机械设计简易卧式铣床的传动装置的课程设计(蜗杆减速器).doc
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目录
绪论设计任务书………………………………………………………1
第一章传动方案的分析和拟定………………………………………2
1.1采用带传动——蜗杆传动………………………………………………2
1.2采用二级圆锥——圆柱齿轮传动………………………………………2
1.3采用二级蜗杆——圆柱齿轮传动………………………………………3
1.4确定传动方案……………………………………………………………3
第二章传动装置总设计…………………………………………………4
2.1选择电动机类型和结构形式……………………………………………4
2.2选择电动机的容量………………………………………………………4
2.3确定电动机转速…………………………………………………………4
2.4计算传动装置的总传动比和分配各级传动比…………………………5
2.5计算传动装置的运动和动力参数………………………………………5
第三章蜗杆传动的设计计算…………………………………………6
3.1选择蜗杆传动类型………………………………………………………6
3.2选择材料………………………………………………………6
3.3蜗杆传动计算…………………………………………………………6
第四章轴的设计计算…………………………………………………10
4.1蜗杆轴的计算…………………………………………………………104.2涡轮轴的计算…………………………………………………………19
第五章键的选择和计算…………………………………………………28
5.1蜗轮轴上键的选择计算………………………………………………28
5.2蜗杆轴上键的选择计算…………………………………………………28
5.3蜗杆轴的联轴器上键的选择计算…………………………………29
第六章轴承和联轴器的选择和计算…………………………………31
6.1轴承和联轴器的选择…………………………………………………31
6.2轴承的校核计算……………………………………………………31
第七章箱体的设计…………………………………………………33
7.1箱体结构设计……………………………………………………33
7.2减速器附件及其结构设计………………………………………………34
设计心得体会…………………………………………………………37
计算与说明
主要结果
简易卧式铣床的传动装置设计
1．设计题目
设计用于简易卧式铣床的传动装置（如下图）。
（1）设计数据
数据编号
1
丝杠直径/mm
50
丝杠转矩/Nm
500
转速/r/min
20
丝杠直径∅50mm，丝杠转矩T=500N·m，转速n=20r/min，
（2）工作条件
室内工作，动力源为三相交流电动机，电动机双向运转，载荷较平稳，间歇工作。
（3）使用期限
设计寿命为12000h，每年工作300天；检修期间隔为三年。
（4）生产批量及加工条件
中等规模的机械厂，可加工7、8级精度的齿轮、蜗轮。
2．设计任务
1）确定传动方案,完成总体方案论证报告；
2）选择电动机型号；
3）设计减速传动装置。
3．具体作业
1）机构简图一份；
2）减速器装配图一张；
3）零件工作图二张（输出轴及输出轴上的传动零件）；
4）设计说明书一份。
第一章传动方案的分析和拟定
对本题目进行分析：
首先，卧式铣床的刀具的行程有工作行程和返回行程，进行往返运动，这就决定着所设计的方案中电机是正反转工作的，在这种情况下，需要将频繁起动电动机正反转的要素考虑到设计方案中。
其次，卧式铣床作为一种加工工具，是用来满足一定的使用要求，需要将其精度考虑到设计方案中。
最后，要满足卧式铣床的功能要求，例如传递功率的大小，转速和运动形式。
此外还要适应工作条件（工作环境、场地、工作制度等），满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性和经济性合理等要求。
要同时满足这些要求是困难的，在进行传动系统方案设计时应统筹兼顾，保证重点。
根据机器的功能要求以及传动比大小，拟定以下三种传动方案
1.1采用带传动——蜗杆传动
方案一
图1-1
1.2采用二级圆锥——圆柱齿轮传动
方案二
图1-2
1.3采用二级蜗杆——圆柱齿轮传动
方案三
图1-3
1.4确定传动方案
带传动承载能力较小，传动相同转矩时，其结构尺寸要比其他传动形式的结构尺寸大，传动效率中等，传动精度低，但传动平稳，能缓冲吸振。
因此宜布置在高速级。
蜗杆传动可实现较大的传动比，结构紧凑，传动平稳。
头数较少时，效率较低，头数多或环面蜗杆效率高，但加工困难，成本高。
其承载能力较齿轮的低，当与齿轮传动同时应用时，宜布置在高速级，以减少蜗杆尺寸，节省有色金属；另外，由于在高速下，涡轮和蜗杆有较大的齿面相对滑动速度，易于形成动力润滑油膜，有利于提高承载能力和效率，延长寿命。
圆锥齿轮（特别时大直径，大模数的圆锥齿轮）加工困难，所以一般只在需要改变轴的分布方向时采用，并尽量放在高速级和限制传动比，以减小大锥齿轮的直径和模数。
斜齿轮的传动平稳性较直齿轮的好，常用于高速级或要求传动平稳的场合。
本设计是简易卧式铣床的传动装置设计，首先传动精确，不易用带传动；其次，锥齿轮加工困难，且对轴承的要求较高，也不宜采用。
故选择方案一，即采用蜗杆传动。
第二章传动装置总设计
2.1选择电动机类型和结构形式。
电动机类型和结构形式要根据电源、工作条件（温度、环境、空间尺寸等）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择。
根据工作条件和载荷特点应选用Y系列全封闭自扇冷式笼型三相异步交流电动机，电压380V。
2.2选择电动机的容量.
由机器的工作要求可知：
工作机所需功率Pw应由机器工作转矩和运动参数计算求得，
电动机至工作机之间传动装置的总效率，总效率按下式计算：
其中联轴器的效率；2头蜗杆传动的效率（已包括一对轴承的效率）；滚动轴承的传动效率。
把各效率代入上式得
％
则所需电动机的功率
因载荷平稳，电动机额定功率略大于即可。
查《设计手册》表12—1，该电动机的额定功率应选择为1.5kW。
2.3确定电动机转速
丝杠工作转速为，蜗杆传动比范围为。
电动机的转速可选范围为
符合这一范围的同步转速有750，1000，1500，3000.由于750的转速不符合功率要求，可排除。
转速越高，重量约轻，价格越便宜，但减速器的传动比越大，外廓尺寸越大，制造成本越高，结构不紧凑。
所以，选择型号为Y100L-6的电动机，其转速为，异步转速为，重量为33Kg。
2.4计算传动装置的总传动比和分配各级传动比
总传动比
2.5计算传动装置的运动和动力参数
0轴（电动机）
涡杆轴
丝杠
将各轴的参数列入表中
表一
轴名
功率（Kw）
转矩（Nm）
转速
r/min
传动比
效率
输入
输出
输入
输出
电动机
1.41
13.2
940
蜗杆轴
1.4
1.1
177
175
60
15.7
0.78
丝杠
1.06
506
500
20
1
0.99
Pw=1.05kW
Pd=1.41kW
I=47
计算与说明
主要结果
第三章蜗杆传动的设计计算
3.1选择蜗杆传动类型
根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）
3.2选择材料
考虑到蜗杆传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45-55HRC。
涡轮用铸锡磷青铜
ZCuSn10P1,金属模铸造。
为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。
3.1.3蜗杆传动设计计算
1.蜗杆副的滑动速度
因为
所以，蜗杆下置
初选[]值
由，查《机械设计手册》表9-8，得
°
查《机械设计手册》图9-6，的[]=0.43，（z=2）
2.中心距计算
由，查《机械设计手册》表9-9，得
使用系数
转速系数
查《机械设计手册》表9-1，得
弹性系数
寿命系数
查《机械设计手册》表9-7，得
接触系数
接触疲劳极限
接触疲劳最小安全系数
中心距
取
3.传动基本尺寸
蜗杆头数
蜗轮齿数
模数
取
蜗杆分度圆直径
取
蜗轮分度圆直径
蜗杆导程角得
蜗轮宽度
1.蜗杆：
分度圆直径
齿顶圆直径
齿根圆直径
2.蜗轮：
分度圆直径
齿顶圆直径
齿根圆直径
齿宽
4.齿面接触强度验算
许用接触应力
最大接触应力
合格
5.轮齿弯曲疲劳强度验算
轮齿弯曲疲劳极限查《机械设计手册》表9-1，得
弯曲疲劳最小安全系数
许用弯曲疲劳应力
轮齿最大弯曲应力
6.温度计算
传动啮合效率
轴承效率
搅油效率
总效率
散热面积
箱体工作温度
°
（中等通风，取）合格
7.精度等级公差和表面粗糙度的确定
考虑到所设计的蜗杆传动时动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089-1988圆柱蜗杆、涡轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f,标注为8fGB/T10089-1988。
查《机械设计手册》，得蜗杆齿面粗造度
蜗轮齿面粗造度
8.润滑油粘度和润滑方式
由，查表得粘度
润滑方式为浸油润滑
参数
涡轮
图如下
图3-1
第四章轴的设计
本章中的设计包括轴的尺寸和形状设计，轴的校核以及与轴配合的联轴器、键和轴承的选择。
4.1涡杆轴的计算
4.1.1轴上的功率、转速和转矩
由第二章相关数据得
蜗杆数据为
涡轮数据为
则
4.1.2初步确定轴的最小直径
根据课本表15-3，取,于是有
联轴器的计算转矩，查课本表14-1，取
再结合电动机的轴，查《机械设计手册》，选用LX2型弹性柱销联轴器，其公称转矩为。
半联轴器的孔径为，长度为。
4.1.3轴的结构设计
轴的尺寸和结构如图所示
图4-1
1.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
为了使轴的直径与联轴器的孔径相适应，所以取1—2段的轴径；为了满足半联轴器的轴向定位要求，1—2轴段左端需制出一轴肩，故取2—3段的直径为；半联轴器与轴配合的毂孔长度，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故1—2段的长度应比略短一些，现取。
2.初步选择滚动轴承
因轴承同时受有径向力和轴向力作用，故选用单列圆锥滚子轴承。
根据工作要求，并根据，查《课程设计手册》表6—7初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30208，其尺寸为，故取；而
3.滚动轴承采用轴肩进行轴向定位
由表6—7还可以查出：
，所以取
因此：
轴段4—5与轴段5—6成为一个轴段；
轴段9—10与轴段10—11成为一个轴段。
4.计算蜗杆齿宽
由《机械设计》教材表11—4可查得：
当，时，的计算公式为：
和中值较大者。
通过计算分别得：
；
。
所以应选，现取
即
5.初步设计箱体尺寸
由《课程设计手册》表11—1可得箱座壁厚，箱盖壁厚，蜗轮外圆与内箱壁距离；它们分别为：
；
由于圆周速度小于，所以蜗杆在下，于是：
；
，
故取。
根据结构要求，轴承端盖应选用凸缘式轴承盖。
查《课程设计手册》表11—10可得：
螺钉直径，螺钉数为：
4；
根据轴承盖的结构设计，先取
由图可看出，箱体总长度为：
代入数据得：
从而可得：
。
6.由上一步可知，轴承端盖的总宽度为：
。
根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器左端面间的距离
故取
至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。
图4-2
确定轴上圆角和倒角尺寸
查《机械设计》教材表15—2，可得各轴间处的圆角半径以及轴端倒角。
（如图4—2）
轴左端倒角为1.6
轴右端倒角为1.0
2、3截面处的圆角为1.2
4、9截面处的圆角为1.6
df1=37.88mm
b2=55mm
t=58
dmin=12.6mm
T=18590N.mm
b1=75mm
计算与说明
主要结果
4.1.4求轴上的载荷
根据上图和有关数据，可求得各支反力和各面的力矩以及合成后的力矩，列表如下
载荷
水平面H
垂直面V
支反力
弯矩M
总弯矩
扭矩
4.1.5按弯扭合成应力校核轴的强度
进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度。
根据上表中的数据，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
因为，，故安全。
4.1.6精确校核轴的疲劳强度
1.判断危险截面。
截面、2、3、只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕地确定的，所以截面、2、3、均无需校核。
从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面4和9处轴肩及过度配合引起的应力集中最严重；从受载情况来看，截面上的应力最大。
截面9的应力集中影响和截面4的相近，但截面9不受扭矩作用，故不必做强度校核。
截面上虽然应力最大，但应力集中不大，而且这里轴的直径最大，故截面也不必校核。
截面6和7显然更不必校核。
因此该轴只需校核截面4左右两侧既可。
2.截面4左侧。
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面4左侧的弯矩为：
3.截面4上的扭矩为：
于是得截面上的弯曲应力为：
截面上的扭转切应力为：
轴的材料为45钢，调质处理。
由《机械设计》教材表15—1可查得。
截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按教材附表3—2查取。
因，；
经插值后可查得
又由附图3—1可得轴的材料的敏性系数为：
，；
故有效应力集中系数按《机械设计》教材式（附3—4）为
由《机械设计》教材附图3—2得尺寸系数；由附图3—3得扭转尺寸系数。
轴按精车加工，由〈〈机械设计〉〉教材附图3—4得表面质量系数为
轴未经表面强化处理，即，则按教材中式（3—12）及（3—12）可得综合系数值为：
又由〈〈机械设计〉〉教材3—1及3—2得碳钢
于是，计算安全系数值，按教材式（15—6）—（15—8）则得
故知其安全。
4.截面4右侧。
抗弯截面系数为：
抗扭截面系数为：
弯矩及弯曲应力为：
扭矩及扭转切应力为：
由教材表3—2查得，，
又由附图3—1可得轴的材料的敏性系数为：
，
于是，有效应力集中系数与4左侧相同。
即：
，
由《机械设计》教材附图3—2得尺寸系数
由附图3—3得扭转尺寸系数
由附图3—4得表面质量系数为
轴未经表面强化处理，即，则按教材中式（3—12）及（3—12）得综合系数值为：
所以轴在截面4右侧的安全系数为：
故该轴在截面4右侧的强度也是足够的。
4.2涡轮轴的计算
4.2.1轴上的功率、转速和转矩
由第二章相关数据得
大齿轮数据为
则
4.2.2初步确定轴的最小直径
根据课本表15-3，取,于是有
联轴器的计算转矩，查课本表14-1，取
再结合电动机的轴，查《机械设计手册》，选用LX4型弹性柱销联轴器，其公称转矩为。
半联轴器的孔径为，长度为，半联轴器与轴配合的毂孔长度。
4.2.3轴的结构设计
拟定轴上零件的装配方案
拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。
所为装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。
该装配方案是：
右端轴承、轴承端盖、半联轴器依次从轴的右端向左安装，左端只装轴承及其端盖。
（轴的结构简图如图4—3所示）
图4-3
4.2.4轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1.为了使轴的直径与联轴器的孔径相适应，所以取1—2段的轴径；为了满足半联轴器的轴向定位要求，1—2轴段左端需制出一轴肩，故取2—3段的直径为；半联轴器与轴配合的毂孔长度，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故1—2段的长度应比略短一些，现取。
2.初步选择滚动轴承。
因轴承同时受有径向力和轴向力作用，故选用单列圆锥滚子轴承。
根据工作要求，并根据，查《课程设计手册》表6—7初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30212，其尺寸为
故取；而
滚动轴承采用轴肩进行轴向定位，由表6—7还可以查出：
3.计算蜗轮齿宽。
由公式，可得
因此取
4.为了使蜗轮不发生轴向上的移动，应使轴段4-5的长度略小于蜗轮齿宽。
因此取；
根据结构设计要求，取轴肩。
为使蜗轮两侧面距箱体内壁的距离相等，
由结构设计要求，轴承端盖的总宽度取为：
。
根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器左端面间的距离
故取
至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。
5.确定轴上圆角和倒角尺寸
查《机械设计》教材表15—2，可得各轴间处的圆角半径以及轴端倒角。
（如图4-3）
轴左端倒角为2.0
轴右端倒角为1.6
2、3、4、5、6截面处的圆角都为2.0
4.2.5求轴上的载荷
M=4403.3N.mm
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