气动式爬杆提升机设计

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气动式爬杆提升机设计

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指导教师：e

【摘要】首先查找资料文献，研究分析各种攀爬机构，比较各类爬行机构的优劣，找出它们的优缺点。然后提出爬杆提升机的设计方案，确定本体的大致结构。在此基础上详细阐述了爬杆提升机模块化设计的理念。根据垂直电杆、管道的尺寸数据，分为模块进行设计计算，然后经过合理的组合装配，完成气动爬杆提升机的设计。

【关键词】提升机；爬杆；攀爬

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Design of pneumatic pole-climbing hoist

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Tutor : e

Abstract：First find the data and literature, research and analysis of various climbing

organizations, compare the pros and cons of all kinds of crawling bodies, identifying their strengths and weaknesses. And then make pole-climbing hoist design, determining the general structure of the ontology. This climbing elevator is elaborated on the basis of modular design concept. According to the vertical poles, pipes of dimension data, calculation is divided into modules, and then after a reasonable combination of Assembly, complete design of pneumatic pole-climbing hoist.

Key words：hoist ；pole-climbing；speel

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目 录

1.绪论 ......................................................... 1

1.1选题的目的及研究意义 ................................................ 1 1.1.1选题的目的 ...................................................... 1 1.1.2选题的研究意义 .................................................. 1 1.2相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等 .................. 1 1.2.1研究项目的背景 .................................................. 1 1.2.2国内外研究现状 .................................................. 2 1.3本论文的研究工作 .................................................... 3

2.爬杆提升机原理结构的研究与分析 .............. 错误！未定义书签。

2.1结构分析 ........................................... 错误！未定义书签。 2.2方案分析 ........................................... 错误！未定义书签。

3.爬杆提升机的结构方案设计 .................... 错误！未定义书签。

3.1 总体结构设计 ...................................... 错误！未定义书签。 3.2 夹紧装置分析研究 .................................. 错误！未定义书签。 3.3 爬升动力系统分析研究 .............................. 错误！未定义书签。

4.主体结构的设计与计算 ........................ 错误！未定义书签。

4.1气动爬杆提升机上半部分质量的估算 ................... 错误！未定义书签。 4.2气缸的计算与选型 ................................... 错误！未定义书签。 4.3整体质量的估算 ..................................... 错误！未定义书签。 4.4估算工作时所需的夹紧力 ............................. 错误！未定义书签。 4.5滑动螺旋传动的设计与计算 ........................... 错误！未定义书签。 4.5.1传动螺纹选择 ................................... 错误！未定义书签。 4.5.2螺纹中径的计算 ................................. 错误！未定义书签。

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4.5.3工作压强的计算 ................................. 错误！未定义书签。 4.5.4自锁性计算 ..................................... 错误！未定义书签。 4.5.5螺杆强度的验算 ................................. 错误！未定义书签。 4.5.6螺母螺纹强度验算 ............................... 错误！未定义书签。 4.5.7螺杆的稳定性验算 ............................... 错误！未定义书签。 4.5.8螺杆横向振动的验算 ............................. 错误！未定义书签。 4.6气动马达的设计计算与选型 ........................... 错误！未定义书签。4.6.1气动马达的选择缘由 ............................. 错误！未定义书签。4.6.2气动马达的设计计算 ............................. 错误！未定义书签。4.6.3气动马达的选型 ................................. 错误！未定义书签。4.7齿轮传动部分的设计与计算 ........................... 错误！未定义书签。4.7.1选定齿轮类型，选精度等级，材料及齿数 ........... 错误！未定义书签。4.7.2按齿面接触强度计算 ............................. 错误！未定义书签。4.7.3按齿根弯曲强度设计 ............................. 错误！未定义书签。4.7.4几何尺寸的计算 ................................. 错误！未定义书签。4.8键联接的选择 ....................................... 错误！未定义书签。4.8.1键选择原则 ..................................... 错误！未定义书签。4.8.2键的选择与结构设计 ............................. 错误！未定义书签。4.9联轴器的选择 ....................................... 错误！未定义书签。4.10轴承的选型 ........................................ 错误！未定义书签。4.10.1轴承的作用及分类 .............................. 错误！未定义书签。4.10.2滚动轴承的结构 ................................ 错误！未定义书签。4.10.3滚动轴承的材料 ................................ 错误！未定义书签。4.10.4滚动轴承的分类 ................................ 错误！未定义书签。4.10.5滚动轴承结构类型的选择 ........................ 错误！未定义书签。4.10.6直线轴承的选型 ................................ 错误！未定义书签。5.气压传动 .................................... 错误！未定义书签。5.1气压传动系统组成 ................................... 错误！未定义书签。5.2气动系统分类 ....................................... 错误！未定义书签。5.3气压传动特点 ....................................... 错误！未定义书签。

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5.4气压装置及辅助元件 ................................. 错误！未定义书签。 5.4.1空气压缩机 ..................................... 错误！未定义书签。 5.4.2空气净化装置 ................................... 错误！未定义书签。 5.4.3其他辅助装置 ................................... 错误！未定义书签。 5.4.4气动控制元件 ................................... 错误！未定义书签。 致谢 ................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................. 错误！未定义书签。III

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1.绪论

1.1选题的目的及研究意义

1.1.1选题的目的

本课题主要针对垂直电杆、管道等设计一种进行高空安装、维修等操作的提升机。考虑到它所特有结构以及所处的环境，旨在研发一种结构简单、经济适用、操作简便的适用于垂直电杆、管道等野外或城市设施可搭载安装、清洗、维护设备的爬杆提升机，用以解决当前野外或城镇中存在的公共设施的高空安装、清洗、维护问题。该机构要能保证良好的运行效果，低耗能高效率，绿色环保，节省人力物力。

1.1.2选题的研究意义

目前全国现代化建设步伐日益加快，不论是城市的扩建还是新农村的建设，随着我国国民经济的飞速增长、人民生活水平日益提高， 随处可见管道、电线杆等各类杆(管)件。工程中沿途无数的灯杆线路要定期调换、检测和维护．工作量非常大，如果在野外将更加麻烦，因此设计一种特有的装置方便操作。气动爬杆提升机与一般地面移动机构的最明显不同是需克服重力的作用而可靠地依附于杆(管)上并自主移动。爬杆提升机要求自动进行上、下爬行运动，运动时要求能够支承平行于杆件的重力分量．并且能可靠自锁于任意位置．因此轴向力的获得以及如何稳定地沿杆件移动而不倒退是一个关键问题，因此需要很多深入学习和钻研。毕业设计是对所有课程的一次深入的综合性复习，它对培养查阅文献、资料，分析问题、解决问题，独立工作，对所学知识的综合运用，理论计算，计算机绘图，撰写科技文献等多方面的能力都起到重要的作用，也为毕业后能够很好的从事本专业的技术工作打下良好的基础。

1.2相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等

1.2.1研究项目的背景

随着经济的增长，城镇中随之矗立起无数电线杆、路灯杆等高层建筑。在现代生活中，高空作业不断增加，如高楼清洗、油漆、喷涂、救护、大桥缆绳的检查和维护、电力系统架设电缆等等。这些工作给高空作业的工作人员带来很大的不安全因素。长期以来怎样绿色环保、高效、低成本的解决这些集实用性与美观性一体的杆状城市建筑的清

【2】洗、维护问题【1】，一直是研究的一个课题。生物经过了长期的自然选择进化而来，在

结构、功能执行、信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性

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和进步性，更加适合非结构化的、未知的工作环境、复杂精巧的、高难度的工作任务，这是仿生机械提出和发展的客观动力。爬杆提升机家族很庞大，从驱动方式进行划分，主要分为气动、电动和液压驱动式。从有无控制系统的层面进行划分，主要分为普通型和智能型两大类。普通型就是只有动力源、执行机构，智能型相比普通型还有(反馈)控制机构。爬杆提升机是解决这一问题的有效方法之一，爬杆提升机与一般地面移动机构的最明显不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面主并自主移动，完成特定条件下的作业。为此，国内外很多学者针对各种特定的行业，展开了大量地研究。

1.2.2国内外研究现状

1）国外研究现状

【4】

最早开始研究且研究最多的是爬壁机器人【3】，适于高层建筑、水力发电大坝等垂【6】

直壁面【5】和大球形表面上的危险作业。对于管道外壁表面【7】，已有车轮移动形、姿态

可变形、尺蠖形和多关节形机器人，用于石油、化工企业等多为水平管线上的检查和诊断，且牵引力较小。

国内外的学者很早就对爬行机器人进行研究工作，获得了丰硕的成果。目前，国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器人、电动液压

【9】【10】【11】式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人【8】等。

电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动，依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降【12】。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的，轮子滚动方向与水平面成一定角度，这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹，沿此轨迹通过电动机的正反转该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体，依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作，且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧，上部汽缸松开，提升汽缸活塞杆伸出，上部上升；上部汽缸夹紧，下部汽缸松开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人，其上升和下降运动的实现由气压控制，需要气源和气动控制系统。

国外有代表性的有东京大学研制的关节型行走机器人，可沿水平或垂直的直杆爬行，能跨越法兰、平行杆【13】，并可绕T型杆和L型杆爬行。

2）国内研究现状

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沈孝芹等针对市政工程中需要大量爬杆作业的需求，研制了一种基于气动元件的爬杆机器人[14]，该机器人应用四只两种类型的气缸实现机器人的爬杆作业，机器人本体应用红外遥控驱动的单片机控制，该机器人载重可10kg，可广泛替代人工应用到市政爬杆作业中。徐生等提出了一种以气压驱动的蠕动爬杆机器人设计方案[15]，该方案以气缸活塞的运动带动连杆机构运动，实现机器人对圆柱杆的夹紧; 用橡胶驱动器连接上、下两个夹紧机构，利用橡胶管在气压作用下的伸缩性，配合夹紧机构，实现机器人以蠕动方式爬升圆柱杆。宋岩等研制了一种尺蠖式爬行机器人[16]，该机器人在结构上采用两段主体与伸缩腰配合，主体周向120°等角度布置了三个接触脚夹紧机构，分别由电动机控制进行尺蠖式前进。该机器人运行可靠、平稳、控制方便，适应管径范围大，作业距离长，具有较大的负载能力，更适合在垂直方向上工作，有良好的应用价值。陈俊龙等设计了一种继电器控制的爬杆机器人[17]，该机器人通过继电器和棘轮机构进行控制，其设计独特，在实际运行中具有动作可靠、投球准确、结构紧凑和投资低的特点。杨存智设计了一种爬杆( 绳) 机器人[18]，该机器人的设计思路是模仿人的爬树动作，结构灵巧，安装容易，控制方便，应用前景广阔。

1.3本论文的研究工作

首先查找资料文献，研究分析国内外各种爬杆提升机的结构方案找出它们的优缺点。提出爬杆提升机的设计方案并筛选满足本论文条件的爬杆提升机。本课题的思路以及研究过程如下：

1）建立爬杆提升机的结构模型；

2）提出本论文爬行提升机的结构及设计方法、设计准则； 3）结构图的构思与设计；

4）完成爬杆提升机的结构设计各部件尺寸设计； 5）爬杆提升机装配图的绘制。

2.电机选择

2.1电动机选择（倒数第三页里有东东） 2.1.1选择电动机类型 2.1.2选择电动机容量

3

电动机所需工作功率为： PPwd??； 工作机所需功率Pw为： PFvw?1000；

传动装置的总效率为： ???1?2?3?4；

传动滚筒 ?1?0.96 滚动轴承效率 ?2?0.96 闭式齿轮传动效率 ?3?0.97 联轴器效率 ?4?0.99 代入数值得：

???1?2?3?4?0.96?0.994?0.972?0.992?0.8

所需电动机功率为： PFv10000?40d?1000??0.8?1000?60kW?10.52kW

P?d略大于Pd 即可。

选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW

2.1.3确定电动机转速

取滚筒直径D?500mm n60?1000vw?500??125.6r/min

1.分配传动比 （1）总传动比 i?nmn?1460?11.62 w125.6(2)分配动装置各级传动比

取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比

i01?1.4i?4.03 则低速级的传动比 ii11.6212?i?03?2.88

014.2.1.4 电机端盖组装CAD截图

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图2.1.4电机端盖

2.2 运动和动力参数计算 2.2.1电动机轴

p0?pd?10.52kWn0?nm?1460r/min T?9550P00n?68.81N?m02.2.2高速轴

p1?pd?4?10.41kWn1?nm?1460r/min T?9550p110.411n?9550?11460?68.09N?m2.2.3中间轴

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p2?p1?01?p0?2?3?10.52?0.99?0.97?10.10kWn?n12i?1460014.03r/min?362.2r/minT?9550p

22n?9550?10.10?263.6N?m2362.22.2.4低速轴

p3?p2?02?p1?2?3?10.10?0.99?0.97?9.69kWn?n23i?362.2?125.76r/min 122.88T?9550p33n?9.693125.76?9550?735.8N?m2.2.5滚筒轴

p4?p3?03?p2?2?4?9.69?0.99?0.99?9.49kWn?n34i?125.76r/min 23T?9550p44n?9550?9.49?7204125.76N?m

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3.齿轮计算

3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数

1>按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。

2>绞车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。

3>材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。

4>选小齿轮齿数z1?24，大齿轮齿数z2?24?4.03?96.76。取z25初选螺旋角。初选螺旋角??14?

?97

3.2按齿面接触强度设计

由《机械设计》设计计算公式（10-21）进行试算，即

d1t?32KtT0??1ZHZE?d??????H

3.2.1确定公式内的各计算数值

（1）试选载荷系数kt?1.61。

（2）由《机械设计》第八版图10-30选取区域系数zh?2.433。

?0.78（3）由《机械设计》第八版图10-26查得?1，??1??2?1.65。

???2?0.87，则

????（4）计算小齿轮传递的转矩。 95.5?105?p095.5?105?10.41T1??N.mm?6.8?104N.mm

n11460（5）由《机械设计》第八版表10-7 选取齿宽系数?d?1

（6）由《机械设计》第八版表10-6查得材料的弹性影响系数Ze?189.8MPa （7）由《机械设计》第八版图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限

?Hlim1?600MPa ；大齿轮的接触疲劳强度极限?Hlim2?500MPa 。

13计算应力循环次数。

N1?60n1jLh?60?1460?1?2?8?300?15?6.3?109

NN2?1?1.56?109

4.03（9）由《机械设计》第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数

KHN1?0.90;KHN2?0.95 。

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（10）计算接触疲劳许用应力。

取失效概率为1%，安全系数S=1，由《机械设计》第八版式（10-12）得 ??H?1?KHN1?lim1?0.9?600MPa?540MPa

S??H?2?KHN2?lim2?0.95?550MPa?522.5MPa

S（11）许用接触应力

??H?1???H?2??H???531.25MPa

2（1）试算小齿轮分度圆直径d1t

3.2.2计算

?d??9.56mm

d1t?32KtT0??1ZHZE????H?316.46?104?0.862=30.7396?16.46?104=3121.738?10=4

（2）计算圆周速度v0

???d1tn160?1000???1460?49.5660?1000?3.78m/s

（3）计算齿宽及模数

mmntnt?d1t1tcos??dcos?z?49.56mm

1h=2.25mnt?2.25?2=4.5mm b?49.56/4.5=11.01 h（4）计算纵向重合度

z?149.56?cos14?49.56?0.97==2mm

2424???0.318?dztan??0.318?1?24?tan14?=20.73

1（5）计算载荷系数K。

已知使用系数KA?1,根据v= 7.6 m/s,7级精度，由《机械设计》第八版图10-8查得动载系数Kv?1.11;

由《机械设计》第八版表10-4查得K的值与齿轮的相同，故KH?Kf??1.35由《机械设计》第八版图 10-13查得

H??1.42;

由《机械设计》第八版表10-3查得KH??KH??1.4.故载荷系数

K?KAKVKH?KH??1?1.11?1.4?1.42=2.2

（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得

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d1?d1t3KK?49.56?3t2.2?49.56?31.375?55.11mm 1.6（7）计算模数

co?s55.11?cos14?0.97?55.11??2.22mm mn?d1?2424z13.3按齿根弯曲强度设计

由式（10-17）

mn?32KT1Y?cos?2?z1?d2?YY?FaF????Sa

3.3.1确定计算参数

（1）计算载荷系数。

K?KAKVKf?Kf??1.?11?1.4?1.35=2.09

?1.903（2）根据纵向重合度 ? ，从《机械设计》第八版图10-28查得螺旋角

?0.88影响系数Y?

?（3）计算当量齿数。

zV1?v2z?24?24?24?26.37

cos?cos140.970.91z?97?97?106.59 ?zcos?cos140.911333233（4）查齿形系数。

?2.57;YFa2?2.18由表10-5查得YFa1

（5）查取应力校正系数。

由《机械设计》第八版表10-5查得YSa1?1.6;YSa2?1.79

?（6）由《机械设计》第八版图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ?500MPa?380MPaFE1 ；大齿轮的弯曲强度极限 FE2；

?0.85（7）由《机械设计》第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数 KFN1，KFN2?0.88；

?（8）计算弯曲疲劳许用应力。

取弯曲疲劳安全系数S＝1.4,由《机械设计》第八版式（10-12）得

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????F??K?F1?2K?FN1FE1SFN2??FE2S0.85500MPa?303.57MPa1.4

0.88?380?MPa?238.86MPa1.4（9）计算大、小齿轮的YFaYSa 并加以比较。

?F??YYFa1Fa2??F?Sa11?2.592?1.596?0..1363

303.57=

2.211?1.774?0.01642

238.86YY??F?Sa22由此可知大齿轮的数值大。

3.3.2设计计算

m

n?32?2.10?6.8?10?0.88?(cos14?)422242*1.65?0.01642mm?34.342?0.97mm?34.085?1.59m对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数mn 大于由齿面齿根弯曲疲

?劳强度计算 的法面模数，取mn2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm 来计算应有的齿数。于是由

d1cos??55.11?cos14??26.73?z12 mn取 z1?27 ，则z2?27?4.03?108.81 取z2?109;

3.4几何尺寸计算

??z?mza=

123.4.1计算中心距

n2cos??(27?109)?2136??140.2mm

2?cos140.97将中以距圆整为141mm.

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3.4.2按圆整后的中心距修正螺旋角

??arccos(z1?z2)mn2a?arccos(27?109)?22??arccos0.97?14.06Z140.2?

因?值改变不多，故参数

??、k?、H等不必修正。

3.4.3计算大、小齿轮的分度圆直径

d27?21?z1mncos??cos14?540.97?55mmd?z2mn2cos??109?2cos14?2180.97?224mm

a?d1?d255?2242?2?139.5mm

3.4.4计算齿轮宽度

b??dd1?1?55.67?55mm

圆整后取B2?56mm;B1?61mm. 低速级

取m=3;z3?30; 由iz412?z?2.88

34?2.88?30?86.4 取4?87

dzz3?mz3?3?30?90md

4?mz4?3?87?261mma?d3?d42?90?2612mm?175.5mm

b??dd3?1?90mm?90mm

圆整后取B4?90mm,B3?95mm

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表 1高速级齿轮： 名 代号 计 算 公 式 称 小齿轮 大齿轮 模数 m 2 2 压力角 ? 20 20 分度圆d 直径 d1?mz1=2?27=54 d2?mz2=2?109=218 齿顶高 ha h?a1?ha2?ham?1?2?2 齿根高 h h??(??ff1hf2ha?c)m?(1?c?)?2 齿全高 h h1?h2?(2h?*a?c)m 齿顶圆*直径 d*a da1?(z1?2ha)m da2?(z2?2ha)m

表 2低速级齿轮： 名 代号 计 算 公 式 称 小齿轮 大齿轮 模数 m 3 3 压力角 ? 20 20 分度圆d 直径 d1?mz1=3?27=54 d2?mz2=2?109=218 齿顶高 ha h?a1?ha2?ham?1?2?2 齿根高 hh??(??f f1hf2ha?c)m?(1?c?)?2 齿全高 h h1?h2?(2h?*a?c)m 齿顶圆直径 da da1?(z1?2h*a)m da2?(z*2?2ha)m

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4. 轴的设计

4.1低速轴

p4.1.1求输出轴上的功率

3转速n3和转矩T3

若取每级齿轮的传动的效率,则

p3?p2?02?p1?2?3?10.10?0.990.97?9.69kWn?n23?362.2i122.88?125.76r/min T?9550p393n?.693125.76?9550?735.842N?m4.1.2求作用在齿轮上的力

因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

d4?mz4?4?101?404mm

F2t?T3.8?1000d?2?7354404?3642NF?tan?nrFtcos??3642?tan20?cos14??3642?0.36390.97?1366N

Fa?Fttan??3642?tan14??908N圆周力Ft ,径向力 Fr 及轴向力Fa 的

4.1.3初步确定轴的最小直径

先按式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《机械设计》第八版表15-3,取A0?112 ,于是得

dmin?Ap033n?112?39.69125.76?112?30.077?47.64mm3 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径d12.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.

联轴器的计算转矩Tca?KAT3, 查表考虑到转矩变化很小,故取KA?1.3 ,则:

Tca?KAT3?1.3?735842N?mm?956594.6N?mm 按照计算转矩Tca应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003或手册,

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选用LX4型弹性柱销联轴器,其公称转矩为2500000N?mm .半联轴器的孔径d1?55mm ,故取 d1?2?50mm ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长

?84mm度L1.

4.1.4轴的结构设计

（1）拟定轴上零件的装配方案

图4-1

（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度

?50mm,l12?84mm;1)根据联轴器d12为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2轴

?62mm段右端需制出一轴肩,故取2-3段的直径d2?3 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取

?84mm挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度L1,为了保证轴端挡圈只压在

?82mm半联轴器上而不压在轴的端面上,故1-2 段的长度应比L1 略短一些,现取l1?2. 2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚

?62mm子轴承.参照工作要求并根据d2?3,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为d?D?T=65mm?140mm?36mm，故d3?4?d6?7?65mm ；而l5?6?54.5mm,d5?6?82mm。

?70mm3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径d4?5 ；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应

?85mm略短于轮毂宽度，故取l4?5 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度h?0.07d ，

?82mm?60.5mm故取h=6mm ，则轴环处的直径d5?6 。轴环宽度b?1.4h ，取l5?6。

4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离

14

ee

l=30mm，故取l2?3低速轴的相关参数：

功率 转速 转矩 ?40.57mm

表4-1 1-2段轴长 1-2段直径 2-3段轴长 2-3段直径 3-4段轴长 3-4段直径 4-5段轴长 4-5段直径 5-6段轴长 5-6段直径 6-7段轴长 6-7段直径 p n3 T l1?2 39.69kW 125.76r/min 735.842N?m 3dldldldldl1?2 2?3 2?33?4 3?44?5 4?55?6 5?66?7 d6?784mm 50mm 40.57mm 62mm 49.5mm 65mm 85mm 70mm 60.5mm 82mm 54.5mm 65mm （3）轴上零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按d4?5查表查得平键截面b*h=20mm?12mm，键槽用键槽铣刀加工，长为L=63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有

H7良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选

n6H7用平键为14mm?9mm?70mm，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位

k6是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

4.2中间轴

4.2.1求输出轴上的功率p2转速n2和转矩T2

15

ee

p2?p1?01?p0?2?3?10.52?0.99?0.97?10.10kWn?n12i?1460014.03r/min?362.2r/minT?9550p

22n?9550?10.10?263.6N?m2362.24.2.2求作用在齿轮上的力

（1）因已知低速级小齿轮的分度圆直径为：

d3?mz3?4?35?140mm

F2?263.6?1000t?2dT?23140?3765NF?tan?nrFtcos??3765?tan20?cos14??3765?0.36390.97?1412N

Fa?Fttan??1412?tan14??352N（2）因已知高速级大齿轮的分度圆直径为：

d2?mz2?3?133?399mm

F22?263.6?1000t?dT2?2399?1321NF?tan?nrFtcos??1321?tan20?0.3639cos14??1321?0.97?495N

Fa?Fttan??495?tan14??123N4.2.3初步确定轴的最小直径

先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取

A0?112 ,于是得：

d3min?Ap032n?112?310.10362.2?112?0.027?33.6mm2 轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径d12。

16

ee

图 4-2

4.2.4初步选择滚动轴承.

（1）因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据d1?2?35mm,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为d?D*T=35mm?72mm?18.25mm，故d1?2?d5?6?35mm，

l5?6?31.8mm；

（2）取安装低速级小齿轮处的轴段2-3段的直径d2?3?45mm

l1?2?29.8mm ；齿

轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为95mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取l2?3?90mm 。齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度h?0.07d，故取h=6mm，则轴环处的直径。轴环宽度b?1.4h，取l3?4?12mm。

（3）取安装高速级大齿轮的轴段4-5段的直径d4?5?45mm;齿轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为56mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取l4?5?51mm。

4.2.5轴上零件的周向定位

齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按d4?5查表查得平键截面b*h=22mm?14mm。键槽用键槽铣刀加工，长为63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm?9mm?70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

中间轴的参数：

表4-2 功率 转速 转矩 1-2段轴长

p n2 T l1?2 210.10kw 362.2r/min 263.6N?m 229.3mm 17

ee

1-2段直径 d1?2 25mm 2-3段轴长 l90mm 2?3 2-3段直径 d45mm 2?3 3-4段轴长 l3?4 12mm 3-4段直径 d57mm 3?4 4-5段轴长 l51mm 4?5 4-5段直径 d4?5 45mm 4.3高速轴

4.3.1求输出轴上的功率

p1转速n1和转矩T1

若取每级齿轮的传动的效率,则

p1?pd?4?10.41kWn1?nm?1460r/min T?9550p110.411n?9550?11460?68.09N?m4.3.2求作用在齿轮上的力

因已知低速级大齿轮的分度圆直径为

d1?mz1?3?24?72mm

F22?68.09?1000t?dT1?172?1891.38NF?tan?nrFtcos??1891.38?tan20?cos14??1891.38?0.36390.97?709.55N

Fa?Fttan??1891.38?tan14??1891.38?0.249?470.95N4.3.3初步确定轴的最小直径

先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取

A0?112 ,于是得：

18

ee

pd?Anmin031?112?3110.41?3?112?37.13*10?112?1.924?0.1?21.54mm 1460输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径d12.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.

联轴器的计算转矩Tca?KAT1 , 查表 ,考虑到转矩变化很小,故取KA?1.3 ,则:

Tca?KAT1?1.3?68090N?mm?88517N?mm

按照计算转矩Tca 应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003 或

手册,选用LX2型弹性柱销联轴器,其公称转矩为560000N?mm .半联轴器的孔径d1?30mm ,故取 d1?2?30mm ,半联轴器长度 L=82mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度L1?82mm.

4.4轴的结构设计

4.4.1拟定轴上零件的装配方案

图4-3

4.4.2根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度

1)为了满足半联 轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3 段的直径d2?3?42mm ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=45mm .半联轴器与轴配合的毂孔长度L1?82mm ,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端面上,故 段的长度应比 略短一些,现取l1?2?80mm.

2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据d2?3?42mm ,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为d*D*T=45mm*85mm*20.75mm，故d3?4?d6?7?45mm ；而l7?8?26.75mm ，l3?4?31.75mm。

3）取安装齿轮处的轴段4-5段,做成齿轮轴；已知齿轮轴轮毂的宽度为61mm，齿轮轴的直径为62.29mm。

4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取l2?3?45.81mm。

5）轴上零件的周向定位

19

ee

齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按d4?5 查表查得平键截面b*h=14mm*9mm ，键槽用键槽铣刀加工，长为L=45mm,同时为了保证齿轮与轴配合

H7有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，

n6H7选用平键为14mm?9mm?70mm，半联轴器与轴的配合为 。滚动轴承与轴的周向

k6定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。

高速轴的参数：

表4-3 功率 p 10.41kw 1转速 1460r/min 转矩 Tn1 1 68.09N?m 1-2段轴长 l1?2 80mm 1-2段直径 d1?2 30mm 2-3段轴长 l45.81mm 2?3 2-3段直径 d42mm 2?3 3-4段轴长 l3?4 45mm 3-4段直径 d31.75mm 3?4 4-5段轴长 l99.5mm 4?5 4-5段直径 d4?5 48.86mm 5-6段轴长 l61mm 5?6 5-6段直径 d62.29mm 5?6 6-7段轴长 l6?7 26.75mm 6-7段直径 d6?7 45mm

20

ee

5.齿轮的参数化建模

5.1齿轮的建模

（1）在上工具箱中单击

按钮，打开“新建”对话框，在“类型”列表框中选择“零件”

选项，在“子类型”列表框中选择“实体”选项，在“名称”文本框中输入“dachilun_gear”，如图5-1所示。

图5-1“新建”对话框

2>取消选中“使用默认模板”复选项。单击“确定”按钮，打开“新文件选项”对话框，选中其中“mmns_part_solid”选项，如图5-2所示，最后单击”确定“按钮，进入三维实体建模环境。

图5-2“新文件选项”对话框

（2）设置齿轮参数

1>在主菜单中依次选择“工具” 2>在对话框中单击

“关系”选项，系统将自动弹出“关系”对话框。

按钮，然后将齿轮的各参数依次添加到参数列表框中，具体内

21

ee

容如图5-4所示，完成齿轮参数添加后，单击“确定”按钮，关闭对话框。

图5-3输入齿轮参数

（3）绘制齿轮基本圆 在右工具箱单击

，弹出“草绘”对话框。选择FRONT 基准平面作为草绘平面，

绘制如图5-4所示的任意尺寸的四个圆。

（4）设置齿轮关系式，确定其尺寸参数

1>按照如图5-5所示，在“关系”对话框中分别添加确定齿轮的分度圆直径、基圆直径、齿根圆直径、齿顶圆直径的关系式。

2>双击草绘基本圆的直径尺寸，将它的尺寸分别修改为d、da、db、df修改的结果如图5-6所示。

图5-4草绘同心圆 图5-5“关系”对话框

22

ee

图5-6修改同心圆尺寸 图5-7“曲线：从方程”对话框

（5）创建齿轮齿廓线 1>在右工具箱中单击

按钮打开“菜单管理器”菜单，在该菜单中依次选择“曲

线选项” “从方程” “完成”选项，打开“曲线：从方程”对话框，如图5-7所示。

2>在模型树窗口中选择

坐标系，然后再从“设置坐标类型”菜单

中选择“笛卡尔”选项，如图5-8所示，打开记事本窗口。

3>在记事本文件中添加渐开线方程式，如图5-9所示。然后在记事本窗中选取“文件” “保存”选项保存设置。

图5-8“菜单管理器”对话框 图5-9添加渐开线方程

4>选择图5-11中的曲线1、曲线2作为放置参照，创建过两曲线交点的基准点PNTO。参照设置如图5-10所示。

23

ee

曲 线1 曲 线 2

图5-11基准点参照曲线的选择 图5-10“基准点”对话框

5>如图5-12所示，单击“确定”按钮，选取基准平面TOP和RIGHT作为放置参照，创建过两平面交线的基准轴A_1，如图6-13所示。

图5-12“基准轴”对话框 图5-13基准轴A_1

24

ee

6>如图5-13所示，单击“确定”按钮，创建经过基准点PNTO和基准轴A_1的基准平面DTM1,如图5-14所示。

5

5-15基准平面对话框 5-15基准平面DTM1

7>如图5-16所示，单击“确定”按钮，创建经过基准轴A_1，并由基准平面DTM1转过“-90/z”的基准平面DTM2，如图5-17所示。

图5-16“基准平面”对话框 图5-17基准平面DTM2

8>镜像渐开线。使用基准平面DTM2作为镜像平面基准曲线，结果如图5-18所示。

25

ee

图5-18镜像齿廓曲线

（6）创建齿根圆实体特征 1>在右工具箱中单击

按钮打开设计图标版。选择基准平面FRONT作为草绘平面，

接收系统默认选项放置草绘平面。

2>在右工具箱中单击

按钮打开“类型”对话框，选择其中的“环”单选按钮，然

后在工作区中选择图5-19中的曲线1作为草绘剖面。再图标中输入拉伸深度为“b”，完成齿根圆实体的创建，创建后的结果如图5-20所示。

图5-19草绘的图形

26

ee

5-20拉伸的结果

（7）创建一条齿廓曲线 1>在右工具箱中单击

按钮，系统弹出“草绘”对话框，选取基准平面FRONT作

为草绘平面后进入二维草绘平面。

2>在右工具箱单击和

图

5-21 草绘曲线图 5-22显示倒角半径

按钮打开“类型”对话框，选择“单个”单选按钮，使用

并结合绘图工具绘制如图5-21所示的二维图形。

3>打开“关系”对话框，如图5-22所示，圆角半径尺寸显示为“sd0”，在对话框中输入如图5-23所示的关系式。

27

ee

图5-23“关系“对话框

（8）复制齿廓曲线

1>在主菜单中依次选择“编辑” “特征操作”选项，打开“菜单管理器”菜单，选择其中的“复制”选项，选取“移动”复制方法，选取上一步刚创建的齿廓曲线作为复制对象。

图5-24依次选取的 菜单

2>选取“平移”方式，并选取基准平面FRONT作为平移参照，设置平移距离为“B”，将曲线平移到齿坯的另一侧。

28

ee

图5-25输入旋转角度

3>继续在“移动特征”菜单中选取“旋转”方式，并选取轴A_1作为旋转复制参照，设置旋转角度为“asin(2*b*tan(beta/d))”，再将前一步平移复制的齿廓曲线旋转相应角度。最后生成如图5-26所示的另一端齿廓曲线。

图5-26创建另一端齿廓曲线

（9）创建投影曲线 1>在工具栏内单击

按钮，系统弹出“草绘”对话框。选取“RIGUT”面作为草绘

平面，选取“TOP”面作为参照平面，参照方向为“右”，单击“草绘”按钮进入草绘环境。

2>绘制如图5-27所示的二维草图，在工具栏内单击

图5-27绘制二维草图

按钮完成草绘的绘制。

3>主菜单中依次选择“编辑” “投影”选项，选取拉伸的齿根圆曲面为投影

29

ee

表面，投影结果如下图5-28所示。

图5-28投影结果

（10）创建第一个轮齿特征

1>在主菜单上依次单击“插入” “扫描混合”命令，系统弹出“扫描混合”操控面板，如图5-29所示。

2>在“扫描混合”操控面板内单击“参照”按钮，系统弹出“参照”上滑面板，如图6-30所示。

图5-29 “扫描混合”操作面板 图5-30“参照”上滑面板

3>在“参照”上滑面板的“剖面控制”下拉列表框内选择“垂直于轨迹”选项，在

30

ee

“水平/垂直控制”下拉列表框内选择“垂直于曲面”选项，如图5-30示。

4>在绘图分度圆上的投描混合的扫引5-31示。

图5-31选取扫描引线

扫描引线 区单击选取影线作为扫线，如图

5>在“扫描混合”操作面板中单击“剖面”按钮，系统弹出“剖面”上滑面板，在上方下拉列表框中选择“所选截面”选项，如图5-32所示。

图5-32“剖面”上滑面板 图5-33 选取截面

6>在绘图区单击选取“扫描混合”截面，如图5-33所示。 7>在“扫描混合”操控面板内单击

按钮完成第一个齿的创建，完成后的特征如

31

ee

图5-34所示。

图5-34完成后的轮齿特征 图5-35“选择性粘贴“对话框

(11)阵列轮齿

1>单击上一步创建的轮齿特征，在主工具栏中单击

按钮，然后单击

按钮，

随即弹出“选择性粘贴”对话框，如图5-35所示。在该对话框中勾选“对副本应用移动/旋转变换”，然后单击“确定”按钮。

图5-36 旋转角度设置 图5-37复制生成的第二个轮齿

2>单击复制特征工具栏中的“变换”，在“设置”下拉菜单中选取“旋转”选项，“方向参照”选取轴A_1，可在模型数中选取，也可以直接单击选择。输入旋转角度“360/z”,如图6-36所示。最后单击齿。

3>在模型树中单击刚刚创建的第二个轮齿特征，在工具栏内单击

按钮，或者依次

按钮，完成轮齿的复制，生成如图6-37所示的第2个轮

在主菜单中单击“编辑” “阵列”命令，系统弹出“阵列”操控面板，如图6-38所示。

32

ee

图5-38 “阵列”操控面板

图5-39 完成后的轮齿 图5-40齿轮的最终结构

4>在“阵列”操控面板内选择“轴”阵列，在绘图区单击选取齿根园的中心轴作为阵列参照，输入阵列数为“88”偏移角度为“360/z”。在“阵列”操控面板内单击按钮，完成阵列特征的创建，如图5-39所示。 5>最后“拉伸”、“阵列”轮齿的结构，如图5-40所示

33

ee

致谢

本论文是在ee老师的悉心指导下完成的。e老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。

在此，谨向e老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。感谢CAD培训中心老师的指导和帮助。

后文是被我人为屏蔽掉了，想要原版吗？小伙伴，在第2章电机选择中CAD图里找我联系方式吧

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