卷扬机传动装置三维设计与分析1 引言卷扬机是一种常见的提升设备，其结构简单、操作方便、可靠性高，被广泛应用于各个行业。
通常情况下卷扬机都是采用电动机作为原动机，由于电动机输出地转速远远大于卷扬机中滚筒的转速，所以必须设计减速的传动装置。
传动装置的种类多种多样，如皮带减速器、链条减速器、齿轮减速器、涡轮蜗杆减速器、二级齿轮减速器等等[1]。
通过合理的设计传动装置，使得卷扬机能够在特定的工作环境下满足正常的工作要求。
同时通过本设计将所学过的理论知识进行综合应用，做到理论联系实际，进一步掌握传动装置的设计过程。
2 传动装置的总体设计2.1 拟定传动方案传动装置的设计方案一般用运动简图表示。
它直观的反映了工作机、传动装置和原动机三者之间的运动和力的传递关系。
传动方案首先应满足工作机的性能要求，适应工作条件、工作可靠。
此外，还应结构简单，尺寸简凑、成本低，效率高和便于使用和维护等。
要同时满足上述要求，常常是困难的，因此，应根据具体的设计任务侧重地保证主要设计要求，选用比较合理的方案[2]。
本次设计任务对传动装置没有太多要求，只要其在一般工作条件和环境下能够正常工作即可，因此本设计才用展开式二级圆柱直齿轮减速器，减速器与电动机和工作机之间有联轴器联接，传动方案运动简图如图2.1所示；图2.1 卷扬机传动装置运动简图齿轮传动的传动效率高，适用的功率和速度范围广，使用寿命长，是现代机器中应用最为广泛的机构之一。
二级齿轮减速器的传动比一般为8-40，结构简单，应用也最为广泛，而展开式的主要特点是齿轮相对于轴承不对称布置，因而沿齿向载荷分布不均，要求轴有较大的刚度[3-5]。
2.2 电动机的选择原动机的种类，无特殊要求，均选用交流电动机作为原动机。
电动机为系列化产品。
机械设计中仅需根据工作机的工作情况，合理选择电动机的类型、结构形式、容量和转速，提出具体的电动机型号[6]。
2.2.1 选择电动的功率所需电动机工作功率为：式（2-1）式中：—工作机所需功率，指输入工作机轴的功率，kW。
—由电动机至工作机的总效率。
工作机所需功率由工作的工作助力和运动参数计算求得式（2-2）或式（2-3）式中：F—工作机的助力，NV—工作机的线速度，m/sT—工作机的助力矩，—工作机转速，r/min总效率按下式计算：式（2-4）其中分别为传动装置中每一传动副（齿轮、蜗杆、带或链）、每对轴承或每个联轴器的效率。
通过查设计手册得个部分效率为：联轴器效率；滚动轴承的效率（一对）；闭式圆柱齿轮传动效率；滚筒效率；代入公式（2-4）得：计算输入功率:使电动机的额定功率，查设计手册得电动机的额定功率。
2.2.2 电动机转速的选择为使传动装置设计合理，可以根据工作机转速要求和各传动副的合理传动比范围推算电动机转速的可选范围，即式（2-5）式中—电动机可选转速范围，r/min;—传动装置总传动比的合理范围；—各级传动副传动比的合理范围；—工作机转速，r/min。
计算滚筒工作转速：查设计手册得二级齿轮传动比的范围为8-40则电动机的可选转速为：2.2.3 电动机型号的确定根据以上计算，综合考虑电动机和传动装置的情况，最终可确定转速为723r/min，根据所需的额定功率及转速查设计手册最终确定电动机的型号为Y160L-8，额定功率为7.5kw，转速为723r/min，额定转矩为2.0 。
2.3 计算总传动比及分配各级的传动比2.3.1 总传动比根据电动机满载转速和工作机转速，可得传动装置的总传动比为2.3.2 分配各级传动比合理分配总传动比，可以使传动装置得到较小的外轮廓尺寸或较轻的重量，以实现降低成本和结构紧凑的目的；也可以使传动零件获得较低的圆周速度以减小齿轮动载和降低传动精度等级的要求；还可以使齿轮有较好的润滑条件。
展开式二级圆柱齿轮减速器，考虑润滑条件，应使两个大齿轮直径相近，低速级大齿轮略大些，按，这里取则式中：为高速级传动比；为低速级传动比。
2.4 传动装置运动和动力参数计算为进行传动件的设计技术，应将工作要求的功率或转矩推算到各轴上，分别求出各轴的转速、功率和转矩。
设—为相连两轴间的传动比；—为相连两轴间的传动效率；—为各轴的输入功率kw；—为各轴的输入转矩；—为各轴的转速r/min;则可由电动机轴至工作机轴反向依次推算，得各轴的运动和动力参数。
2.4.1 各轴转速式（2-6）式中—电动机满载转速r/min；—电动机轴至1轴的传动比。
电动机轴：r/min1轴（高速轴）： r/min2轴（中间轴）： r/min3轴（低速轴）： r/min4轴（滚筒轴）： r/min2.4.2 各轴功率式（2-7）式中—电动机的实际输出功率kw；—电动机轴与1轴间的传动效率。
电动机轴：1轴（高速轴）：2轴（中间轴）：3轴（低速轴）：4轴（滚筒轴）：2.4.3 各轴转矩式（2-8）其中电动机轴的输出转矩为式（2-9）电动机轴：1轴（高速轴）：2轴（中间轴）：3轴（低速轴）：4轴（滚筒轴）：2.4.4 制作参数表将上述计算结果列入表中，供以后设计计算使用表2.1 传动装置的运动和动力参数表轴功率P（kw）转矩T() 转速n(r/min) 电动机轴 6.12 80.84 7231轴（高速轴） 6.06 80.03 7232轴（中间轴） 5.76 525.38 104.693轴（低速轴） 5.48 2463.67 21.224轴（滚筒轴） 5.32 2390.25 21.223 直齿圆柱齿轮设计计算3.1 高速级齿轮传动的设计计算3.1.1 选择齿轮的类型、材料、精度和齿数（1）按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。
（2）大小齿轮材料采用45钢调质处理，硬度差为40HBS可以提高大齿轮齿面的疲劳。
（3）精度选择7级精度。
（4）选择小齿轮齿数，则取3.1.2 按齿面接触疲劳强度计算根据以下设计公式进行计算：式（3-1）（1）确定上式中的各参数①试选载荷系数；②小齿轮传递的扭矩为：③查设计手册，选齿宽系数；④查设计手册，得弹性影响系数；⑤查设计手册，查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限为⑥重合度系数，端面重合度⑦计算应力循环次数次次⑧查设计手册，得接触疲劳寿命系数；⑨计算接触疲劳许用应力：取安全系数，则（2）计算①将中的较小的值代入公式（3-1）得②计算小齿轮分度圆圆周速度v③计算齿宽b④计算齿宽和齿高之比b/h模数齿高⑤计算载荷系数查设计手册，由，7级精度得查设计手册，得查设计手册，得查设计手册，得查设计手册，得⑥按实际载荷系数修正，⑦计算模数 m3.1.3 按齿根弯曲疲劳强度设计设计公式为式（3-2）（1）确定设计公式中的参数①查设计手册，得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极限；②查设计手册，得弯曲疲劳寿命系数；③计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数S=1.4则④计算载荷系数K⑤查设计手册，得齿形系数；⑥查设计手册，得应力校正系数；⑦计算重合度系数；⑧计算大、小齿轮的值（2）计算齿轮模数设计公式（3-2）中代人中的较大值，得由计算结果可看出，由齿面接触疲劳强度计算的模数m略大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，但由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关，所以，可取由弯曲强度计算得的模数1.7，并就近圆整为标准值m=2 mm。
因按接触强度算得的分度圆直径，这时需要修正齿数则3.1.4 几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿轮宽度取3.2 低速级齿轮传动的设计计算3.2.1 选择齿轮的类型、材料、精度和齿数（1）按已知条件，选用直齿圆柱齿轮传动。
（2）大小齿轮材料采用45钢调质处理，硬度差为40HBS可以提高大齿轮齿面的疲劳。
（3）精度选择7级精度。
（4）选择小齿轮齿数，则取3.2.2 按齿面接触疲劳强度计算根据以下设计公式进行计算：式（3-3）（1）确定上式中的各参数①试选载荷系数；②小齿轮传递的扭矩为：③查设计手册，选齿宽系数；④查设计手册，得弹性影响系数；⑤查设计手册，查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限为⑥重合度系数，端面重合度⑦计算应力循环次数次次⑧查设计手册，得接触疲劳寿命系数；⑨计算接触疲劳许用应力：取安全系数，则（2）计算①将中的较小的值代入公式（3-1）得②计算小齿轮分度圆圆周速度v③计算齿宽b④计算齿宽和齿高之比b/h模数齿高⑤计算载荷系数查设计手册，由，7级精度得查设计手册，得查设计手册，得查设计手册，得查设计手册，得⑥按实际载荷系数修正，⑦计算模数 m3.2.3 按齿根弯曲疲劳强度设计设计公式为式（3-4）（1）确定设计公式中的参数①查设计手册，得大、小齿轮的弯曲疲劳强度极；②查设计手册，得弯曲疲劳寿命系数；③计算弯曲疲劳许用应力：取安全系数S=1.4则④计算载荷系数K⑤查设计手册，得齿形系数；⑥查设计手册，得应力校正系数；⑦计算重合度系数；⑧计算大、小齿轮的值（2）计算齿轮模数设计公式（3-2）中代人中的较大值，得由计算结果可看出，由齿面接触疲劳强度计算的模数m略大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，但由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲疲劳强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关，所以，可取由弯曲强度计算得的模数2.19，并就近圆整为标准值m=2.5 mm。
因按接触强度算得的分度圆直径，这时需要修正齿数则3.2.4 几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿轮宽度取建立齿轮几何尺寸表用上述计算所得的结果分别计算出各齿轮的其他几何尺寸，并填入表格中。
表3.1 齿轮几何尺寸表名称代号高速级小齿轮高速级大齿轮低速级小齿轮低速级大齿轮齿数Z 26 180 34 168模数M 2 2.5压力角200分度圆直径 D 52 360 85 420齿顶高 2 2.5齿根高 2.5 3.125齿全高H 4.5 5.625齿顶圆直径56 364 90 425齿根圆直径47 355 78.75 413.75中心距 A 206 252.5齿厚 B 52 47 81 764 轴的结构设计轴的结构设计就是确定轴的结构形状、各部分的直径长度等全部尺寸。
设计时应满足下列基本要求：保证轴及轴上零件有准确的工作位置，固定可靠；轴上零件的拆装和调整方便，轴具有良好的制造工艺性；轴的结构有利于提高轴的强度、减轻应力集中等。
轴的结构设计的一般步骤如下：1、初估轴的直径各轴可按承受纯扭矩并降低许用应力（考虑弯矩的影响）的办法来初估各轴的直径d，其分式写为：式（3-5）式中：P—轴所传递的功率，kw；n—轴的转速，r/min；A为轴的材料及承载情况确定的系数，可查有关教材。
对于非外伸轴，初估直径常作为与传动零件相配合的直径（A取大值），并圆整为标准值；对于外伸轴，初估直径作为外伸轴端直径（A取小值），并圆整为标准值，若外伸轴有外接零件（联轴器等），d应与外接零件孔径一致（必要时作适当调整），并满足键的强度要求。