机械设计基础课程设计卷扬机

机械设计基础（2）课程设计 ——卷扬机传动装置设计说明书

目录

一、设计题目................................................................................................................... 3

1.1设计条件 ............................................................................................................. 3 1.2设计任务 ............................................................................................................. 3 1.3成果要求 ............................................................................................................. 3 二、系统总体方案............................................................................................................ 4

2.1 方案构思 ............................................................................................................ 4 2.2传动方案确定 ...................................................................................................... 4 三、选择电动机类型 ........................................................................................................ 5

3.1 电动机有关参数确定 ........................................................................................... 5

3.1.1 确定电动机功率 ........................................................................................ 5 3.1.2 确定电动机转速 ........................................................................................ 6 3.2 确定电动机型号 .................................................................................................. 6 四、设计传动装置............................................................................................................ 7

4.1分配各级传动比 ................................................................................................... 7 4.2传动装置的运动和动力参数 ................................................................................. 8 4.3齿轮的设计 .......................................................................................................... 9 4.4 V带设计 ............................................................................................................ 11 五、轴的设计................................................................................................................. 13

5.1 有关参数计算 ................................................................................................... 13 5.2 轴的结构设计： ................................................................................................ 14 六、其他零件的设计 ...................................................................................................... 17

6.1 联轴器的选择 ................................................................................................... 17 6.2 箱体的设计 ....................................................................................................... 17 6.3减速器的润滑 .................................................................................................... 18 参考资料........................................................................................................................ 18 附件

附件一减速器装配图 附件二大齿轮零件工作图 附件三输出轴零件工作图

一、设计题目

1.1设计条件

卷扬机传动装置简图如下：

1.卷扬机数据

卷扬机牵引力F=12kN，吊绳牵引速度v=0.3m/s，卷筒直径D=500mm。 2.工作条件

用于建筑工地提升物料，空载启动，连续运转，三班制工作，工作要求平稳。 3.使用期限

工作期限为10年，每年工作300天，三班制工作，每班工作4小时。检修间隔为3年。 4.生产批量及加工条件

小批量生产，无铸钢设备。

1.2设计任务

1.确定传动方案

2.选择电动机型号

3.设计传动装置

4.选择联轴器

1.3成果要求

1.减速器装配图一张

2.零件工作图二张（大齿轮、输出轴）

3.设计说明书一份

二、系统总体方案

2.1 方案构思

电动机→传动装置→执行机构，初选三种传动方案，如下：

图2.1 二级圆柱齿轮传动

图2.2 蜗轮蜗杆减速器

图2.3 二级圆柱圆锥减速器

2.2传动方案确定

比较上述方案，在图2.2中，此方案为整体布局小，传动不平稳，虽然可以实

现较大的传动比，但是传动效率低。图2.1中的方案结构简单，且传动平稳，适合要求。图2.3中的方案布局比较小，但是圆锥齿轮加工较困难，特别的是大直径，大模数的锥轮，所以一般不采用。

最终方案确定：采用二级圆柱齿轮减速器，其传动系统为：电动机→传动系统

→执行机构（如下图）。

图2.4 最终方案

三、选择电动机类型

3.1电动机有关参数确定

3.1.1 确定电动机功率

电动机的速度计算：

v=

πDn工

60⨯1000

⇒nv⨯1000

0.3⨯1000

工=

πD

=

π⨯500

=11.4r/min

输出所需要功率：Pw=FV=12*0.3/60=3.6KW （3-1）

传动效率计算：η=η42

1η2η3η4η5

（3-2）

注：

V带传动效率为η1=0.96 滚动轴承效率（一对）η2=0.99 闭式齿轮传动效率为η

3=0.97

联轴器效率为η4=0.99 传动滚筒效率为η5=0.96

得η=0.825 Pd=

Pw

η

，其中PW(kw)=

FV1000

式中：Pd----工作机实际需要的电动机输出功率，KW； Pw----工作机所需输入功率，KW；

η--------电动机至工作机之间传动装置的总效率。

所以Pd=

12⨯1000⨯0.30.825⨯1000

=4.4kw

使电动机的额定功率Ped ＝（1～1.3）Pd ，由查表得电动机的额定功率P ＝5.5KW。

3.1.2 确定电动机转速

计算滚筒工作转速

w=

60⨯1000⨯V

πD

=

60⨯1000⨯0.3

π⨯500

=11.46r/min

：

由推荐的传动比合理范围，v带轮的传动比范围：＜=7，二级圆柱齿轮减速器的传动比一般范围：8～40。（由机械设计设计手册可查得）则总传动比的范围为，i'=16~160

''

故电机的可选转速为：nd=inw=(16~160)⨯11.46=183.36~1833.6r/min

3.2 确定电动机型号

电动机通常多选用同步转速有750r/min，1000r/min，1500r/min，3000r/min综合考虑电动机和传动装置的情况，同时也要降低电动机的重量和成本，最终可确定同步转速为1000r/min ，根据所需的额定功率及同步转速查表确定电动机的型号为Y132M2-6，满载转速960r/min。

其主要性能：额定功率：5.5KW，满载转速960r/min，额定转矩2.0，质量84kg（机械设计设计手册）。

四、设计传动装置

4.1分配各级传动比

1.传动装置的总传动比要求应为 I=nm/nw

式中：nm---电动机满载转速

总传动比：ia =960/11.46=83.77

2.分配各级传动比

查机械手册，取V带的传动比i0=3，则减速器的传动比i为

iai0

83.773

i===27.92

取两级援助齿轮减速器高速级的传动比

i1=

.4i=

.4⨯27.92=6.252

则低速级的传动比为

i2=

ii1

=27.926.252

=4.466

由上知此传动装置的总的传动比等于83.77大于40，所以在电动机与减速器之间选用

4.2传动装置的运动和动力参数

电动机轴

P0=Pd=4.4KW

n0=nm=960r/min

T0=9550

4.4960

N∙m=43.77N∙m

Ⅰ轴（高速轴）

P1=P0η1=4.4⨯0.96=4.224KW

n1=

n0i=

960=320r/min

01

3TP14.2241=9550

n=9550⨯

1

320

=126.06N∙m

Ⅱ轴（中间轴）

p2=p1⨯η2⨯η3=4.224⨯0.99⨯0.97=4.06KWn2=

n1i=

32012

6.252=51.18r/min

Tp24.062=9550

n=9550⨯

757.58N∙W

2

51.18

=Ⅲ轴（低速轴）

p3=p2⨯η2⨯η3=4.06⨯0.99⨯0.97=3.90KWn3=

n2i=51.18=11.46r/min

23

4.466Tp33.903=9550

n=9550⨯

3

11.46

=3250N∙W

Ⅳ轴（滚筒轴）

p4=p3⨯η2⨯η3=3.9⨯0.99⨯0.97=3.82KWn4=n3=11.46/min

T824=9550

p4n=9550⨯

3.4

11.46

=3183.33N∙W

运动和动力参数的计算数值整理列表如下

表4.1 各传动轴参数值

4.3齿轮的设计

4.3.1高速级齿轮传动的设计计算

①材料：高速级小齿轮选用45#钢调质，齿面硬度为241.5HBS。高速级大齿轮选用45#钢正火，齿面硬度为186.5HBS。查课本得 SH=1.1,SF=1.25。 ②查课本得：

σHlim1=585MPa，σHlim2=375MPa，σFE1=445MPa ，σFE2=310MPa

故 [σH1]=

σHlim1

SH

5851.1

=532MPa[σH2]=

=

σHlim2SH

=

3751.1

=341MPa

[σFE1]=

σFE1

SF

=

4451.25

=356MPa

[σFE2]=

σFE2

SF

=

3101.25

=248MPa

③按齿面接触强度设计：

8级精度制造，查机械设计手册得：均匀载荷，载荷系数K=1.2（有轻度振动） 取齿宽系数：φd=0.7

对于高速级齿轮T1=126060N.mmi1=6.252 查表得ZE=188,ZH=2.5 计算中心距： d1≥

2KT1ΦD

⨯u+1u

⎡188⨯2.5⎤⨯⎢mm⎥⎣341⎦

⎡188⨯2.5⎤⨯⨯⎢mm⎥6.252⎣341⎦7.06

2

2

=

2⨯1.2⨯126060

0.7

≈97.51mm

动力传动齿轮m可以取2.5,3,4等。 a1=

12

m(Z1+Z2)

i=

Z2Z1

，

取m＝2.5时，Z1=32，.Z2=200 返算：i=6.252

分度圆直径：d1=mz1=2.5⨯32=80mm,d2=mz2=2.5⨯200=500mm 中心距 a=

d1+d2

2

齿宽：b=φdd1=0.7⨯98.53=68.97mm 可取b2=70mm ， b1=75mm 高速级小齿轮：b1=75mm， Z1=32 通过课本有关公式得：

Z1=32，YFa1=2.55, Ysa1=1.64

高速级大齿轮：b2=70mm，Z2=194

Z2=200,YFa2=2.19，YSa2=1.8

按齿宽b=56mm计算强度：

σF1=

2KT1YFa1YSa1

bmZ1

2

=

2⨯1.2⨯126060⨯2.25⨯1.64

56⨯2.5⨯32

2.58⨯1.82.19⨯1.64

2

=99.7MPa

σF2=σF1

YFa1⨯YSa2YFa2⨯YSa1

=99.7MPa⨯

=128.9MPa

第一对齿轮的齿面接触疲劳强度和齿根的弯曲疲劳强度满足要求。 4.3.2低速级大小齿轮的设计

对于低速级齿轮，i2=4.466，T2=757580N∙MM,n2=51.18r/min

③按齿面接触强度设计：8级精度制造，查机械设计手册得：载荷系数K=1.2，取齿宽系数φd=0.7

计算中心距：ZE=188,ZH=2.5

d1≥

2KT1ΦD

⨯

u+1u

⎡188⨯2.5⎤⨯⎢mm⎥⎣341⎦⎡188⨯2.5⎤⨯⨯⎢⎥mm4.33⎣341⎦5.33

2

2

=

3

2⨯1.2⨯757580

0.7

≈180.58mm

m可以取2.5,3,4等。 a2=

12

m(Z1+Z2)

i2=

Z2Z1

，

当取m=4取时，Z1=30, 则 Z2=134

i=4.466。

分度圆直径：d1'=mz1=4⨯30=120mm,d2=mz2=4⨯134=536mm 中心距 a=

d1+d2

2

'

齿宽:b1=φdd1=0.7⨯180=126mm

则可取 b2=125mm,b1=130mm ④验算轮齿弯曲强度：

Z1=30，YFa1=2.55，Ysa1=1.63

Z2=134,YFa2=2.21，YSa2=1.77

按最小齿宽b2=125mm

σF1=

2KT2YFa1YSa1

bmZ1

2

=

2⨯1.2⨯734200⨯2.55⨯1.63

125⨯4⨯30

2

=139.51MPa

σF2=σF1

YFa1⨯YSa2YFa2⨯YSa1

=139.51MPa⨯

2.55⨯1.772.21⨯1.63

=174.80MPa

第二对齿轮的齿面接触疲劳强度和齿根的弯曲疲劳强度满足要求。

4.4 V带设计

4.4.1带的型号和根数确定

确定计算功率Pc。由表13-8（机械设计基础，第五版）查得工作情况系数KA=1..2;故Pc=KAP=1.2⨯4.4=5.28KW

4.4.2v带带型确定

根据 Pc=5.28KW ， nm=960 r/min

由查机械设计手册知选用A型。确定带轮的基本直径dd1并验算带速v。

4.4.3 初选小带轮的基准直径

dd1

取小带轮的基准直径dd1=150mm；

验算带速v v=

πdd1n160⨯1000

=

3.14⨯150⨯960

60⨯1000

=7.5m/s；因为5m/s

带轮的基准直径；

计算大带轮的基准直径dd2=idd1=3⨯150=450mm，取450mm. 确定v带的中心距和基准长度Ld 根据式0.7(dd1+dd2)≤

420≤

a

≤2(dd1+d)

d2

a

≤1200取a0=700mm，初定中心距a0=700mm。

计算V带所需的基准长度L0≈2a0+

π2

(dd1+dd2)+

(dd2-dd1)4a0

2

=2⨯700+

3.142

(150+450)+

(450

-150

)2

4⨯700

=2374.14mm

选带的基准长度2500mm 计算实际中心距a

Ld-Ld0

2

2500-2374.14

2

a≈a0+

=700+≈763mm；

进一步得

a

max

=a+0.03

L

d

=(763+0.03⨯2500)mm=838mm

a

min

=a-0.015

L

d

=(763-0.015⨯2500)mm=725.5mm

得中心距的变化范围为725.5-838mm。 验算小带轮上的包角

α1≈180-(dd2-dd1)

57.3a

=180

-(450-150)

57.3763

≈157.5≥120

00

4.4.4计算带的根数z

计算单个v带的额定功率Pr。由dd1=051由式（13-9）得传动比

i=d2/d1(1-﹠)=450/150×（1-0.02）=2.94

mm和n1=069

r/nmi

，得P0=1.78KW。

根据n1=960r/min,i=2.94和A型带，查表(机械设械设计基础

得

∆P0=0.11KW

)

由a1=157.5查表13-7(机械设计基础，第五版)得Kα=0.94，表13-2(机械设计基础，第五版)得KL=1.09，于是 V带的根数

Z=

Pc

5.28

(P0+∆P)∙Kα∙KL

= (1.78+0.11)×0.94×1.09=2.73 圆整为3。

4.4.5 计算单根v带初拉力的最小值

(F0)min

由表13-1(机械设计基础，第五版)得A型带的单位长度质量q=0.1Kg/m,所以

(F0)min

=500

(2.5-Kα)Pc

Kαzv

+qv

2

=500

(2.5-0.94)⨯5.28

0.94⨯3⨯7.5

+0.1⨯7.5=187.87N

2

应使带的初拉力F0>(F0)min

五、轴的设计

5.1 有关参数计算

作用在轴上的压力Fp，压轴力的最小值为：

(Fp)min=2z(F0)minsin

α12

=2⨯4⨯187.87⨯sin

157.52

ο

=1472.90N

低速轴的设计： 由上知P3=3.90KW

n3=11.46r/min T3=3050N．m

初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45刚,调质处理，根据课本第245页式14-2,取

[τ]=35Mpa，C=113，得: dmin=C3

L1=(1.5 2)d取L1=132mm

p3n3

=110⨯3.9011.46

=76.80mm联轴器配合的轴段长

5.2 进行轴的结构设计：

5.2.1 低速轴设计

1）低速轴第一段轴颈配联轴器，取d1=76mm，L1=132mm，d2=84mm,查手册得L2=40mm;d3

段装配轴承且d3.>d2,所以查手册1取d3=90mm,选用6018轴承，L3=40mm;第四段主要是定位轴承，取d4=98mm,L4由箱体确定取66mm;L5段为轴间，用于定位齿轮，区d5=108mm,轴长L5取14mm;第六段轴为装 齿轮，取d6=100mm，取l6=128mm:第七段与第三段一样装轴承，去d7=90mm,L7

=40mm.

图5.1 低速轴的结构图

2）求作用在轴上的作用力：

已知低速级大齿轮的分度圆直径为 d2=520mm 齿轮作用在轴上的水平力即周向力：

Ft=

2T3d2

=

2⨯3050520⨯10

-3

=11730.76N

齿轮作用在轴上的铅垂力即径向力：

Fr= Fttanα=11730.76⨯tan20=4269.65N

由于齿轮和联轴器都对轴有作用力而产生弯矩，故将两者弯矩分别求得再进行合成。 轴的强度校核

在垂直面上

Ft∙

左侧FNH1=右侧FNH弯矩M

H2

la

=11730.76=5.87KNla2

=FT-FNH1=11730.76-5870=5.86KN=FNHla/2=5.86⨯218/2N∙M=6629.95N∙M

在水平面上有

Fr⨯

l-Fp⨯l

d

=4273.67⨯143.5-1472.90⨯260=0.356KN

288

左侧FNH1=

右侧FNH2=Fr=4.274-0,356=3.918KN

弯矩MH=FNH2la/2=3.918⨯143.5N⋅m=421N∙m

总弯矩

M=

=

=758N⋅m

扭矩

T=

Ftd42

=

11741.81⨯0.090

2

=528N⋅m

进行校核时候，通常只是校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度根据式及上面的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环应力，取α=1，轴的计算应力

σca=

W

=

0.1⨯0.076

=21.04MPa

查得45刚的[σ-1]=60MPa。因为σca

5.2.2 中间轴的设计

由上知P=4.06KW

2

n2=51.18r/minT2=757.58N．m

初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45刚,调质处理，根据课本第245页式14-2,取

[τ]=35Mpa，C=113，得

:dmin

47mm.

==110⨯

=46.77mm。所以最小轴应大于

第一段轴装轴承，查手册62页表6-1取d1=50mm,选用6010轴承，L1=40mm;第二段主要是定位齿轮，d2.>d1,取d2=58mm,L2略小于前低速齿轮设计的小齿轮宽度b1，取128mm;L3段为轴间，用于定位齿轮，区d3=66mm,轴长L3取12mm;第四段轴为装 齿轮，取d4=58mm，因为

L

校核同上，此设计满足要求。

图5.2中间轴的结构图

5.2.3高速轴的设计

由上知P=4.224KW n1=320r/min

1

T1=126.06N．m

初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45刚,调质处理，根据课本第245页式14-2,

取[τ]=35Mpa，C=113，得

:dmin= 26mm.

进行轴的结构设计

第一段轴颈配轴承查手册62页表6-1取d1=35mm,选用6007轴承取L1=40mm,第二段轴用于定位齿轮取d2=45mm，取L2=72mm;d3段根据箱体的具体情况定为136mm2,所以取d3=40mm,，L3=136mm;第四段配轴承d4=35mm,L4取40mm;L5段用于连接带轮d5=30mm,l5=150mm

校核同上，此设计满足要求。

=110⨯

=25.99mm

所以最小轴应大于

图5.3高速轴的结构图

六、其他零件的设计

6.1联轴器的选择

低速轴端联轴器：根据联轴器的计算公式Tc=KAT，查表得，取工作情况系数KA=1.9;

则有

（机械设计手册）选用HL7弹性柱销联轴器，其Tc=KAT3=1.9⨯3052.87=5800N∙m，公称转矩为6300N∙m。

6.2 箱体的设计

表6.1 箱体设计有关参数

6.3减速器的润滑

1、 齿轮的润滑

因齿轮的圆周速度很小，所以才用浸油润滑的润滑方式。高速齿轮浸入油里约为0.7个齿高，但不小于10mm，低速级齿轮浸入油高度约为1个齿高（不小于10mm），1/6齿轮。

2、滚动轴承的润滑

采用飞溅润滑，即利用齿轮的传动把润滑齿轮的油甩到四周墙壁面上，然后通过适的油槽把油引入轴承中去。

参考资料

[1]《机械设计基础（第五版）》，高等教育出版社， 杨可桢 程光蕴 李仲生 主编；普通高等教育“十一五”国家级规划教材；

[2]《机械设计课程设计手册（第二版）》，高等教育出版社，清华大学 吴忠泽 北京科技大学 罗圣国。