機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計完整案例一、引言機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計是將理論知識與工程實(shí)踐結(jié)合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用《機(jī)械設(shè)計》《工程制圖》等課程知識，解決實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計問題的能力。本案例以二級直齒圓柱齒輪減速器為設(shè)計對象，涵蓋傳動方案規(guī)劃、參數(shù)計算、零部件設(shè)計與校核、裝配圖繪制等全流程，為課程設(shè)計提供標(biāo)準(zhǔn)化參考。二、設(shè)計任務(wù)與原始參數(shù)（一）設(shè)計任務(wù)設(shè)計一臺用于帶式輸送機(jī)的二級直齒圓柱齒輪減速器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與工作機(jī)之間的動力傳遞，要求結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。（二）原始參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)值/說明工作機(jī)類型帶式輸送機(jī)傳遞功率5kW工作機(jī)轉(zhuǎn)速120r/min動力源三相異步電機(jī)（Y系列）每日工作時間8h工作載荷平穩(wěn)（沖擊小，無頻繁啟動）環(huán)境溫度常溫（0~40℃）三、總體方案設(shè)計（一）傳動類型選擇采用“V帶傳動+二級直齒圓柱齒輪減速器”的組合方案，理由如下：1.V帶傳動：安裝在電機(jī)與減速器之間，可緩沖吸振、補(bǔ)償軸線偏移，保護(hù)減速器內(nèi)部零件；2.二級直齒圓柱齒輪傳動：減速器核心傳動機(jī)構(gòu)，效率高（≈98%/級）、傳動比準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)緊湊，適合中低速、中功率場合。（二）減速器類型選擇選擇展開式二級直齒圓柱齒輪減速器，其特點(diǎn)是：高速級與低速級齒輪軸線平行，結(jié)構(gòu)簡單；輸入軸與輸出軸同軸，便于安裝聯(lián)軸器；箱體加工工藝性好，成本低。四、傳動參數(shù)計算（一）電機(jī)選擇1.總傳動比估算工作機(jī)轉(zhuǎn)速\(n_w=120\,\text{r/min}\)，選取電機(jī)轉(zhuǎn)速\(n_m=1500\,\text{r/min}\)（Y系列4極電機(jī)，常用且效率高），總傳動比：\[i_{\text{總}}=\frac{n_m}{n_w}=\frac{1500}{120}=12.5\]2.傳動比分配設(shè)V帶傳動比\(i_b=2.5\)（推薦范圍2~4），則減速器傳動比：\[i_g=\frac{i_{\text{總}}}{i_b}=\frac{12.5}{2.5}=5\]二級齒輪傳動比分配遵循“低速級傳動比略大”原則（使低速級齒輪尺寸增大，減少高速級扭矩），取高速級\(i_1=2.25\)，低速級\(i_2=\frac{i_g}{i_1}=\frac{5}{2.25}\approx2.22\)（近似相等，簡化結(jié)構(gòu)）。3.電機(jī)型號確定電機(jī)功率需考慮傳動效率，V帶傳動效率\(\eta_b=0.96\)，齒輪傳動效率\(\eta_g=0.98\times0.98=0.9604\)，聯(lián)軸器效率\(\eta_c=0.99\)，總效率：\[\eta_{\text{總}}=\eta_b\times\eta_g\times\eta_c=0.96\times0.9604\times0.99\approx0.912\]電機(jī)所需功率：\[P_m=\frac{P_w}{\eta_{\text{總}}}=\frac{5}{0.912}\approx5.48\,\text{kW}\]選取Y系列電機(jī)Y132S-4，參數(shù)如下：額定功率：5.5kW；額定轉(zhuǎn)速：1440r/min（實(shí)際轉(zhuǎn)速，修正總傳動比）；軸徑：38mm（需與V帶輪匹配）。（二）V帶傳動參數(shù)計算（GB/T____）1.帶型選擇傳遞功率\(P=5.5\,\text{kW}\)，電機(jī)轉(zhuǎn)速\(n_1=1440\,\text{r/min}\)，查V帶選型圖，選A型帶（截面尺寸：頂寬13mm，高度8mm）。2.小帶輪直徑\(d_1\)A型帶最小基準(zhǔn)直徑\(d_{\text{min}}=100\,\text{mm}\)，取\(d_1=125\,\text{mm}\)（增大直徑可減少帶的彎曲應(yīng)力）。3.大帶輪直徑\(d_2\)\[d_2=i_b\timesd_1=2.5\times125=312.5\,\text{mm}\]取標(biāo)準(zhǔn)值\(d_2=315\,\text{mm}\)，實(shí)際傳動比：\[i_b'=\frac{d_2}{d_1}=\frac{315}{125}=2.52\]4.帶速\(v\)\[v=\frac{\pid_1n_1}{60\times1000}=\frac{\pi\times125\times1440}{____}\approx9.42\,\text{m/s}\]符合A型帶推薦速度范圍（5~25m/s）。5.中心距\(a\)與帶長\(L\)初始中心距取\(a_0=(1.5\sim2)\times(d_1+d_2)=1.75\times(125+315)=770\,\text{mm}\)，計算帶長：\[L_0=2a_0+\frac{\pi}{2}(d_1+d_2)+\frac{(d_2-d_1)^2}{4a_0}=2\times770+\frac{\pi}{2}\times440+\frac{(____)^2}{4\times770}\approx2200\,\text{mm}\]選取標(biāo)準(zhǔn)帶長\(L=2240\,\text{mm}\)（A型帶標(biāo)準(zhǔn)長度），實(shí)際中心距：\[a=a_0+\frac{L-L_0}{2}=770+\frac{2240-2200}{2}=790\,\text{mm}\]6.包角\(\alpha_1\)\[\alpha_1=180^\circ-\frac{d_2-d_1}{a}\times57.3^\circ=180^\circ-\frac{____}{790}\times57.3^\circ\approx166^\circ\]大于120°，符合要求。7.張緊力與帶根數(shù)A型帶單位長度質(zhì)量\(q=0.1\,\text{kg/m}\)，有效拉力：\[F_e=\frac{1000P}{v}=\frac{1000\times5.5}{9.42}\approx584\,\text{N}\]單根帶許用功率\(P_0=1.32\,\text{kW}\)（查手冊，\(n_1=1440\,\text{r/min}\)），修正系數(shù)\(K_\alpha=0.95\)（\(\alpha_1=166^\circ\)），\(K_L=1.03\)（\(L=2240\,\text{mm}\)），則帶根數(shù)：\[Z=\frac{P}{P_0K_\alphaK_L}=\frac{5.5}{1.32\times0.95\times1.03}\approx4.2\]取\(Z=5\)根。（三）齒輪傳動參數(shù)計算（GB/T____）1.高速級齒輪（1-2）齒數(shù)\(z_1,z_2\)：取小齒輪齒數(shù)\(z_1=20\)（避免根切，最小齒數(shù)17），大齒輪齒數(shù)：\[z_2=i_1z_1=2.25\times20=45\,(\text{取整數(shù)})\]實(shí)際傳動比\(i_1'=\frac{z_2}{z_1}=2.25\)。模數(shù)\(m\)：按彎曲強(qiáng)度計算（45鋼調(diào)質(zhì)，\(\sigma_{Flim1}=280\,\text{MPa}\),\(\sigma_{Flim2}=240\,\text{MPa}\)）：\[m\geq\sqrt[3]{\frac{2K_TT_1Y_{Fa1}Y_{Sa1}}{\psi_dz_1\sigma_{Flim1}}}\]其中，載荷系數(shù)\(K_T=1.2\)（平穩(wěn)載荷），扭矩\(T_1=9550\times\frac{P_1}{n_1}=9550\times\frac{5.5\times0.96}{1440/2.52}\approx91\,\text{N·m}\)（\(P_1\)為高速級輸入功率，\(n_1\)為高速級輸入轉(zhuǎn)速），齒寬系數(shù)\(\psi_d=0.8\)（直齒輪推薦），齒形系數(shù)\(Y_{Fa1}=2.8\)（\(z_1=20\)），應(yīng)力修正系數(shù)\(Y_{Sa1}=1.55\)。代入得：\[m\geq\sqrt[3]{\frac{2\times1.2\times91\times1000\times2.8\times1.55}{0.8\times20\times280}}\approx5.8\,\text{mm}\]取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)\(m=6\,\text{mm}\)（GB/T____）。分度圓直徑：\[d_1=z_1m=20\times6=120\,\text{mm},\quadd_2=z_2m=45\times6=270\,\text{mm}\]中心距：\[a_1=\frac{d_1+d_2}{2}=\frac{120+270}{2}=195\,\text{mm}\,(\text{取整數(shù)，便于箱體加工})\]齒寬：\[b_1=\psi_da_1=0.8\times195=156\,\text{mm},\quadb_2=b_1+5=161\,\text{mm}\,(\text{大齒輪寬5mm，補(bǔ)償裝配誤差})\]2.低速級齒輪（3-4）齒數(shù)\(z_3,z_4\)：取\(z_3=20\)，大齒輪齒數(shù)：\[z_4=i_2z_3=2.22\times20=44.4\,(\text{取}\,z_4=45)\]實(shí)際傳動比\(i_2'=\frac{z_4}{z_3}=2.25\)，總傳動比\(i_g'=i_1'\timesi_2'=2.25\times2.25=5.06\)，與設(shè)計值5誤差1.2%，符合要求。模數(shù)與中心距：為簡化箱體結(jié)構(gòu)，取低速級模數(shù)、中心距與高速級相同（\(m=6\,\text{mm}\),\(a_2=195\,\text{mm}\)）。分度圓直徑與齒寬：\[d_3=120\,\text{mm},\quadd_4=270\,\text{mm},\quadb_3=156\,\text{mm},\quadb_4=161\,\text{mm}\]3.齒輪強(qiáng)度校核接觸強(qiáng)度：按公式\(\sigma_H=Z_HZ_E\sqrt{\frac{2K_TT_1}{bd_1^2}\cdot\frac{u+1}{u}}\leq\sigma_{Hlim}\)，其中\(zhòng)(Z_H=2.5\)（直齒輪），\(Z_E=189.8\,\sqrt{\text{MPa}}\)（鋼-鋼配對），\(u=i_1=2.25\)，\(\sigma_{Hlim}=580\,\text{MPa}\)（45鋼調(diào)質(zhì)）。計算得\(\sigma_H\approx320\,\text{MPa}<\sigma_{Hlim}\)，符合要求。彎曲強(qiáng)度：已通過模數(shù)選擇保證，此處略。五、軸的設(shè)計與校核（一）輸入軸設(shè)計（連接V帶輪與高速級小齒輪）1.軸的結(jié)構(gòu)規(guī)劃輸入軸為階梯軸，依次布置：V帶輪（左端）→軸承（左）→高速級小齒輪（中間）→軸承（右）→軸端擋圈（右端）。2.最小軸徑估算按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度公式（45鋼調(diào)質(zhì)，\(\tau_T=45\,\text{MPa}\)）：\[d_{\text{min}}=\sqrt[3]{\frac{9550\times1000P}{n\tau_T}}=\sqrt[3]{\frac{9550\times1000\times5.5}{(1440/2.52)\times45}}\approx42\,\text{mm}\]取軸徑\(d=45\,\text{mm}\)（匹配V帶輪孔徑，鍵連接）。3.軸段尺寸確定V帶輪段：直徑45mm，長度65mm（帶輪寬度60mm，留5mm定位）；軸承段：直徑45mm，長度20mm（匹配深溝球軸承6209，寬度19mm）；齒輪段：直徑50mm（比軸承段大，便于齒輪定位），長度160mm（齒輪寬156mm，留4mm定位）；軸肩：直徑55mm，長度10mm（定位齒輪）；總長度：≈300mm（根據(jù)箱體尺寸調(diào)整）。4.強(qiáng)度校核繪制軸的彎矩圖與扭矩圖，危險截面在齒輪左側(cè)（彎扭組合），按第四強(qiáng)度理論計算：\[\sigma_{eq4}=\sqrt{\left(\frac{M}{W}\right)^2+\left(\frac{T}{W_T}\right)^2}\leq[\sigma]_b\]其中，彎矩\(M\approx120\,\text{N·m}\)，扭矩\(T=91\,\text{N·m}\)，抗彎截面系數(shù)\(W=\frac{\pid^3}{32}\approx1.96\times10^4\,\text{mm}^3\)，抗扭截面系數(shù)\(W_T=\frac{\pid^3}{16}\approx3.93\times10^4\,\text{mm}^3\)，許用彎曲應(yīng)力\([\sigma]_b=150\,\text{MPa}\)（45鋼調(diào)質(zhì)）。計算得\(\sigma_{eq4}\approx85\,\text{MPa}<[\sigma]_b\)，符合要求。（二）中間軸設(shè)計（連接高速級大齒輪與低速級小齒輪）中間軸結(jié)構(gòu)與輸入軸類似，需承受兩個齒輪的徑向力與扭矩，軸徑估算時需考慮彎扭組合，取最小軸徑50mm，強(qiáng)度校核方法與輸入軸一致，此處略。（三）輸出軸設(shè)計（連接低速級大齒輪與聯(lián)軸器）輸出軸扭矩最大（\(T_4=T_1\timesi_g'\times\eta_g=91\times5.06\times0.96\approx440\,\text{N·m}\)），按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算最小軸徑：\[d_{\text{min}}=\sqrt[3]{\frac{9550\times1000\times5}{120\times45}}\approx58\,\text{mm}\]取軸徑60mm，匹配聯(lián)軸器（彈性柱銷聯(lián)軸器HL5，軸孔60mm），強(qiáng)度校核符合要求。六、軸承選擇與校核（一）軸承類型選擇輸入軸、中間軸、輸出軸均承受徑向載荷為主（直齒輪無軸向力），選深溝球軸承（62系列，結(jié)構(gòu)簡單、成本低）。（二）輸入軸軸承校核（6209，內(nèi)徑45mm）1.徑向載荷計算V帶輪徑向載荷\(F_{r1}\approx300\,\text{N}\)（帶張緊力引起），高速級小齒輪徑向力\(F_{r2}=F_t\tan\alpha=\frac{2T_1}{d_1}\tan20^\circ=\frac{2\times91\times1000}{120}\times0.364\approx550\,\text{N}\)，總徑向載荷：\[F_r=\sqrt{F_{r1}^2+F_{r2}^2}\approx630\,\text{N}\]2.當(dāng)量動載荷深溝球軸承軸向載荷\(F_a=0\)，徑向載荷系數(shù)\(X=1\)，軸向載荷系數(shù)\(Y=0\)，故：\[P=F_r=630\,\text{N}\]3.壽命計算基本額定動載荷\(C=31.5\,\text{kN}\)（6209軸承），壽命指數(shù)\(p=3\)（球軸承），轉(zhuǎn)速\(n=1440/2.52\approx571\,\text{r/min}\)，則：\[L_{10h}=\frac{10^6}{60n}\left(\frac{C}{P}\right)^p=\frac{10^6}{60\times571}\left(\frac{____}{630}\right)^3\approx____\,\text{h}\]大于設(shè)計要求（____h），符合要求。（三）中間軸與輸出軸軸承中間軸選6210軸承（內(nèi)徑50mm），輸出軸選6212軸承（內(nèi)徑60mm），校核方法與輸入軸一致，均滿足壽命要求。七、箱體設(shè)計（一）箱體材料與壁厚箱體采用灰鑄鐵HT200（鑄造性能好、吸振性強(qiáng)），壁厚按經(jīng)驗(yàn)公式：\[\delta=0.025a+1.5=0.025\times195+1.5\approx6\,\text{mm}\,(\text{取整數(shù)})\]（二）箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計1.底座：長方形，尺寸350mm×250mm×100mm（長×寬×高），底部設(shè)地腳螺栓孔（4個M16），間距250mm×150mm。2.箱蓋：拱形，與底座用螺栓連接（6個M12），頂部設(shè)透氣孔（φ10），側(cè)面設(shè)油位計（玻璃管）。3.軸承座：圓形，直徑100mm（輸入軸）、110mm（中間軸）、130mm（輸出軸），厚度15mm，設(shè)肋板（厚度6mm）增強(qiáng)剛度。（三）箱體附件放油孔：底部中央，直徑M16，用螺塞密封；起吊環(huán)：箱蓋頂部，2個，直徑φ12；定位銷：底座與箱蓋連接面，2個φ8，定位精度0.02mm。八、裝配圖與零件圖繪制（一）裝配圖繪制（AutoCAD2024）1.視圖選擇：