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二級變速箱設計計算說明書(一)
第一部分 設計任務書
1.1 機械設計課程的目的
機械設計課程設計是機械類專業和部分非機械類專業學生第一次較全面的機械設計訓練，是機械設計和機械設計基礎課程重要的綜合性與實踐性教學環節。其基本目的是：
(1) 通過機械設計課程的設計，綜合運用機械設計課程和其他有關先修課程的理論，結合生產實際知識，培養分析和解決一般工程實際問題的能力，并使所學知識得到進一步鞏固、深化和擴展。
(2) 學習機械設計的一般方法，掌握通用機械零件、機械傳動裝置或簡單機械的設計原理和過程。
(3) 進行機械設計基本技能的訓練，如計算、繪圖、熟悉和運用設計資料（手冊、圖冊、標準和規范等）以及使用經驗數據，進行經驗估算和數據處理等。
1.2 機械設計課程的內容
選擇作為機械設計課程的題目，通常是一般機械的傳動裝置或簡單機械。
課程設計的內容通常包括：確定傳動裝置的總體設計方案；選擇電動機；計算傳動裝置的運動和動力參數；傳動零件、軸的設計計算；軸承、聯軸器、潤滑、密封和聯接件的選擇及校核計算；箱體結構及其附件的設計；繪制裝配工作圖及零件工作圖；編寫設計計算說明書。
在設計中完成了以下工作：
① 減速器裝配圖1張（A0或A1圖紙）；
② 零件工作圖2～3張（傳動零件、軸、箱體等）；
③ 設計計算說明書1份，6000～8000字。
1.3 機械設計課程設計的步驟
機械設計課程設計的步驟通常是根據設計任務書，擬定若干方案并進行分析比較，然后確定一個正確、合理的設計方案，進行必要的計算和結構設計，最后用圖紙表達設計結果，用設計計算說明書表示設計依據。
機械設計課程設計一般可按照以下所述的幾個階段進行：
1．設計準備
① 分析設計計劃任務書，明確工作條件、設計要求、內容和步驟。
② 了解設計對象，閱讀有關資料、圖紙、觀察事物或模型以進行減速器裝拆試驗等。
③ 浮系課程有關內容，熟悉機械零件的設計方法和步驟。
④ 準備好設計需要的圖書、資料和用具，并擬定設計計劃等。
2．傳動裝置總體設計
① 確定傳動方案——圓柱齒輪傳動，畫出傳動裝置簡圖。
② 計算電動機的功率、轉速、選擇電動機的型號。
③ 確定總傳動比和分配各級傳動比。
④ 計算各軸的功率、轉速和轉矩。
3．各級傳動零件設計
① 減速器內的傳動零件設計（齒輪傳動）。
4．減速器裝配草圖設計
① 選擇比例尺，合理布置試圖，確定減速器各零件的相對位置。
② 選擇聯軸器，初步計算軸徑，初選軸承型號，進行軸的結構設計。
③ 確定軸上力作用點及支點距離，進行軸、軸承及鍵的校核計算。
④ 分別進行軸系部件、傳動零件、減速器箱體及其附件的結構設計。
5．減速器裝配圖設計
① 標注尺寸、配合及零件序號。
② 編寫明細表、標題欄、減速器技術特性及技術要求。
③ 完成裝配圖。
6．零件工作圖設計
① 軸類零件工作圖。
② 齒輪類零件工作圖。
③ 箱體類零件工作圖。
第一部分 題目及要求
卷揚機傳動裝置的設計
設計題目
設計一卷揚機的傳動裝置。傳動裝置簡圖如下圖所示。
（1）卷揚機數據
卷揚機繩牽引力F(N)、繩牽引速度v(m/s)及卷筒直徑D(mm)見附表。
（2）工作條件
用于建筑工地提升物料，空載啟動，連續運轉，三班制工作，工作平穩。
使用期限
工作期限為十年，每年工作300天，三班制工作，每班工作4小時，檢修期間隔為三年。
產批量及加工條件
小批量生產，無鑄鋼設備。
設計任務
1）確定傳動方案；
2）選擇電動機型號；
3）設計傳動裝置；
4）選擇聯軸器。
具體作業
1）減速器裝配圖一張；
2）零件工作圖二張（大齒輪，輸出軸）；
3）設計說明書一份。
數據表
牽引力F/N 12 10 8 7
牽引速度v/(m/s) 0.3，0.4 0.3，0.4，0.5，0.6
卷筒直徑D/mm 470，500 420，430，450，470，500 430，450，500 440，460，480
卷揚機傳動裝置的設計
設計題目
設計一卷揚機的傳動裝置。傳動裝置簡圖如下圖所示。
（1）卷揚機數據
卷揚機繩牽引力F(N)、繩牽引速度v(m/s)及卷筒直徑D(mm)見附表。
（2）工作條件
用于建筑工地提升物料，空載啟動，連續運轉，三班制工作，工作平穩。
使用期限
工作期限為十年，每年工作300天，三班制工作，每班工作4小時，檢修期間隔為三年。
產批量及加工條件
小批量生產，無鑄鋼設備。
設計任務
1）確定傳動方案；
2）選擇電動機型號；
3）設計傳動裝置；
4）選擇聯軸器。
具體作業
1）減速器裝配圖一張；
2）零件工作圖二張（大齒輪，輸出軸）；
3）設計說明書一份。
數據表
牽引力F/N 12 10 8 7
牽引速度v/(m/s) 0.3，0.4 0.3，0.4，0.5，0.6
卷筒直徑D/mm 470，500 420，430，450，470，500 430，450，500 440，460，480
第二部分 傳動方案的分析與擬定
確定總傳動比:
由于Y系列三相異步電動機的同步轉速有750,1000,1500和3000r/min四種可供選擇.根據原始數據,得到卷揚機卷筒的工作轉速為
按四種不同電動機計算所得的總傳動比分別是:
電動機同步轉速 750 1000 1500 3000
系統總傳動比 32.71 43.61 65.42 130.83
確定電動機轉速:
綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量、價格以及總傳動比，750轉的低速電動機傳動比雖小，但電動機極數大價格高，故不可取。3000轉的電動機重量輕，價格便宜，但總傳動比大，傳動裝置外廓尺寸大，制造成本高，結構不緊湊，也不可取。剩下兩種相比，如為使傳動裝置結構緊湊，選用1000轉的電動機較好；如考慮電動機重量和價格，則應選用1500轉的電動機。現選用1500轉的電動機，以節省成本。
確定傳動方案：
驗算：通常V帶傳動的傳動比常用范圍為，二級圓柱齒輪減速器為，則總傳動比的范圍為，因此能夠滿足以上總傳動比為65.42的要求。
第三部分 電動機的選擇計算
1、確定電動機類型
按工作要求和條件,選用Y系列籠型三相異步電動機,封閉式結構。
2、確定電動機的功率
工作機的功率
KW
效率的選擇：
V帶傳動效率： η1 = 0.96
7級精度圓柱齒輪傳動：η2 = 0.98
滾動軸承： η3 = 0.99
彈性套柱銷聯軸器： η4 = 0.99
傳動滾筒效率： η5 = 0.96
傳動裝置總效率為
工作機所需電動機功率
kw
因載荷平穩，電動機額定功率略大于即可。由Y系列電動機技術數據，選電動機的額定功率為7.5 kw，結合其同步轉速，選定電動機的各項參數如下：
取同步轉速： 1500r/min ——4級電動機
型號： Y132M-4
額定功率： 7.5kW
滿載功率： 1440r/min
堵轉轉矩/額定轉矩： 2.2
最大轉矩/額定轉矩： 2.2
第四部分 確定傳動裝置總傳動比和分配各級傳動比
1、確定總傳動比
2、分配各級傳動比
取V帶傳動的傳動比，則減速器的傳動比為
取兩級圓柱齒輪減速器高速級的傳動比
則低速級的傳動比
第五部分 運動參數及動力參數計算
0軸（電動機軸）：
P0 = Pd =7.2 kW
n0 = nm = 1440 r/min
T0 = 9550×()= N·m
1軸（高速軸）：
P1 = P0η1 = kW
n1 = = r/min
T1 = 9550×()= N·m
2軸（中間軸）：
P2 = P1η2η3 = kW
n2 = r/min
T2 = 9550×()= N·m
3軸（低速軸）：
P3 = P2η2η3 = kW
n3 = r/min
T3 = 9550×()= N·m
4軸（輸出軸）：
P4 = P3η3η4 = kW
n4 = r/min
T4 = 9550×()= N·m
輸出軸功率或輸出軸轉矩為各軸的輸入功率或輸入轉矩乘以軸承效率(0.99），即
P’= 0.99P
各軸運動及動力參數表如下：
軸名 功率P(kW) 轉矩T(N·m) 轉速
n(r/min) 傳動比
i 效率
η
輸入 輸出 輸入 輸出
電動機軸 7.20 47.75 1440
3.8 0.96
1軸 6.91 3.047 155.91 154.35 378.95
4.809 0.97
2軸 6.70 2.896 811.99 803.83 78.80
3.435 0.97
3軸 6.50 2.753 2705.97 2678.91 22.94
1 0.98
輸出軸 6.37 2.590 2651.85 2625.33 22.94
第六部分 傳動零件的設計計算
高速級斜齒圓柱齒輪設計
材料選擇：小齒輪40Cr （調質）硬度280HBs； 大齒輪45#鋼（調質）硬度240HBs；（硬度差40HBs）
七級精度，取Z1=21，Z2=＝4.809×21=100.989，取Z2＝101，
初選螺旋角β=14°，
按齒輪面接觸強度設計：
試選載荷系數 Kt=1.6
由動力參數圖，小齒輪傳遞的轉矩
3） 由表10－7（機械設計）選取齒寬系數
4） 由表10－6查得材料的彈性影響系數
5） 由圖10－21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限；
6） 由式10-13計算應力循環次數
7） 由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數；
8） 計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1％，安全系數S=1,由式（10-12）得
9）由圖10-26（機械設計）得
εα1 = 0.76
εα2 = 0.86
則端面重合度
10）由圖10-30選取區域系數ZH = 2.433
11） 計算許用接觸應力
=
12）計算：
試算小齒輪分度圓直徑，由計算公式得
計算圓周速度
計算齒寬b及模數
= 1×60.59 = 60.59 mm
mnt = = mm
h = 2.25 mnt = mm
計算縱向重合度
縱向重合度=0.318×φdZ1tanβ =
計算載荷系數K
已知，KA=1，取Kv=1.05（由圖10-8查得），由表10-4查得的計算公式
∴KHβ = 1.15+0.18(1+0.6φd2)+0.23×10-3×60.59 = 1.45
由圖10-13，得KFβ = 1.4
由表10-3，得
∴K = KA·Kv·KHα·KHβ = 1×1.05×1.3×1.45 = 1.98
按實際得載荷系數校正所算得德分度圓直徑，由試（10-10a）得
計算模數
mn= =
13） 按齒根彎曲強度設計
由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限；
由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數 ；
計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數S＝1.4，由式10-12得
計算載荷系數
K = KA·Kv·KFα·KFβ = 1×1.05×1.3×1.4= 1.91
根據縱向重合度εβ=1.6650，由圖10-28，查得螺旋角影響系數Yβ=0.88
計算當量齒數
= 22.9883
查取齒形系數
由表10-5查得 YFα1=2.69，YFα2=2.20，
查取應力校正系數
由表10-5查得 YSα1=1.56，YSα2=1.79
計算大、小齒輪的 并加以比較
大齒輪的數值較大。
設計計算
經園整，mn=2 mm
∵，∴mn=2.5 mm
Z1 = =，取Z1=25，Z2=120
幾何尺寸計算：
中心距 a =經園整，a = 187 mm
修正螺旋角， =∵β變動不大，∴εα、εβ、ZH無需修正。
計算大、小齒輪的分度直徑
mmmm
計算齒輪寬度
b = φdd1 = mm園整后，B2=65mm，B1=70mm
da1 = d1+2ha1 =69.48
da2 = d2+2ha2 = 315.08
df1 = d1-2hf1 = 49.48
df2 = d2-2hf2 =305.08
第九部分 軸的設計
高速軸：初定最小直徑，選用材料45#鋼，調質處理。取A0=112（下同）則dmin = A0 = mm∵最小軸徑處有鍵槽∴dmin’ = 1.07 dmin = 17.72mm∵最小直徑為安裝聯軸器外半徑，取KA=1.7，同上所述已選用TL4彈性套柱聯軸器，軸孔半徑d=20mm∴取高速軸的最小軸徑為20mm。由于軸承同時受徑向和軸向載荷，故選用單列圓錐滾子軸承按國標T297-94選取30206。D×d×T=17.25mm∴軸承處軸徑d=30mm高速軸簡圖如下：
取l1=38+46=84mm，l3=72mm，取擋圈直徑D=28mm，取d2=d4=25mm，d3=30mm，l2=l4=26.5mm，d1=d5=20mm。齒輪輪轂寬度為46mm，取l5=28mm。聯軸器用鍵：園頭普通平鍵。 b×h=6×6，長l=26mm齒輪用鍵：同上。b×h=6×6，長l=10mm，倒角為2×45°
中間軸：中間軸簡圖如下：初定最小直徑dmin= =22.1mm選用30305軸承，d×D×T = 25×62×18.25mm∴d1=d6=25mm，取l1=27mm，l6=52mm l2=l4=10mm，d2=d4=35mm，l3=53mm d3=50mm，d5=30mm，l5=1.2×d5=36mm齒輪用鍵：園頭普通鍵：b×h=12×8，長l=20mm
低速軸：低速軸簡圖如下：初定最小直徑：dmin = = 34.5mm∵最小軸徑處有鍵槽∴dmin’=1.07dmin=36.915mm取d1=45mm，d2=55mm，d3=60mm，d4=d2=55mmd5=50mm，d6=45mm，d7=40mm；l1=45mm，l2=44mm，l3=6mm，l4=60mm，l5=38mm，l6=40mm，l7=60mm齒輪用鍵：園頭普通鍵：b×h=16×6，長l=36mm選用30309軸承：d×D×T = 40×90×25.25mm；B=23mm；C=20mm
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