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商 丘
工學(xué)院
2016-JXSJ
080202-017
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
一種采用齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿的設(shè)計(jì)
學(xué) 院
機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)
4112020117
學(xué)生姓名
胡文潔
指導(dǎo)教師
楊三序
提交日期
2016年5月18日
誠(chéng) 信 承 諾 書
本人鄭重承諾和聲明:
我承諾在畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫過(guò)程中遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定,恪守學(xué)術(shù)規(guī)范,此畢業(yè)設(shè)計(jì)中均系本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成,沒(méi)有剽竊、抄襲他人的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、思想和成果,沒(méi)有篡改研究數(shù)據(jù),凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料,均作了注釋,如有違規(guī)行為發(fā)生,我愿承擔(dān)一切責(zé)任,接受學(xué)校的處理,并承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：
年 月 日
摘 要
本文介紹一種采用齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿機(jī)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)選用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器（手動(dòng)按鈕和遙控按鈕等）使控制系統(tǒng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)核心的齒輪減速器，配合曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)欄桿的升降動(dòng)作，并根據(jù)不同的收費(fèi)系統(tǒng)調(diào)整欄桿的起落時(shí)間，電動(dòng)欄桿應(yīng)該有一個(gè)自鎖，反饋，保護(hù)等功能，并已與多家配套設(shè)備的接口，實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)合均可控制的功能。
其中本文重點(diǎn)介紹了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)直接決定欄桿設(shè)備的性能指標(biāo)，其中包括產(chǎn)品的可靠性和壽命。為了解決這一關(guān)鍵技術(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)欄桿的技術(shù)要求和校核方法，對(duì)電動(dòng)欄桿機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的參數(shù)的校核計(jì)算，使產(chǎn)品的適應(yīng)性更好。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)欄桿;齒輪傳動(dòng);減速器;曲柄搖桿機(jī)構(gòu)
I
ABSTRACT
This paper introduces a design of electric barriers machine adopts gear, the design and selection of motor as a drive ，through the field controller ( such as manual buttons and remote control buttons ) so that the control system controls the motor running, Gear reducer of Motors drive the core, Combined With the crank - rocker mechanism to achieve the barriers to rising and falling , And adjusted according to different charging systems barriers ups and doWns of time. Electric barriers should have a self-locking,feedbacking,protecting etc. and has interfaces With a number of ancillary equipment, achieve to controlled in a number of occasions.
And this paper mainly introduces the design and calculation of gear transmission system. The gear transmission system directly determines the performance of barriers equipment, including product reliability and service life. In order to solve this key technologies, selecting the national standard electric barriers technologies demand and chect method in the process of the design, checking calculation of relevant parameters for the electric barriers machine and make the product better adaptability.
Key Words: Electric barrier; Gear transmission; Reducer; Crank rocker mechanism
III
目 錄
1 緒 論 1
1.1 本課題研究的目的與意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外電動(dòng)欄桿的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 國(guó)內(nèi)電動(dòng)欄桿的發(fā)展方向 1
2 齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿的總體設(shè)計(jì)方案 3
2.1 電動(dòng)欄桿總體設(shè)計(jì)的基本原則及要求 3
2.2 電動(dòng)欄桿機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)原則 3
2.3 機(jī)構(gòu)總體布置設(shè)計(jì)要求 4
3 齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿的總體設(shè)計(jì) 6
3.1 工作機(jī)構(gòu)欄桿臂的選擇 6
3.2 欄桿臂配重的選擇設(shè)計(jì) 7
3.3 欄桿臂高度的選擇 11
3.4 電動(dòng)機(jī)的選擇 11
3.5 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
3.6 欄桿臂主軸的設(shè)計(jì) 14
3.7 四桿機(jī)構(gòu)截面尺寸設(shè)計(jì) 16
3.8 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校核 19
3.8.1 齒輪傳動(dòng)的工作原理 19
3.8.2 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比計(jì)算 19
3.8.3 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪的計(jì)算 20
3.8.4齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)軸的計(jì)算校核 28
3.8.5軸承和鍵的選用校核 38
3.8.6 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)箱體的設(shè)計(jì) 46
3.8.7 潤(rùn)滑和密封形式的選擇及其他技術(shù)說(shuō)明 46
3.9機(jī)體整體外形尺寸的確定 47
4電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 49
4.1 控制電路的設(shè)計(jì) 49
4.2 控制電路外接設(shè)備的設(shè)計(jì) 50
總結(jié)與展望 52
致謝 53
參考文獻(xiàn) 54
I
1緒論
1 緒 論
1.1 本課題研究的目的與意義
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國(guó)汽車行業(yè)發(fā)展及其迅速，家庭小汽車和運(yùn)輸車輛的保有量持續(xù)增長(zhǎng)，這既方便了人們的出行，又加快了商品的流通，但是同時(shí)也對(duì)交通運(yùn)輸管理帶來(lái)許多問(wèn)題,有時(shí)甚至造成了交通堵塞，特別是各場(chǎng)所的出入口地方。由于社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的各場(chǎng)所出入口的管理（如手動(dòng)欄桿、折疊門等）已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?，所以人們希望有一種穩(wěn)定高效方便實(shí)用的進(jìn)出入口管理工具—電動(dòng)欄桿的出現(xiàn)，電動(dòng)欄桿的設(shè)計(jì)主要用于政府、機(jī)關(guān)、企業(yè)、校園、車站、碼頭、監(jiān)獄、商場(chǎng)、超市、樓宇、場(chǎng)館、展覽館、旅游景點(diǎn)、圖書館、小區(qū)、工廠、停車場(chǎng)、大型公園等地的出入口，主要通過(guò)電氣開(kāi)關(guān)、控制器等控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)減速器連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)欄桿的上升和下降來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)往車輛的及時(shí)攔擋和放行。就目前電動(dòng)欄桿來(lái)說(shuō)，由于使用頻繁會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞，從而影響它自身的使用壽命。因此這次電動(dòng)欄桿的設(shè)計(jì)意義就是改進(jìn)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其他一些機(jī)構(gòu)來(lái)提高各方面的整體實(shí)用性能指標(biāo)使其更加人性化和智能化。
1.2 國(guó)內(nèi)外電動(dòng)欄桿的發(fā)展現(xiàn)狀
目前 ，電動(dòng)欄桿是為了解決各大城市停車問(wèn)題，和收費(fèi)站自動(dòng)攔車收費(fèi)的有效途徑。由于國(guó)家土地資源的限制，在世界各國(guó)，亞洲特別顯示，因?yàn)樵诖蟪鞘械臓顟B(tài)下，更廣泛的自動(dòng)停車設(shè)備在亞洲等地使用，亞洲大部分地區(qū)顯示，當(dāng)前的日本，韓國(guó)，中國(guó)停車市場(chǎng)，應(yīng)用地點(diǎn)相當(dāng)廣泛。
電動(dòng)欄桿在國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)集光、電、機(jī)械控制于一體，操作靈活、方便、安全、可靠；采用光電耦合、全電路無(wú)觸點(diǎn)控制，主板無(wú)火花干擾，確保系統(tǒng)運(yùn)行可靠；產(chǎn)品功能實(shí)用、性能穩(wěn)定、規(guī)格齊全；閘桿多樣化，升降平穩(wěn)；采用特制的合金材料制作, 機(jī)箱外型精美，色彩溫馨，堅(jiān)固防水，經(jīng)久耐用；可根據(jù)用戶不同需求和使用場(chǎng)所進(jìn)行即時(shí)選擇工作模式；可以達(dá)到電機(jī)功率70W的低能耗，而且起落時(shí)間短致1～3s,使用壽命次數(shù)到達(dá)300萬(wàn)到500萬(wàn)次,噪聲低于30dB,更不需要經(jīng)常維護(hù),相對(duì)于國(guó)外的技術(shù)而言,國(guó)內(nèi)的技術(shù)還相差甚遠(yuǎn),國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的此產(chǎn)品電機(jī)功率在300W,噪聲穩(wěn)定性更差,使用壽命都在100萬(wàn)次左右,整體性能都不能達(dá)到最優(yōu)。[1]
1.3 國(guó)內(nèi)電動(dòng)欄桿的發(fā)展方向
從19世紀(jì)末，中國(guó)各大城市的停車產(chǎn)業(yè)開(kāi)始發(fā)展，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，已形成了，現(xiàn)在的一定的規(guī)模，在電動(dòng)欄桿發(fā)展的初期階段，車庫(kù)的建設(shè)都才剛剛開(kāi)始，在一些，在車庫(kù)中的機(jī)器的城市呢它仍是個(gè)空白。停車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與增速，也相應(yīng)的還存在一些問(wèn)題的：第一，大部分做電動(dòng)欄桿的公司其中大都是中小型企業(yè)，有
1
商丘工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
一定的規(guī)模，但是發(fā)展很不平衡，因?yàn)槠髽I(yè)內(nèi)部缺乏中型骨干型人才，技術(shù)，以及缺乏自主研發(fā)的能力，依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和圖紙。第二，產(chǎn)品的應(yīng)用范圍更廣，產(chǎn)品質(zhì)量，可靠性，安全性，耐久性就是必須注重的一個(gè)很大問(wèn)題，沒(méi)有一定的技術(shù)水平，很難保證產(chǎn)品的質(zhì)量。三，停車產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)的發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)那是比較殘酷的，目前整體的產(chǎn)能過(guò)剩，價(jià)格低，且部分產(chǎn)品，已經(jīng)跌破行業(yè)內(nèi)部的平均成本。應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)欄桿的基礎(chǔ)研究和拓展。
為了提高電動(dòng)欄桿機(jī)的設(shè)計(jì)水平，需要使電動(dòng)欄桿的精確的力學(xué)分析和物理學(xué)分析與機(jī)械設(shè)計(jì)原理相結(jié)合。科學(xué)的運(yùn)用動(dòng)平衡與靜平衡相結(jié)合原理，具有緩沖起步.減速到位；起桿平穩(wěn).桿位垂直；落桿自然到位水平。
① 可根據(jù)不同情況選用手動(dòng)控制、按鈕控制、遙控、電腦控制和感應(yīng)控制等操作方式。
② 采用目前世界上先進(jìn)的平衡機(jī)構(gòu)，可將閘桿重力完全平衡，能使閘桿在任意狀態(tài)下保持平衡，徹底消除閘桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的抖動(dòng)現(xiàn)象，保證系統(tǒng)運(yùn)行輕快。
③ 加強(qiáng)行業(yè)間的技術(shù)交流與合作。走共同研發(fā)之路。
各個(gè)廠家根據(jù)自己的實(shí)際情況開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了加快電動(dòng)欄桿的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，應(yīng)加強(qiáng)企業(yè)間的合作，集中財(cái)力、物力和人力走共同發(fā)展之路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)欄桿的自動(dòng)化程度。
III
2 齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿的總體設(shè)計(jì)方案
2 齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿的總體設(shè)計(jì)方案
2.1 電動(dòng)欄桿總體設(shè)計(jì)的基本原則及要求
電動(dòng)欄桿的總體設(shè)計(jì)就是通過(guò)科學(xué)的原理將想象出來(lái)的方案具體化、結(jié)構(gòu)化的過(guò)程。同樣也是把二維的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換成三維實(shí)體而且可以設(shè)計(jì)和制造過(guò)程,也可以說(shuō)從設(shè)計(jì)的早期階段到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而且能夠被大眾認(rèn)可。
電動(dòng)欄桿總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的工作主要包括兩個(gè)方面,那就是材料的選擇和形狀的確定。如果我們想準(zhǔn)確的確定每個(gè)零件或部件的形狀,那么必須經(jīng)過(guò)科學(xué)的計(jì)算和分析，這項(xiàng)工作的嚴(yán)密性對(duì)設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性的意義。對(duì)于材料的要求就是能夠滿足我們的預(yù)期所需要的性能并且滿足尺寸要求等。
2.2 電動(dòng)欄桿機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)原則
機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，起著非常重要的作用。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所必須含有的技術(shù)性能，經(jīng)濟(jì)性能和外觀審美性對(duì)整機(jī)都有決定性的意義。機(jī)構(gòu)的安全可靠設(shè)計(jì)，必須遵守以下三個(gè)基本原則。
(1)明確原則
這里主要包括以下三個(gè)方面：
①功能明確
所選的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)直接、可靠地實(shí)現(xiàn)預(yù)期所需要的功能。至于可實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)說(shuō)，盡可能的做到既不疏漏又不多余。
②工作情況明確
對(duì)于設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品，我們要求他所達(dá)到的工作狀況和工作環(huán)境必須明確指出。因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是有目的性和針對(duì)性的，如耐磨損，耐腐蝕以及溫度要求、濕度要求等。
③機(jī)構(gòu)的工作原理明確
機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須明確依據(jù)科學(xué)的工作原理，從而能使欄桿工作時(shí)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的實(shí)用效果。
(2)簡(jiǎn)單原則
簡(jiǎn)單原則就是能達(dá)到預(yù)期功能的前提下，盡量使機(jī)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這里說(shuō)的“簡(jiǎn)單”同時(shí)有著很多含義，比如簡(jiǎn)便，簡(jiǎn)易，減少等。
(3)安全可靠原則
一個(gè)系統(tǒng)(產(chǎn)品)的安全可靠性主要指：
55
2 齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿的總體設(shè)計(jì)方案
①工作安全性主要是指保證過(guò)往行人和車輛的安全。
②構(gòu)件的可靠性，在規(guī)定的外載荷（如規(guī)定的欄桿臂的長(zhǎng)度和質(zhì)量等）范圍內(nèi)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，構(gòu)件不發(fā)生斷裂、彎曲變形、過(guò)度磨損、喪失穩(wěn)定性。
③功能的可靠性主要依靠設(shè)計(jì)系統(tǒng)（如小區(qū)系統(tǒng)、停車場(chǎng)系統(tǒng)、收費(fèi)站系統(tǒng)）的可靠性。
④環(huán)境的安全性，整個(gè)機(jī)構(gòu)不能對(duì)環(huán)境造成污染，要盡可能使適應(yīng)各種環(huán)境。
2.3 機(jī)構(gòu)總體布置設(shè)計(jì)要求
(1)功能合理機(jī)構(gòu)要在功能完美表達(dá)的前提下去設(shè)計(jì)，無(wú)論是電動(dòng)欄桿整體還是單個(gè)機(jī)構(gòu)上都不能采用有損我們所需要的功能的布局方案。
(2)結(jié)構(gòu)緊湊、層次清晰、比例協(xié)調(diào)要運(yùn)用科學(xué)的分布，盡可能的使系統(tǒng)簡(jiǎn)單并且充分高效地運(yùn)用內(nèi)部空間。
（3）充分考慮產(chǎn)品的系列化及發(fā)展在設(shè)計(jì)總體分布時(shí)，應(yīng)對(duì)這一類系列和變形改進(jìn)做考慮，還應(yīng)該考慮符合科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
2.4 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案
在這次齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我選擇蝸輪蝸桿齒輪二級(jí)減速，具體分析設(shè)計(jì)如下：
（1）蝸桿傳動(dòng) 蝸桿傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，尺寸緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，但效率較低，適用于中、小 功率的場(chǎng)合。采用錫青銅為蝸輪材料的蝸桿傳動(dòng)，由于允許齒面有較高的相對(duì)滑動(dòng)速度， 可將蝸桿傳動(dòng)布置在高速級(jí)，以利于形成潤(rùn)滑油膜，可以提高承載能力和傳動(dòng)效率。因此將蝸桿傳動(dòng)布置在第一級(jí)。
（2）齒輪傳動(dòng) 斜齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性較好，常用在高速級(jí)或要求傳動(dòng)平穩(wěn)的場(chǎng)合。因此將齒輪傳動(dòng)布置在第二級(jí)
（3)聯(lián)軸器傳動(dòng) 聯(lián)軸器主要連接電機(jī)軸和蝸桿軸，使他們一起回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩。由于電動(dòng)欄桿的震動(dòng)較小而且載荷較小，所以選用固定式剛性聯(lián)軸器即可滿足傳動(dòng)需求。
1.電機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.蝸輪蝸桿二級(jí)減速器；4.曲柄；5.連桿；6.搖桿；7.機(jī)架；
8.欄桿臂；9.彈簧
圖2.4.1整機(jī)傳動(dòng)原理圖
這次設(shè)計(jì)電動(dòng)欄桿是機(jī)械傳動(dòng)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、 減速器和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器傳動(dòng)，帶動(dòng)蝸輪蝸桿齒輪二級(jí)減速器 ，減速器的輸出軸通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)欄桿臂上升和下降，使欄桿處于豎直或水平位置。整機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖見(jiàn)上圖2.4.1 ，其主要結(jié)構(gòu)與工作原理為：1為電機(jī) 通過(guò)聯(lián)軸器2 將動(dòng)力傳動(dòng)到蝸輪蝸桿齒輪減速器3 經(jīng)過(guò)減速器減速輸出驅(qū)動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)曲柄4作整周轉(zhuǎn)動(dòng) 5為連桿；6為搖桿 繞O點(diǎn)擺動(dòng)擺動(dòng)角度=90°，7為機(jī)架 8為欄桿臂 與搖桿剛性連接;9為彈簧，用以平衡欄桿臂的重量，現(xiàn)規(guī)定平衡后驅(qū)動(dòng)欄桿臂的力偶矩不大于 5N·m。當(dāng)曲柄OA逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至位置 OA’時(shí)，搖桿 BC逆時(shí)針擺到下極限位置 BC’，欄桿臂上升到豎直位置 ；當(dāng)曲柄繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至位置 OA”時(shí)，搖桿又順時(shí)針擺到上極限位置 BC”，欄桿臂下降到水平位置。[2]
3齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿的總體設(shè)計(jì)
3 齒輪傳動(dòng)的電動(dòng)欄桿的總體設(shè)計(jì)
3.1 工作機(jī)構(gòu)欄桿臂的選擇
欄桿臂應(yīng)有一定強(qiáng)度，并且不能因?yàn)樽灾?、風(fēng)吹、和手動(dòng)輕微掰動(dòng)而產(chǎn)生明顯撓度（彎曲），欄桿臂長(zhǎng)度一般在2500mm到5800mm之間。另外欄桿臂的材料必須耐高低溫、耐濕熱、耐溫度交變性能以及耐鹽霧雨水腐蝕性能等。欄桿臂應(yīng)粘貼或噴涂有紅白相間均勻分布的反光膜，不允許有邊緣破損或紅白模糊。[3]
欄桿臂的的材料通常有四種即鋁合金、鋁芯泡沫、碳素纖維、PVC。本次設(shè)計(jì)為了更好的達(dá)到上述要求的工作環(huán)境我們選用市場(chǎng)上應(yīng)用較多的擠壓成型鋁合金型材，鋁合金八角桿，表面通過(guò)氧化噴塑處理，桿體顏色白色亞光（RAL9016），欄桿體兩側(cè)表面帖敷紅色工程級(jí)3M反光膜，欄桿長(zhǎng)3.5m，橫截面100×50mm，閘桿中間有加強(qiáng)筋，標(biāo)準(zhǔn)壁厚1.2mm。實(shí)測(cè)欄桿斷面圖見(jiàn)下圖3.1所示：
圖3.1欄桿臂截面圖
由上圖3.1可知，斷面截面積
(3.1·1)
由設(shè)計(jì)任務(wù)書，欄桿臂長(zhǎng)L=3.5m；由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]，擠壓成型鋁合金材料的密度為ρ=2.73g/cm3。欄桿臂質(zhì)量：
(3.1·2)
3.2 欄桿臂配重的選擇設(shè)計(jì)
電動(dòng)欄桿在使用過(guò)程中由于欄桿自身的長(zhǎng)度和質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，從而致使欄桿內(nèi)部曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄需要較大的力矩才能最終驅(qū)動(dòng)欄桿臂動(dòng)作，所以同樣需要較大功率的電機(jī)。為了減小電機(jī)的負(fù)載和最求節(jié)能效果，我們根據(jù)力矩平衡原理（如果一個(gè)物體所受到的力的合力矩的代數(shù)和是0，∑M=M1+M2+M3+...=0）采用彈簧來(lái)平衡欄桿臂的自重。下圖中OA=0.1m OB=3.4m AB=3.55kg OC=0.15m OC=0.35kg
根據(jù)文獻(xiàn)[5] 理論力學(xué)知識(shí)分析如下：
圖3.2欄桿臂受力圖
（3.2·1）
由上式代入數(shù)字得：
（3.2·2）
由上式計(jì)算得:481N
彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算參考文獻(xiàn)[6] 步驟如下：
圖3.3彈簧受力圖
因?yàn)閺椈蓱?yīng)該在一般載荷的條件下進(jìn)行工作?？梢愿鶕?jù)第Ⅲ類彈簧?，F(xiàn)選用的是碳素彈簧鋼絲（GB4357-89C級(jí)），SL型。
試選彈簧鋼絲的直徑為d=4mm。查表16-3，可以暫時(shí)選取σB=1500MPa。查表16-2，可知。
1. 選取旋繞比并計(jì)算曲度系數(shù)
通常選取旋繞比為。現(xiàn)在選取的旋繞比為C=5
曲度系數(shù)
（3.2·3）
2. 按照強(qiáng)度的條件計(jì)算彈簧鋼絲直徑
試計(jì)算彈簧簧絲直徑
（3.2·4）
其中，F(xiàn)2---彈簧的最大工作拉力，已知F2=481N。
每個(gè)數(shù)值代到式子里去得：
（3.2·5）
上式的計(jì)算結(jié)果與試選取的d值相近，并且符合標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋拉伸彈簧尺寸及參數(shù)?(GB/T 2088—1997)，因?yàn)閐=4mm彈簧鋼絲直徑已是標(biāo)準(zhǔn)值。不需要重新選取，即d=4mm。因?yàn)閐的大小不變，所以不需要重新查表并計(jì)算，即σB=1500MPa，[τ]=600MPa。
彈簧中徑:
（3.2·6）
查標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋拉伸彈簧的尺寸及參數(shù)?(GB/T 2088—1997)。應(yīng)取d=4mm,
（3.2·7）
因?yàn)镃沒(méi)變化，所以相應(yīng)的K的大小也不變，即K=1.31mm。相應(yīng)的d也不變。可知d=4mm。此時(shí)D=20mm就是標(biāo)準(zhǔn)值。
彈簧內(nèi)徑: （3.2·8）
彈簧外徑: （3.2·9）
3. 根據(jù)彈簧剛度，計(jì)算彈簧圈數(shù)n
（3.2·10）
式子里，
---彈簧的最小工作拉力，這里設(shè)出Fmin=37N；
---與對(duì)應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度，=876mm；
---與對(duì)應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度，=660mm
每個(gè)數(shù)值代到式子里去：
=7.4N/mm （3.2·11）
4. 彈簧圈數(shù)
根據(jù)表16-2，當(dāng)0.5≦d≦4時(shí)，切變模量G在83000～80000，可以選取G=82000。
彈簧圈數(shù)的計(jì)算公式
（3.2·12）
代入各數(shù)據(jù)得：
（3.2·13)
根據(jù)d=4mm，D=20mm。查標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋拉伸彈簧的尺寸及參數(shù)?(GB/T 2088—1997)，可以得到
（3.2·14）
查表16-6，得拉伸彈簧的有效圈數(shù)n=45圈?？傻玫綇椈蓜偠?
N/mm （3.2·15）
5. 驗(yàn)算
查標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋拉伸彈簧的尺寸及參數(shù)?(GB/T 2088—1997)?？芍狥0=148N。
（1） 彈簧的初應(yīng)力
（3.2·16）
根據(jù)圖16-9，當(dāng)C=5時(shí)，彈簧的初拉應(yīng)力的推薦值大概在78～163MPa。所以求得的初應(yīng)力值合適。
（2） 彈簧的極限工作應(yīng)力。查表16-2的后注，得 ，即
（3.2·17）
極限工作載荷
（3.2·18）
工作時(shí)的最大拉力為570.688N,所以能滿足要求
6. 計(jì)算其他結(jié)構(gòu)參數(shù)
（3.2·19）
（3.2·20）
式子里，
---自由長(zhǎng)度；
---螺旋角；
p---彈簧節(jié)距，mm。
代入的數(shù)據(jù)得：
自由長(zhǎng)度：
（3.2·21）
（3.2·22）
根據(jù)以上的計(jì)算，選定有關(guān)參數(shù)為：
材料：碳素的彈簧的鋼絲，
鋼絲直徑：4mm，
旋繞比：5，
彈簧中徑：20mm，
彈簧右旋：螺旋角為α=3.643°，
自由長(zhǎng)度：218mm。
?標(biāo)準(zhǔn)圓柱螺旋拉伸彈簧的尺寸及參數(shù)?(摘自GB/T 2088—1997)
3.3 欄桿臂高度的選擇
根據(jù)文獻(xiàn)[3]收費(fèi)欄桿國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 24973--2010欄桿臂下邊緣距機(jī)箱底平面的高度應(yīng)在650 mm～ 950 mm之間。我們選擇欄桿臂到欄桿臂下沿的高度為775mm
3.4 電動(dòng)機(jī)的選擇
下圖為欄桿臂處于水平位置時(shí)的受力圖（O點(diǎn)的約束力未畫出）。
由設(shè)計(jì)任務(wù)書和式(3.1·1)得:L=3.5m G=35.5N
圖3.4欄桿臂受力圖
欄桿臂受力平衡時(shí)，有，即
(3.4·1)
設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，欄桿臂由水平位置逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90°到豎直位置時(shí)，平均用時(shí)2.5s。設(shè)欄桿臂升起期間勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，則角速度：
(3.4·2)
此時(shí)驅(qū)動(dòng)欄桿臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需的功率：
(3.4·3)
考慮到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率、一些不可預(yù)知的阻力以及使用場(chǎng)所的電源情況，參考現(xiàn)有類似產(chǎn)品，確定選用單相異步電動(dòng)機(jī),?電動(dòng)機(jī)的型號(hào)YY6324，功率為120W，工作電壓為220V，頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速 1400r/min。
YY系列單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)以國(guó)家電機(jī)最新標(biāo)準(zhǔn)JB1009-1012-91和小功率電動(dòng)機(jī)的安全要求標(biāo)準(zhǔn)GB12350-2009設(shè)計(jì),注重提高力能指標(biāo),節(jié)約能源為原則,產(chǎn)品效率高,使用壽命長(zhǎng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便.適用于鼓風(fēng)機(jī),水泵,記錄儀表等以及起動(dòng)扭距要求不高的機(jī)械.該系列電機(jī)具有較高的起動(dòng)性能和過(guò)載能力、功率因數(shù)及效率，噪聲低、重量輕、體積小、維護(hù)方便。
由設(shè)計(jì)任務(wù)書要求欄桿升起時(shí)間為2.5s，所以曲柄整周運(yùn)動(dòng)工作周期T=5s．
減速器輸出轉(zhuǎn)速：
； (3.4·4)
一般情況下齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比范圍，蝸桿傳動(dòng)傳動(dòng)比范圍：
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍
YY6324電機(jī)可以滿足要求
電動(dòng)機(jī)的輸出的功率Pd：驅(qū)動(dòng)欄桿臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需的功率Pw ,考慮到傳動(dòng)的裝置的功率的損耗，電動(dòng)機(jī)的輸出的功率為：
(3.4·5)
上式(3.4-5)中，η是電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的輸出的功率之間的總效率，即
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]，可以查得：剛性的聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率η1=0.99；單頭的蝸桿的傳動(dòng)效率η2=0.70；齒輪的傳動(dòng)效率η3=0.97；軸承的傳動(dòng)效率η4=0.99；四桿的機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率η5=0.83，所以：
(3.4·6)
<0.12kW
YY6324電機(jī)可以滿足要求
3.5 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中具有一個(gè)曲柄和一個(gè)搖桿機(jī)構(gòu)稱為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。一般情況下，曲柄為主動(dòng)件且等速整周轉(zhuǎn)動(dòng)，而搖桿作為從動(dòng)件作變速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是四桿機(jī)構(gòu)最基本的形式。
曲柄存在條件：
①最短桿與最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度之和應(yīng)小于或等于其余兩桿長(zhǎng)度之和；
②連架桿與機(jī)架中至少有一個(gè)是最短桿，
滿足條件①，當(dāng)最短桿是曲柄時(shí)，為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；最短桿為機(jī)架時(shí)，為雙曲柄；最短桿為連桿時(shí)，為雙搖桿；
圖3.5曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
根據(jù)設(shè)計(jì)要求和機(jī)械原理[7]知識(shí)可知，該機(jī)構(gòu)極位夾角為0，即無(wú)急回特性，尺寸B′B″=C′C″，搖桿CD的擺角為90°，則圖中傳動(dòng)角γ=45°，設(shè)計(jì)變量有L1=AB、L2=BC、L3=CD、L4=DA。曲柄L1為最短桿，其余三桿長(zhǎng)可表示為L(zhǎng)1的倍數(shù)。由上圖所示的幾何關(guān)系可知
（3.5·1）
（3.5·2）
根據(jù)機(jī)構(gòu)在機(jī)器中的許用的空間，可以適當(dāng)?shù)念A(yù)選曲柄長(zhǎng)度L3機(jī)架L4的長(zhǎng)度，
設(shè)L3=150mm，L4=330mm，
則L1=106.066mm，L2=312.490mm。
L4+L1=330+106.66mm≦L3+L2=150+312.49mm
經(jīng)驗(yàn)證符合曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理
3.6 欄桿臂主軸的設(shè)計(jì)
由電動(dòng)機(jī)的選擇部分式(3.4·3)可知，驅(qū)動(dòng)欄桿臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需的功率P=37W；欄桿臂轉(zhuǎn)過(guò)90°用時(shí)2.5s，轉(zhuǎn)過(guò)1轉(zhuǎn)用時(shí)2.5×4=10s，則轉(zhuǎn)速n=60/10=6r/min。
圖3.5為主軸上的搖桿和欄桿臂的受力，D點(diǎn)為主軸。根據(jù)力的平移定理，將力FC和G移到D點(diǎn)后，分別附加力偶TC和TG，由電動(dòng)機(jī)的選擇部分式(3.4·1)可知，力偶TC和TG的力偶矩都為58.6N·m，G=mg=×10N=35.5N。
圖3.6主軸上搖桿和欄桿臂的受力
取搖桿和欄桿臂為研究對(duì)象，做受力分析：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》[6]，曲柄AB與機(jī)架BC共線時(shí)的傳動(dòng)角γ最小，驅(qū)動(dòng)搖桿CD擺動(dòng)所需的力最大。不考慮連桿BC本身的重量時(shí)，連桿為二力桿，在上圖3.6位置時(shí)，搖桿C端受連桿的拉力FC沿連桿方向向下，欄桿臂受到重力G。D點(diǎn)的約束力未畫出。在ΣMd=0時(shí)，有
(3.6·1)
(3.6·2)
1. 初步確定軸的最小直徑[6]
先按機(jī)械設(shè)計(jì)初步估算軸的最小直徑：選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15—3，取A0=112，于是得
(3.6·3)
有兩個(gè)鍵槽，軸徑加大12%，于是為初步估算軸的最小直徑20.5×(1+0.06)=22.96mm。
2. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖3.7軸的結(jié)構(gòu)與裝配
3. 求軸上的載荷
下圖3.8為主軸的載荷分析圖，其中圖a是主軸受力圖；圖b是彎矩圖；圖c是扭矩圖。
圖3.8主軸的載荷分析圖
圖3.8中數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程如下：
由上述桿臂設(shè)受力分析分內(nèi)容可知，F(xiàn)C=552.3N。
由材料力學(xué)[8]，當(dāng)ΣMA=0時(shí)，有
FC×0.048+G×0.198+FB×0.114=0 (3.6·4)
解得：
(3.6·5)
ΣFV=0時(shí)，有 FA+ FB = FC +G
解得： FA= FC +G－FB=552.3+35.5－295.45N=262.3N (3.6·6)
從而可計(jì)算得：
MA= Fc×0.048=552.3×0.048 N·m =26.5 N·m (3.6·7)
MB= －G×0.084=－35.5×0.084N·m =-3.124 N·m (3.6·8)
4. 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
進(jìn)行校核時(shí)，通常只需要校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（搖桿所在位置）。根據(jù)式(15—5)及彎矩計(jì)算的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力
(3.6·9)
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15—1查得[σ－1]=60MPa。因此σca<[σ－1]，故安全。
3.7 四桿機(jī)構(gòu)截面尺寸設(shè)計(jì)
1. 搖桿截面尺寸設(shè)計(jì)
取圖3.5的搖桿作研究對(duì)象，受力圖和彎矩圖如下圖：
圖3.9搖桿受力圖和彎矩圖
圖3.9中，M和FC的值已經(jīng)在前面計(jì)算出，F(xiàn)Dy和FDx為D點(diǎn)的約束反力。彎矩圖中的Md=M=26.5N·m。根據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)出搖桿的外形圖：
圖3.10搖桿外形圖
由《材料力學(xué)》[8]，梁的彎曲強(qiáng)度條件為
(3.7·1)
當(dāng)梁橫截面為矩形時(shí)，
， (3.7·2)
圖3.10中橫截面位置接近大端孔中心d點(diǎn)，取其彎矩為Mσ=M=26.5N·m；搖桿材料取zG230-450，由文獻(xiàn)[9]，需用應(yīng)力[σ]=85MPa，則
(3.7·3)
(3.7·4)
取b=10mm，則
2. 連桿截面尺寸設(shè)計(jì)
取圖3.5的連桿作研究對(duì)象，此時(shí)它為受拉的二力桿，拉力的方向與FC相反，大小與FC相等。根據(jù)圖2的關(guān)節(jié)軸承，選連桿形狀為圓桿，材料牌號(hào)取Q235，由《材料力學(xué)》[8] 可知強(qiáng)度條件為
(3.7·5)
取許用應(yīng)力[σ]=120MPa，則有
(3.7·6)
考慮到壓桿額穩(wěn)定性，取連桿圓柱部分直徑為14mm，兩端的螺紋為M10，與PHSA12型關(guān)節(jié)軸承旋配。
3. 曲柄截面尺寸設(shè)計(jì)
取圖3.5的搖桿作研究對(duì)象，受力圖和彎矩圖如下圖：
圖3.11搖桿受力圖和彎矩圖
圖3.11中，F(xiàn)B＝ＦC，ＦC的值已經(jīng)在前面計(jì)算出，F(xiàn)Ay和FAx為A點(diǎn)的約束反力。彎矩圖中的MＢ=55.368N·m。根據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)出搖桿的外形圖：
圖3.12曲柄的外形圖
由《材料力學(xué)》[8]，梁的彎曲強(qiáng)度條件為
(3.7·7)
當(dāng)梁橫截面為矩形時(shí)，， (3.7·8)
圖3.7·5中橫截面位置接近大端孔中心D點(diǎn)，取其彎矩為Mσ=55.368N·m；搖桿材料取zG230-450，由文獻(xiàn)[9]，需用應(yīng)力[σ]=85MPa，則
(3.7·9)
(3.7·10)
取b=10mm，則
3.8 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校核
3.8.1 齒輪傳動(dòng)的工作原理
齒輪減速機(jī)的工作原理：就是利用各級(jí)齒輪傳動(dòng)來(lái)達(dá)到降低速度增大扭矩的目的.減速器是由各級(jí)齒輪副組成的傳動(dòng)設(shè)備，把內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)或者其它高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力通過(guò)減速機(jī)的高速輸入軸上的少齒數(shù)的齒輪通過(guò)齒輪嚙合低速輸出軸上的多齒數(shù)的齒輪從而達(dá)到減速增大扭矩的目的！而使用減速機(jī)最終目的不外乎有以下幾種:.動(dòng)力傳遞、獲得某一恒定速度以及.獲得較大扭矩。
3.8.2 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
1、 計(jì)算總傳動(dòng)比：
電機(jī)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速：=1440r/min
=116.7 (3.8.2·1)
2、 分配減速器的各級(jí)傳動(dòng)比：在蝸桿傳動(dòng)比范圍內(nèi)取=31.5，
故齒輪傳動(dòng)比 =3.7， (3.8.2·2)
符合齒輪傳動(dòng)比的推薦值范圍=3~6
3、 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
a、 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速
1軸： =1440r/min (3.8.2·3)
2軸： =44.4r/min (3.8.2·4)
3軸： =12r/min (3.8.2·5)
b、 計(jì)算各軸輸入功率
Pm=120W
1軸： =0.120×0.99kW=0.119kW (3.8.2·6)
2軸： =kW (3.8.2·7)
3軸： =0.057kW (3.8.2·8)
c、計(jì)算各軸輸入轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩
(3.8.2·9)
1軸： (3.8.2·10)
2軸： (3.8.2·11)
3軸： (3.8.2·12)
表3.1 動(dòng)力參數(shù)表
軸名
功率 P/kW
轉(zhuǎn)矩 T/Nm
轉(zhuǎn)速n
傳動(dòng)比
效率
輸入
輸出
輸入
輸出
r/min
i
電機(jī)軸
0.12
0.79
1440
1
0.99
1軸
0.119
0.782
1440
31.5
0.69
2軸
0.082
17.1
44.4
3.7
0.96
3軸
0.57
60.75
12
3.8.3 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪的計(jì)算
1、 齒輪設(shè)計(jì)[6]
斜齒輪嚙合好，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，且可以抵銷一部分蝸桿的軸向力，降低軸承軸向負(fù)荷，故選用斜齒輪，批量較小，小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度250HB～280HB，平均取260HB，大齒輪用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為230HB～280HB，平均取240HB。計(jì)算步驟如下：
初選小齒輪齒數(shù)z1=17，大齒輪齒輪齒數(shù)z2=63
初選螺旋角
壓力角
（1） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
根據(jù)下面的公式試計(jì)算小齒輪的分度圓直徑：
(3.8.3·1)
1) 確定上式中的各個(gè)參數(shù)
試適當(dāng)選取KHt=1.3。
由上可知小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩為
查表10-7，可以選齒寬系數(shù)取為φd=1
查圖10-20，可以得到區(qū)域系數(shù)為ZH=2.433。
查表10-5,得到的材料的彈性影響系數(shù)為。
接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算重合度系數(shù)為
接觸疲勞許用應(yīng)力為[σH]。查圖10-25d得到的小齒輪及大齒輪接觸疲勞極限各為
，
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由要求均可知：N1≧1500000，N2≧1500000。查圖10-23，得到的接觸疲勞壽命系數(shù)為KHN1=0.9，KHN2=0.95。選失效的可能性等于1%，安全系數(shù)等于S=1.可算得
應(yīng)取兩齒輪中較小的接觸疲勞許用應(yīng)力，故
2) 帶入以上數(shù)據(jù)可得小齒輪的分度圓直徑
(3.8.3·2)
調(diào)整小齒輪的分度圓直徑
3) 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備
已知小齒輪的分度圓直徑和轉(zhuǎn)速，故可算得圓周速度
(3.8.3·3)
齒輪寬度，可算得 。 (3.8.3·4)
4)實(shí)際載荷系數(shù)的計(jì)算KH。
查表10-2，查取使用系數(shù)KA=1。根據(jù)速度和7級(jí)精度，查圖10-8，得動(dòng)載荷系數(shù)為KV=1.12。齒輪圓周力:
(3.8.3·5)
(3.8.3·6)
查表10-3，得齒間載荷分配系數(shù)為KHα=1.2。
查表10-4，根據(jù)7級(jí)精度，小齒輪的相對(duì)的支撐為非對(duì)稱的布置，插值法可查得齒向載荷分布系數(shù)為KHβ=1.41。故可算得實(shí)際載荷系數(shù)為
. (3.8.3·7)
5)可計(jì)算得實(shí)際的分度圓直徑
(3.8.3·8)
其相對(duì)的齒輪模數(shù)為
(3.8.3·9)
（2） 根據(jù)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1) 模數(shù)的試計(jì)算
(3.8.3·10)
2) 確定上式中的各個(gè)參數(shù)值
可選KFt=1.3
彎曲疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù)為
計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的螺旋角系數(shù)。
計(jì)算。
由當(dāng)量齒數(shù)
，
查圖10-17，得齒形系數(shù)為YFa1=2.9,YFa2=2.25。
查圖10-18，應(yīng)力修正系數(shù)為Ysa1=1.56,Ysa2=1.76。
查圖10-24c，得小齒輪與大齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度為
σFlim1=500MPa，σFlim2=380MPa。
查圖10-22，得彎曲疲勞壽命系數(shù)為KFN1=0.85,KFN2=0.88。
取彎曲疲勞安全系數(shù)為S=1.4。彎曲疲勞應(yīng)力為：
。
因?yàn)樾↓X輪的數(shù)值小于大齒輪的數(shù)值，故
3) 代入上面數(shù)據(jù)到公式，計(jì)算模數(shù)得到
(3.8.3·11)
4) 齒輪的實(shí)際模數(shù)
計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)前數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。
圓周速度
(3.8.3·12)
故 (3.8.3·13)
齒輪寬度 (3.8.3·14)
計(jì)算寬高比
(3.8.3·15)
(3.8.3·16)
5) 計(jì)算實(shí)際載荷系數(shù)KF。
根據(jù)速度和7級(jí)精度。查圖10-8，得動(dòng)載荷系數(shù)為KV=1.01。因?yàn)?
(3.8.3·17)
(3.8.3·18)
查表10-3，可得到齒間載荷分配系數(shù)為KFα=1.2。
查表10-4,選擇插值法，得到KHβ=1.417，并結(jié)合寬高比，查找圖10-13，得到KFβ=1.36。
所以載荷系數(shù)為
(3.8.3·19)
6) 計(jì)算得到實(shí)際的齒輪模數(shù)
(3.8.3·20)
對(duì)比齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算模數(shù)大于齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計(jì)算模數(shù)，因?yàn)辇X輪模數(shù)m的數(shù)值主要決定于彎曲疲勞強(qiáng)度，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定承載能力，僅僅與齒輪直徑有關(guān)系，可以取以彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算得到模數(shù)為1.247mm。并且就近圓整到標(biāo)準(zhǔn)值為m=1.5，根據(jù)接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算得到分度圓直徑為d1=30.3mm。計(jì)算得出小齒輪齒數(shù)為
(3.8.3·21)
取z1=20，則大齒輪齒數(shù)為
(3.8.3·22)
取z2=74兩齒輪齒數(shù)互質(zhì)。
這樣設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)，既能滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又能滿足齒根彎曲的疲勞強(qiáng)度，并且做到了結(jié)構(gòu)緊湊、避免浪費(fèi)。
（3） 幾何尺寸的計(jì)算
1） 計(jì)算中心距為
(3.8.3·23)
2） 計(jì)算小、大齒輪分度圓直徑
(3.8.3·24)
計(jì)算齒輪的寬度為 (3.8.3·25)
考慮到不可避免安裝誤差，以及保證設(shè)計(jì)的齒寬b和能節(jié)省材料等，一般可以將小齒輪稍微加寬了（5~10）mm，故
(3.8.3·26)
選取取b1=37mm，而使得大齒輪齒寬等于設(shè)計(jì)的齒寬，故b2=b=32mm。
（5) 主要設(shè)計(jì)結(jié)論
模數(shù)為m=1.5mm；壓力角為α=20°；中心距為a=72.66mm；小齒輪的齒數(shù)為z1=20，齒寬為b1=37mm，分度圓直徑為d1=31.5mm，選用的小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)處理），齒面的硬度大小為280HBS；大齒輪的齒數(shù)為z2=74，齒寬為b2=32mm，分度圓的直徑為d2=114mm，大齒輪的材料為45鋼（調(diào)質(zhì)處理），齒面的硬度大小為240HBS。兩齒輪均按7級(jí)精度等級(jí)
（6） 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
齒輪結(jié)構(gòu)可以大概分成整體式，腹板式，以及輪輻式。本設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括選擇相應(yīng)的齒輪結(jié)構(gòu)形式和確定幾何的尺寸。一般可以先由小齒輪的大小，加工方法，材料，以及使用要求和經(jīng)濟(jì)性等等，以此類因素選擇合適的齒輪的結(jié)構(gòu)，然后，再由經(jīng)驗(yàn)得公式計(jì)算得到齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸。參考§10-9齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，當(dāng)齒頂圓直徑為da≤160mm時(shí)，可做成相應(yīng)的實(shí)心式齒輪。當(dāng)齒頂圓的直徑為da≤500mm時(shí)，可以做成相應(yīng)的腹板式齒輪。由小齒輪的分度圓直徑為d1=31mm，可知
。
小齒輪可采用的實(shí)心式的齒輪
2、 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)[6]
查GB/T 10085，考慮蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼，因希望提高效率，耐磨性好，故蝸桿螺旋齒要求淬火，表面硬度達(dá)到45-55HRC，蝸輪采用青銅ZCuSn10P1沙型鑄造，計(jì)算步驟如下：
（1） 按齒面的接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
按閉式的蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則，先由齒面接觸疲勞強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)，然后校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
(3.8.3·30)
1） 由上已知蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
2）載荷系數(shù)K。由于工作時(shí)候頻繁起停，所以載荷不夠穩(wěn)定，因此取值的載荷分布不均系數(shù)為Kβ=11;查表11-5，選取的使用系數(shù)為KA=1.15；因?yàn)檗D(zhuǎn)速不高等，所以取值的動(dòng)載系數(shù)為KV=1.05，可以計(jì)算出
3）選用的彈性影響系數(shù)為ZE。因?yàn)檫x用鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿的配合使用，所以。
4）蝸輪齒數(shù)的確定，因選用單頭蝸桿，所以z1=1，所以
。
圓整為z2=31。
5）許用接觸應(yīng)力[σH]的計(jì)算。按照蝸輪的材料為鑄錫磷青銅,并且是金屬模鑄造，由此，蝸桿的螺旋齒面硬度為?45HRC,查表11-7，得蝸輪的基本接觸許用應(yīng)力為[σH]′=268MPa。
由電動(dòng)的欄桿工作中設(shè)計(jì)任務(wù)書要求可知，應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)為N=1500000。所以壽命系數(shù)為
則可以計(jì)算得到許用接觸應(yīng)力
6）可計(jì)算m2d1的最小值
(3.8.3·31)
因?yàn)閦1=1，查表11-2，可取模數(shù)為m=2mm，從而可以查出蝸桿的分度圓直徑d1=22.4mm。分度圓導(dǎo)程角γ=5°06′08″，即。計(jì)算
(3.8.3·32)
(2) 蝸桿參數(shù)
中心距 (3.8.3·33)
軸向齒距為 (3.8.3·34)直徑系數(shù)為 (3.8.3·35)齒頂圓直徑為 (3.8.3·36)
齒根圓直徑為 (3.8.3·37)
分度圓導(dǎo)程角為 γ=5°06′08″ (3.8.3·38)
軸向齒厚為 (3.8.3·39)
查表11-4，并結(jié)合m=2mm＜10mm?？梢运愠鑫仐U齒寬
(3.8.3·40)
根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)可以求得實(shí)際應(yīng)當(dāng)取。
(3) 渦輪的參數(shù)
分度圓直徑為 (3.8.3·41)蝸輪寬度 B≦0.75da1=0.75×26.4mm=19.8mm (3.8.3·42)
喉圓直徑為 (3.8.3·43)
齒根圓直徑為 (3.8.3·44)
齒頂圓直徑為 (3.8.3·45)
咽喉母圓半徑為 (3.8.3·46)
(4) 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
(3.8.3·47)
當(dāng)量齒數(shù)為 (3.8.3·48) 已知，在圖11-17中，可查得到齒形系數(shù)為YFa2=2.5；
螺旋角系數(shù)為 (3.8.3·49)
許用彎曲應(yīng)力為 (3.8.3·50)
查表11-8得，用鑄錫磷青銅制造蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力為[σF]=56MPa
壽命系數(shù)為 (3.8.3·51)
可以得出 (3.8.3·52)
將上述參數(shù)代入公式
(3.8.3·53)
滿足彎曲疲勞強(qiáng)度。
從設(shè)計(jì)的蝸桿的傳動(dòng)是作為動(dòng)力的傳動(dòng)的功能而進(jìn)行設(shè)計(jì)，GB/T 10089-1988中，根據(jù)電動(dòng)的欄桿機(jī)的工作的要求的選擇的圓柱的蝸桿、蝸輪的精度可以選7級(jí)精度，選擇側(cè)隙的種類可以是f,因此標(biāo)注是7f。
（5） 主要設(shè)計(jì)的結(jié)論
模數(shù)m=2mm；分度圓導(dǎo)程角為γ=5°06′08″。蝸桿直徑為d1=22.4mm；蝸桿頭數(shù)為z1=1；蝸輪材料為45鋼，齒面進(jìn)行淬火；蝸輪直徑為d2=62；蝸輪齒數(shù)為z2=31；蝸輪材料為ZCuSn10P1，應(yīng)用金屬模鑄造。
（6） 蝸桿和蝸輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
參看§11-6。由于蝸桿的螺旋的部分的直徑一般不大，所以常常和軸一起做成為一個(gè)整體。結(jié)構(gòu)的形式可以見(jiàn)圖11-22所示。蝸輪的結(jié)構(gòu)形式有齒圈式，螺栓連接式，整體澆筑式，以及拼鑄式等。因?yàn)檎w式適用于較小的尺寸的青銅的蝸輪或者鑄鐵蝸輪。制造也最為簡(jiǎn)單，且能滿足本設(shè)計(jì)的要求。所以蝸輪的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的尺寸見(jiàn)圖11-23c。
蝸輪
(3.8.3·54)
其它基本尺寸由上已求出。
3.8.4齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)軸的計(jì)算校核
1、 蝸桿軸的設(shè)計(jì)[6]
（1） 求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
在計(jì)算電動(dòng)機(jī)的時(shí)候已求出數(shù)據(jù)：蝸桿軸和蝸輪軸上的功率為P1=0.119kw，功率為P2=0.082kw，轉(zhuǎn)速為n1=1440r/min，轉(zhuǎn)速為n2=44.4r/min和轉(zhuǎn)矩為T1=0.782N·m和轉(zhuǎn)矩為T2=17.1N·m。。
（2） 求作用在蝸桿上的力
已知蝸桿和蝸輪轉(zhuǎn)矩和分度圓直徑以及分度圓導(dǎo)程角?？伤愕?
(3.