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1、摘 要机车轮心是指车轮与车轴配合的部分，它是列车的重要牵引传动部件。轮心内孔与车轴为过盈配合，才用热涨法装配。在这种条件下，列车行走时轮心内孔与车轴无相对运动、无磨损。当出现更换轴或维修车轴上零件等情况时，需要将车轮解体，此时车轴将从轮心内孔中被强行压出，孔轴配合面就会被破坏。为使轮轴达到可工作的状态，轮心内孔面需堆焊及机加工，恢复内孔外形及表面的光洁度。本文所设计的堆焊机减速器就用于此工序。轮心堆焊机主要由动力头、尾架、焊接小车、底座、导轨及控制箱六大部分组成。本文所设计的减速器属于该堆焊机的动力头的一部分。本文所设计的轮心堆焊机减速器，工作重点在于传动机构和轴的设计。工作的首要目的是满足基
2、本的使用性能，其次是在此基础上尽量减少减速器的体积和重量使其结构紧凑、加工制造方便。动力头减速器构造有很多种类，本文首要满足的性能指标是速比和强度，之后再从装配方便、缩小体积、降低成本等方面加以考虑。设计后的减速器应具有容易生产、结构简单、可靠实用、安装方便、成本低的特点。关键词 轮心，堆焊机，减速器，动力头。AbstractThe motorcycle round heart means the part matching with with axle car wheel, it is the importance of the railroad train to lead to sprea
3、d a parts.Round bore inside the heart and axle in order to lead Ying to match with, just rise method assemble with the heat.In this case, the railroad train runs about round bore inside the heartWith axle have no opposite sport, dont wear away.While appearing to replace stalk or maintaining circumst
4、ances like spare parts,etc of axle, need to disintegrate car wheel, at this time axle will from the round the bore inside the heart drive strong line of press out, the bore stalk match noodles will be broken.In order to make the axle attain the status that can work, the round bore noodles inside the
5、 heart needs a heap of Han and machine to process and resumes inside the clean degree of the bore shape and the surface.The heap Han machine designed by this text decelerates a machine to used for this work preface.Round the heart heap Han machine mainly from power head, tail, weld a small car, base
6、 and lead track and control box six greatest partses to constitute.The deceleration machine designed by this text belongs to a part of the power head of the heaps Han machine.The round designed by this text the heart heap Han machine decelerate machine, work Be particularly lie in spreading motive t
7、o reach and stalk of design.The initial purpose of the work is satisfy basic use function, secondly is on this foundation as far as possible decrease decelerate machine of physical volume and weight make its structure tightly packed, process to make convenient.Power head deceleration machine the str
8、ucture contain a lot of categories, the this text initial contented function index sign is soon ratio and strength, after again from assemble been convenience, narrow a physical volume and decline low cost etc. to take into to consider.It is easy to should have the deceleration machine after designi
9、ng production, simple structure, credibility practical, install a characteristics with convenient and low cost.Key words round heart, heap Han machine, deceleration machine, power head目录摘 要IAbstractII第一章 绪 论- 1 -1.1 课题的目的及意义- 1 -第二章关键技术- 2 -2.1 堆焊- 2 -2.2 轮心堆焊- 2 -第三章 总体方案设计- 3 -3.1 动力头的总体设计要求- 3 -3
10、.2 动力头的设计- 3 -第四章 齿轮传动的设计计算- 6 -4.1 材料的选择- 6 -4.2 齿轮分度圆直径的计算- 6 -4.3 齿根弯曲强度的校核- 8 -4.3结构设计- 8 -第五章 蜗杆传动的设计计算- 10 -5.1蜗杆传动材料的选择- 10 -5.2 选择齿数- 10 -5.3 验算滑动速度- 10 -5.4 主要尺寸计算- 10 -5.5 热平衡计算- 11 -第六章 轴的校核与装配方案设计- 12 -6.1 轴的设计- 12 -6.2轴上零件装配方案- 24 -6.3 蜗杆轴的零件装配方案- 26 -6.4 轴的校核- 27 -参考文献- 32 -总 结- 34 -致
11、谢- 35 -第一章 绪 论1.1 课题的目的及意义 动力头减速器的构造有很多种类，要求也很多。本设计主要满足的性能指标是速比和强度，之后再从装配方便、缩小体积、降低成本等方面加以考虑。设计后的减速器应具有生产方便、结构简单、可靠使用、安装方便、成本低的特点。通过此次毕业设计，使大家理论联系实际的重要性，同时具有相关机械设计和制图的实践经验，培养独立思考和解决问题的能力。第二章 关键技术2.1 堆焊 堆焊是指使用焊接的方法把填充金属融敷在金属表面，以便得到所要求的性能和尺寸，这种工艺过程主要是实现各种金属的冶金结合，属于异种金属融化焊的一种特殊形式。 堆焊是焊接的一个分支，是金属冶金结合的一种
12、融化焊接方法，但与一般焊接不同，不是连接零件，而是用焊接的方法在零件的表面堆敷一层或数层具有一定性能材料的工艺过程，最终达到修复零件或增加其耐磨、耐热、耐蚀等性能。由此可见，堆焊就有一般焊接方法的特点，又具有其特殊性。 堆焊的冶金特点、物理本质、热循环过程等于一般焊接工艺相同，但堆焊还具有如下特点：n 应用堆焊能更合理利用材料，节约贵重金属，如在基体为碳素钢或铸钢 用钢的表面堆敷一层钴基或镍基粉末。n 制造双金属结构，如水轮机叶片、导水叶、推土机刀刃、抓斗等零件。n 修复旧零件，如阀座、磨具、齿轮、轴累零件等。 堆焊是熔焊，因此从原理上讲，凡是属于熔焊的方法都可以用堆焊。堆焊方法的发展也随着生
13、产发展的需要和科技进步而发展，当今已有很多种堆焊方法现按实现堆焊的条件，将常用的堆焊方法综合分类。l 氧-乙炔焰堆焊l 手工电弧堆焊l 埋弧自动堆焊l 震动电弧堆焊l 等离子弧堆焊l 气体保护堆焊l 电渣堆焊l 其他堆焊 2.2 轮心堆焊 轮心堆焊一般采用保护自动堆焊（焊剂层下的自动堆焊），这种堆焊方法的优点在于保证堆焊金属必须的质量和高生产率的同时，还保证了工艺过程的稳定性。因此与其他堆焊修复方法相比，保护自动堆焊得到了比较广泛的应用。在焊接工作时，被焊接件在动力头和尾架的三爪卡盘之间，电动机通过减速箱对焊件施加转矩，从而实现气体保护焊等多种焊接方式。此转矩还可以通过尾架锥齿轮传动的形式传递
14、给托盘，使其转动，从而实现自动堆焊。这种结构的保护自动堆焊可以实现环焊、螺旋焊、直道焊三种焊接形式当工件焊完一圈，小车带动焊枪纵向自动移动一段距离再焊，称为环焊；当焊接工件时，焊枪与小车同时以设定的速度缓慢移动，称为螺旋焊；当工件不转动，仅小车纵向移动时，称为直道焊。 焊接开始时，焊丝与焊件接触，并被固定颗粒状的焊剂覆盖着。当焊丝与焊件之间引燃电弧，焊丝与轧辊及部分靠近电弧的焊剂受到电弧热（60008000C）的作用开始融化。焊丝融化后，堆在工件上，焊剂起保护作用和合金化作用，焊剂融化时，不断放出气体和水蒸气，形成泡沫，在蒸汽的作用下，形成一个用渣壳包住的密闭孔穴，电弧在孔穴内继续燃烧，这样就
15、隔绝了大气对电弧和熔池的影响，并防止热量的迅速散失。堆焊层除了基体金属的冲淡作用外，组织较为均匀，气孔和夹渣较少，淬火作用小，而焊接的物理和力学性能高。堆焊层的硬度和耐磨性是有焊丝材料和焊剂种所含的合金元素来决定的。 第三章 总体方案设计 3.1 动力头的总体设计要求 动力头的总体设计要求如下。u 焊接线速度：v=400-450mm/min.u 传动比i在1200-1424范围内。u 传动装置的布局应使用结构简单、紧凑、匀称，重量轻，强度和刚度好，成本低，并适合车间布置情况和工人操作，便于拆装和维修。u 使各级传动的承载能力接近相等。u 使各级传动中大齿轮的浸油深度大致相等。u 尽量采用标准件
16、，也可用少量非标准件。 3.2 动力头的设计 （1）电动机的选取为了缩小体积、减轻重量，故在满足使用要求的前提下优先选用110SZ51型电动机，其额定参数如下。a) 额定功率：P=185W.b) 额定转速：n=1500r/min。c) 满载转速：n=1470r/min。（2）传动方案的确定 本方案主要采用齿轮传动和蜗杆传动两种方式。其主要原因在于齿轮传动效率高。其主要原因在于齿轮传动效率高，适合大功率传动，可放在高速级；而蜗杆传动比大，结构紧凑，噪声小，但效率低，可放在最后的低速级。方案具体传动简图如下。 传动装置的运动简图 1-电动机齿轮；2-过桥齿轮；3-蜗杆轴小齿轮；4-齿轮轴大齿轮；5
17、-齿轮轴小齿轮；6-蜗杆轴大齿轮；7-蜗杆轴；8-蜗杆；9-涡轮 第一级：电动机齿轮1在电动机带动下转动，带动过桥齿轮2，2带动蜗杆轴小齿轮3（3与蜗杆轴为无键的间隙配合），3带动齿轮轴大齿轮4。 第二级：齿轮轴小齿轮5带动蜗杆轴打齿轮6。 第三级：蜗杆8带动涡轮9。最后蜗轮9带动主轴，实现动力头三爪卡盘转动。 （3）材料的选择 冷轧辊自动堆焊要求载荷平稳，转速低，故所有齿轮材料均选用40Cr，调质处理，硬度为241-286HBS。 （4）初步确定齿轮齿数和蜗杆头数 根据经验可初步定出各级齿轮齿数和蜗杆头数，如下表。 表3.1 各级齿轮齿数和蜗杆头数 传动级数齿轮齿数蜗杆头数第一级Z1=12Z
18、2=36Z3=40Z4=80M=1.25第二级Z5=26Z6=124-M=1第三级Z8=2Z9=80-M=2 (5)传动装置的运动参数和动力参数1.各轴转速1轴（过桥齿轮轴）：n =n/i=1470/(36/12)=490(r/min)2轴：n=n/i=490/(40/36)=441(r/min)3轴（齿轮轴）：n=n/i=441/(80/40)=220.5(r/min)4轴（蜗杆轴）：n=n/i=225/(124/26)=46.234(r/min)5轴（主轴）：n=n/i=46.234/(80/2)=1.156(r/min)工作轴：n=n=1.156（r、min）2.各轴输人功率1轴：P=P
19、=185=179.45（W）2轴：P=P=179.45=174.067（W） 3轴：P= P=174.067=168.845（W） 4轴：P= P=168.845=162.96（W）5轴：P= P=162.960.78=127.12（W）工作轴：P= P=127.120.995=126.47（W） 3.各轴输入转矩 1轴：T=9550 P/ n=3.497(N.m) 2轴：T=9550 P/ n=3.769(N.m) 3轴：T=9550 P/ n=7.313(N.m) 4轴：T=9550 P/ n=33.661(N.m) 5轴：T=9550 P/ n=1050.17(N.m) 工作轴：T=95
20、50 P/ n=1044.78(N.m)将以上求得得运动参数和动力参数、各轴之间的传动比及效率列于表3.2、3.3中。 表3.2 传动装置的运动参数和动力参数 参 数电动机1轴2轴3轴4轴5轴工作轴转速/rmin1470490441220.546.2341.1561.156功率P/W185179.45174.067168.845162.96127.12126.47转矩T/Nm1.2023.4973.7697.31333.6611050.171044.78表3.3 各轴之间的传动比及效率参数电动机轴与1轴1轴与2轴2轴与3轴3轴与4轴4轴与5轴5轴与工作轴传动比i3.001.1124.77401
21、效率0.970.970.970.9650.780.995第四章 齿轮传动的设计计算 齿轮传动是以主动轮带动从动轮旋转来进行工作的，是现代机械传动中使用相当普遍的一种传动方式。这种传动具有许多优良的特点，如工作可靠、传动比准确、传动效率高、寿命长、结构紧凑以及适用的速递和功率范围广等。4.1 材料的选择 材料选用40Cr，调质处理，硬度为241-286HBS。4.2 齿轮分度圆直径的计算 齿轮分度圆直径的计算公式为： d转矩为 T=9550式中 P-功率； n-转速。由此可得各处转矩，如表4.1所示。 表4.1 转矩数值TTTTT3497.4443769.4787312.78833660.683
22、1305863.400 各级传动比见表3.3。对各级齿轮有如下要求；l 齿轮1转速较高，功率不打大，选7级精度制造，其他齿轮转速不高，功率不打，可选8级精度制造。l 载荷平稳，对称分布，轴的刚度较大，取载荷综合系数K=1.2.l 齿宽系数取=0.6.确定许用接触应力：查设计手册得=670MPa，S=1，则=/S=670Mpa。根据以上参数，由公式得到各齿轮分度圆直径： d14.76 mm d21.07 mm d22.47 mm d28.02 mm d26.08 mm d43.39 mm模数为 m=d/z=14.76/12=1.23mm 查设计手册取m=1.25mm。 m=d/z=26.08/2
23、6=1.003mm取m=1mm分度圆直径：d=zm=1514.76 d=zm=4521.07d=zm=5022.47d=zm=10028.02d=zm=2626.08d=zm=12443.39很显然各个齿轮均满足接触强度条件。宽度齿轮：b= d=0.6=9mm取b=b=b=b=15mm b= d=0.626=15.6mm取b=20mm，b=15mm。圆周速度： v=mm/s根据设计手册，齿轮1选择7级精度，同理，齿轮2、3、4均选用7级精度。 v=m/s根据设计手册，齿轮5选择8级精度，同理，齿轮6选用8级精度。4.3 齿根弯曲强度的校核 弯曲强度的公式为： 式中 -接触强度，MPa： T-小
24、齿轮转矩，N K-载荷综合系数 b-齿轮接触宽度，mm d-小齿轮分度圆直径，mm m-模数 Y-符合齿形系数 根据齿数Z，由设计手册查的复合齿形系数：,Y,Y,Y。 由公式中已知K=1.2,T以计算出，且m、b都已知，则校核计算如下 由以上的计算可知，齿根弯曲应力均小于其许用弯曲应力，故各齿轮的齿根弯曲强度满足要求。4.3结构设计根据以上计算，得到各级传动结构中的齿轮及蜗杆几何尺寸，如下表所示。表4.2 电动机齿轮的几何尺寸名 称符 号计算公式数 值模数m根据需要，取标准值1.25压力角=2020分度圆直接dd=mz15齿顶高hh=m1.25齿根高hh=1.25m1.5625全齿高hh= h
25、+ h=2.25m2.8125齿顶高直径dd=d+2h=(z+2)m17.5齿根高直径dd=d-2 h=(z-2.5)m11.875基圆直径dd=dcos=mz cos14.095齿锯pp=3.925齿厚ss=p/2=1.9625齿槽度ee=p/2=1.9625标注中心距aa=05（d+d）30表4.3其他齿轮的几何尺寸参数名称过桥齿轮蜗杆轴小齿轮齿轮轴大齿轮齿轮轴小齿轮蜗杆轴大齿轮m1.251.251.2511a2020202020d455010026124h1.251.251.2511h1.56251.56251.56251.251.25h2.81252.82252.81252.252.2
26、5d47.552.5102.528126d41.87546.87596.87523.5121.5d42.28646.98593.96924.432116.522p3.9253.9253.9253.143.14s1.96251.96251.96251.271.27e1.96251.96251.96251.271.27a47.575-75第五章 蜗杆传动的设计计算蜗杆传动多在需要交错轴间传递运动及动力的场合使用。通常交错角为90，一般蜗杆为主动力。其主要优点为传动比大，工作平稳，结构紧凑，当蜗杆导程角小于摩擦角时可以自锁。其缺点是效率低，需要贵重的有色金属。蜗杆传动的类型有多种，本文根据需要选择了
27、普通的圆柱蜗杆-阿基米德蜗杆。5.1蜗杆传动材料的选择 在蜗杆传动中，普通齿轮传动中齿轮所发生的点蚀、弯曲、折断、胶合和磨损等失效形式必然都可能出现。更特殊的事由于蜗杆传动在齿面间有较大的相对滑动，磨损、发热、胶合的现象就更容易发生。基于蜗杆传动的特点，蜗杆副的材料组合首先要要求具有良好的减磨、耐磨、易于跑合的特性和抗胶合能力，此外要求有足够的强度。由于转速不高、功率不大，蜗轮材料选用ZQAl9-4，砂磨铸造，=250MPa；蜗杆材料选用40Cr，表面调质，硬度为241-286HBS。5.2 选择齿数 查机械设计手册，取Z=2，Z=80。5.3 验算滑动速度 v= 式中 Z-蜗杆头数； m-模
28、数，mm； d-蜗杆分度圆直径，mm； -蜗杆分度圆柱上螺旋升角： v-滑动速度，m/s。所以，根据设计要求，原材料选择是适合的。5.4 主要尺寸计算 根据以上计算结果，可以得到蜗杆传动的主要尺寸，如表下表所示。表5.1 蜗杆传动的主要尺寸名称符号蜗杆蜗轮模数m22分度圆直径d40160中心距a100100齿顶圆直径d44 164齿根圆直径d35.2155.2头数z280蜗轮最大外圆半径d-166齿顶圆弧半径R-18齿根圆弧半径R-22.4蜗轮轮缘宽度b-22蜗杆分度圆柱上螺旋升角54238齿距p6.28特性系数20压力角a20螺旋方向左旋蜗轮变位系数X05.5 热平衡计算蜗杆传动的特点是效率
29、较低。发热量较大。在工作中就可能出现齿面磨合加剧，甚至引起齿面胶合的情况。出现工作失效的原因在于散热不充分，温升过高，使润滑油粘度降低，减小润滑作用。因此，闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算。热平衡计算的原理是：闭式蜗杆传动正常连续工作时，由摩擦产生的热量应小于等于箱体表面散发的热量，以保证温升不超过允许值。公式为： 式中，P=162.960W，在通风良好的条件下，取k=15W/(m),取允许润滑油工作温度，室温t=20,.将以上数据带入计算得箱体所需有效散热面积A为： A这将为箱体设计和是否考虑采取散热措施提供依据。在实际使用中，蜗轮轮齿折断的情况很少发生，这是因为蜗轮轮齿弯曲强度所限定的承载能
30、力，超过齿面点蚀和热平衡计算所限定的承载能力。而只有在蜗轮采用脆性材料， 并且受强烈冲击的传动等少数情况下，折断现象才会出现，此时计算其弯曲强度才有实际意义。因此，本章不对器弯曲强度进行校核。第六章 轴的校核与装配方案设计轴属于运行机构，主要是带动工件转动完成冷轧辊堆焊，并同时承受转矩、弯矩和剪切作用，而且其性能直接影响到堆焊质量、机床的实用寿命等，因此，这部分在动力头整体设计中占关键地位。6.1 轴的设计 从设计机床的工作特点来看，主轴要同时承受弯矩和转矩做哟美好。从传动情况来看，转矩是由蜗杆轴传递给主轴的，弯矩主要是由主轴上的两滚动轴承承受。（1） 主轴设计。主轴材料选择40Cr，调质处理
31、，查机械设计手册得：硬度为241286HBS，=750MPa，=550MPa。（2） 按转矩估算轴的最小直径，估算公式为 式中 P轴功率，Kw; n轴转速，r/min； C系数。由机械设计手册取：C=100，于是计算所得直径应为安装齿轮或蜗轮的最小直径，取d=60mm。（3） 轴的结构设计。根据估算所得直径，轮毂宽及安装情况等条件，轴的结构及尺寸可进行草图设计，如下图所示，轴的输出端孔径40mm，孔上90mm，联轴台阶起定位作用。离合器用轴肩定位，弹簧器安装在离合器的左边蜗轮安装在右边，然后在两端各安装一个角接触球轴承（GB276-82）,其宽度为25mm，用轴套定位。根据减速器内壁到蜗轮和轴
32、承端面的距离，以及轴承盖安装方便等要求参见设计手册中有关经验数据，将轴的结构尺寸初步取定如图所示，这样轴承跨距为210mm，由此可进行轴和轴承等的校核计算。 （4）计算蜗轮受力。蜗杆、蜗轮分度圆直径分别为：40mm，160mm。蜗杆、蜗轮所受的转矩分别为：32098.854N，1024442.027N蜗轮作用力：圆周力 F=2T/d=12805.53（N）径向力 F=F（N）轴向力 F=2T（N）加工工件的最大质量是100Kg，由减速器和尾架间的三爪卡盘平均承受，因此，轴上承受的径向力为F=490N.轴受力的大小和方向如下图所示。（5）计算轴承反力。垂直面受力如图6.3，水平面受力如图6.4所
33、示。图6.2 轴受力示意图 图6.3 垂直面受力示意图 图6.4 水平受力示意图垂直面： 水平面： (6) 绘制弯矩图。垂直面弯矩图如图6.5所示。 图6.5 垂直面弯矩示意图AC:M(x)=CB:M(x)=BD:M(x)=截面C: 截面B： 水平面弯矩图如图6.6所示。 AC: 图6.6 水平面弯矩示意图CB:BD: 截面C： 截面B： 合成弯矩图如图6.7所示。 图6.7 合成弯矩示意图 (7)绘制扭矩图。扭矩示意图如图6.8所示。 T图6.8 扭矩示意图 由蜗轮受力计算结果可知：T=1024442.027，又根据，由设计手册可知，故a=73/134=0.59,则aT=0.59(8)绘制当
34、量弯矩图。当量弯矩图如图6.9所示。 图6.9 当量弯矩示意图对于截面C： 对于截面B： （9）计算危险截面C处的直径。危险截面C处的直径为：取截面C直径为60mm，所以该轴强度满足要求。齿轮轴的设计选择轴的材料。40Cr，调质处理。查机械设计手册得：硬度为241286HBS, 按转矩估算轴的最小直径。与4.6.1节相同，取：C=100，于是。 计算所得应是最小直径（即安装齿轮）处的直径，因该段轴上有平键，对轴的削弱较大，为增大强度，取d=15mm。 轴的结构设计。齿轮轴的结构及尺寸草图设计如图所示，安装齿轮处的直径为15mm，长为14mm，轴间台阶做齿轮左侧轴向定位用，根据减速器的内壁到电动
35、机齿轮端面的距离，可将轴间宽度取为5mm；右侧定位用挡圈（直径为20mm，中间有一个直径为5.5mm的孔，厚度为1.5mm），用的螺钉将其固定于轴端。左边的轴段固定于箱壁内，使其与箱体为过盈配合。 计算齿轮受力。由设计手册中可知：a 大齿轮作用力如下圆周力 径向力 b. 小齿轮作用力如下 圆周力 径向力 轴受力的大小和方向如图所示： 图6.10 轴受力示意图 计算轴承反力。垂直面受力如图6.11所示，水平面受力如图6.12所示 垂直面： 图6.11 垂直面受力示意图 图6.12 水平面受力示意图 水平面： 绘制弯矩图。垂直弯矩图如图6.17所示。 图6.13 垂直面弯矩示意图 AC: CB: BD： 截面C： 截面B: 水平弯矩图如图6.14所示。 图 6.14 水平面弯矩示意图AC:CB:SD：截面C： 截面B： 合成弯矩图如图6.15所示。 图 6.15 合成弯矩示意图绘制扭矩图。扭矩图如图6.16所示。 T 图 6.16 扭矩示意图 由表4.1可知：T=7313，又根据，查设计手册得，故a=73/124=0.59 aT绘制当量弯矩图。当量弯矩图如图6.17所示。 图 6.17 当量弯矩示意图截面C； 截面B： 分别计算轴截面C和B处的直径。公式如下 两截面虽然有键槽削弱，但结构设计所确定的直径已分别达到20m
