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ProE 蜗轮蜗杆减速器设计 自动门传动解析

发布时间:

湘潭大学

自动门传动装置设计
课程设计说明书
李荣华 2015/1/15

湘潭大学机械工程学院

目录
1.自动门及蜗轮蜗杆传动简介 ............................................................................................................. 1 2. 总体方案确定 ...................................................................................................................................... 1 3. 原动机类型的选择和参数的计算 ...................................................................................................... 2 3.1 已知参数 ........................................................................................................................................ 2 3.1 传动比的计算: ............................................................................................................................ 2 3.2 电动机的选择 ................................................................................................................................ 2 3.2 运动参数计算 ................................................................................................................................ 3 4. 蜗杆涡轮传动强度计算 ...................................................................................................................... 3 4.1 选择蜗杆传动类型 ........................................................................................................................ 3 4.2 选择材料 ........................................................................................................................................ 3 4.3 按齿面接触疲劳强度设计 ............................................................................................................ 4 4.4 蜗杆涡轮的主要参数 .................................................................................................................... 5 4.5 校核齿根弯曲疲劳强度 ................................................................................................................ 6 4.6 验算效率 ........................................................................................................................................ 7 4.7 输出轴功率及转矩 ........................................................................................................................ 7 4.8 主要设*崧奂敖 .................................................................................................................... 7 5. 蜗轮轴的尺寸设计与校核 .................................................................................................................. 8 6.1 初步估算轴的最小直径(与联轴器连接部分的直径) ............................................................. 8 6.2 轴的结构设计 ................................................................................................................................. 9 6.3 轴的校核计算 ................................................................................................................................. 9 6. 减速器的润滑 ..................................................................................................................................... 11 7. 课程设计体会 ..................................................................................................................................... 11 参考文献: ............................................................................................................................................. 13

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1.自动门及蜗轮蜗杆传动简介
此次设计的是一种直线移动的自动门,采用单级蜗轮蜗杆减速器传动,通过 涡轮输出轴驱动安装在门上的摩擦轮转动,带动门直线运动。 蜗轮蜗杆减速器是一种动力传动机构,且可将电机的回转数减速到所要的 回转数,并得到较大转矩的机构。几乎在各式机械的传动系统中都可以见到它 的踪迹,从交通工具的船舶、汽车、机车,建筑用的重型机械,机械工业所用 的加工机械及自动化生产设备,到日常生活中常见的家电,钟表等等。本设计 采用 Pro/E 及 AutoCAD 软件。

2. 总体方案确定
根据要求设计单级蜗杆减速器,传动路线如下图 1 所示:电机——连轴器 ——蜗轮蜗杆减速器——连轴器——摩擦轮。采用蜗杆下置式结构,啮合处的 冷却和润滑均较好。蜗轮在蜗轮轴上分别利用*键和套筒作周向和轴向固定, 蜗杆及蜗轮轴均采用调心滚子轴承,可承受较大径向载荷和少量轴向载荷的复 合作用,为防止轴外伸段箱内润滑油漏失以及外界灰尘,异物侵入箱内,在轴 承盖中装有密封元件。减速器的结构包括电动机、蜗轮蜗杆传动装置、蜗轮轴、 箱体、滚动轴承、检查孔与定位销等附件、以及其他标准件等。
电动机

电动机

电动机

Figure 1 自动门启闭传动机构布置
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3. 原动机类型的选择和参数的计算
3.1 已知参数
电动机功率: P 1 ? 0.75w 电动机转速: n1 ? 910r / min 大门单边长度: l ? 2.2m 启闭运行时间: t = 15 s

3.1 传动比的计算:
根据已知条件,易求得摩檫轮线速度:
l 2.2 v2 ? ? ? 0.15m / s t 15

预设摩檫轮半径为 r ? 50mm ,则涡轮输出轴的角速度为

?2 ?
即涡轮输出轴角速度为

v 0.15 ? rad / s ? 3rad / s r 0.05

n2 ? 60 ?

? 3 ? 60 ? ? 28.7r / min 2? 2?

蜗杆的转速(即电动机的转速) n1 ? 910r / min ,则蜗轮蜗杆的传动比为
i? n1 910 ? ? 31.7 n2 28.7

圆整后取 i ? 32 。

3.2 电动机的选择
根据要求及自动门的工作环境,选用 Y 系列封闭式笼型三相异步电动机 Y90S-6,电动机额定功率为 0.75w,转速 910r/min,能防止灰尘、铁屑等进入 电动机内及防止任何方向的溅水对电动机的影响。

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3.2 运动参数计算
1)蜗杆轴的输入功率、转速与转矩 蜗杆轴的输入功率 P1 即电动机的输出功率 P 1 ? 0.75kw ; 蜗杆轴的转速 n1 ? 910r / min 则蜗杆轴的转矩为
T1 ? 9550 P 0.75 1 ? 9550 ? N m ? 7.87 N .m n1 910

2)蜗轮轴的输入功率、转速与转矩 先大概估算蜗轮蜗杆的传动效率为?12 ? 0.8 ,则 涡轮轴的输入功率为

P2 ? P 1 ??12 ? 0.75 ? 0.8 ? 0.6kw
涡轮轴的转速为
n2 ? n1 910 ? r / min ? 28.4r / min i 32

涡轮轴的转矩为
T2 ? 9550 P2 0.6 ? 9550 ? N mm ? 199652 N mm n2 28.4

4. 蜗杆涡轮传动强度计算
4.1 选择蜗杆传动类型
本机构载荷较小,速度较低,精度要求不高,且力求加工简单,经济性高, 故故选用阿基米德圆柱蜗杆闭式传动。

4.2 选择材料
1)蜗杆 考虑到本蜗杆传动功率不大,速度较低,故蜗杆选用 45 钢,因希望耐磨性 好些,所以蜗杆螺旋齿面要求淬火,硬度为 45~55HRC。
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2)涡轮 考虑到本涡轮蜗杆传动滑动速度不高( vs ? 2m / s ) ,对效率要求较低,涡 轮采用灰铸铁 HT150,为防止变形,进行时效处理。

4.3 按齿面接触疲劳强度设计
由于蜗轮齿数较少(Z<90) ,且为闭式传动,涡轮蜗杆副多因齿面胶合或 点蚀而失效,因此应以齿面接触疲劳强度进行设计,而按齿根弯曲疲劳强度进 行校核。齿面接触疲劳强度设计计算公式为
m2 d1 ?? KT2 ( 480 2 ) Z [? H ]

1)确定蜗杆头数 蜗杆头数越大,传动比就越小,但效率越高,根据本设计传动比 i ? 32 较 小及为提高效率的原因,选定蜗杆头数 Z ? 2 。 2)确定载荷系数 由于自动门启动次数较多,荷载有小冲击,故使用系数取 K A ? 1.15 ;因工 作载荷较稳定,故取载荷分布不均匀系数 K? ? 1 ;因涡轮圆周速度 v2 ? 3m / s , 取动载系数 Kv ? 1.05 。则载荷系数为

K ? K A K? KV ? 1.15 ?1?1.05 ? 1.21
3)确定弹性影响系数 铸铁涡轮与钢蜗杆配对时,取 Z E ? 160MP1/2 4)确定涡轮齿数 涡轮齿数为

Z2 ? Z1 ? i12 ? 2 ? 32 ? 64
5)确定许用接触应力 根据涡轮材料为灰铸铁 HT150,蜗杆螺旋齿面硬度大于 45HRC,估算的蜗 轮蜗杆滑动速度为 1~2m/s,查表的蜗轮蜗杆的基本许用应力为 [? H ] ? 172MP 。
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6)计算 m2 d 的值
m2 d ? 1.21?199652 ? (
480 2 ) mm3 ? 459.3mm3 64 ?172

因 Z ? 2 , 查 表 得 模 数 m ? 3.15 , 蜗 杆 分 度 圆 直 径 d 1 ? 35.5mm , 导 程 角

? ? 10.063 。
7)验算滑动速度 蜗轮蜗杆相对滑动速度为
vs ? v1 ? d1n1 ? ? 35.5 ? 910 ? ? ? 1.72m / s ? (1, 2)m / s cos ? 60 ?1000cos ? 60 ?1000cos10.063

在先前估算的范围内,所以不需要重算。

4.4 蜗杆涡轮的主要参数
1)中心距 涡轮分度圆直径为

d2 ? mz2 ? 3.15 ? 64mm ? 201.6mm
所以涡轮与蜗杆的中心距为
a? d1 ? d 2 35.5 ? 201.6 ? mm ? 118.6mm 2 2

2)蜗杆 轴向齿距为

pa ? ? m ? 3.15 ? ? mm ? 9.89mm
直径系数为
q? d1 35.5 ? ? 11.27 m 3.15

齿顶圆直径为

da1 ? d1 ? 2ha?m ? 35.5 ? 2 ?1? 2.15mm ? 41.8mm
齿根圆直径为
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d f 1 ? d1 ? 2(ha? ? c?m) ? 35.5 ? 2 ? (1? 3.15 ? 0.25? 3.15)mm ? 27.6mm
蜗杆轴向齿厚为

Sa ? 0.5? m ? 0.5 ? ? ? 3.15 ? 4.95mm
3)涡轮 涡轮喉圆直径为

d2 ? mz2 ? 3.15 ? 64mm ? 201.6mm
涡轮齿顶圆直径为

da 2 ? d2 ? 2ha?m ? 201.6 ? 2 ?1? 2.15mm ? 207.9mm
涡轮齿根圆直径为

d f 2 ? d2 ? 2(ha? ? c?m) ? 201.6 ? 2 ? (1? 3.15 ? 0.25? 3.15)mm ? 193.7mm
涡轮咽喉圆直径为

rg 2 ? a ? 0.5da 2 ? 118.55 ? 0.5 ? 207.9 ? 14.6mm

4.5 校核齿根弯曲疲劳强度
涡轮当量齿数为
Zv 2 ? Z2 64 ? ? 67.02 3 (cos ? ) (cos10.063 )

根据 Zv2 ? 67.02 ,查手册图的齿形系数 YFa 2 ? 2.25 。 螺旋角系数为
Y? ? 1 ? 10.063 ? 0.9281 140

许用弯曲应力为

[? F ] ? [? F ]' KFN
查表得灰铸铁 HT150 涡轮许用弯曲应力 [? F ]' ? 28MP , 应力循环次数为
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N ? 60 jn2 Ln ? 60 ?1? 28.7 ?10 ? 365 ?12 ? 7.58?108
寿命系数为

K FN ? 9 10
则算得许用弯曲应力为

6

N

?9

106 ? 0.48 7.58 ?108

[? F ] ? 28 ? 0.48 ? 13.42MP
最后,弯曲应力为

? F?

1.53 ?1.21?119652 ? 2.25 ? 0.9218 ? 10.24 MP ? [? F ] ? 13.42 MP 35.5 ? 201.6 ? 3.15

所以弯曲强度是满足的。

4.6 验算效率
蜗轮蜗杆传动效率计算公式为

? ? (0.95 ~ 0.96)

tan ? tan(? ? ?v )

已 知 ? ?1 0 . 0 6 3 , ?v ? arc tan fv , fv 与 相 对 滑 动 速 度 v s 有 关 。 由 于
?1 . 7 2 m s / ,查表,插值的 fv ? 0.0225, ?v ? 1.208 ,带人式中的? ? 0.83 ,大于原

估计值,因此不需要重算。

4.7 输出轴功率及转矩
输出轴功率为

P2 ? P ? ? 0.75 ? 0.83 ? 0.6225kw 1
输出轴转矩为
T2 ? 9.55 ?106 P2 0.6225 ? 9.55 ?106 ? ? 2.08 ?105 N mm P 28.4 1

4.8 主要设*崧奂敖
蜗轮蜗杆模数为 m ? 3.15mm ,蜗杆直径 d1 ? 35.5mm ,头数 Z ? 2 ,涡轮齿
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数 Z ? 64 。蜗杆材料用 45 钢,齿面淬火;涡轮材料灰铸铁 HT150,砂模铸造。 Pro/E 建模蜗杆如图 Figure 2:

Figure 2 蜗杆

Pro/E 建模涡轮,如图 Figure 3

Figure 3

5. 蜗轮轴的尺寸设计与校核
6.1 初步估算轴的最小直径(与联轴器连接部分的直径)
初步估算轴最小直径公式为

d2min ? A0 3

P2 mm n2

其中, A0 ? 3

9550000 0.2[? T ]

根据轴材料为 45 钢,查表取 A0 ? 110 ,则最小轴径为

d2min ? 110 ?

0.6225 mm ? 28.8mm 28.4

又因轴上有键槽所以 d 2 增大 7%,取 d2 ? 31mm 。
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根据输出轴结构设计,显然轴的最小直径是安装联轴器处的直径。为了使 所设计的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需要同时选取联轴器的型号。联轴 器的计算转矩为

Tca ? K AT2
其中 K A 为工作情况系数,查表可取 K A =1.3,则

Tca ? 1.1? 2.07 ?105 N mm ? 209N m
查手册选用 YL8 型凸缘联轴器,其公称转矩为 250 N m ,半联轴器的孔径 为 32mm ,取此处轴径为 32mm ,半联轴器的长度 L ? 60mm (J 型,无沉孔的 短圆柱型轴孔) 。

6.2 轴的结构设计
蜗轮轴的材料为 45 钢并调质,且蜗轮轴上装有滚动轴承,蜗轮,轴套,密 封圈、键等,最终设计的涡轮输出轴轴如下图 Figure 4 所示。

Figure 4 涡轮输出轴

与联轴器连接键为普通*键 GB/T1096—1979A 型键 10×8×20; 与涡轮连接键为普通*键 GB/T1096—1979A 型键 12×8×28; 圆角半径均为 1.6mm。

6.3 轴的校核计算

计算项 计算内容 目 转矩 T1
T1 ? 1194247 N ? mm

计 算结果

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圆周力

Ft ?

2T1 2 ? 1194247 =31846.6N ? d1 75

Ft =31846.6N

径向力

F? ? Ft tan? ? 31846 .6 ? tan4.57? =

F? =2547.5N

2547.5N

轴向力

F? ? Ft t an? t =31846.6×
tan 20?

Fr =11591.2N

F ' R1 ? ( F? ?

d2 ? Ft ? 6000 ? 120 ) / 141 2 F 'R1 =1334
.6N

计算支 承反力
F 'R2 ?

=1334.6N
31846 .6 ? 70.5 ? 6000 ? 261 ? 2547 .5 ? 140 141 F'

R2

=10948

N =10948N 垂直面 反力 合成弯矩 轴受转 矩T 许用应 力值 应力校 正系数 a 当量弯 矩
F " R1 ? FR 2 ?
"

Fr 11591 .2 ? ? 5795F .6 "R1 ? F "R 2 2 2

=5795.6N

M ? M XY ? M XZ
T = T1 =1194247Nmm

T=1194247Nm m

[? ?1b ] ? 60Mpa [? 0b ] ? 102.5Mpa

a= [? ?1b ] /[? 0b ] ? 60/ 102.5 ? 0.59 蜗轮段轴中间截面
M '3 ? M 2 ? (aT ) 2 ? 542351.22 ? (0.59 ?1194274)2

a=0.59
M ' III ? 88917

7.4Nmm

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=889177.4Nmm 轴承段轴中间截面处
M ' 2 ? 419283 .2 2 ? (0.59 ? 1194274 ) 2

M 'I ?II =81993

3Nmm

=819933Nmm
d III ? 3 M '3 889177 .4 ?3 ? 52 ? 85mm 0.1[? ?1b ] 0.1 ? 60 M '2 819933 ?3 ? 51.5 ? 75mm 0.1[? ?1b ] 0.1 ? 60

验算结果在 设计范围之 内, 设计合格

轴径校 核
d I ? II ? 3

6. 减速器的润滑
减速器内部的传动零件和轴承都需要有良好的润滑,这样不仅可以减小摩 擦损失,提高传动效率,还可以防止锈蚀、降低噪声。 本减速器采用蜗杆下置式,所以蜗杆采用浸油润滑,蜗杆浸油深度 h 大于 等于 1 个蜗杆螺牙高,但不高于蜗杆轴轴承最低滚动中心。 蜗杆轴承采用脂润滑,为防止箱内的润滑油进入轴承而使润滑脂稀释而流 走,常在轴承内侧加挡油盘。

7. 课程设计体会
这次毕业设计我的主要任务是基于 Pro/E 的蜗轮蜗杆减速器设计。这与以 前的课程设计有很大的不同。这可以说是全新的来学*一门知识,因为它不再 是零件的乃至机器的设计。而是一种全新的设计理念的分析与利用。 通过本次设计使我对 Pro/E 有了更深的理解和认识。但是在设计过程中我 也遇到了很多的困难,首先是 Pro/E 分析方面知识的匮乏,许多理论知识是以 前没有接触过的,这让我学*起来有很大的难度。其次由于理论理解的不够深 刻致使在实际运用中出现用错等情况。但是在连老师的殷勤指导和孜孜不倦的 讲解下,我不但对理论知识有了更深的理解也在运用方面更加得心应手。
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在设计的过程中,让我了解了设计方法对我们学*的重要性,同时也发现 了自己的很多不足之处。仅仅了解书本上的知识是远远不够的,只有结合自己 的实际情况运用于实践,这样才能更深地了解和学*好知识。我们要在工作中 不断的积累经验,学会用自己的知识解决实际问题。同时我们要不断地向别人 学*,尤其要多想老师请教,他们可以让我们少走很多的弯路,同时也让我们 知道很多优秀的设计方法和与众不同的设计理念。

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参考文献:
[1]濮良贵.机械设计.北京:高等教育出版社,2013.5; [2]任金泉.机械设计课程设计[M].西安: 西安交通大学出版社, 2003; [3]张鄂.现代设计理论与方法[M].北京:科学出版社,2007; [4]周开勤.机械零件手册[M].北京:高等教育出版社,2002; [5]王纪安.工程材料与材料成型工艺[M].北京:高等教育出版社, 2004; [6]公差配合与测量技术/董燕主编.武汉理工大学出版社,2008.8; [7]姜俊杰.《Pro/ENGINEER Wildfire 高级实例教程》中国水利水电 出版社,2005; [8]林清安.Pro/ENGINEER Wildfire3.0 零件装配与产品设计.北京: 电子工业出版社,2005.4。

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