20 米自動(dòng)伸縮門設(shè)計(jì)THE DESIGN OF 20 METERS AUTOMATIC RETRACTABLE GATE學(xué) 生 姓 名 班 級(jí) 學(xué) 院 名 稱 專 業(yè) 名 稱 指 導(dǎo) 教 師 圖書分類號(hào)：密 級(jí)：原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位設(shè)計(jì)，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品或成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。設(shè)計(jì)作者簽名： 日期： 年 月 日版權(quán)協(xié)議書本人完全了解學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位設(shè)計(jì)的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位設(shè)計(jì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸學(xué)院所擁有。學(xué)院有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位設(shè)計(jì)的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許設(shè)計(jì)被查閱和借閱。學(xué)院可以公布學(xué)位設(shè)計(jì)的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位設(shè)計(jì)的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要自動(dòng)伸縮門是一款機(jī)電一體化的產(chǎn)品，它由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，再由電機(jī)通過(guò)一系列傳動(dòng)裝置，帶動(dòng)門體運(yùn)動(dòng)。本文首先闡述了自動(dòng)伸縮門產(chǎn)生的背景，它在當(dāng)前社會(huì)中的發(fā)展?fàn)顩r，以及對(duì)它進(jìn)行研究的意義。繼而根據(jù)已知條件對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，選擇合適的電動(dòng)機(jī)。然后設(shè)計(jì)減速器傳動(dòng)方式，確定傳動(dòng)方式之后再依次對(duì)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的各個(gè)零件(包括齒輪、軸、傳動(dòng)鏈、鏈輪)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)一步計(jì)算，接著要對(duì)設(shè)計(jì)完的零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。最后，對(duì)自動(dòng)伸縮門的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，本文采用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)，漢字顯示方式控制，無(wú)線遙控控制等，再根據(jù)這些功能來(lái)選擇實(shí)現(xiàn)這些功能所需要的硬件設(shè)備，然后將這些設(shè)備正確連接來(lái)完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞: 伸縮門；減速器；控制系統(tǒng)IAbstractAutomatically retractable door is a product of mechatronics. Under the control of the system, it can make the motor rotate, and then, through a series of gearing, the motor drive the whole door to move. This paper first describes the background to generate automatic retractable door, its development in the current society, and the significance to study it. Then to calculate of the relevant parameters based on the known conditions and select the appropriate motor. Next, we should determine the way of transmission, after which the parameters of the various transmission parts need to be further calculated, including the design of gears, the design of shafts and the design of transmission chain and sprocket wheels. Afterwards, the intensity of each part will be checked. Finally, the control system of automatically retractable doors is designed. In this paper, we use single-chip to achieve system control, which can realize the normal-reverse transfer of the motor, the way of characters display, and wireless remote control. To implement these functions, we must choose necessary hardware devices, and these devices should be properly connected to complete the design of the hardware system.Keywords retractable door reducer control systemII目 錄摘要 I關(guān)鍵詞: IAbstract II1 緒論 11.1 課題研究?jī)?nèi)容 .11.2 自動(dòng)伸縮門的背景、發(fā)展及研究意義 .12 減速器的設(shè)計(jì) 32.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 32.2 傳動(dòng)比的計(jì)算及分配 .42.3 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) .52.4 齒輪設(shè)計(jì) 62.4.1 高速級(jí)圓錐齒輪設(shè)計(jì) .62.4.2 低速級(jí)斜齒圓柱齒輪設(shè)計(jì) .112.5 軸的設(shè)計(jì) 182.5.1 高速軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .182.5.3 中間軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 242.5.3 低速軸設(shè)計(jì) 303 鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì) 374 控制器設(shè)計(jì) 394.1 總體設(shè)計(jì) .404.2 硬件選擇 .404.2.1 電機(jī)控制 404.2.2 遙控電路 404.2.3 漢字顯示模塊 414.3 硬件連接原理圖 .415 門體設(shè)計(jì) 435.1 總體設(shè)計(jì) 435.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 44結(jié)論 45致謝 46參考文獻(xiàn) 4701 緒論1.1 課題研究?jī)?nèi)容本課題研究的對(duì)象是自動(dòng)伸縮門，它主要由機(jī)頭、門體和行走輪組成，其中機(jī)頭是其核心部分，內(nèi)部包括電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)、以及減速裝置。工作時(shí)，由控制系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，然后通過(guò)一系列的減速裝置帶動(dòng)行走輪行走，從而實(shí)現(xiàn)伸縮門的前進(jìn)與后退。本課題的主要研究的是與本專業(yè)聯(lián)系緊密的電動(dòng)機(jī)和減速裝置部分。首先根據(jù)原始參數(shù)選擇合適的電動(dòng)機(jī)，然后選擇合適的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)門體的正常運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)擬選用圓錐-圓柱齒輪傳動(dòng)，然后通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)行走輪行走。1.2 自動(dòng)伸縮門的背景、發(fā)展及研究意義在20世紀(jì)，自動(dòng)門在我國(guó)并不是很普遍，其核心技術(shù)也很落后，尤其是它內(nèi)部的控制系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)在我國(guó)根本無(wú)法研制出來(lái)，因此很多都是從西方國(guó)家進(jìn)口而來(lái)。但后來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們自己也漸漸可以開(kāi)發(fā)出自動(dòng)伸縮門生產(chǎn)的整套流程。自動(dòng)伸縮門從產(chǎn)生到投入使用已經(jīng)有一段時(shí)間，它的興起是在1996年，那段時(shí)間，很多廠家抓住這個(gè)契機(jī)大量生產(chǎn)，市面上的伸縮門的種類非常多，這樣自然而然帶來(lái)的就是伸縮門的質(zhì)量問(wèn)題，相當(dāng)一部分該產(chǎn)品很不符合使用要求，存在著許多隱患。于是針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，國(guó)家于1997年頒發(fā)了通知，要求相關(guān)部門及研究院，修編一套自動(dòng)伸縮門的規(guī)格，其目標(biāo)是向國(guó)內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)看齊。此后隨著人民生活水平的提高，市場(chǎng)需求的逐漸擴(kuò)大，科技水平的日益發(fā)達(dá)，自動(dòng)伸縮門的功能越來(lái)越強(qiáng)大，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。雖然在國(guó)內(nèi)它的起步比較晚，但相對(duì)來(lái)說(shuō)其發(fā)展還是比較迅速的。如今，自動(dòng)門在日常生活中可以說(shuō)是隨處可見(jiàn)，學(xué)校、工廠、醫(yī)院等各個(gè)企事業(yè)單位均使用自動(dòng)伸縮門作為自己的門面，不僅方便了車輛的進(jìn)出與管理，同事還節(jié)省了人力物力。因此，對(duì)自動(dòng)伸縮門進(jìn)行研究對(duì)改善我們的日常生活，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益有著極其重要的意義。1.3 文章結(jié)構(gòu)本文首先對(duì)本課題進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，并闡述自動(dòng)伸縮門產(chǎn)生的背景，它在當(dāng)前社會(huì)中的發(fā)展?fàn)顩r，以及對(duì)它進(jìn)行研究的意義。第二章主要對(duì)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)。包括電動(dòng)機(jī)選型，傳動(dòng)比分配1以及相關(guān)參數(shù)計(jì)算，還有傳動(dòng)零部件的設(shè)計(jì)。第三章主要對(duì)鏈傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，它主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)減速器輸出軸到伸縮門滾輪之間的傳動(dòng)。第四章主要對(duì)自動(dòng)伸縮門的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)，漢字顯示方式以及無(wú)線遙控的控制，并作出硬件連接原理圖。最后主要進(jìn)行了門體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并總結(jié)本次設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)設(shè)計(jì)中提供幫助的老師同學(xué)表示感謝。22 減速器的設(shè)計(jì)2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇(1)選擇電動(dòng)機(jī)的類型根據(jù)自動(dòng)伸縮門的工作條件及用途，選用 Y 系列三相異步電動(dòng)機(jī)(2)選擇電動(dòng)機(jī)功率已知參數(shù)如表 2-1 所示：表 2-1 原始數(shù)據(jù)總拉力 F/N 速度 V（m/s）75035.01）伸縮門工作所需功率 WP式（2.1）10/FV?K625.3.7??2）總效率 a?式（2.2）54321?????a式中 ——表示聯(lián)軸器的效率；1——表示一對(duì)軸承的效率；2——表示高速級(jí)錐齒輪傳動(dòng)效率；3?——表示低速級(jí)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)效率；4——表示鏈傳動(dòng)效率。5由參考文獻(xiàn)[10], 取 ， ， ，97.0,8.,93.0321????6.49.05??則將數(shù)據(jù)代入式（2.2）得電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)間的總效率為： 8. .4??a3）電動(dòng)機(jī)所需工作效率 dP因本設(shè)計(jì)方案選用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，則每個(gè)電動(dòng)機(jī)所需工作效率 為：dP式（2.3）awd?2/?由式（2.1）得伸縮門運(yùn)行所需要的總功率為 ，由式（2.2）得KWP625.?傳動(dòng)總效率 ,則將數(shù)據(jù)其帶入式（2.3）得：81.0?a?3KWPd62.18.05??4）選取電動(dòng)機(jī)的額定功率 0伸縮門在室外工作，其工作溫度正常，且需要長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)荷變化很少，因此可跟手冊(cè)選擇相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)型號(hào)，而不必再考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況，更不必對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。通常選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率為 ，即dP)3.1~(0?式（2.4）KWPd 2.61.)3~1().(0 ???(3)確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速伸縮門機(jī)頭的滾輪的工作轉(zhuǎn)速為：式（2.5）min/45.130146601rdvnw ?????式中 ——表示伸縮門的運(yùn)行速度，單位 m/s；v——表示機(jī)頭滾輪的直徑，單位 mm。d由參考文獻(xiàn)[10] 知，錐齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比 ，圓柱齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比3~2?錐i，則總傳動(dòng)比范圍為：6~3?柱i式（2.6）186??）（）（柱錐總 i由上文可知，鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比取為 ，所以，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為：鏈i式（2.7）min/920~7.3186245.10 rinw??）（總鏈根據(jù)以上參數(shù)由參考文獻(xiàn)[10]選用 Y132S-8 型號(hào)電動(dòng)機(jī)，具體數(shù)據(jù)如表 2-2所示。表 2-2 電機(jī)型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（ ）in/r電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定功率（ kW） 同步 滿載電動(dòng)機(jī)質(zhì)量（kg）Y132S-8 2.2kW 750 710 632.2 傳動(dòng)比的計(jì)算及分配(1)總傳動(dòng)比計(jì)算式（2.8）8.1345.70?wmni式中 nm——表示電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速，單位 r/min；nw——表示伸縮門機(jī)頭的滾輪的工作轉(zhuǎn)速，單位 r/min(2)分配傳動(dòng)比4本設(shè)計(jì)中擬定鏈傳動(dòng)傳動(dòng)比為 2，則由參考文獻(xiàn)[1]得高速級(jí)錐齒輪的傳動(dòng)比 為：1i式（2.9）725.18.35.0.1 ????減ii則低速級(jí)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)比 為：2式（2.10）475.12i減2.3 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)(1)各軸轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速： 式（2.11）min/710rn?高速軸轉(zhuǎn)速： 式（2.12）1中間軸轉(zhuǎn)速： 式（2.13）in/594.12.//12 ri?低速軸轉(zhuǎn)速： 式（2.14）8043n?工作軸轉(zhuǎn)速： 式（2.15）mi/././ riw鏈?zhǔn)街?——表示圓錐齒輪傳動(dòng)比； 1i——表示圓柱齒輪傳動(dòng)比； 2——表示鏈傳動(dòng)傳動(dòng)比。鏈i(2)各軸輸入功率高速軸輸入功： 式KWP1846.293.001???聯(lián)?（2.16）中間軸輸入功率： 式076.2912 ??錐軸 承（2.17）低速軸輸入功率： 式KWP53.18.076.223?柱錐 ?（2.18）工作軸轉(zhuǎn)速： 式KWw8253.193.06.97??聯(lián)鏈軸 承（2.19）5(3)各軸轉(zhuǎn)矩軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為式（2.20）npT950?則高速軸轉(zhuǎn)矩: mNnPT???32.71846.295011中間軸轉(zhuǎn)矩: ??5.9.022低速軸轉(zhuǎn)矩: mNnPT???3274.18.5695033工作軸轉(zhuǎn)矩： ww ??.9.2.4 齒輪設(shè)計(jì)2.4.1 高速級(jí)圓錐齒輪設(shè)計(jì)(1)選擇材料對(duì)于自動(dòng)伸縮門這種一般的機(jī)械，大、小錐齒輪均選用 45 鋼，小齒輪調(diào)制處理，大齒輪正火處理，由參考文獻(xiàn)[10]得齒面硬度 ， 25~17?HBW，它們的平均硬度分別為 ， 。兩接217~62?HBW236190觸齒面之間的硬度差為 ，在 之間，選 8 級(jí)精度。4621??HBW50~(2)初步計(jì)算傳動(dòng)的主要尺寸由兩齒輪的齒面硬度可知該齒輪傳動(dòng)為軟齒面閉式傳動(dòng)，因此應(yīng)該按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其設(shè)計(jì)公式為：式（2.21）??3211)5.0(8.4????????HERZKTd??1) 小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩為 mN??92) 因?yàn)辇X輪的圓周速度并不可知，因此動(dòng)載荷系數(shù)的值不能確定，可初步選為載荷系數(shù) Kt=1.33) 由參考文獻(xiàn)[10]查得彈性系數(shù) MPaZE8.194) 由參考文獻(xiàn)[10]查得齒輪的節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 5.2?H5) 齒數(shù)比 725.1?iu66) 取齒寬系數(shù) 3.0?R?7) 許用接觸應(yīng)力計(jì)算如下：式（2.22）??HNSZlim?由參考文獻(xiàn)[10] 得接小齒輪與大齒輪觸疲勞極限應(yīng)力為 ，MPaH5801lim??。MPaH3902lim??它們的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為：式（2.23）91 086.4)238(1706????hjLnN式9912 .25.84??i（2.24）式中 ——表示高速軸轉(zhuǎn)速，單位 r/min n——表示齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一圈應(yīng)力變化次數(shù)j——表示工作總時(shí)間，單位小時(shí)hL由參考文獻(xiàn)[10] 查得小、大齒輪的壽命系數(shù)分別為 ， 。9.01?NZ5.2N安全系數(shù) ,則將數(shù)據(jù)代入式（ 2.22）得0.1?HS?? a5289.01lim1 MPSZHN???.370.2li2H?因此，取 ??a5.370MP?則由式（2.21）初算小齒輪的分度圓直徑 ，有：t1d??mZKTdHER324.9 5.3702819).501(7.085293).(.4231t1? ??????????????????(3)確定傳動(dòng)尺寸1）計(jì)算載荷系數(shù)由參考文獻(xiàn)[10] 查得使用系數(shù) 0.1?AK齒寬中點(diǎn)分度圓直徑為：7式（2.25）mdRttm475.8)3.01(329.1????故 式sndvtm /96.21061061 ????（2.26）本設(shè)計(jì)中的齒輪是 8 級(jí)精度，故由參考文獻(xiàn)[4]可知應(yīng)該按 9 級(jí)精度查表，則查參考文獻(xiàn)[10] 得動(dòng)載荷系數(shù)為 ，齒向載荷分配系數(shù) ，則2.?vK13.??K可計(jì)算出載荷系數(shù)為式（2.27）356.1.0.1???VA2）對(duì) 進(jìn)行修正td1由式（2.27）的 值可知其與選擇的 值有些出入，所以要對(duì)由 計(jì)算出KtKtK的 重新計(jì)算，即t1式（2.28）mdtt 631.9.51324.931 ????3）確定齒數(shù)選取小錐齒輪齒數(shù) =24，則可計(jì)算出大錐齒輪齒數(shù)為1z式（2.29）4.1275.12???uz取 。則42?z.4'式（2.30）%45.172.51' ????u誤差在允許范圍內(nèi)4)大端模數(shù) m式（2.31）mzd901.3246.1??查參考文獻(xiàn)[10] ，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)5）大端分度圓直徑小錐齒輪大端分度圓直徑為式（2.32）631.9241????mzd則大錐齒輪大端分度圓直徑 z82286）錐頂距式（2.33）mudR74.9615.2961221 ????7）齒寬式（2.34）Rb.30??(4)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件為：式（2.35）??FSFRtFYbmK???????)5.01(8.1）由前文可知載荷系數(shù) ，齒寬 ，大端模數(shù) ，36mb29?m4?齒寬系數(shù) 。3.0R?2）圓周力為：式（2.36）NdTFRt 7.18)3.051(96)5.01(2?????3)齒形系數(shù) 與應(yīng)力修正系數(shù) 的計(jì)算YSY式（2.37）862.175.1cos221 ??u?式（2.38）49.0.22?則小齒輪當(dāng)量齒數(shù)為式（2.39）64.782.011??COSZV大齒輪當(dāng)量齒數(shù)為 6.49.022??SZV則由參考文獻(xiàn)[10] 查得小齒輪齒形系數(shù) ，應(yīng)力修正系數(shù) ，58.1?FY60.1?SY大齒輪齒形系數(shù) ，應(yīng)力修正系數(shù) 。34.2FY72S4）許用彎曲應(yīng)力式（2.40）??FNlim?由參考文獻(xiàn)[10] 查得小、大彎曲疲勞應(yīng)力分別為 ，MPaF215li?9；大、小齒輪壽命系數(shù)相等，即 ；安全系數(shù)MPaF1702lim?? 121?NY，故小齒輪許用彎曲應(yīng)力為5.S??MPaSYFN725.1lim1???大齒輪許用彎曲應(yīng)力為 ??aSFNF13625.0lim2小齒輪的彎曲應(yīng)力為式（2.41）??111a96.47 6.1582)3.0(402857.83.)(.FSFRtFMPYbmK?????????大齒輪的彎曲應(yīng)力為式（2.42）??2122.486.573.97FSFFMPaY????(5)計(jì)算錐齒輪傳動(dòng)其他幾何尺寸1）小錐齒輪分錐角式（2.43）ou745.2915.arcos1arcos21 ??????2）大錐齒輪分錐角式（2.44）ou25.60175.arcos1arcos222?3）頂隙式（2.45）8.4.0*???mc式中 ——表示頂隙系數(shù)。*c4）大端齒頂高式（2.46）xha)1(?因?yàn)榇?、小錐齒輪高變位系數(shù)均為 0，即 ，故大、小錐齒輪大端齒頂?10高相等，為 mha421?5）大端齒根高式（2.47）xcf )(*??因?yàn)榇?、小錐齒輪高變位系數(shù)均為 0，即 ，故大、小錐齒輪?大端齒根高相等，為 mmxchff 8.4)2.1()1(*21 ??????6）小錐齒輪大端齒頂圓直徑式11os?da（2.48）m9456.10282.???7）大錐齒輪大端齒頂圓直徑式（2.49）22cos?dam968.1741.0???8）小錐齒輪大端齒根圓直徑式（2.50）df6528.76.049cos.11????則大錐齒輪大端齒根圓直徑為式（2.50）mdf2374.16961.08cos.2????2.4.2 低速級(jí)斜齒圓柱齒輪設(shè)計(jì)(1)選擇材料大、小齒輪均采用 45 鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，大齒輪正火處理，由參考文獻(xiàn)[10]得齒面硬度 ， 。平均硬度 ，25~17?HBW217~62?HBW2361?HBW。 ，在 之間，選 8 級(jí)精度。1902?B46?50311(2)初步計(jì)算傳動(dòng)的主要尺寸由于兩齒輪的齒面硬度較低，因此設(shè)計(jì)時(shí)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，其公式為：式（2.51）223 )][(1HEdZuKT???????1）小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩為 mN??5.4822）因?yàn)辇X輪的圓周速度并不可知，因此動(dòng)載荷系數(shù)的值不能確定，可初步選載荷系數(shù) ，選中間值.1~?t .1t3）由參考文獻(xiàn)[10] ，取齒寬系數(shù) R?4）由參考文獻(xiàn)[10] 查得彈性系數(shù) MPaZE8.9?5）初選錐齒輪的螺旋角 ，由參考文獻(xiàn)[10]查得其節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)大小o2?為 6.2?HZ6）齒數(shù)比 42?iu7）初選小齒輪齒數(shù) ,則大齒輪齒數(shù) ，則可計(jì)03Z 802434???uZ算出端面重合度為式（2.52）64.112cos802.38.14??????????????????軸向重合度為式（2.53）487.112tan0.30.??odZ????由參考文獻(xiàn)[10] 查得重合度系數(shù) .?z8）由參考文獻(xiàn)[10] 查得螺旋角系數(shù) 9?9）許用接觸應(yīng)力計(jì)算如下：由參考文獻(xiàn)[10] 查得兩齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力分別為 ，MPaH5801lim??。MPaH302lim??由式（2.23） 、 （2.24）可計(jì)算出它們的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別為： 923 37.2)3082(1594.60 ????hjLnN24 7.71.i12式中 ——表示中間軸轉(zhuǎn)速，單位 r/min 2n——表示齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一圈應(yīng)力變化次數(shù)j——表示工作總時(shí)間，單位小時(shí)hL由上述數(shù)據(jù)查參考文獻(xiàn)[10]得兩齒輪的壽命系數(shù) ， 。安全13?NZ05.4N系數(shù) ,則將數(shù)據(jù)代入式（ 2.22）得0.1?HS??a58013lim3 MPSZHN???.49.4li4H?因此，取 ??a5.09MP?由式（2.51）可以初步計(jì)算出小齒輪 3 的分度圓直徑大小 ，即t3dmZuKTdHEdt16.495.409.78628.14.5.82)][( 23 223? ???????????????(3)確定傳動(dòng)尺寸1）計(jì)算載荷系數(shù)由參考文獻(xiàn)[10] 查得使用系數(shù) ,由0.1?AK，smndvt /059.164.49.310623 ?????查參考文獻(xiàn)[10] 得動(dòng)載荷系數(shù) ，齒向載荷分配系數(shù) ，齒間1.v 1.?K載荷分配系數(shù) ，則載荷系數(shù)為:.?K式（2.54）4652.1.0.?????VA2）對(duì) 進(jìn)行修正td3由于計(jì)算出的 值與開(kāi)始選擇的 值有相差較大，故需對(duì)由 計(jì)算出的tKtK進(jìn)行修正，則由式（2.27 ）得t3 mdtt 918.4.6521.4933 ????3）確定模數(shù) nm式（2.55）zo4.20cs18.cos3?13查參考文獻(xiàn)[10] ，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) mn5.2?4）計(jì)算傳動(dòng)尺寸中心距為式（2.56）????Zmaon 79.12cs2805.cos243 ???????圓整， 18則按圓整后的中心距修正螺旋角為式（2.57）????onaz 429.1825.0rcos2arcos43 ???????顯然計(jì)算出的 值與開(kāi)始選擇的值之間的差距不是很大，因此不需要對(duì)與有關(guān)的參數(shù)再重新計(jì)算，故小齒輪分度圓直徑為式（2.58）mzmdon 2.5149.cs02o33 ???大齒輪分度圓直徑為 zdon 8.2049.1cso44?齒輪寬度為 mbd3.56.3???這里取大齒輪齒寬 ，小齒輪齒寬m54 b0(4)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度齒根彎曲疲勞強(qiáng)度條件為式（2.59）??FSFnFYdbKT??????321）由前文可知載荷系數(shù) ，小齒輪分度圓直徑 ，中465.1 md2.513?間軸轉(zhuǎn)矩 ，模數(shù) 。mNT??5.4812 mn.2）齒寬 b3）齒形系數(shù) 與應(yīng)力修正系數(shù) 的計(jì)算FYSY小齒輪當(dāng)量齒數(shù)為式（2.60）97.204.1cos33??oVZ?大齒輪當(dāng)量齒數(shù)為14式（2.61）86.3429.1cos80334??oVZ?則由參考文獻(xiàn)[10] 查得小齒輪齒形系數(shù) ，應(yīng)力修正系數(shù) ，7.FY5.13?SY大齒輪齒形系數(shù) ，應(yīng)力修正系數(shù) 。26.4?FY4S4）由參考文獻(xiàn)查得重合度系數(shù) 1.0??5）由參考文獻(xiàn)查得螺旋角系數(shù) 89?6）許用彎曲應(yīng)力由相關(guān)參數(shù)查參考文獻(xiàn)[10]可以得到小、大齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力的值分別為 ， ；它們的壽命系數(shù)相等，即MPaF2153lim??PaF1704lim??；安全系數(shù) ，則由式（2.40 ）得小齒輪許用彎曲應(yīng)力為43NY25.S??MPaYFNF1725.3li3 ??大齒輪許用彎曲應(yīng)力為 ??aSFNF13625.04lim4??由式（2.59）得小齒輪的彎曲應(yīng)力為 ??3323219.54 89.0715.62.846.FSFnFMPaYdbKT?????????由式（2.42）得大齒輪的彎曲應(yīng)力為 ??434470.55.16279FSFFMPaY????(5)計(jì)算齒輪傳動(dòng)其他幾何尺寸1）端面模數(shù)式（2.62）56.249.1cos??ontm?2）齒頂高式（2.63）hna.??153）齒根高式（2.64）mmchnaf 125.3)25.01()( ?????4）全齒高式（2.65）fa 65）頂隙 mmcn25.0.*???式中 ——表示頂隙系數(shù)。*c6）小齒輪齒頂圓直徑式（2.66）hdaa .65123?7）大齒輪齒頂圓直徑式（2.67）maa 8.209.8.044 ???8）小齒輪齒根圓直徑式（2.68）hdff 5.41.32.53?9）大齒輪齒根圓直徑式（2.69）mff .98.8.044 ???2.4.3 齒輪上作用力的計(jì)算對(duì)齒輪上作用力的計(jì)算是為了方便下面對(duì)軸的進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核、也方便了鍵和軸承的選擇，其計(jì)算過(guò)程如下(1)高速級(jí)齒輪傳動(dòng)的作用力1）已知條件由式（2.16）可知高速軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為 ，由式（2.12）可mNT??2931知轉(zhuǎn)速為 ，由式（2.32）可知小齒輪大端分度圓直徑 ，min/701rn? md961?再由式（2.43）可知小錐齒輪分錐角 o745.1?2）錐齒輪 1 的作用力圓周力為式（2.70）NdTFRmt 7.18)3.051(962)5.0(211 ???????它的方向與它所受的力作用點(diǎn)的圓周速度方向相反徑向力為16式（2.71）NFootr 12.745.29cs0tan7.18cosan1 ???????它的方向由力的作用點(diǎn)指向輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸向力為式（2.72）oota 78.12945.sin20ta7.18sin1 ??????它的方向即為沿軸線方向從小錐齒輪的小端指向大端法向力為式（2.73）NFotn 8.76420cs.1o1???3) 錐齒輪2的作用力錐齒輪2上的圓周力、徑向力和軸向力與錐齒輪1上的圓周力、軸向力和徑向力大小相等，作用方向相反。(2)低速級(jí)齒輪傳動(dòng)的作用力1）已知條件由式（2.20）可知中間軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為 ，由式（2.13）mNT??5.4812可知轉(zhuǎn)速為 ，再由式（2.57）可知低速級(jí)斜齒圓柱齒輪的螺旋min/07.24rn?角為 。斜齒圓柱齒輪 3 與錐齒輪 2 均安裝在中間軸上，為了使它們o9.?在軸線方向所受到的力最小，我們選擇齒輪 3 的旋向?yàn)橛倚?，則相應(yīng)低速軸上齒輪 4 的旋向?yàn)樽笮?，由式?.58）可知小齒輪大端分度圓直徑 。d2.513?2）齒輪 3 的作用力圓周力為 NdTFt 2.18.5423???它的方向與它所受力的作用點(diǎn)處的圓周速度方向相反徑向力為式（2.74）NFontr 5.701429.1cstan.8cosa3 ?????它的方向是由力作用點(diǎn)的位置指向圓柱齒輪3的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸向力為式（2.75）Fota 8.4129.tan.18n3 ???它方向可以通過(guò)右手法則進(jìn)行確定，用右手握住齒輪3的軸線，保證四指的方向與齒輪3的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，那么，這個(gè)時(shí)候，你的大拇指所指的方向就是該軸向力的方向17法向力為式（2.76）NFoontn 1.20549.1cs208cos33 ?????3) 齒輪4的作用力從動(dòng)齒輪4所受到的圓周力、徑向力和軸向力與主動(dòng)齒輪3上的圓周力、徑向力和軸向力屬于作用力和反作用力，它們大小相等，方向相反。2.5 軸的設(shè)計(jì)2.5.1 高速軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算(1)已知條件由前文可知高速軸傳遞的轉(zhuǎn)矩為 ，功率 ，mNT??2931 KWP1846.2?轉(zhuǎn)速 ，小齒輪大端分度圓直徑 ，齒寬中點(diǎn)處分度圓直min/710rn?d61徑 ，齒輪寬度 。ddRm6.81)5.(??b(2)選擇軸的材料因傳遞的功率不是很大，并對(duì)其他方面也沒(méi)有特殊要求，由參考文獻(xiàn)[10]選擇軸的材料為常用的 號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理4(3)初步計(jì)算軸徑由參考文獻(xiàn)[10] 查得 ，取中間值 ，則可得到軸的最小135~06?C18?C直徑：式（2.77）mnPd6.704.28331mi ?高速軸與電動(dòng)機(jī)連接，中間需用聯(lián)軸器來(lái)實(shí)現(xiàn)，聯(lián)軸器通過(guò)鍵槽與軸連接,為保證工作要求，開(kāi)鍵槽軸徑需增大 3%至 5%，則軸端最細(xì)處直徑為式（2.78）018.~64.17)05.~3.(16.7.1 ????d(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)構(gòu)想如下圖所示：圖 2-1 高速軸結(jié)構(gòu)構(gòu)想181）設(shè)計(jì)軸承部件的結(jié)構(gòu)考慮本減速器功率不大，發(fā)熱必然不大，且軸不會(huì)很長(zhǎng)，故該高速軸的軸承采用兩端固定的方式。這里，根據(jù)軸上的零件的安裝順序?qū)S進(jìn)行設(shè)計(jì)。2）聯(lián)軸器與軸段 1軸段 1 與電動(dòng)機(jī)連接，上面需安裝聯(lián)軸器，因此，它的設(shè)計(jì)應(yīng)與聯(lián)軸器的選擇同步。為減小電機(jī)與軸段 1 連接的安裝誤差和振動(dòng)，這里選用彈性柱銷聯(lián)軸器。查參考文獻(xiàn)[10] ，取載荷系數(shù) ，則計(jì)算轉(zhuǎn)矩為5.?AK式（2.79）mNTAC ???.43982.1由參考文獻(xiàn)[10] 查得 LX1 型聯(lián)軸器符合要求，它的各參數(shù)如下表所示：表 2-3 LX1 型聯(lián)軸器的相關(guān)參數(shù)公稱轉(zhuǎn)矩（N·m） 許用轉(zhuǎn)速（r/min） 軸孔范圍（mm ）250 8500 12～24由前文可知 ，故這里取聯(lián)軸器的轂孔直徑為 19mm，并查得其018.?d軸孔長(zhǎng)度 ，選擇 Y 型，則可得到該聯(lián)軸器的代號(hào)是 LX1 19×42 GB/T mL42?聯(lián)5014—2003，故軸段 1 的直徑 ，它的長(zhǎng)度比轂孔寬度稍微小點(diǎn)，取md91?。013）軸承與軸段 2、4要確定軸段 2 的軸徑大小，需考慮聯(lián)軸器的在軸線方向的固定方式和所選用的密封圈的尺寸。若聯(lián)軸器采用軸肩定位，則軸肩高度為式（2.80）mdh 9.1~3.)1.0~7.()1.0~7.( ????則軸段 2 的直徑為式（2.81）8.26.)9.3.(212?由前文可知，軸的圓周速度顯然是比 3m/s 小的，因此可以選擇氈圈進(jìn)行密封，查參考文獻(xiàn)[10] ，無(wú)在上式范圍內(nèi)的合適氈圈，故此處改用軸套定位，顯然軸套內(nèi)徑與軸直徑相等，為 19mm，考慮該高速軸是懸臂梁，且受到軸向力作用，因此選用圓錐滾子軸承，初選軸承型號(hào)為 32305，由參考文獻(xiàn)[10]查得其各參數(shù)如下表所示：表 2-4 32305 圓錐滾子軸承各使用參數(shù)內(nèi)徑 d（mm） 25外徑 D（mm） 52內(nèi)圈寬度 B（mm） 15裝配高 T（mm） 16.25內(nèi)圈定位直徑 da（mm） 31外圈定位直徑 Da（ mm） 4619軸上力作用點(diǎn)與外圈大端面距離 a3(mm) 12.5則軸承內(nèi)徑就是軸段 2 的直徑，為 ，同時(shí)為保證聯(lián)軸器的定位md25?軸套能夠頂?shù)捷S承內(nèi)圈的左端面，必須使軸段 2 長(zhǎng)度比軸承內(nèi)圈的寬度 B 稍微小一點(diǎn)，取 。mL142?由前文可知高速級(jí)錐齒輪的圓周速度大于 2m/s，所以這里軸承選擇油潤(rùn)滑，工作時(shí)通過(guò)齒輪把潤(rùn)滑油帶進(jìn)導(dǎo)油溝中，然后順著導(dǎo)油溝流進(jìn)軸承座中。在正常情況下，同一根軸上的選擇兩個(gè)軸承通常型號(hào)相同，故取軸 4 直徑，為達(dá)到裝配要求，軸段 4 的長(zhǎng)度必須比軸承內(nèi)圈的寬度 B 稍微小d254?點(diǎn)，取 。mL14）軸段 3左右兩個(gè)圓錐滾子軸承根據(jù)軸段 3 進(jìn)行定位，所以該軸段的直徑應(yīng)該是軸承內(nèi)圈的定位直徑，即 。至于其長(zhǎng)度的確定需考慮軸的懸臂長(zhǎng)度，d13?我們將在下文討論。5）齒輪與軸段 5軸段 5 上安裝小錐齒輪，該軸段采用懸臂形式，其直徑必須比軸段 4 直徑小，初選其大小為 。md25?對(duì)于直徑比較小的錐齒輪，我們通常選擇其為實(shí)心結(jié)構(gòu)，則取其齒寬中點(diǎn)分度圓與其大端處的徑向端面之間的距離 M=17.5mm；取其大端側(cè)徑向端面與軸承套杯端面之間的距離△ 1=10mm；取其大端側(cè)徑向端面與輪轂右端面之間的距離為 30mm；取軸承外圈寬邊與箱體內(nèi)壁之間的距離 C=5mm。小錐齒輪左側(cè)采用軸套定位，右側(cè)采用軸端擋圈定位，為了保證軸端擋圈能夠緊緊壓住錐齒輪 1的右端面，必須使軸與齒輪配合段的長(zhǎng)度小于齒輪轂孔的長(zhǎng)度，取這個(gè)差值大小為 0.75mm。這樣，我們可以得到軸段 5 的長(zhǎng)度為式（2.82）mLTCL.4275.0142.61035????6）確定軸段 1 的長(zhǎng)度軸段 1 的長(zhǎng)度不僅與該軸段上所安裝的零件有關(guān)系，還與其左端的軸承端蓋等零件有關(guān)系，因此，要確定軸段 1 的長(zhǎng)度，要先確定好軸承端蓋等相關(guān)零件的相關(guān)尺寸。由參考文獻(xiàn)[10] 知，對(duì)于圓錐—圓柱二級(jí)齒輪傳動(dòng)，其箱體壁厚按照二級(jí)圓柱齒輪減速器計(jì)算，則可得到下箱座壁厚為式（2.83）ma2.6318025.3.0??????式中 a——表示低速級(jí)中心距20取其壁厚 m8??對(duì)于圓錐—圓柱二級(jí)齒輪傳動(dòng)，因式（2.84）maR3074.21874.96???故由參考文獻(xiàn)[10] ，查得各相關(guān)零件參數(shù)如下表所示:表 2-5 箱體相關(guān)零件參數(shù)軸承旁連接螺栓的公稱直徑 M12箱體凸緣連接螺栓的公稱直徑 M10地腳螺栓公稱直徑 dφ=M17軸承端蓋連接螺釘?shù)墓Q直徑 0.4 dφ=0.4×16=6.4mm,取其值為 M8端蓋與軸承座間調(diào)整墊片厚度 △ t 2mm軸承端蓋凸緣厚度 Bd 1.2×0.4 dφ=1.2×8=9.6mm 由上表可知，高速軸軸承端蓋連接螺釘?shù)墓Q直徑為 M8，則查參考文獻(xiàn)選取該連接螺釘規(guī)格為 GB/T 5781 M8×25 ，此處連接螺釘處于箱體端面，有很大的空間進(jìn)行安裝或拆卸，故取聯(lián)軸器轂孔端面與軸承端蓋表面之間的距離為K=10mm，為使軸段 1 的長(zhǎng)度為整數(shù)，取軸承端蓋凸緣安裝面與軸承左端面之間的距離 ， 取軸段 1 的左邊端面與聯(lián)軸器左端面之間的距離為ml25.4?1.75mm，則由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出軸段 1 的長(zhǎng)度為式（2.85）lTlBKLd9075.142.65.2441????聯(lián)7）確定軸段 3 的長(zhǎng)度軸段 3 的長(zhǎng)度與該段的懸臂長(zhǎng)度，即小齒輪的受力作用點(diǎn)與右端軸承對(duì)軸的作用力點(diǎn)之間的距離有關(guān)，其大小為式（2.86）maCMl 415.2105.7313 ??????由此可得兩軸承分別對(duì)軸段 2、4 的力作用點(diǎn)之間的距離為式（2.87）ll .~8).~()5.(32 ?則可計(jì)算出軸段 3 的長(zhǎng)度為式（2.88）mTalL95~.7425.16.2).108(32???取 mL803?則由此可計(jì)算出兩軸承分別對(duì)軸段 2、4 的力作用點(diǎn)之間的具體距離為21式（2.89）mTaLl5.8725.16.2032????其值在 之間，合格5.10~828）軸段 1 力作用點(diǎn)與左軸承對(duì)軸段 2 力作用點(diǎn)之間的距離式（2.90）maTLl8175.12.5.649031?????(5)鍵連接聯(lián)軸器與軸段 1，錐齒輪 1 與軸段 5 均采用 A 型普通平鍵連接，查參考文獻(xiàn)，取聯(lián)軸器與軸段 1 之間鍵的型號(hào)為： ；取錐齒203196/406??TGB鍵輪 1 與軸段 5 之間鍵的型號(hào)為： 。/38鍵(6)軸的受力分析1）畫高速軸的受力簡(jiǎn)圖軸的受力簡(jiǎn)圖如圖 2-2 所示2）計(jì)算支承反力在水平面上為式（2.91）NldFRmarH 9.455.8726.19412.2131 ??????式Hr 03712 ??（2.92）在垂直平面上為式（2.93）NlFRtV 8.365.8741231???式（2.94）Vt 5.0.1?軸承 1 的總支承反力為式（2.95）RH 9.38.69.4522211 ???軸承 2 的總支承反力為 NV .105.0.732222 ??3)畫彎矩圖彎矩圖如圖 2-2 所示22在水平面上，右軸承對(duì)軸段 4 的力作用點(diǎn)處的剖面 A-A 的彎矩為式（2.96）mNlRMHa ??????25.4016.879521錐齒輪 1 對(duì)軸段 5 的力作用點(diǎn)處的剖面 B-B 的彎矩為式（2.97）dmabH ?.9221在垂直面上，剖面 A-A 的彎矩為式（2.98）mNlRMVa ????4705.83621剖面 B-B 的彎矩為式（2.99）bV?合成后，剖面 A-A 的彎矩為式mNaVHa ??????? 4.29740)25.4016(2（2.100）剖面 B-B 的彎矩為 MbVHb ??????024.59024.5924）畫轉(zhuǎn)矩圖轉(zhuǎn)矩圖如圖 2-2 所示， 。mNT?3123圖 2-2 高速軸的結(jié)構(gòu)與受力分析(7)校核軸的強(qiáng)度由前文可知，相對(duì)于 B-B 剖面，A-A 剖面彎矩較大，且同時(shí)作用有轉(zhuǎn)矩，故選定 A-A 剖面為危險(xiǎn)截面。其抗彎截面系數(shù)為 式33342.152mdW????（2.101）則彎曲應(yīng)力為 式MPaa4.9.1537?（2.102）其抗扭截面系數(shù)為 式3334.0626mdWT????（2.103）