三速变速箱及其操纵机构设计-说明书文档格式.doc
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6.2合轴的功率 11
6.3计算合轴的转矩 11
7.V带传动设计 11
8.齿轮传动设计 13
8.1选择材料及确定许用应力 13
8.2齿轮设计 14
8.2.1第一对齿轮的设计计算 14
8.2.2 第二对齿轮的设计计算 15
8.2.3 第三对齿轮的设计计算 16
8.3齿轮的结构设计 17
9.变速箱传动轴的设计计算 18
9.1花键轴的设计计算 18
9.2 第二根轴的设计计算 18
9.3花键轴的强度校核 19
9.4第二根轴的强度校核 20
10.轴承的选择 25
11.离合器与制动器的选择 25
12.联轴器的选择 26
13.键的选择及强度校核 26
14.操纵机构的设计 28
15.箱体的设计 30
参考文献 34
4
三速变速箱
前言
机械设计是一门古老的学科，作为人类设计活动的延续和发展。
它有悠久的历史和渊源，人类通过长期的生产实践,逐渐创造了机器。
随着机械化生产规模的日益扩大，除机械制造部门外，在动力、交通设施的变速机构，都会经常接触各种类型的通用和专用机械。
而机械设计是指规划和设计实现预期功能的前提下，性能好，效率高，成本低，在预期期限内使用安全可靠，操纵方便，维修简单和造型优美等。
一部机器的诞生，从感到某种需要，萌生设计念头，明确设计要求开始，经过设计，制造，鉴定到产品定型是一个复杂的过程。
三速变速箱作为传统的机械在交通设施，机床变速机构等方面起着很重要的作用。
它的传动方式比较简单，由电动机作为动力源输出动力，经过齿轮传动装置，最后使得所要求的不同传速。
在要结合实际情况加以综合分析，可以考虑接见前人的优秀设计经验，也要自己有所创新，以达到最佳的结合，使设计出的产品具有真正的使用价值。
毕业设计是教学的基本要求规定，每个学生必须要完成的一个课题的设计，它是学生课程最后一个重要的教学环节，也是高等理工科院校大多数专业的学生的一次全面的设计能力的训练，是对学生综合运用所学的理论知识和实验实践解决实际问题的能力的检验，同时反映了高校的教学质量，使学生尽可能的将理论联系，具体问题具体分析，不仅反映学生的专业知识，而且反映了学生综合分析问题的能力，也是培养学生分析和解决一些机械实际问题的一个很好的机会，为今后的工作提供一些经验，也为今后学习新的机械理论，新的技术打下比较宽广而巩固的基础，以适应现代化人才的要求。
在现代的企业生产过程中，生产的产品多样化，结构形状的多样化，所以在满足各种不同加工要求，同时对执行机构提出速度运动要求以满足生产的要求，提高效率。
课题的基本目的有以下几点：
培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用机械设计和有关课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固、加深，和扩展有关的机械设计方面的知识，通过指定设计方案合理选择传动机构和零件类型，正确计算零件工作能力，确定尺寸和选择材料，以及较全面的考虑制造工艺，使用和维护要求，之后进行结构设计，达到了解和掌握机械零件，机械传动装置或简单机械的设计过程和方法，进行设计基本技能的训练。
例如计算，绘画，熟悉和运用设计资料（手册，图册，标准和规范等）以及使用进行经验估算和处理数据的能力。
设计的内容是一个三速变速箱的传动装置的结构和操纵机构的设计，主要的过程和内容：
传动装置的总体设计方案，选择电动机，计算传动装置的运动和动力参数，传动装置（齿轮），传动轴设计计算，轴承，连接件，润滑密封和连轴器，离合器的选择和校核计算，机体结构及附件的设计，绘制轴系装配图及齿轮零件工作图，编写毕业论文及进行答辩。
设计解决的问题，强度计算与结构，工艺等要求的关系，机械零件的尺寸不可能完全由理论计算确定而要考虑结构，加工和装配工艺，经济性和使用条件等要求，标准在设计中的重要性，正确使用标准，结构与工艺的关系，零件工艺性的考虑，创新与继承的关系。
变速箱的设计综合了所有的大部分机械急促知识，如机械设计基础，机械制图，机械制造工艺学，机械原理，机械零件基础，形位公差与互换性，金属工艺学，机械工程材料等等。
需要学生查阅大量的与本设计相关的专业及专业基础书记，是对机械的一个局部的阐述和研讨。
主要是通过数据的计算得出响应的结论。
通过各种书记和工具的辅助圆满的完成设计任务。
1.三速变速箱设计基本概述
1.1设计目的及意义
分析本设计，主要是根据条件，设计出三速变速箱的总体传动方案，并且准确合理的设计三速变速箱的传动装置以及使三联滑移齿轮滑移的操纵机构，设计出的机器应能够用与工业。
它有原动机，传动装置和操纵机构三部分组成。
该装置中原动机采用电动机。
传动装置在原动机与工作之间传动运动和动力，并借以改变运动形式，速度大小和转矩大小。
传动装置一般包括传动件（齿轮传动，带传动等）和支撑件（轴承，轴，机体等）两部分。
操作机构是用以操纵三连齿轮滑移的。
它的重量和成本在机器中占有很大比重，其性能和质量对机器的工作影响也很大，因此合理设计传动方案具有重要的意义。
1.2三速变速箱的认识和市场调查
变速箱是工业和交通工具的主要组成部分，由于传动方案简单，操作方便，使用成本低，对作业环境适应性强等特点。
变速箱的种类很多，如果平行轴斜齿轮变速箱，十字轴变速箱，斜齿圆柱变速箱，直齿圆柱变速箱，一级，两级，三级，无级变速箱等。
1.2.1查阅资料进行了解
在做设计的前期，不仅查阅大量资料而且还对成都机电市场上销售的三速变速箱有哪些种类。
1.2.2市场调研
在做设计的前期，不仅查阅大量资料而且还对成都机电市场有关销售变速箱的相关情况做了市场调查，其中主要是了解市场上销售的变速箱有哪些种类，其中具体的传动件是由什么构成的，其中尺寸的大小以及成品的质量等。
在调查中发现，由于三速变速箱属于传统的变速机构，它传动方案简单，电动机作为原动机，可以简单的传动装置就可以达到传动要求。
它的成本不高主要是根据电动机功率的大小确定，在市场上最常见的就是圆柱直齿变速箱，它的传动装置采用市场现有产品，这样，只需将各个型号的产品加以组合就可以制造出不同的机器来。
由于三速变速箱的工作环境，所以其制造加工需要一定的要求。
在调查中我们没有得到更多关于三速变速箱的先进的制造工艺和先进的产品类型。
根据分析主要是因为它自身工作特性及现在制造业生产水平限制了它的发展，如果采用大量的数控技术，虽然三速变速箱有了很大的革命性的发展，但它的成本也有很大的提高。
目前国内有了很大的革命性进展，但它成本也有很大的提高。
目前国内有为数不多的厂家制造了比较先进的三速变速箱，主要是采用了数控技术，由于价格非常昂贵，所以不管是在市场占有还是在技术方面都不是很成熟。
传统的三速变速箱虽然还是比较简陋。
但是其稳定性还能满足一般工作的要求，所以传统机型成为主流产品。
1.3设计难点及指导思想
通过以上的分析，我们可以知道该设计的重要难点在于根据给定的技术参数，设计出符合要求的三速变速箱总体传动方案和传动装置，以及操纵机构。
我们无法采用市面上一定规格和型号的成品，只有根据原始数据，计算出相关的数据。
再设计拟订出多种参考方案，分析每一个方案的优缺点及根据具体条件分析其具体的工作条件。
设计出的传动方案应该准确合理，包括传动装置的设计不仅仅能够达到传动运动的要求，还要结合三速变速箱实际的工作情况做大量的分析。
最后，设计出机器在保证一定的使用寿命下的维护要求，甚至在制造成本方面也要做响应的考虑。
由于收集了相关的资料并且做了一定的市场调查在设计中我们可以季节按三速变速箱已有的先进技术成果，同时要求不断查阅资料，对设计不断的加以分析改进，不仅在技术结果上要满足要求，也要在实际运用中能保证要求。
在提出方案后要不断的分析比较，最后得到理想的设计方案。
2.设计题目的研究
1》设计题目介绍
设计一个三速变速箱，其中有一个三联滑移齿轮，通过操纵机构使它分别与齿轮1，2，3啮合，从而获得三种不同的输出转速。
（1）数据及设计要求
1.工作条件：
单班制，连续单向运转，载荷平稳，室内工作；
2.使用期：
10N，大修期：
3N；
3.生产批量：
100台；
4.动力：
三相交流电；
5.输出轴转速允许误差小于正负5%。
（2）设计参数
电动机额定功率/KW2.2
电动机额定转速r/min940
输出轴转速r/minn1160
输出轴转速r/minn2230
输出轴转速r/minn3330
（3）设计工作量
轴系装配图一张;
设计一个移动三联齿轮Z4,Z5,Z6的操纵机构;
齿轮零件图一张;
毕业论文一份。
3.总体方案的拟定
由于要求设计题目中以上的要求，所以我拟定了两套方案，第一套是以电动机为原动力，通过V带轮、离合器，在通过利用操纵机构对三联滑移齿轮的手动控制以达到它和输出的三个齿轮啮合而得到所要求的不同的输出转速，从而达到变速的目的。
而第二种方案是在上一种方案的基础上取消带轮的设置。
经过分析和思考，虽然整个装置的传动比比较小，不采用带轮满足要求的同时，还可以减小整个装置的成本，但是经过调查并到学校的金工基地参观，听了老师和基地师傅的介绍发现如果没有带轮的设置将带来整个装置在机床上设置的位置问题，并且带轮还有减振使
电动机输出给轴的转速更平稳，同时在带轮上将减小一部分的传动比，那么可以使齿轮的结构更加紧凑，所以选择第一套方案。
4.原动机的选择
大多数机器的原动机是由电动机组成，该三速变速箱的原动机即为电动机。
主要有原动机产生动力，通过传递，使得工作机正常工作。
根据题目给定的要求，动力源采用三相交流电380V，电动机正反向运转，载荷比较平稳。
在交流电动机中主要有异步与同步之分，它们有着各自的特点：
同步电动机的主要性能是：
负载转矩在不需调速的高压、低速和大容量机械上采用，能提高功率因素。
异步电动机又分为笼型和绕线式电动机两种。
笼型电动机的性能：
简单、耐用、可靠、易维护、价格低、特别硬，但是启动和调速性能差，轻载时功率因素低，一般无调速要求广泛采用。
绕线式电动机的性能：
因有滑环，比笼型电动机维护麻烦，价格也稍贵，转子串电阻的特性属于软特性，随负载转矩的增加，电动机的转速显着下降，但它启动时功率因素高，并了进行小范围的速度调节，控制设备简单，对于30KW以及启动不是很频繁而电网容量大又许可满压启动的场所，一般采用笼型电动机。
在选择电动机时应该考虑许多综合问题：
1）根据机械的负载性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求选择电动机的类型。
2）根据负载转矩，速度变化范围等要求，选择电动机的功率。
3）根据使用场所的环境条件，选择电动机的结构形式。
除此之外，选择电动机还必须符合节能的要求，考虑运行可靠性，设备的供货情况，备品备件的通用性，安全过程中前后期电动机功率变化关系等因素。
通过以上的分析，并且借鉴相关的技术经验，综合总体因素可优选用Y系列全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机。
该电动机的主要性能及其特点如下：
效率高，耗电量少，总体性能好，噪音低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便。
采用B级绝缘，能防止灰尘，铁削，杂物侵入电动机内部，它广泛应用于工业粉尘多，环境较差的场所。
在选择电动机的阶段，我和指导老师对是否采用Y系列电动机进行了一些探讨。
Y系列电动机属于正规的机械专用电动机，它的优点主要是适应工作制的理想选择，而且通过仔细的探讨发现，Y系列电动机常用在工业变速机器中，对于本设计比较小的功率如果采用其它大功率系列的电动机，在工作中有很多的功率都将浪费掉。
并且Y系列电动机的造价比较合适。
在100台的年产量中如果采用它的话，制造成本会加大很多，这样对总体的经济成本不利。
根据市场调研我们也发现，市面上绝大多数产品均采用Y系列电动机作为首选。
因此，最终确定选择Y系列三相异步电动机。
1》电动机的选择关键是电动机容量的选择，其次才是转速，形式，电压等选择。
功率过大，造成浪费选择的过小电动机将会超载运行，将造成降低电动机的寿命和降低负载的使用难以充分发挥机床的效能。
正确的选择电动机型号的原则是在满足生产机械要求的条件下，合理确定电动机的功率。
选择的时候应该根据机床的功能要求所设计结构，工作状态等全面考虑。
2》选择电动机的容量Error!
Nobookmarknamegiven.
Pmax——机床最大的切削功率
Pmin——机床传动的最低功率
3》选择电动机的型号
由已知条件Pe=2.2kw，对型号有以下几种选择：
方案
型号
额定功率
（kw）
满载转速
（r/min）
满载时电流
（A）
1
Y90L-2
2.2
2840
4.74
2
Y2-100L1-4
1430
5.2
3
Y112M-6
940
5.61
Y2-90L-4
2880
4.9
5
Y132S-8
710
5.81
6
Y2-112M-6
5.6
7
Y100L1-4
5.03
又由于已知电动机额定转速为940r/min,所以初步确定方案3（Y112M-6）和方案6（Y2-112M-6）两种。
功率（%）
功率因数
重量（kg）
长（mm）
宽（mm）
高（mm）
额定转矩
最大转矩
80.5
0.74
40
400
245
265
2.0
79.0
0.76
45
240
300
2.1
由上表根据比较，在加上市场价格Y2-112M-6高于Y112M-6
所以最终选择型号为Y112M-6的电动机。
4》Y112M-6电动机的示意图
5.确定传动装置的总体的传动比和分配各级传动比
机械传动和摩擦副的效率：
9级精度的齿轮传动（油润滑）：
0.96
V带传动：
球轴承：
0.99
弹性联轴器：
离合器：
5.1计算总的转动比
齿轮1啮合时：
齿轮2啮合时：
齿轮3啮合时：
5.2选择V带传动比
普通V带传动比:
iΔ=2～4
i1=i△*i2=i△*i3=i△*
由于传动比比较小，初步取iΔ=2，齿轮各级传动比为：
=2.94=2.05=1.43
5.3分配各级传动比
总传动比
V带传动比
齿轮传动比
齿轮1
5.88
2.94
齿轮2
4.09
2.05
齿轮3
2.85
1.43
6.传动装置的运动和动力参数
6.1高速轴和低速轴转速计算
计算误差：
（160-159.9）/160*100%=0.08%满足误差小于正负0.5%,合适
（230-229）/230*100%=0.32%满足误差小于正负0.5%,合适
（330-329）/330*100%=0.4%满足误差小于正负0.5%,合适
6.2合轴的功率
齿轮1：
P1=Peη01=2.2*0.96=2.11kw
齿轮2：
P2=Peη12=2.2*0.96*0.96*0.99=2.01kw
齿轮3：
P3=Peη23=2.2*0.96*0.96*0.99*0.99=1.99kw
6.3计算合轴的转矩
第一根轴的转矩：
第二根轴的转矩
7.V带传动设计
1》求计算功率Pc
由于Pd=2.2kw查表13-6得Ka=1.0
Pc=Ka*Pd=1.0*2.2=2.2kw
2》选普通V带型号
根据Pc=2.2kw，nm=940r/min，由图13-15查出此坐标点位于A型。
3》求大、小带轮基准直径d2、d1
由于属于A型，最好取d1≥100mm
取小带轮直径d1=106mm，滑动率ε=0.01
大带轮直径：
查教材表13-7,取d2=212mm
4》检验带速v
由于v=5.21m/s在5~25m/s的范围内,所以小带轮直径合适.
5》计算V带基准长度Ld和中心距a
由于0.7（d1+d2）<
a<
2（d1+d2）,初步选取中心距：
=1.5（d1+d2）=1.5*（106+212）=477mm
取
带长:
对A型带选用Ld=1600mm
实际中心距
6》验算小带轮包角α
合适
7》求V带根数z
根据d1=106mm及n1=940r/min,查教材表13-3得到单根v带的基本额定功率P0=0.99kw
传动比i=d2/[d1（1-ε）]=2.02查教材表13-4，然后由内差齿法计算得：
△P0=0.01KW
由а1=169°
查表13-5得：
=0.97,查表13-2得：
=0.99
从而V带的根数
z=Pc/[（P0+△P0）*Ka*KL]=2.29所以取3根.
8》求作用在带轮轴上的压力FQ
q=0.10kg/m,故得单根V带的初始拉力
=114N
作用在轴上的压力
FQ=2*z*F0sinα1/2=2*3*114*sin169°
/2=681N
9》带轮结构设计
设计带轮时，应该使其结构便于制造，质量分布均匀，重量轻，并避免由于铸造产生过大的内应力。
V>
5m/s要进行静平衡。
轮槽工作表面应光滑，以减少V带磨损，选用HT200。
8.齿轮传动设计
已知：
载荷平稳，室内工作，因为在设计的要求中要用三联滑移齿轮的滑移来分别和三对齿轮啮合以达到不同的输出速度，需要平稳的啮合所以我在设计齿轮的时候将其设计成圆柱直齿齿轮。
8.1选择材料及确定许用应力
三联滑移齿轮用45调质，齿面硬度200HBS
第二根轴上的齿轮用45正火，齿面硬度180HBS
因，
安全系数
根据公式求出许用接触应力
，
因，
根据公式许用弯曲应力
，
8.2齿轮设计
设齿轮按9级精度制造。
取载荷系数K=1.2,齿宽系数
三联滑移齿轮上的转矩：
8.2.1第一对齿轮的设计计算
（1）计算中心距：
因μ=i´
1=2.94
a圆整取115mm,120mm,125mm
m取2,2.5,3,4
初取a=115mm,m=2
齿数Z1=29，Z2=86
则实际传动比：
传动比误差△i=（i理-i实）/i
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