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摘要
圆锥－圆柱齿轮减速器是减速器中常见的一种形式，能够实现输入输出轴成90度交叉传动，其结构简单，标准化程度高，制造和维修方便。本课题对于圆锥圆柱齿轮减速器的设计，先根据传动方案，选择电动机，分配各级的传动比以及一些传动装置的动力参数，再设计计算锥齿轮传动，接着设计计算圆柱斜齿轮传动。
利用相关专业软件进行计算和绘图是本设计的亮点。用本文的方法设计蜗轮蜗杆减速器，具有设计快捷、方便等特点。研究结果对提高设计的速度、质量具有重要意义。
第一章、绪论
1.1 概述
减速器在原动机和工作机之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类，二者的设计、制造和使用特点各不相同。
70～80年代，世界减速器技术有了很大发展。通用减速器体现以下发展趋势：
（1）高水平、高性能。
（2）积木式组合设计。基本参数采取优先数，尺寸规格整齐、零件通用性和互换性强、系列容易扩充和花样翻新，利于组织批量生产和降低成本。
（3）形式多样化、变型设计多。摆脱了传统的单一底座安装方式，增添了空心轴悬挂式、浮动支承底座、电动机与减速机一体式联接，多方位安装面等不同型式，扩大使用范围。
促进减速器水平提高的主要因素有：
（1）硬齿面技术的发展和完善，如大型磨齿技术、渗碳淬火工艺、齿轮强度计算方法、修形技术、变形及三、优化设计方法、齿根强化及其元化过渡、新结构等。
（2）用好的材料，普遍采用各种优质合金钢锻件，材料和热处理质量控制水平高。
（3）结构设计更合理。
（4）加工精度提高到ISO5-6级。
（5）轴承质量和寿命提高。
（6）润滑油质量提高。
1.2 齿轮减速器的特点
齿轮传动是机械传动中重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达近十万千瓦，圆周速率可达200m/s。
齿轮减速器按减速齿轮的级数可分为单级、二级、三级和多级减速器几种；按轴在空间的相互配置方式可分为立式和卧式减速器两种；按运动简图的特点可分为展开式、同轴式和分流式减速器等。单级圆柱齿轮减速器的最大传动比一般为8——10，作此限制主要为避免外廓尺寸过大。若要求i>10时，就应采用二级圆柱齿轮减速器。
齿轮传动的特点主要有：
1、效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动效率最高。如一级圆柱齿轮传动的效率可达99℅。
2、结构紧凑 在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般比较小。
3、工作可靠，寿命长 设计制造正确合理，使用维护良好的齿轮传动，工作可靠，寿命可长达一，二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。
4、传动比稳定 传动比稳定是对传动性能的基本要求。齿轮传动能广泛应用，也是因为具有这一特点。
但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格昂贵，且不宜用于传动距离过大的场合。
齿轮减速器按减速齿轮的级数可分为单级、二级、三级和多级减速器几种；按轴在空间的相互配置方式可分为立式和卧式减速器两种；按运动简图的特点可分为展开式、同轴式和分流式减速器等。单级圆柱齿轮减速器的最大传动比一般为8——10，作此限制主要为避免外廓尺寸过大。若要求i>10时，就应采用二级圆柱齿轮减速器。
1.3、圆锥齿轮减速器的特点
圆锥齿轮减速器和二级圆锥—圆柱齿轮减速器，用 于需要输入轴与输出轴成90度配置的传动中。因大尺寸的圆锥齿轮较难精确制造，所以圆锥—圆柱齿轮减速器的高速级总是采用圆锥齿轮传动以减小其尺寸，提高制造精度。齿轮减速器的特点是效率高、寿命长、维护简便，因而应用极为广泛。
1.4、本课题的任务
设计带式运输机传动装置中的两级锥齿轮—圆柱齿轮减速器
1.4.1工作条件：连续单向运转，工作时有轻微震动，小批量生产，单班制工作，使用时间20年，运输带速度允许误差为±5%。
1.4.2原始数据：
第二章、电动机的选择
1、电动机转速的确定
工作机转速
锥齿轮圆柱齿轮减速器传动比范围一般为i=8～15
电动机转速应在
范围内即713～1337
所以选取电动机同步转速为1000r/min
2、电动机功率的确定
查[1]表12-8
|
类别 |
效率 |
数量 |
|
弹性柱销联轴器 |
0.995 |
2 |
|
圆柱齿轮（8级，稀油润滑） |
0.97 |
1 |
|
圆锥齿轮（8级，稀油润滑） |
0.97 |
1 |
|
圆锥滚子轴承（一对）（稀油润滑） |
0.99 |
3 |
计算得传动的装置的总效率
又有工作机效率为
工作机效率
所需电动机输出功率为
计算得
查[1]表19-1，选则电动机额定功率为3kW
最后确定电机Y系列三相异步电动机，型号为Y132M2-6，额定功率3kW，满载转速
960r/min。
第三章、传动系统的运动和动力参数计算
1、分配各级传动比
总传动比
查[2]表16-1-3，推荐
，且
，
得
，
2、由传动比分配结果计算轴速
各轴输入功率
各轴输入转矩
将计算结果列在下表
|
轴号 |
功率P/kW |
转矩T/( |
转速n/（r/min） |
|
I轴 |
2.96 |
29.39 |
960 |
|
II轴 |
2.78 |
62.53 |
425 |
|
III轴 |
2.644 |
283.19 |
89.17 |
第四章、传动零件的计算
4.1、圆锥直齿齿轮传动的计算
选择齿形制GB12369-90，齿形角
设计基本参数与条件：齿数比u=2.26，传递功率
，主动轴转速
，采用两班制工作，寿命10年（一年以300天计），小锥齿轮悬臂布置。
（1）选择齿轮材料和精度等级
①材料均选取45号钢调质。小齿轮齿面硬度为250HBS，大齿轮齿面硬度为220HBS。
②精度等级取8级。
③试选小齿轮齿数
取
调整后
（2）按齿面接触疲劳强度设计
查[3](10-26)有齿面接触疲劳强度设计公式
① 试选载荷系数：
。
② 计算小齿轮传递的扭矩：
③ 取齿宽系数：
④ 确定弹性影响系数：由[3]表10-6，
⑤ 确定区域系数：查[3]图10-30，标准直齿圆锥齿轮传动：
⑥ 根据循环次数公式[3]式10-13，计算应力循环次数：
⑦ 查[3]图10-19得接触疲劳寿命系数：
，
⑧ 查[3]图10-21(d)得疲劳极限应力：
，
⑨ 由[3]式10-12计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数
，
，
⑩ 由接触强度计算出小齿轮分度圆直径：， 则
⑪ 齿轮的圆周速度
⑫ 计算载荷系数：
a：齿轮使用系数，查[3]表10-2得
b：动载系数，查[3]图10-8得
c：齿间分配系数，查[3]表10-3得
d：齿向载荷分布系数
查[3]表10-9得
，所以
e：接触强度载荷系数
13按载荷系数校正分度圆直径
取标准值，模数圆整为
14计算齿轮的相关参数
，
，
15确定齿宽：
圆整取
(3)校核齿根弯曲疲劳强度
1载荷系数
2当量齿数
，
3查[3]表10-5得
，，，
4取安全系数
由[3]图10-18得弯曲疲劳寿命系数
，
查[3]图10-20(c)得弯曲疲劳极限为：
，
许用应力
5校核强度，由[3]式10-23
计算得
可知弯曲强度满足，参数合理。
4.2、圆柱斜齿齿轮传动的计算
设计基本参数与条件：齿数比u=4.76，传递功率
，主动轴转速
，采用一班制工作，寿命20年（一年以300天计）。
（1）选择齿轮材料、精度等级和齿数
①小齿轮材料选取40Cr钢调质，大齿轮选取45钢调质，小齿轮齿面硬度为280HBS，大齿轮齿面硬度为240HBS。
②精度等级取8级。
③试选小齿轮齿数
取
调整后
4初选螺旋角
（2）按齿面接触疲劳强度设计
查[3](10-21)有齿面接触疲劳强度设计公式
1试选载荷系数：
2 计算小齿轮传递的扭矩：
3取齿宽系数：
4确定弹性影响系数：由[3]表10-6，
5确定区域系数：查[3]图10-30，标准直齿圆锥齿轮传动：
6根据循环次数公式[3]式10-13，计算应力循环次数：
查[3]图10-19得接触疲劳寿命系数：
，
查[3]图10-21(d)得疲劳极限应力：，
由[3]式10-12计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1%，安全系数，
，
7由[3]图10-26查得
8代入数值计算
小齿轮直径
9圆周速度
10齿宽b及模数
，
11计算纵向重合度
12计算载荷系数：
a：齿轮使用系数，查[3]表10-2得
b：动载系数，查[3]图10-8得
c：齿间分配系数，查[3]表10-3得
d：查[3]表10-4得齿向载荷分布系数
查[3]图10-13得
e：接触强度载荷系数
13按载荷系数校正分度圆直径
14 计算模数
(3)按齿根弯曲强度设计
由[3]式10-17
1计算载荷系数
2由纵向重合度
，从[2]图10-28得
3计算当量齿数
4由[3]图10-20得弯曲疲劳强度极限
，
5由[3]图10-18取弯曲疲劳寿命系数
，
6取弯曲疲劳安全系数
由[3]式10-12得
7由[3]表10-5得齿形系数
，
得应力校正系数
，
8计算大、小齿轮的
并加以比较。
，
大齿轮的数值大。
9取
10校正齿数
，
11圆整中心距
圆整为
12修正螺旋角
13计算几何尺寸
，
，取齿宽为
，
第五章、轴的计算
1、I轴的计算
(1)轴上的功率
，转速，转矩
，
(2)初估轴的最小直径
先按[3]式15-2初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据[3]表15-3，取，于是得
由于输入轴的最小直径是安装联轴器处轴径。为了使所选轴径
与联轴器孔径相适应，故需同时选择联轴器型号。
联轴器的计算转矩，查[3]表14-1
查[1]表17-2，由于电动机直径为38mm，所以选取型号为HL3，孔径选为30mm。联轴器与轴配合的轮毂长度为60mm。
(4)轴的结构设计
拟定轴上零件的装配方案，如下图
1轴段1-2，由联轴器型号直径为30mm，右端应有轴肩定位，轴向长度应该略小于60mm，取58mm。
2轴段4-5，先初选轴承型号，由受力情况选择圆锥滚子轴承，型号取30207，内径为35mm。所以轴段直径为35mm，长度应略小于轴承内圈宽度17mm，取为15mm。
3轴段2-3，由轴承内圈直径得轴段直径为35mm。左端联轴器又端面距离短盖取30mm，加上轴承宽度和端盖宽度，轴段长度定为65.25mm。
4轴段5-6，小锥齿轮轮毂长度为38mm，齿轮左端面距离套杯距离约为8mm，再加上套杯厚度，确定轴段长度为54mm，直径为32mm。
5轴段3-4，由于小齿轮悬臂布置，轴承支点跨距应取悬臂长度的大约两倍，由此计算出轴段长度为93mm。又有轴肩定位的需要，轴肩高度取3.5mm，所以轴段直径取42mm。
6零件的周向定位
查[1]表14-24得
左端半联轴器定位用平键，宽度为8mm，长度略小于轴段，取50mm，选取键
，
右端小齿轮定位用平键，宽度为10mm，长度略小于轴段，取30mm，选取键
。
7轴上圆角和倒角尺寸
参考[1]表12-13，取轴端倒角为2mm，圆角取1.6mm
(5)求轴上的载荷
根据轴的结构图和受力情况得出轴所受弯矩扭矩如图所示
(6)按弯扭合成应力校核轴的强度
由上图可知，应力最大的位置，只需校核此处即可，根据[3]式15-5及以上数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力
查[3]表15-1得，因此
，轴安全。
2、II轴的计算
(1)轴上的功率
，转速
，转矩
，
(2)求作用在齿轮上的力
大圆锥齿轮：圆周力
，轴向力
，径向力
圆柱齿轮：圆周力
，轴向力，径向力
。
(3)初估轴的最小直径
先按[3]式15-2初步估算轴的最小直径。由于此轴为齿轮轴，选取轴的材料应同圆柱齿轮一样，为40Cr，调质处理。根据[3]表15-3，取，于是得
(4)轴的结构设计
1轴段4-5，由设计结果，小齿轮分度圆直径为59.59mm，齿宽为65mm，取此轴段为65mm。
2轴段2-3，齿轮轮毂长度为40mm，轴段长度定为38mm，直径为齿轮孔径40mm。
3轴段1-2，选用轴承型号为30207，轴段直径为35mm，齿轮端面距离箱体内壁取7mm，轴承距内壁2mm，所以轴段长度取30mm。
4轴段6-7，用于装轴承，长度取19mm，直径取35mm。
5轴段5-6，轴承应该距离箱体内壁2mm左右，且小齿轮端面距离箱体内壁8mm左右，长度取10mm，又根据轴肩定位需要，轴径取41mm。
6轴段3-4，由于箱体内壁应该相对于输入轴的中心线对称，通过计算此段长度为20mm，又有定位需要，轴径取47mm。
7零件的周向定位
查[1]表14-24得
齿轮定位用平键，宽度为12mm，长度略小于轴段，取32mm，选取键12X32。
8轴上圆角和倒角尺寸
参考[1]表12-13，取轴端倒角为2mm，圆角取1.6mm
(5)求轴上的载荷
根据轴的结构图和受力情况得出轴所受力和弯矩扭矩如表所示
|
载荷 |
水平面H |
垂直面V |
|
支反力F |
|
|
|
弯矩M |
|
|
|
总弯矩 |
|
|
|
扭矩T |
|
|
弯矩和扭矩图如下：
(6)按弯扭合成应力校核轴的强度
由上图可知，应力最大的位置，校核此处即可，根据[3]式15-5及以上数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力
查[3]表15-1得
，因此。
另外小齿轮的两个端面处较危险，右端按照轴颈35mm，若弯扭组合按照最大处计算，有
，所以最终可以确定弯扭校核结果为安全。
(7)精确校核轴的疲劳强度
1判断危险截面
由上述计算已知小齿轮中点处应力最大，但是此处轴颈较两侧高出许多，所以应选4的左侧和5的右侧进行精确校核计算。
2截面4的左侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面4左侧的弯矩为
截面4上的扭矩为
截面上的弯曲应力
截面上扭转切应力
轴的材料为40Cr，调质处理。由[3]表15-1查得
。
综合系数的计算
查[3]附表3-2，由
，
经直线插入，得因轴肩而形成的理论应力集中为
，
，
由[3]附图3-1得轴的材料敏感系数为
，
，
则有效应力集中系数为，按[3]式（附表3-4）
由[3]附图3-2，3-3查得尺寸系数为，扭转尺寸系数为，
查[3]附图3-4，轴采用精车加工，表面质量系数为，
轴表面未经强化处理，即
，则综合系数值为
碳钢系数的确定
碳钢的特性系数取为
，
安全系数的计算
轴的疲劳安全系数为
故此处安全。
3 截面5的右侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面5右侧的弯矩为
截面5上的扭矩为
截面上的弯曲应力
截面上扭转切应力
轴的材料为40Cr，调质处理。由[3]表15-1查得
。
综合系数的计算
查[3]附表3-2，由
，
经直线插入，得因轴肩而形成的理论应力集中为
，
，
由[3]附图3-1得轴的材料敏感系数为，，
则有效应力集中系数为，按[3]式（附表3-4）
由[3]附图3-2，3-3查得尺寸系数为
，扭转尺寸系数为，
查[3]附图3-4，轴采用精车加工，表面质量系数为，
轴表面未经强化处理，即，则综合系数值为
碳钢系数的确定
碳钢的特性系数取为，
安全系数的计算
轴的疲劳安全系数为
故此处安全。
综上得出，此轴疲劳强度达到要求。
3、III轴的计算
(1)轴上的功率
，转速
，转矩
，
(2)求作用在齿轮上的力
圆周力
，轴向力
，径向力
(3)初估轴的最小直径
先按[3]式15-2初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为40Cr，调质处理。根据[3]表15-3，取
，于是得
，此处有一个平键，直径增加5%，得出直径最小为31.5mm。
由于输入轴的最小直径是安装联轴器处轴径。为了使所选轴径与联轴器孔径相适应，故需同时选择联轴器型号。
联轴器的计算转矩，查[3]表14-1
选取型号为HL3，孔径选为35m。联轴器与轴配合的轮毂长度为60mm。
(4)轴的结构设计
拟定轴上零件的装配方案，如下图
1轴段1-2，由联轴器型号得直径为35mm，右端应有轴肩定位，轴向长度应该略小于60mm，取56.5mm。
2轴段5-6，此处与大齿轮配合，取直径为齿轮孔径45mm，长度略小于轮毂长度取为58mm。
3轴段6-7，选取轴承型号为30208，由轴承内圈直径得轴段直径为40mm。又考虑大齿轮与小齿轮的配合，大齿轮与内壁距离为10.5mm。轴承距离内壁取2mm左右，最后确定轴段长度为35mm。
4轴段4-5，此段用于大齿轮定位，轴肩高度为4mm，所以直径取53mm，长度取10mm。
5轴段3-4，左端用于轴承定位，轴肩高度取3.5mm，直径为47mm，又有轴承距离内壁2mm左右，轴段长度得出为61.5mm。
6轴段2-3，根据轴承和端盖宽度，再是轴稍微伸出一段，确定轴段长度为56.5mm，直径取轴承内圈大小为40mm。
7零件的周向定位
查[1]表14-24得
左端半联轴器定位用C型平键，宽度为10mm，长度略小于轴段，取50mm，选取键C
，
右端大齿轮定位用平键，宽度为12mm，长度略小于轴段，取50mm，选取键
。
7轴上圆角和倒角尺寸
参考[1]表12-13，取轴端倒角为2mm，圆角取1.6mm
(5)求轴上的载荷
根据轴的结构图和受力情况得出轴所受弯矩扭矩如图所示
(6)按弯扭合成应力校核轴的强度
由上图可知，应力最大的位置，只需校核此处即可，根据[3]式15-5及以上数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力
查[3]表15-1得，因此，轴安全。
第六章、 轴承的计算
1、I轴的轴承校核
轴承30207的校核
求两轴承受到的径向载荷
径向力
，
查[1]表15-1，得Y=1.6，e=0.37，
派生力
，
轴向力
，左侧轴承压紧
由于
，
所以轴向力为
，
当量载荷
由于
，
，
所以
，
，
，
。
由于为一般载荷，所以载荷系数为
，故当量载荷为
，
轴承寿命的校核
2、II轴的轴承校核
轴承30207的校核
求两轴承受到的径向载荷
径向力
，
查[1]表15-1，得Y=1.6，e=0.37，
派生力
，
轴向力
，右侧轴承压紧
由于
，
所以轴向力为
，
当量载荷
由于
，
，
所以，，，。
由于为一般载荷，所以载荷系数为，故当量载荷为
，
轴承寿命的校核
3、III轴的轴承校核
轴承30208的校核
求两轴承受到的径向载荷
径向力，
查[1]表15-1，得Y=1.6，e=0.37，
派生力
，
轴向力
，左侧轴承压紧
由于
，
所以轴向力为
，
当量载荷
由于，，
所以，，，。
由于为一般载荷，所以载荷系数为，故当量载荷为
，
轴承寿命的校核
第七章、键连接的选择及校核计算
键的校核按公式
计算，代入数据，计算结果如下表：
|
键 |
直径mm |
工作长度mm |
工作高度mm |
转矩 N.m |
应力Mpa |
|
|
30 |
42 |
3.5 |
29.39 |
13.32 |
|
|
32 |
20 |
4 |
62.53 |
48.85 |
|
|
40 |
20 |
4 |
62.53 |
39 |
|
|
45 |
44 |
4 |
283.19 |
71.5 |
|
|
35 |
51 |
4 |
283.19 |
79.3 |
查[3]表6-1得
，所以以上各键强度合格。
第八章、减速器附件的选择
1、通气器
由于在室内使用，选简易式通气器，采用M12×1.25
2、油面指示器，油面变动范围大约为17mm，取A20型号的圆形游标
3、起吊装置
采用箱盖吊换螺钉，按重量取M12，箱座采用吊耳
4，放油螺塞
选用外六角油塞及垫片M16×1.5
第八章、润滑与密封
1、齿轮的润滑
采用浸油润滑，浸油高度为半个齿宽到一个齿宽，取为35mm。
2、滚动轴承的润滑
由于轴承周向速度为3.4m/s，所以开设油沟、飞溅润滑。
3、润滑油的选择
齿轮与轴承用同种润滑油较为便利，考虑到该装置用于闭式齿轮设备，选用中负荷工业齿轮油220。
4、密封方法的选取
选用凸缘式端盖易于调整，采用毡圈密封，结构简单。
轴承盖结构尺寸按用其定位的轴承的外径决定。
参考文献
1、《机械设计课程设计》（修订版），鄂中凯，王金等主编。东北工学院出版社，1992年
2、《机械设计 第八版》，濮良贵主编，高等教育出版社出版，2006年
3、《机械设计基础课程设计》，王昆等主编，高等教育出版社，1995年
4、《机械设计课程设计图册》（第三版），龚桂义主编，高等教育出版社，1987年
5、《机械设计课程设计指导书》（第二版），龚桂义主编，高等教育出版社，1989年
6、简明机械设计手册（第二版），唐金松主编，上海科学技术出版社，2000年
7、《机械零件设计课程设计》，毛振扬 、陈秀宁 、施高义编，浙江大学出版社，1989
8、《机械设计手册》，机械设计手册编写组，机械工业出版社，1986年12月
)
