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中國礦業(yè)大學(xué)2010屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第88頁
1 緒 論
1.1引言
煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和重要原料，是當(dāng)前我國能源的主要組成部分之一，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的戰(zhàn)略地位，這就是中國的國情。過去以至未來可預(yù)見的幾十年內(nèi)，煤炭仍是我國的重要能源，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)將難以改變，煤炭工業(yè)的地位空前提高。但是目前我國的煤炭工業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)不能滿足整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要。因此必須以更快的速度發(fā)展煤炭工業(yè)。然而，高速發(fā)展煤炭工業(yè)的出路在于煤炭工業(yè)的機(jī)械化。
礦山機(jī)械主要面向能源、交通和原材料基礎(chǔ)工業(yè)部門服務(wù)，主要任務(wù)是為煤炭、鋼鐵、有色金屬、化工、建材和核工業(yè)等部門的礦山開采和原材料的深加工，以及為鐵路、公路、水電等大型工程的施工提供先進(jìn)、高效的技術(shù)裝備。礦山機(jī)械是機(jī)械工業(yè)中一個品種繁多、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需求量大、使用面廣的機(jī)械行業(yè)。礦山機(jī)械按其用途大致可分為采掘設(shè)備、提升設(shè)備、窄軌運(yùn)輸設(shè)備、破碎粉磨設(shè)備、礦用篩分設(shè)備、洗選設(shè)備和焙燒設(shè)備等7大類，30小類，700多個品種和數(shù)千種規(guī)格。
礦山機(jī)械在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科技進(jìn)步和社會發(fā)展中占有十分重要的地位和作用，屬于國民經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)。礦山機(jī)械制造業(yè)是國家建立獨(dú)立工業(yè)體系的基礎(chǔ)，也是衡量一個國家工業(yè)實力的重要標(biāo)志。根據(jù)國家重點支持能源、交通和原材料等基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策，礦山機(jī)械作為這些基礎(chǔ)工業(yè)的支柱應(yīng)優(yōu)先得到國家的重點支持，以得到進(jìn)一步發(fā)展和提高，為煤炭、金屬和非金屬礦山的開發(fā)提供更多的具有國際先進(jìn)水平的優(yōu)質(zhì)、高效設(shè)備，滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源和原材料的需要。我國絞車的發(fā)展大致分為三個階段。20世紀(jì)50年代主要是仿制設(shè)計階段；60年代，自行設(shè)計階段；70年代以后，我國進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計階段。
1.2概述
1.2.1絞車概況
絞車又稱為卷揚(yáng)機(jī)，是用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條以提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備。目前國內(nèi)最大的船用液壓拖纜絞車是350T的由泰興市依科攀船舶設(shè)備有限公司設(shè)計的。
1）絞車的特點和用途：
絞車具有以下特點：通用性高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、起重大、使用轉(zhuǎn)移方便，被廣泛應(yīng)用于建筑、水利工程、林業(yè)、礦山、碼頭等的物料升降或平拖，還可作現(xiàn)代化電控自動作業(yè)線的配套設(shè)備。有0.5噸~350噸，分為快速和慢速兩種。其中高于20噸的為大噸位絞車,絞車可以單獨(dú)使用，也可作為起重、筑路和礦井提升等機(jī)械中的組成部件，因操作簡單、繞繩量大、移置方便而廣泛應(yīng)用。絞車主要技術(shù)指標(biāo)有額定負(fù)載、支持負(fù)載、繩速、容繩量等。
2）絞車的分類
絞車按照動力分為手動、電動、液壓三類。從用途上分類可分為建筑用絞車和船用絞車。
絞車按照功能可以分為：船用絞車、工程絞車、礦用絞車、電纜絞車等。
按照卷筒形式分為單卷筒和和雙卷筒。
按照卷筒分布形式有分為并列雙卷筒和前后雙卷筒。
手動絞車：
手動絞車的手柄回轉(zhuǎn)的傳動機(jī)構(gòu)上裝有停止器(棘輪和棘爪)，可使重物保持在需要的位置。裝配或提升重物用的手動絞車還應(yīng)設(shè)置安全手柄和制動器。手動絞車一般用在起重量小、設(shè)施條件較差或無電源的地方。
電動絞車：
電動絞車廣泛用于工作繁重和所需牽引力較大的場所。單卷筒電動絞車的電動機(jī)經(jīng)減速器帶動卷筒，電動機(jī)與減速器輸入軸之間裝有制動器。為適應(yīng)提升、牽引和回轉(zhuǎn)等作業(yè)的需要，還有雙卷筒和多卷筒裝置的絞車。一般額定載荷低于10T的絞車可以設(shè)計成電動絞車。
液壓絞車：
液壓絞車主要是額定載荷較大的絞車，一般情況下10T以上到5000T的絞車設(shè)計成液壓絞車。其結(jié)構(gòu)主要由液壓馬達(dá)（低速或高速馬達(dá)）、液壓常閉多片式制動器、行星齒輪箱、離合器、卷筒、支撐軸、機(jī)架、壓繩器(選配)等組成。液壓馬達(dá)具有很高的機(jī)械效率，起動扭矩大，并可根據(jù)工況要求帶不同的配流器，還可根據(jù)用戶需要設(shè)計閥組直接集成于馬達(dá)配油器上，如帶平衡閥、過載閥、高壓梭閥、調(diào)速換向閥或其他性能的閥組，制動器、行星齒輪箱等直接安裝于卷筒內(nèi)，卷筒、支撐軸、機(jī)架根據(jù)力學(xué)要求設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)簡潔合理并具有足夠的強(qiáng)度和剛性。因而該系列絞車在結(jié)構(gòu)上具有緊湊、體積小、重量輕、外形美觀等特點，在性能上則具有安全性好、效率高、起動扭矩大、低速穩(wěn)定性好、噪音小、操作可靠等特點。值得一提的是液壓馬達(dá)高的容積效率和美國SUN公司優(yōu)質(zhì)的平衡閥解決了一般絞車都存在的二次下滑和空鉤抖動現(xiàn)象，使得該系列液壓絞車的提升、下放和制動過程平穩(wěn)，帶離合器的絞車還可實現(xiàn)自由下放。安裝于配流盤上的集成閥組則有效地簡化了用戶的液壓系統(tǒng)。由于該系列絞車具備上述優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用于船舶、鐵路、工程機(jī)械、石油、地質(zhì)勘探、冶金等行業(yè)，其優(yōu)良性能得到了用戶的認(rèn)可。
1.2.2回柱絞車概況
回柱絞車又稱慢速絞車，是供煤礦井下采煤工作面回柱放頂之用。由于它的高度較低重量又輕，特別適用于薄煤層和急傾斜煤層采煤工作面，以及各種采煤工作面回收沉入底板或被矸石壓埋的金屬支柱。隨著機(jī)械化采煤程度的提高，它越來越多地被廣泛用于機(jī)械化采煤工作面，作為安裝、回收牽引各種設(shè)備和備件。
JH14型回柱絞車是一種有效的礦山輔助設(shè)備。該型絞車主要應(yīng)用于回柱放頂之用，同時也可用于上山、下山、平巷等綜采工作面設(shè)備的搬遷，比如液壓支架、溜槽等。此外，拉緊皮帶機(jī)機(jī)頭、運(yùn)料、調(diào)度車輛等工作都可以用這種絞車來完成。在港口、碼頭、建筑工地、工廠企業(yè)，這種回柱絞車也可以發(fā)揮作用。可見，回柱絞車在煤炭行業(yè)、機(jī)械行業(yè)，包括部分其他行業(yè)都有著不可忽視的地位。
回柱絞車在回采工作面的布置方式有以下三種：
1）安裝在回風(fēng)巷內(nèi)，距回采工作面約。這種布置方式適用條件廣，尤其是煤層傾角較大，頂板破碎，壓力較大的工作面。但這種布置方式會影響回風(fēng)巷的運(yùn)料工作。每一次回柱需移動導(dǎo)向輪，鋼絲繩繞過導(dǎo)向輪，多了一個拐彎，摩擦阻力增大，鋼絲繩容易損壞。按這種方式布置的回柱絞車，必須沿鋼絲繩牽引方向長條式布置，絞車寬度不應(yīng)超過，過寬則會堵塞巷道。因為運(yùn)料工人常常從機(jī)體旁經(jīng)過，齒輪一定要密閉，不然就容易引起事故。
2）安設(shè)在回采工作面上端，緊靠回風(fēng)巷上部和密集支柱之間。這種布置方式當(dāng)頂板較好，煤層傾角較小的條件下采用。但每進(jìn)行一個循環(huán)都須移動絞車，且需移開柱子，因而不夠方便。在工作面上方頂板壓力較大時，機(jī)座受力容易變形，可能引起齒輪嚙合不良，甚至回柱絞車有被壓埋的危險。
3）安設(shè)在工作面上，工作面上有數(shù)臺絞車同時回柱，加快回柱速度。這種布置方式對淺截深的機(jī)采工作面尤為需要。例臺徐州礦務(wù)局認(rèn)為，回柱設(shè)備是當(dāng)前提高煤產(chǎn)量的關(guān)鍵?，F(xiàn)在安排回柱放頂時間是每天一個班（8小時），而用刨煤機(jī)進(jìn)尺只要2小時就能完成，因此，只要加快回柱速度，就會收到提高煤產(chǎn)量的效果。
回柱絞車結(jié)構(gòu)的一般分析
1）按驅(qū)動機(jī)構(gòu)分
（1）手搖式回柱絞車
手搖式回柱絞車用于人工回柱，體積小，重量輕，移動方便，結(jié)構(gòu)簡單。但人工回柱效率低，安全性差，一般只用作輔助作業(yè)，或在回收金屬支柱時使用。
（2）風(fēng)動回柱絞車
風(fēng)動回柱絞車?yán)Υ?，重量輕，適用于我國西南地區(qū)的超級瓦斯礦，但是風(fēng)動回柱絞車成本較高，使用范圍受到限制。
（3）電動回柱絞車
電動回柱絞車使用范圍最廣，目前各制造廠生產(chǎn)的多為電動回柱絞車。
2）按滾筒結(jié)構(gòu)分
（1）纏繞式滾筒
纏繞式滾筒具有一定的容繩量，操作簡單，使用范圍廣，但體積和重量都比較大，現(xiàn)在生產(chǎn)的回柱絞車以采用纏繞式滾筒的為最多。
（2）摩擦式滾筒
摩擦式滾筒多制成雙曲線型，靠滾筒上的幾圈鋼絲繩與滾筒的摩擦力帶動鋼絲繩進(jìn)行工作，滾筒量不受限制，也不存在排繩子問題，解決了“咬繩現(xiàn)象，這種絞車尚在試驗中。
（3）鏈條滾筒
鏈條滾筒即用纏繞鏈條來進(jìn)行回柱工作。因鏈條較重，不宜太長，如某廠生產(chǎn)的三噸輕便回柱絞車，鏈條僅有6米，因此，使用這種回柱絞車的極少。
3）按傳動機(jī)構(gòu)分
（1）普通蝸桿蝸輪傳動
淮南煤礦機(jī)械廠1952年生產(chǎn)的JH-14型回柱絞車，第一級為普通蝸桿蝸輪傳動，再經(jīng)過二級圓柱齒輪帶動滾筒。采用蝸桿蝸輪傳動機(jī)械效率低，雖具有結(jié)構(gòu)結(jié)實耐用的優(yōu)點，但體積重量都很大，搬運(yùn)困難，不適于井下狹窄環(huán)境和經(jīng)常移動的特點，故此類回柱絞車已不再生產(chǎn)。
（2）圓弧面蝸桿傳動
現(xiàn)在生產(chǎn)的各種回柱絞車均采用圓弧面蝸桿傳動，機(jī)械效率提高到約為機(jī)器體積和重量都相應(yīng)減少。
1.3 國內(nèi)外絞車的發(fā)展
近40年我國的煤炭行業(yè)發(fā)生了巨大變化，總裁機(jī)械化水平達(dá)到國際先進(jìn)水平，綜采單采原煤產(chǎn)量早已突破了百萬噸，然而煤炭工業(yè)機(jī)械化離不開運(yùn)輸，運(yùn)輸又離不了輔助運(yùn)輸設(shè)備，絞車就是輔助運(yùn)輸設(shè)備的一種。原煤的運(yùn)輸也已經(jīng)實現(xiàn)了大運(yùn)量娦式輸送機(jī)化，但井下軌道輔助運(yùn)輸與之很不適應(yīng)，材料的運(yùn)較基本上沿用傳統(tǒng)的小絞車群接?式的運(yùn)輸，運(yùn)輸戰(zhàn)線長，環(huán)節(jié)多，占用搬運(yùn)設(shè)備、人員多，安全性差，效率低。盡管一些煤礦對其進(jìn)行了技術(shù)改造, 但仍然滿足不了當(dāng)前礦井發(fā)展和生產(chǎn)的需要?？梢姷V井輔?運(yùn)輸是當(dāng)前現(xiàn)代化礦井建設(shè)的關(guān)鍵和重點。
我國絞車的誕生是從20世紀(jì)50年代開始的，初期主要仿制日本和蘇聯(lián)的；60年代進(jìn)入了自行設(shè)計階段；到了70年代，隨著技術(shù)的慢慢成熟，絞車的設(shè)計也進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化的發(fā)展階段。但與國外水平相比，我國的絞車在品種、型式、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品性能，三化水平（參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化）和技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面還存在一定的差距。
國外礦用絞車發(fā)展趨勢有以下幾個特點：
1）標(biāo)準(zhǔn)化系列化；
2）體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊；
3）高效節(jié)能；
4）壽命長、低噪音；
5）一機(jī)多能、通用化高f、大功率；
6）外形簡單、平滑、美觀、大方。
針對國外的情況我們應(yīng)譏采取以下措施：
1）制定完善標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行產(chǎn)品更新改造和提高產(chǎn)品性能；
2）完善測試手段，重點放在產(chǎn)品性能檢測；
3）技術(shù)引進(jìn)和更新?lián)Q代相結(jié)合；
4）組織專業(yè)化生產(chǎn)，爭取在較短時間內(nèi)達(dá)到先進(jìn)國家的水平。
1.4 JH-14型回柱絞車的技術(shù)特點
1）速度變化大，回柱效率高
JH-14型回柱絞車工作時的牽引速度為，平均速度,最大牽引力為，容繩量為，工作效率大大提高。
2）結(jié)構(gòu)簡單，功效全面
JH-14型回柱絞車的傳動系統(tǒng)采用三級傳動，包括圓弧蝸輪蝸桿齒輪傳動、兩級圓柱齒輪傳動，其中一級采用了滑移齒輪傳動，這樣就可以實現(xiàn)變速傳動，可以適應(yīng)各種情況下的傳動。傳動系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)布置緊湊、合理。
3）操作簡單，安全可靠
JH-14型回柱絞車采用滑移齒輪實現(xiàn)變速傳動，只需要在需要調(diào)速的時候，手動搖動撥叉手柄，就可以實現(xiàn)滑移齒輪的移動，從而實現(xiàn)變速。絞車起動時動載小，鋼絲繩受到的沖擊小。只需輕輕點動電機(jī)控制按鈕，就可起動電機(jī)，然后操作制動的手把，便可實現(xiàn)絞車的動作。
2 總 體 設(shè) 計
2.1設(shè) 計 總 則
1）煤礦生產(chǎn)，安全第一。
2）面向生產(chǎn)，力求實效，以滿足用戶最大實際需求。
3）要考慮到回柱時的各種問題。
4）貫徹執(zhí)行國家、部、專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)規(guī)定。
5）技術(shù)比較先進(jìn)，并要求多用途。
使用環(huán)境和工作條件
1）環(huán)境溫度為；環(huán)境相對濕度不超過；海拔高度以下。
2）周圍空氣中的甲烷、煤塵、硫化氫和二氧化碳等不得超過《煤礦安全規(guī)程》中所規(guī)定的安全含量。
2.2 設(shè) 計 條 件
最大牽引力：
平均牽引速度：
容繩量：
2.3 傳動方案的設(shè)計
，—滑移齒輪 —蝸輪 —小齒輪 —過橋齒輪
—大齒輪 1—制動器 2—聯(lián)軸器 3—蝸桿 4—蝸輪軸
5—小齒輪軸 6—過橋齒輪軸 7—卷筒軸 8—卷筒 9—電動機(jī)
圖2.1 JH-14型回柱絞車傳動系統(tǒng)圖
其傳動路線是：
防爆電機(jī)→制動器、聯(lián)軸器→蝸桿→蝸輪→滑移齒輪→小齒輪→過橋齒輪→大齒輪→卷筒。
2.4電動機(jī)的設(shè)計選擇
2.4.1電動機(jī)輸出功率的計算
已知：最大拉力：
平均繩速：
即：
則電動機(jī)的輸出功率：
根據(jù)以上的傳動方案圖2.1可得：
總傳動效率
式中：
蝸桿傳動效率為0.90；
聯(lián)軸器效率為0.99；
軸承效率為0.99；
齒輪傳動效率=0.97；
卷筒效率=0.96。
計算電動機(jī)輸出功率：
2.4.2確定電動機(jī)的型號
電動機(jī)所需的額定功率與電動機(jī)輸出功率之間有以下的關(guān)系：
式中為功率儲備系數(shù)，一般取，吳無過載時取
回柱絞車可取
由于絞車在井下使用，條件比較惡劣，要求電動機(jī)必須具有防爆功能，查《機(jī)械設(shè)計 課程上機(jī)于設(shè)計》表16-2選電動機(jī)的型號為
額定功率
實際轉(zhuǎn)速
查得電動機(jī)的外形尺寸：
電機(jī)中心高度：
電動機(jī)軸直徑長度：
圖2.2 電動機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖
2.4.3牽引鋼絲繩直徑的確定及滾筒直徑的確定
回柱絞車主要用于回采工作面中的回柱放頂，亦可用于托運(yùn)重物和調(diào)度車輛等用途。由于其工作環(huán)境惡劣，要求其具有一定的防腐蝕及防銹能力。
長期以來，鋼絲繩是按安全系數(shù)法選擇的。鋼絲繩在工作中承受的最大靜拉力，將最大靜拉力乘以規(guī)定的安全系數(shù)，取鋼絲繩的安全系數(shù)取，然后選擇一種破斷拉力不小于的鋼絲繩。
所選擇的鋼絲繩，其直徑不應(yīng)小于下式計算的最小直徑：
式中：C-鋼絲繩的選擇系數(shù)；
S-鋼絲繩最大靜拉力。
取鋼絲繩直徑：
選擇系數(shù)C，其取值與機(jī)構(gòu)工作級別有關(guān)，按《起重機(jī)設(shè)計與實例》表4-17b選取，其中數(shù)值是在鋼絲充滿w為0.46，執(zhí)減系數(shù)k為0.82時，選擇系數(shù)c值取c=0.084，
鋼絲繩破斷力S0可按下式估算：
式中：d—鋼絲繩的直徑 ；
—鋼絲繩鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限 ；
—鋼絲繩中金屬絲截面與整個截面積的比值，與鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般?。?
K—考慮鋼絲在繞制過程中的損失等因素的損失系數(shù)，一般取k=0.82
根據(jù)鋼絲繩的實際破斷力S0，驗算安全系數(shù)n：
整理得C與n間有如下關(guān)系：
鋼絲繩選擇：繩股繩纖維芯。優(yōu)點：旋轉(zhuǎn)性小，有相當(dāng)大的撓性。
查《礦井運(yùn)輸提升》表2-2（2）：
鋼絲繩直徑：；
鋼絲直徑：；
鋼絲總斷面積：；
參考重力：；
鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度：；
鋼絲繩破斷力總和（不小于）：。
2.5滾筒的設(shè)計計算
2.5.1滾筒直徑
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》查表8-1-59得：鋼絲繩直徑為時，槽底半徑為，標(biāo)準(zhǔn)槽形，，；加深槽形；；。
圖2.3 卷筒槽形圖
滾筒直徑：
式中：—以鋼絲繩中心線計算的鋼絲繩卷繞直徑；
—與起升機(jī)構(gòu)工作級別有關(guān)的參數(shù)，；
—鋼絲繩直徑,。
取
圖2.4 卷筒結(jié)構(gòu)圖
2.5.2滾筒寬度
滾筒的寬度直接影響到最終產(chǎn)品的寬度，因此它的寬度必然要有最大值的限制，即不能太寬。滾筒的寬度太窄的話，那么與減速器裝配起來后，就會顯得不協(xié)調(diào)。所以滾筒的寬度不能隨便確定，而最好是在畫圖的過程中把它定下來，這樣有利于整體的配合。讓人看起來協(xié)調(diào)、美觀、大方。但現(xiàn)在考慮到滾筒的平均速度以及便于下面的各種計算，我們暫定滾筒寬度為。
2.5.3滾筒的外徑
按照常規(guī)，同時根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》，鋼絲繩的纏繞層數(shù)最好不要超過5層，也就是說，控制在5層以內(nèi),但也可以超過層。
滾筒的容繩量，我們?yōu)?，?jù)以上設(shè)計可知，每一層纏繞的圈數(shù)：
每一圈所纏繞的長度：
計算鋼絲繩的纏繞層數(shù)為
則鋼絲繩在卷筒上的最小纏饒直經(jīng)：
鋼絲繩在卷筒上的最大纏饒直經(jīng)：
鋼絲繩在卷筒上的平均纏饒直經(jīng)：
根據(jù)設(shè)計要求平均速度為
滾筒的轉(zhuǎn)速為：
最?。?
最大：
計算出系統(tǒng)總傳動比為：
2.5.4驗算滾筒的平均速度（鋼絲繩平均速度）：
1）最小速度
2）最大速度
3）平均速度
3 減 速 器 設(shè) 計
3.1減速器總體設(shè)計
3.1.1減速器概述
減速器是原動機(jī)和工作機(jī)之間的獨(dú)立的閉式傳動裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場合也用來增速，稱為增速器。
選用減速器時應(yīng)根據(jù)工作機(jī)的選用條件，技術(shù)參數(shù)，動力機(jī)的性能，經(jīng)濟(jì)性等因素，比較不同類型、品種減速器的外廓尺寸，傳動效率，承載能力，質(zhì)量，價格等，選擇最適合的減速器。
減速器的類別、品種、型式很多，目前已制定為行（國）標(biāo)的減速器有40余種。減速器的類別是根據(jù)所采用的齒輪齒形、齒廓曲線劃分；減速器的品種是根據(jù)使用的需要而設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)的減速器；減速器的型式是在基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)齒面硬度、傳動級數(shù)、出軸型式、裝配型式、安裝型式、聯(lián)接型式等因素而設(shè)計的不同特性的減速器。
與減速器聯(lián)接的工作機(jī)載荷狀態(tài)比較復(fù)雜，對減速器的影響很大，是減速器選用及計算的重要因素，減速器的載荷狀態(tài)即工作機(jī)（從動機(jī)）的載荷狀態(tài)，通常分為三類：
①—均勻載荷;
②—中等沖擊載荷;
③—強(qiáng)沖擊載荷。
3.1.2減速器設(shè)計
減速器的種類很多，根據(jù)傳動類型分為齒輪減速器、蝸桿減速器、齒輪-蝸桿減速器及行星齒輪減速器；根據(jù)齒輪類型分為圓柱齒輪減速器、錐齒輪減速器、好錐-圓柱齒輪減速器；根據(jù)傳動的級數(shù)分為單級減速器和多級減速器；根據(jù)傳動布置形式分為展開式減速器、分流式減速器和同軸式減速器。
本次設(shè)計采用的是齒輪-蝸桿減速器，齒輪傳動布置在低速級，采用蝸桿傳動，二級齒輪傳動。第一級齒輪傳動采用滑移齒輪傳動，用撥叉撥動小滑移齒輪實現(xiàn)變速。
減速器傳動方案設(shè)計圖為：
圖3.1 減速器傳動方案
3.2減速器參數(shù)確定
3.2.1總傳動比及傳動比分配
根據(jù)減速器情況并查蝸輪蝸桿傳動設(shè)計參數(shù)，決定兩級傳動比的分配情況如下:
第一級蝸輪傳動：
式中：為蝸輪蝸桿傳動比
為滑移齒輪傳動比
為大小齒輪傳動比
綜上所得：
蝸輪蝸桿傳動比：
滑移齒輪傳動比：
大小齒輪傳動比：
3.2.2傳動裝置運(yùn)動參數(shù)的計算
從減速器的高速軸開始各軸命名為Ⅰ軸（蝸桿）、Ⅱ軸（蝸輪軸）、Ⅲ軸（小齒輪軸）、Ⅳ軸（過橋齒輪軸）、Ⅴ軸（大齒輪軸）。
1）各軸轉(zhuǎn)速計算
第Ⅰ軸：
第Ⅱ軸：
第Ⅲ軸：
第Ⅳ軸：
第Ⅴ軸：
2）各軸功率計算：
電機(jī)輸出功率為：
第Ⅰ軸：
第Ⅱ軸：
第Ⅲ軸：
第Ⅳ軸：
第Ⅴ軸：
3)各軸扭距計算
第Ⅰ軸：
第Ⅱ軸：
第Ⅲ軸：
第Ⅳ軸：
第Ⅴ軸：
表3.1 各軸參數(shù)表
軸 號
轉(zhuǎn)速
n(r/min)
輸出功率
P(KW)
輸出扭矩
T(N·m)
傳動比i
效率
Ⅰ軸
970
20.13
198.19
25
0.98
Ⅱ軸
38.8
17.40
4282.73
3.45
0.86
Ⅲ軸
11.25
16.71
14184.9
2.65
0.96
Ⅳ軸
11.25
16.04
13616.2
Ⅴ軸
4.25
15.41
34627.18
3.3圓弧蝸輪蝸桿的設(shè)計計算（參考《機(jī)械設(shè)計》）
3.3.1蝸桿傳動概述
蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成的，它是由交錯軸斜齒圓柱齒輪傳動演變而來。為了改善嚙合狀況，常將蝸輪分度圓柱面的母線改為圓弧形，使之將蝸桿部分地包住，并用與蝸桿形狀和參數(shù)相同的滾刀范成加工蝸輪，這樣嚙合齒廓間的接觸為線接觸，可傳遞較大的動力。蝸桿傳動用于傳遞兩根空間交錯軸間的運(yùn)動和動力，兩軸間的夾角可為任意值，通常為900。
蝸桿傳動用于于傳遞空間交錯的兩軸間運(yùn)動和動力,通常兩軸的交角為。蝸桿傳動的特點：
1）傳動比大，在動力傳動中，一般傳動比，在分度機(jī)構(gòu)中，傳動比可達(dá)成1000；
2）傳動平穩(wěn)，沖擊載荷??；
3）具有自鎖性；
4）相對滑動速度較大，當(dāng)工作條件不夠好時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦磨損，傳動效率低，自鎖性時效率僅為左右；
5）要采用減摩性較好的貴重有色金屬的合金作蝸輪，成本較高。
蝸桿傳動的類型：圓柱蝸桿傳動、環(huán)面蝸桿傳動、錐蝸桿傳動。
圓柱蝸桿傳動的類型：普通圓柱蝸桿傳動、圓弧圓柱蝸桿傳動。
普通圓柱蝸桿傳動分為阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）、法向直廓蝸桿（ZN蝸桿）和漸開線蝸桿（ZI蝸桿）。
各蝸桿傳動的特點及應(yīng)用：
阿基米德蝸桿：端面齒廓為阿基米德螺旋線，軸向齒廓為直線。加工時，車刀切削平面通過蝸桿軸線。一般用于低速、輕載或不重要的傳動。
法向直廓蝸桿：端面齒廓為漸開線。加工時，車刀刀刃平面與基圓相切，可在專用機(jī)床上磨削，易保證加工精度。一般用于蝸桿頭數(shù)較多、轉(zhuǎn)速效高且精度要求較高的傳動。
漸開線蝸桿：端面齒廓為延伸漸開線，法面齒廓為直線。可用砂輪磨削，常用于多頭、精密的傳動。
圓弧圓柱蝸桿傳動：蝸桿齒廓為內(nèi)凹弧形，蝸輪齒廓為凸弧形。其綜合曲率半徑較大，承載能力高， 較普通圓柱蝸桿傳動高。廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、化工、建筑、起重等機(jī)械設(shè)備中。
環(huán)面蝸桿傳動:同時嚙合的齒對數(shù)多,由于齒的接觸線與相對運(yùn)動方向處處幾乎垂直,齒面間形成動壓油膜條件好,承載能力高于普通圓柱蝸桿傳動約倍.制造和安裝較復(fù)雜,對精度要求高。
錐蝸桿傳動：同時嚙合的齒對數(shù)多，重合度大。傳動比大，一般為。承載能力和效率較高。側(cè)隙可調(diào)整，機(jī)構(gòu)緊湊。制造安裝簡單方便。但傳動具有非對稱性，正反轉(zhuǎn)受力、承載能力和效率均不相同。
3.3.2蝸桿傳動的失效形式
蝸桿傳動的主要參數(shù)有：模數(shù)、壓力角、蝸桿頭數(shù)、蝸輪齒數(shù)、蝸桿直徑系數(shù)、蝸桿分度圓柱導(dǎo)程角、傳動比、中心距和蝸輪變位系數(shù)等。
蝸桿傳動的失效形式與齒輪一樣，也會出現(xiàn)齒面點蝕、膠合、磨損和齒根折斷等。蝸桿傳動齒面之間的相對滑動速度大，發(fā)熱量高，更容易發(fā)生磨損和膠合。尤其是當(dāng)重載、高轉(zhuǎn)速且潤滑不良時，膠合將是蝸桿傳動的主要失效形式。由于蝸桿輪齒材料的強(qiáng)度要高于蝸輪輪齒材料的強(qiáng)度，而且蝸桿輪齒是連續(xù)的螺旋，蝸桿傳動的失效只發(fā)生在蝸輪輪齒上。
蝸桿的主要失效形式是剛度不足。
蝸桿傳動承載能力的計算：接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)考慮膠合和磨損因素的影響，故其強(qiáng)度計算是條件性的。
蝸桿傳動的設(shè)計準(zhǔn)則：蝸桿傳動的承載能力主要取決于蝸輪輪齒的承載能力。閉式傳動中，通常是按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。開式傳動中，只需保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，考慮到磨料磨損嚴(yán)重，將計算所得模數(shù)加大10%～15%左右。此外，閉式蝸桿傳動，由于散熱較為困難，還應(yīng)作熱平衡校核。
3.3.3蝸桿傳動的材料選定
蝸桿一般是用碳鋼或合金鋼制成，對于高速重載蝸桿傳動，常用20Cr、20 CrMnTi、12CrNi3A等，表面經(jīng)滲碳淬火硬度達(dá)HRC56~62，淬火后需磨削；對中速中載蝸桿傳動，常用45、40Cr、35SiMn等，表面淬火至HRC45~55，再磨削；對一般用途的蝸桿傳動可用45號鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度為HRC220~250,；對低速不重要的蝸桿傳動，蝸桿可不經(jīng)熱處理，或采用鑄鐵。
蝸輪齒圈材料常用鑄錫青銅、鑄鋁青銅及鑄鐵等。對于滑動速度為15~25m/s的較高速、且重要的蝸桿傳動、蝸輪齒圈材料可采用鑄錫青銅，常用ZcuSn10Pbl等，其耐磨性、減摩性、抗膠合能力及切削性能均好，但價格較貴、強(qiáng)度較低；對于滑動速度為6~10m/s的傳動，可用鑄鋁青銅，常用ZcuAl10Fe3等，其強(qiáng)度較高、價格低廉，但抗膠合能力差；對于滑動速度小于2m/s的低速傳動，可用灰鑄鐵，如HT150、HT200等。
蝸桿：參見7.3.1 選用45號鋼表面淬火，便面硬度HRC=45~50。
蝸輪：參見表7.6 選用ZcuSn10Pbl
蝸輪許用接觸應(yīng)力
由式7-9
蝸輪的許用接觸應(yīng)力由表7.6查得
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N,
接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)
則蝸輪許用接觸應(yīng)力
蝸輪的許用彎曲應(yīng)力 由式7-12
蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力，由表7.6查得
彎曲強(qiáng)度的壽命系數(shù)
則蝸輪許用彎曲應(yīng)力
3.3.4蝸桿傳動的結(jié)構(gòu)
蝸桿直徑小，通常與軸做成一個整體，稱為蝸桿軸，蝸桿輪齒部分可用車制和銑制兩種方法加工，車削的輪齒部份要有退刀槽，因而削弱了蝸桿軸的剛度。銑削出的蝸桿，在軸上直接銑出螺旋部分，無退刀槽，因而蝸桿軸的剛度好；當(dāng)蝸桿的直徑過大，或蝸桿與軸采用不同的材料時，可將蝸桿做成套筒套裝在軸上。
圖3.2 蝸桿結(jié)構(gòu)圖
蝸輪直徑較大，為節(jié)約貴重的有色金屬，通常蝸輪做成裝配式，常見的蝸輪結(jié)構(gòu)形式有以下幾種：
1）拼鑄式：將青銅齒圈鑄造在鑄鐵輪芯上，然后切齒。
2）壓配式：這種結(jié)構(gòu)由青銅齒圈及鑄鐵輪芯所組成，齒圈與輪芯常采用過盈配合或，加熱齒圈或加壓裝配。蝸輪圓周力靠配合面摩擦力傳遞。為可靠起見，沿配合面裝置4－8個螺釘。
圖3.3 蝸輪結(jié)構(gòu)圖
3）螺栓聯(lián)接式：青銅齒圈與鑄鐵輪芯可采用過渡配合或間隙配合，如或。用普通螺栓或鉸制孔用螺栓聯(lián)接，蝸輪圓周力由螺栓傳遞。螺栓聯(lián)接式蝸輪拆卸方便，多用于大尺寸或易于磨損的蝸輪。
只有鑄鐵蝸輪，鋁合金蝸輪以及直徑小于100mm的青銅蝸輪，才采用整體式 。
此次設(shè)計采用的是壓配式裝配。
3.3.5蝸桿傳動的主要參數(shù)和幾何尺寸計算
1)齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算
蝸桿與蝸輪嚙合處的齒面接觸情況與齒輪傳動相似，其公式應(yīng)用赫茲公式，并考慮蝸桿和蝸輪齒廓的特點，可得蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核和設(shè)計條件為：
蝸桿頭數(shù)
蝸輪頭數(shù)
蝸輪轉(zhuǎn)矩
估取效率
蝸輪轉(zhuǎn)速
則 蝸輪轉(zhuǎn)矩
載荷系數(shù)
使用系數(shù) 查表7.8
動載荷系數(shù)：估取，取
載荷分布不均勻系數(shù)，載荷平穩(wěn)，取
則，載荷系數(shù)：
彈性系數(shù)
故
查表7.3得：模數(shù)，，
蝸桿分度圓直徑：
，
蝸輪分度圓直徑：
蝸輪圓周速度：
2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計算
由于蝸輪輪齒的齒形比較復(fù)雜，要精確計算較為困難。所以通常是把蝸輪近似當(dāng)作斜齒圓柱齒輪來考慮，則蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核和設(shè)計公式為：
蝸輪齒形系數(shù)，查表7.9得
故
故
彎曲強(qiáng)度足夠。
3）熱平衡計算
閉式蝸桿傳動，若散熱不良，會使?jié)櫥陀蜏厣仙^高而使?jié)櫥驼扯认陆?，使?jié)櫥瑮l件惡化導(dǎo)致齒面粘合。所以對于連續(xù)工作的閉式蝸桿傳動，應(yīng)進(jìn)行熱平衡計算，以保證單位時間內(nèi)的發(fā)熱量能在同一時間內(nèi)散發(fā)出去，使油溫保持在一個規(guī)定的范圍內(nèi)。
由式7-15可得蝸桿傳動所需的散熱面積A
傳動效率
嚙合效率
當(dāng)量摩擦角 由式7-14 滑動速度
由查表7.10得
則
取軸承效率（滾動軸承）
攪油效率
則
散熱系數(shù) 按通風(fēng)良好，取
油的工作溫度
周圍空氣溫度
故
若熱平衡條件不能滿足時，必須采取措施，以提高散熱能力。通常采?。?
（1）在箱體外增加散熱片以增加散熱面積；
（2）在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇，以加速空氣的流通；
（3）在箱體油池中增加循環(huán)冷卻管路；
（4）采用壓力噴油循環(huán)潤滑，循環(huán)油田冷卻器冷卻。
4）其他主要尺寸
由表7.4、表7.5
蝸桿頂圓直徑：
蝸桿根圓直徑：
蝸桿螺紋部分長度：
蝸桿喉圓直徑：
蝸輪根圓直徑：
蝸輪外圓直徑：
蝸輪寬度：
表3.2 蝸輪蝸桿傳動的主要尺寸
名稱
蝸桿
蝸輪
中心距
分度圓直徑
蝸桿軸面齒距
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
蝸輪喉圓直徑
蝸桿螺旋長度
蝸輪輪緣寬度
3.3.6蝸桿傳動的潤滑
為避免或減少輪齒膠合和磨損，常采用粘度大的礦物油進(jìn)行潤滑，并在潤滑油中常加入各種添加劑。
對于閉式蝸桿傳動，常用的潤滑方法與滑動速度有關(guān)；在采用油池潤滑的蝸桿傳動中蝸桿最好下置，形成下置式蝸桿傳動。下置的蝸桿不宜浸油過深，浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個螺旋齒高。當(dāng)蝸桿線速度時，為減小攪油損失，常將蝸桿置于蝸輪之上，形成上置式蝸桿傳動，由蝸輪帶油潤滑，此時蝸輪的浸油深度可取蝸輪半徑的1／6～1／3。當(dāng)滑動速度必須采用噴油潤滑。為增強(qiáng)冷卻效果，噴油嘴應(yīng)放在嚙出齒側(cè)，雙向轉(zhuǎn)動的應(yīng)布置在雙側(cè)。
對于開式蝸桿傳動，則采用粘度較高的潤滑油或潤滑脂。
3.4滑移齒輪的設(shè)計計算（參考《機(jī)械設(shè)計》）
3.4.1齒輪傳動類型
齒輪傳動類型：
1.圓柱齒輪傳動
用于平行軸間的傳動，一般傳動比單級可到8,最大20，兩級可到45,最大60，三級可到200，最大300。傳遞功率可到10萬千瓦,轉(zhuǎn)速可到10萬轉(zhuǎn)／分，圓周速度可到300米/秒。單級效率為0.96～0.99。直齒輪傳動適用于中、低速傳動。斜齒輪傳動運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適用于中、高速傳動。人字齒輪傳動適用于傳遞大功率和大轉(zhuǎn)矩的傳動。圓柱齒輪傳動的嚙合形式有3種:外嚙合齒輪傳動，由兩個外齒輪相嚙合，兩輪的轉(zhuǎn)向相反；內(nèi)嚙合齒輪傳動，由一個內(nèi)齒輪和一個小的外齒輪相嚙合，兩輪的轉(zhuǎn)向相同；齒輪齒條傳動，可將齒輪的轉(zhuǎn)動變?yōu)辇X條的直線移動，或者相反。
2.錐齒輪傳動
用于相交軸間的傳動。單級傳動比可到6，最大到8，傳動效率一般為0.94～0.98。直齒錐齒輪傳動傳遞功率可到370千瓦，圓周速度5米／秒。斜齒錐齒輪傳動運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，齒輪承載能力較高，但制造較難，應(yīng)用較少。曲線齒錐齒輪傳動運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳遞功率可到3700千瓦，圓周速度可到40米／秒以上。
3.雙曲面齒輪傳動
用于交錯軸間的傳動。單級傳動比可到10，最大到100，傳遞功率可到750千瓦，傳動效率一般為0.9～0.98,圓周速度可到30米／秒。由于有軸線偏置距，可以避免小齒輪懸臂安裝。廣泛應(yīng)用于汽車和拖拉機(jī)的傳動中。
4.螺旋齒輪傳動
用于交錯間的傳動，傳動比可到5，承載能力較低，磨損嚴(yán)重，應(yīng)用很少。
5.蝸桿傳動
交錯軸傳動的主要形式，軸線交錯角一般為90°。蝸桿傳動可獲得很大的傳動比，通常單級為8～80,用于傳遞運(yùn)動時可達(dá)1500；傳遞功率可達(dá)4500千瓦;蝸桿的轉(zhuǎn)速可到3萬轉(zhuǎn)／分；圓周速度可到70米／秒。蝸桿傳動工作平穩(wěn)，傳動比準(zhǔn)確，可以自鎖，但自鎖時傳動效率低于0.5。蝸桿傳動齒面間滑動較大,發(fā)熱量較多，傳動效率低，通常為0.45～0.97。
6.圓弧齒輪傳動
用凸凹圓弧做齒廓的齒輪傳動?？蛰d時兩齒廓是點接觸，嚙合過程中接觸點沿軸線方向移動,靠縱向重合度大于1來獲得連續(xù)傳動。特點是接觸強(qiáng)度和承載能力高，易于形成油膜，無根切現(xiàn)象，齒面磨損較均勻，跑合性能好；但對中心距、切齒深和螺旋角的誤差敏感性很大，故對制造和安裝精度要求高。
7.擺線齒輪傳動
用擺線作齒廓的齒輪傳動。這種傳動齒面間接觸應(yīng)力較小，耐磨性好，無根切現(xiàn)象，但制造精度要求高，對中心距誤差十分敏感。僅用于鐘表及儀表中。
8.行星齒輪傳動
具有動軸線的齒輪傳動。行星齒輪傳動類型很多,不同類型的性能相差很大,根據(jù)工作條件合理地選擇類型是非常重要的。常用的是由太陽輪、行星輪、內(nèi)齒輪和行星架組成的普通行星傳動，少齒差行星齒輪傳動，擺線針輪傳動和諧波傳動等。行星齒輪傳動一般是由平行軸齒輪組合而成，具有尺寸小、重量輕的特點，輸入軸和輸出軸可在同一直線上。其應(yīng)用愈來愈廣泛。
3.4.2滑移齒輪概述
滑移齒輪是在軸上可以移動的，它所傳遞的扭距是傳到軸上的，用滑鍵或花鍵連接，齒輪嚙合實現(xiàn)變速。
斜齒圓柱齒輪是不能作滑移齒輪的。
斜齒輪在軸向移動嚙合的過程中會因為齒是斜的產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，對軸向移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計增加了困難。另外，斜齒輪在嚙合傳動是受的力不是垂直于軸的，容易造成齒輪脫離。
滑移齒輪在使用中主要注意以下幾點：
1、滑移齒輪指的是可以軸向滑動的齒輪，比如：汽車齒輪箱、機(jī)床的床頭箱里面換擋的齒輪，通過齒輪的滑移進(jìn)行速度的檔位切換，這樣的齒輪與一般齒輪是一樣的，只不過齒側(cè)隙稍微大一點、輪齒的端面需要鉗工用銼刀進(jìn)行倒圓的處理，其目的就是讓齒輪在滑移換擋時能夠順利的滑出、滑入，進(jìn)行換擋變換。
2、滑移齒輪的內(nèi)孔一般都要鑲嵌銅套，并保證潤滑良好，以減小摩擦。
3、如果滑移齒輪要帶動軸一起旋轉(zhuǎn)，則：軸上要設(shè)計導(dǎo)向鍵（也稱滑鍵），亦可以將軸設(shè)計成花鍵，目的就是讓滑移齒輪能夠在軸上滑動，同時還能夠帶動軸一起轉(zhuǎn)動。
4、關(guān)于滑移齒輪的設(shè)計，與普通齒輪的設(shè)計是一樣的，只不過齒側(cè)隙要留大一點。
5、考慮滑移齒輪撥叉（類似汽車排擋撥叉）的位置，在極限位置時，不要與旋轉(zhuǎn)的齒輪發(fā)生干涉。
6、滑移齒輪的端面齒形一定要鉗工倒圓，便于滑移齒輪的換擋。
7、一定要考慮潤滑
3.4.3滑移齒輪傳動設(shè)計計算及強(qiáng)度校核
小滑移雙聯(lián)齒輪轉(zhuǎn)速，大雙聯(lián)齒輪轉(zhuǎn)速
高速齒輪傳遞功率：，
1)選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力
由表6.2選
小齒輪選用40Cr調(diào)質(zhì)鋼，
；
大齒輪選用45號鋼，正火處理，
。
許用接觸應(yīng)力
由式6-6，
接觸疲勞極限查圖6-4
接觸強(qiáng)度壽命系數(shù),應(yīng)力循環(huán)次數(shù),由式6-7
查圖6-5得
接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)，
則
許用彎曲應(yīng)力 由式6-12
彎曲疲勞極限，查圖6-7，雙向傳動乘0.7
彎曲強(qiáng)度的壽命系數(shù) 查圖6-8，
彎曲強(qiáng)度的尺寸系數(shù) 查圖6-9(設(shè)模數(shù)m小于5mm)，
彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)，
則
2)齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算
確定齒輪傳動精度等級
按估取圓周速度
參考表6.7、6.8選取，Ⅱ公差組8級
小輪分度圓直徑，由式6-5得
齒寬系數(shù)，查表6.9，按齒輪相對軸承為非對稱布置
小輪齒數(shù)，在推薦值20-40中選
大輪齒數(shù)
圓整取
齒數(shù)比，
傳動比誤差，
小輪轉(zhuǎn)矩
載荷系數(shù)
使用系數(shù) 查表6.3
動載荷系數(shù)：推薦值1.05~1.4，取
齒間載荷分配系數(shù)：推薦值1.0~1.2，取
齒間載荷分布系數(shù)，推薦值1.0~1.2，取
則，載荷系數(shù)：
材料彈性系數(shù)，查表6.4，
節(jié)點區(qū)域系數(shù),查圖6-3（，），
重合度系數(shù)，由推薦值0.85~0.92，取
故
齒輪模數(shù)
按表6.6，圓整
小滑移齒輪分度圓直徑：
圓周速度：
標(biāo)準(zhǔn)中心距,
齒寬，
大輪齒寬：
小輪齒寬：
3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計算
由式6-10
齒形系數(shù)，查表6.5：
得小輪
大輪
應(yīng)力修正系數(shù)，查表6.5：
得小輪
大輪
重合度
重合度系數(shù),
故
齒根彎曲強(qiáng)度足夠。
4）齒輪其他主要尺寸
大輪分度圓直徑：
根圓直徑：
頂圓直徑：
圖3.4 滑移齒輪
5）當(dāng)滾筒速度最大時齒輪的主要尺寸
滾筒的最大轉(zhuǎn)速為
蝸桿的轉(zhuǎn)速為
蝸輪的轉(zhuǎn)速為
蝸輪蝸桿的傳動比
大小齒輪的傳動比
第Ⅳ軸轉(zhuǎn)速（過橋齒輪）轉(zhuǎn)速
此時滑移齒輪的傳動比
故
滑移齒輪的中心距
此時，
小滑移齒輪的分度圓直徑：
大滑移齒輪的分度圓直徑：
小滑移齒輪的齒根圓直徑：
大滑移齒輪的齒根圓直徑：
小滑移齒輪的齒頂圓直徑：
大滑移齒輪的齒頂圓直徑：
表3.3 滑移齒輪的主要幾何尺寸
名稱
低速
高速
小滑移輪
大滑移輪
小滑移輪
大滑移輪
傳動比
3.45
2.3
模數(shù)
5
5
壓力角
齒頂高系數(shù)
1
1
標(biāo)準(zhǔn)中心距
頂系數(shù)
0.25
0.25
齒數(shù)
35
121
47
109
分度圓直徑
基圓直徑
分度圓齒距
基圓齒距
分度圓齒厚
分度圓齒槽寬
齒根高
齒頂高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
頂隙
3.5大小齒輪的設(shè)計計算（參考《機(jī)械設(shè)計》）
3.5.1齒輪傳動概述
齒輪傳動是機(jī)械傳動中應(yīng)用最廣泛的一種傳動，是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運(yùn)動的機(jī)械傳動，可用來傳遞相對位置不遠(yuǎn)的兩軸之間的運(yùn)動和動力。目前，齒輪傳動的功率可高達(dá)數(shù)萬千瓦，圓周速度可達(dá)，直徑可達(dá)以上單級傳動比可達(dá)8以上，傳動效率達(dá)。齒輪傳動承載能力大，效率高，傳動比準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，使用壽命長。但制造和安裝精度要求高，制造費(fèi)高，不宜用于中心距較大的場合。
齒輪傳動按齒輪軸線的相對位置分平行軸圓柱齒輪傳動、相交軸圓錐齒輪傳動和交錯軸螺旋齒輪傳動。
按工作條件，齒輪傳動可做成開式、半開式和閉式齒輪傳動。開式齒輪傳動，齒輪完全外露，易落入灰砂和雜物，不能保證良好的潤滑，故輪齒易磨損，多用于低速級、不重要的場合。半開式齒輪傳動，齒輪浸入油池內(nèi)，上裝護(hù)罩，但不封閉。閉式齒輪傳動，其齒輪和軸承完全封閉在箱體內(nèi)，能保證良好的潤滑和較好的嚙合精度，為多數(shù)齒輪傳動所采用。
根據(jù)兩軸的相對位置和輪齒的方向，可分為以下類型：圓柱齒輪傳動、錐齒輪傳動、交錯軸斜齒輪傳動。
按齒面硬度，齒輪可分為軟齒面和硬齒面齒輪。
齒輪傳動的失效形式：輪齒折斷、齒面點蝕、齒面膠合、齒面磨料磨損、齒面塑性變形。
齒輪傳動設(shè)計準(zhǔn)則：針對齒輪五種失效形式，應(yīng)分別確立相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。但是對于齒面磨損、塑性變形等，由于尚未建立起廣為工程實際使用而且行之有效的計算方法及設(shè)計數(shù)據(jù)，所以目前設(shè)計齒輪傳動時，通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計算。對于高速大功率的齒輪傳動（如航空發(fā)動機(jī)主傳動、汽輪發(fā)電機(jī)組傳動等），還要按保證齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行計算。至于抵抗其它失效能力，目前雖然一般不進(jìn)行計算，但應(yīng)采取必然措施，以增強(qiáng)輪齒抵抗這些失效的能力。
1、閉式齒輪傳動
由實踐得知，在閉式齒輪傳動中，通常以保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度為主。但對于齒面硬度很高、齒芯強(qiáng)度又低的齒輪（如用20、20Cr鋼經(jīng)滲碳后淬火的齒輪）或材質(zhì)較脆的齒輪，通常則以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為主。如果兩齒輪均為硬齒面且齒面硬度一樣高時，則視具體情況而定。對于功率較大的傳動，例如輸入功率超過75kW的閉式齒輪傳動，發(fā)熱量大，易于導(dǎo)致潤滑不良及輪齒膠合損傷等，為了控制溫升，還應(yīng)作散熱能力計算。
2、開式齒輪傳動
開式（半開式）齒輪傳動，按理應(yīng)根據(jù)保證齒面抗磨損及齒根抗折斷能力兩準(zhǔn)則進(jìn)行計算，但如前所述，對齒面抗磨損能力的計算方法迄今尚不夠完善，故對開式（半開式）齒輪傳動，目前僅以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計準(zhǔn)則。為了延長開式（半開式）齒輪傳動的壽命，可視具體需要而將所求得的模數(shù)適當(dāng)增大。
小齒輪轉(zhuǎn)速，大齒輪轉(zhuǎn)速
高速齒輪傳遞功率：，
3.5.2齒輪材料選擇
輪齒材料需要具有強(qiáng)度高、韌性好、耐磨性好等特點，同時具有良好的加工性能和熱處理性能等。常用的輪齒材料有鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料。
一般的齒輪都采用鍛鋼制造，常用的是含碳量在0.15%~0.6%的碳鋼或合金鋼。按熱處理方式和齒面硬度不同可分為以下兩種情況：
（1）用于一般場合的齒輪，可采用軟齒面以便于切齒。常用材料為45、40Cr、35SiMn、42SiMn等中碳鋼和中碳合金鋼。工藝上應(yīng)將齒輪毛坯經(jīng)過?；ㄕ穑┗蛘{(diào)質(zhì)處理后切齒。切齒后即為成品。其精度一般為8級，精切可達(dá)7級。這類齒輪制造簡單、較經(jīng)濟(jì)，且生產(chǎn)率高。
（2）對于高速、重載以及高精度要求的齒輪傳動，一般選用硬齒面齒輪，同時進(jìn)行精加工處理。工藝上目前多為先切齒，再作表面硬化處理，最后進(jìn)行精加工，精度可達(dá)5級或4級。所采用的熱處理方式有表面淬火、滲碳淬火、氮化等。這類齒輪精度高、價格較高。
鑄鋼常用于尺寸較大或結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的齒輪。鑄鋼的耐磨性以及強(qiáng)度均較好，一般需經(jīng)退火及正火處理，必要時也可進(jìn)行調(diào)質(zhì)。
鑄鐵齒輪常用于工作較穩(wěn)、速度較低、功率不大和對尺寸與質(zhì)量要求不高的開式齒輪傳動中。鑄鐵的抗彎及耐沖擊性能較差，但抗點蝕及抗膠合的能力較好。
非金屬材料的硬度、接觸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度低，常用于輕載、要求噪聲低及精度要求不高的齒輪傳動中。
相嚙合的一對齒輪，由于小齒輪嚙合次數(shù)多，齒根彎曲應(yīng)力大，所以小齒輪的材料和齒面硬度通常比大齒輪的要好些和高些。
故，小齒輪選用40Cr調(diào)質(zhì)鋼，
；
大齒輪35SiMu調(diào)質(zhì)鋼，
。
3.5.3齒輪傳動設(shè)計及強(qiáng)度校核
1）確定需用應(yīng)力
許用接觸應(yīng)力
由式6-6，
接觸疲勞極限查圖6-4
接觸強(qiáng)度壽命系數(shù),應(yīng)力循環(huán)次數(shù),由式6-7
查圖6-5得
接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)，
則
許用彎曲應(yīng)力 由式6-12
彎曲疲勞極限，查圖6-7，雙向傳動乘0.7
彎曲強(qiáng)度的壽命系數(shù) 查圖6-8，，
彎曲強(qiáng)度的尺寸系數(shù) 查圖6-9(設(shè)模數(shù)m小于5mm)，
彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)，
則
2)齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算
在預(yù)定的工作壽命內(nèi)，為了防止齒輪齒面產(chǎn)生疲勞點蝕，要求齒面最大接觸應(yīng)力小于材料需用接觸應(yīng)力，即
確定齒輪傳動精度等級
按估取圓周速度
參考表6.7、6.8選取，Ⅱ公差組8級
小輪分度圓直徑，由式6-5得
齒寬系數(shù)，查表6.9，按齒輪相對軸承為非對稱布置
小輪齒數(shù)，在推薦值20-40中選
大輪齒數(shù)
圓整取
齒數(shù)比，
傳動比誤差，
小輪轉(zhuǎn)矩
按齒輪傳遞的名義功率確定的載荷是作用在齒輪上的名義載荷，在實際齒輪傳動中，考慮到嚙合輪齒間附加的動載荷，應(yīng)引入多個載荷系數(shù)，將名義載荷修正為計算載荷，并按計算載荷進(jìn)行齒輪強(qiáng)度計算。
名義載荷
載荷系數(shù)
使用系數(shù) 查表6.3
動載荷系數(shù)：推薦值1.05~1.4，取
齒間載荷分配系數(shù)：推薦值1.0~1.2，取
齒間載荷分布系數(shù)，推薦值1.0~1.2，取
則，載荷系數(shù)：
材料彈性系數(shù)，查表6.4，
節(jié)點區(qū)域系數(shù),查圖6-3（，），
重合度系數(shù)，由推薦值0.85~0.92，取
故
齒輪模數(shù)
按表6.6，圓整
小滑移齒輪分度圓直徑：
圓周速度：
標(biāo)準(zhǔn)中心距,
齒寬，
大輪齒寬：
小輪齒寬：
3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計算
在預(yù)定的工作壽命內(nèi)，為了防止齒根產(chǎn)生疲勞折斷，要求齒根危險截面處最大彎曲應(yīng)力,小于材料需用彎曲應(yīng)力，即
由式6-10
齒形系數(shù)，查表6.5：
得小輪
大輪
應(yīng)力修正系數(shù)，查表6.5：
得小輪
大輪
重合度
重合度系數(shù),
故
齒根彎曲強(qiáng)度足夠。
4）齒輪其他主要尺寸
大輪分度圓直徑：
根圓直徑：
頂圓直徑：
表3.4 大小齒輪的主要幾何尺寸
名稱
公式
小齒輪
大齒輪
模數(shù)
由齒輪抗彎強(qiáng)度確定
10
10
壓力角
取標(biāo)準(zhǔn)值
標(biāo)準(zhǔn)中心距
齒數(shù)
30
80
傳動比
2.65
分度圓直徑
基圓直徑
分度圓齒距
基圓齒距
分度圓齒厚
分度圓齒槽寬
齒根高
齒頂高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
3.6過橋齒輪的設(shè)計計算
過橋齒輪在傳動系統(tǒng)中只起傳遞轉(zhuǎn)矩和動力，不改變傳動比。
過橋齒輪模數(shù)：
過橋齒輪齒數(shù)：
過橋齒輪分度圓直徑：
根圓直徑：
頂圓直徑：
3.7減速器傳動軸的設(shè)計與校核
軸的組成機(jī)器的主要零件之一，其主要功用是支撐作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零件及傳遞運(yùn)動和動力。按形狀劃分，軸的類型分為直軸、曲軸、軟軸；按承受載荷劃分，軸的類型分為心軸、轉(zhuǎn)軸、傳動軸。
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件。
碳鋼價廉，對應(yīng)力集中地敏感性較低，可以用熱處理獲化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故應(yīng)用廣泛，其中最常見的是45鋼。
合金鋼比碳鋼具有更高的機(jī)械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。
在一般工作溫度下，碳鋼和合金鋼的彈性模量相差不多，因此不能單為提高軸的剛度而常用合金鋼。
合金鑄鐵和球磨鑄鐵容易做成復(fù)雜的形狀，且具有價廉、良好的吸振性和耐磨性，以及對應(yīng)力集中的敏感性較低等優(yōu)點，可用于制造外形較復(fù)雜的軸。
一般情況下，Q235-A通常用于不重要及載荷不大的軸；40Cr通常用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸；40CrNi通常用于很重要的軸；38SiMnMo通常用于很重要的軸，性能接近于40CrNi；38CrMoAlA通常用于要求高耐磨性、高強(qiáng)度的且熱處理變形很小的軸；20Cr用于要求強(qiáng)度及韌性均較高的軸；3Cr13用于腐蝕條件下的軸；QT600-3\QT800-2用于制造復(fù)雜的軸。
3.7.1 蝸桿軸的設(shè)計計算
1）計算軸上的作用力
其中：,
,
蝸桿分度圓直徑
蝸輪分度圓直徑
在傳動過程中，蝸桿齒面上所受的的力可以分解為3個相互垂直的分力：圓周力、徑向力、軸向力。
蝸桿圓周力：
蝸桿軸向力:
蝸輪圓周力：
蝸輪軸向力:
徑向力：
2）初步估算軸的直徑
蝸桿的材料為40Cr。
由式計算軸的最小直徑，由于軸跨度很長且要要考慮軸上鍵槽的影響使軸加大60%來確保安全；
查表：取A=100
則
因為軸的最小直徑段通過聯(lián)軸器與電動機(jī)軸相連。由上可知電動機(jī)軸的直徑使。故取軸的最小直徑為。
3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）確定軸的結(jié)構(gòu)方案
右軸承從軸的右端裝入，左邊靠擋油環(huán)定位，右邊靠軸承蓋。左軸承從軸的左端裝入，左邊靠軸承蓋定位，右邊靠擋油環(huán)定位。由于齒輪直徑小，故做成齒輪軸，齒輪軸段的長度取。右邊半聯(lián)軸器靠軸肩定位。采用角接觸球軸承和彈性柱銷聯(lián)軸器。
圖3.5 蝸桿軸結(jié)構(gòu)圖
（2）確定各軸段直徑和長度
段 根據(jù)，并且與電動機(jī)輸出軸的直徑相配合來選擇聯(lián)軸器并確定軸Ⅰ段的軸頸。根據(jù)選擇聯(lián)軸器型號為:HL4型。
公稱轉(zhuǎn)矩。Y型軸孔長度，J、Z型軸孔長度。軸的長度比轂孔長度少短一點為。由軸徑根據(jù)選擇鍵。尺寸為，，。
段 考慮到軸承端蓋的大小和厚度，以及端蓋的裝拆，所以②段軸的長度為，此段要定位聯(lián)軸器，所以軸的直徑要大于，故取。
段 此段上裝有角接觸球軸承,考慮到軸承的便于裝拆以及軸承端蓋對軸承的定位，取要大于，且要符合標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑，故取。查暫選軸承的型號為7018AC，其寬度,基本額定載荷，。軸承潤滑方式選擇脂潤滑?？紤]到軸承的定位和擋油環(huán)的寬度，取。
段 便于拆卸軸承內(nèi)圈且要定位軸承，。取軸肩。
段 根據(jù)蝸輪的分度圓直徑以及蝸桿的齒輪長度暫定。便于圓弧面蝸桿的加工要小于圓弧面齒輪的分度圓直徑。故取。
段 此段為圓弧面齒輪，根據(jù)蝸輪蝸桿嚙合傳動取蝸桿，
段 此段與⑤段考慮的相似，所以，。
段 此段與④段考慮相似，所以，。段 該段軸的直徑。查暫選軸承的型號為7014C，其寬度,基本額定載荷，。軸承潤滑方式選擇脂潤滑。軸的長度等于軸承的寬度，。
3）確定軸承及齒輪作用力的位置
如圖所示，先確定軸承支點的位置，查7014C軸承，起支點,因此軸的支承點到齒輪載荷作用點距離，，。
圖3.6 軸的結(jié)構(gòu)布置圖
4）繪制軸的彎矩圖和扭矩圖
（1）求軸承反力
H水平面：
由圖3.7(b)求軸承反力
由得：
解得：
由
解得：
V垂直面：
由圖3.7（c）求軸承反力
由得：
解得
由：
解得
（2）求齒寬中點處彎矩
H水平面
V垂直面
合成彎矩M圖3.7（d）
扭矩 圖3.7（e）
軸的彎矩圖和扭矩圖如下面所示：
圖3.7 軸的計算簡圖
5）按彎扭合成強(qiáng)度校核軸