第5章 圆柱齿轮减速器轴系部件设计.docx
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第5章圆柱齿轮减速器轴系部件设计
第5章圆柱齿轮减速器轴系部件设计
——装配图设计第一阶段
在传动装置总体方案设计、运动学计算和传动零件设计计算等工作完成以后，即可着手减速器的图纸的设计工作。
装配图是表达各零件结构形状及相互尺寸关系的图纸，也是机器组装、调试、维护等的技术依据。
所以，一般机械设计图纸总是从装配图设计开始。
从装配图上确定所有零件的位置、结构和尺寸，再以此为依据分别绘制加工零件的工作图。
因此装配图的设计是整个设计工作的重要阶段。
在这个阶段必须综合地考虑零件的强度、刚度、制造工艺、装配、调整和润滑等各方面的要求。
在设计过程中，图纸不可避免地要作大量反复的修改工作，以获取最合理结构和表达最完整的图纸。
因此装配图的设计总是先绘制装配草图。
在装配草图上，观察最初确定的运动参数，各传动件的结构尺寸是否协调，是否会互相干涉；在草图上，确定轴的结构、跨距、受力点位置，并验算轴、轴承和键联接的强度是否足够之后最终确定所有零件、部件结构尺寸，为装配工作图、零件工作图的设计打下基础。
本章和下章将介绍圆柱齿轮减速器装配图的设计过程和方法。
圆锥齿轮减速器装配图和蜗杆蜗轮减速器装配图的设计特点将在第七章和第八章中介绍。
在圆锥齿轮减速器装配图和蜗杆蜗轮减速器装配图设计中，一些共性内容可参考第五章和第六章内容。
5.1装配草图设计前的准备工作
在绘制装配草图之前，应仔细阅读有关资料；认真读懂几张典型的减速器装配图纸；参观有关陈列展览，拆装减速器实物；比较、研究各种结构方案特点，弄懂各零件部件的功用和相互关系，做到对所设计的内容心中有数。
具体的准备工作有以下几方面：
1．确定各类传动零件的主要尺寸。
如：
中心距、直径（最大圆，顶圆，分度圆）、轮毂和轮缘宽度等。
2．按已选出的电机型号查出其安装尺寸。
如轴伸直径D、轴伸长度E及中心高H等。
3．按工作情况、转速高低、转矩大小及两轴对中情况选定联轴器的类型。
4．初定各轴最小直径。
因轴的跨距还未确定，先按轴所受的转矩初步计算轴受扭段的最小直径。
5．确定滚动轴承的类型。
具体型号先不确定。
一般直齿圆柱齿轮传动和斜齿圆柱齿轮传动可采用深沟球轴承（60000类），若轴向力较大时，可采用角接触轴承（70000类或30000类）等。
6．根据轴上零件的受力情况、固定和定位的要求，初步确定轴的阶梯段。
具体尺寸暂不定。
如在一般情况下，减速器的高速轴、低速轴有6～8段；中间轴有5～6段组成。
7．确定滚动轴承的润滑和密封方式。
8．确定轴承端盖的结构型式。
轴承端盖用以固定轴承、调整轴承间隙并承受轴向力。
轴承端盖的结构型有凸缘式和嵌入式两种。
凸缘式轴承端盖，如图5-1所示，用螺钉与机体轴承座联接。
调整轴承间隙比较方便，密封性能也好，用得较多。
这种端盖多用铸铁铸造，设计时要很好考虑铸造工艺。
（a）（b）（c）
图5-1凸缘式轴承端盖
嵌入式轴承端盖，如图5-2所示，结构简单，使机体外表比较光滑，能减少零件总数和减轻机体总重量，但密封性能较差，调整轴承间隙比较麻烦。
需要打开机盖，放置调整垫片。
只宜于深沟球轴承和大批量生产时。
如用角接触轴承，应在嵌人式端盖上增设调整螺钉结构，以便于调整轴承间隙，如图5-2c）所示。
a）b）c）
图5-2嵌入式轴承端盖
9．确定减速器机体的结构方案并计算出它和有关零件的结构尺寸，见表4-1。
10．选择图纸幅面、视图、图样比例及布置各视图的位置上述各项准备工作完成后，即可着手草图的设计工作。
为了加强真实感，尽量采用A0号或A1号图纸阿幅面，优先采用1:
1的比例尺绘制。
一般情况下，为充分完整表达各零件结构形状和尺寸位置应绘制三个视图，必要时再加一些局部视图和剖视图。
布图之前，估算出减速器的轮廓尺寸（参考图5-3），并留出标题栏、明细表、零件编号、技术特性表及技术要求的位置，合理布置图面。
图5-3视图布置参考图（图中A、B、C见表5-1）
表5-1视图大小估算
A
B
C
一级圆柱齿轮减速器
3a
2a
2a
二级圆柱齿轮减速器
4a
2a
2a
圆锥一圆柱齿轮减速器
4a
2a
2a
一级蜗杆减速器
2a
3a
2a
注：
a为传动中心距。
对于二级传动，a为低速级的中心距。
5.2装配草图设计
装配草图设计的任务是通过绘图设计轴的结构尺寸及选出轴承型号；确定轴承的支点和轴上传动零件的力作用点的位置，定出跨距和力作用点间的距离。
提供力学模型为轴和键联接的强度计算，为滚动轴承的寿命计算提供数据。
传动零件、轴和轴承是减速器的主要零件，其它零件的结构和尺寸随这些零件而定。
绘制装配图时，要先画主要零件，后画次要零件；由箱内零件画起，逐步向外画；先画中心线和轮廓线，对结构细节可先不画；以一个视图为主，兼顾其它视图。
本章主要以二级展开式圆柱齿轮减速器为例，说明装配草图的设计步骤和方法。
5.2.1确定减速器传动零件的相互位置
1．估算减速器的轮廓尺寸表5-1提供的数据可作为图5-3视图布置（估算减速器轮廓尺寸的大小）的参考。
2．确定齿轮中心线的位置在大致估算了所设计减速器的长、宽、高外形尺寸后，考虑标题栏、明细表、技术要求、技术特性、零件编号、尺寸标注等所占幅面，确定三个视图的位置，画出各视图中传动零件的中心线。
中心线的位置直接影响视图布置的合理性，经审定适宜后再往下进行。
3．画出齿轮的轮廓尺寸线如图5-4所示，先在俯视上画出各齿轮的节圆、齿顶圆和齿轮宽度，齿轮的结构细节暂不画出。
通常小齿轮比大齿轮宽5～8mm。
两级大齿轮间的距离Δ3应在8～15mm，输入与输出轴上的齿轮最好布里在远离外伸轴端的位置。
同时，在主视图中画出节圆和齿顶圆。
5.2.2确定箱体内壁和轴承座端面位置
1．画机箱体内壁线为避免齿轮与机体内壁相碰，齿轮与机体内壁留有一定距离，一般取小齿轮端面与机体内壁的距离为Δ2，大齿轮顶圆与箱体内壁距离为Δ1，Δ1、Δ2的数值见表4-1。
小齿轮顶圆一侧的内壁线先不画，将来由主视图确定。
内壁线画出后，箱体宽度的中线随之确定。
2．确定轴承在箱体座孔内的位置轴承在箱体轴承座孔内的位置是由轴承润滑方式确定的。
当轴承采用脂润滑（齿轮的圆周速度V＜2m/s）时，要留出封油盘的位置，轴承内侧端面与箱体内壁的距离Δ4=10～15mm，如图5-4a所示；当轴承采用机体内的润滑油润滑（齿轮的圆周速度V≥2m/s）时，轴承内侧端面与箱体内壁的距离Δ4=3～5mm，如图5-5a所示。
a）正确b）不正确a）正确b）错误
图5-4脂润滑时封油盘和轴承位置图5-5油润滑时轴承位置
图5-6传动件、轴承座端面及箱壁位置
3．确定轴承座孔外端面位置及分箱面箱缘宽对于剖分式齿轮减速器，轴承座孔内测端面常为箱体内壁。
轴承座孔外端面位置应由箱体内壁面及轴承座孔的宽度l2确定，确定轴承座孔宽度l2时应综合考虑箱体的结构需求：
轴承座的宽度l2（即轴承座孔内、外端面间的距离）取决于箱体壁厚δ、轴承旁联接螺栓d1及其所需的扳手空间c1和c2的尺寸以及区分加工面与毛坯面所留出的尺寸（5～10mm）。
因此，轴承座宽度l2＝δ＋c1＋c2＋（5～10）mm，式中的δ、c1和c2值见表4-1。
至此，绘制的图形见图5-6。
5.2.3轴的结构设计
轴的结构除应满足强度、刚度要求外，还要保证轴上零件的定位、固定和装拆方便，并有良好的加工工艺性。
因此常设计成阶梯轴。
轴结构设计的主要内容是确定轴的径向尺寸、轴向尺寸以及键槽的尺寸、位置等。
1．确定轴的径向尺寸
阶梯轴径向尺寸的确定是在初算轴径的基础上进行的。
阶梯轴各段径向尺寸，由轴上零件的受力、定位、固定等要求确定。
（1）有配合或安装标准件处的直径
轴上有轴、孔配合要求的直径，如图5-7中安装齿轮和联轴器处的直径d6和d1，一般应取标准值（见表13-10）。
安装轴承及密封元件处的轴径d3、d7和d2，应与轴承及密封元件孔径的标准尺寸一致。
图5-7轴的结构设计
Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ处的局部放大图见图5-8
（2）轴肩高度和圆角半径
1）定位轴肩在图5-7中，d1—d2、d3—d4和d5—d6位置处的轴肩分别是联轴器、右端轴承和齿轮的定位轴肩。
如图5-8所示，定位轴肩的高度h、圆角半径R及轴上零件的倒角C1或圆角R1要保证如下关系：
h＞Rl（或Cl）＞R，见图5-8b）、c），即图5-7中Ⅱ、Ⅲ部放大图。
轴径与圆角半径的关系见表13-15～表13-17。
例如：
d=50mm，由表查得R=1.6mm，Cl=2mm，则h=3.5～5mm。
安装滚动轴承处的R和Rl可由轴承标准中查取。
轴肩高度h除应大于Rl外，还要小于轴承内圈厚度hl，以便拆卸轴承，见图5-9。
如由于结构原因，必须使h≥hl时，可采用轴槽结构，供拆卸轴承用，见图5-10。
如果可以通过其它零件拆卸轴承，则h不受此限制，见图5-10。
尺寸h可在相应的轴承标准中查到。
2）非定位轴肩当轴径变化仅是为装拆方便时，相邻直径差要小些，一般为1～3mm，如图5-7中
a）b）c）
图5-8轴肩高度和圆角半径
a）Ill部放大b）Ⅱ部放大c）I部放大
图5-9h＜hl时轴承的拆卸图5-10h≥hl时轴承的拆卸
图5-11有封油盘时轴承的拆卸图5-12公差带不同
的d2—d3和d6—d7处的直径变化。
这里轴径变化处圆角R为自由表面过渡圆角，R可大些，见图5-8a）。
有时由于结构原因，相邻两轴段取相同的名义尺寸，但公差带不同，这样可以保证轴承装拆方便。
如图5-12所示，轴承和密封装置处轴径取相同名义尺寸，但实际尺寸d（f9）＜d（k6）。
径向尺寸确定举例：
如图5-7的输出轴，轴的径向尺寸确定一般由外伸端开始，例如由初算并考虑键槽影响及联轴器孔径范围等，取d1=55mm时，考虑前面所述决定径向尺寸的各种因素，其它各段直径可确定为：
d2=62mm（h=0.07×55～0.1×55=3.85～5.5，d2=d1+2h=62.7～66），d3=65mm（如轴承型号取30213），d4=74mm（由轴承型号30213查得），d7=d3=65mm，d6=70mm，d5=82mm（h=0.07×70～0.1×70=4.9～7，d5=d6+2h=79.8～84）。
也可取：
d2=65（f9）mm，d3=65（k6）mm。
2．确定轴的轴向尺寸
阶梯轴各段轴向尺寸，由轴上直接安装的零件（如齿轮、轴承等）和相关零件（如箱体轴承座孔、轴承盖等）的轴向位置和尺寸确定。
（1）由轴上安装零件确定的轴段长度图5-7中l6、l1及l3由齿轮、联轴器的轮毂宽度及轴承宽度确定。
轮毂宽度l’与轮毂孔径d有关，可查有关零件结构尺寸。
一般情况下，轮毂宽度l’=（1.2～1.6）d，最大宽度l’max≤（1.8～2）d。
轮毂过宽则轴向尺寸不紧凑，装拆不便，而且键联接不能过长，键长不大于（1.6～1.8）d，以免压力沿键长分布不均匀现象严重。
轴上零件靠套筒或轴端挡圈轴向固定时，轴段长度l应较轮毂宽l’小，l=l’-（2～3）mm，以保证套筒或轴端挡圈能与轮毂零件可靠接触，如图5-7中安装联轴器处l’1＞l1，安装齿轮处l’6＞l6。
图5-13a）为正确结构，图5-13b）为错误结构。
图5-13轮毂与轴段长度的关系图5-14伸出长度lB
a）正确b）错误
（2）由相关零件确定的轴段长度图5-7中，l2与箱体轴承座孔的长度、轴承的宽度及其轴向位置、轴承盖的厚度e及伸出轴承盖外部分的长度lB有关。
轴承座孔及轴承的轴向位置和宽度在前面已确定。
当采用凸缘式轴承盖时，轴承盖凸缘厚度见表19-12。
伸出端盖外部分的长度lB与伸出端安装的零件有关。
在图5-14a）、b）中，lB与端盖固定螺钉的装拆有关，可取B≥（3.5～4）d3，此处d3为轴承端盖固定螺钉直径（表4-1）。
在图5-15a）中，轴上零件不影响螺钉等的拆卸，这时可取lB=（0.15～0.25）d3；在图5-15b）中，lB由装拆弹性套柱销距离B确定（B值可由联轴器标准查出）。
因此，第二段轴的长度为：
l2=δ＋c1＋c2＋（5～10）＋e＋lB－Δ4－l3，并圆整。
第五段轴环的长度取为：
l5=10mm（见表13-17，l5=1.4h=1.4×（0.07～0.1）d4=7.25～10.36mm）。
图5-7中，其它轴段的长度如l7，l4均可由画图确定。
（3）采用s以上过盈配合轴径的结构形式采用s以上过盈配合安装轴上零件时，为装配方便，直径变化可用锥面过渡，锥面大端应在键槽的直线部分，见图5-16a）、b）。
采用s以上过盈配合，也可不用轴向固定套筒，见图5-16b）。
图5-15伸出长度lB图5-16锥面过渡结构
3．确定轴上键槽的位置和尺寸
键联接的结构尺寸可按轴径d由表15-20查出。
平键长度应比键所在轴段的长度短些，并使轴上的键槽靠近传动件装入一侧，以便于装配时轮毂上的键槽易与轴上的键对准，如图5-17a所示，Δ=1～3mm。
图5-17b）的结构不正确，因Δ值过大而对准困难，同时，键槽开在过渡圆角处会加重应力集中。
图5-17轴上键槽的位置
a）b）
a）正确b）不正确
当轴沿键长方向有多个键槽时，为便于一次装夹加工，各键槽应布置在同一直线上，图5-17a）正确，图5-17b）不正确。
如轴径径向尺寸相差较小，各键槽断面可按直径较小的轴段取同一尺寸，以减少键槽加工时的换刀次数。
按上述步骤可绘出装配草图，完成后的图形见图5-18（一级圆柱齿轮减速器的装配草图）和图5-19（两级圆柱齿轮减速器的装配草图）。
由装配草图可确定轴上零件受力点的位置和轴承支点间的距离A、B、C。
图5-18一级圆柱齿轮减速器的装配草图
图5-19两级圆柱齿轮减速器的装配草图
5.3轴、轴承、键的校核计算
草图第一阶段完成后，确定了轴的初步结构、支点位置和距离及传动零件力的作用点位置，即可着手对轴、键联接强度及轴承的额定寿命进行校核计算。
计算步骤如下：
1．首先定出力学模型，然后求出支反力，画出弯、扭矩图，再计算绘制出当量弯矩图。
2．轴的校核计算根据轴的结构尺寸、应力集中的大小和力矩图判定一个或几个危险截面。
用合成弯矩法或安全系数法对轴进行疲劳强度校核计算。
校核结果如强度不够，应加大轴径，对轴的结构尺寸进行修改。
如强度足够，且计算应力或安全系数与许用值相差不大，则以轴结构设计时确定的尺寸为准不再修改。
若强度富裕过多，可待轴承寿命及键联接的强度校核后，再综合考虑是否修改轴的结构。
实际上，许多机械零件的尺寸是由结构确定的，并不完全决定于强度。
3．对轴承进行额定寿命计算轴承计算的额定寿命若低于减速器使用期限时，可取减速器检修期作为轴承预期工作寿命。
验算结果如不能满足要求（寿命太长或太短），可以改用其它尺寸系列的轴承，必要时可改变轴承类型或轴承内径。
4．对键联接进行挤压强度的校核计算键联接的强度校核计算主要是验算其抗挤压强度是否满足要求。
许用挤压应力应按联接键、轴、轮鼓三者中材料最弱的选取，一般是轮毂材料最弱。
经校核计算如发现强度不足，但相差不大时，可通过加长轮毂并适当增加键长来解决；否则，应采用双键、花键或增大轴径以增加键的剖面尺寸等措施来满足强度要求。
5.4轴承组合设计
为保证轴承正常工作，除正确确定轴承型号外，还要正确设计轴承组合结构，包括轴系的固定、轴承的润滑和密封等。
5.4.1轴系部件的轴向固定
在圆柱齿轮减速器中，轴承支点跨距较小，尤其是中、小型减速器，其支点跨距常小于300mm。
同时，齿轮传动效率高，温升小，因此轴的热膨胀伸长量很小，所以轴系常采用两端固定方式，如图5-7所示。
两端支点轴承在相反方向各限制轴系一个方向的移动。
轴承内圈的轴向固定常用轴肩或套筒，外圈在箱体轴承座孔中，常采用轴承盖作轴向固定。
在轴承盖与轴承座外端面间，装有由不同厚度软钢片组成的一组调整垫片，用以补偿轴系零件轴向尺寸制造误差、调整轴承游隙和少量调整齿轮的轴向位置。
5.4.2轴承的润滑与密封
按第四章第二节所述，轴承选定脂润滑或油润滑后，要相应地设计出合理的轴承组合结构，保证可靠的润滑和密封。
1．润滑
（1）脂润滑当轴承采用脂润滑时，为防止箱内润滑油进入轴承，造成润滑脂稀释而流出，通常在箱体轴承座内端面一侧装设封油盘。
其结构尺寸和安装位置见图5-20及图5-5a）。
（2）油润滑当浸油齿轮将油溅到箱体内壁上，轴承采用油润滑时，如图5-21所示。
为使箱盖内壁上的油进人轴承，要在上箱盖分箱面处制出坡口，在箱座分箱面上制出油沟，以及在轴承盖上制出缺口和环形通路。
箱座分箱面上的油沟及其断面尺寸见图5-22。
当齿轮圆周速度v＞3m/s，且润滑油粘度不高时，飞溅的油能形成油雾而直接润滑轴承，此时分箱面上可不制油沟。
轴承采用油润滑，当小齿轮布置在轴承近旁，而且直径小于轴承座孔直径时，为防止齿轮啮合过程挤出的润滑油大量进入轴承，应在小齿轮与轴承之间装设挡油盘（图5-23）。
图5-23a的挡油盘为冲压件，适用于成批生产；图5-23b的挡油盘由车加工制成，适用于单件或小批生产。
2．密封
上面已结合轴承润滑介绍了内密封用的封油盘和挡油盘结构，下面介绍轴承与外界间的密封，即外密封。
外密封装置分为接触式与非接触式两种。
（1）接触式密封
1）毡圈密封如图5-24所示，将D稍大于D0，B大于b，d1稍小于轴径d的矩形截面浸油毡圈（图5-24a）嵌入梯形槽（图5-24b）中，对轴产生压紧作用，从而实现密封。
毡圈及梯形槽尺寸见表18-12。
毡圈密封结构简单，但磨损快，密封效果差，主要用于脂润滑和接触面速度不超过5m/s的场合。
2）橡胶圈密封图5-25所示为常用的内包骨架橡胶密封圈，由耐油橡胶制成的圈体1、Γ形截面钢环骨架2和螺旋弹簧圈3组成。
它利用密封圈唇形结构部分的弹性和弹簧圈的箍紧作用实现密封。
轴承盖上安装橡胶圈的孔，按H8公差制造。
橡胶圈装入后可形成过盈配合，无需轴向固定。
以防止漏油为主时，唇向内侧（图5-26b）；以防止外界灰尘污物侵入为主时，唇向外侧（图5-26c）；防漏油和防灰尘都重要时，两密封圈相背安装（图5-26d），或安装一个带防尘副唇的密封圈（图5-26e）。
a）b）c）d）
e）f）g）h）
图5-26轴承密封
内包骨架橡胶密封圈及透盖上安装槽的尺寸见表18-14。
橡胶圈密封性能好，工作可靠，寿命长，可用于脂润滑和油润滑，轴接触表面圆周速度v≤7m/s的场合。
毡圈和橡胶圈密封，要求与其相接触轴的表面粗糙度Ra值≤1.6μm。
（2）非接触式密封
1）油沟密封如图5-26f）所示，利用轴与轴承盖孔之间的油沟和微小间隙充满润滑脂实现密封，其间隙愈小，密封效果愈好。
油沟式密封槽的尺寸见表18-16。
油沟式密封结构简单，但密封效果较差，适用于脂润滑及较清洁的场合。
2）迷宫密封如图5-26g）所示，它是利用固定在轴上的转动元件与轴承盖间构成的曲折而狭窄的缝隙中充满润滑脂来实现密封。
迷宫式密封效果好，密封件不磨损，可用于脂润滑和油润滑的密封，一般不受轴表面圆周速度的限制。
若与其它形式的密封配合使用（图5-26h），密封效果更好。
5.4.3轴承盖的结构和尺寸
轴承盖用于固定轴承，调整轴承间隙及承受轴向载荷，多用铸铁制造。
结构形式分凸缘式（表19-12）和嵌入式（表19-13）两种。
每种形式中，按是否有通孔又分为透盖和闷盖。
凸缘式轴承盖调整轴承间隙方便，密封性能好，应用广泛。
嵌入式轴承盖不用螺钉联接，结构简单，但座孔中须镗削环形槽，加工麻烦。
该结构调整轴承间隙不便，主要用于要求质量轻的运行设备的减速器上。
嵌入式轴承盖有装O形密封圈和无密封圈两种。
前者密封性能好，用于油润滑；后者用于脂润滑。
轴承盖多为铸件，绘图时须注意区分毛坯面与加工面。
单件、小批生产时，可降低对铸造毛坯的精度要求，采用全部机械加工结构。
5.5齿轮结构设计
齿轮结构通常与其几何尺寸、材料及制造工艺有关。
按毛坯制造方法不同，齿轮结构分锻造、铸造和焊接毛坯三类。
铸、焊毛坯用于大直径齿轮（da＞400mm）。
课程设计中多为中、小直径锻造毛坯齿轮。
当齿轮齿根圆直径与该处轴所需直径差值过小时，为避免由于键槽处轮毂过于薄弱而发生失效，应将齿轮与轴加工成一体；一般齿轮与轴分开加工时应保证x≥2.5mt，见图5-27;若x＜2.5mt时，应将齿轮与轴加工成一体，如图5-28所示。
根据尺寸不同，齿轮有齿轮轴、实心式、腹板式和辐条式等几种形式，具体见表19-1。
图5-27齿轮轮毂键a）b）
槽至齿根的最小距离图5-28齿轮与轴制成一体时的结构及加工方法示例
图5-29为装配草图设计第一阶段完成的具体内容。
图5-29圆柱齿轮减速器第一阶段装配草图
第5章装配图设计第一阶段
——圆柱齿轮减速器轴系部件设计
5.1装配草图设计前的准备工作
5.2装配草图设计
5.2.1确定减速器传动零件的相互位置
5.2.2确定箱体内壁和轴承座端面位置
5.2.3轴的结构设计
5.3轴、轴承、键的校核计算
5.4轴承组合设计
5.4.1轴系部件的轴向固定
5.4.2轴承的润滑与密封
5.4.3轴承盖的结构和尺寸
5.5齿轮结构设计
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