机械设计课程设计减速器

99ANYc3cd6 课程介绍 2025-12-06 1

下面我将为你提供一个完整、详细、可操作的减速器课程设计指南，包含设计步骤、关键知识点、常用规范和注意事项,希望能帮助你顺利完成设计。

减速器课程设计全攻略

第一部分：设计任务与总体目标

设计任务： 老师会给出一个原始参数，

工作机： 带式输送机、螺旋输送机、搅拌机等。
输入功率 (P): 4 kW。
输入转速 (n₁): 1440 r/min (通常是电机同步转速)。
总传动比 (i): 15。
工作条件： 单向运转，载荷平稳，每天工作8小时,工作寿命为5年。

设计目标：

核心任务： 设计一个结构合理、承载能力强、寿命满足要求的二级展开式圆柱齿轮减速器。
输出成果：
- 一份详细的设计计算说明书。
- 一套完整的零件图（通常要求至少3张，如箱体、齿轮、轴等）。
- 一张装配图（A0或A1图幅）。

第二部分：设计步骤详解

这是一个循序渐进的过程，每一步都是下一步的基础,切勿跳步。

传动方案的确定

根据总传动比 i = 15,可以初步确定传动方案。

可能性1： 采用V带传动 + 单级圆柱齿轮减速器。
- V带传动：缓冲吸振、过载保护,适合高速级。
- 单级齿轮：结构简单。
- 分析： 总传动比可以满足，但课程设计通常要求设计“减速器”本身，所以如果只设计齿轮部分，则V带传动可能需要作为前置部分,或在说明书中提及。
可能性2： 采用二级展开式圆柱齿轮减速器。
- 这是最经典、最常见的课程设计方案，将总传动比 i = 15 分配给两级齿轮，i₁ = 3, i₂ = 5。
- 优点： 结构紧凑，传动平稳，传动比准确,非常适合课程设计。

我们选择二级展开式圆柱齿轮减速器作为最终方案。

电动机的选择

计算工作机所需功率 (P_w):
- 根据题目给出的工作机类型和参数计算，带式输送机 P_w = F * v / 1000 (kW)。
- 如果题目直接给出了输入功率,此步可省略或作为校核。
计算电动机所需功率 (P_d):
- P_d = P_w / η_总
- η_总 是从电机到工作机之间所有传动环节的效率乘积。
- 对于二级齿轮减速器，η_总 = η_轴承 * η_齿轮 * η_轴承 * η_联轴器
- 查手册或教材，取各部分效率值（每对齿轮啮合效率 η_齿轮 ≈ 0.98，滚动轴承效率 η_轴承 ≈ 0.99，弹性套柱销联轴器 η_联轴器 ≈ 0.99）。
- η_总 ≈ 0.99 * 0.98 * 0.99 * 0.99 ≈ 0.95
选择电动机型号：
- 根据计算出的 P_d 和要求的 n₁，查阅《机械设计手册》或电机样本。
- 选择最接近的电动机型号，记录其额定功率 P_ed、满载转速 n_m (通常略低于同步转速1440 r/min，例如1420 r/min)。

总传动比及各级传动比的分配

计算总传动比 (i_总):
- i_总 = n_m / n_w
- n_w 是工作机要求的转速,需要根据题目参数反推。
分配传动比 (i₁, i₂):
- i_总 = i₁ * i₂
- 分配原则：
  - 使两级齿轮的承载能力大致相等。
  - 使两级齿轮的浸油深度大致相等（高速级齿轮对润滑要求更高，其中心距可略小于低速级）。
  - 避免传动比过大导致外廓尺寸过大。
- 经验公式： 对于展开式减速器，i₁ ≈ (1.2 ~ 1.3) * √i_总。
- i_总 = 15，√15 ≈ 3.87，取 i₁ ≈ 1.25 * 3.87 ≈ 4.8，则 i₂ ≈ 15 / 4.8 ≈ 3.1。
- 最终确定 i₁ = 4.5, i₂ = 3.33 (或其他合理组合)。

运动和动力参数计算

计算从电机到工作机，每一根轴的转速、功率、转矩，这是后续零件设计的直接依据。 | 轴 | 转速 | 功率 | 转矩 | | :--- | :--- | :--- | :--- | | 电机轴 | n_m | P_ed | T_m = 9550 * P_ed / n_m | | I 轴 (高速轴) | n₁ = n_m / i₁ | P₁ = P_ed * η_带 (如果有) 或 P₁ = P_ed * η_联轴器 | T₁ = 9550 * P₁ / n₁ | | II 轴 (中间轴) | n₂ = n₁ / i₂ | P₂ = P₁ * η_轴承 * η_齿轮 | T₂ = 9550 * P₂ / n₂ | | III 轴 (低速轴) | n₃ = n₂ / i_z (如果还有级) | P₃ = P₂ * η_轴承 * η_齿轮 | T₃ = 9550 * P₃ / n₃ | | 工作机轴 | n_w | P_w | T_w = 9550 * P_w / n_w |

注意： 功率和转矩在传递过程中会因效率损失而减小。

传动零件的设计计算（核心）

高速级齿轮设计 (直齿或斜齿)

材料选择： 小齿轮（通常用45钢调质）、大齿轮（通常用45钢正火或40Cr调质）。
精度选择： 一般选8级精度。
设计计算：
- 按齿面接触疲劳强度设计，求出小齿轮分度圆直径 d₁。
- 按齿根弯曲疲劳强度校核。
- 确定主要参数：模数 m、齿数 z₁, z₂、螺旋角（如果是斜齿）、中心距 a₁。
关键公式：
- 接触强度：d₁ ≥ ∛[ (2K_T / φ_d) * ( (u+1)/u ) * (Z_H Z_E Z_β / [σ_H] )² * T₁ ]
- 弯曲强度：σ_F = (2K_T T₁ / (φ_d d₁² m)) * Y_Fa Y_Sa Y_β ≤ [σ_F]

低速级齿轮设计

方法同上，使用II轴和III轴的参数 (P₂, T₂, n₂) 进行计算。
注意： 低速级齿轮受力大,模数通常会大于高速级。

轴的设计计算

初估轴径

按扭转强度初步估算轴的最小直径 d_min。
d_min ≥ A * ∛(P/n)
A 是与材料有关的系数，查表选取，考虑键槽影响，将计算值增大5%。
此步确定轴与联轴器、齿轮配合处的初步直径。

结构设计

根据轴上零件（齿轮、轴承、键、轴套、联轴器）的尺寸和安装要求,设计轴的各段长度和直径。
考虑： 轴承标准（如深沟球轴承620X）、齿轮轮毂宽度、轴承座宽度等。
绘制草图： 这是至关重要的一步！在草稿纸上画出轴系结构草图，确定各零件的相对位置和尺寸,否则后续设计寸步难行。

校核轴的强度

绘制轴的受力简图： 将齿轮上的力（圆周力Ft、径向力Fr、轴向力Fa，如果是斜齿轮）平移到轴上,并求出支反力。
绘制弯矩图和扭矩图：
- 分别在垂直面和水平面内计算弯矩，并合成总弯矩 M。
- 绘制扭矩图 T。
校核：
- 按弯扭合成应力校核： σ_ca = √(M² + (αT)²) / W ≤ [σ_b-1]
- 是应力校正系数（将扭矩的对称循环特性转化为弯曲的对称循环特性）。
- W 是抗弯截面系数。
- 如果校核不通过，需要重新修改轴的结构（如增大轴径或改变轴肩位置）。

轴承的选择与校核

选择轴承类型和型号： 根据载荷情况（径向力为主，可能有轴向力）、转速、工作要求，通常选用深沟球轴承或角接触球轴承，根据轴径和受力大小,从手册中初选轴承型号。
计算轴承的寿命：
- 计算轴承所受的径向载荷 F_r 和轴向载荷 F_a。
- 对于角接触轴承，需要“内部轴向力”计算和“轴向载荷判断”。
- 计算当量动载荷 P = X * F_r + Y * F_a。
- 计算额定寿命 L_h = (10^6 / 60n) * (C/P)^(ε)，要求 L_h 大于等于预期寿命（如5年）。

键连接的选择与校核

选择： 根据轴径 d 从手册中选择平键的尺寸 b × h，根据轮毂宽度选择键的长度 L。
校核： 校核挤压强度 σ_p = (4T / (dhl)) ≤ [σ_p]。

箱体及附件设计

箱体设计： 确定箱体的结构（剖分式或整体式，通常为剖分式）、中心距 a（由齿轮中心距决定）、长宽高、壁厚、凸缘尺寸、地脚螺栓尺寸等,参考标准或经验公式进行设计。
附件设计：
- 窥视孔盖： 用于观察齿轮啮合情况。
- 油标/油尺： 用于检查油位。
- 放油螺塞： 用于更换润滑油。
- 通气器： 使箱内外压力平衡。
- 起吊钩/环： 用于搬运箱体。
- 定位销： 用于保证箱盖和箱座的安装精度。

第三部分：图纸绘制

装配图：
- 视图选择： 通常采用3个视图（主、俯、左）,必要时增加局部剖视图或向视图。
- 绘制步骤：
  1. 布置图面，画出中心线、齿轮轮廓、箱体内壁线。
  2. 画轴系零件（轴、齿轮、轴承、键）。
  3. 画箱体及其附件。
  4. 画剖面线、标注尺寸、零件序号。
  5. 编写技术要求、填写标题栏和明细表。
- 关键尺寸：
  - 特性尺寸：中心距 a。
  - 配合尺寸：轴与齿轮、轴与轴承、轴承与孔的配合（如 H7/r6, H7/k6）。
  - 安装尺寸：地脚螺栓孔尺寸、中心高。
  - 外形尺寸：总长、总宽、总高。
零件图：
- 齿轮零件图： 需要包含详细的视图、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、啮合特性表（模数、齿数、压力角等）。
- 轴零件图： 需要包含主视图和必要的剖面图、尺寸公差、形位公差（如键槽对称度、圆度）、表面粗糙度。
- 箱体零件图： 最复杂的零件，需要清晰表达内部结构,标注所有必要的尺寸和制造要求。