步进输送机设计说明书

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I 步进输送机设计

摘要

步进输送机是在一定的线路上间断输送物料的运输机械，在工业自动化生产线上应用极为广泛。可以进行生产线上产品的步进输送，步进输送有一段停顿时间，可以对产品进行加工处理。步进输送运动平稳，并能适应一定重量的工件输送，是一种被广泛应用于生产的输送设备。

此次所设计的步进输送机是通过四连杆机构带动滑架进行来回的往复运动，滑架的两侧有间距相等的两排L型挡块，输送物品时由挡块进行推动，四连杆的往复摆动促使L型挡块回来的时候会从工件底部滑过，从而达到步进输送的目的。此次课题的设计内容主要包括了电动机选择、减速器的设计、开式齿轮的设计以及四连杆机构的设计。本次我是要通过机械原理、机械设计、机械制图等等一系列学习过的理论基础，加上一些对其他类似的输送机的结构了解，并且通过查找更多的相关资料进行方案的设计，并通过计算机制图，直观的描绘出步进输送机的结构及工作原理。

选择步进输送机这种生产机械的设计作为毕业设计的选题，能培养了我的机械设计中的总体设计能力，将大学中所学的有关机械原理方案设计、运动和动力学分析、机械零部件设计理论、方法、结构及工艺设计等内容有机地结合进行综合设计实践训练，与实际的联系更为紧密，以及独立解决工程实际问题的能力。它还增强了我的机械构思设计和创新设计能力。

关键词：步进输送，四连杆机构，减速器。

II 步进输送机设计

Abstract

Step conveyor transport machinery intermittent transport of materials in certain lines，production line applications in industrial automation is extremely broad. Can production line stepper delivery stepping conveying a pause time, to process the product. Step conveyor movement is smooth, and able to adapt to a certain weight of the work piece conveying, is a widely used in the production of transportation equipment.

The design step conveyor through the four-bar linkage driven carriage back and forth reciprocating motion, the two rows of equally spaced L-shaped block on both sides of the carriage, conveying goods from the block to promote. The four-link swing back and forth to promote the L-shaped block back from the work piece bottom of the slip, so as to achieve the purpose of stepping transportation. The design of the subject including the motor selection, gear design, the design of open gears and four-bar linkage design.The mechanical principles, mechanical design, mechanical drawing a series of learning the theoretical basis, together with some other similar conveyor structure to understand, and by looking for more information on program design,and through computer graphics, intuitive depiction of the structure and working principle of stepper conveyor.

Step conveyor of this production machinery design as a graduate design topics, to cultivate the ability of the mechanical design of the overall design, the design of mechanical principles, the University movement and dynamics analysis, mechanicalthe contents of the component design theory, methods, structure and process design combines integrated design practice, training, closer to the actual contact, as well as the ability to solve practical engineering problems independently. It also enhances the mechanical conceptual design and innovative design capabilities.

Keywords: Stepping transportation, Four-bar linkage, Reducer

III 步进输送机设计

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

1.1输送机的历史 ................................................................................................................................... 1

1.2 输送机的分类 .................................................................................................................................. 1 1.3 发展趋势 .......................................................................................................................................... 2

2 总体方案设计 ................................................. 3

2.1 课题的设计要求与主要技术参数 .................................................................................................. 3

2.2 研究方案 .......................................................................................................................................... 3

3 执行装置的设计 ............................................... 5

3.1 总摩擦力的计算 .............................................................................................................................. 5

3.2 输送总长的计算 .............................................................................................................................. 5 3.3 机架的设计 ...................................................................................................................................... 5 3.4 平面四连杆机构的设计 .................................................................................................................. 7

4 传动装置的设计 .............................................. 18

4.1 电动机的选择 ................................................................................................................................ 18

4.2 传动比的确定 ................................................................................................................................ 18 4.3 各轴的转速计算 ............................................................................................................................ 19 4.4 各轴的输入功率 ............................................................................................................................ 19 4.5 各轴的输入转矩 ............................................................................................................................ 19 4.6 蜗轮蜗杆减速器的设计 ................................................................................................................ 20 4.7 蜗杆轴的设计 ................................................................................................................................ 25 4.8 蜗轮轴的设计 ................................................................................................................................ 29 4.9 箱体的设计 .................................................................................................................................... 33 4.10传动机构的设计 ........................................................................................................................... 34 4.11 高速轴的设计 .............................................................................................................................. 39 4.12 低速轴的设计 .............................................................................................................................. 44

5 三维建模 .................................................... 48 6 结论 ........................................................ 51 参考文献 ...................................................... 52 致谢 .......................................................... 53

1 步进输送机设计

1 绪论

1.1输送机的历史

步进输送机是输送机的其中一种，输送机可以单台输送，也可多台组成或与其他输送设备组成水平或倾斜的输送系统，以满足不同布置形式的作业线需要。早在中国的古代，人们为了方便劳作就发明出了提水的翻车，可以说这是现代输送机的雏形。

输送机的原理应用，在十七世纪时也有记载，人们利用空中索道来运送散状的物料。输送机的类似原理应用一直持续到了19世纪。19世纪中叶，各种现代结构的输送机相继出现。1868年，在英国出现了带式输送机；随着工业的发展，动力设备出现，它们代替了原始动力为输送机提供驱动力，各种结构的输送机相继出现了。

输送机在十九世纪八十年代后期得到了快速发展，各种输送机在这段时间里相继出现。1887年美国人制造出了螺旋输送机，1905年瑞士人生产处了钢带式输送机。此后不到一年，英国人和德国人又推出了惯性输送机。

输送机随着工业的发展而进步，进入二十世纪以后，机械制造、钢铁冶金等行业的技术不断提高，输送机产品也得到了逐步的完善，企业内部、企业之间乃至城际输送成为可能，输送机本身也在工业生产中扮演着越来越重要的角色，成为工业生产不可或缺的一部分。

国外输送机技术的发展很快，其主要表现在两个方面：一方面是输送机的功能多元化、应用范围扩大化，如高倾角的输送机、管状带式输送机、空间转弯式输送机等各种机型；另一方面是输送机本身的技术与装备有了巨大的发展，尤其是长距离、大运量、高速等大型输送机已成为发展的主要方向，其核心技术是开发应用于了输送机动态分析与监控技术，提高了输送机的运行性能和可靠性。例如北非撒哈拉大沙漠的磷矿石运输采用10台钢丝绳芯胶带输送机组成输送线，远距达100km；美国的河湖输送线长达169km；西德的莱茵褐煤矿山公司费尔图纳露天煤矿使用的是目前世界上带宽最宽，运输能力最大的胶带输送机，其带宽达6.4m，每小时输送能力达1.6万吨。

而我国生产的输送机的水平也有很大的提高，如大倾角的长距离带式输送机成套设备，高产、高效工作面平巷可伸缩带式输送机均填补了一些国内的空白，并对输送机的一些关键技术及其主要部件进行了理论研究和产品开发，研究成功了许多种软起动和制动装置以及以PLC为核心的可编程电控装置，驱动系统采用调速型液力偶合器和行星齿轮减速器。我国正在通过不断的努力，缩小着与国外先进水平的差距。

[2]

[1]

1.2 输送机的分类

输送机一般按有无牵引件来进行分类，具有牵引件的输送机一般包括牵引件、承载

2 步进输送机设计

构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。牵引件用以传递牵引力，可采用输送带、牵引链或钢丝绳；承载构件用以承放物料，有料斗、托架或吊具等；驱动装置给输送机以动力，一般由电动机、减速器和制动器等组成；张紧装置一般有螺杆式和重锤式两种，可使牵引件保持一定的张力和垂度，以保证输送机正常运转；支承件用以承托牵引件或承载构件，可采用托辊、滚轮等。

具有牵引件的输送机的结构特点是：被运送物料装在与牵引件连结在一起的承载构件内，或直接装在牵引件(如输送带)上，牵引件绕过各滚筒或链轮首尾相连，形成包括运送物料的有载分支和不运送物料的无载分支的闭合环路，利用牵引件的连续运动输送物料。

这类的输送机种类繁多，主要有带式输送机、板式输送机、小车式输送机、自动扶梯、自动人行道、刮板输送机、埋刮板输送机、斗式输送机、斗式提升机、悬挂输送机和架空索道等。

没有牵引件的输送机的结构组成各不相同，用来输送物料的工作构件亦不相同。它们的结构特点是：利用工作构件的旋转运动或往复运动，或利用介质在管道中的流动使物料向前输送。例如，辊子输送机的工作构件为一系列辊子，辊子作旋转运动以输送物料；螺旋输送机的工作构件为螺旋，螺旋在料槽中作旋转运动以沿料槽推送物料；振动输送机的工作构件为料槽，料槽作往复运动以输送置于其中的物料等。

步进输送机与其他输送机相比，不仅具有输送方便、省力、高效等其他输送机都有的特点之外，最显著特点是当物件在运输的过程中可以有规律的间歇的停止一段时间，这段时间内工人可以对物件进行加工、清洗等等简单的工序，是一种如今较为广泛运用的加工机械。

[3]

1.3 发展趋势

（1）会继续向大型化发展。大型化包括大输送能力、大单机长度和大输送倾角等几个方面。不少国家正在探索长距离、大运量连续输送物料的更完善的输送机结构。

（2）扩大使用范围。发展能在高温、低温条件下、有腐蚀性、放射性、易燃性物质的环境中工作的，以及能输送炽热、易爆、易结团、粘性的物料的输送机。

（3）输送机的构造满足物料搬运系统自动化控制对单机提出的要求。如邮局所用的自动分拣包裹的小车式输送机应能满足分拣动作的要求等。

（4）降低能量消耗以节约能源，已成为输送技术领域内科研工作的一个重要方面。已将1吨物料输送1公里所消耗的能量作为输送机选型的重要指标之一。

（5）减少各种输送机在作业时所产生的粉尘、噪声和排放的废气。

3 步进输送机设计

2 总体方案设计

2.1 课题的设计要求与主要技术参数

（1）输送工件形状和尺寸如图所示，工件宽为400mm，长为300mm，总高100mm，工件质量为80kg，输送步长H=850mm,允许误差±0.2mm。

图2-1 输送工件外形图

（2）辊道上允许输送工件最多为8件。工件底面与辊道间的摩擦系数为0.15（当量值），输送滑架质量为240kg，当量摩擦系数可取为0.15。

（3）滑架工作往复次数为30次/分,要求保证输送速度尽可能均匀，行程速度变化系数K≥1.2。

2.2 研究方案

我设计的是步进输送机，是一种能间歇地输送工件并使其间距始终保持稳定步长的传送机械，可以进行生产线上产品的步进输送，其运动平稳，并能适应一定重量的工件输送，是一种被广泛应用于生产的输送设备。设计方案图如下

图2-2 机器结构简图

如图步进输送机主要包括电动机、减速器、齿轮传动、平面连杆机构、滑架、挡块以及辊道。本机器设计的目的是为了输送工件。从结构简图可以看出本次课题主要计算

4 步进输送机设计

是四连杆、减速器以及一对开式外啮合齿轮。

工作原理如下：

步进式输送机的原理分解

电动机转动，通过减速器带动平面连杆机

构运动

连杆机构带动滑架右运动，挡块推动工件左端移动工件

滑架返回，挡块滑过工件底面，回到起始点从而实现对工件的步进输送。

图2-3 工作原理图

5 步进输送机设计

3 执行装置的设计

3.1 总摩擦力的计算

G?mg?80kg?9.8N/kg?784NF?f?G?0.15?784N?117.6N （3-1）

因为最多能运输8件货物，所以

F货摩?117.6?8?940.8N滑架的质量是240kg，所以

G滑架?mg?240kg?9.8N/kg?2352N （3-2）

F滑架摩擦?0.15?2352N?352.8NF总摩擦?F货摩?F滑架摩擦?940.8N?352.8N?1293.6N （3-3）

3.2 输送总长的计算

(850mm?0.2mm)?7?300?6250mm?1.4mm （3-4）

输送总长需要大于等于6250mm?1.4mm

滑架上共有8个滑块，间距850 mm，为了保证滑块在推动工件前保持推程状态，行程应比输送步长大20 mm左右，即滑架在起始位置时滑块离第一个工件左端20 mm，所以滑架行程为870 mm。

3.3 机架的设计

横向机架：长1772mm，宽70mm，高80mm。竖直机架：长960mm，宽70mm，高80mm。机器总宽：808mm

输送架：长6094mm，间隔330mm。滑块间隔：376mm。

6 步进输送机设计

图3-1 支撑架

图3-2 滑块

图3-3 滑架连接轴

图3-4 辊道

7 步进输送机设计

3.4 平面四连杆机构的设计

平面四杆机构的基本型式是铰链四杆机构。其它型式的四杆机构都可看成是在它的基础上通过演化而成的。

由四个构件用铰链连接而成的机构称为铰链四杆机构。如图所示，机构中固定不动的构件AD称为机架，与机架相连的构件AB和CD称为连架杆。如果连架杆能绕轴线作360 o的回转运动，称为曲柄；若只能在某一角度(小于360°)内摆动，称为摇杆。与机架不相连接的构件BC称为连杆。

铰链四杆机构可按有无曲柄、摇杆，分为以下三种基本型式。 (1) 曲柄摇杆机构

定义：在铰链四杆机构中，若两连架杆之一为曲柄，另一个是摇杆，此机构称为曲柄摇杆机构。

应用：在曲柄摇杆机构中，当曲柄为主动件时，可将曲柄的连续回转运动转换成摇杆的往复摆动。如雷达天线俯仰角调整机构。当摇杆为主动件时，可将摇杆的往复摆动转换成曲柄的连续回转运动，如缝纫机踏板机构。

(2) 双曲柄机构

定义：铰链四杆机构中，若两连架杆均为曲柄时，此机构称为双曲柄机构。在双曲机构中，如果两曲柄的长度不相等，主动曲柄等速回转一周，从动曲柄变速回转一周，如惯性筛。如果两曲柄的长度相等，且连杆与机架的长度也相等，称为平行双曲柄机构。这种机构运动的特点是两曲柄的角速度始终保持相等，在机器中应用也很广泛，如机车车轮联动机构。

(3) 双摇杆机构

定义：铰链四杆机构中，若两连架杆均为摇杆时，此机构称为双摇杆机构。在双摇杆机构中，两摇杆可分别为主动件，当主动摇杆摆动时，通过连杆带动从动摇杆作摆动运动。如码头起重机中的双摇杆机构，当CD摇杆摆动时，连杆BC上悬挂重物的点M近似水平直线移动。

根据课题，我需要的是曲柄摇杆机构。 3.4.1 选定摆杆摆角

初选摆角应该在40°~50°之间，所以取50°，滑架行程为870 mm，如图所示，可由正弦定理算出摆杆长度

[6]

[5]

[4]

8 步进输送机设计

图3-5 求摆杆长简图

870mmX?sin50?sin65?X?1030mm （3-5）

已知行程速度变化系数K≥1.2，所以

??180??K?11.2-1?180???16?K?11.2?1 （3-6）

3.4.2 根据作图法求出各杆长度

DE长1030mm，CD=（0.6~0.7）DE，EF=（0.2~0.3）DE

CD=0.6×1030mm=618mm，EF=0.3×1030mm=309mm

图3-6 作图法求四连杆杆长

根据作图法算出：

9 步进输送机设计

BC=732mm，AB=240mm，AD=750mm。

校核最小传动角：在机构运动过程中，传动角的大小是不停变换的，为了保证机构的传动性能要求设计是应使?min?40?，传递力矩较大时，应使?min?50?。

BC2?CD2?(AD?AB)2??arccos2?BC?CD （3-7） ?7322?6182?(750?240)22?732?618?43??40?所以满足最小传动角的要求。自由度

F?3N?2PL?PH?3?5?2?7?1

自由度为1，有唯一确定的运动。 3.4.3 求曲柄摇杆各支点速度与加速度

已知往复次数为30次/分，所以

vb?LAB??1?2??0.24m?3060?2??0.754（m/s) 方向垂直于AB，与?1转向一致[7]

。

vc因为C和B同为杆件BC上，所以vc?vb?vcb，可以用图解法画出，

图3-7 速度图解法

速度比例尺可以定为

uv?vb0.754m/spb??200mm?0.00377(m/s)/mm 则

vc?uv?pc??0.00377?204mm?0.769m/s 因为E和C都在杆件DE上所以角速度相同，则

(3-8)

（3-9）

3-10）

（10 步进输送机设计

ve?LCD?vc?0.618m?0.769m/s?0.475m/s （3-11）

vf?ve?vef所以由图得

（3-12）

vf?uv?pf?0.00377?92mm?0.347m/s?? （3-13）

?2??3??4?加速度

vCBuv?bc0.00377?44mm???0.227m/sLCBLCB0.732vCDuv?pc0.00377?204mm???1.244m/sLCDLCD0.618vEFuv?fe0.00377?24mm???0.293m/sLEFLEF0.309 （3-14）

??aB?LAB??1?0.24m?(2302)?0.06m/s260 （3-15）

方向B指向A。

aC?aCD?aCD'?aB?aCB?aCB' (3-16)

表3-1 ac参数

方向大小 C到D 2LCD??3⊥CD ？ B到A √ C到B 2LCB??2⊥CB ？可以用图解法画出：

图3-8 图解法求加速度

由图可定加速度比例尺

11 步进输送机设计

aB0.06m/s2ua???0.0003(m/s2)/mmpb200mm (3-17)

由图可知，

ac?ua?pc?0.0003?108mm?0.0324m/s2 （3-18）

因为E和C都在杆件DE上，所以

ae?LDE1030?ac??0.0324?0.054m/s2LCD618 (3-19)

af?ae?aFE'?aFE''

表3-2 af参数

方向大小水平向右？ √ √ F→E 2LEF??4 ⊥FE ？当四连杆摆动到中间位置时加速度最大，则

af?ua?pf?0.0003?88mm?0.0264m/s2a2?a3?a4?

aCBn2cua116?0.0003???0.0475m/s2LCBLCB0.732aCDn3cua36?0.0003???0.0175m/s2LCDLCD0.618aEFn4eua88?0.0003???0.0854m/s2LEFLEF0.309 (3-20)

3.4.4 计算各杆的质量和转动惯量

因为各杆都是拉压杆，要求力学的综合性能较高，所以选用45号钢，查表等45号

33[8]

??7.8?10kg/m钢的密度为，各杆除了杆BC外，惯性力都可作用在机架上，在力

分析时可以忽略不计。

表3-3 各杆基本参数

杆件长度（m）面（m） 2积质量（kg）转动惯量2kg?m（） LEF LED 0.309 1.03 0.060.07 0.070.08 ××10.12 44.99 0.0805 3.9775 12 步进输送机设计

续表3-3

杆件长度（m）面积（m） 2质量（kg）转动惯量2kg?m（） LBC LAB 0.732 0.24 0.060.07 0.060.07 ××23.98 7.86 1.0707 0.0377 杆件BC上的惯性力和惯性力矩：

FBC?mBC?as?mBC?ua?ps?23.98?0.0003?100?0.7194NMBC?JBC?a2?1.0707?0.0475?0.0509N?m惯性力作用位置为h?3.4.5 各杆件的受力分析

杆EF，如图：

MBC0.0509??0.0707mFBC0.7194

图3-9 EF杆受力分析图

Fr与EF杆夹角为30° 如图可以得出

?n?nRE?RE?G?RF?RF?Fr?0 (3-21)

对F点取矩得：

?Gh?RE?EF?0?10.12?9.8?133.8?RE?309?0?RE??42.94N (3-22)

对E点取矩得：

13 步进输送机设计

nFrHr?Gh?RF?EF?1293.6?154.6mm?10.12?9.8?133.8?RF?309?RF?604.27N (3-23)

图3-10力的矢量图

由矢量图可测得：

n2?RE?400N，所以RE?RE?RE?397.69N2

杆ED和BC视为一个整体进行分析。如图：

图3-11 ED杆和BC杆受力图

对B点取矩得：

n?RD?hBD?FBC?hFB?GED?hGEDB?GBC?hGBCB?RE?hREB?RE?hR?BeRD?444.31?0.7194?436.7?440.902?661.96?235.004?353.53?397.69?882.52?42.94?560.74RD?1687.28N

再将杆件ED单独拿出进行分析

14 步进输送机设计

图3-12 ED杆受力分析图

n?????FX?0?RE?RC?G??RD?397.69?RC?186.33?713.08?RC?129.06N?nnnn?FY?0?RE?RC?Gn?RD?42.94?RC?399.59?1529.2?RC?1086.67N则RC?1094.3N，用力的合成法可知RC和BC杆的夹角为6?且因为ED杆和BC杆夹角为50?，所以RC与BC杆的夹角为56?

图3-13 BC杆受力分析图

???FX?0?RC?FBC?RB?G????907.22?0.7194?RB?226.996?RB??680.94Nnn?FY?0?RC?Gn?RB?nn611.92?60.82?RB?RB?551.1N

杆AB分析

15 步进输送机设计

图3-14 AB杆受力分析图

????FX?0?RB?R?.49?R?.09NA?GAB?680A?74.4?RA??606nnnnn?FY?0?RB?RA?GAB?551.1?RA?19.94?RA?531.16N

所以功率为

P?Tn680.94?0.24?30??0.513KW95509550 (3-24)

3.4.6 各杆的校核

表3-4 杆件材料的质量系数

材料 45 ?BMPa 600 ?SMPa 350 ?S% 16 ?(kg/m3） 7800 E GPa 206 （1）截面尺寸校核：

根据上面各轴之间力的计算可以知道各杆所受的外力，根据强度条件可以确定所需要的横截面面积。

A?Nmax[9]

??? (3-25)

其中许用应力

?????sS，式中安全系数S=1.3，所以

?????sS?350?269MPa1.3 (3-26)

杆BC：

A?Nmax????907.22?3.3mm2269

16 步进输送机设计

所以故之前选的横截面面积合理杆EF：

A?Nmax????1293.6?4.8mm2269

所以故之前选的横截面面积合理杆DE：

A?Nmax????1687.28?6.27mm2269

所以故之前选的横截面面积合理杆AB：

A?Nmax????680.49?2.52mm2269

所以故之前选的横截面面积合理（2）剪切强度的计算

根据受力情况来看，销轴上主要受剪切力的作用。在工程力学计算中，通常都假设剪切面上的剪应力都是均匀分布的。剪切面上的剪应力不得超过连接件上的许用剪应力

???，即要求

??杆EF：

FS?400MPa?100MPa?????????s4A， (3-27)

??杆DE：

FS400??0.32MPa????2A3.14?20

??杆BC：

FS400??0.32MPa????2A3.14?20

??杆AB：

FS1094.3??0.87MPa????2A3.14?20

??所以符合要求。

FS876??0.69MPa????A3.14?202

17 步进输送机设计

（3）稳定性的校核

当作用在细长杆上的轴向力达到或超过一定的限度的时候，杆件可能会突然产生弯曲，即失稳现象。因此，对于轴向受压杆件，应该考虑他的稳定问题。

杆EF：

bh3?E?12Fcr?2(u1l)23.142?2.06?1011??0.06?0.0712?3648KN2(1?0.309)3 (3-28)

45钢的屈服应力为350MPa，所以杆的压缩屈服所需的轴向压力为

FS?0.06?0.07?350?106?1470KN，

一般中等冲击条件，所以nst?4

F?所以稳定性满足。

Fcr3648??912?1470nst4 (3-29)

杆DE：F?820.75?1960; 杆BC：F?1425?1470; 杆AB：F?1411?1470 所以都满足要求

18 步进输送机设计

4 传动装置的设计

4.1 电动机的选择

联轴器的效率：?1?0.99每对轴承的效率：?2?0.98蜗杆传动效率：?3?0.75传动装置的效率为

[10]

?4?0.98 ：圆柱齿轮的传动效率：所以传动装置的总效率为

2?总??12??2??3??4 (4-1)

?0.99?0.98?0.75?0.98?0.664所以电动机功率为

0.513?0.773KW0.664

电机的种类有许多种，我想选用三相异步电机。三相异步电动机的结构与单相异

P?24步电动机相似，其定子铁心槽中嵌装三相绕组（有单层链式、单层同心式和单层交叉式三种结构）。定子绕组成接入三相交流电源后，绕组电流产生的旋转磁场，在转子导体中产生感应电流，转子在感应电流和气隙旋转磁场的相互作用下，又产生电磁转柜（即异步转柜），使电动机旋转。

我准备选择Y2系列电动机，是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。该产品应用于国民经济各个领域，如机床、水泵、风机、压缩机，也可适用于运输、搅拌、印刷、农机、食品等各类不含易燃、易爆或腐蚀性气体的场合。具有设计新颖、造型美观、噪声低、效率高、转矩高、起动性能好、结构紧凑、使用维护方便等特点。整机采用F级绝缘，且按国际惯例的绝缘结构评定方法设计，从而大大提高了整机安全可靠性

[11]

。

根据功率要求，选择电动机型号为

表4-1 Y90S-4型电动机参数

电动机型号 Y90S-4 额定功率(KW) 1.1 电动机转速（r/min）同步转速 1500 满载转速 1400 额定转矩 2.3 4.2 传动比的确定

根据电机满载转速和输出端转速可以得到总传动比为

19 步进输送机设计

i总?n满载n?1400?46.67取4730 (4-2)

蜗杆传动的一般传动比i=10~40，所以我取i=20，则齿轮部分传动比为

i齿?i总47??2.35i20 (4-3)

4.3 各轴的转速计算

第一根轴的转速：

n1?n满载?1400r/min 第二根轴的转速：

nn12?i?140020?70r/min蜗杆

第三根轴的转速：

n3?n2?70r/min

第四根轴的转速：

n704?n3i?2.35?29.79r/min取30r/min齿轮

4.4 各轴的输入功率

第一根轴的输入功率：

P1?P?联轴器?1.1KW?0.99?1.089KW 第二根轴的输入功率：

P2?P1?蜗杆?轴承?1.089?0.75?0.98?0.8KW

第三根轴的输入功率：

P3?P2?轴承?联轴器?0.8?0.98?0.99?0.776KW

第四根轴的输入功率：

P4?P3?齿轮?轴承?0.776?0.98?0.98?0.745KW

4.5 各轴的输入转矩

电动机轴的输出转矩：

(4-4)

(4-5)

20 步进输送机设计

Td?9550?P输出n?9550?1.1?7.5N?m1400 (4-6)

第一根轴的输入转矩：

T1?9550?第二根轴的输入转矩：

Pd1.1?联轴器?9550??0.99?7.43N?mn1400

T2?T1i蜗杆?蜗杆?轴承?7.43?20?0.75?0.98?109.22N?m第三根轴的输入转矩：

T3?T2?轴承?联轴器?109.22?0.99?0.98?105.97N?m第四根轴的输入转矩：

T4?T3i齿轮?齿轮?轴承?105.97?2.35?0.98?0.98?239.17N?m将上面的结果填入表格

表4-2 各轴主要数据表

轴名电动机轴第一根轴（蜗杆）第二根轴（蜗轮轴）第三根轴（高速轴）第四根轴（低速轴）功（KW） 1.1 率转r/min 速转N?m 矩传动比 1 1 20 1 2.35 效率 1 0.99 0.735 0.9702 0.9604 1400 1400 70 70 30 7.5 7.43 109.22 105.97 239.17 1.089 0.8 0.776 0.745 4.6 蜗轮蜗杆减速器的设计

减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。

选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动效率，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。

减速器是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。减速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件所组成

21 步进输送机设计

（1）齿轮、轴及轴承组合（2）箱体（3）减速器附件

常见减速器的种类有：

（1）蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。

（2）谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。

（3）行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。减速器: 简言之，一般机器的功率在设计并制造出来后，其额定功率就不在改变，这时，速度越大，则扭矩（或扭力）越小；速度越小，则扭力越大。

根据本课题的需要，我将选择涡轮蜗杆减速器。

4.6.1 选择蜗杆精度、类型、材料

因为是步进输送机，所以其工作载荷较稳定，中等冲击，工作时间为每天8小时，工作寿命为10年（每年工作日300天）。

根据GB/T 10085---1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI），考虑到蜗杆传动功率不大，故采用45钢，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45~55HRC，蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属摸制造。4.6.2 按齿面接触疲劳强度进行设计

传动中心距

a?3KT2(ZEZ?[12]

??H?)2 (4-7)

（1）确定作用在蜗轮上的转矩T2

按z1?2，则T2?9.55?106（2）确定载荷系数K

因为工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数

P20.8?9.55?106??109142.86N?mmn270

K??1，由表11-5选取使用系数

KA?1.15，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数KV?1.05，则：

22 步进输送机设计

K?KAK?KV?1.15?1?1.05?1.21 (4-8)

（3）确定弹性影响系数ZE

因为选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故ZE?160MPa （4）确定接触系数

12Z?

d1?0.35d先假设蜗杆分度圆直径1和传动中心距a的比值a，则从图11-18中可查得

Z??2.9

（5）确定许用接触应力??H?

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，

'???可从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力H?268MPa

应力循环次数

N?60jn2Lh?60?1?70?8?10?300?1.008?108 (4-9)

寿命系数

KHN则

710?8?0.99981.008?10 (4-10)

??H??KHN???H?'?0.999?268MPa?267.732MPa (4-11)

（6）计算中心距

160?2.92a?31.21?109142.86?()mm?73.475mm267.732

a取125cm，则根据表11-2的基本参数可以选取，模数m=5，蜗杆分度圆直径

d150''??0.4Z?2.7，因为Z?Z?d1?50mm，??这时a125，从图11-18中可查得接触系数，

因此以上计算结果可用。

23 步进输送机设计

表4-3 蜗轮蜗杆参数表

中心距模数分度圆a/mm m/mm 直径m2d1/mm3 d1/mm 125 5 50 1250 蜗杆头直径系分度圆导蜗轮齿变位系数q z程角? 1数数z2 数x2 2 10 11°41 18’36” -0.5 4.6.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸

（1）蜗杆

轴向齿距

pa??m?3.14?5?15.7mm (4-12)

直径系数q=10 齿顶圆直径

*da1?d1?2ham?50?2?1?5?60mm （4-13）

齿根圆直径

*df1?d1?2(ham?c)?50?2?(1?5?0.2?5)?38mm分度圆导程角??11?18'36'' 蜗杆轴向齿厚

sa? （4-14）

11?m??3.14?5?7.85mm22 （4-15）

（2）蜗轮

蜗轮齿数z2?41，变位系数x2??0.5，验证传动比

i?z241??20.5z12，这时的传动

20.5?20?0.02520比误差为是允许的，所以之前的数据可行。

蜗轮分度圆直径

d2?mz2?5?41?205mm （4-16）

蜗轮喉圆直径

da2?d2?2ha2?205?2?2.5?210mm （4-17）

蜗轮齿根圆直径

df2?d2?2hf2?205?2?3.5?198mm （4-18）

24 步进输送机设计

蜗轮咽喉母圆半径

11rg2?a?da2?125??210?20mm22 （4-19）

顶圆直径

de2?da2?1.5m?210?1.5?5?217.5mm,取217mm （4-20）

4.6.4 校核齿根弯曲疲劳强度

?F?当量齿数

1.53KT2YFa2Y????F?d1d2m （4-21）

zv2?z241??43.4833cos?(cos11?18'36'') （4-22）

11-19中可查得齿形系数YFa2?2.87 根据x2??0.5，zv2?43.48,从图螺旋角系数

Y??1??140??1-11?18'36''?0.9192140? （4-23）

许用弯曲应力

??F????F?'?KFN （4-24）

从表11-8中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力??F?'?56MPa。寿命系数

9KFN?106?0.7741.008?108 （4-25）

??F??56?0.774MPa?43.344MPa

1.53?1.21?109142.86?2.87?0.9192?10.4MPa?43.344MPa50?205?5

所以弯曲强度是满足的。

?F?4.6.5 验算效率

??(0.95~0.96)tan?tan(???V) （4-26）

vs有关已知??11?18'36''?11.31?；?v?arctanfv；fv与相对滑动速度25 步进输送机设计

vs??d1n160?1000cos????50?140060?1000?cos11.31??3.736m/s （4-27）

从表11-18中用插值法查得fv?0.024,?v?1?22'，代入式中得??0.84~0.85大于原本的0.735，所以可行。

4.6.6 精度等级公差和表面粗糙度的确定

考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从GB/T10089---1988圆柱蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f GB/T10089---1988。

4.7 蜗杆轴的设计

（1）初步确定蜗杆轴的最小直径，选取45钢，调质处理，根据表15-3取A0?112，于是得

[13]

dmin?A03P11.089?112?3?10.3mmn11400

最小直径是安装联轴器的。为了是所选的轴的直径d1?2，为了与其相配，需要选择与其孔径相适应的联轴器，联轴器的计算转矩为Tca?KAT1，查表14-1得KA?1.5，所以

Tca?KAT1?1.5?7428.54?11142.81N?mm （4-28）

按照计算转矩Tca应小于联轴器公称转矩的条件，查手册选用LT2型弹性套柱销联轴器，其公称转矩为16000N?mm，半联轴器的孔径d1?12mm，故取d1?2?12mm，

l1?2?32mm。

（2）轴的结构设计

1）为了满足半联轴器的轴向定位要求，1-2段的右端需要制出一轴肩，故取

d2?3?19mm。

2）初步选择角接触球轴承。根据d2?3?19mm，可以选择型号7305C，其基本尺寸数值为d?D?B?25?62?17，故d3?4?d7?8?25mm，d4?5?d6?7?32mm。

3）d5?6段为蜗杆，因为变为系数x2??0.5，所以蜗杆齿宽b1?(8?0.06z2)m，把已

26 步进输送机设计

知的数据代入b1?(8?0.06?41)?5?52.3mm，又因为

m<10mm，所以

b1?52.3?25?77.3mm，取b1?78mm，所以l5?6?78mm，且蜗杆齿顶高da1?60mm，而蜗杆的齿根直径为

df1?38mm。

4）轴承端盖总宽度为20mm，根据轴承端盖的装拆及便于对轴添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端的间距为30mm，故l2?3?50mm。

5）因为蜗杆和蜗轮啮合，蜗轮的顶圆直径de2?da2?1.5m?210?1.5?5?217.5mm,所以取de2?217mm，蜗轮顶圆直径距离箱体内壁距离a=16mm，所以蜗杆左端距离箱体内壁距离为85.5mm，所以l4?5?50mm，在确定滚动轴承位置时，应距箱体内壁一段距离s，去s=8mm，，l3?4?62mm，l6?7?60mm，l7?8?26mm

表4-4 蜗杆轴参数

轴名（蜗杆轴）直径(mm) 12 19 25 32 60/38 32 25 长度(mm) 32 50 62 50 78 60 26 d1?2 d2?3 d3?4 d4?5 d5?6 d6?7 d7?8

图4-1 蜗杆简图

27 步进输送机设计

（3）轴上零件的轴向定位

联轴器与轴的轴向定位采用平键连接，根据轴d1?2?12mm段的数据查表6-1的平

H7键截面为b?h?l?4?4?25，配合为n6。

（4）校核 1）求轴上的载荷

对于角接触球轴承，型号7305C，其基本尺寸数值为d?D?B?25?62?17，所以作为简支梁的轴的支跨距为L1=126.76mm，L2=106.24mm，L3=125mm。从设计中可以看出蜗杆的截面处C为危险截面，所以要计算出截面C处的M,MH,MV的值。

作用在蜗杆处的力为：

Ft?2T12?11142.81??445.71Nd50 （4-29）

[13]

Fr?222.855N Fa?385.996N

则支反力F为（水平面）：对D点取距：

FNH1?231.24?Ft?125?0?FNH1?240.93N （4-30）

对B点取距：

FNH2?231.24?Ft?106.24?0?FNH2?204.78N

（垂直面）对D点取距：

FNV1?231.24?Fr?125?FaD?0?FNV1??78.74N2 （4-31）

对B点取距：

?FNV2?231.24?Fr?106.24?FaD?0?FNV2??144.12N2

则最后对C点取距

MH1?FNH1?106.24?240.93?106.24?25596.4N?mm

MH2?FNH2?125?204.78?125?25597.5N?mm （4-32）

MV1?FNV1?106.24?Ma??78.74?106.24?9649.9?1284.56N?mm

28 步进输送机设计

MV2?FNV2?125?Ma??144.12?125?9649.9??8365.1N?mm （4-33）

所以

M?MH2?MV2?25597.52?8365.12?26929.67N?mm22 （4-34）

所以按弯扭合成应力结果为：

?ca??M2???T?W226929.672??0.6?11142.81??22.2MPa0.1?5032 （4-35）

式中因为轴为单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，故a取0.6，因为轴的材料为45钢，所以查表得????60MPa，因此?ca????，故安全。

2）键的校核

平键截面为b?h?l?4?4?25，k?0.5h

?p?故安全。 3）轴承的校核

2T2?11142.81??0.037MPa??p?120MPakld2?25?12 （4-36）

??角接触球轴承，型号7305C，基本额定载荷21.5KN

106?C?Lh???60n?P? （4-37） P?XFr?YFa （4-38）

其中

Fr1?FNV1?FNH1?(?78.74)2?240.932?253.47N2222?

（4-39）

Fr2?FNV2?FNH2?(?144.12)2?204.782?250.41NFa385.996??1.52?e?0.4，所以X?0.44，Y?1.4Fr253.47

P?XFr?YFa?0.44?253.47?1.4?385.996?651.92N

106?C?106?21500?Lh???.8h?20000h?????427024860n?P?60?1400?651.92?

?329 步进输送机设计

所以合理。

图4-2 弯、扭矩图

4.8 蜗轮轴的设计

（1）初步确定轴的最小直径，选取轴的材料为45钢，调质处理，根据根据表15-3取A0?112，于是得

dmin?A03P20.8?112?3?25.23mmn270，此需要安装一个联轴器，联

轴器的计算转矩为Tca?KAT2，查表14-1得KA?1.5，所以

Tca?KAT2?1.5?109142.86?163714.29N?mm

按照计算转矩Tca应小于联轴器公称转矩的条件，查手册选取WH5型滑块式联轴器，

l1?2?60mm。其公称转矩为280000N?mm，半联轴器的孔径为d=28mm，所以d1?2?28mm，

（2）轴结构设计

30 步进输送机设计

1）为了满足半联轴器的轴向定位要求，1-2的左边需要制出一轴肩，所以

d2?3?35mm。

2）初步选择角接触球轴承，根据d2?3?35mm，可以选择型号7208C，其基本尺寸为

d?D?B?40?80?18，故d3?4?d7?8?40mm，l7?8?29mm。

左端的滚动轴承采用轴肩定位，h=6mm，所以d6?7?52mm。

3）取安装蜗轮处的直径为d4?5?46mm，蜗轮的右端与轴承之间采用套筒定位。蜗轮的宽度为B?0.75da1?45mm，所以最宽部分为55mm，所以l4?5?51mm，蜗轮的左端需要用轴肩定位，轴肩高度h>0.07d，所以轴环处d5?6?56mm，轴环宽度b>1.4h，则取l5?6?10mm。

4）轴承端盖总宽度为20mm，根据轴承端盖的装拆及便于对轴添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端的间距为30mm，故l2?3?50mm。

5）因为蜗杆的齿顶高为60mm，蜗轮最宽处直径为55mm，所以当选蜗轮最宽处需要距离箱体内壁距离16mm时，蜗杆也不会碰到内壁，所以合理。所以l3?4?53mm，

l6?7?18mm。

表4-5 蜗轮轴参数

蜗轮轴直径（mm） 28 35 40 46 56 52 40 长度（mm） 60 50 53 51 10 18 29 d1?2 d2?3 d3?4 d4?5 d5?6 d6?7 d7?8 31 步进输送机设计

图4-3 蜗轮轴简图

（3）轴上零件的周向定位

蜗轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接，根据d4?5?46mm，查表可以选

H7择平键的参数为b?h?l?14?9?45，配合为n6，半联轴器处可选b?h?l?8?7?56，H7配合为n6。

（4）校核

1）角接触球轴承，可以选择型号7208C，其基本尺寸为d?D?B?40?80?18，所以作为简支梁的支撑跨距为L1=82.5mm，L2=78mm，L3=110.5mm。从设计中可以看出危险截面在B处的蜗轮处。所以要计算出截面B处的M,MH,MV的值。

Ft?2T12?109142.86??1064.8Nd205

Fr?395.23N，Fa?212.96N

对C点取矩（水平面）

FNH1?160.5?Ft?78?0?FNH1?517.47N

对A点取矩：

FNH2?160.5?Ft?82.5?0?FNH2?547.33N

垂直面对A点取矩：

FNV1?160.5?Fr?82.5?FaD?0?FNV1??67.715N2

对C点取矩：

?FNV2?160.5?Fr?78?FaD?0?FNV2??56.07N2

32 步进输送机设计

则最后对B点取距

MH1?FNH1?82.5?42691.275N?mm MH2?FNH2?78?42691.74N?mm

MV1?FNV1?82.5?Ma??67.715?82.5?9649.9?4063.41N?mm MV2?FNV2?78?Ma??56.07?78?9649.9?5276.44N?mm

所以

M?MH2?MV2?42691.742?5276.442?43016.57N?mm

所以按弯扭合成应力结果为：

22?ca?M2???T?43016.572??0.6?109142.86???9.5MPa32W3.14?4614?5.5?(46?5.5)?322?46

22式中因为轴为单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，故a取0.6，因为轴的材料为45钢，所以查表得????60MPa，因此?ca????，故安全。

2）键的校核

平键截面为b?h?l?14?9?45，k?0.5h

?p?故安全。 3）轴承的校核

2T2?109142.86??0.23MPa??p?120MPa kld4.5?45?46??角接触球轴承，型号7208C，基本额定载荷36.8KN。

106?C?Lh???60n?P?

其中P?XFr?YFa，

Fr1?FNV1?FNH1?(?67.715)2?517.472?521.88NFr2?FNV2?FNH2?(?56.07)2?547.332?550.19N2222?

Fa212.96??0.38?e?0.4，所以X?0.44，Y?1.23Fr550.19

33 步进输送机设计

P?XFr?YFa?0.44?550.19?1.23?212.96?504.02N

106?C?106?36800?8Lh???h?????9.3?10h?2000060n?P?60?70?504.02?

故安全。

图4-4 弯、扭矩图

4.9 箱体的设计

表4-6 箱体参数

名称箱座壁厚箱盖壁厚箱座凸缘厚度箱盖凸缘厚度符号 ? 数值 8mm 8mm 12mm 12mm ?1 b b1 34 步进输送机设计箱底座凸缘厚度地脚螺栓直径地脚螺栓数目轴承旁连接螺栓直径箱盖与箱座连接螺栓直径连接螺栓d2的间距轴承盖螺钉直径视孔盖螺钉直径定位销直径 b2 20mm 20mm 4 10mm 12mm 315mm 6mm 6mm 6mm dfn d1 d2 l d3 d4 d dfdf至外箱壁距离至凸缘边缘距离 cf 52mm 24mm 51mm 10mm 16mm 27mm 128mm c2 h 凸台高度 d1至外箱壁距离蜗轮外圆距离箱体内壁距离蜗杆齿顶距离箱体内壁距离轴承端盖外径 c1 ?1 ?2 D2 4.10传动机构的设计

（1）带传动

带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。摩擦型带传动能过载打滑、运转噪声低，但传动比不准确（滑动率在2%以下）；同步带传动可保证传动同步，但对载荷变动的吸收能力稍差，高速运转有噪声。带传动除用以传递动力外，有时也用来输送物料、进行零件的整列等

（2）链传动

链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形

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。

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的从动链轮的一种传动方式。链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。链传动的缺点主要有：仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。

（3）螺旋传动

螺旋传动利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。

（4）齿轮传动

齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动。按齿轮轴线的相对位置分平行轴圆柱齿轮传动、相交轴圆锥齿轮传动和交错轴螺旋齿轮传动。具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点。

（5）蜗轮蜗杆传动

蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆

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。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆

转一周，蜗轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿。

在这些传动机构中我想选用齿轮传动，其优点是适用的圆周速度和功率范围广；传动比准确、稳定、效率高。工作可靠性高、寿命长，可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动。

相比之下，带传动具有弹性滑动，不能保证恒定的传动比，外形轮廓过于庞大，结构不够紧凑，带的寿命短，需要经常更换，十分不便。链传动虽然传递的功率很大效率也高，但是会产生动载荷和冲击，无过载保护作用，磨损后容易脱落。螺杆传动则是因为结构较为复杂，尺寸较大，制造技术要求较高，所以制造的成本太高。蜗轮蜗杆传动轴向力大、易发热、效率低，只能单向传动。所以选择齿轮传动较为合理。

图4-5 传动简图

36 步进输送机设计

4.10.1 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数

（1）选用直齿圆柱齿轮传动,

（2）此输送机为一般工作机器，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280HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。

（4）选择小齿轮齿数z1?24，大齿轮齿数z2?2.35?24?56.4,取z2?57 4.10.2 按齿面接触强度设计由公式

3d1t?2.32KT1u?1ZE2?() （4-40） ?du??H?（1）确定公式内的各计算数值 1）试选载荷系数Kt?1.3 2）计算小齿轮传递的转矩

95.5?105P95.5?105?0.776T???105868.57N?mm

n703）由表10-7选取齿宽系数?d?0.7

4）由表10-6查得材料的弹性影响系数ZE?189.8MPa

5）由图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?550MPa

6）计算应力循环次数