機械產(chǎn)品綜合課程設計.

1、機械產(chǎn)品綜合課程設計南 京 xxx 大學機械工程學院2013年9月電動葫蘆設計一、概述電動葫蘆是一種起重機械設備，它可安裝在鋼軌上，亦可配在某些起重機械上使用 （如電動單梁橋式起重機、龍門起重機、搖臂起重機等）。由于它具有體積小、重量輕、結構緊湊和操作方便等優(yōu)點，因此是廠礦、碼頭、倉庫等常用的起重設備之一。電動葫蘆以起重量為 0.55t、起重高度為30m以下者居多。如圖4-1所示的電動葫蘆主要由電動機 （帶 制動器）、減速器、鋼絲繩及卷筒、導繩器、吊鉤及滑輪、行車機構和操縱按鈕等組成。圖4-1電動葫蘆1-減速器；2-行車機構；3-電動機；4-導繩器；5-鋼絲繩及卷筒；6-操縱按鈕；7-吊鉤及滑

2、輪電動葫蘆起升機構如圖4-2所示。它由電動機通過聯(lián)軸器直接帶動齒輪減速器的輸入軸，通過齒輪減速器末級大齒輪帶動輸出軸（空心軸），驅動卷筒轉動，從而使吊鉤起升或下降，其傳動系統(tǒng)如圖4-3所示。345圖4-2電動葫戶起升機構示意圖1-減速器，2-輸岀軸，3-輸入軸，4-聯(lián)軸器，5-電動機，6-制動器；7-彈簧，8-鋼絲繩：9-卷筒圖4-3電動葫蘆起升機構傳動系統(tǒng)如圖4-2所示，齒輪減速器具有三級斜齒圓柱齒輪傳動。為便于裝拆，通常制成部件，并通過螺栓固 緊在卷筒的外殼上。為使結構緊湊和降低重量，每級小齒輪的齒數(shù)選得較少，所有齒輪均用強度較高、并 經(jīng)熱處理的合金鋼制成。圖4-4為齒輪減速器的裝配圖。減

3、速器的輸入軸I和中間軸H、川均為齒輪軸，輸出軸W是空心軸，末級大齒輪和卷筒通過花鍵和軸相聯(lián)。為了盡可能減小該軸左端軸承的徑向尺寸，一般采用滾針軸承作支 承。電動機采用特制的錐形轉子電動機。如圖4-2所示，它的一端裝有常閉型錐形摩擦盤制動器。當電動機通電時，由于轉子的磁力作用，使電動機轉子向右作軸向移動，制動彈簧7被壓縮，制動輪離開制動器的錐面，失去制動作用，電動機即開始轉動，同時卷筒作相應的轉動。當電動機斷電時，軸向磁力消失， 制動輪在彈簧力作用下向左作軸向移動，使制動器錐面接合，產(chǎn)生制動力矩，使整機停止運動。二、設計計算設計電動葫蘆齒輪減速器，一般已知條件為：起重量Q(t)、起升速度v(m

4、/ min)、起升高度H(m)、電動葫蘆工作類型及工作環(huán)境等。對起重機械，按其載荷特性和工作忙閑程度，一般分為輕級、中級、重級 和特重級。對電動葫蘆一般取為中級，其相應負荷持續(xù)率JC%值為25%。部分電動葫蘆及其減速器主要參數(shù)見表4-1和表4-2。表4-1電動葫蘆主要參數(shù)型號規(guī)格HCD-0.5HCD-1HCD-2HCD-3HCD-5HCD-10起重量0.5123510起升高度(m)6, 9, 126, 9, 12, 18, 24, 309,12,18,24,30起、升速度(m / min)888887運行速度(m / min)202020202020鋼絲 繩直徑(mm)4.87.4111315

5、.515.5規(guī)格6X 37(GB1102-74)電源三相交流380V50Hz工作類型中級JC25%起重電機功率(kW)0.81.53.04.57.513轉速(r/ min)138013801380138013801400運行電機功率(kW)0.20.20.40.40.80.8X 2轉速(r/ min)1380138013801380138013802zAfl4圖4-4電動葫蘆減速器1-齒輪（B） ; 2-中間軸（II ）, 3 一端蓋板；4 一滾針軸承；5-通氣孔；6-箱座；7-箱蓋；8-齒輪（F）; 19-球軸承，10-擋圈；11-輸出軸 ）:12-輸入軸（I ） ； 13-卷筒；14-定位

6、銷；15-螺栓；16-放油塞；17-套筒；18-中間軸（山）；19-齒輪（D）表4-2 電動葫蘆減速器齒輪主要參數(shù)超址級模)齒數(shù).變 位ja旋 線 育 向傳 動 級模(mm)齒數(shù)變 位數(shù)X庭 線向傳動級數(shù)(rnm)齒ft蠻 li 系 數(shù)JT旋 線 方 向總 傳 動 比r0. 5! 50左2140右140左42. 33550右140左d4&0右i1-5160左2150右13+ 0. 40左47. 69620右480左J50-0. 40右2第12+ 0. 38左第3124-C.38右第414+ 0. 40左60. 5259右二J +-38左三47-0. 40右?15+ 0. 38左3134- 0.

7、 40右512+ o. 3S左68. 94級67一5 3S右56t)r 40左級43一38右512+ (h 3R左412+ 6 38右611十 0. 3S左BI. Il68一 0. 38右42(X 3845-0-38右102.514+ 0. 38左12+ 0- 3R12+ 0*38左113. 3090-a 38右347山3S左b54-0+3&右注：表中所有齒輪壓力角 a n=20,螺旋角B =8 0634。電動葫蘆齒輪減速器的設計內容包括：擬訂傳動方案，選擇電動機及進行運動和動力計算，減速器主 要零件，包括齒輪、軸、軸承和花鍵聯(lián)接等的工作能力計算。也可根據(jù)現(xiàn)有資料（表4-1、表4-2）采用類比

8、法選用合適的參數(shù)進行校核計算?，F(xiàn)把其中一些設計計算要點簡述如下：（一）確定鋼絲繩及卷筒直徑，選擇電動機1 選擇鋼絲繩 根據(jù)圖4-3,鋼絲繩的靜拉力Q “ QoN（4-1）m 7而Q”= Q+Q（4-2）式中 Q”總起重量，N ;Q起重量(公稱重量),N ;Q吊具重量，N，般取Q=0.02Q ;Q的鋼絲繩分支數(shù)，如圖4-3結構所示，mm滑輪組倍率。對單聯(lián)滑輪組，倍率等于支承重量 =2;n 7滑輪組效率，n 7= 0.980.99。鋼絲繩的破斷拉力(4-3)式中n許用安全系數(shù)。對工作類型為中級的電動葫蘆，n = 5.5;換算系數(shù)，:0.80 0.90。根據(jù)工作條件及鋼絲繩的破斷拉力，表4-1選定鋼

9、絲繩直徑，必要時加以校核。即可由有關標準或手冊選取鋼絲繩直徑d。也可根據(jù)起重量 Q按2 計算卷筒直徑和轉速 如圖4-5所示，卷筒計算直徑D0= ed= D+dmm(4-4)D= (e-1)d mm式中 d鋼絲繩直徑，mm;e直徑比，e = D。/d,對電動葫蘆，取 e= 20;D卷筒最小直徑(槽底直徑),mm,求出卷筒計算直徑 D0后，應圓整為標準直徑。卷筒的標準直徑系列為:(4-5)300, 400, 500, 600, 700,800, 900,，單位為 mm。卷筒轉速r/min(4-6)這里v為起升速度(m/ min),其余符號含義同前。3 .選擇起重電動機起重電動機的靜功率Qr,v60

10、 X 1000kW(4-7)=可瘵可I式中Q“一一總起重量(式(4-2) , N ;v起升速度，m/min ;n 0起升機構總效率；n 7滑輪組效率，一般n 7= 0.980.99;n 5卷筒效率，n 5= 0.98;n i齒輪減速器效率，可取為0.90-0.92。為保證電動機的使用性能，并滿足起重機的工作要求，應選擇相應于電動葫蘆工作類型 動機，其功率的計算公式為：(4-8)(JC%值)的電(4-9)式中Ke起升機構按靜功率初選電動機時的系數(shù)，對輕級起重機為0.700.80,中級為0.800.90,重級為0.90I，特重級為1.11.2。d圖4-5卷筒直徑根據(jù)功率Pjc從有關標準（表4-3）

11、選取與工作類型相吻合的電動機，并從中查出所選電動機相應的功率 和轉速。也可根據(jù)起重量按表4-1選取，然后按靜功率進行校核計算。表4-3 錐形轉子異步電動機（ZD型）型號滿載時額宦數(shù)值堵轉剋流 額定電流堵轉轉矩 新定轉矩功率(kW)電壓（V）電流（A）(r/min)效事（%）功奉固數(shù)ZDjl2-40* g3802. 11380700 725+62153804” 31380720.745+百匕5ZDl-43+ 03807.013S00* 780.775+62” 7202-44+5380110- 780. H0久62” 72341-47+5J801814U00- 790. 805+62.7ZDt51

12、-41338027-51400缶53注：引自機械產(chǎn)品目錄）第19冊，機械工業(yè)出版社，1985年。（二）計算減速器的載荷和作用力1 計算減速器的載荷工作時，由于電動葫蘆提升機構齒輪減速器承受不穩(wěn)定循環(huán)變載荷，因此在對零件進行疲勞強度計算時，如果缺乏有關工作載荷記錄的統(tǒng)計資料，對工作載荷類型為中級的電動葫蘆，可以圖4-6所示的典型載荷圖作為計算依據(jù)。零件在使用壽命以內，實際總工作時數(shù)(4-10)10* JC% h式中 L使用壽命（年），根據(jù)起重機有關技術規(guī)定，對工作類型為中級的電動葫蘆，齒輪壽命定為 年，滾動軸承壽命為 5年；to每年工作小時數(shù)，h，工作類型為中級時，to = 2000h;JC%機

13、構工作類型，對電動葫蘆可取JC%值為25%。2500h 計故此，根據(jù)式（4-10），在電動葫蘆減速器中.齒輪的使用壽命可按5000h計算，滾動軸承按算。電動葫蘆起升機構載荷有如下特點：（1）重物起升或下降時，在驅動機構中由鋼絲繩拉力產(chǎn)生的轉矩方向不變，即轉矩為單向作用；（2）由于懸掛系統(tǒng)中的鋼絲繩具有撓性，因重物慣性而產(chǎn)生的附加轉矩對機構影響不大（一般不超過靜力矩的10% ），故由此而產(chǎn)生的外部附加動載荷在進行機械零件強度計算時，可由選定工作狀況系數(shù)K?；蛟S用應力來考慮。（3）機構的起升加速時間和制動減速時間相對于恒速穩(wěn)定工作時間是短暫的，因此在進行零件疲勞強度計算時可不考慮。但由此而產(chǎn)生的短

14、時過載，則應對零件進行靜強度校核計算。7og00- 2ta 2t0. It1圖4-6電動葫蘆載荷圖(工作類型：中級)Ql 額定載荷；t 周期進行零件靜強度計算時，可用零件工作時最大的或偶然作用的最大載荷作為計算載荷。如無確切的具體數(shù)值，可用電動機軸上的最大轉矩Tmax為計算依據(jù)。電動機軸上的最大轉矩- 9550 生0 N m 啦(4-11)式中:過載系數(shù)，是電動機最大轉矩與 JC%值為25%時電動機額定轉矩之比，對電動葫蘆，可取 =3.1;Pjc JC%值為25%時電動機的額定功率，kW;njc JC%值為25%時電動機轉速，r/min。2 分析作用力為使結構緊湊，電動葫蘆齒輪減速器的幾根軸一

15、般不采用平面展開式布置，而是采用如圖4-7所示的、軸心為三角形頂點的布置形式。圖中Oi(w)、0口、0皿分別為軸I(w卜n、川的軸心，因而各軸作用力分析比較復雜。當各級齒輪中心距 aAB、acD和aEF確定后，即可根據(jù)余弦定理，由下式求得中心線間的夾角，即趴=arc cos “廣心一皓a十 aifi 血=arc cos ZaAIi *如加(4-12)% =冗_ _必，圖4-8所示為減速器齒輪和軸的作用力分析。其中齒輪圓周力 Ft徑向力Fr和軸向力Fa。均可由有關計算公式求得。如圖 4-8b所示，輸出軸W為空心軸，它被支承在軸承a、b上。輸入軸I穿過軸W的軸孔，其一端支承在軸孔中的軸承d上，另一

16、端支承在軸承 c上。作用于輸出軸W上的力有:(1) 齒輪F上的圓周力FtF、徑向力FrF和軸向力FaF；(2) 對于圖示的單滑輪，卷筒作用于輸出軸上的力為R,當重物移至卷筒靠近齒輪F 側的極端位置時，R達到最大值：在軸承d處輸入軸I作用于輸出軸w的徑向力Rdm和Rdn(圖4-9)。由于(1)、中所述的作用力 FtF、FrF、FaF和R都位于同一平面或互相垂直的平面內，且在xdy坐標系中(圖4-9)。而中所述的力Rdm和Rdn分布在mdn坐標系統(tǒng)內，兩坐標系間的夾角0 1。因此計算在軸承d處軸I對軸W的作用力時，必須把 mdn坐標系統(tǒng)內的支反力Rdm和Rdn換算為xdy坐標系統(tǒng)內的支反力，其方法

17、如下:Rdy /+ Rjsin0(4-13)8式中的Rdm和Rdn應代入相應的正負號。99#圖4-7減速器齒輪的布置xdy這樣，Rdx和Rdy就與齒輪F上的作用力及重物對輸出軸的作用力處在同一坐標系統(tǒng)內。這就可以在 坐標系統(tǒng)內進行力的分析和計算。軸n和軸川的作用力分析可按上述方法參照進行。這里不贅述。三、實例例題4-1根據(jù)下列條件設計電動葫蘆起升機構的齒輪減速器。已知：額定起重量Q= 5t,起升高度H=6m,起升速度v= 8m/min，工作類型為中級：JC%= 25%,電動葫蘆用于機械加工車間，交流電源(380V)。解：(一) 擬訂傳動方案，選擇電動機及計算運動和動力參數(shù)1.擬訂傳動方案采用圖

18、4-1所示傳動方案，為了減小齒輪減速器結構尺寸和重量，應用斜齒圓柱齒輪傳動。2 .選擇電動機按式(4-2)、式(4-7)和式(4-8)，起升機構靜功率60 X 1000而總起重量Q ” =Q+Q =50000+0.2 X 50000=51000N起升機構總效率n 0= n 7n 5n 1=0.98X 0.98X 0.90=0.864故此電動機靜功率薊胃牆凳麗二驅kW n入87RW按式(4-9)，并取系數(shù)Ke= 0.90,故相應于JC%= 25%的電動機= 0, 90 X 7. B7 = 7, 08 kW按表4-3選ZD4-4型錐形轉子電動機，功率Pjc = 7.5 kW，轉速 旳。=1400r

19、/ min。3 選擇鋼絲繩按式(4-1)。鋼絲繩的靜拉力510002 X 0. 98=26020 N圖4-8減速器齒輪和軸的作用力(a)齒輪作用力 (b)軸1和軸N的作用力,圖4-9力的坐標變換按式(4-3)，鋼絲繩的破斷拉力5, 5 X 26020 O 85=168400 N按標準2選用6X 37鋼絲繩，其直徑 破斷拉力 Qs= 178500N。d = 15.5mm，斷面面積 d= 89.49mm2，公稱抗拉強度 No= 3X 106, NfbNo= 3X 106，故查得彎曲強度壽命系數(shù)Kfa= 1, Kfb = 1。由此得齒輪A、B的許用彎曲應力刃“=門和=1 X 豐,。力=397 MP3

20、式中系數(shù)0.70是考慮傳動齒輪 A、B正反向受載而引入的修正系數(shù)。(6) 比較兩齒輪的比值Y FaY sa/ d F對齒輪A :3U7 X b 53397=0. 0134對齒輪B :=0. 00986兩輪相比，說明 A輪彎曲強度較弱，故應以 A輪為計算依據(jù)。(7) 按彎曲強度條件計算齒輪模數(shù)m把上述各值代入前述的設計公式，則得X Z 25 X 53* 5 X 10 * 匹96cg補9兀y1 X 122 X l+54I 397=2- 38 mm比較上述兩種設計準則的計算結果，應取齒輪標準模數(shù)mn= 2.5mm。3 主要幾何尺寸計算(1)中心距a一/爲nd即=MT mm取中心距aAB = 101m

21、m。(2)精算螺旋角3cosCV + Zfi)2aAB2-5(12 + 68) =放心2X 101因3值與原估算值接近，不必修正參數(shù) a、K a和Zh。(3)齒輪A、B的分度圓直徑dSmR12 x 2*心二心廠如=也旳mm殆嘰6S X 2- 55、 “(4)齒輪寬度b 齒輪B :ba = h = x 30* 30 弋 30 mm齒輪A : = 30 + 5 = 35 mm同理，可對齒輪 C和D、E和F進行設計計算。由于起重機齒輪常常承受短期最大載荷作用，因此實際設計時，還常常按短期最大載荷對齒輪進行靜 強度校核計算。此處從略。（三）計算軸W1.計算軸W的直徑軸材料選用20CrMnTi，按下式估

22、算空心軸外徑：17#式中 P軸W傳遞功率，P= 7.18kW;n 軸 W轉遞，n= 17.22r/ min ;3 空心軸內徑與外徑之比，可取為 0.5；Ao系數(shù)，對 20CrMnTi，可取 A= 107。代入各值，則7. IS17* 22(1 - 0?54)#取d = 85mm，并以此作為軸W （裝齒輪F至裝卷筒段）最小外徑，并按軸上零件相互關系設計軸。軸W的結 構如圖4-10所示。圖4-10 軸I與軸IV的結構#2 .分析軸W上的作用力軸”上的作用力如圖 4-11所示，各力計算如下：（1）齒輪F對軸W上的作用力因本題未對齒輪F進行設計計算，現(xiàn)借用表4-2數(shù)據(jù)，取齒數(shù)zf= 45,模數(shù)mn=6

23、mm ,螺旋角3 = 8 6 34，故分度圓直徑血=曇備=273- 732 X 398L 91 X 103 272- 73圓周力徑向力ggjggig20 = 10735 N#軸向力18F” = F 趣B = 29200tg8ft634* = 4161N卷筒對軸上的徑向作用力RR19#圖4-11軸iv的作用力分析當重物移至靠近軸W的右端極限位置時，卷筒作用于軸”上e點的力R達到最大值，近似取“4Q41* 02 X 50000、.K =飛-=弓 X = 20400 N這里系數(shù)1.02是表示吊具重量估計為起重量的2%。軸I在支承d處對軸上的徑向作用力Rdn和Rdm,軸I的作用力分析如圖 4-12所示

24、。如果略去軸I上聯(lián)軸器附加力的影響，齒輪A作用于軸1上的力有：圓周力2 X 53.65 X 030. 30=3541#徑向力九=爲嶇 乂 賽打即=1302 N （這里3 = 8 6 34”是用表4-2數(shù)據(jù)） 軸向力F” = 才翻二 354廿述昭34” = 505 N 由圖 4-10 按結構取 L = 312mm , L1 = 34mm。上F 034 X 3541312求垂直平面（med面）上的支反力：=386 NRim + FtA 氏曲=0 尺兇=F1A - U = 3541 - 386 = 3155 N求水平面（ned面）上的支反力:Fa 臺一34F+ 31 034 卑31231 X 130

25、2 - 505 X 2312= 117 N上ft-E. +尸冷一耘=0=FrA 一 陽=1302 117 = 11&5 Nndm坐標系內，兩坐標間的夾角為0 1，因此要把ndm坐標Rdx 和 Rdy。對軸W來說，Rdm與Rdn的方向應與圖4-12所示的相反。 由于上述的力分別作用于xdy坐標系內和系內的力Rdn和Rdm換算為xdy坐標系內的力（圖 4-7）由式（4-12）得兩坐標系間的夾角= arc cos 20#4-2數(shù)值計圖4-12軸I的作用力分析其中各齒輪副之間的中心距可求得如下（除齒輪A、B中心距aAB按上述計算外，其余按表算）：右占=10L 0見前皿=盞（牝十）土慕舗莎十= 109.

26、 10 mmFJ76% K 急（陀十宀=盂喬麗卩+45）=169* 70 mm=37M8*1012 + 169 7Z - 10J-J32 X 101 X 169* 70根據(jù)式（4-13）和圖4-9,則得力Rdn和Rdm在坐標xdy上的投影J =出工0話1 出仝in劭1= 117co83748, 392sin37i48,143 N（與衛(wèi)軸方向相反） 尺好=Rdcosdi + &祈昭= 39：2cos37048; + 117sin3748r= 383 N把上述求得的力標注在軸的空間受力圖上（圖4-11）。根據(jù)上述數(shù)據(jù)和軸上支點a、b處的支反力，可計算軸上危險截面的彎矩、轉矩和合成彎矩。然后驗算軸的

27、安全系數(shù)。確認安全系數(shù)后，即可繪制軸的零件工作圖。軸承可按常用方法選取和計算，從略。軸I、n、川及其軸承的設計計算可仿此進行。（四）繪制裝配圖和零件工作圖本減速器的總裝圖見圖4-4所示，零件工作圖從略。參考文獻1熊文修 主編，機械設計課程設計，華南理工大學出版社，20002濮良貴 主編，機械設計（第七版）M，北京：高等教育出版社， 20013朱 理 主編，機械原理，北京：高等教育出版社，20044蘇翼林主編，材料力學，上冊M，北京；高等教育出版社，2003吳宗澤主編，機械設計實用手冊M，北京：化學工業(yè)出版社， 2001四、設計題目：試選下列一組數(shù)據(jù)，設計電動葫蘆起升機構的齒輪減速器: 電動葫蘆

28、設計任務書數(shù)據(jù)分配序號學號型號規(guī)格起重量(t)起升高度(m)起、升速度(m/ min)1HCD-0.50.5 V682HCD-0.50.5983HCD-0.50.51284HCD-11685HCD-11986HCD-111287HCD-22688HCD-22 1989HCD-2212810HCD-2218811HCD-22 ”24812HCD-2230813HCD-336814HCD-339815HCD-3312816HCD-3318817HCD-3324818HCD-33 130819HCD-446820HCD-449821HCD-44 n12822HCD-4418823HCD-442482

29、4HCD-4430825HCD-559826HCD-5512827HCD-5518828HCD-55 124829HCD-5530830HCD-669831HCD-66 n12832HCD-6618833HCD-6624834HCD-66 n30835HCD-889736HCD-8812737HCD-8818738HCD-88 124739HCD-8830740HCD-10109741HCD-1010 ”12742HCD-101018743HCD-101024744HCD-101030722五、附錄：ZD1型錐形轉子制動三相異步電動機適用范圍：本系列電機是電動葫蘆的起升電動機，或用于要求起動轉

30、矩較大及制動力矩較大的驅動裝置，也可以在起重運輸機械、 機床、生產(chǎn)流水線和其它需要迅速制動的場合中使用。本系列電機采用50Hz, 380V電源?；鶞使ぷ髦?S3,負載持續(xù)率25%通電起動次數(shù)為每小時120次。結構簡介：本系列電機為臥式電動機，采用圓錐面制動器，輸出端軸伸為矩形花鍵，機座不帶底腳，前端蓋有凸緣（法蘭式），安裝孔在前端蓋凸緣上。本系列電動機為封閉式結構，防護等級IP44，冷卻方式為自扇冷式IC0141，絕緣等級為B級。外形機聯(lián)接尺寸示意圖如下 ：4-d23L（工作時）24外形及安裝尺寸（單位：mm）7寸 型X價格功率KMD1D2D3D4D5LL1L2L3dPZD 111-40.20

31、 155h90 1400 155200196150 7三角花鍵D=15 Z=36ZD 112-40.40 165h90 1500 155220216150 74D-15f9 M2h15 4d11ZDi21-40.80 1770 220h90 1960 60h60 21531622270240 96D-20f9 M6h15 Md11ZD 122-41.50 1790 235h90 2050 60h60 21535526071240 136D-20f9 M6h15 Md11ZD 131-43.00 2230 290h90 2600 65h60 273423284109300 136D-28f9 忽3h15 6d11ZD 132-44.5, 5.50 2230 320h90 2860 65h60 27343831098300 136D-28f9 忽3h15 6d11ZD 141-47.50 2600 380h90 3400 90h60 328525370120350 1710D-35f9 18h15 4d11ZD 151-413, 150 3000 455h90 4150 95h60 425647435172400 1710D-40f9 2h15 d11ZD 152-418.50 450h90