H型鋼制作工藝裝備設計含4張CAD圖
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外文資料
H-beam production process
With the development of industrialization and the arrival of information age, more and more advanced equipment for production of the liberation of a large number of labor, create more social value, increase the production safety coefficient at the same time. In terms of welding h-beam production, h-beam group to the emergence of machine and the use of gantry submerged arc welding welding technology has brought significant technological innovation.
Since h-beam automatic group on the machine put into use, due to the decisive role of h-beam technical parameters to ensure become indispensable in the group of process equipment. H-beam automatically set to the preferred cutter blanking machine work, after flat steel (including flange plate and web plate) in the group of orbit of the machine, with a group of machine clamping device for wing plate and web plate initial clamping positioning, the active entry table input artifacts to host, host prior to adjust benchmark web and flange size, namely artifacts can be accurate positioning spot welding, automatic cycle button, then the head location and spot welding, and then use some good h-beam gantry crane hanging from the group, after the machine into the next procedure. H-beam set of machine is one of the important equipment, ensure the h-beam technical parameters is mainly composed of four large transmission mechanism, specific include: web roller drive mechanism, wing on the two positioning clamping mechanism, about web positioning clamping mechanism and input/output roller transmission mechanism, etc. Pressure on web wheel transmission mechanism adopts hydraulic clamping, use by hydraulic cylinder transfer of power is the highest roller, roller center external use V groove design, to ensure that regulations within the scope of different width of accurate positioning and automatic web for accurate, do not need to reset every time; On roller thrust bearing on inside, can not only convenient for h-beam transmission on the roller table, still can make the h-beam web can fully contact with wing during transmission, for guarantee of h-beam section height size, played an important role.
Through a large number of instances prove that operation, including automatic h-beam group on the machine and gantry submerged arc welding, a large number of the application of advanced instruments and equipment, saving the cost and reduce the time limit for a project, to ensure the quality of reliable, ensure no potential safety hazard and so on. Steel alloy steel, high-quality steel bar mill rebuilding project of 3000 t welded h-beam applied the new equipment, h-beam welding qualified rate reached 99%, greatly improved the production quality and reliability, and productivity increased five times, and the whole project of the welding process in the traditional group saves about $200000, created a considerable economic benefits.
In welding h-beam production, h-beam group to the emergence of machine and the use of gantry submerged arc welding welding technology has brought the significant technical innovation, respectively, analyzing their working principle are introduced, and the group in the welded h-beam production and welding process improvement techniques, through a large number of instances prove that operation, including automatic h-beam group on the machine and gantry submerged arc welding, a large number of the application of advanced instruments and equipment, saving the cost and reduce the time limit for a project, to ensure the reliability of the quality, ensure no safe hidden trouble, etc., can be used effectively provide a reference for similar projects.
中文譯文
H型鋼制作工藝
隨著工業(yè)化的發(fā)展和信息化時代的到來，越來越先進的生產設備解放了大量的勞動力，創(chuàng)造了更多的社會價值，同時增加了生產安全系數。在焊接H型鋼制作方面，H型鋼組對機的出現和門式埋弧焊的使用給焊接技術領域帶來了重大的技術革新。
自從H型鋼自動組對機投入使用以來，由于其對H型鋼技術參數保證的決定性作用而成為組對工序中必不可少的設備。H型鋼自動組對機工作首選切割機下料，將平整后的鋼板（包括翼緣板和腹板）吊放進組對機軌道上，用組對機的夾緊裝置進行翼板和腹板初步夾緊定位，由主動輸入輥道將工件輸入主機，主機上事先調整好腹板和翼板基準尺寸，也就是可將工件準確定位點焊，然后自動循環(huán)按鈕，進行頭部定位點焊，然后將點好的H型鋼用龍門吊吊離組對機后，進入下一道工序。H型鋼組對機是保證H型鋼技術參數的重要設備，主要由四個大型傳動機構組成，具體包括：腹板上壓輪傳動機構、翼板左右定位夾緊機構、腹板左右定位夾緊機構及輸入輸出輥道傳動機構等。腹板上壓輪傳動機構采用液壓夾緊，使用的動力由液壓缸傳遞至上壓輪，上壓輪外部中心處采用V型槽設計，能確保規(guī)定范圍內不同寬窄的腹板定位準確和自動對中準確，不需要每次重新調整；上壓輪內部采用推力軸承，不僅能方便H型鋼在輥道上傳輸，還可使H型鋼腹板在傳輸時能夠充分接觸到翼板， 對于H型鋼截面高度尺寸的保證，起到了重要作用。
通過大量的操作實例證明，包括H型鋼自動組對機和門式埋弧焊在內大量先進的儀器設備的應用，節(jié)約了成本，減少了工期，保證了質量的可靠行，確保無安全隱患等。韶鋼合金鋼、優(yōu)質鋼棒材軋機改建工程的3000t焊接H型鋼應用了新型的儀器設備，H型鋼焊接合格率達到99%，大大的提高了制作質量和可靠程度，生產效率提高了五倍，而且整個項目較傳統組對焊接工藝節(jié)省了約20萬元，創(chuàng)造了可觀的經濟效益。
在焊接H型鋼制作方面，H型鋼組對機的出現和門式埋弧焊的使用給焊接技術領域
4
帶來了重大的技術革新，本文分別分析介紹了他們的工作原理，以及在焊接H型鋼制作中組對和焊接工藝中改進技術，通過大量的操作實例證明，包括H型鋼自動組對機和門式埋弧焊在內大量先進的儀器設備的應用，節(jié)約了成本，減少了工期，保證了質量的可靠性，確保無安全隱患等，可有效地為同類工程提供參考借鑒。
H型鋼制作工藝裝備設計
摘要
H型鋼是建筑鋼結構最重要的結構元件，而且焊接H型鋼逐漸成為建筑鋼結構設計和生產中首選的結構型材，焊接H型鋼的需求量逐年大幅度增加。采用手工與機械組裝焊接生產焊接H型鋼的方式由于生產效率低而遠遠不能滿足建筑鋼結構高速發(fā)展的需要。因此，為提高焊接H型鋼的生產效率，以自動生產線的方式組織生產是必然的發(fā)展趨勢。通過調整H型鋼自動焊接工藝，對焊接工作臺進行方案設計。先對H型鋼的定位夾緊，再隨旋轉工作臺偏轉一定角度依次焊接，完成H型鋼制作的焊接工序。此裝備主要設計旋轉工作臺以及埋弧焊機行走的軌道，并涉及電機的選型、減速器的設計以及夾具的選用等內容。通過此次設計，首先能鍛煉和強化分析問題、解決問題的能力，再次能解決生產實際問題，提高生產效率。
關鍵詞：H型鋼、焊接工作臺、設計
Abstract
H-beam is the most important structure components, construction steel structure and welding h-beam gradually become preferred structure in construction steel structure design and production profiles, the demand of welding h-beam dramatically increased year by year. Use manual and mechanical assembly welding welding h-beam production due to low production efficiency far cannot satisfy the demands of the rapid development of construction steel structure. Therefore, to improve the efficiency of welding h-beam production organization in the form of automatic production line is the inevitable trend of the development of production. By adjusting the h-beam automatic welding technology, to design the welding workbench. First positioning clamping of h-beam, again with the rotary worktable deflection Angle welding, in order to complete welding h-beam production process. This equipment is mainly designed rotary worktable and submerged arc welding machine walking track, and involves motor selection, the design of the reducer and the selection of the fixture, etc. Through this design, first of all, can exercise and strengthen the ability to analyze and solve problems, again to solve production actual problem, improve the production efficiency.
Keywords: H section steel, welding platform, design.
目錄
摘要 Ⅳ
Abstract Ⅴ
第一章 諸論 1
第一節(jié) 概述 1
第二節(jié) H型焊接自動化的改進方式 2
第三節(jié) 設計要求和主要參數 3
第二章 傳動方案的確定 4
第一節(jié) 傳動時滿足的要求 4
第二節(jié) 裝夾H型鋼旋轉工作臺傳動方案的選擇 4
第三節(jié) 裝夾H型鋼工作臺質量和功率估算 5
一、工作臺質量估算 5
二、工作臺功率估算 5
第四節(jié) 電機的選用 6
一、電機傳至工作機效率 6
二、電機功率 6
三、電機轉速 7
四、傳動比的分配 7
五、傳動參數計算 7
第三章 齒輪設計計算 9
第一節(jié) 高速軸齒輪設計 9
一、主要參數 9
二、按齒面接觸疲勞強度設計 9
三、按齒根彎曲疲勞強度設計 16
四、幾何尺寸計算 19
第二節(jié) 第二級傳動齒輪設計 13
一、主要參數 13
二、按齒根彎曲疲勞強度設計 13
三、校核齒面接觸疲勞強度 16
第三節(jié) 第三級傳動齒輪設計 23
一、主要參數 23
二、按齒根彎曲疲勞強度設計 24
三、校核齒面接觸疲勞強度 27
第四節(jié) 第四級傳動齒輪設計 21
一、主要參數 21
二、按齒根彎曲疲勞強度設計 28
三、校核齒面接觸疲勞強度 31
第四章 軸的設計 32
第一節(jié) 第一根軸的設計 32
一、選擇軸的材料 32
二、軸的尺寸計算 32
三、求軸上的載荷及校核 27
第二節(jié) 第三根軸的設計 30
一、選擇軸的材料 30
二、軸的尺寸計算 30
第三節(jié) 第二根軸的設計 32
一、選擇軸的材料 32
二、軸的尺寸計算 40
第四節(jié) 第四根軸的設計 35
一、選擇軸的材料 35
二、軸的尺寸計算 35
第五章 潤滑方式及密封形式的選擇 38
第一節(jié) 潤滑方式 38
一、潤滑類型 38
二、箱體內齒輪的潤滑 38
三、軸承的潤滑 38
第二節(jié) 密封形式的選擇 39
第六章 減速器箱體設計 40
第一節(jié) 箱體設計 40
一、選擇材料 40
二、設計結構尺寸表 40
第七章 H型鋼裝焊夾具的選擇 42
第一節(jié) 夾緊定位選擇 42
一、在設計夾具體時應滿足的基本要求 42
二、基準面的選擇 42
三、定位方式及元器件選擇 42
四、夾緊方式及元器件選擇 44
五、裝焊夾具結構 44
六、裝焊方案 44
第二節(jié) 主要零件的設計說明 45
一、夾具體 45
二、手動螺旋夾緊器 45
三、擋板 45
四、反變形裝置 45
五、墊板 46
六、銷釘 46
七、螺栓 46
第八章 埋弧焊機軌道設計 47
第一節(jié) 概述 47
第二節(jié) 類型 47
第三節(jié) 鋼軌的固定 47
總結 49
參考文獻 50
致謝 55
VII
第1章 緒論
第1節(jié) 概述
H型鋼分為熱軋H型鋼和焊接H型鋼（H）兩種，此次設計主要探討焊接H型鋼工序中的焊接工序裝備。主要是解決H型鋼的夾緊，定位，以及H型鋼隨工作臺偏轉一定角度進行埋弧焊那部分，完成H型鋼制造的焊接自動化。H型鋼焊接自動化由兩方面的含義：一是焊接工序的自動化，二是焊接生產的自動化。焊接工序的自動化是指H型鋼產品制造過程中，對于某部位或某道焊縫的焊接實現自動化:焊接生產的自動化是指焊接H型鋼的生產過程，包括從備料、切割、裝配焊接、檢驗等工序組成的焊接生產全過程的自動化。H型鋼焊接工序的自動化是焊接生產自動化的基礎，而只有實現了焊接生產全過程的自動化，才能得到穩(wěn)定的焊接質量和均衡的焊接生產節(jié)奏以及較高的焊接生產效率。
對于H型鋼焊接工序自動化來說，主要是焊接過程及焊接裝備的自動控制問題。該自動化系統的基本單元包括機械裝置、執(zhí)行裝置、電源、傳感器、控制器、自動焊機。其中機械裝置有能夠實現某種運動的機構，例如：夾緊H型鋼的工作臺能根據要求由水平方向旋轉45度后水平埋弧焊接，旋轉180度再進行焊接，反方向旋轉90度由另一側的埋弧焊機水平焊接焊縫，再反方向旋轉180度進行焊接；執(zhí)行裝置主要是驅動機械裝置運動的電動機或液壓、氣動裝置等。傳感器主要是指檢測機械運動的傳感器?？刂破髦饕糜跈C械運動控制的電子控制電路系統、計算機、可編程序控制器等。自動焊機包括弧焊電源、送絲機、焊槍等，它是一個獨立的自動控制系統。
H型鋼焊接自動化的關鍵技術主要包括機械技術、傳感技術、伺服傳動技術、自動控制技術和系統技術等。
（1） 機械技術就是根據焊件結構特點、焊接工藝過程的要求，應用經典的機械理論與工藝，借助于計算機輔助技術，設計并制造出先進、合理的，焊接H型鋼的機械裝置，實現自動焊接過程中的機構運動的一門技術。
（2） 傳感與檢測是實現閉環(huán)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)。傳感器的功能越強，系統的自動化程度就越高。
（3） 伺服傳動技術對系統的動態(tài)性能、控制質量和功能具有決定性的影響。
（4） 自動控制技術中控制器是系統的核心，控制器的主要作用主要負責是H型鋼焊接自動化中的信息處理與控制，最終給出控制信號，通過執(zhí)行裝置使焊接機械裝置按照一定的規(guī)則運動，實現自動焊接。
（5） 系統技術就是以整體的概念組織應用各種相關技術。從系統的目標出發(fā)，將整個焊接自動化系統分解成若干個相互關聯的功能單元。
第2節(jié) H型焊接自動化的改進方式
在現行的焊接H型鋼生產線中，角焊縫的自動化大都采用船型位置的埋弧焊。這種工藝方法的優(yōu)點是可以保證焊縫成形良好，大尺寸焊腳的焊縫可一次行程完成。其缺點是H型鋼的4條角焊縫必須分別在四個不同的工位，由4臺焊機一次進行焊接，不僅增加生產線的設備投資，而且延長了半成品傳送翻轉的輔助時間，降低了生產效率。
上述缺點主要是由選用傳統的埋弧焊方法焊接角焊縫多決定的。另一方面，鋼結構設計單位對H型鋼角焊縫尺寸的要求偏于保守，設計圖紙往往規(guī)定較大的焊腳尺寸。而我國黑色冶金行業(yè)標準ΨB3301-92已作明確規(guī)定，焊接H型鋼角焊縫的尺寸κ按0.6τ1計算，τ1為腹板的厚度。美國AΩΣΛ1.1-98“鋼結構焊接法規(guī)”中亦明確規(guī)定了最小角焊縫尺寸不超過所連接部件中較薄板厚度的1/2，對于厚度小于等于19μμ的腹板，最小角焊縫尺寸僅為6μμ。
根據上述規(guī)定，H型鋼角焊縫焊接方法不必再選埋弧焊，而改用XO2 氣體保護藥芯焊絲電弧焊或自保護藥芯焊絲電弧焊更合適。采用這種焊接方法可以在橫焊位置一次行程焊接焊腳高度達8μμ的角焊縫。由于藥芯焊絲電弧焊焊縫的冷卻速度大大高于埋弧焊，故在橫焊位置仍能保證較大焊腳尺寸的角焊縫成形良好。這樣就可以采用雙頭自動焊機，同時焊接H型鋼一面的二條角焊縫，焊接生產效率至少提高一倍。
對于輕型焊接H型鋼的自動化生產，可以將腹板與翼板的組裝、焊接、焊后翼緣的矯正集成于一臺裝焊矯組合一體機上完成，可大大提高生產效率，并節(jié)省設備投資費用，縮小生產線占地面積。
隨著鋼結構行業(yè)的飛速發(fā)展，對鋼結構制造質量要求越來越高，特別是焊接后的H型鋼涂裝前表面處理已成為鋼結構生產中的一項重要工藝。現在研制開發(fā)的H型鋼拋丸清理機，采用輥道連續(xù)輸送清理形式，自動化程度高、表面清潔度可達Σα2?，并達到一定的粗糙度使H型鋼油漆后附著牢固并解決了H 型鋼的防腐問題。
第3節(jié) 設計要求和主要參數
要求：完成2000×350×12mm H型鋼的焊接，滿足H型鋼制作通用工藝要求中埋弧自動焊的工藝要求，且要求電控操作，定位準確，夾緊可靠，具有反變形措施。參考如下表1-1。
表1-1反變形參數表
板厚
F（mm）
（A﹢2）/2
反變形角度（平均值）
B（mm）
150
200
250
300
﹤10
1°30′40″
2
2.5
3
4
12
1°22′40″
2
2.5
3
3.5
14
1°4′
1.5
2
2.5
3
16
55′
1
2
2
3
20
34′20″
1
1.5
2
3
第2章 傳動方案的確定
第1節(jié) 傳動時滿足的要求
裝夾H型鋼的回轉工作臺由電動機、傳動裝置和回轉工作臺組成，傳動裝置在電動機和工作臺之間傳遞運動和動力。在本設計中，電動機采用三相交流異步電動機，工作臺為旋轉工作臺，傳動裝置主要是減速器。?
合理的傳動方案主要滿足以下要求：?
(1)機械的功能要求：應滿足工作臺的功率、轉速和運動形式的要求；
(2)工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場地、工作制度等；
（3）工作性能要求：保證工作可靠、傳動效率高等；? ???
(4)結構工藝性要求：如結構簡單、尺寸緊湊、使用維護便利、工藝性和經濟合理等。
第2節(jié) 裝夾H型鋼旋轉工作臺傳動方案的選擇
為了設計的產品達到預期的要求我們確定傳動方案為：三相交流異步電動機——減速器——齒輪傳動——工作臺的方案。?
傳動方案分析：?
減速箱齒輪傳動具有承受載能力高，運動傳遞平穩(wěn)、準確，傳遞功率和圓周速度范圍大，傳遞效率高、結構緊湊等特點。具體傳動簡圖如圖2-1所示：
圖2-1旋轉工作臺傳動簡圖
第3節(jié) 裝夾H型鋼工作臺質量和功率估算
1、 工作臺質量估算
（1）底板、支撐板、定位板、夾緊元件所選材料為冷軋鋼板，據文獻[8]表2-14鋼板理論質量可做如下估算，見表2-1。
表2-1 重量估算表
厚度
mm
理論質量
kg/m2
個數
質量估算
mm
底板
30
235.5
1
0.46×2.1×235.5=227.493kg
支撐板
60
471.6
6
0.02×0.2×471.6×6=11.3184kg
定位板
20
157.0
3
0.09×0.2×157×3=8.478kg
夾緊元件
60
30
471.6
235.5
3
02.15×0.06×471.6=4.24kg
0.15×0.1×235.5=3.532kg
總：（4.24＋3.532）×3=23.315kg
（2）兩個箱體、三個氣缸所選材料為HT300，密度是7.4g/cm3
箱體：(46×8×61－π×62×8)×2=43.086kg
氣缸：[π×122×2＋π×42×2＋π×(82－42)×5＋π×(122－82)×1]×3
=6.032kg
（3）氣缸門架所選材料是ZG270-500，密度是7.85g/cm3
氣缸門架：（17×5－14×3）×210×7.85=70.886kg
（4）H型鋼所選材料為Q23513，密度是7.85g/cm3
H型鋼：（1.2×25×2＋35×1.2）×200×7.85=160.14kg
以上四項總和是550.75kg，再估算氣缸門架里管道線路50kg，所以工作臺質量最終估算是600kg。
二、工作臺功率估算
（1） 計算轉動慣量
GD2=?W（a2＋d2） （kg·m2) （2-1）
其中，W是工作臺重量（kg），d是工作臺長度，a是工作臺高度，d=2（m),a=0.61（m),W=600kg，代入公式，則:
GD2=?×600×（0.612＋22）=874.42 kg·m2
（2） 轉矩計算
T=GD2/375×n/t （kg·m2） （2-2）
其中，n是轉速（r/min），T是轉矩（kg·m），GD2是回轉體的轉動慣量（kg·m2），t是時間（s），設定工作臺轉速為2.5r/min,帶入公式，則：
T=874.42/375×2.5/5=1.166kg·m2
(3) 功率計算
=1.027nT (w) (2-3)
將上述數據帶入，得裝夾H型鋼工作臺功率：
=1.027×2.5×1.166=2.993kW
第4節(jié) 電機的選用
三相交流異步電動機的結構簡單、價格低廉、維護方便，可直接接于三相交流電網中，因此在工業(yè)上應用最為廣泛，設計時應優(yōu)先選用。
Y系列電動機是一般用途的全封閉自扇冷式三相異步電動機，具有效率高、性能好、噪聲低、振動小等優(yōu)點，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體和無特殊要求的機械上。
一、電機傳至工作機效率
（2-4）
由文獻[1]表3-1機械傳動效率概略值可查，聯軸器=0.99，一對滾子軸=0.98，直齒圓柱齒輪=0.97，錐齒輪傳動，則效率為：
=0.808
二、電機功率
由文獻[1]公式3-4
（2-5）
帶入數據得：Pd=2.993/0.808=3.704kW，考慮安全因數s=1.5，故最終電動機功率： =5.556kW。
三、電機轉速
旋轉工作臺轉速2.5r/min，取單級圓柱齒輪傳動比i=3～5，錐齒輪傳動比，則合理總傳動比范圍為i=54～375，故電機轉速可選范圍為：
=（54～375）×2.5=135～937.5r/min
因此據文獻[9]p17-54選擇電動機型號：Y160L-8。該型號電機額定功率為7.5kW，同步轉速750r/min，滿載轉速720r/min。
四、傳動比的分配
據文獻[1]公式3-5可求傳動裝置的總傳動比：
=920/2.5=288
傳動系統的總傳動比i是各串聯機構傳動比的連乘積，先分配減速器箱外軸Ⅳ和
據文獻[9]表查得三級減速器Ⅰ軸和Ⅱ軸傳動比，Ⅱ軸和Ⅲ軸傳動比，則Ⅲ軸和Ⅳ軸傳動比
即傳動比如下：
Ⅰ.Ⅱ軸：
Ⅱ.Ⅲ軸：
Ⅲ.Ⅳ軸：
Ⅳ.Ⅴ軸：
五、傳動參數計算
（1） 各軸的轉速n（r/min）
Ⅰ軸：r/min
Ⅱ軸：r/min
Ⅲ軸：r/min
Ⅳ軸：r/min
Ⅴ軸：r/min
（2） 各軸的輸入功率P（kW）
Ⅰ軸：7.5×0.99=7.425kW
Ⅱ軸：7.425×0.98×0.97=7.058kW
Ⅲ軸：7.058×0.98×0.97=6.71kW
Ⅳ軸：6.71×0.98×0.97=6.38kW
Ⅴ軸：6.38×0.98×0.97=6.06kW
（3） 各軸的輸入轉矩T（N·M）
Ⅰ軸：9550×7.425/720=98.48N·M
Ⅱ軸：9550×7.058/163.64=411.90N·M
Ⅲ軸：9550×6.71/25.175=2545.40N·M
Ⅳ軸：9550×6.38/6.247=9753.32N·M
Ⅴ軸：9550×6.06/2.5=23149.2N·M
第3章 齒輪設計計算
第1節(jié) 高速軸齒輪設計
一、主要參數
小圓錐選用40Cr，調質處理，調質硬度為280HBS，大圓錐選用45#鋼，調質處理，調質硬度為240HBS，大小圓錐齒輪均采用七級精度，24，24×4.4=105.6≈106，軸交角為90度的直齒圓錐齒輪傳動，得，。
二、按齒面接觸疲勞強度設計
（一）確定小齒輪分度圓直徑
由文獻[7]公式10-29，即：
（3-1）
①載荷系數，試選
②小齒輪傳遞轉矩
③大小齒輪彎曲疲勞強度極限，據文獻[7]圖10-25d查得：
，
④應力循環(huán)次數，由[7]公式10-25
（3-2）
⑤由文獻[7]圖10-23查得接觸疲勞壽命系數
,
⑥選取齒寬系數,由圖10-20查得區(qū)域系數，由表10-5查得材料的彈性影響系數。
⑦計算許用彎曲應力
取接觸疲勞安全系數,失效概率為1%，由文獻[7]公式10-14，查得
（3-3）
取和中的較小者為該齒輪的接觸疲勞許用應力，即
=523Mpa
（二）調整小齒輪分度圓直徑
①試算直徑
（3-4）
②圓周速度
mm （3=5）
m/s （3-6）
③計算載荷系數
由[文獻7]表10-2查得使用系數
根據m/s，7級精度，由圖10-8查得動載系數
由表10-3查得齒間載荷分配系數
由表10-4查得齒向載荷分布系數
據，公式10-2可得：
（3-7）
④由公式10-12，按照實際載荷系數算出分度圓直徑為
m （3-8）
三、按齒根彎曲疲勞強度設計
（一）模數計算
由[7]公式10-27，即
（3-9）
確定公式中的各參數值
①試選
②計算
由分錐角和，可得當量齒數:
，
由圖10-17查得齒型系數，
由圖10-18查得應力修正系數，
由圖10-24c查得小齒輪和大齒輪的齒根彎曲疲勞極限分別為:
,
由圖10-22取彎曲疲勞壽命系數,
取彎曲疲勞安全系數S=1.7，由公式10-14得
（3-10）
（3-11）
因為大齒輪的大于小齒輪，所以取：
③試算模數
mm
（二）調整齒輪模數
①圓周速度v和齒寬b
mm （3-12）
mm
m/s
（3-13）
②計算實際載荷系數
根據m/s，8級精度，由圖10-8查得動載系數
直齒錐齒輪精度較低，取齒間載荷分配系數
由表10-4用插值法查得，于是
則載荷系數為
由公式10-13.可得按實際載荷系數算得的齒輪模數為
（3-14）
按照齒根彎曲疲勞強度計算的模數，就近選擇標準模數，按照接觸疲勞強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數
取，則大齒輪齒數，為了使兩齒輪的齒數互質，取。
四、幾何尺寸計算
①計算分度圓直徑
②計算分錐角
（3-15）
③計算齒輪寬度
④計算圓周速度
m/s
第2節(jié) 第二級傳動齒輪設計
一、主要參數
大小齒輪均采用20CrMnTi，經滲碳淬火，齒面硬度為58～62HRC，七級精度，24，24×6.5=156，，。
二、按齒根彎曲疲勞強度設計
（一）確定模數
（3-9）
①載荷系數，試選
②小齒輪傳遞轉矩
③大小齒輪彎曲疲勞強度極限，據[7]圖10-24d查得：
④應力循環(huán)次數，由[7]公式10-25
（3-2）
⑤由[7]圖10-22查得彎曲疲勞壽命系數
,
⑥計算許用彎曲應力
取彎曲疲勞安全系數,由[7]公式10-14，查得
（3-10）
（3-16）
由文獻[7]圖10-18查得應力修正系數，,再由圖10-17查得齒型系數，則：
（3-11）
因為,所以按小齒輪進行齒根彎曲疲勞強度設計計算。
⑦重合度系數及螺旋角系數
=0.70，=0.90
（二）設計計算
①模數
②圓周速度
m/s （3-17）
③計算載荷系數K
由文獻[7]表10-2查得使用系數
根據m/s，7級精度，由圖10-8查得動載系數
由表10-3查得齒間載荷分配系數
由表10-4查得齒向載荷分布系數
據，公式10-2可得；
（3-7）
④校正并確定模數
由公式10-13，按照實際載荷系數算出齒輪模數
m （3-14）
取
（三）計算齒輪傳動幾何尺寸
①中心距a
（3-18）
②螺旋角β
（3-19）
③齒輪分度圓直徑
（3-20）
mm
④齒寬
三、校核齒面接觸疲勞強度
由文獻[7]公式10-10，即
（3-21）
確定上式公式各參數值：
①由圖10-25e查得
②由圖10-23查得接觸疲勞壽命系數:,
③計算許用接觸應力
取安全系數
由文獻[7]公式10-14，
④節(jié)點區(qū)域系數
由圖10-20，查得
⑤重合度系數
⑥螺旋角系數
⑦材料系數
⑧校核
帶入數據得：
第三節(jié) 第三級傳動齒輪設計
一、主要參數
大小齒輪均采用20CrMnTi，經滲碳淬火，齒面硬度為58～62HRC，七級精度，24，，，。
二、按齒根彎曲疲勞強度設計
（一）確定模數
(3-9)
①載荷系數，試選
②小齒輪傳遞轉矩
③大小齒輪彎曲疲勞強度極限，據[7]圖10-24d查得：
④應力循環(huán)次數，由[7]公式10-25
（3-2）
⑤由文獻[7]圖10-22查得彎曲疲勞壽命系數
,
⑥計算許用彎曲應力
取彎曲疲勞安全系數,由[7]公式10-14，查得
（3-10）
（3-16）
由文獻[7]圖10-18查得應力修正系數，再由圖10-17查得齒型系數，則：
(3-11）
因為,所以按小齒輪進行齒根彎曲疲勞強度設計計算。
⑦重合度系數及螺旋角系數
=0.70，=0.90
(二)設計計算
①模數
②圓周速度
m/s （3-17）
③計算載荷系數K
由文獻[7]表10-2查得使用系數
根據m/s，7級精度，由圖10-8查得動載系數
由表10-3查得齒間載荷分配系數
由表10-4查得齒向載荷分布系數
據，公式10-2，即
（3-7）
④校正并確定模數
由公式10-13，按照實際載荷系數算出齒輪模數
m （3-14）
取
（三）計算齒輪傳動幾何尺寸
①中心距a
（3-18）
②螺旋角β
（3-19）
③齒輪分度圓直徑
（3-20）
mm
④齒寬
三、校核齒面接觸疲勞強度
由文獻[7]公式10-10，即
（3-21）
確定上式公式各參數值：
①由圖10-25e查得
②由圖10-23查得接觸疲勞壽命系數:,
③計算許用接觸應力
取安全系數
由[7]公式10-14，
④節(jié)點區(qū)域系數
由圖10-20，查得
⑤重合度系數
⑥螺旋角系數
⑦材料系數
⑧校核
帶入數據得：
第4節(jié) 第四級傳動齒輪設計
一、主要參數
大小齒輪均采用20CrMnTi，經滲碳淬火，齒面硬度為58～62HRC，七級精度，24，24×2.5=60，，。
二、按齒根彎曲疲勞強度設計
（一）確定模數
(3-9)
①載荷系數，試選
②小齒輪傳遞轉矩
③大小齒輪彎曲疲勞強度極限，據[7]圖10-24d查得：
④應力循環(huán)次數，由文獻[7]公式10-25
（3-2）
⑤由文獻[7]圖10-22查得彎曲疲勞壽命系數
,
⑥計算許用彎曲應力
取彎曲疲勞安全系數,由文獻[7]公式10-14，查得
（3-10）
（3-16）
由文獻[7]圖10-18查得應力修正系數，再由圖10-17查得齒型系數，則：
（3-11）
因為,所以按小齒輪進行齒根彎曲疲勞強度設計計算。
⑦重合度系數及螺旋角系數
=0.70，=0.90
（二）設計計算
①模數
②圓周速度
m/s （3-17）
③計算載荷系數K
由文獻[7]表10-2查得使用系數
根據m/s，7級精度，由圖10-8查得動載系數
由表10-3查得齒間載荷分配系數
由表10-4查得齒向載荷分布系數
據，公式10-2，即
（3-7）
④校正并確定模數
由公式10-13，按照實際載荷系數算出齒輪模數
m （3-14）
取
（三）計算齒輪傳動幾何尺寸
①中心距a
（3-18）
②螺旋角β
（3-19）
③齒輪分度圓直徑
（3-20）
mm
④齒寬
三、校核齒面接觸疲勞強度
由文獻[7]公式10-10，即
（3-21）
確定上式公式各參數值：
①由圖10-25e查得
②由圖10-23查得接觸疲勞壽命系數:,
③計算許用接觸應力
取安全系數
由文獻[7]公式10-14，
④節(jié)點區(qū)域系數
由圖10-20，查得
⑤重合度系數
⑥螺旋角系數
⑦材料系數
⑧校核
帶入數據得：
第4章 軸的設計
第1節(jié) Ⅰ軸的設計
一、選擇軸的材料
初選軸的材料為45號鋼，調制處理，其機械性能查表可得：
，，，
2、 軸的尺寸計算
（1） 輸入軸
功率，轉速r/min ，轉矩。
（二）初步確定軸的最小直徑
取, （4-1）
有一個鍵槽時，軸徑增大5%-7%，
所以
（3） 軸的結構設計
1.圖4-1為一軸的裝配方案
圖4-1 Ⅰ軸的裝配圖
2.根據軸向定位的要求確定軸的各段軸徑和長度，如下圖4-2：
圖4-2 Ⅰ軸各段軸徑長度
（四）選擇聯軸器
根據條件選取，確定聯軸器轉矩，結合電動機型號，選用彈性套柱銷聯軸器，型號TL7聯軸器，即該端選用的半軸連接器的孔徑，故取軸徑，半聯軸器轂空的長度L=112mm，故取L1=112mm。
（五）初步選擇滾動軸承
軸承同時承載軸向力和徑向力，但軸向力較小，故選用單列深溝球軸承。參照工作要求，并根據尺寸，選取0基本游隙組、標準精度級的單列深溝球軸承6309，其尺寸為,從而可以知道：，。
（六）由經驗公式算軸肩高度
，故取h=5mm，從而確定，?。ㄆ撸┐_定軸段5
根據軸承安裝方便的要求，取和均比小2mm，則：；根據安裝軸承旁螺栓的距離要求取，根據齒輪與內壁的距離要求，取
（8） 確定軸段6
根據齒輪孔的軸徑和長度，確定，至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
（九）軸上零件的周向定位
齒輪、聯軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯接。按手冊查得，半聯軸器與軸的聯接處的平鍵截面b×h=12mm×8mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為80mm（標準鍵長見GB/T 1096-1079）。
為了保證聯軸器與軸配合有良好的對中性，故選擇聯軸器輪轂與軸配合為H7/k6。齒輪與軸的聯接處的平鍵平鍵截面b×h=10mm×8mm(GB/T1096-2003),長度為40mm，鍵槽用鍵槽銑刀加工。
（十）確定軸上的圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為，圓角大小見零件圖。
三、求軸上的載荷及校核
（一）根據軸的結構圖，做出軸的計算簡圖，如下圖4-3：
圖4-3 Ⅰ軸的計算簡圖
（齒輪取齒寬中點處的分度圓直徑作為力的作用點，軸承在寬度中點為作用點）。
軸承1和軸承2之間的距離為105mm，軸承2和錐齒輪間的距離為54.5mm
1.計算作用在齒輪上的力
圓錐小齒輪
因已知高速級小錐齒輪的平均分度圓直徑為，而
（4-2）
（4-3）
（4-4）
2. 校核軸承壽命：
查手冊得6309型深溝球軸承參數,
查表13-6得
（1）計算軸承所承受的軸向載荷
因為軸承1固定，軸承2游離，結合受力分析圖可知，軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松”。由此可得軸承2不受軸向力，所以
,
（2）計算當量動負荷
軸承1：，由表13-5，用線性插值法可求得：e1=0.175
（4-5）
由e1查表13-5，并用線性插值法求得：,,由此可得
（4-6）
軸承2：
由表13-5，用線性插值法可得：e2=1.6
由e2查表13-5的，，由此可得
（4-7）
（3）軸承壽命計算
因為，所以按軸承2計算軸承的壽命
（4-8）
所選軸承6309深溝球軸承合格。
3. 做彎矩圖和扭矩圖如下圖4-4：
圖4-4 Ⅰ軸的彎矩和扭矩圖
4.校核軸的強度
由彎矩圖可知危險截面出現在軸承2處，校核軸上最大彎矩截面的強度：
（4-9）
故安全。
第2節(jié) Ⅲ軸的設計
軸的設計計算與軸上齒輪輪轂孔內徑及寬度、滾動軸承的選擇和校核、鍵的選擇和驗算、與軸連接的半聯軸器的選擇同步進行。因箱體內壁寬度主要由中間軸的結構尺寸確定，但三級減速器Ⅱ軸比Ⅲ軸尺寸小，故先對Ⅲ軸進行設計，然后對Ⅱ、Ⅳ軸進行設計。
1、 選擇軸的材料
初選軸的材料為45號鋼，調制處理，其機械性能查表可得：
，，，。
二、軸的尺寸計算
（一）輸入軸
功率，轉速r/min ，轉矩。
（二）初步確定軸的最小直徑
取, （4-1）
有一個鍵槽時，軸徑增大5%-7%,
所以
（三）軸承部件的結構設計
軸承采用兩端固定方式，然后按軸上零件的安裝順序，從處開始設計
1.軸承的選擇與軸段①及軸段⑤的設計
考慮齒輪有軸向力存在，選用圓柱滾子軸承，根據Ⅲ軸最小軸徑，據[8]表8-15選圓柱滾子軸承代號NU1016，其尺寸為
定位軸肩直徑，故，通常一根軸上的兩個軸承取相同的型號，則。
2.軸段②和軸段④的設計
軸段②上安裝齒輪4，軸段④上安裝齒輪5，為便于齒輪的安裝，和應分別略大于和，可初定。
齒輪4輪轂寬度范圍為，取其輪轂寬度與齒輪寬度相等，右端采用軸肩定位，左端采用套筒固定。齒輪5取其輪轂寬度與齒輪寬度相等，左端采用軸肩定位，右端采用套筒定位。為使套筒端面能夠頂到齒輪端面，軸段②和軸段④的長度應比相應齒輪的輪轂略短，故取，。
3.軸段③
該段為Ⅱ軸上的兩個齒輪提供定位，其軸肩高度范圍為，取其高度為h=7mm，故d3=96mm。
齒輪5右端面與箱體內壁距離與齒輪4左端面距箱體內壁距離均取為：，齒輪4與齒輪5的距離初定為，則箱體內壁之間的距離為，齒輪4的左端面與箱體內壁的距離。
4.軸段①及軸段⑤的長度
該減速箱齒輪的圓周速度小于2m/s，故軸承采用脂潤滑，需用擋油環(huán)阻止箱體內潤滑油濺入軸承座，軸承內端面距箱體內壁距離取為，中間軸上兩個齒輪的固定均由擋油環(huán)完成，則軸段①的長度為
（四）軸上零件的周向定位
齒輪、聯軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯接，鍵取用45號鋼。按[8]表6-2（摘自GB/T 1095-2003）查得，齒輪4與Ⅲ軸的聯接處的平鍵截面，齒輪5與Ⅲ軸的聯接處的平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工。（標準鍵長見GB/T 1096-1079）。
由文獻[7]公式6-1鍵強度計算：，其中T是傳遞的轉矩N·m，l是鍵的工作長度mm，圓頭平鍵，單圓頭平鍵，平頭平鍵,這里L為鍵的公稱直徑mm，b為鍵的寬mm，d是軸的直徑mm，并查詢表6-2鍵連接的許用擠壓應力、許用壓力。
1.聯接齒輪4平頭平鍵的校核
鍵強度計算： （4-10）
2.連接齒輪5平頭平鍵的校核
鍵強度計算：
所以兩鍵均安全。
第3節(jié) Ⅱ軸的設計
1、 選擇軸的材料
初選軸的材料為45號鋼，調制處理，其機械性能查表可得：
，，，。
二、軸的尺寸計算
（一）輸入軸上
功率，轉速r/min ，轉矩。
（二）初步確定軸的最小直徑
取, （4-1）
有一個鍵槽時，軸徑增大5%-7%,
所以
（三）軸承部件的結構設計
軸不長，故軸承采用兩端固定方式，然后，按軸上零件的安裝順序，從處開始設計
1.軸承的選擇與軸段①及軸段⑤的設計
考慮齒輪有軸向力存在，選用雙列圓錐滾子軸承，根據Ⅱ軸最小軸徑，據文獻[8]表8-15選雙列圓錐滾子軸承代號351310E，其尺寸為
定位軸肩直徑，對軸的力作用點與外圈大端面的距離，故，通常一根軸上的兩個軸承取相同的型號，則。
2.軸段②和軸段④的設計
軸段②上安裝齒輪3，軸段④上安裝齒輪2，為便于齒輪的安裝，和應分別略大于和，可初定。
齒輪2輪轂寬度范圍為，取其輪轂寬度與齒輪寬度相等，左端采用軸肩定位，右端采用套筒固定。齒輪3取其輪轂寬度與齒輪寬度相等，右端采用軸肩定位，左端采用套筒定位。為使套筒端面能夠頂到齒輪端面，軸段②和軸段④的長度應比相應齒輪的輪轂略短，故取，。
3.軸段③
該段為Ⅱ軸上的兩個齒輪提供定位，其軸肩高度范圍為，取其高度為h=5mm，故d3=62mm。
齒輪3左端面與箱體內壁距離取為：，大錐齒輪中心與小錐齒輪所在軸線的距離為，大錐齒輪輪轂左端距離小錐齒輪，齒輪3右端距離小錐齒輪軸線距離為，則齒輪2和齒輪3之間的軸肩長。
4.軸段①及軸段⑤的長度
該減速箱齒輪的圓周速度小于2m/s，故軸承采用脂潤滑，需用擋油環(huán)阻止箱體內潤滑油濺入軸承座，軸承內端面距箱體內壁距離取為，中間軸上兩個齒輪的固定均由擋油環(huán)完成，齒輪2輪轂右端面距離箱體內壁距離為：則軸段①的長度為
（四）軸上零件的周向定位
齒輪、聯軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯接，鍵取用45號鋼。按文獻[8]表6-2（摘自GB/T 1095-2003）查得，齒輪3與Ⅱ軸的聯接處的平鍵截面，齒輪2與Ⅱ軸的聯接處的平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工。（標準鍵長見GB/T 1096-1079）。
由文獻[7]公式6-1鍵強度計算：，其中T是傳遞的轉矩N·m，l是鍵的工作長度mm，圓頭平鍵，單圓頭平鍵，平頭平鍵,這里L為鍵的公稱直徑mm，b為鍵的寬mm，d是軸的直徑mm，并查詢表6-2鍵連接的許用擠壓應力、許用壓力。
1.聯接齒輪3圓頭平鍵的校核
鍵強度計算： （4-10）
2.連接齒輪2圓頭平鍵的校核
鍵強度計算：
所以兩鍵均安全。
第4節(jié) Ⅳ軸的設計
一、選擇軸的材料
初選軸的材料為45號鋼，調制處理，其機械性能查表可得：
，，，。
二、軸的尺寸計算
（一）輸入軸上的功率，轉速r/min ，轉矩。
（二）初步確定軸的最小直徑
取, （4-1）
有一個鍵槽時，軸徑增大5%-7%,
所以
1.軸承的選擇與軸段③及軸段⑥的設計
軸不長，故軸承采用兩端固定方式，然后，按軸上零件的安裝順序，從處開始設計，考慮齒輪有軸向力存在，選用雙列圓錐滾子軸承，根據Ⅳ軸最小軸徑，據[8]表8-15選雙列圓錐滾子軸承代號352926X2，其尺寸為，定位軸肩直徑，故，通常一根
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