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1、目录摘要IAbstractII引言11 二级圆柱齿轮减速器总体方案设计21.1 确定减速器的工作条件21.2 传动装置的总体设计21.3 选择电机31.3.1 电机功率的计算31.4 总传动比的确定及分配51.5 传动装置运动和动力参数的确定51.5.1 各轴转速51.5.2 各轴输入功率51.5.3 则各轴的输出功率61.5.4 各轴输入转矩62 V带的设计62.1 确定V带型号62.2 验算带速72.3 取V带基准长度和中心距72.4 验算小带轮包角72.5 求V带根数72.6 求作用在带轮轴上的压力83 齿轮的设计83.1 高速级齿轮的传动设计计算83.1.1 选择齿轮材料级精度等级83
2、.1.2 确定有关参数与系数83.1.3 主要尺寸计算93.1.4 按齿根弯曲疲劳强度校核103.1.5 验算齿轮得圆周速度103.1.6 几何尺寸计算113.2 低速级齿轮的传动设计计算114 轴的设计134.1 高速轴设计134.1.1 确定各轴段直径和长度134.1.2 校核高速轴134.1.3 键的设计与校核:154.2 中间轴的设计154.2.1 确定各轴段直径和长度154.2.2 校核该轴和轴承164.2.3 键的设计与校核174.3 从动轴的设计174.3.1 确定各轴段直径和长度174.3.2 校核该轴和轴承184.3.3 键的设计与校核195 联轴器的选择206 箱体结构的设
3、计207 减速器零件的三维建模237.1 齿轮的三维建模237.2 轴的三维建模247.3 箱体的三维建模257.4 其他零件的三维建模267.4.1 轴承的三维模型成型267.4.2 游标尺等零件的三维模型277.4.3 组合装配图288 结束语30参考文献31致谢32附录33二级圆柱齿轮减速器计算机辅助设计作者：刘行尚，指导教师：吕钊钦（山东农业大学 教授）【摘要】本研究主要是对二级齿轮减速器进行全程结构设计并运用Pro/E技术三维辅助作图设计。目前在减速器的设计领域，研究开发以产品设计为目标，全过程综合应用CAD及其相关的一体化集成技术已成为必然趋势。由于减速器内部结构复杂，如果单独用二
4、维看上去不能一目了然，因此本设计以Pro/E软件为主，并结合AutoCAD、CAXA电子图版等二维绘图软件，设计了一个二级圆柱齿轮减速器，并对其内部进行结构优化设计，从多方面体现优化的设计思想，实现了减速器的三维模型生成，把减速器的关键部件很清晰的展现出来，以及由此生成二维工程图的设计思想。通过该软件特有的三维设计功能，检测、优化设计方案，完成了减速器在计算机中的模拟设计，从而使设计的过程更加人性化、更加简便化。关键词：减速器 Pro/E技术 三维建模设计引言齿轮减速器在各行各业中十分广泛地使用着，是一种不可缺少的机械传动装置。当前减速器普遍存在着体积大、重量大，或者传动比大而机械效率过低的问
5、题。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率以及使用寿命长的方向发展。因此，除了不断改进材料品质、提高工艺水平外，还在传动原理和传动结构上深入探讨和创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已经生产多种结构形式和多功率型号的产品。目前，超小型的减速器的研究成果尚不明显1。在医疗、生物工程、机器人等领域，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围，如能辅以纳米级的减速器，则应用前景远大。AutoCAD是由美国Autodesk公司开发的通用计算机辅助设计软件，是目前世界上应用最广的机械设计软件之一2。随着时间
6、的推移和软件的不断完善，AutoCAD已由原来的侧重于二维绘图技术为主，发展到二维、三维绘图技术兼备，且具有网上设计的多功能CAD软件系统。在AutoCAD的不断完善中，使得它具有广泛的适应性，能够让非计算机专业的人员较快的学会使用。然而因为它的命令比较多，对用户所需要的块定义缺乏，所以对初学者来说还有很大的困难，操作较为不方便。同时在保存的时候，保存格式较少，不便于和其他软件相结合。其中它的线框造型、曲面造型和实体造型功能还需要不断的完善。随着网络技术的不断发展，AutoCAD已经可以提供功能极为强大的互联网工具，可以让设计师与设计师、设计师与用户、设计师与商家通过网络直接地在AutoCAD
7、内部进行交流，并在互联网和企业内部网中进行网络设计。CAD的概念和内涵是随着计算机、网络、信息、人工智能等技术或理论的进步而不断发展的。CAD技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、优化设计、仿真模拟及产品数据管理等内容，逐渐向标准化、智能化、可视化、集成化、网络化方向发展。Pro/E操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/E软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的
8、CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活3。所以，学习使用Pro/E造型软件具有很强的行业竞争力。对公司，对个人，对整个社会都将带来巨大的作用。Pro/E是非常优秀的三维机械设计软件，由于其具有易学易用。全中文界面、价格适中等优点，吸引了越
9、来越多的工程技术人员和高等院校的使用4。1 二级圆柱齿轮减速器总体方案设计1.1 确定减速器的工作条件（1）要求：拟定传动关系：由电动机、V带、减速器、联轴器、工作机构成（2）工作条件：双班工作，有轻微振动，小批量生产，单向传动，减速器使用年限为6年,运输带允许误差5%。（3）已知工作时的条件：运输带速度0.324m/s，卷筒直径300mm，运输带拉力8400N。1.2 传动装置的总体设计（1）组成：传动装置由电机、减速器、工作机组成。（2）特点：齿轮相对于轴承不对称分布，故沿轴向载荷分布不均匀，要求轴有较大的刚度。（3）传动方案：由于电机转速高，传动功率大，将V带设置在高速级。其传动方案如图
10、1-1所示：4765132PdPw1-电动机 2-V带 3-二级减速器 4-轴承5-卷筒 6-输送带 7-联轴器图1-1 传动装置总体设计图1.3 选择电机1.3.1 电机功率的计算查阅机械设计基础课程设计指导书得到： （1-1）带传动效率：0.95 每对轴承传动效率：0.98圆柱齿轮的传动效率：0.97 联轴器的传动效率：0.99卷筒的传动效率：0.96电机至工作机之间的传动装置的总效率带式输送机输出的功率： （1-2）F-运输带拉力（N），V-运输带速度（m/s）电动机所需工作功率为： （1-3）-总效率输送机卷筒的转速: （1-4）-卷筒直径（）取V带传动比，齿轮传动比。则总传动比为，故
11、电动机转速的可选范围 （1-5）符合这一范围的转速有：750、1000、1500、3000由机械设计课程设计手册查出有四种适合的电动机型号，因此有四种方案，如下表所示表1-1 各种电动机型号方案电动机型号额定功率同步转速（r/min）额定转速（r/min）重量总传动比1Y112M-24kW3000289045kg152.112Y112M-44kW1500144043kg75.793Y132M1-64kW100096073kg50.534Y160M1-84kW750720118kg37.89综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、和带传动、减速器的传动比，可见第3种方案比较合适，因此选用电动机型号
12、为Y132M1-6，其主要参数如下：表1-2 电动机型号参数表额定功率（kw）满载转速同步转速质量ADEFGHLAB4960100073216388010331325152801.4 总传动比的确定及分配总传动比为： （1-6） （1-7）-电动机转速（），-V带的传动比，-高速级传动比，-低速级传动比，其中，且，从而得，1.5 传动装置运动和动力参数的确定1.5.1 各轴转速 （1-8） （1-9） （1-10） （1-11）-高速轴转速（），-中间轴转速（）-从动轴转速（），-卷筒转速（）1.5.2 各轴输入功率 （1-12） （1-13） （1-14） （1-15）-高速轴输入功率（），
13、-中间轴输入功率（）-从动轴输入功率（），-卷筒轴输入功率（）1.5.3 则各轴的输出功率 （1-16） （1-17） （1-18） （1-19）-高速轴输出功率（），-中间轴输出功率（）-从动轴输出功率（），-卷筒轴输出功率（）1.5.4 各轴输入转矩= （1-20） （1-21） （1-22） （1-23） （1-24）-电动机输入转矩（），-高速轴输入转矩（）-中间轴输入转矩（），-从动轴输入转矩（）-卷筒输入转矩（）2 V带的设计2.1 确定V带型号查机械设计基础得： 则根据，选择A型V带，取。 （2-1）-带传动的滑动率，-电动机处带轮直径（）-减速器处的带轮直径（）2.2 验算带速
14、 （2-2）-电动机处带轮直径（），且带速在5-25m/s范围内，合适。2.3 取V带基准长度和中心距 （2-3） （2-4） （2-5）-初选中心距（），-实际中心距（）-基准长度（），-实际长度，取2500。2.4 验算小带轮包角 （2-6）2.5 求V带根数 （2-7）-单根V带传递的功率（），-功率增量（）-包角修正系数，-带长修正系数，-计算功率（）查机械设计基础由内插值法得查机械设计基础得,由内插值法得取根。2.6 求作用在带轮轴上的压力 （2-8） （2-9）-单根V带的初拉力（），-作用在轴上的力（）-带单位长度的质量（），其值为0.13 齿轮的设计3.1 高速级齿轮的传动设计
15、计算3.1.1 选择齿轮材料级精度等级小齿轮选用45钢调质，硬度为；大齿轮选用45钢正火，硬度为。选8级精度，要求齿面粗糙度。3.1.2 确定有关参数与系数（1）转矩由上表可以读出（2）载荷系数直齿，圆周速度高，精度相对较低，齿宽系数大，齿轮在两轴承间非对称布置时取大值。查机械设计基础得（3）齿数和齿宽系数在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的承受能力主要决定于齿面接触疲劳强度，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可多些，推荐小齿轮的齿数取为24。此处小齿轮的齿数取24，则大齿轮的齿数，因和最好互质，所以取107。实际齿数比为齿数传动比误差因二级直齿圆柱齿轮为不对称布置，而齿轮表面又软齿面由机械设计基础
16、选取（4）许用接触应力 （3-1） （3-2）-接触疲劳系数，-接触疲劳极限（）-安全系数由机械设计基础查得，故= （3-3）则，取模数标准值3.1.3 主要尺寸计算 （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）-齿轮分度圆直径（），-齿轮中心距（）-齿宽（），此处取，取3.1.4 按齿根弯曲疲劳强度校核由机械设计基础知若能得出,则校核合格。 （3-8） （3-9） （3-10） （3-11）-齿形系数，-应力修正系数-许用弯曲应力（），-安全系数由机械设计基础得，由于所以齿根弯曲强度校核合格。3.1.5 验算齿轮得圆周速度 （3-12）由机械设计基础可知，选8级精度是合适的。3.1.6 几
17、何尺寸计算-小齿轮齿顶圆直径（），-小齿轮齿根圆直径（），直径较小做成齿轮轴。同理可得大齿轮齿顶圆直径为，大齿轮齿根圆直径为，直径较大采用腹板式。整理求得的参数：3.2 低速级齿轮的传动设计计算计算齿面接触疲劳许用应力 （3-13） （3-14）= （3-15）（1）齿数和齿宽系数齿数取为29，则大齿轮的齿数，因和最好互质，所以取102。实际齿数比为齿数传动比误差因二级直齿圆柱齿轮为不对称布置，而齿轮表面又软齿面由机械设计基础选取。（2）许用接触应力由机械设计基础查得：，。由机械设计基础得接触疲劳系数：则,取模数标准值（3）主要尺寸计算 （3-16） （3-17） （3-18）-分度圆直径（）
18、，-齿宽（）取为，-齿轮中心距（）同理可得：取为，整理求得的参数：由于，所以采用腹板式结构。4 轴的设计4.1 高速轴设计4.1.1 确定各轴段直径和长度由机械设计基础得：选用45号钢调质处理， 。，因装小带轮的电动机轴径，高速轴第一段轴径装配大带轮，且，取；大带轮要靠轴肩定位，且配合密切，；段需要装配轴承，且，可取，因此可以选用6009轴承，；段主要是定位轴承，取，根据箱体内壁线确定后在确定；装配齿轮段直径：判断是不是作成齿轮轴 ，由机械设计基础得，校核该轴和轴承：。4.1.2 校核高速轴作用在齿轮上的圆周力为： （4-1）径向力为： （4-2）作用在轴1带轮上的外力： （4-3）（1）求垂
19、直面的支反力 （4-4）则另一支座力为：（2）求垂直弯矩 （4-5）同理得：（3）求水平面的支承力由 （4-6）得支承力为：N另一端为：N（4）求水平面弯矩 （4-7）同理：（5）求F在支点产生的反力 （4-8）则另一端为（6）求F力产生的弯矩 （4-9）同理得在a处产生的弯矩为：F在此处产生的弯矩：（7）求合成弯矩：考虑最不利的情况，把与直接相加。 （4-10）同理得：（8）求危险截面当量弯矩：截面最危险，其当量弯矩为：（取折合系数） （4-11）（9）计算危险截面处轴的直径：因为材料选择调质，由机械设计基础得，许用弯曲应力，则： （4-12）因为，所以该轴是安全的。4.1.3 键的设计与校
20、核 根据，确定V带轮选铸铁，由于在范围内，故轴段上采用键：，采用A型普通键,键校核为：综合考虑取=50得,所选键为：。4.2 中间轴的设计4.2.1 确定各轴段直径和长度选用45号钢调质处理。由机械设计基础得。所以：。段要装配轴承，取，选6208轴承，；装配低速级小齿轮，且取，；段主要是定位高速级大齿轮，所以取，；装配高速级大齿轮，取，；段要装配轴承，取，选6208轴承。4.2.2 校核该轴和轴承作用在2、3齿轮上的圆周力： （4-13）同理得：N径向力：, （4-14）（1）求垂直面的支反力 （4-15）另一支座出垂直面为：（2）计算垂直弯矩 （4-16） （4-17）（3）求水平面的支承力
21、 （4-18） （4-19）（4）计算水平面弯矩 （4-20） （4-21）（5）求合成弯矩，按最不利情况考虑 （4-22） （4-23）（6）求危险截面当量弯矩截面最危险处，其当量弯矩为：（取折合系数） （4-24） （4-25）（7）计算危险截面处轴的直径截面1: （4-26）截面2: （4-27）由于，所以该轴是安全的。4.2.3 键的设计与校核已知，由于所以取。因为齿轮材料为45钢，由机械设计基础得，取键长为110，取键长为70。根据挤压强度条件，键的校核为： （4-28） （4-29）所以所选键为: 4.3 从动轴的设计4.3.1 确定各轴段直径和长度轴主要承受转矩作用，按扭转强度计
22、算：。考虑到该轴段上开有键槽，取，圆整成标准值，取。联轴器轴向定位，在外伸端设置轴肩，第二段轴径，标准值为。为了使轴承装拆方便，采用挡油环给轴承定位，选取轴承6215:。设计轴段，考虑到挡油环轴向定位，故取。设计另一端轴颈，取，轴承由挡油环定位，挡油环另一端靠齿轮齿根处定位。设计轴头，取，取。设计轴环及宽度，使齿轮轴向定位，故取，。有联轴器的尺寸决定，,所以。轴头长度，此段要比此轮孔的长度短23，。4.3.2 校核该轴和轴承作用在齿轮上的圆周力： （4-29）径向力： （4-31）（1）求垂直面的支反力 （4-32） （4-33）（2）计算垂直弯矩 （4-34） （4-35）（3）求水平面的支
23、承力 （4-36） （4-37）（4）计算水平面弯矩 （4-38） （4-39）（5）求F在支点产生的反力 （4-40） （4-41）（6）求F力产生的弯矩 （4-42） （4-43）F在a处产生的弯矩： （4-44）（7）求合成弯矩考虑最不利的情况，把与直接相加 （4-45）（8）求危险截面当量弯矩：截面最危险处，其当量弯矩为（取折合系数） （4-46）4.3.3 键的设计与校核因为装联轴器，由机械设计基础得选键为，。因为初选键长为100,校核所以所选键为:。装齿轮由机械设计基础得选键为，因为初选键长为100,校核所以所选键为:。5 联轴器的选择计算联轴器所需的转矩：，由机械设计基础得取 ，
24、选用型号为HL6的弹性柱销联轴器。6 箱体结构的设计减速器的箱体采用铸造制成，采用剖分式结构为了保证齿轮佳合质量，大端盖分机体采用配合。（1）机体有足够的刚度在机体为加肋，外轮廓为长方形，增强了轴承座刚度。（2）考虑到机体内零件的润滑，密封散热因其传动件速度小于，故采用侵油润油，同时为了避免油搅得沉渣溅起，齿顶到油池底面的距离H大于。为保证机盖与机座连接处密封，联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创，其表面粗糙度为。（3）机体结构有良好的工艺性铸件壁厚为，圆角半径为。机体外型简单，拔模方便。（4）对附件设计视孔盖和窥视孔:在机盖顶部开有窥视孔，能看到 传动零件齿合区的位置，并有足够的空间，以便
25、于能伸入进行操作，窥视孔有盖板，机体上开窥视孔与凸缘一块，有便于机械加工出支承盖板的表面并用垫片加强密封，盖板用铸铁制成，用紧固。油螺塞:放油孔位于油池最底处，并安排在减速器不与其他部件靠近的一侧，以便放油，放油孔用螺塞堵住，因此油孔处的机体外壁应凸起一块，由机械加工成螺塞头部的支承面，并加封油圈加以密封。油标：油标位在便于观察减速器油面及油面稳定之处，油尺安置的部位不能太低，以防油进入油尺座孔而溢出。通气孔：由于减速器运转时，机体内温度升高，气压增大，为便于排气，在机盖顶部的窥视孔改上安装通气器，以便达到体内为压力平衡。位销：为保证剖分式机体的轴承座孔的加工及装配精度，在机体联结凸缘的长度方
26、向各安装一圆锥定位销，以提高定位精度。吊钩：在机盖上直接铸出吊钩和吊环，用以起吊或搬运较重的物体。减速器机体结构尺寸如下：表6-1 减速器机体结构尺寸表名称符号减速器型式及尺寸关系/mm箱座壁厚10箱盖壁厚箱盖凸缘厚度箱座凸缘厚度箱座底凸缘厚度地脚螺钉直径1015152520地脚螺钉数目4轴承旁联接螺栓直径16机盖与座联接螺栓直径12联接螺栓的间距180轴承端盖螺栓直径8视孔盖螺钉直径6定位销直径9、到外箱壁距离26、22、18、至凸缘边缘距离24、16外箱壁至轴承座端面距离40大齿轮顶圆与内箱壁距离12齿轮端面与内箱壁距离12箱盖、箱座肋厚、；轴承端盖凸缘厚度97 减速器零件的三维建模7.1
27、 齿轮的三维建模齿轮的三维成型难点主要是齿渐开线的形成，形成齿轮的过程中主要用到了拉伸、阵列。图7-1 三维齿轮模型图7-2 三维齿轮模型图7-3 小齿轮三维模型7.2 轴的三维建模在Pro/E中阶梯轴的实现比较容易。采用完成轴的纵截面草图，然后依次旋转完成，键槽的生成运用去料法。图7-4 低速轴的三维图图7-5 中间轴的三维模型图7-6 高速轴的三维图7.3 箱体的三维建模由于箱体的造型比较复杂，故首先运用了拉伸、切除、筋板、镜像、阵列等特征形成箱座的三维模型。图7-7 箱座的三维模型上箱体与下箱体有着相似的结构特征。图7-8 上箱体三维模型7.4 其他零件的三维建模7.4.1 轴承的三维模
28、型成型轴承的建模是装配体运用的过程，所以在完成外圈、内圈、滚珠后，在新建的装配体中把三者以一定的配合关系装配起来，完成的轴承的三维模型。图7-9 轴承的三维模型7.4.2 游标尺等零件的三维模型游标尺、轴承盖、通气塞的三维成型和建模过程比较容易，主要运用拉伸、旋转、去料等特征。图7-10 游标尺的三维模型图7-11 轴承盖的三维模型图7-12 通气塞的三维图7.4.3 组合装配图Pro/E中装配的装配图的生成应熟悉装配中的各种约束以及装配方法。正确的装配方法有利于机械的“仿真”与机械的模拟检测。因减速器的设计中涉及到多处装配，包括轴上零件的装配，轴与箱体的装配，箱体间的装配，箱体与箱体上零件的
29、装配等。图7-13 低速轴装配图图7-14 中间轴装配图图7-15 高速轴的三维模型总装配中要注意：轴与箱底座的装配需采用“约束形式”为“销钉”，因为销钉约束只限制5个自由度，少了一个旋转的自由度。图7-16 箱体总装配图8 结束语（1）减速器结构的设计和计算融合了材料力学、理论力学、机械设计、机械原理、金属工艺学等专业知识，其内部结构比较复杂但相互联系，环环相扣。（2）运用Pro/E三维建模软件对减速器进行结构设计不仅精确度高而且减轻了工作量，不需要实际的产品加工和调试，完全用软件进行模拟加工和调试，是设计领域发展的趋势。参考文献1 吴宗泽，罗胜国.机械设计课程设计手册.第二版.北京：高等教
30、育出版社.1999:3540.2 罗胜国，李平林.机械设计课程设计指导书.第二版.北京：清华大学出版社.2001:7778.3 周元康.机械课程设计.重庆大学出版社，2005:9899.4 杨可桢，程光蕴.机械设计基础.第四版.北京：高等教育出版社，2001：4546.5 陈立德.机械设计课程设计指导书.第二版，北京：高等教育出版社，2004:122125.6 李正峰.机械设计基础.上海：上海交通大学出版社2005：9899.7 刘力.机械制图.第二版.北京：高等教育出版社，2004:6870.8 周跃生.AutoCAD工程绘图与训练.北京：高等教育出版社，2002:8283.9 陈惠瑾.机械
31、零件课程设计.北京：高等教育出版社，1990:3638.10 高松福.AutoCAD2004中文版式机械制图实例与技巧.北京.机械工业出版社，2004:5758.11 戚宁.计算机绘图AutoCAD2006.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2004:5758.12 江洪.Pro/E基础教程.第二版.北京：机械工业出版社，2006:134135.13 谢宏伟.Pro/E2004中文版实用教程.北京：人民邮电出版社，2005: 5758.14 Matt Lombard,Pro/E Administration Bible JOHN WILEY & SONS INC , 2009: 223
32、228.15 Matt Lombard,Pro/E 2004 Bible JOHN WILEY & SONS INC , 2004: 2234.致谢本课题在选题及设计过程中得到了吕钊钦老师的悉心指导。他严谨细致、一丝不苟的工作作风一直是我学习和工作的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给与我无穷的启迪。吕老师多次关心并询问我的设计过程，并给我提出了很多宝贵的意见，帮助我开拓设计思路，精心点拨，在此谨向吕老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在本次毕业设计的过程中还得到了学院许多老师和同学的帮助，正因为他们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本次设计的顺利完成。在此，我对他们的帮助表示衷心的感谢。在本次设计由于本人的能力有限，加上时间较为紧迫，在设计中难免有诸多不足之处。在此恳请各位老师和同学给予批评和指正。 刘行尚 2012年6月10日附录 螺塞 垫片（A） 键 螺杆 垫片（B） 垫圈 垫片（B） 端盖 销 螺母