'd=i'nw=（6~20）×76.4r/min=458~1528r/min
符合这一范围的同步转速有750r/min，1000r/min，1500r/min。
再根据计算出的容量查有关手册选择电动机型号，本设计中可参考表**，然后将选择结果列于下表。
方案
电动机型号
额定功率
电动机转速（r/min）
传动装置的的传动比
Ped/kw
同步转速
满载转速
总传动比
带
齿轮
1
Y160M1-8
4
750
720
9.42
3
3.14
2
Y132M1-6
4
1000
960
12.57
3.14
4
3
Y112M-4
4
1500
1440
18.85
3.5
5.385
综合考虑选Y132M1-6电动机，查手册求出其它尺寸（中心高、外型尺寸、安装尺寸、轴伸尺寸、键联接尺寸等）。
三、传动装置总传动比的确定及各级传动比的分配
由选定电动机的满载转速nm和工作机主动轴的转速nw可得传动装置的总传动比i=nm/nw对于多级传动i=i1·i2......in计算出总传动比后，应合理地分配各级传动比，限制传动件的圆周速度以减少动载荷，分配各级传动比时应注意以下几点：
（1）各级传动的传动比应在推荐的范围之内选取。
（2）应使传动装置结构尺寸较小，重量较轻。
（3）应使各传动件的尺寸协调，结构匀称合理，避免相互干涉碰撞。
一般应使带的传动比小于齿轮传动的传动比。
四、计算传动装置的运动和动力参数
为进行传动件的设计计算，应首先推算出各轴的转速、功率和转矩，一般按由电动机至工作机之间运动传递的路线推算各轴的运动和动力参数。
（1）各轴的转速（r/min）：
n1=nm/i0
n2=n1/i1=nm/i0i1
n3=n2/i2=nm/i0i1i2
式中的nm为电动机的满载速度
n1、n2、n3分别为1、2、3轴的转速
i0--电动机至1轴的传动比
i1--1轴至2轴的传动比
i2--2轴至3轴的传动比
（2）各轴的输入功率：
p1=pdη01p2=p1η12=pdη01η12p3=p2η01η12η23
pd为电动机的输出功率，p1、p2、p3分别为1、2、3轴的输入功率，η01、η12、η23分别为电动机轴与1轴，1轴与2轴，2轴与3轴间的传动效率。
（3）各轴转矩：
T1=Tdi0η01T2=T1i1η12T3=T2i2η23
T1、T2、T3分别为1、2、3轴的输入转矩
Td为电动机轴的输出转矩Td=9550pd/nm
例2.2同例2.1的已知条件和计算结果，计算传动装置各轴的运动和动力参数。
解：
（1）各轴的转速：
n1=nm/i0=960/3.14r/min=305.73r/min
n2=n1/i1=305.73/4r/min=76.4r/min
nw=76.4r/min
（2）各轴的输入功率：
p1=pdη01=3.6×0.96kw=3.456kw
p2=p1η12=p1η2η3=3.456×0.99×0.97kw=3.32kw
p3=p2η2η4=3.32×0.99×0.97kw=3.19kw
（3）各轴的输入转矩：
Td=9550pd/nm=9550×3.61/960Nm=35.91Nm
T1=Tdi0η01=Tdi0η1=35.91×3.14×0.96Nm=108.25Nm
T2=T1i1η12=T1i1η2η3=108×4×0.99×0.97Nm=415.82Nm
T3=T2η2η4=415.82×0.99×0.97Nm=399.31Nm
将运动和动力参数的计算结果列于下表。
轴名
参数
电动机轴
1轴
2轴
卷筒轴
转速n（r/min）
960
305.73
76.4
76.4
输入功率P（kw）
3.6
3.456
3.32
3.19
输入转矩T（Nm）
35.91
108.25
415.82
399.31
传动比i
3.14
4
1
效率η
0.96
0.96
0.96
第三节传动零件的设计计算
一、减速箱外传动零件--带传动设计
（1）带传动设计的主要内容选择合理的传动参数；确定带的型号、长度、根数、传动中心距、安装要求、对轴的作用力及带的材料、结构和尺寸等。
（2）设计依据传动的用途及工作情况；对外廓尺寸及传动位置的要求；原动机种类和所需的传动功率；主动轮和从动轮的转速等。
（3）注意问题带传动中各有关尺寸的协调，如小带轮直径选定后要检查它与电动机中心高是否协调；大带轮直径选定后，要检查与箱体尺寸是否协调。
小带轮孔径要与所选电动机轴径一致；大带轮的孔径应注意与带轮直径尺寸相协调，以保证其装配稳定性；同时还应注意此孔径就是减速器小齿轮轴外伸段的最小轴径。
例3-1设计带式输送机传动系统中的普通V带传动。
原动机为Y132M1-6型电动机，电动机额定功率Ped=4KW,满载转速nm=960r/min,小带轮安装在电机轴上，带的传动比i=3.14,一天工作时间t=24h,5年寿命。
解：
（1）选择V带型号
查表，得工作情况系数KA=1.4,求得所需传递功率Pc=KA×Pc=1.4×4=5.6KW
由小带轮转速n1及功率功率Pc选择小带轮型号为A型。
（2）确定带轮直径
dd1=112mm,dd2=i×dd1=355mm
（3）核算带轮速度
v=πdd1nm/6000=5。
63m/s
5m/s （4）初步确定中心距
0.7（dd1+dd2） （5）确定期带的长度
Ld0=2a0+π（dd1+dd2）/2+（dd1-dd2）2/（4a0）=1958.017,取a=a0+（Ld-L0）/2=620.
（6）校核V带的包角
α1=180o－２arcsin（dd1-dd2）/（2a）=157.4o>120o
（7）确定带的确良根数Z
查表单根V带传递功率P0=1.16KW,
查表传递功率增量△P0=kbn1（1-1/ki）=0.119,
包角修正系数kα=0.93,
长度修正系数kl=1.03,
Z≥Pc/[（P0+△P0）kαkl]=4.57（根）
Z=5根。
（8）确定单根V带的拉力F0
F0=500Pc（2.5/kα-1）/Zv+qv2=171.09N
（9）对轴的压力FQ
FQ=2ZF0Sinα1/2=1677.7N
（10）结果是5根A-GB11544-89V带，中心距a=600mm,带的基准直径dd1=112mm,dd2=355mm，对轴的压力FQ=1677.7N，带轮的宽度B=（Z－1）e+2f=78（mm）.
二、减速器内传动零件--一级圆柱齿轮传动设计
圆柱齿轮设计计算及结构设计的方法、步骤均可依教材的有关内容进行，其注意事项如下：
（1）齿轮材料的选择要注意毛坯制造方法：
选择材料前应先估计大齿轮的直径，如果大齿轮直径较大，应选用铸造毛坯，材料一般可选铸钢或铸铁；如果小齿轮的齿根圆直径与轴径接近，可制成齿轮轴，选用的材料应兼顾轴的要求，同一减速器的各小齿轮（或大齿轮）的材料应尽可能一致，以减少材料的牌号，降低加工的工艺要求。
（2）计算齿轮的啮合几何尺寸时应精确到小数点后2~3位，角度应精确到秒，而中心距、宽度和结构尺寸应尽量圆整为整数。
（3）参数的合理选择，通常取Z1=20~40，在保证齿根弯曲强度的前提下，Z1可取大些；传递动力的齿轮，其模数应大于1.5~2mm。
例3.2设计一台单级直齿圆柱齿轮减速器，已知传递的功率P=3.4656KW,电动机驱动，小齿轮转速n1=305.73r/min,传动比i=4，单向运转，载荷平稳，使用寿命5年，三班制工作。
解：
（1）选择齿轮材料及精度等级：
小齿轮选用45号钢调质，硬度为220-250HBS，大齿轮选用45号钢正火，硬度为170-210HBS，因为是普通减速器由教材表10.21选8级精度，要求齿面粗糙度Ra≤3.2-6.3um
（2）按齿面接触疲劳强度设计
因两齿轮均为钢质齿轮，可求出d1值，确定有关参数与系数。
1）转矩T1=9550×p/n1=9550×3.4656/305.73=108.25Nm
2）载荷系数k查表10.11取k=1.1
3）齿数Z1和齿宽系ψd
小齿轮的齿数Z1取为27，则大齿轮齿数Z２=i.Z1=108，Z1、Z2互质，取Z2=107。
因单级齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面又为软齿面，由表10.20选取ψd=1
4）许用接触应力【бH】
由相关图表查得бHlim1=560Mpa,бHlim2=530Mpa,SH=1
N1=60njln=60×305.73×（5×52×120）=0.57×109
N2=N1/i=0.57×109/4=0.14×109
查相关图表得ZN1=1.06,ZN2=1.10
【бH】1=Zn1·бHlim1/SH=1.06×560/1Mpa=593.6Mpa
【бH】2=Zn2·бHlim2/SH=1.1×530/1Mpa=583Mpa
d1≥76.43（KT（U+1）/（ψdu【бH】2））1/3
=76.43×（1.1×108.25×103×5/（1×4×（593.6）2）1/3）mm=57.35mm
m=d1/z1=57.35/27mm=2.12mm
取m=2.5mmd1=mz1=2.5×27=67.5mm
d2=mz2=2.5×107mm=267.5mm
b=ψd×d1=1×67.5mm=67.5mm,经圆整后取b2=70mm,b1=b2+5mm=75mm,a=m（z1+z2）/2=2.5（27+107）/2mm=167.5mm.
三、轴径初选
（1）初选轴径轴的结构设计要在初步估算出一段轴径的基础上进行。
轴径可按扭转强度初算，计算式为：
d≥c（P/n）1/3
式中P--轴所传递的功率（Kw）
n----轴的转速（r/min）
c----由轴的许用切应力所确定的系数（查表见教材）
初估的轴径为轴上受扭段的最小直径，此处如有键槽，还要考虑键槽对轴强度削弱的影响。
有一个键槽时，直径增大3%~5%并圆整，若外伸轴用联轴器与电动机轴相联，则应综合考虑电动机轴径及联轴器孔径尺寸，对初算轴径尺寸适当调整。
（2）联轴器选择一般传动装置中有两个联轴器，一个联接电动机轴与减速器高速轴的联轴器，另一个是联接减速器低速轴与工作机的联轴器。
对中、小型减速器的输入轴、输出轴均可采用弹性柱销联轴器，它加工制造容易，装拆方便、成本低，能缓冲减震。
本方案联轴器联接低速轴与工作机，选弹性柱销联轴器。
第四节部件的设计与装配图的绘制
减速器的基本结构是由轴系部件、箱体及附件三大部分组成。
这里介绍一下轴系部件设计的方法与步骤：
一、轴系部件的设计
轴系部件包括传动件、轴和轴承组合。
1、轴承类型的选择
减速器中常用的轴承是滚动轴承，滚动轴承类型可参照如下原则进行选择：
（1）考虑轴承所承受载荷的方向和大小。
原则上，当轴承仅承受纯径向载荷时，一般选用深沟球轴承；当轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承：
但如果轴向载荷不大时，应选用深沟球轴承。
（2）转速较高，旋转精度要求较高，而载荷较小时和般选用球轴承。
（3）载荷较大且有冲击振动时，宜选用滚子轴承（相同外形尺寸下，滚子轴承一般比球轴承承载能力大，但当轴承内径d<20mm时，这种优点不显著，由于球轴承价格低廉，应选球轴承）。
（4）轴的刚度较差、支承间距较大，轴承孔同轴度较差或多点支承时，一般选用自动调心轴承；而不能自动调心的滚子轴承仅能用在轴的刚度较大、支承间距不大、轴承孔同轴度能严格保证的场
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