机械优秀课程设计电动卷扬机传动装置.doc

机械设计课程设计

题目：设计电动卷扬机传动装置

学 院
专 业
学 号
学生姓名

机械设计课程设计任务书

题目：设计电动卷扬机传动装置
传动系统图：

原始数据：
数据编号
钢绳拉力F/KN
钢绳速度v/(m/min)
卷筒直径D/mm
2
9
20
290

工作条件：间歇工作，满载开启，工作中有中等振动，两班制工作，小批量生产，钢绳速度许可误差±5%，设计寿命。

目录
1.电动机选择
1.1 功率计算
1.2 确定电动机转速
2.传动系统运动和动力参数
2.1 计算总传动比
2.2 合理分配各级传动比
2.3 各轴转速、输出功率、出入转矩、转速计算
3.传动零件设计计算
4.轴设计及计算
5.键连接选择和计算
6.滚动轴承选择和计算
7.联轴器选择
8.润滑方法、密封形式及润滑油牌号选择
9.其它技术说明
10.设计小结
11.参考文件

计算及说明
计算结果
一．电动机选择
1.功率计算
工作机所需要功率：
电动机输出功率：
由电动机至工作机之间总效率（包含工作机效率）为

式中：η1：联轴器效率0.99
η2：每对滚动轴承效率0.99
η3：每对滑动轴承效率0.98
η4：闭式圆柱齿轮传动效率0.97
η5：开式圆柱齿轮传动效率0.95
η6：卷筒传动效率0.97
所以

即
故由参考书可选电动机额定功率为4kw
2.确定电动机转速
由可得
在该传动方案得悉，在该系统中只有减速器存在二级传动比i12、i34，开式齿轮i开，所以，id= i12·i34·i开
即nd= id·nw=(i12·i34·i开) ·nw
在二级圆柱齿轮减速器传动比范围通常为（8~40），开式齿轮传动比为i开=4，则总传动比id合理范围为
id= i12·i34·i开=（8~40）×4= 32~160
所以，电动机转速可选范围为
nd= id·nw= (32~160) ×21.96= ( 702.72~3513.6) r/min

所选电动机型号符合这一范围同时转速有750 r/min、1000 r/min、1500 r/min，依据计算出电动机容量，由附表可查出适用电动机型号，对应技术参数及传动比比较情况以下表所表示。

电动机比较

方
案
电动机
型号
额定
功率
/kw
同时
转速
/r/min
满载
转速
/r/min

重量
价格
1
Y160M1-8
4
750
720
2.0
2.0
重
高
2
Y132M1-6
4
1000
960
2.0
2.2
中
中
3
Y112M-4
4
1500
1440
2.2
2.3
轻
低
综合考虑电动机和传动装置尺寸、重量及成本，课件第3种方案比较适宜。所以选择电动机型号为Y112M-4，即电动机额定功率Pw=4kw，满载转速nm=1440 r/min。
二.传动系统运动和动力参数
1.计算总传动比
由电动机满载转速nm和工作机主动轴转速nw，可确定传动装置应有传动比
2.合理分配各级传动比
通常圆柱齿轮传动比范围为，开式齿轮传动比为i开=4，故取
i开=4能够算出
， i开=4
3.各轴转速、输出功率、出入转矩、转速计算
（1）各轴转速
电动机转速 n0=1440 r/min
高转速I
中间轴II
低速轴III
卷筒
（2）各轴输入功率
上述电动机输出功率Pw=3.9kw，故P0=3.9kw
高转速I P1=P0·η1·η2=3.9×0.99×0.99= 3.82kw
中间轴II P2= P1·η2·η4=3.82×0.99×0.97=3.67kw
低速轴III P3=P2·η2·η4=3.67×0.99×0.97=3.52kw
卷筒 P4=P3·η1·η32·η5·η6
=3.52×0.982×0.95×0.97
=3.12 kw
式中：η1：联轴器效率0.99
η2：每对滚动轴承效率0.99
η3：每对滑动轴承效率0.98
η4：闭式圆柱齿轮传动效率0.97
η5：开式圆柱齿轮传动效率0.95
η6：卷筒传动效率0.97
(3) 各轴输入转矩
电动机轴输出转矩Td：

高转速I
中间轴II

低速轴III
卷筒

运动和动力参数计算结果列于下表：
参数
电动机轴
高速轴I
中间轴II
低速轴III
卷筒
转速（r/min）
1440
1440
336.45
109.95
21.96
功率（kw）
3.9
3.82
3.67
3.52
3.12
转矩
（N·m）
25.86
25.33
116.83
380.96
1356.83
传动比
1
1
4.8
3.4
4

三.传动零件设计计算
I 斜齿圆柱齿轮计算
A．高速级斜齿圆柱齿轮计算
1.选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数
1）按运动简图传动方案，选定斜齿圆柱齿轮传动
2）卷扬机为通常工作机，速度不搞，故选择8级精度（GB10095—1998）
3）材料选择：
小齿轮选择40Cr，调质热处理，齿面硬度达成250HBS
大齿轮选择45钢，调质热处理，齿面硬度达成220HBS
因为减速器齿轮传动为闭式传动，能够采取齿面接触疲惫强度计算，按弯曲疲惫强度校核。
2.按齿面接触疲惫强度设计
按设计计算公式计算：
1）确定公式各参数
（1）试选载荷系数Kt=1.5
（2）齿轮传输转矩为
（3）选齿宽系数
（4）材料弹性系数
（5）初选压力角α=20°
（6）齿数比为ui=4.8
（7）选小齿轮齿数为：Z1=20，则大齿轮齿数为
Z2=20×4.8=96。
（8）由《机械设计基础》（P73）图5-24c查得

（9）计算应力循环次数

（10）查得接触疲惫寿命系数ZNT1=1，ZNT2=1.14
（11）许用接触应力可利用以下公式计算SH=1.1

即

3.计算
（1）试计算小齿轮分度圆直径d1t ,取，得

（2）确定模数

由《机械设计基础》P57表5-1取mn=2mm
（3）确定中心距
中心距
取整数，所以取，则螺旋角

齿宽
取
取
4.齿根许用疲惫强度条件切为
（1）K1、T1、m和Z同前
（2）齿宽
（3）由《机械设计基础》P74图5-26查得
齿形系数
应力修正系数为
（4）由《机械设计基础》P75图5-27中能够查出试验齿轮齿根弯曲疲惫极限
（5）许用弯曲应力
（6）查得寿命系数为，
（7）由P73表5-7中能够查出安全系数

5.计算齿轮几何尺寸
端面模数
齿根高
齿顶高
分度圆直径

齿顶圆直径

齿根圆直径

B．低速级斜齿圆柱齿轮计算
1．选择材料，热处理方法和公差等级
小齿轮选择45钢，调质处理，齿面硬度达成240HBS
大齿轮选择45钢，正火处理，齿面硬度达成210HBS
选择8级精度
2．初步计算传动关键尺寸
因为是软齿面闭式传动，故按齿数面接触疲惫强度计算。其设计公式为：
（1）小齿轮传输转矩为
（2）选载荷系数Kt=1.5
（3）选齿宽系数
（4）材料弹性系数
（5）初选压力角α=20°
（6）齿数比为ui=4.8
（7）选小齿轮齿数为：Z3=25，则大齿轮齿数为
Z4=25×4.8=120。
（8）由《机械设计基础》（P73）图5-24c查得

（9）许用接触应力可利用以下公式计算SH=1.1

（10）查得接触疲惫寿命系数ZNT3=0.99，ZNT4=0.92
（11）许用接触应力可利用以下公式计算SH=1.1

即

取，初算小齿轮分度圆直径得

（2）确定模数

由《机械设计基础》P57表5-1取
3．确定几何尺寸
中心距
取整数，所以取，则螺旋角

齿宽
取
取
5．齿根许用疲惫强度条件切为
（1）K、T、mn和Z同前
（2）齿宽
（3）由《机械设计基础》P74图5-26查得
齿形系数
应力修正系数为
（4）由《机械设计基础》P75图5-27中能够查出试验齿轮齿根弯曲疲惫极限
（5）许用弯曲应力
（6）查得寿命系数为
（7）由P73表5-7中能够查出安全系数

6．计算齿轮几何尺寸
端面模数
齿顶高
全齿高
齿顶圆直径

齿根圆直径

II 开式齿轮设计
1．选定齿轮类型精度等级、材料及齿数
（1）按传动设计方案选择直齿圆柱齿轮传动
（2）卷扬机通常为工作机，速度不高能够选择8级精度
（3）材料选择大齿轮用45钢硬度40-50HRC，小齿轮材料为40Cr，并经调制处理级表面淬火，选择齿数Z5=20，大齿轮选择Z5×4=20×4=80
2．由资料计算应力循环次数

3．计算弯曲疲惫许用应力 取
由《机械设计基础》P75图5-27中能够查出试验齿轮齿根弯曲疲惫极限
所以

取载荷系数K=1.5
查得齿形系数和应力修正系数

4．计算大小齿轮并比较

故小齿轮大
5．由资料选择齿宽系数
取
6．分度圆直径

7．齿轮宽度

8．中心距

III 斜齿圆柱齿轮上作用计算
1．高速轴齿轮传动作用力
1）已知条件，高速轴传输转矩，转速，高速齿轮螺旋角，小齿轮左旋，大齿轮右旋，小齿轮分度圆直径。
2）齿轮1作用力
圆周力为
径向力为
轴向力为
法向力为
3）齿轮2 作用
从动齿轮2各个力和主动齿轮1上对应力大小相等，作用方向相反。
2．低速轴齿轮传动作用力
1）已知条件，中间轴传输转矩，转速，低速齿轮螺旋角，为使齿轮3轴向力和齿轮2轴向力相互抵消一部分，低速级小齿轮为右旋，大齿轮左旋，小齿轮分度圆直径。
2）圆周力为
径向力为
轴向力为
法向力为
3）齿轮4 作用
从动齿轮4各个力和主动齿轮3上对应力大小相等，作用方向相反。
四．轴设计和计算
（一）中间轴设计和计算
1．已知条件：中间轴传输功率P2==3.67kw，转速，齿轮分度圆直径 ，齿宽
2．选择轴材料
因传输功率不大，并对重量及结构尺寸无特殊要求，故选择45钢调质
3．初算轴径
查《机械设计基础》表15-2得A0=103~126，考虑轴端不受转矩，只受少许弯矩，故取较小值A0=112，则

4．结构设计
1）轴结构图

2）轴承选择及轴段5设计
该段轴上安装轴承，其审计应和轴承选择同时，考虑齿轮有轴向力存在，故选择角接触球轴承，轴段1、5上安装轴承，其直径即应便于轴承安装，又应符合轴承安装，又应符合轴承内径系列，查《机械设计基础课程设计》P112续表G-1参考工作要求，并依据由轴承产品目录中取标准精度级深沟球轴承6206，得轴承内径，外径，宽度，定位轴肩直径，外径定位直径，对轴力作用点和轴承外圈大端面距离 ，故
通常一根轴上两个轴承取相同型号，故。
3）a．轴段2 和轴段4 设计
轴段2上安装齿轮3，轴段4上安装齿轮。为方便齿轮安装和分别略大于和，可初定
b．齿轮2轮毂宽度范围取其轮毂宽度和齿轮宽度相等，左端采取轴肩定位，有段采取套筒固定，因为齿轮3直径比较小，采取实心式，取其轮毂宽度和齿轮宽度相等，采取套筒定位，为是套筒端面能够顶到齿轮端面，轴段2和轴段4长度应比对应齿轮宽度略短，故取 。
c．轴段3 该段为中间轴上两个齿轮提供定位，其轴肩高度范围为其高度为4mm，故
齿轮3左端面和箱体内壁距离和高速轴齿轮右端面距箱体内壁距离均为，齿轮2和齿轮3距离初定为，则箱体内壁之间距离为

齿轮2 右端面和箱体内壁距离为

则轴段3长度为
d．轴段1及轴段5长度：轴承内端面距离箱体内壁距离取，中间轴上两个齿轮固定均由当油环完成。
则轴段1长度为
轴段5长度为
e．轴上力作用点和轴承外圈大端面距离，
可得轴支点及受力点距离为

5．键连接 齿轮和轴承间采取A型一般间连接，查表得键型号为和键
6．轴分析
①画轴受力分析见图
②计算支撑反力
在水平面上

在垂直平面上

轴承总支撑反力为

③弯矩

a- a截面

由表15-1查得45钢调制处理抗拉强度极限，表15-3查得轴许用弯曲应力

（二）低速轴设计和计算
1．材料选择：选择45钢正火处理
2．按扭转强度估算轴径
查《机械设计基础》表15-2得A0=103~126
又由15-2算得

考虑到轴最小直径处要安装联轴器会有键槽存在，故将估算直径加大3%-5%则取，故查得标准直径。
3.设计轴结构并绘制草图
①确定轴上零件位置和固定方法，要确定轴结构形状，必需先确定轴上零件装配次序和固定方法。确定齿轮从轴右端装入，齿轮左端用轴肩或轴环定位，右端用套筒固定，这么齿轮在轴上轴向位置被完全确定，齿轮周向固定采取平键连接，轴承对称安装在齿轮两侧，其轴向用轴肩固定，轴向采取过盈配合固定。
②确定各轴段直径
轴段1外伸直径最小，考虑到要对安装在轴段1上联轴器进行定位，轴段2上应有轴肩，同时为能很顺利在轴段2上安装轴承，轴段2必需是轴承内径标准，故取轴段2直径。
同理，轴段3、4直径
为了便于拆卸左端轴承，查得轴承安装高度为3.5mm 则
③确定各轴段长度
齿轮轮毂宽度为，为确保齿轮固定可靠，轴段2长度略短于齿轮轮毂宽度取58，为确保齿轮端面和箱体内壁不相碰，齿轮端面和箱体应留有一定间距取间距为，轴承宽度为,故取轴段6为，两轴承键距离为，依据箱体结构及联轴器距轴承盖要有一定距离要求，取在轴段1、2上分别加工出键槽，是两键槽处于轴同一圆柱母线，键槽长度比对应轮毂宽度小，键槽宽度按轴段直径取，且轴承内断面距内壁,同时齿轮3和4啮合，故取轴段5为 。选定圆角，倒角为。
4．齿轮传动作用力
已知条件，低速轴转矩，转速，螺旋角
圆周力 其方向和作用点圆周速度方向相反
径向力
轴向力
法向力
5.按弯曲强度校核满足强度要求。
在水平面上

在垂直面上

， 弯矩:

合成：

：转矩

相当弯矩 修正系数，
校核轴：

故满足要求
低速轴受力分析

（三）高速轴设计和计算
1．材料选择
因为是齿轮轴，材料和齿轮材料相同，40Cr调制处理。
2．按扭转强度估算轴径
查《机械设计基础》表15-2得A0=97~112
又由15-2算得
考虑到轴最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在，故
将直径加大3%~5%取为（13.832~16.275）mm，由《机械设计基础课程设计》查得标准直径
3．设计轴结构

①确定轴上零件位置和固定方法
要确定轴结构形状，必需先确定轴上零件装配次序和固定方法。确定齿轮从轴右端装入，齿轮左端用轴肩或轴环定位，右端用套筒固定，这么齿轮在轴上轴向位置被完全确定。齿轮轴向固定采取平键连接，轴承对称安装在齿轮两侧，其轴向用轴肩固定，周向用过盈配合固定。
②确定各轴段直径
查《机械设计基础课程设计》P112续表G-1参考工作要求，依据，由轴承产品目录中取标准精度级深沟球轴承6207，得轴承内径，外径，宽度，定位轴肩直径，外径定位直径。据外伸端直径考虑到对安装在轴段1上联轴器定位，则轴段2要有轴肩，同时能够顺利在轴段2上安装轴承，轴段2必需满足轴承内径标准，故取轴段2直径，用相同方法确定轴段3、4直径。为了便于拆卸，左端轴承壳差池型号为6207型滚动轴承安装高度为，取。
4.计算各轴段长度
①轴承采取脂润滑，需要用挡油环阻止箱体内润滑液溅入轴承座，为赔偿箱体铸造误差和安装挡油环，轴承靠近箱体内壁端面距箱体距箱体内壁取
挡油环挡油凸缘内侧面凸出箱体内壁
挡油环轴宽度初定
则，通常一根轴上两个轴承应取相同型号，则，，齿轮1和箱体内壁为间距。齿轮和轴段4：该段上安装齿轮为方便齿轮安装，应略大于，，键尺寸应定为，键槽深度，则该处齿轮上齿根圆和毂空键槽顶部距离为
故取，。
②轴段3和轴段5设计：该轴段壳取略大于轴承定位厚茧直径，则，齿轮右端面距箱体内壁距离为，则轴段5长度为，
轴段3长度为

③轴段1长度：该轴段长度除和轴上零件相关外，还和轴宽度及轴承端盖等零件相关，轴承座宽度为
，由表得悉箱座壁厚
故取
取轴承旁连接螺栓为
M16，则，，则，则能够得出

5．轴校核

计算支撑反力:
在水平面上

利用公式计算得

在垂直面上

轴承总支撑反力为

弯矩

对轴进行校核：

满足条件，符合所需要求
高速轴受力分析

五．键选择及计
1．选择轴键联接类型和尺寸
①轴I（高速轴）上选择一个一般平键：依据轴I尺寸查《机械设计基础》查表11-1初选为
②轴Ⅱ（中间轴）用于齿轮轴向定位采取一般平键，依据轴Ⅱ尺寸齿轮3键初选为 ；齿轮2键初选为 。
2．校核键连接强度
键、轴、轮毂材料全部为45钢，由《机械设计基础》查
表11-2得许用挤压应力
取平均值
①轴Ⅰ上用于联接齿轮键工作长度为

键和轮毂键槽接触高度

可得：
故此键满足工作要求。
键标识为：键
②轴Ⅱ上用于联齿轮键工作长度
键和轮毂键槽接触高度
可得：
故此键满足工作要求。
键标识为：键
③轴Ⅲ上
用于联齿轮键工作长度
键和轮毂键槽接触高度
可得：
故此键满足工作要求。
键标识为：键
六．滚动轴承选择和计算
1．选择轴承类型
由上述可知轴承类型从高速到低速分别为6207，6206和6208。
2．计算
①高速轴
由《机械设计基础课程设计》P112续表G-1查6207轴承得

轴向力：
径向力：

由此查《机械设计基础》表13-4得到
，所以得出
则轴承当量动载荷：

轴承在以下工作，查表13-5得载荷系数，查表13-6得，则
故满足寿命要求
②中间轴
由《机械设计基础课程设计》P112续表G-1查6206轴承得

轴向力：

由此查《机械设计基础》表13-4得到
，所以得出
则轴承当量动载荷：

轴承在以下工作，查表13-5得载荷系数，查表13-6得，则

故满足寿命要求
③低速轴
由《机械设计基础课程设计》P112续表G-1查6208轴承得

轴向力：
径向力：

由此查《机械设计基础》表13-4得到
，所以得出
则轴承当量动载荷：

轴承在以下工作，查表13-5得载荷系数，查表13-6得，则

故满足寿命要求
七．联轴器选择
1．类型选择：
因为工作中有中等振动，故选择弹性柱销联轴器。
2．载荷计算
1）轴Ⅰ上所需联轴器
（1）公称转矩：，
由《机械设计基础》表14-3查得工作情况系数，故由公式
——工作情况系数，——公称转矩
计算得转矩为：
⑵选择型号：依据工作要求及《机械设计基础课程设计》表C-4中选择LT4其公称为满足工作要求。
标注为LT4联轴器
2）轴Ⅲ上所需联轴器：
（1）公称转矩：
由资料[1]表14-1查得，故同前计算得转矩为：

⑵选择型号：依据工作要求及《机械设计基础课程设计》表C-4中选择LT8其公称为满足工作要求。
标注为LT8联轴器
八．润滑方法、密封形式及润滑油牌号选择
此减速器中齿轮啮合采取油池浸油润滑，依据推荐润滑油标准选择中负荷齿轮油（）
代号为：L-CKC460，运动粘度
轴承采取润滑脂，选择通用锂基润滑脂（）代号。箱体内为了预防稀油进入轴顾内将脂稀释；采取挡油盘进行密封；透盖处为了预防润滑脂流出零交叉检测
器，故采取毡圈进行密封。
九．其它技术说明
箱体设计
箱体采取灰铸铁（HT1500）制造，采取铸造工艺，箱体由箱座和箱盖组成，箱座做成直壁，减速器箱体尺寸结果以下表：
名称
符号及运算公式
尺寸（单位:mm）
箱座壁厚
δ
8
箱盖壁厚
δ1
8
箱盖凸缘厚度
b1=1.5δ1
12
箱座凸缘厚度
b=1.5δ
12
箱座底凸缘厚度
b2=2.5δ
20
地脚螺钉直径
df
20
地脚螺钉数目
n
6
轴承旁连接螺栓直径
d1=0.75 df
15
盖和座连接螺栓直径
d2
12
螺栓间距
L
150
轴承端盖螺钉直径
d3
10
检验孔螺钉直径
d4
8
定位销直径
d
10
df,d1,d2到外箱距离
C1
22
df,d1,d2到凸缘距离
C2
20
凸台高度
h
45
轴承旁凸台半径
R1
20
外箱壁到轴承座端面距离
L1
55
齿顶圆到内箱距离

10
齿轮端面到内箱距离

10
箱盖厚肋
m1
6.8
箱座厚肋
m
8.5
轴承端盖外圆
D2
高速轴端盖
102
中间轴
120
低速轴
105
轴承旁连接螺栓距离
S
高速轴端盖
85
中间轴
98
低速轴
95
箱座深度

208
箱座高度
H
225
箱座宽度

242
十．设计小结
经过设计，该展开式二级圆柱齿轮减速器含有以下特点：
①能满足所需传动比
齿轮传动能实现稳定传动比，该减速器为满足设计要求而设计了120总传动比。
②选择齿轮满足强度刚度要求
对于高速轴因为转速较高且齿轮尺寸较小，所以能够制成齿轮轴，因为系统所受载荷不大，在设计中采取了腹板式齿轮不仅能够满足强度及刚度要求，而且节省材料，降低了加工成本。
③轴含有足够强度及刚度
因为二级展开式齿轮减速器齿轮相对轴承位置不对称，当其产生弯扭变形时，载荷在齿宽分布不均匀，所以，对轴设计要求最高，要求设计轴含有较大刚度，确保传动稳定性。
④箱体设计得体
减速器含有较大尺寸底面积及箱体轮毂，能够增加抗弯扭惯性，有利于提升箱体整体刚性。
⑤加工工艺性能好
设计减速器含有形状均匀、美观，使用寿命长等优点，能够完全满足设计要求。
十一．参考文件
1．《机械设计基础》 师素娟 林菁 杨晓兰 主编
2．《机械设计基础课程设计》 杨晓兰 主编

Pw=3.09kw

id=32~160

nd= ( 702.72~
3513.6) r/min

i开=4

P0=3.9kw
P1=3.82kw

P2==3.67kw

P3=3.52kw

P4=3.12kw

设计合理

此键满足工作要求