二级圆柱齿轮减速器课程设计

二级圆柱齿轮减速器课程设计全指南

设计任务与目标

在开始之前,首先要明确你的设计任务和目标。

1 设计任务

课程设计任务书会给出以下原始数据：

• 工作机功率 (P_work): 3 kW, 5.5 kW
• 工作机转速 (n_work): 120 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5年。
• 总传动比范围 (i_total): 15 ~ 20
• 电机类型: 通常推荐使用三相异步电动机 (Y系列)。

2 设计目标

1. 确定传动方案: 选择合适的传动类型和布局。
2. 进行动力与运动计算: 计算各轴的转速、功率和转矩。
3. 设计传动零件:
   • 齿轮设计: 确定齿轮的模数、齿数、主要几何尺寸和强度。
   • 轴的设计: 初估轴径，进行结构设计，并校核其强度和刚度。
   • 轴承选择: 根据轴的受力和工作条件，选择合适的轴承型号。
   • 键连接选择: 选择轴与齿轮、联轴器之间的键。
   • 联轴器选择: 选择电机轴与高速轴之间的联轴器。
4. 绘制工程图纸:
   • 装配图: 一张A0或A1图纸，表达减速器的整体结构、装配关系、主要尺寸和技术要求。
   • 零件图: 2-3张关键零件（如齿轮、轴）的A3或A2图纸，包含详细的尺寸、公差、形位公差、表面粗糙度和技术要求。
5. 编写设计计算说明书: 一份详细的设计文档，记录所有计算过程、选择依据和最终结果。

设计步骤详解

传动方案确定

对于二级圆柱齿轮减速器,最常见的方案是展开式，其特点是结构简单，但齿轮相对于轴承不对称，容易产生载荷集中。

• 传动比分配: 这是关键一步，为了使两级齿轮的承载能力大致相等，并使减速器结构紧凑，通常建议让高速级传动比 i1 略大于低速级传动比 i2。
  • 经验公式: i1 ≈ (1.3 ~ 1.5) * i2
  • 计算方法: 已知总传动比 i_total = i1 * i2，联立方程即可求解。
  • 示例: 若 i_total = 18，设 i1 = 1.4 * i2，则 4 * i2 * i2 = 18，解得 i2 ≈ 3.58，i1 ≈ 5.02，最终可以调整为 i1 = 5, i2 = 3.6，使 i_total = 18。

电动机选择

1. 计算工作机所需功率: P_work (已知)。
2. 计算电动机所需功率: P_motor = P_work / η
   • η 是总效率: η = η_轴承 * η_齿轮 * η_联轴器
   • 参考值:
     • 一对滚动轴承效率 η_轴承 ≈ 0.99
     • 一对闭式齿轮传动效率 η_齿轮 ≈ 0.97 ~ 0.98
     • 弹性套柱销联轴器 η_联轴器 ≈ 0.99
   • *总效率 `η ≈ 0.99 0.98 0.99 0.98 ≈ 0.94`** (假设有两对轴承和两对齿轮)
3. 选择电动机型号:
   • 根据 P_motor 查阅《Y系列三相异步电动机》技术手册，选择一个额定功率 P_motor ≥ 计算值 的电动机。
   • 记录下电动机的满载转速 n_motor (r/min)。

运动和动力参数计算

注意：转矩计算单位是 N·m，功率单位是 kW，转速单位是 r/min。

齿轮传动设计

这是设计的核心,需要分别设计高速级和低速级齿轮，通常采用斜齿轮，传动平稳，承载能力高。

设计流程（以一对齿轮为例）：

1. 选择材料、热处理方法及齿面硬度:
   • 小齿轮：40Cr，调质，硬度 280 ~ 320 HBS
   • 大齿轮：45钢，调质，硬度 240 ~ 270 HBS
   • (或根据教材推荐的其他组合)
2. 初步选定齿轮参数:
   • 初选螺旋角 β = 10° ~ 15° (通常取 12°)
   • 初选齿宽系数 φ_d (对于软齿面，单级传动 φ_d = 0.8 ~ 1.2)
3. 按齿面接触强度设计:
   • 使用设计公式计算小齿轮的分度圆直径 d1。
   • d1 ≥ ∛[ (2*K_T*T_1*(u+1)) / (φ_d * u * [σ_H])² ] * (Z_H * Z_E * Z_ε / cos²β)
   • 公式中各参数含义及确定方法:
     • K_T: 载荷系数，初取 K_T = 1.3 ~ 1.8。
     • T_1: 小齿轮传递的转矩 (从步骤三得到)。
     • u: 齿数比 (u = z2/z1 = i)。
     • [σ_H]: 许用接触应力，[σ_H] = (σ_Hlim * Z_N) / S_H，需查材料极限应力 σ_Hlim，计算寿命系数 Z_N，取安全系数 S_H = 1.1 ~ 1.2。
     • Z_H: 节点区域系数，标准值 2.5。
     • Z_E: 弹性影响系数，钢对钢取 189.8。
     • Z_ε: 重合度系数，可初取 0.9。
4. 按齿根弯曲强度校核:
   • 使用校核公式计算大、小齿轮的弯曲应力 σ_F。
   • σ_F = (K_F * T_1 * Y_Fa * Y_Sa * Y_β * Y_ε) / (b * m_n * d1)
   • 要求: σ_F ≤ [σ_F]
   • 公式中各参数含义及确定方法:
     • K_F: 载荷系数，通常取 K_T 的值。
     • Y_Fa: 齿形系数，根据当量齿数 z_v = z / cos³β 查表。
     • Y_Sa: 应力修正系数，同样根据 z_v 查表。
     • Y_β: 螺旋角系数，查表。
     • Y_ε: 重合度系数，查表。
     • [σ_F]: 许用弯曲

标签： 结构强度 参数计算