机械设计基础课程设计指导书.docx
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《机械设计基础》
课程设计指导书
前 言
本书是根据工科院校机械类专业《机械设计基础》教学大纲编写的。
可作为工科院校机械类、机电结合类专业《机械设计基础课程设计》课程的教学用书，也可供有关专业师生和工程技术人员参考。
本书以齿轮减速器及以齿轮减速器为主体的一般机械传动装置的设计过程为例，按照课程设计的一般步骤，对课程设计从准备到编写设计计算说明书与准备答辩的全过程，逐一作了具体、扼要的阐述，并注意讲清楚设计中各个阶段的设计思想及设计方法，注意设计思路和方法的引导，启迪学生在融汇贯通的基础上进行设计。
针对目前课程教学中的薄弱环节及设计中易出现的错误，除加强了结构设计方面的内容外，还用大量的图例，采用正误对照的形式，表达设计中常见的错误结构，使学生在设计中少走弯路。
学生使用本书经教师适当指导就能独立完成课程设计。
本书将设计指导书、参考图例、有关标准规范和设计资料及设计题目等有机地结合起来编成一本书，使本书内容更加完整、系统、适用，既便于教学使用，又能减轻学校和学生的负担。
本书采用了最新国家标准、规范和设计资料。
为了缩减篇幅和便于使用，书中摘录的标准和规范都根据常用的参数范围进行了精心压缩和编排。
2
目 录
前 言 2
目 录 3
第一章 概 述 5
第一节机械设计基础课程设计的目的 5
第二节机械设计基础课程设计的内容 5
第三节机械设计基础课程设计的一般步骤 5
第四节 机械设计基础课程设计的要求和注意事项 6
第二章 设计题目 8
第一节 机械设计基础课程设计任务书 8
第二节 设计工作量和进度安排 13
第三章 机械传动装置的总体设计 14
第一节 分析和拟定传动方案 14
第二节 选择电动机 15
第三节 总传动比的计算与分配 17
第四节 传动装置的运动和动力参数计算 19
第五节 传动装置的总体设计示例 21
第四章 传动零件的设计计算 25
第一节 减速器外传动零件的设计 25
第二节 减速器内传动零件的设计 25
第五章 减速器的结构与润滑 27
第一节 减速器的结构 27
第二节 减速器的箱体结构 28
第三节 滚动轴承组件的结构设计 41
第四节 减速器的润滑与密封 46
第五节 减速器附件的结构设计 61
第六章 装配图的设计及绘制 70
第一节 装配图设计的准备 70
第二节 装配草图的设计及绘制 88
第三节 装配草图的检查和修改 110
第四节 完成减速器装配图 116
第七章 零件工作图的设计与绘制 124
第一节 轴类零件工作图的设计及绘制 124
第二节 齿轮类零件工作图的设计与绘制 131
第三节 铸造箱体工作图的设计及绘制 140
第八章 编制设计计算说明书与准备答辩 149
第一节 设计计算说明书的要求 149
第二节 设计计算说明书内容与格式 150
第三节 准 备 答 辩 151
第九章计算机辅助课程设计 155
第十章 机械设计常用数据、标准和规范 156
第一节 常用数据和一般标准 156
第二节材料 166
第三节 联接与紧固 172
第四节键、销联接 192
第五节滚动轴承 194
第六节 联 轴 器 208
第七节润滑与密封 217
第八节公差配合与表面粗糙度 225
第九节 渐开线圆柱齿轮精度（摘自GBl0095—88） 235
第十节锥齿轮和准双曲面齿轮精度 242
第十一节 圆柱蜗杆、蜗轮精度 246
第十二节 电动机 251
主要参考书目 255
第一章 概 述
第一节机械设计基础课程设计的目的
机械设计基础课程设计是学生学习机械设计基础课程后进行的一项综合训练。
其主要目的是：
①通过课程设计，可以巩固、加深机拭设计基础及有关课程的知识，提高学生综合运用这些知识去分析和解决问题的能力；
②学习和掌握通用机械零部件、机械传动及一般机械设计的基本方法与步骤，为今后学习专业技术知识打下必要的基础；
③提高学生运用设计资料、国家标准、规范去解决设计问题的能力；
④提高学生在机械设计中运用计算机的能力。
第二节机械设计基础课程设计的内容
机械设计基础课程设计一般选择由本课程所学过的大部分通用机械零件所组成的机械传动装置或简单机械作为设计题目。
而减速器包含齿轮、铀、轴承、键、联轴器、及箱体等零件，包括了本课程的主要内容，选择减速器进行设计可以使学生得到较全面的基本训练。
故目前主要采用以减速器为主体的机械传动装置作为设计内容。
设计的主要内容包括：
①拟定和分析传动方案；
②选择原动机、计算总传动比及分配各级传动比、计算传动装置运动、动力参数；
③传动件的设计；
④轴的设计及键联接的选择与校核；
⑤轴承及其组合部件的设计、联轴器的选择；
⑥箱体及附件的设计；
⑦润滑和密封的设计；
⑧装配图和零件图的设计与绘制；
⑨设计说明书的编写。
7
第三节机械设计基础课程设计的一般步骤
机械设计基础课程设计与其他机械设计—样，从传动方案的分析开始，通过设计计算和结构的设计，最后以图纸和设计说明书表达设计结果。
在设计过程中，由于在拟订传动方案和设计计算及结构设计时，有—些初选参数或初估尺寸、经验数据等，因此，随着设计的深入，一些开始时没有出现的问题逐渐暴露出来，这就需要设计时“边计算、边绘图、边修改”，设计计算与结构设计绘图交替进行。
机械设计基础课程设计大体按以下几个阶段进行。
1.设计准备
①研究设计任务书，明确设计任务和要求，了解原始数据和工作条件；②通过参观模型、实物、观看录象片、参阅设计资料等来了解设计对象；③拟订设计进度。
2.传动装置的总体设计
①分析或拟定传动方案及传动装置的运动简图；②选择电动机；③计算传动装置的总传动比和分配各级传动比；④计算各轴的转速、功率、转矩。
3.各级传动的主体设计
设计计算带传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动等的主要参数和尺寸。
４．装配草图的设计和绘制
①初绘装配草图；②选择联轴器进行轴的结构设计；③校核铀、键强度及轴承寿命；④完成装配草图，并进行检查和修正。
5.装配工作图的绘制和总成
①绘制装配图；②标注尺寸、配合及零件序号；③编写零件明细表、标题栏、技术特性及技术要求。
6.零件工作图绘制
7.设计说明书的编写
8.设计总结和答辩
第四节 机械设计基础课程设计的要求和注意事项
机械设计基础课程设计是学生第一次进行比较全面的综合训练。
在设计过程中必须严肃认真、刻苦钻研、一丝不苟、精益求精，还要积极思考，主动提问，及时向指导教师汇报情况。
并注意处理好以下几个问题，才能在设计思想、设计方法和技能上
都获得比较大的锻炼和提高：
①参考和创新的关系。
设计是一项复杂、细致的工作，任何设计都不可能是设计者脱离前人长期经验积累的资料而凭空想象出来。
熟悉和利用已有的资料，既可避免许多重复工作，加快设计进程，同时也是提高设计质量的重要保证。
善于掌握和使用各种资料正是设计工作能力的重要体现。
然而，任何新的设计任务总是有其特定的设计要求和具体的工作条件，因而在设计时不可盲目、机械地抄袭资料，而应具体地分析，吸收新的技术成果创造性地进行设计。
②课程设计应是在教师指导下由学生独立完成。
教师的主导作用在于指明设计思路、启发学生独立思考，解答疑难问题，并按设计进度进行阶段审查。
学生必须发挥自己的主观能动性，积极主动地思考问题、分析问题、解决问题，而不应过分地依赖教师的作用，避免“知其然，不知其所以然”。
③标准和规范的采用。
设计中采用标准和规范，有利于零件的互换性和加工工艺，可以收到良好的经济效益；也可减轻设计工作量，节省没计时间，也是评价设计质量的指标之一。
因此，设计时要严格遵守和执行国家标难。
如带轮的直径和长度、齿轮的模数、轴承的尺寸等应取标准值。
为了制造、测量和安装的方便，—些非标准件的尺寸应尽量圆整成标准数列或选用优先数列，如轴的各段直径的选取。
④计算和结构要求的关系。
设计时的设计计算只是提供一个零件的最小尺寸或提供一个方面的依据，还应根据结构和工艺的要求确定尺寸，然后再校核强度，或者直接根据经验公式计算尺寸。
⑤学生应在教师的指导下制订好设订的进度，并按计划保质保量地完成任务。
避免“前松后紧”以至后来时间太紧而无法完成任务。
第二章 设计题目
第一节 机械设计基础课程设计任务书
一、设计任务书格式
课程设计的题目应以设计任务书的形式下达给学生。
课程设计的任务书应主要包括：
设计题目、原始数据、工作条件和设计工作量等，其格式见样本；
二、设计题目选列
题目
（一）设计带式输送机中的传动装置中的一级直齿圆柱齿轮减速器运动简图
原始数据
已知条件
题号
11
12
13
14
15
输送带拉力F/N
5000
6000
7000
8000
8000
输送带速度
V/（m/s）
1.3
1.35
1.5
1.4
1.45
滚筒直径D/mm
280
270
300
260
290
工作条件：
输送机连续工作，单向提升，载荷平稳，两班制工作，使用年限10年，输送带速度允许误差为土5％。
74
题目
（二） 设计带式输送机中的传动装置一级直齿圆柱齿轮减速器。
运动简图
原始数据
已知条件
题号
21
22
23
24
输送带拉力F/N
3200
3000
2800
2000
输送带速度V/（m/s）
1.7
1.7
1.7
1.2
滚筒直径D/mm
600
600
400
400
工作条件：
传动不逆转，载荷平稳，起动载荷为名义载荷的１．25倍，输送带速度允许误差为土5％。
两班制工作，工作年限10年。
题目（三）设计皮带式输送机传动装置中的一级斜齿圆柱齿轮减速器。
运动简图
原始数据
已知条件
题号
31
32
33
34
输送带拉力F/N
3000
3400
4000
4200
滚筒直径D/mm
350
300
400
380
卷筒转速n/（r/min）
60
60
40
40
工作条件：
单向转动，轻微振动，连续工作，两班制，使用期限5年，卷筒转速允许误差为土5％。
题目（四） 设计链式输送机传动装置中的一级圆锥齿轮减速器。
运动筒图
原始数据
已知条件
题号
41
42
43
44
输送带拉力F/N
2100
2400
2700
3200
输送带速度V/（m/s）
0.7
0.8
0.9
0.9
滚筒直径D/mm
100
125
150
140
工作条件：
单向运转，载荷平稳，工作时定期停车，每天工作16小时，减速器工作寿命不低于１０年，输送链速度允许误差为土5％。
题目（五）设计带式输送机传动装置中的一级蜗杆减速器。
运动简图
原始数据
已知条件
题号
51
52
53
54
输送带拉力F/N
2000
2200
2500
4100
输送带速度V/（m/s）
0.8
0.9
1.0
0.85
滚筒直径D/mm
350
320
300
380
工作条件：
单向运转，连续工作，空载起动，载荷平稳，三班制工作，减速器工作寿命不低于10年，输送带速度允许误差土５％。
第二节 设计工作量和进度安排
要求每个学生应完成以下工作量：
1.装配图一张。
用A2图纸绘制，用三个视图来表示；
2.零件图一张（主动轮）；
3.设计说明书一份（提交电子文档及纸质文档各一份，电子文档的命名：
题号_学号
_姓名）。
4.课程设计完成后，进行总结和答辩（每个小组安排1个同学汇报设计工作，时长
15分钟，答辩时间9月25号）。
设计进度的安排应在教师的指导下进行。
序号
内容
时间（天）
1
拟定和分析传动方案
0.5
2
传动方案的总体设计
0.5
3
传动件的设计
1
4
轴的设计及键的选择校核
1
5
轴承及组合部件的设计、联轴器的选择
1
6
箱体及附件的设计
0.25
7
润滑和密封的设计
0.25
8
装配图和零件图的设计与绘制
4
9
设计说明书的编写
0.5
10
答辩
1
第三章 机械传动装置的总体设计
传动装置的总体设计，主要是分析和拟定传动方案，选择电动机型号，计算总传动比和分配各级传动比，计算传动装置的运动和动力参数，为设计传动件和装配草图提供依据。
第一节 分析和拟定传动方案
机器通常由原动机、传动装置和工作装置三部分组成。
传动装置用来传递原动机的运动和动力、变换其运动形式以满足工作装置的需要，是机器的重要组成部分。
传动装置的传功方案是否合理将直接影响机器的工作性能、重量和成本。
满足工作装置的需要是拟定传动方案的最基本要求．同一种运动可以由几种不同的传动方案来实现，这就需要把几种传动方案的优缺点加以分析比较，从而选择出最符合实际情况的一种方案。
合理的传动方案除了满足工作装置的功能外，还要求结构简单、制造方便、成本低廉、传动效率高和使用维护方便。
如图3—1所示为皮带输送机的四种传动方案。
现分析比较如下：
方案（c）的结构紧凑，但在长期连续运转的条件下，由于蜗杆的传功效率低，其功率损失较大，方案（d）的宽度尺寸较方案（b）小、但锥齿轮的加工比圆柱齿轮困难，方案（a）的宽度和长度尺寸都比较大，且带传动不适应繁重的工作条件和恶劣的环境，但带传动有过载保护的优点，还可以缓和冲击和振动，因此这种方案也得到广泛应用。
拟定一个合理的传动方案，除了应综合考虑工作装置的载荷、运动及机器的其他要求外，还应熟悉各种传动机构的特点，以便选择一个合适的传动机构。
下面几点内容供
选择传动机构时参考。
①带传动承载能力较低．在传递相同转矩时，结构尺寸较其他形式大，但传动平稳，能缓冲吸振，宜布置在传动系统的高速级，以降低传递的转矩，减小带传动的结构尺寸。
②链传动传动平稳性差，宣布置在低速级。
③斜齿轮传动较直齿轮传动平稳，相对应用于高速级。
④锥齿轮的加工比较困难，一般宜置于高速级，以减小其直径和模数。
⑤蜗杆传动大多用于传动比人而功率不大的情况下，其承载能力较齿轮传动低，宜布置在传动的高速级，以获得较小的结构尺寸。
⑥开式传动因工作条件差，润滑不良，一般应布置在低速级。
⑦在一般情况下，总是将改变运动形式的机构（如连杆机构、凸轮机构等）布置在传动系统的末端。
第二节 选择电动机
电动机是最常用的原动机，具有结构简单、工作可靠、控制简便和维护容易等优点。
电动机的选择主要包括选择其类型和结构型式、容量（功率）和转速、确定具体型号。
一、类型和结构的选探
电动机已经系列化、标准化，在设计时应根据工作载荷（大小、持性和变化情况）、工作要求（转速高低、调速要求、起动和反转的频繁程度）、工作环境（尘上、油、高温及爆炸气体等）、安装要求及尺寸重量的持殊限制等条件进行选择。
工业上广泛应用三相交流电动机，尤以三相鼠笼型异步电动机应用最多，其中Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型异步电动机广泛应用于输送机、搅拌机等。
煤矿井下及其他有易燃易爆气体的场合应选用防爆电功机，如YB系列电动机。
Y系列、YB系列电动机的技术数据见表10—
110∽表10—113。
4、设计链式输送机传动装置中的一级圆锥齿轮减速器
设计链式输送机传动装置中的一级圆锥齿轮减速器的运动简图（图4）。
图4 设计链式输送机传动装置中的一级圆锥齿轮减速器的运动简图
表4 设计链式输送机传动装置中的一级圆锥齿轮减速器的原始数据
已知条件
题号
4-1
4-2
4-3
4-4
4-5
4-6
4-7
4-8
输送带拉力F/N
2200
2600
2800
3100
2400
2900
2800
2300
输送带速度V/（m/s）
0.75
0.85
0.95
1
0.85
0.75
0.8
0.95
滚筒直径D/mm
135
130
155
165
155
140
135
145
工作条件：
单向运转，载荷平稳，工作时定期停车，每天工作16小时，减速器工作寿命不低于10年，输送链速度允许误差为±5％。
二、确定电动机的功率
电动机的功率主要根据工作装置的功率来确定。
工作装置的功率根据工作阻力和速度确定，即：
h
p
=FwVww 1000
w
或 =TWnww 9550
h
P
w
——工作装置的阻力，N，
一工作装置的线速度，m／ｓ
——工作装置的效率；
——工作装置的转矩，N·m。
——工作装置的转速，r／min。
电动机所需的输出功率：
其中为出电动机到工作装置的传动装置总效率，可按下式汁算
式中 为传动装置中各零部件的效率。
机械传动装置的效率见表10－1。
计算传动装置的效率时要注意以下几点：
①轴承效率通常指一对轴承而言；
②推荐的效率一般有个范围，当工作条件差、加工精度低、维护不良时应取较低值，反之应取较高值。
电动机的额定功率应等于或略大于电动机所需的输出功率，以使电动机工作时不会过热。
通常按Ｐm＝（1—1．3）Po来确定。
三、电动机转速的确定
额定功率相同的电动机有四种同步转速可供选用。
电动机的转速越高，则磁极越少，尺寸及重量越小，价格也越低；但电动机的转速较高，也引起传动装置的尺寸和重量增大，使成本增加。
因此，一般情况下，宜选用１０００r／min、l500r／min较合适。
选择出电动机后将其主要参数和尺寸填入表3—1中。
表３－１ 电动机数据
电动机型号
额定功率
Pmkw
同步转速
n r/min
满载转速
nw
r/min
电动机总重
／Ｎ
外伸轴径
／ｍ
ｍ
轴中心高
／ｍ
ｍ
传动装置的设计功率，对于专用装置，通常按电动机的实际输出功率Ｐｏ来计算；对于通用传动装置，则按电动机的额定功率Ｐｍ来计算。
而转速则按电动机额定功率时满载转速ｎｗ来计算。
第三节 总传动比的计算与分配
一、总传动比的计算
电动机确定后，根据电动机的满载转速ｎｍ和工作装置的转速ｎｗ，就可十算传动
装置的总传动比，即i=nm，对于起重绞车相信式输送机， 。
传动
nw
比较大时通常采用多级传动，若传动装置由多级串联而成，则必须使各级传动比的乘积和总传动比相等。
二、总传动比的分配
总传动比的分配是个比较重要的问题。
它将影响到传动装置的外廓尺寸、重量、润滑等许多问题。
具体分配时应考虑下面的问题：
①各级传动的传动比最好在其范围内选取，各种传动装置的传动比范围见表3—2所示；
②应使各级传动的结构尺寸协调、匀称及利于安装，防止相互干涉，在有带传动的传动装置中，为防止大带轮和底架相碰，通常的办法是使带传动的传动比小于齿轮传动的传动比，即ib③应使传动装置的外廓尺寸尽可能紧凑；
④在卧式齿轮减速器中，应使各级大齿轮的直径相近，便于齿轮浸油润滑，由于低速级的圆周速度较低，大齿轮直径可稍大些；
注：
１．行星齿轮机构未列入本表，需要时可查阅机械设计手册。
２．传递连续回转运动，还可采用双曲柄机构（一般为不等角速度）和万向联
轴器（传递相交轴运动）。
⑤传动级数较多时，按“前小后大”的原则，即从高速轴到低速轴的传动比依次增大，这样可使中间轴具有较高的转速和较小的转矩，从而可以减小其尺寸和重量；
⑥传动装置的精确传动比在传动件的参数（齿轮、带轮的直径）确定后计算出来，这时应验算工作装置的转速是否在允许的误差范围内，如误差较大，则应重新调整所分配的传动比。
此外，对非标准减速器，在分配各级传功比时可参考下面的内容：
对于带传动一单级齿轮传动系统，总传动比i=ib´ig，一般应使ib否则大带轮
直径过大，整个传动系统结构不紧凑，不便于安装。
对于展开式二级齿轮减速器，欲使高速级和低速级的大齿轮的浸油深度大致相等，
应使两个大齿轮的直径相近，一般as＞af （as和af分别是低速级和高速级的中心距），
故必须使if＞is（if和is分别是高速级和低速级的传动比），通常取if＝（1．2一１．3）
is。
传动装置的精确传动比与传动件参数（如齿轮、带轮直径等）有关，故传动件参数确定后，应验算工作装置主动铀的实际转速是否在允许范围内，对于转速要求不太严格的工作机构，其转速误差允许在土3％一5％的范围内。
否则应更新分配传动比。
第四节 传动装置的运动和动力参数计算
传动装置的运动和动力参数是指各轴的转速、功率和转矩，这些参数是设计传动零件（齿轮和带轮）和轴时所必需的已知条件。
计算这些参数时，可以按从高速轴到低速轴的顺序进行。
下面以图3—2所示的二级圆柱减速器为例说明计算的方法。
设
一、各轴的转速
二、各轴的功率
三、各轴的转矩
需要指出的是，设汁通用减速器时，设计功率取电动机的额定功率Pｍ，如设计专用减速器时，应将式个的Ｐｍ换为Ｐｏ。
最后，将计算的结果填入下表，供设计传动零件时用。
第五节 传动装置的总体设计示例
图2—1为—带式输送机的传动装置的运动简图，已知输送带的有效拉力Fｗ＝3000N，输送带速度Ｖｗ＝１４m／s，滚筒直径Ｄ＝400mm，连续工作，载荷平稳，单向运转，按所给运动简图和条件，试求：
①选择合适的电动机；
②计算传动装置的总传动比，并分配各级传动比；
②计算传动装置的运动参数和动力参数。
解1．选择电动机
（1）选择电动机类型
按工作要求和条件选取Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电动机。
（2）选择电动机容量
工作机所需的功率
其中，带式输送机的效率 （查表10—1）
电动机的输出功率
其中 为电动机至滚筒主动轴传动装置的总效率，包括V带传动、一对齿轮传动、两对滚动轴承及联轴器等的效率， 值计算如下：
由表１０—1查得v带传动效率 ，一对齿轮传动效率 ，一对滚动球轴承效率，联轴器效率，因此
所以：
根据Po选取电动机的额定功率Pｍ使Pｍ＝（1—1．3）Po＝５．05—6．565kW，并由表１０—１１０查得电动机的额定功率为Pｍ＝5．5kw。
（3）选择电动机的转速
先计算工作装置主轴的转速，也就是滚筒的转速，
根据表3—l确定传动比的范围，取V带传动比ib=2-4，单级圆柱齿轮传动比
ig=3
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