高鹏飞基于SolidWorks的双极三轴线圆柱齿轮减速器设计.docx
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高鹏飞基于SolidWorks的双极三轴线圆柱齿轮减速器设计
河南科技学院
2009届毕业论文（设计）
论文题目：
基于SolidWorks的双极三轴线圆柱齿轮减速器设计
学生姓名：
高鹏飞
所在院系：
机电学院
所在专业：
机械设计制造及其自动化
指导老师：
杜家熙卞平艳
完成时间：
2009年5月19号
摘要
圆柱齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。
当前减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。
功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
基于SolidWorks的双级三轴线圆柱齿轮减速器的设计就是根据原始的给定参数，如轴的转速，工作载荷等，设计计算减速器各个结构的尺寸，绘制出减速器机构的各个相关附件。
从而运用实体造型软件SolidWorks绘制出实体，检查减速器设计尺寸的合理性，并进行模拟运动仿真。
关键字：
减速器，Solidworks,实体造型
Abstract
Cylindricalgearreducerwidelyexistsinlargerangeofdifferentindustries,andisanindispensablemechanicaltransmissiondevice.Theproblemofcurrentreduceristhatsize,weight,andthetransmissionratioislargewhilethemechanicalefficiencyisratherlow.
Powerful,easy-to-useandtechnologicalinnovationarethethreemajorcharacteristicsofSolidWorks,theSolidWorksbecomealeading,mainstream3DCADsolution.SolidWorkscanprovidedifferentdesignprogramstoreduceerrorsinthedesignprocessandimprovingproductquality.SolidWorksnotonlytoprovidesuchapowerfulandatthesametimeengineersanddesignersforeach,theoperationissimpleandconvenient,easytolearnanduse.
SolidWorksbasesonthreeaxesofthetwo-stagedesignofcylindricalgearreducerisgiveninaccordancewiththeoriginalparameters,suchasshaftspeed,workloadandsoon,allthestructuraldesignandcalculationofthesizereducer，drawingtheannexpartsofthecylindricalgearreducer.Thusthesolidmodelingsoftwareisindispensableininspectionofareasonablesizereducerdesign,andsimulationmovement.
Keywords:
Cylindricalgearreducer,SolidWorks,simulationmovement
目录
1绪论1
1.1圆柱齿轮减速器国内外研究现状1
1.2实体造型软件的选择2
1.3本文研究的主要内容4
2减速器的参数设计4
2.1传动简图说明4
2.2设计原始数据5
2.3机构传动比分配及电机的选择5
2.6滚动轴承的选择11
2.7轴的尺寸设计11
2.7.1轴1的设计11
2.7.2轴2的设计11
2.7.3轴3的设计11
2.7.4各轴的结构简图11
2.8连接键的选择12
2.8.1连接联轴器2和轴1的键12
2.8.2连接轴2和齿轮2的键的选择12
2.8.3连接轴2和齿轮3的键的选择12
2.8.4连接轴3和齿轮4的键的选择12
2.8.5连接联轴器4与轴3的键的选择12
3构件参数校核12
3.1校核轴承的使用寿命12
3.3校核键的强度15
4润滑与密封15
5减速器附件的选择及结构简图16
5.1窥视孔及窥视孔盖16
5.2放油孔及放油螺塞M1817
5.3:
油标M1617
5.4通气孔M1217
5.5起盖用螺钉18
5.6定位销M1018
5.7凸缘式轴承端盖18
5.8减速器装配过程19
6结束语19
致谢20
参考文献21
1绪论
1.1圆柱齿轮减速器国内外研究现状
50年代初期，减速器制造仅是按得到的样机及资料仿制，品种少、结构简单，未形成系列。
沈阳变压器厂在1953年翻译了苏联图纸，建立起仿苏的产品系列并开始试制，并于1956年试制成功仿苏220kY油浸绝缘电压减速器，1958年试制成功仿苏220kY油浸绝缘电流减速器。
此，中国已可以制造0．5kV～220kV各种规格的电流减速器和电压减速器并形成了系列。
958年后开始在仿制产品的基础上自行设计。
沈阳变压器厂、华通开关厂试制成功l0kV环氧树脂浇注电流减速器，取代了仿苏产品。
同时对油浸绝缘减速器进行了改型设计，形成了新的减速器系列。
0年代后，沈阳变压器研究所先后组织了多次全国统一设计，完成了0．5kV干式电流、电压减速器，l0V浇注绝缘电流、电压减速器，35kV油浸绝缘电流、电压减速器，110kV油浸绝缘电流、电压减速器新系列的设计、试制，提高了产品的技术性能，使产品更符合中国国内市场的需要。
1970年后，我国减速器的整体技术水平有了更大的提高，品种日益增加。
沈阳变压器厂先后又试制成功330kV和500kV油纸绝缘电流减速器。
西安电力电容器厂也试制成功500kV电容式电压减速器。
各减速器制造厂也不断对产品进行改进和完善，我国已具有当时国际上减速器行业最高电压等级的产品制造能力。
减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。
选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动效率，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。
减速器的类别、品种、型式很多，目前已制定为行（国）标的减速器有40余种。
减速器的类别是根据所采用的齿轮齿形、齿廓曲线划分；减速器的品种是根据使用的需要而设计的不同结构的减速器；减速器的型式是在基本结构的基础上根据齿面硬度、传动级数、出轴型式、装配型式、安装型式、联接型式等因素而设计的不同特性的减速器。
圆柱齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。
当前减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问题。
减速器制造方面，国内目前生产厂家数目众多，如对各种类型的圆柱齿轮机圆锥——圆柱齿轮或者齿轮——蜗杆减速机系列产品.在各类专用传动装置的开发机制造方面，国内近几年取得的明显的进展，如重庆齿轮箱有限责任公司生产的MDH28型磨机边缘驱动传动装置，其最大功率已达7000KW，传动转矩达5000KN.m，总重46吨，生产的1700热连轧主传动齿轮箱子的最大模数为30，重量达180吨。
由杭州前进齿轮箱有限公司生产的gwc70/76型1.2万吨及装箱船用齿轮箱，传动功率已达6250KW。
由南京高精齿轮股份有限公司及重庆齿轮箱有限公司生产的里磨系列齿轮箱最大功率已达3800KW，由西安重型机械研究所、洛阳重重齿轮箱有限公司、荆州巨鲸传动机械有限公司等开发制造的重载行星齿轮箱系列产品在矿山、冶金、建材、煤炭及水电等行业也都得到了广泛应用，其中西安重型机械研究所开发的水泥行业辊压机悬挂系列行星齿轮箱的输入功率已达1250KW，用于铝造轧机的行星齿轮箱有司责任公司、杭州前进出论箱有限公司、西安重型机械研究所开发的风力发电增速箱系列产品也逐步取代进口产品，广泛应用于国内风电行业。
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传动为主，体积和重量问题，也未解决好。
最近报导，日本住友重工研制的FA型高精度减速器，美国Alan-Newton公司研制的X-Y式减速器，在传动原理和结构上与本项目类似或相近，都为目前先进的齿轮减速器。
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。
因此，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例。
减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。
目前，超小型的减速器的研究成果尚不明显。
在医疗、生物工程、机器人等领域中，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速器，则应用前景远大。
减速器业涉及的产品类别包括了各类齿轮减速机、行星齿轮减速机及蜗杆减速机，也包括了各种专用传动装置，如增速装置、条素装置、以及包括柔性传动装置在内的各类复合传动装置等，产品服务领域涉及冶金、有色、煤炭、建材、船舶、水利、电力、工程机械及石化等行业。
其作为传动机械行业里的一个重要的分支，在机械制造领域中扮演着越来越重要的角色。
近几年，随着中国产业经济的迅猛发展，减速器业在国内也取得了日新月异的进步。
1.2实体造型软件的选择
功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，设计过程最简便、最方便的莫过于SolidWorks了。
就像美国著名咨询公司Daratech所评论的那样：
“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。
”在无与伦比的设计功能和易学易用的操作，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
强大的绘图自动化强化性能使得设计师能够以前所未有的速度从大型装配件创造产品级的工程图。
新的轻化制图工具使得用户无需加载每一个部件到内存就能创建装配图。
只需拖拽并释放一个装配件到工程图中，用户就能够在10秒钟左右生成包括10,000个组件的装配件2D图。
许多系统不能创建这样一个大型装配视图。
SolidWorks2005还使得设计工程师第一次能够为零件种类多、数量庞大和配置复杂的多个项目生成一个单一的材料清单，这是加速设计到生产的一个关键环节。
其他重要的新的制图自动化包括自动序号标注、孔汇总表和修订跟踪表。
省时、提高生产力这样的特性使得产品看起来更好，性能更佳，在市场上也更受欢迎。
没有任何其他软件能够与SolidWorks的性能相媲美，SolidWorks能够比与之竞争的2D产品快10倍地生成工程图注释——也是吸引2D软件用户迁移到3D软件的一个重要原因。
SolidWorks可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。
用智能零件技术自动完成重复设计。
智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。
镜像部件是SolidWorks技术的巨大突破。
镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。
SolidWorks用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。
智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系.olidWorks提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。
工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。
从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。
增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。
使用RapidDraft技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。
用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。
交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。
SolidWorks提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。
通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。
通过对特征和草图的动态修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。
三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。
通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。
可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。
最新版本的SolidWorks2009提供了一种快速预览三维轻量化模型的技术，使得大装配模型的显示速度进一步提高。
同时，支持在设计界面下的真三维显示效果，达到了以往专门的三维渲染软件的显示效果。
方便地编辑大装配件。
可以便捷地从大装配件中选取一部分零部件进行显示、编辑，进行运动仿真。
强化了SWIFT技术。
在SolidWorks2007已经推出的SketchExpert、MateExpert和FeatureExpert的基础上，又推出了CornerExpert（在复杂的拓扑结构中自动生成合理的圆角）、ToleranceExpert（合理分配公差）和LargeAssemblyExpert（检查大装配是否正确），帮助客户更加简便地生产零件和装配结构。
最大限度地减少客户的重复操作，使用户在使用过程中，更加专注于设计本身。
SolidWorks以往的版本中已经加入了CosmosXpress，让工程师在设计过程中可以体验仿真分析的效果。
而SolidWorks2008中将提供CosmosMotionXpress（运动仿真分析）、CosmosFloXpress和DFMXpress（可制造性的分析）等模块，使得工程师能够更好地进行设计验证。
为了更好地满足设计要求，SolidWorks作为最先进的实体造型软件成为设计的首选软件。
1.3本文研究的主要内容
基于SolidWorks的双级三轴线圆柱齿轮减速器的设计就是根据原始的给定参数，如轴的转速，工作载荷等，设计计算减速器各个结构的尺寸。
从而运用实体造型软件SolidWorks绘制出实体，检查减速器设计尺寸的合理性，并进行模拟运动仿真。
2减速器的参数设计
2.1传动简图说明
电机1通过联轴器2将动力传入减速器3,减速器输出轴通过联轴器4与开式齿轮6连接把动力传递到运输机的鼓轮7上,从而带动传送带5工作.（图示输送带紧边在上,向左前进）
图11:
电动机2:
联轴器3:
减速器4:
联轴器5:
带式运输机6:
开式齿轮7:
鼓轮
2.2设计原始数据
1．运输机鼓轮上的圆周力10000N
2．运输机输送带速度0.375m/s
3．运输机鼓轮直径500m
4．运输带速度允许偏差为5%
5．减速器的设计寿命为5年
6．工作情况:
二班制,连续工作
2.3机构传动比分配及电机的选择
设工作机构所需输入功率为Ｐw，已知卷筒的传动效率为0.96
可知:
Pw=F.V/1000.0.96=390625KW
查表可知:
联轴器的传动效率为0.99,轴承的传动效率为0.99,齿轮的传动效率为0.92,双级齿轮减速器的传动效率为0.95,则:
工作机构的总效率=0.99.0.99.0.99.0.99.0.92.0.95=0.8396
卷筒的工作转速=60.1000.V/3.14.D
D=500mm,V=0.375m/s
卷筒的工作转速=143.3r/min
查表可知双级齿轮传动比i双<18,取i双=16.单级齿轮传动比i单=3~5,因此合理的总传动比范围i总=48~80
设可选电极的转速nd,则
nd=i总.nw=（48~80）.143.3=667.8~1146.4r/min
有同步转速为750,1000的电机可选,考虑到电机的转速越低电机价格越高,会增加制造成本,因此选择同步转速为1000r/min的Y-132M-6型的电机
二级圆柱齿轮减速器中ih=（1.3~1.4）.il取ih=1.4il
单级齿轮传动比i=3~5,取i=4
i总=i.il.ih=i.il.il.1.4=66.9
由上式可知il=3.456,ih=il.1.4=4.838
设减速器中轴1的转速为n
轴2的转速为n
轴3的转速为n
则:
n
=960r/min,n
=n1/ih=198.43r/min,n
=n
/nl=i57.42r/min
各轴的输入功率
p
=pd=4.6525KW
p
=p
.轴承的传动效率.齿轮啮合的传动效率
=4.6525.0.97.0.99
=4.375KW
p
=p
.轴承的传动效率.齿轮啮合的传动效率
=4.375.0.99.0.97
=4.201KW
设各轴所承受的转矩分别为T
T
T
则:
T
=9550.p
/n
=45.34N.m
T
=9550.p
/n
=210.59N.m
T
=9550.p
/n
=698.7N.m
计算结果如下表所示:
轴号
功率KW
转矩N.m
转速r/min
传动比
4.56
45.34
960
4.375
210.59
198.43
4.838
4.201
698.7
57.42
3.456
表1传动轴设计参数
2.4传动齿轮的尺寸设计
2.4.1高速级齿轮的参数设计
设小齿轮的齿数为Z1,大齿轮的齿数为Z2,Z1取26
则Z2=Z1.ih=4.838.26=125.58圆整后取为126
小齿轮1的材料为40Cr（调质）硬度为280HBS
大齿轮2的材料为45钢（调质）硬度为240HBS
按齿面接触强度设计
设小齿轮分度圆直径为d1t,则
d1t≥
²
（1）
取载荷系数kt=1.6,β=14º,压力角α=20º
查表得ZH=2.43,εα1=0.77,εα2=0.865
则εα=εα1+εα=1.635
T小轮=9.55×1000000×P
/n
=45×10³N.m
设齿宽系数为Φd
由于两支撑对小齿轮为不对称布置,查表取Φd=1
弹性影响系数ZE=189.8MPa½
设两齿轮应力循环次数分别为N1,N2
则N1=60×n
×j×lh=60×960×1×5×365×16=1.68×1000000000
N2=N1/ih=3.47×10000000
查表可知区域系数ZH=2.433,接触疲劳寿命系数KHN1=0.91,KHN2=0.95
设两齿轮的疲劳极限应力分别为бlim1,бlim2
取бlim1=600MPa,бlim2=550MPa
取失效概率为1%,安全系数S=1,
设许用接触用力为[бH]
[бH]=（[бH]1+[бH]2）/2
[бH]1=KHN1.бlim1/S=0.91×600=546MPa,
[бH]2=KHN2.бlim2/S=0.95×550=522.5MPa
则[бH]=（[бH]1+[бH]2）/2=534.25MPa
设小齿轮分度圆直径为d1t
由上可知
d1t≥³√2×1.6×0.45×10000/（1.35×1）×5.838/4.838×（189.8×2.433/534.25）²
=45.81mm
设小齿轮圆周速度为V,
则V=3.14×d1t×n
/（60×1000）
2.3m/s
设齿宽为b,则
b=Φd×d1t=45.81mm
设模数为mnt,则
mnt=d1t×cosβ/Z1=45.81×cos14º/26=1.70
齿高h=（1+2.5）×mnt=2.25×1.6=3.825mm
齿轮纵向重合度εβ=0.318×Φd×Z1×tanβ=2.01
计算载荷系数:
取使用系数KA=1
由齿轮V=2.3m/s,7级精度得:
动载荷系数KV=0.8
齿向载荷分布系数KHβ=1.417
齿间载荷分布系数KHα=1.2
载荷系数K=KA×KV×KHβ×KHα=1.36
设按实际的载荷系数校正算得的分度圆直径为d1,则:
d1=d1t³√K/Kt=45.81׳√1.36/1.6=43.39mm
计算模数mn
mn=d1×cosβ/Z1=43.39×cos14º/26=1.61
按齿根弯曲疲劳强度计算
mn≥³√2KT1.Yβ.COS²β.YFa.Ysa/（Φd.Z1².εα[бF]）
（2）
设载荷系数为K,
则K=KA.KV.KFα.KFβ
由上可知b/h=42.76/3.6=11.88
KFβ=1.32,KFα=KHα=1.2
K=1×0.8×1.32×1.2=1.27
螺旋角影响系数Yβ=0.87
计算当量齿数:
ZV1=Z1/cos³β=26/cos³14º=28.48
ZV2=Z2/cos³β=126/cos³14º=138
查表可得齿形系数YFa1=2.53,YFa2=2.14
计算弯曲疲劳许用应力
设齿轮弯曲疲劳强度极限为бfe1,бfe2;
可知бfe1=520,бfe2=480
弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.84,KFN2=0.88
弯曲疲劳安全系数S=1.4
[бF]1=KFN1.бfe1/S=312
[бF]2=KFN2.бfe2/S=301.7
计算YFa1.YSa1/[бF]1,YFa2.YSa2/[бF]2并加以比较
YFa1.YSa1/[бF]1=2.53×1.63/312=0.0131
YFa2.YSa2/[бF]2=2.14×1.83/301.7=0.0129
取两者中的较大值0.0131
mn≥³√2×1.27×0.45×100000×0.87×COS²14º/（1×26²×1.66×1.35）
=1.1
参照模数标准表mn取为2
a=（Z1+Z2）.mn/（2.cosβ）=156.7mm
圆整后取155mm
修正角β
β1==arcos（（Z1
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