一级圆柱齿轮减速器课程设计全指南
第一部分：设计任务与准备
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明确设计任务书 老师会给你一份任务书，包含以下核心信息：
- 工作机类型： 带式运输机、螺旋输送机、链式输送机等。
- 原始数据：
- 工作机功率 (P_w)： 单位 kW (4.5 kW)
- 工作机转速 (n_w)： 单位 r/min (75 r/min)
- 工作机工作条件： 单向运转、载荷平稳、每日工作16小时、每年工作300天、使用年限5年等。
- 设计要求：
- 设计一个一级圆柱齿轮减速器。
- 要求结构紧凑、传动效率高、工作寿命长。
- 完成装配图、零件图和设计说明书。
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准备设计资料
- 教材与手册： 《机械设计》、《机械设计课程设计》、《机械设计手册》是必备的。
- 标准件库： 准备好国家标准（GB）的滚动轴承、键、联轴器、螺栓等的数据。
- 绘图工具： AutoCAD, SolidWorks, CAXA 等CAD软件。
第二部分：设计计算步骤
这是设计的核心部分,需要严谨的计算和选择。
传动装置的总体设计
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选择电动机
- 确定工作机功率 (P_w)： 已知。
- 计算所需电动机功率 (P_d)：
- P_d = P_w / η
- η 是从电动机到工作机之间的总传动效率。
- 对于一级齿轮减速器,η = η_齿轮 × η_轴承 × η_联轴器
- η_齿轮 (齿轮传动效率，闭式)：0.97 ~ 0.98
- η_轴承 (一对滚动轴承效率)：0.99 ~ 0.995
- η_联轴器 (弹性套柱销联轴器)：0.99 ~ 0.995
- η = 0.98 × 0.99 × 0.995 ≈ 0.965
- 确定电动机转速 (n_d)：
- 计算工作机所需转速 n_w。
- 电动机的同步转速有 3000, 1500, 1000, 750 r/min 等，通常选择同步转速为 1500 r/min 或 1000 r/min 的电机，因为它们在市场上最常见，成本适中。
- 计算总传动比 i = n_d / n_w。
- 选择电动机型号： 根据计算出的 P_d 和选定的 n_d，查阅《机械设计手册》或电机样本，选择一个合适的电动机型号，记下其额定功率、满载转速、轴径等关键参数。
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分配传动比
- 总传动比 i = n_d / n_w。
- 对于一级减速器,总传动比就是齿轮传动的传动比 i_齿轮。
- 传动比的选择要合理：
- i 太小： 齿轮尺寸大，结构不紧凑。
- i 太大： 会导致齿轮尺寸过小，小齿轮齿数太少，容易发生根切，且传动平稳性下降。
- 推荐范围： 一级圆柱齿轮减速器的传动比通常在 3 ~ 6 之间，如果计算出的 i 不在此范围，可能需要重新选择电机或考虑采用二级减速器（但本设计要求一级）。
- 确定最终传动比： i = i_齿轮 = z_大 / z_小 (z为齿数)。
传动件的设计计算
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计算各轴的转速、功率和转矩
- 电动机轴 (0轴):
- 转速 n_0 = n_d (电机满载转速)
- 功率 P_0 = P_d
- 转矩 T_0 = 9550 × P_0 / n_0 (单位: N·m)
- 高速轴 (I轴，输入轴):
- 转速 n_1 = n_0
- 功率 P_1 = P_0 × η_联轴器
- 转矩 T_1 = 9550 × P_1 / n_1
- 低速轴 (II轴，输出轴):
- 转速 n_2 = n_1 / i = n_w
- 功率 P_2 = P_1 × η_齿轮 × η_轴承
- 转矩 T_2 = 9550 × P_2 / n_2
- 或者 T_2 = T_1 × i × η_齿轮 (更常用，因为 η_轴承在计算输出轴功率时已经考虑过一次，这里直接用齿轮传动效率即可)。
- 电动机轴 (0轴):
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设计齿轮传动
- 选择材料、热处理方法及精度等级：
- 材料： 常用 45钢、40Cr 等，小齿轮受力次数多，应选更好的材料或进行更热处理。
- 热处理： 调质、正火、表面淬火等，根据设计要求（如寿命、平稳性）选择，课程设计通常选择调质处理。
- 精度等级： 一般选择 8 级精度。
- 按齿面接触强度设计齿轮的主要参数 (中心距 a 或模数 m)：
- 这是设计的关键步骤,目的是防止齿面发生点蚀。
- 使用接触强度设计公式：a ≥ (u+1) [ (K_T T_1 (Z_E Z_H Z_β) / (ψ_a σ_Hlim^2))^(1/3) ]
- u = z_大/z_小 = i (齿数比)，ψ_a = a/b (齿宽系数，通常取 0.3~0.4)，K_T 是载荷系数，T_1 是小齿轮转矩，Z_E, Z_H, Z_β 是弹性系数、区域系数、螺旋角系数，σ_Hlim 是材料的接触疲劳极限。
- 计算出中心距 a 后，根据经验公式 a = m z_小 (u+1) / 2，初步估算模数 m。
- 按齿根弯曲强度校核齿轮模数：
- 这是校核步骤,目的是防止轮齿发生折断。
- 使用弯曲强度校核公式：σ_F = (K_T T_1 Y_Fa Y_Sa Y_β) / (b m^2 z_小) ≤ [σ_F]
- Y_Fa 是齿形系数，Y_Sa 是应力校正系数，Y_β 是螺旋角系数，[σ_F] 是材料的许用弯曲应力。
- 如果计算出的 σ_F > [σ_F]，说明模数 m 太小，需要适当增大 m，然后重新计算齿轮参数。
- 确定齿轮的最终参数：
- 根据计算和标准,确定 模数 m、齿数 z_小 和 z_大。
- 确定螺旋角 β (对于斜齿轮，通常取 8°~15°)。
- 计算齿轮的 分度圆直径 d、齿顶圆直径 d_a、齿根圆直径 d_f、齿宽 b (通常小齿轮齿宽比大齿轮宽 5~10mm)。
- 选择材料、热处理方法及精度等级：
轴的设计计算
- 选择轴的材料： 常用 45钢，调质处理。
- 初步估算轴径 (按扭转强度)：
- 公式：d ≥ A * (P/n)^(1/3)
- A 是与材料有关的系数，P 是轴传递的功率，n 是轴的转速。
- 计算出的 d 是轴的最小直径，通常在轴的外伸端（安装联轴器或带轮处）。
- 轴的结构设计：
- 根据估算的轴径,考虑轴上零件（齿轮、轴承、联轴器）的安装、定位和拆装，设计出阶梯轴的结构。
- 确定各轴段的直径和长度。
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