二级减速器设计如何优化效率与结构稳定性？

机械课程设计：二级圆柱齿轮减速器设计指南

设计任务书

课程设计的核心任务是：设计一个用于带式运输机的二级展开式圆柱齿轮减速器。

已知条件（示例）：

1. 运输机工作拉力 (F): 2500 N
2. 运输机带速 (v): 1.2 m/s
3. 卷筒直径 (D): 300 mm
4. 工作条件: 单向运转，载荷平稳，每日工作16小时，使用年限10年，每年工作300天。
5. 动力来源: 电动机驱动，电压380V。
6. 生产批量: 小批量生产。

设计要求：

1. 完成减速器总体方案设计。
2. 进行传动零件（齿轮、轴、轴承等）的设计计算。
3. 进行箱体及附件的结构设计。
4. 绘制减速器装配图一张（A0或A1图纸）。
5. 绘制典型零件工作图2-3张（如齿轮、轴，A2或A3图纸）。
6. 编写设计计算说明书一份。

设计步骤详解

第1步：总体方案设计与传动参数计算

1. 电动机选择

• 计算工作机所需功率 (P_w):
  • 卷筒转速: n_w = (60 * v) / (π * D) = (60 * 1.2) / (π * 0.3) ≈ 76.39 rpm
  • 工作机功率: P_w = F * v = 2500 * 1.2 = 3000 W = 3 kW
• 计算总传动效率 (η_总):
  • 总效率 = 联轴器效率 × 轴承效率 × 齿轮传动效率 × 卷筒效率
  • 取值参考: 联轴器(弹性套柱销) η_联 = 0.99，滚动轴承(一对) η_轴 = 0.99，齿轮传动(闭式) η_齿 = 0.97，卷筒效率 η_卷 = 0.96。
  • 总效率 η_总 = 0.99 * 0.99² * 0.97² * 0.96 ≈ 0.855
• 计算所需电动机功率 (P_d):
  • P_d = P_w / η_总 = 3 / 0.855 ≈ 3.51 kW
• 选择电动机型号:
  • 查阅《机械设计手册》Y系列三相异步电动机，根据功率 P_d 和同步转速（通常选择1500 rpm，4极电机，性价比高）。
  • 选择 Y112M-4 型电动机，其额定功率 P_m = 4 kW，满载转速 n_m = 1440 rpm。

2. 分配传动比

• 计算总传动比 (i_总):
  • i_总 = n_m / n_w = 1440 / 76.39 ≈ 18.85
• 分配传动比 (i_1, i_2):
  • 对于二级展开式减速器,通常取高速级传动比 i_1 略小于低速级传动比 i_2，以使两级齿轮的浸油深度大致相等。
  • 分配原则: i_1 ≈ (1.1 ~ 1.5) * √i_总
  • 取 i_1 = 1.3 * √18.85 ≈ 1.3 * 4.34 ≈ 5.64
  • 则 i_2 = i_总 / i_1 = 18.85 / 5.64 ≈ 3.34
  • 最终取整: i_1 = 5.5，i_2 = 3.4 (或 i_1=4, i_2=4.7 等其他组合，需验算)
  • 实际总传动比 i_总实 = 5.5 * 3.4 = 18.7，与理论值接近，可用。

3. 计算各轴转速、功率和转矩 | 轴 | 转速 | 功率 | 转矩 | | :--- | :--- | :--- | :--- | | 电机轴 (0轴) | n_0 = 1440 rpm | P_0 = 3.51 kW | T_0 = 9550 * P_0 / n_0 ≈ 23.3 N·m | | I 轴 (高速轴) | n_1 = n_0 / i_1 = 1440 / 5.5 ≈ 261.8 rpm | P_1 = P_0 * η_联 * η_轴 = 3.51 * 0.99 * 0.99 ≈ 3.43 kW | T_1 = 9550 * P_1 / n_1 ≈ 125.0 N·m | | II 轴 (中间轴) | n_2 = n_1 / i_2 = 261.8 / 3.4 ≈ 77.0 rpm | P_2 = P_1 * η_轴 * η_齿 = 3.43 * 0.99 * 0.97 ≈ 3.28 kW | T_2 = 9550 * P_2 / n_2 ≈ 407.0 N·m | | III 轴 (低速轴) | n_3 = n_2 = 77.0 rpm | P_3 = P_2 * η_轴 * η_齿 = 3.28 * 0.99 * 0.97 ≈ 3.15 kW | T_3 = 9550 * P_3 / n_3 ≈ 390.0 N·m | 注：III轴到卷筒之间还有联轴器和轴承，此处为简化计算，将III轴视为输出轴。

第2步：传动零件设计计算

1. 齿轮传动设计

• 材料选择:
  • 小齿轮 (高速级): 45钢，调质处理，硬度 240-270 HBS。
  • 大齿轮 (高速级): 45钢，正火处理，硬度 190-210 HBS。
  • 小齿轮 (低速级): 45钢，调质处理，硬度 240-270 HBS。
  • 大齿轮 (低速级): 45钢，正火处理，硬度 190-210 HBS。
• 设计计算 (以高速级齿轮为例):
  1. 按齿面接触疲劳强度设计:
     • d_1t ≥ √[ (2 * K_t * T_1 * (u+1) * Z_H² * Z_E²) / (φ_d * σ_H² * u) ]
     • K_t (载荷系数) 初取 1.3, T_1 = 125.0 N·m, u = i_1 = 5.5, Z_H (区域系数) = 2.5, Z_E (弹性系数) = 189.8 √(MPa), φ_d (齿宽系数) = 0.4 (硬齿面取小值), σ_H (许用接触应力) 需查手册计算。
     • 计算出初值 d_1t。
  2. 按齿根弯曲疲劳强度校核:
     • σ_F = (2 * K * T_1 * Y_Fa * Y_Sa * Y_β) / (b * m * d_1) ≤ [σ_F]
     • 根据算出的 d_1t 和 φ_d 估算 m (模数) 和 z (齿数)，然后校核弯曲应力是否满足。
• 几何尺寸计算:
  • 根据强度计算结果,最终确定模数 m、齿数 z_1、z_2、分度圆直径 d、齿宽 b、中心距 a 等。
  • 高速级: z_1 = 22, z_2 = 22 * 5.5 = 121, 取 m=2.5 mm, a = (22+121)*2.5/2 = 178.75 mm (可调整为 a=180mm，通过变位或微调齿数实现)。
  • 低速级: z_1 = 30, z_2 = 30 * 3.4 = 102, 取 m=3 mm, a = (30+102)*3/2 = 198 mm。

2. 轴的设计

• 材料选择: 通常选用45钢，调质处理。
• 结构设计: 根据安装的零件（齿轮、轴承、联轴器）初步确定各轴段的直径和长度。
• 强度校核:
  • I 轴: 主要受弯矩和转矩，按弯扭合成应力校核，需画出轴的受力简图，求出支反力，绘制弯矩图和转矩图，最后计算当量弯矩，校核危险截面的强度。
  • II、III 轴: 同理，进行弯扭合成强度校核，低速轴受力最大，是校核的重点。

3. 轴承选择与校核

• 类型选择: 减速器轴通常选用深沟球轴承或角接触球轴承，这里选用深沟球轴承。
• 型号选择: 根据轴颈直径初步选择轴承型号（如 6206, 6308 等）。
• 寿命校核: L_h = (10^6 / 60n) * (C/P)^ε ≥ [L_h]
  • C 是额定动载荷（查手册），P 是当量动载荷（P = F_r，对于深沟球轴承，只受径向力时）， 是寿命指数（球轴承 ε=3）。
  • 要求计算出的寿命 L_h 大于预期寿命（如 10年 300天 16小时 = 48000小时）。

第3步：箱体及附件设计

1. 箱体设计

• 结构: 采用剖分式结构，便于装配和检修。
• 材料: 通常用HT200灰铸铁。
• 主要尺寸: 根据内部零件（齿轮、轴）的尺寸，结合经验公式确定箱体的长、宽、高，以及壁厚、凸缘厚、轴承座孔直径、深度等。
  • 箱座壁厚 δ = 0.025 * a + 1 ≥ 8 mm (a为中心距)。
  • 轴承座孔直径应与所选轴承型号一致。

2. 附件设计

• 窥视孔和视孔盖: 用于检查啮合情况和注入润滑油。
• 油标: 用于测量油面高度。
• 放油螺塞: 用于更换润滑油。
• 启盖螺钉: 用于开启箱盖。
• 定位销: 保证箱盖和箱座的安装精度。
• 通气器: 平衡箱内外气压。
• 起吊钩: 用于搬运整个减速器。

第4步：图纸绘制

1. 装配图

• 视图: 主视图（表达外形和主要装配关系），俯视图（表达齿轮传动和轴系结构），左视图（表达箱体外形和附件）。
• • 所有零件的装配关系。
  • 主要尺寸：外形尺寸、规格尺寸、装配尺寸、安装尺寸。
  • 零件编号、明细表、标题栏、技术要求（如润滑、装配要求等）。
• 注意事项:
  • 剖开表达内部结构。
  • 标注必要的配合尺寸（如轴与轴承、轴承与孔的配合）。
  • 线条清晰,符合制图标准。

2. 零件工作图

• 轴类零件图:
  • 视图：主视图（表达轴的形状）+ 剖面图（表达键槽）。
  • 内容：尺寸、公差、形位公差、表面粗糙度、技术要求（如热处理）。
• 齿轮零件图:
  • 视图：主视图（齿轮）+ 左视图（表达轮毂和键槽）。
  • 内容：模数、齿数、压力角、齿顶圆/分度圆/齿根圆直径、公差、形位公差、表面粗糙度、技术要求。

第5步：编写设计计算说明书

说明书是设计的理论依据,要求条理清晰、计算准确、图文并茂，应包括:**

1. 封面: 设计题目、姓名、学号、日期。
2. 目录:
3. 设计任务书: 抄录已知条件和要求。
4. 电动机选择与传动参数计算: 详细列出计算过程。
5. 传动零件设计计算: 齿轮、带/链等的设计计算过程和结果。
6. 轴的设计计算: 结构设计和强度校核过程。
7. 轴承选择与寿命计算:
8. 键连接选择与校核:
9. 联轴器选择:
10. 润滑与密封选择:
11. 箱体及附件设计说明:
12. 设计总结与心得体会:
13. 参考文献:

常见问题与注意事项

1. 单位统一: 全程使用国际单位制（SI），功率用kW，力用N，长度用mm，转矩用N·m。
2. 数据来源: 所有查表数据（如材料性能、系数、轴承参数）必须注明来源（如《机械设计手册》第几版第几页）。
3. 结构合理性: 设计零件时，要考虑加工和装配工艺，轴肩高度要足够，齿轮和轴承要能装得进去。
4. 图纸规范: 严格按照机械制图国家标准绘制，图面整洁，标注清晰。
5. 计算与图纸一致: 计算书中的所有尺寸和参数必须与最终绘制的图纸完全一致。

这份指南为你提供了一个完整的框架,在实际操作中，你需要查阅相关的《机械设计手册》来完成具体的参数选择和计算，祝你设计顺利！

标签： 轻量化设计 热处理工艺