卷扬机行星齿轮减速器的设计.docx
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卷扬机行星齿轮减速器的设计
卷扬机行星齿轮减速器设计
规格
型号
外层钢丝绳静张力
（KN）
容绳量
（m）
钢丝绳
传
动
比
电动机
*
参考重量（kN）
外形尺寸
（mm）
外层速度
（m/s）
绳径（mm）
~
型号
功率
（kW）
转速
（r/min）
JD-25
25
、
400
20
YBJ-40
40
1480
·
1794×2620×1615
绞车，用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称卷扬机，可单独使用，也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、移置方便而广泛应用。
本次设计旨在以单卷筒行星齿轮传动调度绞车为依托，采用新的设计方法――三维实体设计来完成产品的设计。
三维实体设计（实体造型）是近年来发展起来的一种先进的设计方法，与传统设计方法相比较有许多优越性。
长期以来，传统的设计方法由于受到技术手段的限制，不得不放弃用直观感强的立体图来表达产品，而是遵循着一种工作量大、设计周期长的方式进行设计：
三维构思-------平面图形---------三维产品，不仅使原本直观的立体抽象化了，而且耗费了大量的精力和时间。
因为在这样一个抽象思维和想象的环境中，既不符合由形象思维到抽象思维的认知规律，又不利于培养空间想象能力和创新设计能力。
而三
维实体设计（实体造型）弥补了传统设计法的这种缺陷，在二维和三维空间中架起一座桥梁，让我们在三维空间中直接认知和感知三维实体，更加充分地发展和提高了设计师的空间想象能力及创新能力，为先进产品的开发提供了广阔而优越的设计平台。
本设计是应用以参数化为基础的CAD/CAE/CAM集成软件Pro/ENGINEER进行三维实体造型，来完成产品的零件、部件设计和整机的装配。
其最大的优点在于大大减少了设计师的工作量，从而加速了机械设计的过程。
另外，还可以对产品进行优化，使其结构更加合理，性能更加良好。
第一章 方案评述
绞车有手动、内燃机和电动机驱动几类。
①手动绞车的手柄回转的传动机构上装有停止器（棘轮和棘爪），可使重物保持在需要的位置。
装配或提升重物的手动绞车还应设置安全手柄和制动器。
手动绞车一般用在起重量小、设施条件较差或无电源的地方。
②内燃机驱动的绞车，在卷筒与内燃机之间装有离合器。
当离合器和卷筒轴上的制动器松开后，卷筒上的绳索处于无载状态 ，此时绳索一端可从卷筒上自由地拽出，以缩短再次提拉物件时的挂绳时间。
内燃机须在无载情况下启动，离合器能将卷筒与内燃机脱开，待启动正常后再使离合器接合而驱动卷筒。
内燃机驱动的绞车常用于户外需要经常移动的作业，或缺乏电源的场所。
③电动调度绞车广泛用于工作繁重和需牵引力较大的场所。
根据工作环境的不同，可选用防爆型或非防爆型电动机为动力源。
单卷筒电动绞车的电动机经减速器带动卷筒，电动机与减速器输入之间装有制动器。
为适应提升、牵引 、回转等作业的需要，还有双卷筒和多卷筒装置的绞车。
根据传动形式的不同，绞车可分为苏式多级内齿行星齿轮传动调度绞车、摆线针轮传动调度绞车、蜗轮-蜗杆传动回柱绞车和少差齿回柱和调度绞车等。
对于单滚筒行星齿轮传动调度绞车，其具有成本低，效率较高，重量轻，结构简单，易于维修和保养等优点。
本次设计的绞车用于矿井中井底车场、中间巷道、采区运输巷及掘进头等场合调度矿车，或用于矿山地面、冶金矿物或建筑工地的地面调度和搬运工作。
根据实际工作要求，采用行星齿轮传动，传动简图如下：
第二章计算参数的确定
第一节 电动机的选择
一、类型的选择
该绞车用于矿井中井底车场、中间巷道、采取运输巷及掘进头等场合调度矿车，矿井中含有沼气与煤尘等爆炸性气体，相对湿度在97%以内，周围介质温度不超过35℃，须选用YB系列防爆电机。
当用于矿山地面、冶金矿物或建筑工地的地面调度和搬运工作，要求环境湿度在80%以下，周围介质温度不超过40℃，且空气中不得含有沼气等爆炸性及具有腐蚀作用的气体，可选用非防爆电机。
二、容量选择
电机计算功率：
，其中起重量F=10KN,绳速v=26m/min=s（按满载时算）。
由电动机到滚筒的传动总效率为：
其中、、分别为轴承、齿轮传动和滚筒的传动效率，由［４］P3选=（脂润滑，均按球轴承计算）,=（8级精度的一般齿轮传动，脂润滑）,=
，则,
选额定功率=15kW（――连续工作制）。
三、确定电动机转速
由［3］表１推荐的传动比合理范围，且由简图知其经过两对圆柱齿轮减速传动，再经行星轮传动（在满载时，制动器A放松，B制动）,故总传动比的合理范围是：
=（2～6）×（2～6）×（3～9）=27～324
滚筒轴的工作转速为（粗取滚筒直径为250mm）：
n=r/min
则电动机转速的可选范围是：
=（27～324）×=885～10627r/min
由容量和电机转速，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、和价格等，根据[7]选定电动机为YB系列,方案比较见表-1：
表-1
型号 额定功率（kW） 额定转速（r/min） 效率（%） 重量（kg）
YB160M2-2 15 2930 149
YB160L-4 15 1460 166
YB180L-6 15 970 215
经比较，选电动机型号为YB160L-4，其主要外形和安装尺寸见表-2：
表-2
参数 A AB B C E H N P HD AD AC L
尺寸 254 330 254 108 110 350 275 325 530 240 325 695
第二节传动比的确定和分配
计算和说明 计算结果
一、计算总传动比
电动机满载转速=1460r/min,
总传动比：
二、分配传动装置的传动比
其中、、分别为两对齿轮、行星轮的传动比。
初步取==,则行星轮的传动比为：
=
=1460r/min
=
第三节 传动装置的运动和动力参数计算
一 、轴转速计算
Ⅰ轴：
==1460r/min
Ⅱ轴：
r/min
Ⅲ轴：
r/min
滚筒：
n=r/min
二、功率计算
（一）各轴输入功率
I轴：
=
Ⅱ轴：
Ⅲ轴：
滚筒：
P=
（二）各轴输出功率
Ⅰ轴：
=
Ⅱ轴：
Ⅲ轴：
滚筒：
=
三、转矩计算
（一）各轴输入转矩
电机输出转矩：
N•m
Ⅰ轴：
=N•m
Ⅱ轴：
N•m
Ⅲ轴:
N•m
滚筒：
T= N•m
（二）各轴输出转矩
Ⅰ轴：
= N•m
Ⅱ轴：
N•m
Ⅲ轴：
N•m
滚筒：
= N•m
=1460r/min
r/min
r/min
n=r/min
=
P=
=
=
N•m
=N•m
N•m
N•m
T=N•m
= N•m
N•m
N•m
= N•m
运动和动力参数计算结果见表-3。
表-3
轴号 功率（kW） 转矩（N•m） 转速（r/min） 传动比i 效率η
输入 输出 输入 输出
电动机 15 1460 1 η1=
Ⅰ轴 1460
η1=
η2=
Ⅱ轴
η1=
η2=
Ⅲ轴
η1=
η3=
滚筒
第三章传动零件的设计
第一节行星齿轮传动的设计
一、配齿及其校核
（一）配齿
1．行星轮传动比为：
⒉知该行星轮负载工作时，为NGW型行星齿轮传动，有[2]P198表10-4，修正配齿为：
=18，=60，=138
（二）校核
1.校核装配条件：
有[2]表10-3，选行星轮数目K=3，则：
（为整数），满足条件。
2.校核同心条件：
（138-18）=60=，满足。
3.校核邻接条件：
（取标准值）
>，满足条件。
4.校核滚筒转速：
实际传动比
滚筒实际转速r/min
滚筒转速的相对差值%<5%,满足要求。
二、外啮合齿轮传动的设计
（一） 设计计算
1. 选材料
中心轮a材料采用20CrMnTi,由[1]P211，表面淬火（承受中等冲击载荷），齿面硬度48-54HRC，行星齿轮c采用20Cr，表面淬火，硬度45-50HRC，传动采用8级精度。
计算和说明 计算结果
2.按接触强度设计
初算中心轮a的分度圆直径
式中：
k－载荷系数，初取k＝
T1－小齿轮转矩，
k＝•mm
T1= N•mm（没有均载机构，取载荷不均匀系数kc＝
Фd－齿宽系数，取Фd＝（硬齿面，非对称布置）
ZH－节点区域系数，由〔1〕P222图，取ZH＝
u－齿数比，u=，ZE－弹性系数，ZE＝
[]－许用接触应力，[]＝，由[5]P339有：
＝12HRC+550=12×（48～54）＋550＝1126～1198N/
中心轮a应力循环次数：
＝×
行星轮c的应力循环次数：
，由
＝min
60××15×300×5=×
寿命系数＝1（〔1〕P38，N>）,安全系数S=（较高可靠度）,则：
[]＝
＝～
齿轮模数：
mmm,取m=4mm
中心轮a分度圆直径：
行星轮c分度圆直径：
TaN•mm
kc＝
T1= N•mm
Фd＝
ZH＝
u=
ZE＝
×
×
[]＝
m=4mm
行星轮c齿宽：
，取
中心轮a齿宽：
（二）校核计算
1.按接触疲劳强度校核
，式中,由[1]P215表，使用情况系数，
由[1]P216图,动载荷系数
/b=×1323/40=mm<100N/mm
齿间载荷分配系数,（[1]P217表）
齿向载荷分布系数（[1]P218表，非对称布置，Фd＝，b=40mm,8级精度）
b/h=40/（4×=, （[1]P219图
＝×××=
=×××=
<[],安全.
2.按弯曲疲劳强度校核
[],式中k==
由[1]P229-230图、查的：
＝，＝，＝，＝
＝
＝
＝
＝
[]＝，由×，×得
寿命系数＝1，＝ （[1]P38式）
由[5]P339有 ＝+
＝×（48～54）＋
＝～
同上＝～723N/
安全系数S=（较高可靠度，[1]P225表
[]＝
[]＝
<[],安全。
×，×
＝1
＝
＝～
＝～723N/
[]＝～m┫
[]=～m┫
三、内啮合齿轮传动的设计
（一）确定材料及其相关参数
选内齿轮齿宽mm，选用ZG35,调质处理，硬度HB200～250。
（二）校核计算
1.按接触疲劳强度校核
接触，k=,由[1]P215表，使用情况系数＝
由[1]P216图,动载荷系数＝（圆周速度v=s）
u= ， /b=×1323/38=mm<100N/mm
齿间载荷分配系数＝，＝（[1]P217表）
齿向载荷分布系数＝（[1]P218表）
b/h=38/（4×=, =（[1]P219图
＝×××=
=×××=
[]＝，由[5]P339有：
＝+=×（200～250）＋
＝～384N/
寿命系数＝1（〔1〕P38，N>）,安全系数S=（较高可靠度）,则：
[]＝
<[],安全
2.按弯曲疲劳强度校核
[],式中k==
由[1]P229-230图、查的：
＝，＝，＝，＝
[]＝，由[5]P339有 ＝+175
＝×（200～250）+175
＝275～300N/
寿命系数＝1,安全系数S=（较高可靠度，[1]P225表
[]＝
<[],安全
＝
u=
＝
＝
＝
=
＝
=
＝～384N/
＝1
S=
k==
＝
＝
＝
＝
[]=172～
N/m┫
四、效率计算
行星齿轮传动的啮合效率
式中－转动机构的啮合损失系数，设转动机构的啮合效率为＝，则：
＝1－＝1－＝，||＝
＝％，合乎要求。
＝
＝
＝％
行星齿轮传动参数表
名称 单位 中心轮a 行星轮c 大内齿轮b
中心距a mm 156
模数m mm 4
齿数z 18 60 138
分度圆直径d mm 72 240 552
齿顶圆直径da mm 80 248 544
齿根圆直径df mm 62 230 562
齿宽b mm 42 40 38
第二节连轴齿轮3和小内齿轮4的传动设计
一、设计计算
（一）相关参数的确定
⒈由表-3知：
输入功率=，主动轮转速=min，主动轮3传递的转矩 =•m=×N•mm
⒉选齿轮材料及热处理方法
齿轮3用20CrMnTi,由[1]P211，渗碳淬火加低温回火，齿面硬度HRC56-62，齿轮4采用20Cr，HRC56-62。
（参照[5]附表）
⒊选齿宽系数Фd和齿轮精度
查[1]P222表，选Фd＝（硬齿面，非对称布置，直齿轮）
查[1]P207表，选8级精度（估计节点圆周速度<6m/s）。
⒋选齿轮齿数
=17（闭式硬齿面传动），，取=38
u=/=38/17=
（二）按齿根弯曲疲劳强度设计
式中系数=（查[1]232表，=）
齿形系数＝，＝（[1]229图）
应力修正系数＝，＝（[1]230图）
＝
弯曲许用应力（轮齿单向受力）
>
按齿轮3设计
┨
查[1]P206表， 选m=3mm（传递动力的齿轮）
则分度圆直径51mm
114mm
中心距
计算齿宽，取b=30mm，
圆周速度
二、校核计算
（一）校核齿根弯曲疲劳强度
使用系数（[1]P215表）
动载系数 =
齿向载荷分布系数（[1]P218表）
（由[5]P336）
齿间载荷分配系数，（[1]P217表）
6639N
重合度=
重合度系数
弯曲最小安全系数（[1]P225，一般可靠度）
应力循环次数
弯曲寿命系数
尺寸系数
齿根弯曲疲劳强度安全
（二）校核齿面接触疲劳强度
重合度系数（[1]P221式）
弹性系数（[1]P221表）
节点区域系数（[1]P222图）
接触最小安全系数（[1]P225，一般可靠度）
接触寿命系数（允许一定点蚀）
接触疲劳极限（[5]P339）
许用接触应力，齿面接触疲劳强度安全。
Фd＝
=17
=38
u=
=
＝
＝
＝
＝
m=3mm
51mm
114mm
b=30mm
6639N
齿轮3和齿轮4的传动参数表
名称 单位 小齿轮3 小内齿轮4
中心距a mm
模数m mm 3
齿数z 17 38
分度圆直径d mm 51 114
齿顶圆直径da mm 57 108
齿根圆直径df mm
齿宽b mm 35 30
第三节 主要传动轴的设计
一、行星齿轮传动之中心齿轮轴的设计
（一）受力分析
轴传递转矩：
N•m=× N•mm
齿轮分度圆直径：
d=72mm
齿轮上的圆周力：
齿轮上的径向力：
（有三个行星轮，径向力分布如图）
取载荷不均匀系数，
（二）轴的结构设计
1.按扭转强度估算轴的直径
轴受转矩作用，应满足dㄒc
轴的材料同齿轮，为20CrMnTi,σb=1100N/m┫;
σS=850N/m┫（[14]P113表6-2）
查[1]P314表，选许用扭转切应力[]=40～52N/m┫，系数c=106～98
dㄒ（106～98）×=～mm
轴上有单个键槽，d应增加3%，取d=34mm
取轴长l=100mm。
2.轴的弯矩计算
把两滚动轴承简化为铰支，各尺寸如图
轴只在垂直面受力，在水平面内不受力，作轴在垂直面的受力图及弯矩图。
轴承A、B的支反力为
对A点取矩，M=0,
（应力校正系数,扭转切应力按脉动循环变化，见P[1]315表）
从左端
从右端 B点弯矩
C点弯矩
（三）按弯矩校核轴的强度：
1.应根据来选择危险截面，由计算图可以看出，B截面危险。
故对B截面进行校核：
B截面的抗弯截面系数W=
满足强度要求。
2.疲劳强度安全系数校核
应根据和应力集中情况选择危险截面，可知B截面为危险截面，校核B截面。
抗弯截面系数
抗扭截面系数
弯矩扭矩
弯曲应力，（按对称循环变化）
扭转应力（按脉动循环变化）
查[1]P329附录表1，插值得有效应力集中系数，
查[1]P331附录表5，有表面状态系数
查[1]P331附录表6，得尺寸系数，
取寿命系数
查[1]P41表
等效系数
安全系数
查[1]P316，选[S]=，S>[S]，安全。
=× N•mm
d=72mm
=9806N
=3569N
=
=
=1071N
σb=1100N/m┫
σS=850N/m┫
[]=40～52N/m┫
c=106～98
d=34mm
l=100mm
=2039N
=-968N
=N•mm
=N•mm
N•mm
N•mm
N•mm
N•mm
W=
[S]=
二、行星齿轮轴的设计
采用双臂分开式行星架，行星轮轴固定于臂中，属固定心轴，验算弯曲强度，结构取等直径轴，d=30mm，L=75mm。
最大弯矩；危险剖面抗弯截面系数，材料选45钢，，按脉动循环处理，，安全。
第四节 主要轴承的选择
一、行星齿轮轴之轴承的选择
1.作用于轴承上的径向载荷R=2646N
作用于轴承上的当量动载荷，式中
冲击载荷系数=（中等冲击），X和Y为径向系数与轴向系数，由0知X=1，Y=0
2.取轴承预期寿命：
按五年计算
3.行星轮轴承的相对转速：
4.选深沟球轴承，计算额定动载荷
=11087N
选6306轴承，Cr=16630N，满足要求。
=
X=1
Y=0
C=11087N
Cr=16630N
二、中心齿轮轴之轴承的选择
1.该轴承受有连轴齿轮3和小内齿轮4传动产生的径向力，以及中心轮与行星轮传动产生的径向力，即
2.作用在轴承上的当量动载荷（其中=，X=1，Y=0，理由同上）
3.预期寿命：
4.轴承转速：
5.计算额定动载荷，选深沟球轴承
=N
选6312轴承，Cr=N,满足要求。
P=11925N
C=N
Cr=N
第五节 主要键联接的选择
一、行星齿轮架与滚筒间键联接的选择
采用普通圆头平键，取，L=60mm
为非标准件，采用双键。
1.校核强度
属于静联接，按挤压强度校核，由[1]P125（）式可知校核公式为
式中：
键联接所传递的转矩
键的工作长度
键的高度，配合直径
由[1]P126表得许用挤压应力（静联接，铸铁，冲击载荷）
，强度满足要求。
2.决定键与槽的配合，键槽表面粗糙度和键槽的对称度公差
查[4]P51，按一般联接对待，键与轴28N9/h9，键与毂28Js9/h9。
键槽表面粗糙度：
工作表面，一般联接，取
键槽的对称度公差：
一般联接，按7级精度决定对称度公差。
3.键槽的工作图
L=60mm
二、中心轮a与内齿轮4的键联接的选择
采用普通圆头平键，查[4]P51表4-1，由d=34mm，可知键的剖面尺寸为，参照轴长度l=100mm，取键长L=80mm（符合[4]P51表4-1长度系列）
键的标记为：
键
1.校核强度
属于静联接，校核挤压强度
其中：
键联接所传递的转矩
键的工作长度
键的高度，配合直径
由[1]P126表得许用挤压应力（静联接，钢，冲击载荷）
，强度满足要求。
2.决定键与槽的配合，键槽表面粗糙度和键槽的对称度公差
查[4]P51，按一般联接对待，键与轴10N9/h9，键与毂10Js9/h9。
键槽表面粗糙度：
工作表面，一般联接，取，非工作表面取（均为Ra值）。
键槽的对称度公差：
一般联接，按7级精度决定对称度公差。
3.键槽的工作图
L=80mm
第六节 制动带的设计
根据结构需要，采用凸缘式带制动。
⒈计算圆周力F
⒉计算带的绕入端张力
和绕出端张力
式中：
T――制动转矩（）
――摩擦系数，由[16]表取=
――制动轮包角，取
D――制动带直径，D=
⒊带宽b的确定
带宽b按许用单位压力[p]（其取值参考资料[16]，本计算取[p]=）决定，其取值应比轮宽B小5~10mm
,取b=75mm
⒋确定带厚
由[16]29-383表，选=6mm。
=
D=
b=75mm
=6mm
第四章本产品的技术参数和相关说明
第一节技术参数表
起重量kN 10
电动机型号：
YB160L-4；绳速：
m/min 最小 26 ；功率kW 15
最大 62 转速r/min 1460
平均 44 电压V 380/660
减速比 整机质量kg ； 530；容绳量m 400 ；绳径mm 地脚孔直径mm φ25
卷筒直径mm 250 外形
尺寸（长×宽×高）mm 1100×766×727
卷筒宽度mm 310
第二节相关说明
一、装配说明、
1.对于各轴承和定位零件，要将其装到规定的位置上；各轴承推荐热装（在柴油中加热，温度在120℃-140℃之间）。
装前在结合面上涂以适量的机油，在各轴承内填入2/3容积的黄油，滚筒体内的小齿轮中，以及行星传动的大内齿轮中填入黄油（机体内的黄油均采用钙基润滑脂）。
2.行星传动的大内齿轮与滚筒之间应保证有毫米的间隙，通过加工表面来保证；电机与滚筒
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